DE19852277A1 - Verfahren zur Herstellung eines aufschäumbaren Halbzeuges sowie Halbzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aufschäumbaren Halbzeuges, insbesondere bestimmt für einen metallischen Verbundwerkstoff, umfassend zumindest eine mit dem Halbzeug verbundene Deckschicht, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt wird. Um eine verfahrensmäßige Vereinfachung bei der Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen zu erzielen, insbesondere die Möglichkeit zu schaffen sein soll, Metallkörper nahezu beliebiger Abmessungen zur Verfügung zu stellen, wird vorgeschlagen, dass die Mischung aus dem mindestens einem Metallpulver und dem mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver durch Pressen zu einem offenporigen Pressling gepresst wird, der seinerseits oder ein Abschnitt von diesem als das Halbzeug verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines aufschäumbaren Halbzeu­ ges, insbesondere bestimmt für einen metallischen Verbundwerkstoff umfassend zumindest eine mit dem Halbzeug verbundene Deckschicht, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treib­ mittelpulver hergestellt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Halbzeug bestimmt für einen metallischen Verbundkörper, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt ist.

Aus der DE 44 26 627 C2 ist ein metallischer Verbundwerkstoff bekannt. Dabei wird zunächst ein aufschäumbarer Kern durch Verdichten mittels Druck- und Temperaturein­ wirkung einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gas­ abspaltenden Treibmittelpulver hergestellt. Der durch Verdichten der Mischung hergestellte Kern ist geschlossenporig ausgebildet, so dass bei gezielter Temperatureinwirkung ein Aufschäumen erfolgt. Zuvor wird jedoch nach erfolgter Oberflächenbehandlung sowohl des Kerns als auch einer mit diesem verbundenen Deckschicht ein eine Sandwich-Struktur aufweisendes Paket durch Kalt- oder Warmwalzen oder Diffusionsschweißen hergestellt, wodurch eine innige Verbindung zwischen der Deckschicht und dem Kern hergestellt wird. Anschließend erfolgt durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen eine Formgebung des ent­ standenen Verbundes, um sodann durch thermische Einwirkung den Kern aufzuschäumen.

Der DE 41 24 491 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern durch Walzen zu entnehmen. Dabei wird eine Pulvermischung aus mindestens einem treibmittelhaltigen Pulver und einem Metallpulver ohne äußere Temperaturerhöhung kalt gepresst. Dabei wird jedoch der Pressdruck so gewählt, dass die Treibmittelteilchen von den Metallpulverteilchen dicht umhüllt werden, damit diese bei einer anschließenden Vorerwär­ mung des Materials kein Gas freisetzen.

Auch nach der DE 41 01 630 C2 wird ein aufschäumbarer Kern eines metallischen Ver­ bundwerkstoffes vorgeschlagen, wobei gasabspaltende Treibmittelteilchen zwischen Metall­ teilchen eingeschlossen werden, um zu verhindern, dass vorzeitig Treibgas aus dem ver­ dichteten Kern austritt. Das Verdichten des Kerns erfolgt dabei durch Heißkompaktieren.

Der DE 196 12 781 C1 ist ein Bauteil aus metallischem Schaumwerkstoff zu entnehmen. Dabei wird zunächst ein Halbzeug hergestellt, das durch Verdichten und Verfestigung einer Mischung aus Metallpulver und Treibmittel besteht. Anschließend wird das Halbzeug zu­ mindest auf einer Seite mit einem massiv metallischen Blech versehen, um sodann im Verbund umzuformen und durch Wärmebehandlung das das Treibmittel enthaltene Metallpul­ ver aufzuschäumen.

Unabhängig von dem zum Einsatz gelangenden Herstellungsverfahren wird dabei nach dem Stand der Technik folglich ein an sich aufschäumbarer Körper, der durch Verdichten einer Mischung aus dem mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver eine geschlossene Porosität aufweist, plattiert, gegebenenfalls umgeformt und sodann aufgeschäumt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren sowie ein Halbzeug der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sich eine verfahrensmäßige Verein­ fachung bei der Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen ergibt, wobei insbesondere die Möglichkeit geschaffen sein soll, Metallkörper nahezu beliebiger Abmessungen zur Ver­ fügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird das Problem im wesentlichen dadurch gelöst, dass die Mischung aus dem mindestens einem Metallpulver und dem mindestens einem gasabspaltenden Treibmit­ telpulver durch Pressen, insbesondere Kaltpressen zu einem offenporigen Pressling gepresst wird, der seinerseits oder ein Abschnitt von diesem als das Halbzeug verwendet wird.

Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik wird als Halbzeug kein geschlossenpori­ ger, sondern ein offenporiger Körper vorzugsweise mit einer theoretischen Dichte von 70% bis 95% benutzt, der insbesondere durch isostatisches Kaltpressen hergestellt wird. Hierdurch besteht nicht nur die Möglichkeit, auf sämtliche zur Verfügung stehenden Treibmittelpulver zurückzugreifen, da insbesondere beim Kaltpressen selbst die Gefahr des Abspaltens von Gasen minimiert wird, sondern es können Pressen wie Axialpressen etc. benutzt werden. Diese ermöglichen, großflächige, insbesondere plattenförmige Presslinge herzustellen, aus denen die Halbzeuge in gewünschter Geometrie ausgeschnitten werden können. Somit kann auf einfache Weise eine Bevorratung von weiterzuverarbeitenden Halbzeugen erfolgen, wobei aufgrund der Offenporigkeit gezielt eine temperaturabhängige durch Gasaustritt verursachte Geometrieveränderung der Presslinge ausgeschlossen oder nahezu ausgeschlossen ist.

Insbesondere ist jedoch von Vorteil, dass bei einer Weiterverarbeitung der Halbzeuge eine Oberflächenbehandlung nicht erforderlich ist; denn beim anschließenden Versehen mit einer Deckschicht wie Plattieren, insbesondere durch Walzen, werden auf Grund der beim Ver­ formen auftretenden Scherkräfte die Oberfläche verändert und somit etwaige Oxidschichten aufgebrochen.

In Weiterbildung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Verbundwerkstoffes zunächst der offenporige Pressling bzw. das aus diesem ausgeschnittene Halbzeug durch Druckeinwirkung wie Walzen zu einem geschlossenporigen Körper verdichtet wird, der seinerseits mit zumin­ dest einer Deckschicht durch insbesondere Walzen wie Kalt- oder Warmwalzen oder Diffu­ sionsschweißen verbunden wird, um anschließend den so entstandenen Verbund gegebenen­ falls durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen zu verformen und sodann durch ein thermisches Verfahren derart zu erwärmen, dass der geschlossenporige als Kern zu bezeichnende Körper aufgeschäumt wird, ohne dass die zumindest eine Deckschicht geschmolzen wird.

Alternativ ist vorgesehen, dass der offenporige Pressling bzw. das aus diesem ausgeschnittene Halbzeug in einem Verfahrensabschnitt durch direktes Walzen mit zumindest einer Deck­ schicht verbunden wird, wodurch zum einen der offenporige Pressling bzw. das offenporige Halbzeug geschlossenporig wird und zum anderen gleichzeitig die gewünschte innige Ver­ bindung mit der zumindest einen Deckschicht erfolgt. Die sich anschließenden Verfahrens­ schritte wie gegebenenfalls Formgebung und Aufschäumen bleiben sodann unverändert.

Ein Halbzeug bestimmt für einen metallischen Verbundkörper, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasaspal­ tenden Treibmittelpulver hergestellt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass das Halbzeug ein offenporiger Pressling oder ein Abschnitt von diesem ist.

Als Treibmittelpulver in der Mischung kommen übliche Treibmittel in Frage wie Metall­ hydride wie z. B. Titanhydrid oder Carbonate wie z. B. Calciumcarbonat, Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat oder Hydrate wie z. B. Aluminiumsulfathydrat, Alaun, Aluminiumhydroxid oder leichtverdampfende Stoffe wie z. B. Quecksilberverbindungen oder pulverisierte organische Substanzen.

Als Metallpulver kommen insbesondere Aluminiumpulver, Aluminiumpulver mit Si- und/oder Cu, Si-Pulver oder jegliche verdüste Aluminium-Basislegierungen in Frage. Hierdurch erfolgt jedoch eine Beschränkung der Erfindung nicht.

Als Deckschicht kommen solche Metalle in Frage, die z. B. auch Bestandteil der Mischung sind oder Deckschichten aus Aluminium oder Stahl.

