DE4416371A1 - Verfahren zur Herstellung langer poriger Metallschaumkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung langer poriger Metallschaumkörper aus aufschäum­ baren Rohlingen und deren Verwendung.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 30 87 807 bekannt. Ein Gemisch aus Metallpulver und Treibmittel wird chargenweise kompaktiert und stranggepreßt, danach in eine Form eingebracht und durch Erwärmung auf mindestens die Schmelztemperatur des Metalles zu einem porösen Metallkörper aufgeschäumt. Die Erwärmung erfolgt mittels einer Widerstands- oder Induktions­ heizung kontinuierlich von einer Seite des extrudierten Stranges aus beginnend. Nach dem Passieren der Aufheizzone erfolgt die Abkühlung.

Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß die Länge der Extrudate durch das chargenweise Verpressen der Ausgangs­ materialien begrenzt ist. Weiterhin bedarf es für die Herstellung langer Metallschaumkörper auch entsprechend langer Formen und Anlagen. Ebenso gestaltet sich das Ausbringen des porösen Metallkörpers aus der Form kompliziert.

Die Formgröße und das komplizierte Ausbringen des porösen Metallkörpers aus der Form sind auch die wesentlichen Nachteile des in der DE-OS 41 01 630 beschriebenen Verfahrens zum Aufschäumen in einer Form. Weiterhin sieht diese Erfindung vor, Metallschäume größerer Länge mit fester Außenschicht herzustellen. Der aufschäumbare Körper wird dabei zunächst durch geeignete Umformverfahren zu einem Stab umgeformt, dieser in ein Hohlprofil eingeführt und anschließend aufgeschäumt.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß Schaummetall und Hüllrohr unterschiedliche Materialien sein müssen, derart, daß der Schmelzpunkt des Materials des Hüllrohrs deutlich über der Temperatur liegen muß, bei der der Schäumvorgang stattfindet.

Daneben sind mehrere Verfahren bekannt, nach denen poröse Metallwerkstoffe durch die Einmischung von gasabspaltenden Stoffen in Metallschmelzen hergestellt werden können. Bei der Vorrichtung nach DE-PS 41 39 020 wird der Metallschaum direkt nach seinem Entstehen aus der Schmelze in das gewünschte Profil vorgeformt, gekühlt und kontinuierlich abgeführt. Nachteile dieser Lösung bestehen im notwendigen hohen apparativen Aufwand sowie in der Stauchung durch die Abzugsrollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung insbesondere langer poriger Metallschaumkörper anzugeben, das die Vorteile der Verwendung aufschäumbarer Rohlinge mit dem Aufschäumen in der Form kostengünstig verbindet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verwendung der aufgeschäumten Körper vorzu­ schlagen.

Diese Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen 1 und 4 und in den Verwendungsansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Erfindungsgemäß erfolgt das Aufschäumen des Rohlings abschnittsweise, derart, daß ein erster Abschnitt geschäumt wird und danach abgekühlt wird, während des Abkühlens des ersten Abschnitts ein folgender Abschnitt vorgewärmt wird und nach Abschluß des Abkühlvorganges der abgekühlte aufgeschäumte Rohling um höchstens das Maß des jeweiligen Aufschäum­ abschnitts aus der Form entfernt und dann der folgende Abschnitt geschäumt wird.

Zweckmäßigerweise sieht das Verfahren beim Aufschäumen des Folgeabschnitts ein Nachkühlen des vorab aufgeschäumten Abschnitts oder Teilen davon vor.

Im Gegensatz zum vorab genannten Stand der Technik erfolgt das Aufschäumen und Kühlen nicht durch fortlaufende Bewegungen der Heiz- und Kühlvorrichtungen entlang der Form, sondern durch eine oszillierende Bewegung. Die Vorteile dieser Verfahrens­ weise bestehen einmal in der Verwendung kleiner Formen für Rohlinge, deren Länge die der Form um ein Vielfaches über­ steigenden kann, im geringen Platzbedarf und in der komplikationslosen Entfernung des fertigen Metallschaumkörpers aus der Form. Es bedarf bei der Erfindung keiner Abzugsrollen o. ä., die auf die Außenfläche des fertigen Metallschaumkörpers stets Kräfte ausüben würden und ihn damit zusammenpressen. Das abschnittsweise Entfernen des Metallschaumkörpers aus der Form ist bei der Erfindung schon durch eine geringe Krafteinleitung in den Rohling möglich, da der Metallschaumkörper beim Abkühlen etwas schrumpft, sich also selbst aus der Form löst. Ein Verspannen des Metallschaumkörpers in der Form infolge von Verwerfungen, wie es bei langen wärmebehandelten Körpern allgemein bekannt ist, kann nicht eintreten.

Zweckmäßigerweise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auslaufrinne für den aufgeschäumten Metallkörper vor, um Verformungen des aus der Form ausgetretenen Metallschaum­ körpers infolge seines Eigengewichts zu verhindern.

Die mit dem Treibmittel und der Art der Einbringung des Treibmittels in den Rohling konzipierte Metallschaum­ körperstruktur bleibt mit dem erfindungsgemäßen Aufschäumvorgang also vollständig erhalten, was von größter Bedeutung für die weitere Verwendung der Metallschaumkörper ist. Die Erfindung sieht hier schwerpunktmäßig die Verwendung als Füllschaum für Hohlkörper aus Werkstoffen vor, deren Schmelzpunkt annähernd der Temperatur entspricht, bei der der Aufschäumvorgang stattfindet, oder die nicht wärmebehandelbar sind bzw. nicht wärmebehandelt werden dürfen.

