DE19650613A1 - Bauteil mit einem Metallschaum-Kern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil mit einem Me­ tallschaum-Kern sowie auf Verfahren zu dessen Herstellung. Sie hat auch die Verwendung dieses Bauteils zum Gegenstand.

Aus DE 195 26 057 C1 ist bereits ein solches Bauteil be­ kannt. Dabei wird auf den Metallschaum-Kern durch thermi­ sches Spritzen eine Metallschicht aufgetragen. Damit der Spritzwerkstoff beim Auftreffen auf den Metallschaum-Kern nicht in denselben eindringt, wird der Kern an seiner Ober­ fläche mit einem Preßwerkzeug unter Erwärmung verdichtet, um die Poren an der Oberfläche zu beseitigen. Das bekannte Verfahren hat sich zwar insbesondere bei großflächigen Bau­ teilen gut bewährt, es umfaßt jedoch relativ viele Prozeß­ schritte. Zudem muß der Preßvorgang langsam durchgeführt werden, um ein Zerbrechen des Metallschaums zu verhindern, wodurch die Produktionsgeschwindigkeit weiter herabgesetzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil beliebiger Form mit einem Metallschaum-Kern nach einem einfachen Verfahren herzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Bauteil erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils angegeben. In den Ansprüchen 6 und 9 ist jeweils ein Ver­ fahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils um­ rissen, welche durch die Ansprüche 7 und 8 bzw. 10 bis 13 weiter ausgebildet werden. Die Ansprüche 14 bis 16 betref­ fen bevorzugte Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemä­ ßen Bauteils.

Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist der Metallschaum-Kern mit einem Gußwerkstoff umgossen. Es handelt sich also um ein Gußteil mit einem Metallschaum-Kern. Dabei ist der Guß­ werkstoff stoffschlüssig mit dem Metallschaum-Kern verbun­ den. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird eine defi­ nierte Krafteinleitung in den Metallschaum-Kern gewährlei­ stet. Das erfindungsgemäße Bauteil kann damit einer hohen dynamischen Belastung standhalten.

Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Gußwerkstoff und dem Metallschaum-Kern können erfin­ dungsgemäß zwei Verfahren durchgeführt werden.

Nach dem einen Verfahren wird der Metallschaum-Kern mit ei­ ner metallischen Folie ummantelt, bevor er mit dem Gußwerk­ stoff umgossen wird. Die metallische Folie ist dabei derart ausgebildet, daß sie zur stoffschlüssigen Verbindung des Gußwerkstoffs mit dem Metallschaum-Kern sowohl kernseitig wie gußwerkstoffseitig beim Gießvorgang zumindest an­ schmilzt.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Bauteils muß si­ chergestellt sein, daß die Gußwerkstoff-Schmelze beim Gieß­ vorgang nicht in den Metallschaum-Kern eindringt. Dies gilt nicht nur für offenporigen Metallschaum, sondern auch für geschlossenporigen Metallschaum, da sich auch bei letzterem die Poren an der Oberfläche mit dem Gußwerkstoff füllen können. Zudem würden dadurch undefinierte Strukturen ent­ stehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das Eindringen der Gußwerkstoffschmelze in den Metallschaum-Kern durch ei­ ne metallische Folie verhindert wird, muß daher gewährlei­ stet sein, daß die metallische Folie beim Gießvorgang nicht durchschmilzt, bevor der Gießwerkstoff erstarrt.

Damit die metallische Folie an beiden Seiten anschmilzt, aber nicht durchschmilzt, muß sie, auf die Gießtemperatur und die Gießdauer abgestimmt, einen entsprechenden Schmelz­ punkt, eine entsprechende Dicke und eine entsprechende Lös­ lichkeit gegenüber der Gußwerkstoffschmelze besitzen.

Das Gießverfahren kann z. B. ein Kokillenguß oder ein Sand­ guß, also ein eher langsames Gießverfahren sein, oder bei­ spielsweise ein schnelles Gießverfahren, wie der Druckguß. Bei einem Kokillen- oder Sandguß muß daher eine eher dicke­ re und/oder höher schmelzende Folie und/oder eine Folie ge­ ringerer Löslichkeit gegenüber der Gußwerkstoffschmelze verwendet werden als beim Druckguß.

Durch das Anschmelzen der metallischen Folie wird eine me­ tallurgische Verbindung durch Legierungsbildung zwischen dem Gußwerkstoff, dem Folienmaterial und der Oberfläche des Metallschaumkerns erhalten.

Der Metallschaumkern kann aus irgendeinem Metall oder Me­ tallegierung bestehen. Metallschaum aus Aluminium bzw. Alu­ miniumlegierungen wird jedoch bevorzugt. Daneben sind bis­ her beispielsweise Metallschäume aus Stahl, Magnesium, Ti­ tan und Nickel bekannt.