Anhand der nachfolgenden Beispiele ergeben sich weitere Einzelheiten, Vorteile und Merk­ male des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beispiel 1

Eine Pulvermischung aus Aluminiumpulver und 12 Gew.-% Siliziumpulver und 0,8 Gew.-% Titanhydridpulver wird durch kaltisostatisches Pressen zu Pressbarren mit quaderförmigen Abmessungen abgepresst. Dieser vorkompaktierte offenporige Barren wird sodann zwischen zwei entlang von Druckwalzen geführte Blechstreifen aus Aluminium eingeführt, wobei die Druckwalzen einen Druck über die Blechstreifen auf die vorkompaktierte Pulvermischung ausüben. Die Temperatur beim Walzen beträgt 400°C.

Der so hergestellte Verbund mit einer Gesamtdicke von 4,2 mm wurde in einem vorgeheizten Ofen aufgeschäumt. Die Dicke des in dieser Weise hergestellten Sandwichbleches auf Aluminiumbasis lag nach dem Schäumvorgang bei ca. 16 mm.

Beispiel 2

Eine Pulvermischung aus Aluminiumpulver, 5 Gew.-% Siliziumpulver, 1 Gew.-% Magnesi­ umpulver und 0,8 Gew.-% Titanhydridpulver wird durch kaltisostatisches Pressen zu Press­ barren mit quaderförmigen Abmessungen abgepresst. Dieser vorkompaktierte offenporige Barren wird einem Walzgerüst zugeführt, welches über die notwendigen Zuführeinrichtungen verfügt, um den Barren vor einem Auseinanderbrechen zu schützen. Nach Verdichtung des Barrens zu einem annähernd 100% gasdichten Blech wird dieses direkt einem in Reihe stehenden Walzgerüst zugeführt, in dem durch seitliches Zuführen zweier massiver Alumini­ umbleche ein Sandwichpaket entsteht und im Walzspalt und den nachfolgenden Walzgerü­ sten eine Sandwichstruktur mit schäumbarem Kern hergestellt wird, wobei die Deckbleche metallisch an die Kernlage gebunden sind.

Der so hergestellte Verbund mit einer Gesamtdicke von 3,8 mm wurde in einem vorgeheizten Ofen aufgeschäumt. Die Dicke des in dieser Weise hergestellten Sandwichbleches auf Aluminiumbasis lag nach dem Schäumvorgang bei ca. 10 mm.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließbild zur Veranschaulichung eines Verfahrensablaufs,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Halbzeuges zur Herstellung eines metalli­ schen Verbundwerkstoffs und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform von Halbzeugen zur Herstellung von metalli­ schen Verbundwerkstoffen.

Ein zur Herstellung eines metallischen Verbundkörpers erfolgender Verfahrensablauf ist der Fig. 1 zu entnehmen.

In einem ersten Verfahrensschritt 10 wird Metallpulver wie Aluminiumpulver mit Titanhy­ dridpulver als Treibmittelpulver vermischt, wobei der Anteil des Titanhydridpulvers in etwa 0,8 Gew.-% beträgt.

Sodann wird in einem Verfahrensschritt 12 ein offenporiger Pressling, der auch als Halbzeug zu bezeichnen ist, hergestellt. Dabei wird durch isostatisches oder axiales Pressen ein barren-, quader- oder plattenförmiger Körper hergestellt. Anschließend kann aus dem Pressling ein Körper gewünschter Geometrie ausgeschnitten werden oder der Pressling selbst kann benutzt werden, um entweder in einem Verfahrensschritt 14 den Pressling durch Walzen zu einem geschlossenporigen Körper umzubilden, der mit zumindest einer aus zum Beispiel Blech wie Stahlblech oder Aluminiumblech bestehenden Deckschicht oder in zum Beispiel einem Rahmen aus Stahl oder Blech eingepackt wird. Zum Verbinden der Deckschicht bzw. des Rahmens mit dem geschlossenporigen Halbzeug gelangen bekannte Verfahren wie Kalt- oder Warmwalzen oder Diffusionsschweißen zur Herstellung des Verbundes zur Anwendung.

