DE19653149A1 - Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung des Werkstückes - Google Patents

Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung des Werkstückes

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DE19653149A1
DE19653149A1 DE19653149A DE19653149A DE19653149A1 DE 19653149 A1 DE19653149 A1 DE 19653149A1 DE 19653149 A DE19653149 A DE 19653149A DE 19653149 A DE19653149 A DE 19653149A DE 19653149 A1 DE19653149 A1 DE 19653149A1
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Dietmar Hoffmann
Peter Dr Niedner
Matthias Franke
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf ein Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff sowie auf ein Herstellverfahren.
Ein derartiges Werkstück ist beispielsweise aus der DE 195 01 508 C bekannt für ein aus einem Aluminiumdruckguß gefertigtes Bauteil, das ein Hohlraumprofil aufweist, wobei in dessen Hohlraum ein Kern aus Aluminiumschaum bleibend an­ geordnet ist. Dieser das Bauteil aussteifende Aluminiumschaum-Kern besteht aus einer Mischung von Aluminiumpulver mit einem Treibmittel, das bei entsprechender Temperatur ein Gas freigibt zur Aufschäumung des Aluminiumpulvers. Gleichzeitig werden die Aluminiumkörner zusammengebacken, so daß eine schaumige Masse zunächst die Kontur der jeweiligen Kernform ausfüllt. Diese Schaummasse von geschlossener Porosität weist eine Dichte von etwa 0,6-0,7 Gramm pro ccm auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück von hoher Festigkeit unter Verwendung eines schüttfähigen Materials leichtgewichtig auszubilden.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß das Werkstück aus Schaumkörpern von relativ großer Druckfestigkeit und von feinporiger bis grobporiger Struktur und mit offener oder geschlossener Oberfläche mittels einer formbestimmenden Verbindung gebildet ist.
Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen in der Verwendung von Schaumkörpern, die je nach verwendetem Material einerseits und ihrer endgültigen Größe bei geringer Ausgangsmasse andererseits die Möglichkeit einer gewünscht geringen Dichte eröffnen und somit ein Werkstück von geringem Gewicht ermöglichen.
In erster Ausgestaltung der Erfindung bezüglich besonders geeigneter Materialien wird vorgeschlagen, daß die jeweils von geringer Masse durch einen Schäumvorgang ein vorbestimmt großes Volumen einnehmenden Schaumkörper aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum gebildet sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung findet in bevorzugter Weise ein in der DE-P 195 45 187 beschriebener silikatischer Mineralschaum Verwendung, der die Ausbildung von Schaumkörpern ermöglicht, deren offene bis geschlossene Ober­ fläche jeweils einer Schale zugehörig ist, die mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integralschaumes in Verbindung steht. Mit dem zweiteiligen Aufbau jedes Schaumkörpers ergibt sich einerseits mit dem größerporigen Innen-Kern in vorteilhafter Weise eine Gewichts- bzw. Dichtereduzierung, wobei die Schale mit ihrer insbesondere geschlossenen Oberfläche in vorteilhafter Weise der punktförmigen Einleitung großer Kräfte dient.
Die Druckfestigkeit der Schalen der Schaumkörper kann ferner durch einen in der o.g. DE-P 19545 187 beschriebenen Verfahrensschritt durch Keramisieren weiter gesteigert werden.
Zur Ausbildung eines leichtgewichtigen Werkstückes sind die hochfesten Schaumkörper von geringer Dichte mittels Sintern und/oder einer Tränkung mit einer Leichtmetall-Legierung formbestimmend verbunden.
Für das Sintern sowie für das Metall-Tränken sind insbesondere als Kugeln/Körner gestaltete Schaumkörper besonders vorteilhaft mit jeweils einem Durchmesser von 0,5 mm bis 16 mm.
Ein erfindungsgemäß aus formbestimmend verbundenen Schaumkörpern gestaltetes Werkstück eröffnet in weiterer vorteilhafter Weise durch einen von Schaumkörpern ausgesparten Bereich die Anordnung einer Funktionseinrichtung wie einen Schraubbolzen, ein Gewindesackloch etc. in dem in der Aussparung nach der Tränkung verbliebenen Gießmetall. Dies hat den Vorteil einer vereinfachten Gestaltung des Werkstückes.
Für ein Werkstück mit mittels einer Leichtmetall-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln sind diese vorzugsweise aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet, wobei die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers 40-75% SiO2, 0-20% Al2O3, 1-25% CaO, 0-10% Fe2O3, 0-26% Alkali und 0-5% Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis zu 3% betragen und die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1% eingestellten Schwer­ metall-Restes bestimmt sind. Mit diesem bevorzugten Mineralschaum ist ein Werkstück aus leichtmetallgetränkten Schaumkörpern mit einer Dichte von ca. 0,3 Gramm pro ccm erzielt.
