DE2362293A1 - Zur herstellung eines einschlussteilchen aufweisenden metallschaums dienendes verfahren und eine vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

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Technical Operations» Basel SAc _s Basel (Schweiz)

Zur Herstellung eiiies Einschluss-Teilchen aufweisenden Metalls chaums dienendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Aufgeschäumtes Metall findet-in der heutigen Seit eine wachsende Verwendung, la Prinzip werden solche Scha uras dadurch erzeugt, dass raan einer Schmelze des betreffenden Metalls air Agens beifügt, welches unter -bestimmten Bedingungen ein Gas entwickelt, welches das geschmolzene Metall zum Schllumen bringt. Um dem Metallschaum bestimmte - wünschensv/erte -Eigenschaften zu"erteilen,.insbesondere um seine Festigkeit zu erhöhen und seine Sprödigkeit su. reduzieren, werden in vielen Fällen Pasern oder andere Einschluss-Teilchsn in das Gefügt eingebaut. Die Qualität des erzeugten I-ietallschaums hängt da-

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Fall 7 .. ι ■

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bei weitgehend von der Verteilung des Agens und der Einschluss-Teilchen im geschmolzenen Metall ab.

Bei verschiedenen vorbekannten Herste1lungs-Verfahren werdenjdie zu mischenden Stoffe in einen Tiegel gebracht und mit bewegbar in diesem angeordneten, Schaufeln aufweisenden Rührern vermischt. Diese Rührer rotieren während kurzer Zeitintervalle mit hoher Drehzahl und benötigen daher eine grosse Energie.

Des weitern ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Vermischung in einem horizontal befestigten Rohr erfolgt, in welchem ein durch einen Motor angetriebenes Schneckenrad gelagert ist, das die durch verschiedene Öffnungen des Rohrmantels zugeführten Stoffe zum einen Rohrende transportiert und dabei vermischt. Auch dieses Verfahren erfordert zur Vermischung eine sehr grosse Energie.

Ferner ist ein Ofen mit einer auf der Innenseite mit Rippen versehenen, um eine horizontale Achse drehbaren Trommel bekannt. Die zu mischenden Stoffe werden durch eine im Mantel der Trommel angeordnete, mit einer Klappe verschliessbare Öffnung in die Trommel eingeführt und nach dem Mischen wieder durch diese Öffnung entnommen. Dieser Ofen ist also für das Vermischen von schäumenden Stoffen sehr schlecht geeignet und es ist selbstverständlich auch kein kontinuierlicher Betrieb möglich.

Des weitern ist ein tunnelföriaiger, horizontal angeordneter Ofen bekannt, durch den das zu heizende Material hindurch gedrückt wird. Dieser Ofen ist jedoch mit keinerlei beweglichen Teilen oder andern besonderen Ausbildungen versehen, die die Vermischung fördern könnten.

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Ferner ist ein Verfahren zum Überziehen von Salzkristallen mit Metallschichten bekannt, bei dem die zu überziehenden Salzkristalle mit Partikeln aus einer thermisch zersetzbaren Metallverbindung in einem Ofen gemischt werden, der ein horizontal angeordnetes, drehbar gelagertes Rohr aufweist. Dessen Innenwand ist mit als Ablenkplatten dienenden Erhöhungen versehen. Zur Durchführung des Verfahrens werden beim einen Rohr-, ende die Salzkristalle zugeführt und durch die Drehung des Rohres zum andern, die Austrittsöffnung bildenden Rohrende transportiert, bei dem die zersetzbaren Partikel zugeführt und mit den Salzkristallen vermischt werden. Sobald die .■"■zersetzbaren Partikel mit den beim Transport durch das Rohr erwärmten Salzkristallen in Berührung kommen, zersetzen sie · sich, wobei die Salzkristalle mit einer Metallschicht überzogen werden. Bei diesem Verfahren findet zwar auch eine Vermischung statt, aber da die eine Mischkomponente erst bei der Austrittsöffnung des rotierenden Rohres zugeführt wird, ist das Verfahren für die Herstellung von Metallschaum kaum geeignet. .