Alternativ kann der offenporige Pressling bzw. das offenporige Halbzeug zu einem Verbund durch Auflegen einer oder mehrerer Deckschichten oder Einfügen in einem Rahmen herge­ stellt werden, um den Verbund sodann als Einheit durch Walzen einerseits innig zu verbinden und andererseits den Pressling bzw. das Halbzeug derart umzuformen, dass die Treibmittel­ teilchen zwischen dem Metallteilchen eingeschlossen werden (Verfahrensschritt 16). In gewohnter Weise kann dann der Verbund durch z. B. Pressen, Biegen oder Tiefziehen eine gewünschte Form erhalten (Verfahrensschritt 18). Schließlich wird der so hergestellte Verbund in einem Verfahrensschritt 20 durch ein thermisches Verfahren erwärmt, wobei die Temperaturführung so gewählt ist, dass ein Aufschäumen des Halbzeuges ausgelöst wird, ohne dass jedoch die Schmelztemperatur der Deckschicht bzw. des Rahmens erreicht wird.

In Fig. 2 ist ein offenporiges Halbzeug 22 dargestellt, das umfangsseitig von einem Rahmen 24 und boden- und kopfseitig von Platten 26, 28 umschlossen ist. Die Boden- und Kopfplatte 26, 28 sind z. B. durch Kleben, Schweißen oder mechanisches Fügen mit dem Rahmen 24 verbunden, um bei dem anschließenden Walzvorgang entsprechend dem Verfahrensschritt 16 sicherzustellen, dass die das Halbzeug 22 umgebenden Platten 26, 28 bzw. der Rahmen 24 nicht zueinander verschoben werden können. Sowohl der Rahmen als auch die Platten 26, 28 bestehen dabei aus Metall wie insbesondere Aluminium oder Stahl bestehen.

Die Verwendung des Rahmens 24 ist von Vorteil, da der Pressling 22 recht spröde sein kann, so dass bei dem Verfahrens schritt Walzen, bei dem das Halbzeug 22 zu einem aufschäum­ baren und damit geschlossenporigen Kern verdichtet wird, das Halbzeug 22 nicht zerbricht.

In Fig. 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform zur Herstellung eines metallischen Verbundwerkstoffes dargestellt. Dabei werden Halbzeuge 30, 32, 34, 36 zwischen Boden- und Kopfblechen 38, 40 angeordnet, die zueinander ausgerichtete Falze oder Erhebungen 42, 44, 46, 48, 50, 52 aufweisen, wodurch eine Kammerung erfolgt, die sicherstellt, dass beim anschließenden Walzen eine eindeutige Fixierung der Halbzeuge 30, 32, 34, 36 bei gleichzei­ tigem Vermeiden eines Zerbrechens dieser gewährleistet ist. In diesem Fall ist es allerdings erforderlich, dass die Walze im Bereich der freien Stirnflächen der Halbzeuge 30, 32, 34, 36 Bunde aufweist, um ein seitliches Ausbrechen der Halbzeuge 30, 32, 34, 36 auszuschließen.

Die Halbzeuge 22, 30, 32, 34, 36 selbst weisen vorzugsweise eine theoretische Dichte von 70% bis 90% auf, wodurch die gewünschte Offenporigkeit gewährleistet ist. Eine Behand­ lung der Halbzeuge 22, 30, 32, 34, 36 vor dem Verbinden bzw. Plattieren mit den Blechen 26, 28, 38, 40 bzw. dem Rahmen 24 ist nicht erforderlich, da bei dem Verbindungsschritt "Walzen" auf Grund der auftretenden Scherkräfte eine Oberflächenveränderung derart erfolgt, dass vorhandene Oxidschichten aufbrechen.

Um die für Halbzeuge 22, 30, 32, 34, 36 benötigten Presslinge, aus denen die Halbzeuge 22, 30, 32, 34, 36 geschnitten wie gesägt werden können, herzustellen, kann erfindungsgemäß ein kaltisostatisches Pressen erfolgen. Hierzu wird - wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist - ein Durchbrechungen aufweisender Stützkörper mit einem Hohlraum benutzt, in den eine gummielastische Form eingelegt wird, die ihrerseits mit der Mischung aus dem zumindest einem metallischen Pulver und dem zumindest einen gasabspaltenden Treibmittelpulver gefüllt wird. Sodann wird die Latexform verschlossen. Der Innenraum der Latexform wird abgesaugt, um beim anschließenden kaltisostatischem Pressen Gase nicht komprimieren zu müssen. Sodann wird der Stützkörper mit der Latexform und der in dieser vorhandenen Pulvermischung einem hydrostatischen Druck von ca. 2000 bar ausgesetzt. Hierzu wird der Stützkörper in ein entsprechendes mit Wasser gefülltes Behältnis eingebracht. Zu dem kaltisostatischen Pressen ist noch anzumerken, dass der Pressling beim Raumtemperatur hergestellt wird.

