DE19501659C1 - Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Metallschaumteils nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Metallschaum kann wie Kunststoffschaumstoff zur Wärme- und
Schalldämmung eingesetzt werden. Gegenüber
Kunststoffschaumstoff hat er jedoch u. a. den Vorteil, daß
er aufgrund seiner Steifigkeit für tragende Strukturen
verwendet werden kann, nicht brennbar ist sowie zusammen
mit anderen Metallteilen als Schrott recycelbar ist.
Zur Herstellung von Metallschaum ist es bekannt, in eine
Metallschmelze, beispielsweise in eine geschmolzene
Aluminiumlegierung, ein Gas, wie Stickstoff, oder ein
Treibmittel, mit Titanhydrid, einzurühren, wodurch eine
Schaumschicht auf der Schmelze gebildet wird, die abgezogen
und erstarren gelassen wird (WO 91/01387 und WO 91/03578).
Nach dem bekannten Verfahren kann damit nur Halbzeug in
Form von Platten oder Blöcken hergestellt werden. Wenn man
ein Formteil herstellen will, muß es z. B. aus dem
Metallschaumblock herausgearbeitet werden oder die
Metallschaumplatten müssen zugeschnitten, positioniert und
dann z. B. durch Kleben miteinander verbunden werden. Auch
muß bei den meisten Anwendungen auf die porösen Oberflächen
des so hergestellten Metallschaumformteils noch eine
Deckschicht, beispielsweise durch Kleben, aufgebracht
werden. Die Herstellung eines Metallschaumteils
komplizierterer Form nach dem bekannten Verfahren ist also
sehr zeit- und arbeitsaufwendig.
Ferner ist es bekannt, ein Gemisch aus Metallpulver, wie
Aluminiumpulver, und einem Treibmittel, wie Titanhydrid,
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des
Metalls unter Druck zu sintern und den Preßling
anschließend zu walzen oder strangzupressen (DE 40 18 360 C1).
Damit wird ein sprödes Halbzeug gebildet, das das noch
unzersetzte Treibmittel enthält. Zur Bildung eines
Formteils wird das Halbzeug in einer Form auf eine
Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der Matrix und der
Zersetzungstemperatur des Treibmittels erwärmt. Dieses
Verfahren hat den Nachteil, daß man einerseits eine
heizbare Form benötigt und andererseits das Halbzeug mit
einem entsprechenden Arbeitsaufwand zuschneiden und in der
Form positionieren muß.
Nach einem weiteren bekannten Verfahren wird ein Gemisch
aus Aluminiumpulver und Treibmittel mit einer
Strangpreßmaschine zu Stangen und dgl. Halbzeug extrudiert,
welches das noch unzersetzte Treibmittel enthält (EP 0 559 097 A2).
Aus DE 34 47 470 A1 geht ein sogenanntes Platzhalterverfahren
zur Herstellung einer porösen Metallstruktur hervor. Dabei
wird durch thermisches Spritzen eine Spritzschicht aus
einem Metallpulver mit einem hohen Anteil eines organischen
Polymeren von beispielsweise 35 bis 45 Vol.-% gebildet. Die
Spritzschicht wird dann auf die Zersetzungstemperatur des
organischen Polymeren erhitzt. Die gasförmigen
Zersetzungsprodukte des Polymeren verflüchtigen sich durch
die offenen Poren der festen Spritzschicht, wodurch eine
Spritzschicht mit einem Hohlraumanteil zurückbleibt, der
dem Volumen des Polymeren entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metallschaum-Teil
beliebiger Form mit geringem Aufwand herzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1
gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
wiedergegeben.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat
verwendet, das entsprechend dem Bauteil geformt ist, das
hergestellt werden soll. Entsprechend dem Bauteil kann das
Substrat eine beliebige Form besitzen. D. h., es kann
Kanten, Ecken und andere Krümmungen mit beliebigem
Krümmungsradius, Hinterschneidungen, Bohrungen oder
sonstige Aussparungen, Vorsprünge oder dgl. aufweisen.