Die meisten der vorbekannten Verfahren haben des weitern den Nachteil, dass mit ihnen nur Metallschaum mit einem relativ kleinen Gehalt an Einschluss-Teilchen hergestellt werden kann. Dies ist insbesondere auch deshalb der Fall, weil bei einem grossen Gehalt an Einschluss-Teilchen die Viskosität der Schmelze sehr gross wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zur Herstellung eines Einschluss-Teilchen aufweisenden Metallschaums dienendes Verfahren, bei dem ein geschmolzenes Metall mit Einschluss-Teilchen, deren Schmelztemperatur oberhalb derjenigen des Metalle liegt, und mit einem zur Schaumbildung dienenden, gasabgebenden Agens vermischt wird. Dabei wird insbesondere angestrebt, mit geringer Leistung.eine möglichst gute Vermischung zu erzielen. Des weitern soll das Verfahren die Herstellung

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von Metal!schaum mit einem sehr grossen Anteil von Einschluss-Teilchen, etwa Stahlfasern, ermöglichen.

Diese Ziele werden durch ein Verfahren der vorgenannten Art erreicht, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Vermischung der drei Stoffe mindestens ein um seine Längsachse rotierender, geneigter, bei beiden Enden je mindestens eine Öffnung aufweisender Hohlkörper verwendet wird, und dass die zu vermischenden Stoffe beim oberen Ende zugeführt, im Hohlkörper vermischt und beim unteren Ende abgeführt werden.

Die Erfindung betrifft des weitern eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen geneigt angeordneten, drehbar gelagerten, bei seinem oberen Ende und bei seinem unteren Ende mit mindestens einer Öffnung versehenen, heizbaren Hohlkörper aufweist.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einem rotierenden Hohlkörper und

die Fig. 2 eine Darstellung einer Vorrichtung mit zwei rotierenden Hohlkörpern.

Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung weist einen runden Hohlkörper 13 auf, der bei beiden Enden (13a,13b) mit einer Öffnung versehen ist. Der Hohlkörper 13 ist geneigt angeordnet und durch nicht dargestellte Mittel um seine Längsachse drehbar gelagert. Für die Herstellung von Metallschaum wird der Hohlkörper 13 durch eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung in Drehung versetzt, wobei ihm durch seine Öffnung beim oberen Ende 13a die zu vermischenden Stoffe zugeführt werden. Im vorliegenden Fall sind dies, wie es in der Figur 1 durch die Pfoi-

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le 10,11 und 12 bezeichnet ist, geschmolzenes Aluminium, Stahl-Einschluss-Teilchen und als gasabgebendes Agens dienendes Metallhydrid. Ferner kann beim untern Ende des Hohlkörpers13, wie es in der Figur 1 durch den Pfeil 14 angedeutet ist, Wärme, zugeführt werden, die etwa durch eine Feuerung oder einen Brenner erzeugt wird. Der Hohlkörper 13 kann also als rotierender Ofen ausgebildet sein, wobei selbstverständlich die Wärme durch geeignete: Mittel auch dem Mantel das Hohlkörpers 13 zugeführt werden kann. Um die Misehwirkung zu ..vor-." grössern können im Innern des Hohlkörpers 13 ferner Flügel von irgendwelcher Form befestigt werden. Selbstverständlich können die verschiedenen Stoffe dem Hohlkörper auch durch verschiedene Öffnungen zugeführt werden.

Anstelle von geschmolzenem Aluminium können auch andere Metalle, beispielsweise Zink, Blei, Zinn, Eisen sowie Legierungen dieser Metalle verwendet werden. Der Hohlkörper 13 wird vorteilhafterweise auf eine Temperatur geheizt, die etwas oberhalb der Schmelztemperatur des verwendeten- Metalls liegt.

Als Einschluss-Teilchen können Fibern, Drahtstücke, Späne, Schrot, Perlen oder Teilchen anderer Form aus Stahl verwendet werden. Anstelle von Einschluss-Teilchen aus Stahl können." auch solche aus andern Metallen wie Kupfer oder Messing, oder solche aus Glas oder glasartiger Kieselerde verwendet werden. ~ Es können auch noch weitere-Materialien in Frage kornnen, wobti d€iren Schmelztemperatur jedoch höher s-in sollte als diejenige d'es geschmolzenen Metalls. Des weitern sollten sie im letzteren auch nicht lösbar sein.

Die Einschluss-Teilchen 11 können dem Hohlkörper 11 durch eine Schüttel-Beschickungsvorrichtunf, ein Förderband oder eine andere geeignete Vorrichtung zugeführt werden.