Aufgrund eines preisgünstigen Ausgangsmaterials für den bevorzugten Mineral­ schaum ergibt sich eine kostengünstige Werkstückfertigung, die durch Sintern und/oder Metall-Tränken gemäß weiteren Verfahrensansprüchen auch komplexe Gestaltungen zuläßt und sich für Druckguß, Kokillenguß, Sandguß und sonstige Sonderverfahren, z. B. Pulvermetallurgie eignet. Mit einem in einem Gußteil beispielsweise verbleibenden, als erfindungsgemäßes Werkstück gestalteten Gießkern ergibt sich eine verbesserte Steifigkeit des Guß-Werkstückes bei geringem Gewicht, wobei der Gießkern in vorteilhafter Weise eine Schalldämpfung bewirkt. Schließlich wirkt der erfindungsgemäße Gießkern insbesondere in einem Leichtbau-Werkstück auch als energie- und schallabsorbierendes Element.
Die Erfindung ist anhand eines bevorzugten, in der Zeichnung schematisch im Querschnitt dargestellten Werkstückes beschrieben.
Ein aus einer Aluminium-Legierung gegossenes Werkstück 1 umfaßt einen Kernraum 2 mit einem nach dem Gießen im Kernraum 2 verbleibenden Kern 3.
Zur Erzielung eines Gießkernes 3 von geringer Dichte und damit eines Werkstückes 1 von geringem Gewicht wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein aus Schaumkörpern 4 von relativ großer Druckfestigkeit und von feinporiger bis grobporiger Struktur und mit offener oder geschlossener Oberfläche mittels einer formbestimmenden Verbindung gebildeter Kern 3 verwendet ist.
Vorzugsweise sind jeweils von geringer Masse durch einen Schäumvorgang ein vorbestimmt großes Volumen einnehmende Schaumkörper 4 aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum gebildet. Vorzugsweise findet ein silikatischer Mineralschaum gemäß der DE-P 19545 187 Verwendung zur Ausbildung von Schaumkörpern 4, deren offene oder geschlossene Oberfläche jeweils einer Schale zugehörig ist, die mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integral­ schaumes in Verbindung steht. Durch diese Kombination wird bei geringer Dichte eine hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit erzielt.
Diese Druckfestigkeit der Schalen der Schaumkörper 4 kann nach einem in der vorgenannten Patentanmeldung angegebenen Verfahren zusätzlich dadurch gesteigert werden, daß die Schalen keramisiert sind.
Zur Ausgestaltung des Gießkernes 3 sind die Schaumkörper 4 mittels Sintern und/oder einer Tränkung mit der Alu-Legierung in einer gesonderten Kernform formgebend bzw. formbestimmend verbunden, wobei sich aus Gründen der Festigkeit einerseits und der Handhabung andererseits die Gestaltung der Schaumkörper 4 als Kugeln 4 vorteilhaft erwiesen hat mit jeweils einem Durchmesser von 0,5-16 mm.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gießkernes 3 ergibt sich ferner durch einen von Schaumkörpern 4 ausgesparten Bereich 5 zur Anordnung einer Funktionseinrichtung 6, wie einen Schraubbolzen oder ein Gewindesackloch 7 in dem in der Aussparung 5 nach der Metall-Tränkung verbliebenen Gießmetall. Weiter kann mit der Tränkung der Schaumkörper 4 durch die Alu-Legierung auch ein Kernlager 8 ausgebildet sein.
Für einen im Werkstück 1 verbleibenden Gießkern 3 sind die Schaumkörper 4 bzw. Kugeln 4 hinsichtlich der verwendeten Alu-Legierung vorzugsweise aus einem preisgünstigen silikatischen Mineralschaum gemäß der vorgenannten DE-P 195 45 187 gebildet, wobei die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern einer Schaumkörper-Kugel 4 40-65% SiO2, 1-20% Al2O3, 1-25% CaO, 1-10% Fe2O3, 5-14% Alkali und 0-5% Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis 3% betragen und die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1% eingestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind. Mit der Wahl dieses Mineralschaumes ist ein Gießkern 3 von hoher Druckfestigkeit und reduziertem Gewicht mit einer Dichte von 0,3 Gramm pro ccm erreicht.
