DE19928124A1 - Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers. Um gewünschte Formen des Metallschaumkörpers sicher und mit relativ geringem Aufwand herstellen zu können, wird ein Metall (1) schmelzflüssig oder pastös gemacht und dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas (4) zugeführt und zumindest teilweise in ihm gelöst. DOLLAR A Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das mit gelöstem Gas (4) versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall urgeformt und erstarrt hierbei derartig, daß das Metall zumindest teilweise und zumindest in einigen Bereichen aufschäumt. DOLLAR A Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird das mit gelöstem Gas (4) versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall (8) unter einem ersten Druck urgeformt und erstarrt hierbei und wird in einem nachfolgenden Schritt bei einem zweiten Druck, der niedriger als der erste Druck ist, wieder derartig erwärmt, daß das Metall aufschäumt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen ei­ nes Metallschaumkörpers.

Im Zuge des immer weiter fortschreitenden Leichtbaus wird eine Gewichtsreduzierung der einzelnen Bauteile angestrebt, die vor­ teilhafterweise dennoch eine hohe Festigkeit besitzen sollen. Weiterhin werden unter anderem im Kraftfahrzeugbau Werkstoffe gesucht, die eine große Verformungsfähigkeit aufweisen. Ein der­ artiger Werkstoff ist Metallschaum, bei dem Luft oder Gas von erstarrten Metallblasen umgeben wird. Metallschaum weist eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und eine große Verformungs­ fähigkeit auf.

Problematisch ist im allgemeinen die Herstellung und Formgebung der Metallschäume. Hierzu sind unter anderem pulvermetallurgi­ sche Verfahren und gußtechnische Verfahren bekannt.

Bei pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren wird ein Metall­ pulver mit einem pulverförmigen Treibmittel, zum Beispiel einem Hydrid wie Titanhydrid, gemischt und hieraus ein Körper einfa­ cher Geometrie gesintert. Beim Erhitzen dieses Körpers zerfällt das Treibmittel, so daß das vorher chemisch gebundene Gas frei­ gesetzt wird und die Metallschmelze aufschäumt. Ein derartiges Verfahren ist in Bahnhart, J., "Metallschaum, ein Werkstoff mit Perspektiven", in: Aluminium, 70. JG, 1994, Seite 209 bis 213 beschrieben. Als Metallpulver wird hierbei Aluminium oder eine Aluminium-Kupfer-Legierung, als Treibmittel Titanhydrid verwen­ det.

Bei pulvermetallurgischen Verfahren ist der Entwicklungsdruck des Gases aus dem Treibmittel, zum Beispiel von Wasserstoff aus Titanhydrid, relativ gering, so daß die Temperaturführung sehr genau erfolgen muß, um ein Zusammenfallen der sich bildenden Blasen zu verhindern. Weiterhin legieren Bestandteile des Treib­ mittels, zum Beispiel Titan, in die Metallschmelze ein, auch wenn sie bei der jeweiligen Anwendung unerwünscht sind. Die Her­ stellung von Metallschäumen durch derartige Treibmittel ist auf­ grund deren relativ hoher Kosten relativ teuer.

Bei gußtechnischen Verfahren wird ein Metall zunächst aufge­ schmolzen und anschließend aufgeschäumt. Das Aufschäumen kann zum einen durch Aufschlagen der Schmelze mittels eines Rührwerks erreicht werden. Derartige Verfahren sind z. B. in der Wa 94/009931 sowie der DE 43 26 982 C1 gezeigt. Der so erzeugte, fließfähige Metallschaum wird nachfolgend in eine Gußform beför­ dert, wo er erstarrt. Problematisch ist hierbei neben der Erzeu­ gung eines gleichmäßigen Metallschaums der Transport desselben in die Gußform, da das Einfüllen von fließfähigem Metallschaum in Gußformen aufgrund des geringen spezifischen Gewichtes des Metallschaumes und dessen rascher Erstarrung zu Problemen bei der vollständigen Füllung sämtlicher Formbereiche führt. Die DE 43 26 982 C1 schlägt hierfür vor, eine Schmelze in eine Schmelz­ kammer und eine mit dieser verbundene Schaumkammer einzufüllen, die Schmelze in der Schaumkammer durch ein Rührwerk aufzuschla­ gen, und den Schaum durch einen auf die Schmelze in der Schmelz­ kammer ausgeübten Druck aus der Schaumkammer in eine Gießform zu bringen, wo er weiterverarbeitet wird. Ein derartiges Verfahren erleichtert den Transport des auf geschlagenen Metallschaums in die Gußform.