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Anstelle von Metallhydrid können auch andere gasabgebende, zur Schaumbildung dienende Agenzien verwendet werden. Metallhydrid, insbesondere Titan- oder Zirkonhydrid ist jedoch besonders vorteilhaft. Das Metallhydrid kann als Granulat entweder allein oder gemischt mit Pulver oder Körnern aus einem Metall zugeführt werden, das mit dem geschmolzenen Metall eine Legierung bilden kann. Selbstverständlich kann das beigefügte Pulver auch aus mehreren Metallen bestehen.

Das Verhältnis zwischen dem Schäumüngs-Agens und dem geschmolzenen Metall ist nicht kritisch; im allgemeinen wird das erstere in einer Menge zugeführt, die etwa 0,2 bis 3 Gewichtsprozent des letzteren beträgt.

Der relative Anteil der Einschluss-Teilchen ist ebenfalls sehr unkritisch und kann beliebig klein sein oder 15 oder sogar bis zu 35$ des Endprodukts betragen. Das Verfahren ermöglicht also Metallschaum mit einem sehr grossen Gehalt an Einschluss-Teilchen herzustellen.

Die Drehbewegung des als Ofen ausgebildeten Hohlkörpers 13 ist von ausschlaggebender Bedeutung bei der Durchführung des Verfahrens. Durch sie werden fortwährend Teile der zu mischenden Stoffe emporgehoben und dann über kurze Strecken auf andere Teile der Stoffe geworfen, wodurch eina intensive Vermischung bewirkt wird. Da beim Emporheben der Teile die Wand des Hohlkörpers 13 oder die darin angeordneten Flügel nur an dem Flächenabschnitt der emporgehobenen Teile angreifen, der an der Wand, beziehungsweise am Flügel anliegt, treten zudem Scherkräfte auf, die ebenfalls zur Durchmischung beitragen.

Da das gasabgebende Agens eine Zersetzungstemperatur aufweist, die tiefer ist als die Schmelztemperatur des geschmolzenen Metalls oder zumindest tiefer als die Tempera-

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tur der Schmelze, setzt bei der Vermischung im rotierenden Hohlkörper 13 auch die Gasabgäbe und."Schaumbildung ein.

Nach dem Durchlaufen des Hohlkörpers 13 strömt die Mischung wie es in der Figur 1 durch den Pfeil 15 angedeutet ist, durch die sich beim unteren Ende 13b befindende Öffnung des Hohlkörpers 13 aus und wird einer Giessform 16 zugeführt. In dieser wird der Schäumungsprozess beendet und die Mischung kühlt sich ab und verfestigt sich, so dass ein Einschluss-Teilchen aufweisender, fester Metallschaum-Körper entsteht.

In der Figur 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die.zwei geneigte, drehbar gelagerte Hohlkörper 23 und 33 aufweist. Diese sind so angeordnet, dass das Schmelzgut unter dem Einfluss der Schwerkraft von der Öffnung beim unteren Ende 23b des ersten Hohlkörpers 23 in die,, beziehungsweise in eine der Öffnungen :■ beim oberen Ende 33a des zweiten Hohlkörpers 33 strömen kann. Den beiden Hohlkörpern 23 und 33 kann, wie es durch die Pfeile 24 und 34 angedeutet ist, Wärme zugeführt werden. Die Hohlkörper 13,23 und 33 können gleich oder verschieden ausgebildet sein und verschiedene Längen, Durchmesser und Neigungswinkel·, aufweisen. Ihre durchgehenden Öffnungen können zylindrisch sein oder einen vieleckigen Querschnitt aufweisen und mit Flügeln verschiedener Form und Anordnung versehen sein.

Bei der in der Figur 2 dargestellten Vorrichtung wird vor dem Vermischen des geschmolzenen Aluminiums mit den Einschluss-Teilchen und dem gasabgebenden Agens ein Vorbereitungsschritt durchgeführt. Dazu wird geschmolzenes Aluminium oder ein anderes geeignetes geschmolzenes Metall, wie es durch den Pfeil 20 dargestellt ist_s durch eine Öffnung beim oberen Ende 23a des Hohlkörpers 23 zugeführt. Des weitern wird den rotierenden ■ Hohlkörper 23, wie es durch den Pfeil 21 angedeutet ist, Magnesium zugeführt, und zwar in einer solchen Menge, dass eine eutektische Legierung, beziehungsweise Schmelze entsteht. Deren