Da das erfindungsgemäße Bauteil in erster Linie für leichte Strukturen eingesetzt wird, besteht der Gußwerkstoff vor­ zugsweise aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung.

Die metallische Folie kann ebenfalls aus Aluminium- oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Damit eine stoffschlüs­ sige Verbindung zwischen dem Gußwerkstoff und dem Metall­ schaum-Kern entsteht, muß die metallische Folie sowohl guß­ werkstoffseitig wie kernseitig an der Oberfläche ange­ schmolzen werden, damit eine Legierungsbildung mit dem Guß­ werkstoff bzw. dem Metallschaum-Kern eintreten kann. Die Einstellung der Schmelzpunkte der Folie und der Metall­ schaum-Kernoberfläche kann durch entsprechende Beimengungen der Aluminiumlegierung erfolgen. Generell ist es vorteil­ haft, wenn die metallische Folie sowie der Metallschaum-Kern und der Gußwerkstoff aus einer Legierung mit dem glei­ chen Basismetall bestehen, da damit das Bauteil leichter recyclebar ist. Die Folie kann jedoch auch aus einem ande­ ren Material als der Gußwerkstoff bzw. der Metallschaum-Kern bestehen. So wird beispielsweise eine Eisenfolie in der Gußwerkstoffschmelze angelöst, wenn diese durch Aluminium gebildet wird.

Neben dem vorstehend geschilderten Verfahren, bei dem das Eindringen des geschmolzenen Gußwerkstoffs beim Gießen in den Metallschaumkern durch eine metallische Folie verhin­ dert wird, die ihrerseits zu einer stoffschlüssigen Verbin­ dung zwischen dem Gußwerkstoff und dem Metallschaum-Kern führt, besteht ein weiteres bevorzugtes Verfahren zur Her­ stellung des erfindungsgemäßen Bauteils darin, den Metall­ schaum-Kern vor dem Umgießen mit dem Gußwerkstoff zumindest im Oberflächenbereich mit einer hitzefesten Masse zu ver­ siegeln, die der Gießtemperatur standhält. Dabei muß wenig­ stens ein Teil des Metalls des Metallschaums an der Ober­ fläche des Metallschaum-Kerns zur formschlüssigen, also me­ tallurgischen Verbindung des Gußwerkstoffs mit dem Metall­ schaum-Kern beim Gießvorgang freiliegen.

Das freiliegende Metall wird durch die Stege und Trennwände zwischen den Poren an der Oberfläche des Metallschaum-Kerns gebildet. Wenn nach dem Versiegeln die hitzefeste Masse die Metallstege oder Metalltrennwände an der Oberfläche des Me­ tallschaum-Kerns bedeckt, muß das Metall an der Oberfläche des Metallschaum-Kerns durch Abtragen der Masse wieder freigelegt werden.

Beim Gießvorgang wird das Metall an der Oberfläche des Me­ tallschaum-Kerns durch den geschmolzenen Gußwerkstoff ange­ schmolzen und damit eine oberflächliche Legierungsbildung zwischen dem Gußwerkstoff und dem Metallschaum erhalten.

Die Versiegelungsmasse kann nur im Oberflächenbereich des Metallschaum-Kerns vorliegen, oder sich tiefer in den Me­ tallschaum-Kern hineinerstrecken oder in gegebenenfalls ganz auffüllen.

Insbesondere wenn die Masse tiefer in den Metallschaumkern hineinreicht oder ihn ganz auffüllt, muß sie, da sie das Gewicht erhöht, wieder entfernt werden. Dazu kann die Masse beispielsweise eine in Wasser oder in einem anderen Lö­ sungsmittel lösbare oder mit einer Säure, einer Lauge oder einem anderen Reagens herauslösbare Masse sein. Beispiels­ weise kann Gips verwendet werden, der aus den Poren der Me­ tallschmelze herausgewaschen werden kann.

Damit die Masse aus dem Bauteil nach dem Umgießen des Me­ tallschaum-Kerns mit dem Gußwerkstoff entfernbar ist, muß der Gußwerkstoff, der den Metallschaum-Kern umgibt, wenig­ stens eine Öffnung aufweisen, durch die die Masse nach au­ ßen gelangen kann.

Für die erfindungsgemäßen Bauteile bestehen die verschie­ densten Verwendungsmöglichkeiten im metallischen Leichtbau. Sie sind insbesondere in der Fahrzeugtechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt einsetzbar, um den Materialeinsatz und das Gewicht zu reduzieren. Insbesondere in der Fahrzeug­ technik spielt die Herstellung von leichten Gußteilen im Motorenbau und im Karosseriebereich, wie bei Crashstruktu­ ren und Trägern eine zunehmende Rolle.