Derartige Verfahren, bei denen ein Metallschaum ohne Zusatz von Treibmitteln durch Aufschlagen einer Metallschmelze mittels ei­ nes Rührwerkes erzeugt und nachfolgend in eine Gußform transpor­ tiert wird, sind insgesamt relativ aufwendig. Weiterhin kann die Dichte des erzeugten Metallschaums nur schwer kontrolliert wer­ den, so daß auch das Gesamtgewicht bzw. die Gesamtmenge des her­ gestellten Metallschaumkörpers nicht exakt einstellbar ist. Des­ weiteren kann sich beim Transport des Metallschaums die Größe der Blasen, zum Beispiel durch Abkühlen oder Aufplatzen einiger Blasen ändern, so daß hierdurch die Zusammensetzung und Dichte des Metallschaums geändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen zu schaffen und insbesondere eine relativ schnelle und kostengünstige Herstellung eines Metall­ schaumkörpers mit einer gleichmäßigen Schaumstruktur zu gewähr­ leisten. Vorteilhafterweise soll die Möglichkeit einer freien Einstellung weiterer Verfahrensparameter in relativ großem Um­ fang ermöglicht werden.

Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß zum einen gelöst, indem ein Metall schmelzflüssig oder pastös gemacht wird, dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas zugeführt und zumindest teilweise in ihm gelöst wird, das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall urgeformt wird und hierbei erstarrt derartig, daß das Metall zumindest teilweise und zumindest in einigen Bereichen aufschäumt.

Weiterhin wird diese Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt der Er­ findung gelöst, indem ein Metall schmelzflüssig oder pastös ge­ macht wird, dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas zugeführt und zumindest teilweise in ihm gelöst wird, das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall unter einem ersten Druck urgeformt wird und dabei erstarrt und in ei­ nem nachfolgenden Schritt bei einem zweiten Druck, der niedriger als der erste Druck ist, wieder erwärmt wird, derartig, daß das Metall zumindest teilweise und zumindest in einigen Bereichen aufschäumt.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, in dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas zu lösen, das später zum Aufschäu­ men des Metalls zu dem gewünschten Metallschaum führt. Das Auf­ schäumen kann zum einen direkt beim Urformen, zum Beispiel einem Gießvorgang, wie beispielsweise einem Druckgußvorgang, erfolgen, bei dem das pastöse oder schmelzflüssige Metall während der Formgebung abkühlt. Da die Löslichkeit des Gases in der sich abkühlenden Schmelze abnimmt und im Festkörper geringer ist als in der Schmelze, erhöht sich der Innendruck der Schmelze während des Abkühlens, so daß der Aufschäumvorgang direkt bei der Urfor­ mung erreicht werden kann. Die Dichte des erzeugten Metall­ schaumkörpers kann dabei direkt durch die Menge des eingefüllten Metalls sowie das gewählte Innenvolumen der Gußform eingestellt werden.

Zum anderen kann das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall zunächst unter einem ersten Druck, zum Bei­ spiel größer 500 bar, beispielsweise 800 bis 3000 bar oder 1000 bis 1500 bar, urgeformt werden, so daß es erstarrt. Das Gas ist dabei vorteilhafterweise bei hinreichend hohem ersten Druck in dem Festkörper zwangsgelöst bzw. in kleinen Poren mit sehr hohem Innendruck in dem Festkörper gespeichert. Durch die Urformung kann dabei bereits eine gewünschte Zwischenform des Körpers ein­ gestellt werden, die durch weitere Bearbeitungsverfahren, ins­ besondere Bearbeitungsverfahren ohne größere Hitzeentwicklung, weiter verändert werden kann. Anschließend wird der mit gelöstem Gas versetzte, feste Körper bei einem zweiten, niedrigeren Druck wieder erwärmt, bis das Metall hinreichend weich ist, so daß das in ihm gelöste bzw. in Poren mit hohem Innendruck gespeicherte Gas entspannen kann und das Metall aufschäumt. Durch eine bei diesem Aufschäumvorgang verwendete zweite Form kann dabei die gewünschte Endform des Metallschaumkörpers eingestellt werden.