Für ein Werkstück 1 aus einer Magnesium-Legierung mit integrierten Schaumkörpern 4 aus einem silikatischen Mineralschaum sind bezüglich der Rezepturgrenzen andere Werte zu beachten, die in den im Anspruch 8 angegebenen Wertebereichen enthalten sind.
Um das Gewicht des Gießkernes 3 trotz Metall-Tränken gering zu halten, kann der Kern 3 gemäß einer Interpretation des Anspruches 6 aus Schaumkörper/Kugeln 4 von unterschiedlichen Durchmessern gewählt sein, wobei die nicht gezeigten Kugeln 4 kleineren Durchmessers in den Raumlücken zwischen den im Durchmesser großen Kugeln plaziert sind.
Die Herstellung des Gießkernes 3 für ein Werkstück 1 aus einer Alu-Legierung erfolgt z. B. in der Weise, daß Schaumkörper 4 aus einem auf die Alu-Legierung abgestellten Mineralschaum gemäß Anspruch 9 als Schüttung in eine vorbestimmte Form mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe eingetragen und mit der Alu-Legierung getränkt werden, wobei der in der Form abkühlende Gießkern 3 eine Temperung erfährt.
Das vorbeschriebene Verfahren ist auch für andersartige Werkstücke geeignet, wobei die Werkstücke vollständig aus Mineralschaum-Körpern mit einem Leichtmetall als Bindemittel oder einem Kern aus Mineralschaum-Körpern und einem Leichtmetall als Bindemittel in Kombination mit einer äußeren Umschließung aus Leichtmetall oder ferner einem Kern aus Mineralschaum-Körpern und Leichtmetall als Bindemittel mit gezielt erzeugten Hohlräumen im Kern und einer äußeren Umschließung aus Leichtmetall hergestellt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Werkstück als eine wärme­ isolierende und/oder schallabsorbierende Einrichtung ausgebildet sein, insbesondere als Aus- oder Verkleidung.
Vorteilhaft kann die Erfindung auch der Ausgestaltung eines Werkstückes als eines energieabsorbierenden Elementes dienen. Dieses findet bevorzugt Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insb. Pkw. Konkret kann ein derartiges Element in einer Chassis-Struktur oder in einem karosserieseitigen Stoßfänger angeordnet sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit der Ausbildung des Werkstückes als ein Halbzeug mit im Bereich der neutralen Zone höchsten Konzentration an Schaumkörpern/Kugeln.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges fallen die Mineralschaum- Körper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in eine Verteilungsvorrichtung zu den Formen an, wobei die Schaumkörper kontinuierlich mit einer zugeführten Leichtmetall-Schmelze getränkt werden, die als Bindemittel der Verschmelzung der Schaumkörper zu einzelnen oder endlosen Halbzeugen dient, die im übrigen bei der Abkühlung ebenfalls getempert werden zum Abbau von Spannungen.
Bei einer weiteren Verfahrens-Variante zur Herstellung eines leichtgewichtigen Werkstückes als Gußteil oder als Halbzeug oder z. B. als energieabsorbierendes Element fallen die Mineralschaum-Körper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in einer Verteilungsvorrichtung zu den Formen an und werden kontinuierlich mit Pulver einer Leichtmetall-Legierung im Temperaturbereich von 1100-700°C unter Luftausschluß oder Schutzgas (CO2, N2) paniert. Ein anschließendes Wiedererhitzen der Mineralschaum-Körper mit codierter Leichtmetall-Oberfläche unter Luftausschluß oder unter Schutzgas auf eine Temperatur zwischen 600-1000°C ergibt ein Verschmelzen oder ein Versintern der Schaumkörper über die aufgebrachten Oberflächenbeschichtungen. Auch bei diesen als einzelne oder endlose Formkörper gestalteten Werkstücken ist eine mit der Abkühlung verbundene Temperung zum Spannungsabbau vorteilhaft.
In Weiterbildung der Erfindung kann die die Schaumkörper formbestimmend verbindende Leichtmetall-Legierung des Verbund-Werkstoffes zur Steigerung der Festigkeit faser- und/oder partikelverstärkt sein. Vorzugsweise ist aus den Fasern und den Schaumkörpern eine Preform gebildet, die anschließend mit der Leichtmetall-Legierung behandelt bzw. getränkt ist.

Claims (20)

1. Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Werkstück (1) aus Schaumkörpern (4) von relativ großer Druckfestigkeit und von feinporiger bis grobporiger Struktur und mit offener oder geschlossener Oberfläche mittels einer formbestimmenden Verbindung gebildet ist
2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die jeweils von geringer Masse durch einen Schäumvorgang ein vorbestimmt großes Volumen einnehmenden Schaumkörper (4) aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum gebildet sind.