Wenn beispielsweise ein Kardantunnel für ein Kraftfahrzeug
hergestellt werden soll, kann das Substrat also
beispielsweise aus Blech bestehen, das entsprechend dem
Kardantunnel geformt ist. Das Substrat braucht jedoch nicht
aus Blech bestehen. Vielmehr kann es auch ein Rohr, ein
massives Teil oder dgl. sein. So ist es z. B. möglich, nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Stab, ein Rohr oder
einen Ring mit einem darum angeordneten koaxialen Rohr oder
Ring zu verbinden, indem man auf den Stab, das Rohr bzw.
den Ring eine ringförmige Spritzschicht aufbringt, das
damit zu verbindende Rohr oder den Ring über die
Spritzschicht schiebt und die Spritzschicht dann
aufschäumt.
Der Begriff "Metallschaumteil" umfaßt also nicht nur
Bauteile, die ganz oder im wesentlichen aus Metallschaum
bestehen, sondern ganz allgemein Bauteile, die mit
Metallschaum versehen sind. Selbstverständlich kann nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Halbzeug hergestellt
werden, also Flach- oder Rohrmaterial, Profilstäbe oder
dgl. D. h., auch Halbzeug fällt unter diesen Begriff.
Auch ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Bauteile
beschränkt. Vielmehr kann danach jeder beliebige Gegenstand
mit einem Metallschaum versehen werden, sofern er der
Temperatur standhält, der er beim thermischen Spritzen mit
dem Metallpulver ausgesetzt ist. D. h., das
erfindungsgemäße Verfahren kann auch dazu verwendet werden,
z. B. einen Metallgegenstand aus z. B. ästhetischen Gründen
mit einer porigen Oberfläche zu versehen.
Freilich werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vor
allem solche Bauteile hergestellt, bei denen die genannten
Vorteile eines Metallschaums zum Tragen kommen, also
insbesondere Bauteile, die leicht, schall- und wärmedämmend
und nicht brennbar sowie als Schrott recycelbar sein
sollen, wie im Fahrzeugbau, einschließlich dem Flugzeugbau.
Das Substrat kann ferner aus einem beliebigen Material
bestehen, sofern dieses einen Schmelzpunkt aufweist, der
über dem der Schäumtemperatur des Metallschaums liegt, also
über dem Schmelzpunkt des Metalls des Metallschaums. D. h.,
das Substrat kann aus Metall bestehen oder einem anderen
hochschmelzenden Material, insbesondere keramischen
Materialien. Beispielsweise kann das Substrat Aluminium,
Titan, Kupfer oder eine Legierung dieser Metalle oder
Stahl, z. B. ein Karosserieblech, sein.
Auf das Substrat wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Spritzschicht durch thermisches Spritzen eines
Metallpulvers gemeinsam mit dem Treibmittel aufgetragen.
Dabei kann ein beliebiges thermisches Spritzverfahren zur
Anwendung kommen, also z. B. Flammspritzen, Plasmaspritzen,
Lichtbogenspritzen oder Detonationsspritzen.
Besonders bevorzugt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren
das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Hochgeschwindig
keitsplasmaspritzen.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (englisch: high
velocity oxygen fuel oder HVOF) weist die
Flammspritzpistole eine Laval-Düse auf, mit der der
Spritzstrahl auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt
wird.
Die geschmolzenen Metallpulverteilchen und die
Treibmittelteilchen treffen damit mit einer Geschwindigkeit
von beispielsweise 400 bis 900 m/s, also nach einer
Flugzeit von z. B. 1 bis 5 ms auf das Substrat auf.
Aufgrund dieser extrem kurzen Flugzeit wird verhindert, daß
sich das Treibmittel zersetzt. Um der Zersetzung des
Treibmittels entgegenzuwirken, werden erfindungsgemäß
vorzugsweise noch weitere Maßnahmen getroffen. So wird
für die Treibmittelteilchen eine größere
Teilchengröße gewählt, während die Teilchengröße der
Metallpulverteilchen möglichst klein ist.
Auch besitzen die Treibmittelteilchen einen wesentlich
geringeren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als die Matrix.
Durch ihre Größe und die Tatsache, daß sie nur einen
geringen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten besitzen, nehmen
die Treibmittelteilchen eine nur relativ geringe Wärmemenge
aus dem Spritzstrahl auf. Damit wird ihre Zersetzung
verhindert. Umgekehrt nehmen die Metallpulverteilchen
aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres kleinen
Teilchendurchmessers und damit ihrer großen spezifischen
Oberfläche eine entsprechend große Wärmemenge aus dem
spritzstahl auf, so daß sie zu Tröpfchen schmelzen, die
beim Auftreffen auf das Substrat eine dichte Spritzschicht
oder Matrix bilden, in die die Treibmittelteilchen
eingebettet sind.