Beim Abkühlen des aufschäumenden Metalls, zum Beispiel an einer kühlen Wand der verwendeten Form, wird wiederum ein fester Me­ tallschaumkörper erzeugt. Erfindungsgemäß wird dabei vorteilhaf­ terweise eine glatte Außenhaut des Metallschaumkörpers erreicht, da der Metallschaum an der kühlen Formwand als erstes verfestigt wird. Somit kann das Auftreten von Poren an der Außenfläche weitgehend verhindert werden.

Die Zuführung des Gases und das Lösen in dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall kann insbesondere ohne Schaumentwicklung vorgenommen werden; es ist jedoch auch die Ausbildung einer ge­ ringen Schaummenge auf der Oberfläche der Schmelze möglich, die das spätere Ausschäumen des in der Schmelze gelösten Gases nicht beeinträchtigt.

Bei der erfindungsgemäßen Alternative einer zwischenzeitigen Verfestigung des mit gelöstem Gas versetzten Metalls und eines späteren Aufschäumens durch Wiedererwärmen kann der feste, mit gelöstem Gas versetzte Körper zum einen von der Urform, wie zum Beispiel Gußform, in eine andere Schaumform gebracht werden, die eine Aufweitung des Körpers beim Wiederaufwärmen und Aufschäumen zuläßt. Alternativ dazu kann die Urform direkt in die Schaumform geändert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Schie­ bers erfolgen, der von einer ersten Stellung, die der Urform entspricht, in eine zurückgezogene, zweite Stellung überführt wird, die die Schaumform festlegt. Ein derartiges Verfahren er­ möglicht insbesondere ein teilweises Aufschäumen des Metallkör­ pers, ohne den Zwischenkörper von der Gußform in eine andere Schaumform überführen zu müssen.

Als Gas kann insbesondere Luft, Stickstoff, Argon oder ein ande­ res Edelgas verwendet werden. Weiterhin ist die Verwendung von Kohlendioxid oder Wasserstoff möglich. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Wasserstoff. Als Metalle können neben Eisen und Stahl insbesondere Leichtmetalle, wie Aluminium, Magnesium oder Legierungen einer oder beider dieser Metalle verwendet werden. Insbesondere kann Wasserstoff in Aluminium gelöst werden, da dieses Gas in schmelzflüssigem Aluminium gut löslich, dagegen in festem Aluminium so gut wie unlöslich ist, so daß ein guter Auf­ schäumvorgang erreicht wird. Gegenüber der bekannten Verwendung von Titanhydrid und Aluminium kann dabei ein deutlich höherer Entwicklungsdruck erreicht werden, da der Entwicklungsdruck des Wasserstoffs aus Titanhydrid sehr gering ist. Somit ist erfin­ dungsgemäß eine Temperaturführung für die Einstellung des Auf­ schäumvorgangs erleichtert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeich­ nung an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Darstellung eines ersten Verfahrensschrittes der erfindungsgemäßen Lösung, bei dem Gas in einer Metall­ schmelze gelöst wird;

Fig. 2 eine Darstellung eines Gußvorgangs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Darstellung eines Gußvorgangs gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird in einem Behälter 1 ein Metall zu einer Me­ tallschmelze 2 aufgeschmolzen und anschließend über eine Gaszu­ führung 3 mit einem Gas 4 versetzt. Das Gas kann beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff oder ein Edelgas sein. Insbesondere kann als Metall Aluminium, Magnesium oder eine Legierung einer oder beider dieser Metalle verwendet werden, in dem Wasserstoff ge­ löst wird. Die Zuführung des Gases kann insbesondere auch über mehrere Gaszuführungen 3 gleichzeitig erfolgen, um eine gute Lösung des Gases in der Schmelze zu erreichen, wobei sich vor­ teilhafterweise keine oder nur wenige Schaumblasen bilden. Die Gaszuführung kann insbesondere an die Temperaturführung der Schmelze gekoppelt werden, um eine gute Lösung des Gases in der Schmelze zu erreichen.