3. Werkstück nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die aus einem silikatischen Mineralschaum gebildeten Schaumkörper (4) ihre offene oder geschlossene Oberfläche jeweils einer Schale zugehörig aufweisen, die
  • - mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integralschaumes in Verbindung steht.
4. Werkstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Schalen der Schaumkörper (4) keramisiert sind.
5. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Schaumkörper (4) mittels Sintern und/oder Tränkung mit einer Leichtmetall-Schmelze formbestimmend verbunden sind.
6. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Schaumkörper (4) als Kugeln gestaltet sind mit jeweils einem Durchmesser von 0,5 bis 16 mm.
7. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch
  • - einen von Schaumkörpern (4) ausgesparten Bereich (5) zur Anordnung einer Funktionseinrichtung (6) wie einen Schraubbolzen, ein Gewindesackloch (7) etc. in dem in der Aussparung (5) nach der Tränkung verbliebenen Leichtmetall.
8. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die mittels einer Leichtmetall-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln (4) aus einem silikatischen Mineralschaum ge­ bildet sind, wobei
  • - die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers (Kugel 4) 40-75% SiO2, 0-20% Al2O3, 1-25% CaO, 0-10% Fe2O3, 0-26% Alkali und 0-5% Rest mit einem Schwermetall- Anteil bis 3% betragen und
  • - die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1% ein­ gestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind.
9. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die mittels einer Alu-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln (4) aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet sind, wobei
  • - die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers (Kug­ el 4) 40-65% SiO2, 1-20% Al2O3, 1-25% Ca, 1-10% Fe2O3, 5-14% Alkali und 0-5% Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis 3% betragen und
  • - die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1% ein­ gestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind (KeraGlas).
10. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verwendung als einen nach dem Gießen in einem Kernraum (2) eines Leichtmetall-Werkstückes (1) verbleibenden Kern (3).
11. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Ausbildung als wärmeisolierende und/oder schallabsorbierende Einrichtung, insb. als Aus- oder Verkleidung.
12. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Ausbildung als ein energieabsorbierendes Element.
13. Werkstück nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Verwendung des energieabsorbierenden Elementes in einer Sicherheitseinrichtung eines Kraftfahrzeuges, insb. Pkw.
14. Werkstück nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Ausbildung als ein Halbzeug mit im Bereich der neutralen Zone höchsten Konzentration an Schaumkörpern/Kugeln (4).
15. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall-Legierung des Verbund-Werkstoffes faser- oder partikelverstärkt ist.
16. Werkstück nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern und Schaumkörper/Kugeln zu einer Preform vereint sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung in eine vorbestimmte Form mit einer Materialtemperatur von 1100- 700°C nach der Schäum-Prozeßstufe eingetragen und
  • - mit einer Leichtmetall-Legierung zur formbestimmenden Verbindung getränkt werden.
18. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum- Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in eine Verteilungs­ vorrichtung zu den Formen eingetragen werden, wobei
  • - die Schaumkörper kontinuierlich mit einer zugeführten Leichtmetall- Schmelze getränkt werden zur Verschmelzung der Schaumkörper zu einzelnen oder endlosen Formteilen (Platten, Halbzeuge)
19. Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum- Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in einer Verteilungs­ vorrichtung zu den Formen eingetragen und
  • - kontinuierlich mit Pulver einer Leichtmetall-Legierung im Temperatur­ bereich von 1100-700°C unter Luftausschluß oder unter Schutzgas (CO2, N2) paniert werden, wobei
  • - ein anschließendes Wiedererhitzen der Schaumkörper mit codierter Leichtmetall-Oberfläche unter Luftausschluß oder unter einem Schutzgas auf eine Temperatur zwischen 600-1000°C ein Verschmelzen oder ein Versintern der Schaumkörper über die auf­ gebrachten Oberflächenbeschichtungen bewirkt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein jeweiliges Werkstück vollständig aus Schaumkörpern mit einem Leichtmetall als Bindemittel oder einem Kern aus Schaumkörpern und einem Leichtmetall als Bindemittel in Kombi­ nation mit einer äußeren Umhüllung aus Leichtmetall (Werkstück 1) oder ferner
  • - einem Kern aus Schaumkörpern und einem Leichtmetall als Bindemittel mit gezielt erzeugten Hohlräumen im Kern (z. B. Gußkern) und einer äußeren Umhüllung aus Leichtmetall hergestellt wird.
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