So werden im Bereich der Karosseriefertigung auf der Basis von Aluminium sogenannte "Space Frames", d. h. gitterrohr­ rahmenähnliche Strukturen eingesetzt. Die einzelnen Rohre werden dabei durch Knotenelemente verbunden, die in oder in die die Enden der miteinander zu verbindenden Rohre ge­ steckt werden. Diese komplex aufgebauten Knotenelemente, die heutzutage als massive Aluminiumgußteile ausgebildet sind, können durch erfindungsgemäße Bauteile mit Metall­ schaum-Kernen ersetzt werden, wodurch eine wesentliche Ge­ wichtsreduktion erreicht wird.

Für derartige Anwendungen, bei denen die Funktion des Me­ tallschaum-Kerns in erster Linie in der Erhöhung der Stei­ figkeit des Bauteils besteht, können sowohl offenporige wie geschlossenporige Metallschäume verwendet werden.

Hingegen ist eine weitere bevorzugte Anwendung der erfin­ dungsgemäßen Bauteile nur mit offenporigem Metallschaum durchrührbar, und zwar bei Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile als Wärmetauscher. Dazu muß das Bauteil an zwei gegenüberliegenden Seiten zum Eintritt bzw. Austritt des Wärmetauschermediums offen ausgebildet sein. Der offenpori­ ge Metallschaum ist dabei derart gestaltet, daß zumindest ein Teil der Poren des Metallschaum-Kerns an der einen of­ fenen Seite des Bauteils mit zumindest einem Teil der Poren des Metallschaumkerns an der anderen offenen Seite des Bau­ teils kommuniziert. Das flüssige oder gasförmige Wärmetau­ schermedium strömt damit von der einen offenen Seite des Bauteils durch die über offene Verbindungen miteinander verbundenen Poren im Inneren des Metallschaums zur anderen offenen Seite des Bauteils, wo es wieder austritt. Durch den langen Strömungsweg durch die einzelnen Poren wird ein großflächiger Wärmeaustausch erreicht, und das Wärmetau­ schermedium zugleich gut vermischt.

Eine besonders bevorzugte Verwendung eines solchen erfin­ dungsgemäßen Bauteils stellt ein kühlbarer Motorblock dar, bei dem der Metallschaum-Kern die Kühlkanäle bildet, die von dem Kühlmedium durchströmt werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch und im Schnitt Fig. 1a bis 1c und Fig. 2a bis 2f die Schritte zur Her­ stellung des erfindungsgemäßen Bauteils nach einem ersten bzw. zweiten Verfahren und Fig. 3 und 4 in perspektivischer Wiedergabe ein geschlossenes bzw. offenes Bauteil.

Zur Herstellung des Bauteils 1 mit einem Metallschaum-Kern 2 in einem Gußwerkstoff 3 (Fig. 1c) wird ein Metallschaum-Kern mit einer Metallfolie 4 ummantelt (Fig. 1b), damit der Gußwerkstoff 3 beim Gießvorgang nicht in die Poren 5 des Metallschaum-Kerns 2 eindringt. Beim Umgießen des mit der Folie 4 ummantelten Metallschaum-Kerns 2 schmilzt die Folie 4 und bildet damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Metallschaumkern 2 und dem massiven Gußwerk­ stoff 3. Die Folie 4 darf allerdings erst dann schmelzen, wenn die Gußwerkstoffschmelze erstarrt ist.

Nach einer nicht dargestellten Variante dieses Verfahrens kann die Folie 4 eine relativ hohe Schmelztemperatur und/oder Dicke aufweisen, so daß sie auf der Seite des Guß­ werkstoffs 3 und des Metallschaum-Kerns 2 lediglich an­ schmilzt, so daß eine metallurgische Verbindung des Metall­ schaum-Kerns 2 mit dem Gußwerkstoff 3 über die Folie 3 er­ folgt. Die zum Anschmelzen des Metallschaum-Kerns 2 an sei­ ner Kontaktfläche erforderliche Energie wird dabei von der Gußwerkstoffschmelze über die Folie 4 eingebracht.

Der Metallschaum-Kern 2 wird während des Gußvorgangs durch herkömmliche Verfahren und Hilfsmittel in der in Fig. 1 nicht dargestellten Gußform fixiert, beispielsweise durch Stifte oder dergleichen, die z. B. beim Gußvorgang auf­ schmelzen und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Gußwerkstoff bestehen.

Nach dem zweiten Verfahren werden die Poren des Metall­ schaum-Kerns 2 (Fig. 2a) mit einer hitzebeständigen Masse 6 gefüllt, beispielsweise mit Gips (Fig. 2b). Damit ist der Metallschaum-Kern 2 versiegelt, also ein Eindringen des geschmolzenen Gußwerkstoffs 3' beim Umgießen des Metall­ schaum-Kerns in der Form 7 (Fig. 2d) verhindert.