Gemäß Fig. 2 wird in einer ersten Ausführungsform der Erfindung das mit gelöstem Gas versetzte Metall anschließend in einer Guß­ form 5 urgeformt. Hierbei wird die Metallschmelze abgekühlt, so daß die Löslichkeit des Gases in der Schmelze abnimmt, der In­ nendruck in der Schmelze steigt und das Gas das schmelzflüssige oder pastöse Metall aufschäumt zu einem Metallschaum. Somit wird beim Abkühlen der Metallschmelze zu einem festen Körper 6 gleichzeitig ein Metallschaum gebildet, der kurz nach dem Auf­ schäumen verfestigt wird. Es entsteht ein Metallschaumkörper 6, dessen Form durch die Gußform festgelegt ist. Der hergestellte Metallschaumkörper 6 kann anschließend über Auswerfer 13, 14 aus der Gußform ausgeworfen werden. Da der Metallschaum über den Kontakt mit der Gußform 16 abkühlt und verfestigt wird, bildet sich an der Innenfläche 17 der Gußform 16 ein fester Metallfilm, der eine Außenhaut 18 des Metallschaumkörpers 6 bildet. Es bil­ det sich somit eine feste Außenhaut 18 ohne Metallporen, so daß die Gasblasen in dem Metallschaumkörper 6 diesem von außen nicht ohne weiteres angesehen werden können, wenn der Gußkörper 6 nicht nachträglich bearbeitet, zum Beispiel aufgeschnitten wird.

Erfindungsgemäß ist es bei beiden Ausführungsformen möglich, daß als Behälter 1 zum Lösen des Gases 4 in der Metallschmelze be­ reits die Gußform genommen wird, so daß die mit gelöstem Gas versetzte Metallschmelze nicht anschließend von dem Behälter 1 in die Gußform 16 überführt werden muß. Bei der in Fig. 3 ge­ zeigten Ausführungsform wird das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall 8 ebenfalls zunächst in ei­ ner Gußvorrichtung 15 mit einer Gußform 10 urgeformt. Hierbei wird das Innenvolumen der Gußform 10 jedoch der verwendeten Men­ ge der Metallschmelze 8 in etwa angepaßt bzw. gleich einge­ stellt, so daß das Gas beim Urformen und Abkühlen der Metall­ schmelze 8 zu einem Gußkörper nicht aus der Schmelze treten kann und in dem so hergestellten Zwischenkörper zwangsgelöst ist, bzw. kleine Mengen des Gases in einigen Poren mit sehr hohem Innendruck gespeichert sind. Indem das Innenvolumen der Gußform 10 der verwendeten Menge der Metallschmelze 8 relativ genau an­ gepaßt wird, kann das Gesamtvolumen dieser kleinen Poren mit ho­ hem Innendruck vernachlässigbar gehalten werden, so daß das Gas weitgehend oder fast ausschließlich in dem erzeugten Zwischen­ körper zwangsgelöst ist.

Der so hergestellte Zwischenkörper kann anschließend über einen Auswerfer 7 aus der Gußform gebracht und in eine separate Schaumform überführt werden, die ein größeres Volumen als-der Zwischenkörper 8 aufweist. Vor dem Überführen in die Schaumform kann der Zwischenkörper 8 noch durch geeignete Bearbeitungsver­ fahren, zum Beispiel Bohr- oder Schneidverfahren, bearbeitet werden.

Die Verwendung einer separaten Schaumform kann vermieden werden, indem die Gußform nach Beendigung des Gußvorgangs direkt in die Schaumform überführt wird. Hierzu können beispielsweise Schieber 19, 12 verfahren werden, um das zur Verfügung stehende Volumen zu vergrößern. Der in Fig. 3 gezeigte Schieber 12 kann bei­ spielsweise von einer Stellung I des Gußvorgangs in eine Stel­ lung II verschoben werden, um ein Zusatzvolumen freizugeben.