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Schmelztemperatur ist wesentlich tiefer als diejenige von AIuriinium und von vielen seiner Legierungen und insbesondere tiefer als diejenige der Metall-Matrix des zu erzeugenden Metallschaums. Die Schmelztemperatur der eutektischen Legierung ist aber vorallem auch tiefer als die Zersetzungstemperatur des zuzufügenden Hydrids. Das Magnesium wird zweckmässigerweise in fester Form als ein Gemenge von Stücken oder als Granulat von einer Beschickungsvorrichtung zugeführt. Falls das System geschlossen ist oder wenn die Zufuhr in einer Schutzgas-Atmosphäre erfolgt, kann das Magnesium auch in geschmolzener Form zugeführt werden. Selbstverständlich können auch andere Metalle" als Aluminium und Magnesium verwendet werden, die eine Legierung bilden, deren Schmelztemperatur tiefer ist, als die Schmelztemperatur des gewünschten Endprodukts und die Zersetzungstemperatur des gasabgeb-snden Agens.

Das gasabgebende Agens, etwa Titan- oder Zirkonhydrid, wird nun der Schmelze, deren Temperatur niedriger ist als die Zersetzungstemperatur, des Hydrids durch die Öffnung beim oberen Ende 23a des Hohlkörpers 23 zugeführt. Die durch den Pfeil 22 dargestellte Zufuhr erfolgt dabei in Partikelform durch eine entsprechend ausgebildete Beschickungsvorrichtung. Der relative Anteil des gasabgebenden Agens kann je nach der Metall-Legierung in weiten Grenzen variiert werden. Beispielsweise kann die Hydrid-Menge im Falle einer eutektischen Aluminium-Magnesium-Legierung etwa 5 bis 25% des Metallgewichts betragen. Bei einer besonders vorteilhaften Durchführung des Verfahrens beträgt sie 10 Gewichtsprozent.

Das im Hohlkörper 23 erhaltene Mischprodukt, das von einer eutektischen Legierung umgebene Hydridpartikel enthält, kann nun als gasabgebendes Agens für den Hauptschritt des Verfahrens verwendet werden. Das Mischprodukt kann zu diesem Zweck zuerst abgekühlt und nach der Verfestigung gemahlen werden. Es

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ist aber auch möglich, es direkt in flüssiger Form dem rotierenden Hohlkörper 33 zuzuführen.

Im Hauptschritt des Verfahrens werden dem Hohlkörper 33,".wie es durch die Pfeile 30,3.1 und 32 schematisch dargestellt ist, durch eine oder durch verschiedene Öffnungen geschmolzenes Aluminium, Einschluss-Teilchen und das vorbehandelte Hydrid züge-, führt. Diese Stoffe 30,31 und 32 werden beim Durchlaufen des Hohlkörpers 33 vermischt, wobei gleichzeitig die Aufschäumung eingeleitet wird. Das erhaltene Endprodukt strömt dann, wie es durch den Pfeil 35 dargestellt ist, von der Öffnung beim unteren Ende 33b des Hohlkörpers 33 iⁿ eine Giessform 36» 'in der der SchäumungsVorgang beendet wird.

Das Verhältnis zwischen der Zufuhr 3-2 des Mischproduktes und der Zufuhr 30 von geschmolzenem Aluminium hängt vom Hydridanteil des ersteren ab. Bei einer zweckmässigen Durchführung des Verfahrens beträgt dieser etwa 10 Gewichtspro- ·, zente und das Mischprodukt und das geschmolzene Aluminium werden im Verhältnis von 1 : 10 zugeführt. Dias a Misch-Verhältnisse sind jedoch relativ unkritisch und können in wei- . ten Grenzen variiert werden.

Beispielsweise können im Vorbereitungsschritt 32,5 kg Aluminium, 17,5 kg Magnesium und 5 kg: Titanhydrid bei 460 C .während einer Stunde in einem rotierenden Hohlkörper vermischt werden. Anschliessend wird dieses Mischprodukt, das aus einer eutektischen Äluminium-Magnesiurn-Schmelze mit darin verteilten Titanhydrid-Partikeln besteht, einem gleichartigen Hohlkörper zugeführt und dort.während 5 Minuten mit 500 kg geschmolzenem Aluminium und 100- kg Stahl-Fibern mit einer durchschnittlichen Länge von 12,7 nun- und einem mittleren Durchmesser von 0,59 mm gemischt. Die so erzeugte Mischung wird dann in Giessformen vergossen, in denen, sie aufschäumen kann, und anschliessend abgekühlt, wobei sie sich verfestigt.