Der mit der hitzebeständigen Masse 6 gefüllte Metall­ schaum-Kern 2 kann vor dem Umgießen mit dem geschmolzenen Gußwerk­ stoff 3' einem spanabhebenden Bearbeitungsverfahren, bei­ spielsweise Fräsen, unterworfen werden, um komplexe Geome­ trien herauszuarbeiten (Fig. 2c).

Wie Fig. 2d zu entnehmen, wird der mit der hitzefesten Masse 6 gefüllte bearbeitete Metallschaum-Kern 2 in der Form 7 so umgossen, daß ein Bauteil 1 gebildet wird, das an gegenüberliegenden Enden E1 und E2 offen ist, also einen freiliegenden Metallschaum-Kern 2 aufweist.

Der in der Form 7 mit dem Gußwerkstoff 3 umgossene Metall­ schaum-Kern 2 wird gemäß Fig. 2e in einen mit Wasser 9 ge­ füllten Behälter 10 gegeben, um die Masse 6 aus den Poren des Metallschaumkerns 2 herauszuwaschen. Das Bauteil 1 ge­ mäß Fig. 2f weist einen Metallschaum-Kern 2 mit einer sol­ chen offenporigen Struktur auf, daß die Poren an dem einen Ende E1 des Metallschaum-Kerns 2 mit den Poren am gegen­ überliegenden Ende E2 des Metallschaum-Kerns 2 kommunizie­ ren.

Das Bauteil 1 gemäß Fig. 3 weist eine geschlossene Gußwerk­ stoff-Umhüllung 3 auf; bei dem Bauteil 1 gemäß Fig. 4 ist die Gußwerkstoff-Umhüllung 3 an dem einen Ende E1 und an dem gegenüberliegenden Ende E2 offen. Ferner stehen die Po­ ren 5 des Kerns 2 an dem Ende E1 mit den Poren an dem ande­ ren Ende E2 in Verbindung. Das Bauteil 1 nach Fig. 4 ist deshalb als Wärmetauscher verwendbar.

Claims (16)

1. Bauteil mit einem Kern aus einem Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern (2) mit einem metallischen Gußwerkstoff (3) umgossen und mit dem Guß­ werkstoff (3) stoffschlüssig verbunden ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Gußwerkstoff (3) eine Leichtmetallegie­ rung ist.

3. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern (2) und der Gußwerkstoff (3) aus einer Legierung mit dem gleichen Basismetall bestehen.

4. Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern (2) und der Gußwerkstoff (3) aus einer Aluminiumlegierung bestehen.

5. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es an gegenüberliegenden Seiten (E1, E2) offen ausgebildet ist und der Metallschaum (2) eine derart offenporige Struktur aufweist, daß zumin­ dest ein Teil der Poren (5) des Metallschaum-Kerns (2) an der einen offenen Seite (E1, E2) des Bauteils (1) mit zumindest einem Teil der Poren (5) des Metall­ schaum-Kerns (2) an der anderen offenen Seite (E2, E1) des Bauteils (1) kommuniziert.

6. Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern vor dem Umgießen mit dem Gußwerkstoff mit einer metallischen Folie ummantelt ist, welche der­ art ausgebildet ist, daß sie zur stoffschlüssigen Ver­ bindung des Gußwerkstoffs mit dem Metallschaum-Kern kernseitig wie gußwerkstoffseitig beim Gießvorgang zu­ mindest anschmilzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Folie sowie der Metallschaum-Kern und/oder der Gußwerkstoff aus einer Legierung mit dem gleichen Basismetall bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Folie sowie der Metallschaum-Kern und/oder der Gußwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Me­ tallschaum-Kern vor dem Umgießen mit dem Gußwerkstoff zumindest im Oberflächenbereich mit einer hitzefesten, der Gießtemperatur standhaltenden Masse versiegelt wird, wobei wenigstens ein Teil des Metalls des Metall­ schaums an der Oberfläche des Metallschaum-Kerns zur formschlüssigen Verbindung des Gußwerkstoffs mit dem Metallschaum-Kern beim Gießvorgang freiliegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern und der Gußwerkstoff aus einer Legierung mit dem gleichen Basismetall bestehen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum-Kern und der Gußwerkstoff aus einer Aluminiumlegierung bestehen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß den Metallschaum-Kern umgebende Gußwerkstoff mit wenigstens einer Öffnung versehen ist und die hitzefeste Masse über die Öffnung aus dem Me­ tallschaum-Kern entfernt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil vor dem Umgießen mit dem Gußwerkstoff spanabhebend bearbeitet wird.

14. Verwendung des Bauteils nach Anspruch 5 als Wärmetau­ scher.

15. Verwendung nach Anspruch 14 bei einem Motorblock, wobei der Metallschaum-Kern die Kühlkanäle im Motorblock bil­ det.

16. Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Knoten-Element für einen Profilrahmen.