Die Urformung bei dieser Ausführungsform findet bei Drücken von zum Beispiel größer 300 bar oder 500 bar statt. Um eine gute Zwangslösung und die Ausbildung allenfalls geringer restlicher Poren mit hohem Innendruck zu erreichen, sind insbesondere Drücke bei der Urformung von größer 800 bar bis 3000 bar, ins­ besondere 1000 bis 2000 bar vorteilhaft. Diese Drücke werden zumindest während des Abkühlens der mit gelöstem Gas versetzten Schmelze erreicht, wenn die Schmelze erstarrt und ein Ausschei­ den des Gases verhindert wird.

Nachdem der Zwischenkörper in die Gußform überführt worden ist oder die Gußform in die Schaumform verstellt worden ist, wird der Zwischenkörper bei einem zweiten Druck, der niedriger als der erste Druck ist, wieder erwärmt, bis zumindest ein Aufwei­ chen oder sogar Aufschmelzen des Metalles erreicht wird. Als zweiter Druck kann beispielsweise auch Atmosphärendruck gewählt werden. Das zuvor bei höherem Druck zwangsgelöste Gas kann nun­ mehr entspannen, wobei es das weiche Metall aufschäumt. Hierbei kann entweder der ganze Metallkörper aufgeschäumt werden, es ist jedoch auch die Aufschäumung von lediglich Teilbereichen des Metallkörpers möglich. Dies kann insbesondere erreicht werden, Indem dem Metall lediglich in Teilbereichen der zweiten Form ein Freiraum zur Expansion gegeben wird. Bei der in Fig. 3 gezeig­ ten Ausführungsform kann dies durch die Freiräume erreicht wer­ den, die die Schieber 19, 12 beim Überführen in die Schaumstel­ lung freigeben. Somit kann beispielsweise die Ausbildung eines Metallschaums in dem Teilbereich 9 ermöglicht werden.

Somit kann erfindungsgemäß mit einem relativ geringen Aufwand die Ausbildung genauer, auch komplizierter Geometrien erreicht werden, die ganz oder bereichsweise aus Metallschaum bestehen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers, bei dem ein Metall (2) schmelzflüssig oder pastös gemacht wird,
dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas (4) zuge­ führt und zumindest teilweise in ihm gelöst wird,
das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall (6) urgeformt wird und hierbei erstarrt derartig, daß das Metall zumindest teilweise und zumindest in einigen Bereichen (6) aufschäumt.

2. Verfahren zum Herstellen eines Metallschaumkörpers, bei dem
ein Metall (2) schmelzflüssig oder pastös gemacht wird,
dem schmelzflüssigen oder pastösen Metall ein Gas (4) zuge­ führt und zumindest teilweise in ihm gelöst wird, das mit gelöstem Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall (8) unter einem ersten Druck urgeformt wird und da­ bei erstarrt und
in einem nachfolgenden Schritt bei einem zweiten Druck, der niedriger als der erste Druck ist, wieder erwärmt wird, derartig, daß das Metall zumindest teilweise und zumindest in einigen Bereichen aufschäumt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Urformen des mit Gas versetzten schmelzflüssigen oder pastösen Metalls eine zum Urformen verwendete Urform (10) in eine Schaumform (11) geändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung von der Urform in die Schaumform durch Verschieben eines oder mehrerer Schieber (12) erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Gas versetzte schmelzflüssige oder pastöse Metall nach dem Urformen in eine Schaumform zum Aufschäumen gebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Urformen durch einen Gießvorgang erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Metall im ganzen Metallkörper (6) oder nur in Teilbereichen (9) des Metallkörpers (8) aufgeschäumt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas (4) in dem schmelzflüssigen oder pa­ stösen Metall (2) zumindest überwiegend, vorzugsweise fast vollständig gelöst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas (4) dem schmelzflüssigen oder pastö­ sen Metall (2) ohne Schaumbildung zugeführt wird.