Auch ist es möglich, um eine Zersetzung der
Treibmittelteilchen beim thermischen Spritzen zu
verhindern, die Treibmittelteilchen z. B. durch
Agglomerieren mit Metallpulverteilchen zu ummanteln,
beispielsweise dadurch, daß die Treibmittelteilchen, mit
einem Klebstoff versehen, mit einem Metallstaub in
Berührung gebracht werden.
Beim Flammspritzen wird der Brennkammer der Pistole im
allgemeinen als Spritzpulver ein Gemisch aus den
Metallpulverteilchen und den Treibmittelteilchen zugeführt.
Es ist jedoch auch möglich, das Metallpulver und das
Treibmittel getrennt in den Spritzstrahl einzubringen.
Diese Möglichkeit besteht insbesondere beim Plasma-
Spritzen, bei dem das Spritzpulver dem Plasmastrahl extern
zugeführt wird. Damit kann das Metallpulver dem
Plasmastrahl z. B. im mittleren Bereich und das Treibmittel
am Plasmastrahlende oder zwischen dem Plasmastrahl und dem
Substrat zugeführt werden, um eine Zersetzung des
Treibmittels zu verhindern.
Zu erwähnen ist in diesem Zusammenhang auch, daß zur
Modifizierung der Eigenschaften des Metallschaums ein oder
mehrere weitere Werkstoffe in Pulverform gemeinsam mit dem
Metallpulver und dem Treibmittel durch thermisches Spritzen
auf das Substrat aufgetragen werden können, z. B. ein
Keramik-Pulver oder Kohlenstoff-Pulver.
Als Metallpulver dann ein beliebiges Metall verwendet
werden, das ich zum vermischen Spritzen eignet,
beispielsweise Aluminium, Magnesium, Kupfer, ein
Eisengruppenmetall, wie Eisen, Nickel oder Cobalt, oder
Titan oder eine vorzugsweise niedrigschmelzende Legierung
dieser Metalle. Jedes spritzbare Matrixmaterial ist
verwendbar.
Das Treibmittel kann ein Metallhydrid, -carbonat, -sulfid,
-sulfat, -oxid, -nitrid oder -azid oder dgl.
Stickstoffverbindung sein. Auch kann es ein sich bei
Schmelztemperatur des Metalls zersetzender organischer
Stoff sein oder eine metallorganische Verbindung oder das
Metallsalz einer organischen Säure.
Ferner kann das Treibmittel in Metall mit relativ
niedrigem Siedepunkt sein. So ist es beispielsweise
möglich, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, Eisenpulver
als Matrix-Werkstoff zusammen mit Magnesiumpulver als
Treibmittel aufzuspritzen. Magnesium hat nämlich einen
Siedepunkt von etwa 1090°C bei Atmosphärendruck, so daß es
zur Bildung von Blasen in der Spritzschicht führt, wenn die
verwendete Eisenlegierung einen höheren Schmelzpunkt
besitzt.
Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen hat sich ein Gemisch
aus einem Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulver und
Titanhydrid (TiH₂) als Treibmittel als besonders geeignet
erwiesen.
Die mittlere Teilchengröße des Metallpulvers ist geringer
als die mittlere Teilchengröße des Titanhydrids, und zwar
beträgt die mittlere Teilchengröße des Metallpulvers
vorzugsweise 5 bis 80 µm und die mittlere Teilchengröße des
Titanhydrids 50 bis 150 µm.
Als Metallpulver kann beispielsweise eine
Aluminium/Magnesium-Legierung mit einem Gewichtsverhältnis
von Aluminium:Magnesium von 1 : 2 bis 2 : 1 verwendet werden.
An das Aufspritzen schließt sich beim erfindungsgemäßen
Verfahren das Aufschäumen der Spritzschicht an. D. h., die
Spritzschicht wird zur Bildung des Metallschaums auf eine
Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur und oberhalb der
Schaumbildungstemperatur des Treibmittels erwärmt. Unter
Schaumbildungstemperatur ist dabei entweder die
Zersetzungstemperatur oder die Verdampfungstemperatur des
Treibmittels zu verstehen.