Zur Herstellung von Platten kann ein axiales Pressen erfolgen, wobei gegebenenfalls Tempe­ raturen bis 250°C auftreten können, wobei der Pressling eine theoretische Dichte zwischen 70% und 95% erfährt.

Entsprechende Verbundkörper können als Leichtbaustrukturen für den Automobilbereich oder in der allgemeinen Verkehrstechnik zur Anwendung gelangen. Auch eine Beplankung von Gegenständen mit entsprechenden Verbundkörpern ist denkbar.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines aufschäumbaren Halbzeuges, insbesondere bestimmt für einen metallischen Verbundwerkstoff umfassend zumindest eine Deckschicht, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpul­ ver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung aus dem mindestens einem Metallpulver und dem mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver durch Pressen zu einem offenporigen Press­ ling gepresst wird, der seinerseits oder ein Abschnitt von diesem als das Halbzeug verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung durch zum Beispiel isostatisches und/oder axiales Pressen, ins­ besondere durch Kaltpressen zu einem Barren, quader- oder plattenförmigen Press­ ling geformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug durch Druckeinwirkung wie Walzen zu einem geschlossenporigen Körper verdichtet wird.

4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossenporige Körper mit der zumindest einen Deckschicht durch insbesondere Walzen oder Diffusionsschweißen zu einem Verbund verbunden wird, der nach gegebenenfalls einer Formgebung wie Pressen, Biegen oder Tiefziehen derart wärmebehandelt wird, dass der geschlossenporige Körper aufschäumt, ohne dass die zumindest eine Deckschicht schmilzt.

5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug mit der zumindest einen Deckschicht zu einem Verbund gebildet wird, dass der Verbund einer Druckeinwirkung wie Walzen zur geschlossenporigen Ausbildung des Halbzeuges und innigen Verbinden des Halbzeuges mit der zumindest einen Deckschicht verbunden wird und dass der so hergestellte Verbund gegebenen­ falls nach einer Formgebung durch z. B. Pressen, Biegen oder Tiefziehen derart wärmebehandelt wird, dass der geschlossenporige Körper aufschäumt, ohne dass die zumindest eine Deckschicht schmilzt.

6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung zur Ausbildung des offenporigen Presslings einem Druck von 100 bis 2000 bar, insbesondere 300 bis 1200 bar ausgesetzt wird.

7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung während des Ausbildens des offenporigen Presslings bei einem kaltisostatischem Pressvorgang Raumtemperatur ausgesetzt wird.

8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung während des Ausbildens des offenporigen Presslings bei einem axialen Pressen einer Temperatur von bis 250°C ausgesetzt wird.

9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressling eine Dichte aufweist, die 70% bis 95% der theoretischen Dichte der Mischung aus dem mindestens einen Metallpulver und dem mindestens einen gasabspaltenden Treibmittelpulver entspricht.

10. Halbzeug bestimmt für einen metallischen Verbundkörper, wobei das Halbzeug durch Pressen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (22, 30, 32, 34, 36) ein offenporiger Pressling oder ein Abschnitt von diesem ist.

11. Halbzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (22) während des Verdichtens des Halbzeuges zu einem auf­ schäumbaren Kern umfangsseitig von einem Rahmen (24) und unter- und oberseitig von Platten (26, 28) umgeben ist, der bzw. die aus Metall bestehen.

12. Halbzeug nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug (30, 32, 34, 36) auf gegenüberliegenden Seiten von Blechen (38, 40) abgedeckt ist, wobei aufeinanderfolgende Halbzeuge gegeneinander über von den Blechen (38, 40) ausgehende und aufeinanderzugerichtete Vorsprünge wie Falze (42, 44, 46, 48, 50, 52) beabstandet sind.