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Die vorbeschriebenen Verfahren ermöglichen also die Herstellung von Metallschaum-Körpern mit einem sehr hohen Gehalt an Einschluss-Teilchen. Die geneigte Anordnung der Hohlkörper bewirkt insbesondere, dass auch Schmelzen, die als Einschluss-Teilchen Pasern enthalten, und daher eine grosse Viskositä.t aufweisen, unter dem Einfluss der Schwerkraft noch relativ gut aus dem Hohlkörper ausströmen können.

Das Verfahren kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich durchgeführt werden. Im letzteren Fall können die Hohlkörper mit verschliessbaren Öffnungen versehen werden. Falls die Vermischung kontinuierlich erfolgt, wird die Mischungsdauer wesentlich durch die Länge und Neigung des Hohlkörpers und die Menge der zugeführten Stoffe und deren Viskosität beeinflusst. Durch eine entsprechende Ausbildung und Dimensionierung der Misch-Vorrichtung kann die zeitliche Dauer des Mischvorganges in weiten Grenzen variiert und an die Eigenschaften der zu mischenden Stoffe angepasst werden.

Falls die zu mischenden Stoffe dies erfordern, kann die Vermischung auch in einer Schutzgas-Atmosphäre erfolgen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Einschluss-Teilchen einer Vorbehandlung zu unterziehen. Falls zum Beispiel Glasfasern verwendet werden, so ist es zweckmässig, diese zuerst mit einer Metallschicht zu überziehen.

Des weitern ist es möglich, durch Verwendung von zwei getrennten, dispergierten, miteinander reagierenden Substanzen Schaum zu erzeugen. Zum Beispiel können zur Schäumung von Stahl Kohlenstoff und Eisenoxyd vermischt werden, die dann Kohlenoxyd-Blasen erzeugen.

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Claims (6)

1. PATENTANSPRUCHE

   l.Zur Herstellung eines Einschluss-Teilchen aufweisenden Metallschaums dienendes Verfahren, bei dem ein geschmolzenes Metall mit Einschluss-Teilchen, deren Schmelztemperatur oberhalb derjenigen des Metalls liegt,, und mit einem zur Schaumbildung dienenden, gasabgebenden Agens vermischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermischung der drei Stoffe (10, 11,. 12; 30, 31, 32) mindestens ein um seine Längsachse

   • rotierender, geneigter, bei beiden Enden (13a, 13b; 33a, 33b) mindestens je eine Öffnung aufweisender Hohlkörper (13, 33) verwendet wird, und dass die zu vermischenden Stoffe (10, 11, 12';-30, 31* 32) beim oberen Ende (13a, 33a) zugeführt, im Hohlkörper (13» 33) vermischt und beim unteren Ende (13b, 33b) abgeführt werden.
2. 2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Metall (10, 30) einen wesentlichen Anteil Aluminium aufweist und dass das gasabgebende Agens (12, 32) ein Metallhydrid enthält und dass die Einschluss-Teilchen (11, 31) aus Stahl bestehen.
3. 3.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Vermischen der drei Stoffe (30, 31, 32) in einem Vorbereitungsschritt in einem geneigten, rotierenden Hohlkörper (23) eine Metall-Schmelze, deren Schmelz-Temperatur kleiner ist als die Zersetzungstemperatur des gasabgebenden Agens, mit Partikeln des letzteren gemischt wird, so dass von einem Metall umgebene Partikel des gasabgebenden Agens gebildet werden.
4. 4.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschluss-Teilchen (11, 31) in einer Menge beigemischt werden., die bis zu 35% des Endproduktes (15, 35) beträgt. · '.. .

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5. 5.Zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dienende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens «inen geneigt angeordneten, drehbar gelagerten, bei seinem •oberen Ende (13a, 23a, 33a) und bei seinem unteren Ende (13, 23b, 33b) mit. mindestens je einer Öffnung versehenen, heizbaren Hohlkörper (13, 23, .33)-'aufweist.
6. 6.Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei drehbar gelagerte Hohlkörper (23, 33) aufweist, die so angeordnet sind, dass das Schmelzgut (32) unter dem Einfluss der Schwerkraft von der Öffnung beim unteren Ende (23b) des ersten Hohlkörpers (23) in eine Öffnung beim oberen Ende (^;33a). des zweiten Hohlkörpers (33) strömen kann,

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