Die Zersetzungs- oder Verdampfungstemperatur des
Treibmittels liegt dabei normalerweise unterhalb des
Schmelzpunkts der Metall-Matrix der Spritzschicht, also des
Metalls des Metallschaumes. Wenn die Zersetzungs- bzw.
Verdampfungstemperatur höher liegt, würde sich nämlich das
Treibmittel aufgrund seines unterschiedlichen spezifischen
Gewichts in der Schmelze nach oben oder unten absetzen,
wodurch die Schaumbildung verhindert, jedenfalls gestört
werden würde.
Das Erwärmen der Spritzschicht zur Bildung des
Metallschaums erfolgt im allgemeinen in einem getrennten
Arbeitsgang. D. h., das Substrat wird nach dem Aufspritzen
beispielsweise in einem Ofen als Ganzes erwärmt oder nur
örtlich im Bereich der Spritzschicht, beispielsweise mit
einem Schweißbrenner.
Während die Spritzschicht nach dem Aufspritzen nur
mechanisch an das Substrat gebunden ist, wird durch das
Erwärmen zum Aufschäumen eine metallurgische Verbindung
zwischen Metallschaum und Metallsubstrat gebildet.
Auch ist es möglich, den Verbund aus Substrat und
Spritzschicht vor dem Aufschäumen zu verformen oder in
anderer Weise zu bearbeiten.
Um eine Änderung des Gefüges und damit der
Werkstoffeigenschaften des Substrats zu verhindern, weist
das Metall, das den Metallschaum bildet, eine möglichst
niedrigen Schmelzpunkt auf. Wie erwähnt, wird
beispielsweise für einen Metallschaum auf einem Substrat
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung vorzugsweise
eine niedrigschmelzende Legierung aus Aluminium und
Magnesium verwendet.
Das Aufschäumen der Spritzschicht kann unkontrolliert, also
ohne Gegenfläche erfolgen, oder kontrolliert in einem
begrenzten Raum, also z. B. einer Form.
Der Treibmittel-Gehalt in der Spritzschicht wird
vorzugsweise auf 0,1 bis 5 Gew.-%, insbesondere 0,5 bis 2
Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Spritzschicht,
eingestellt.
Die Spritzschicht auf dem Substrat muß auf eine solche
Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls der
Metallmatrix der Spritzschicht erwärmt werden, daß eine
ausreichend dünnflüssige Schmelze vorliegt. Im allgemeinen
wird das Substrat mit der Spritzschicht daher auf eine
Temperatur von etwa 50°C oder maximal 100°C oberhalb des
Schmelzpunkts des Metalls der Metallmatrix erwärmt. Je
höher die Temperatur der Schmelze ist, um so größere Poren
werden gebildet, während bei einer Temperatur, welche nur
knapp über dem Schmelzpunkt liegt, kleine Poren entstehen.
D. h., die Porengröße des Metallschaums ist über die
Temperatur steuerbar, auf die das Substrat mit der
Spritzschicht erwärmt wird, ferner über die Zeit, mit der
die Temperatur einwirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Seite des
Schaumstoffs durch das Substrat bedeckt. Um auch die dem
Substrat gegenüberliegende Seite des Schaumstoffs mit einer
Deckschicht zu versehen, kann z. B. durch thermisches
Spritzen mit einem Metallpulver ohne Treibmittel eine
porenfreie Schicht aufgebracht werden.
Auch ist ein Sandwich-Aufbau, also ein Schichtstoff mit
weiteren Schichten, herstellbar. So kann beispielsweise auf
die Spritzschicht mit dem eingebetteten Treibmittel nach
dem gleichen oder einem anderen thermischen Spritzverfahren
eine Zwischenschicht, z. B. aus einem anderen Metall oder
einem keramischen Material, aufgespritzt werden, worauf auf
die Zwischenschicht eine zweite Spritzschicht mit
eingebettetem Treibmittel durch thermisches Spritzen
aufgebracht wird, und z. B. als letzte Lage eine porenfreie
Deckschicht.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Ansicht eines geformten Substrats, auf das mit
einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole eine
schäumbare Spritzschicht aufgetragen wird;
Fig. 2a und Fig. 2b ein plattenförmiges Substrat vor bzw.
nach dem Aufschäumen der Spritzschicht.
Gemäß Fig. 1 wird der Brennkammer 1 einer
Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole 2 über eine Leitung
3 ein Gemisch aus Metallpulver und Treibmittelpulver
zugeführt, und über eine Leitung 4 ein Brenngas/Sauerstoff-
Gemisch. Durch die Laval-Düse 5 der Pistole 2 wird ein
Spritzstrahl 6 hoher Geschwindigkeit erzeugt, der über die
Expansionskammer 7 auf das Substrat 8 auftrifft, wobei aus
den im Spritzstrahl 6 gebildeten Metalltröpfchen und dem
unzersetzten Treibmittel eine Spritzschicht 9 aus einer
Metallmatrix gebildet wird, in der das Treibmittel
eingebettet ist. Das Substrat 8 besitzt, wie in Fig. 1
beispielhaft gezeigt, Kanten, Ecken und eine Krümmung. Die
Spritzschicht 9 kann gezielt unterschiedlich dick
aufgebracht werden.
Das Substrat 8 kann im Bereich des Spritzstrahles 6 mit
einem Gas, beispielsweise Kohlendioxid, gekühlt werden.
Wie in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt, wird die Spritzschicht
9 auf dem Substrat 8 durch Erwärmen des Metalls der
Metallmatrix auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts
des Metalls aufgeschäumt, um einen Metallschaum (gemäß Fig. 2b)
zu bilden. Die Metallmatrix der Spritzschicht 9 muß
dabei frei von Rissen, Poren oder sonstigen Fehlstellen
sein, die ein Verdampfen des Treibmittels bei
Schäumtemperatur in die Umgebung und damit eine
Blasenbildung verhindern würden.
Auf ein Blech aus einer Aluminiumlegierung wird mit einem
Spritzpulver aus einer Aluminium/Magnesium-Legierung mit
einem Schmelzpunkt von ca. 480°C und einer Teilchengröße
kleiner als 63 µm, dem 2 Gew.-% eines Titanhydrid-Pulvers
mit einer Zersetzungstemperatur von etwa 350°C und einer
Teilchengröße kleiner als 105 µm zugesetzt worden sind, mit
einer Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole eine 4 mm
dicke Spritzschicht aufgetragen.
Das Substrat mit der Spritzschicht wird anschließend in
einen Ofen mit einer Temperatur von ca. 500°C gegeben, um
die Spritzschicht zu einer Schaumschicht von ca. 20 mm
aufzuschäumen.
Das Blech mit der Spritzschicht kann vor dem Aufschäumen
mechanisch bearbeitet werden, beispielsweise durch
spanabhebende Bearbeitung oder Formen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils aus
einer Schicht aus einem Metall und einem Treibmittel,
dessen Gehalt in der Schicht höchstens 5 Gew.-% beträgt,
wobei die Schicht durch Erwärmung auf eine Temperatur
oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls aufgeschäumt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch
gemeinsames thermisches Spritzen eines Metallpulvers und
des Treibmittels auf ein entsprechend dem zu bildenden
Teil geformtes Substrat gebildet wird, wobei das
Metallpulver eine mittlere Teilchengröße aufweist, die
kleiner ist als die mittlere Teilchengröße des
Treibmittels.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das thermische Spritzen durch Hochgeschwindigkeitsflamm-
oder Hochgeschwindigkeitsplasma-Spritzen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spritzschicht zur Bildung des Metallschaums auf
eine Temperatur erhöht wird, die höchstens 100°C über der
Schmelztemperatur des Metalls liegt.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Metallpulver Aluminium oder eine
Aluminiumlegierung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Metallpulver eine Legierung aus
Aluminium und/oder Magnesium verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Substrat ein Metall oder ein
keramisches Material verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Treibmittel ein Treibmittel mit
einer Zersetzungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts
des Metalls verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
als Treibmittel ein Metallhydrid verwendet wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19501659A DE19501659C1 (de) | 1995-01-20 | 1995-01-20 | Verfahren zur Herstellung eines Metallschaumteils |
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