Einen solchen Anwendungsfall stellen Aluminiumhohlprofile dar, die mit einem porigen Metallschaumkörper, ebenfalls auf Aluminiumbasis, gefüllt werden sollen. Der Metallschaumkörper wird erfindungsgemäß maßhaltig hergestellt, in das Hohlprofil eingefügt und mit diesem z. B. durch eine querschnitts­ reduzierende Verformung kraftschlüssig verbunden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das Aufschäumen eines erster Abschnitts,

Fig. 2 das Abkühlen des ersten Abschnitts mit gleichzeitigem Vorwärmen eines folgenden Abschnitts,

Fig. 3 den aus der Form entfernten aufgeschäumten Rohlingabschnitt, der nachgekühlt wird und das gleichzeitige Aufschäumen des folgenden Abschnitts,

Fig. 4 die Verfahrensschritte Nachkühlen und Aufschäumen an einem beliebigen Abschnitt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit der Form 1, der Heizvorrichtung 4 und der Kühlvorrichtung 5, wobei letztere miteinander gekoppelt sind. Die Kopplung kann starr sein oder auch eine Relativbewegung zwischen der Heiz- und Kühlvorrichtung 4, 5 zulassen. Die Heiz- und Kühlvorrichtung umhüllen die Form zweckmäßigerweise, um ein gleichmäßiges Aufschäumen und Abkühlen zu erreichen.

Der aufzuschäumende Rohling 7 kann ein Gemisch von Al-Pulver mit einer Korngröße kleiner 0,315 mm und Zugaben von 4% Cu- Pulver, 1% Mn-Pulver und 0,5% TiH₂-Pulver sein, das bei 670 MPa Preßdruck kaltkompaktiert wurde, dann auf 540°C über eine Zeit von 10 Minuten erwärmt und im kalten Strangpreßwerkzeug mit einem Reduktionsgrad von 82% verpreßt wurde.

Ein solcher Rohling wird durch die Zuführöffnung 2 in die Form 1 bis nahe an die Verschlußplatte 8 eingebracht. Dann erfolgt das Aufschäumen des ersten Abschnitts. Die Heiz- und Kühlvorrichtung 4, 5 wird nach dem Aufschäumen in Richtung Zuführöffnung 2 entlang der Formlängsachse 6 gefahren, und es beginnt der Kühlvorgang des aufgeschäumten Abschnitts. Fig. 2 zeigt eine solche Arbeitsstellung. Gleichzeitig wird ein folgender Abschnitt vorgewärmt, wobei dieser wegen der möglichen Relativbewegung zwischen Heizvorrichtung und Kühlvorrichtung nicht identisch sein muß mit dem folgenden Aufschäumabschnitt.

Nach Stabilisierung des ersten Abschnitts des Metallschaum­ körpers wird die Verschlußplatte 8 der Abführöffnung 3 der Form 1 entfernt und der aufgeschäumte Abschnitt nahezu vollständig aus der Form 1 entfernt. Gleichzeitig bewegen sich die Heiz- und Kühlvorrichtung in die erste Arbeitsstellung zurück, d. h. die Heizvorrichtung umhüllt nunmehr erneut den Aufschäumabschnitt der Form 1 und beginnt mit dem Aufschäumen des zweiten Abschnitts, während sich die Kühlvorrichtung über dem aus der Form 1 ausgetretenen ersten Abschnitt befindet und hier nachkühlt. Eine solche Arbeitsstellung zeigt Fig. 3. Auch hier ist eine Relativbewegung zwischen der Heiz- und der Kühlvorrichtung 4,5 möglich.

Fig. 4 zeigt die Verfahrensschritte Nachkühlen und Auf­ schäumen an einem beliebigen Abschnitt des Metallschaum­ körpers. Der fertige Metallschaumkörper wird durch eine Auslaufrinne 9 gestützt, um Verformungen des Metallschaumkörpers infolge seines Eigengewichts zu verhindern.

Bei der in Fig. 1-4 dargestellten Formanordnung findet der Verfahrensschritt Aufschäumen in unmittelbarer Nähe des Formaußenrandes statt. Darauf ist die Erfindung nicht beschränkt. Der Verfahrenschritt Aufschäumen kann erfindungsgemäß auch weiter in Richtung Formmitte angeordnet sein. Die Verschlußplatte 8 wird dann als Stopfen ausgeführt. Wird auf die Verschlußplatte/Stopfen 8 ganz verzichtet, funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren auch, jedoch mit der Einschränkung, daß ein Teil des ersten Abschnitts nicht maßhaltig aufgeschäumt wird.

Weiterhin zeigen die Fig. 1-4 einen Formquerschnitt, der durchgängig dem Querschnitt des Metallschaumkörpers entspricht. Erfindungsgemäß sind für den Vorwärmabschnitt auch deutlich kleinere Querschnitte vorgesehen. Der Übergang zwischen dem Aufschäumabschnitt mit Metallschaumkörper­ querschnitt und dem kleineren Querschnitt des Vorwärmabschnitts ist dann abgeschrägt oder rechtwinklig ausgeführt.

Alternativ zur dargestellten oszillierenden Bewegung der Einheit von Heiz- und Kühlvorrichtung 4,5 gegenüber der Form 1 sieht die Erfindung auch vor, die Form 1 gegenüber der Heiz- und Kühlvorrichtung 4, 5 oszillierend anzuordnen.

Um auch den letzten Rohlingsabschnitt maßgerecht aufzuschäumen, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, vor dem letzten Verfahrensschritt Aufschäumen nach dem Rohling einen Stopfen in die Zuführ­ öffnung 2 einzubringen und in der Form in Abhängigkeit von der noch zur Verfügung stehenden Aufschäummasse formschlüssig zu fixieren.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung langer poriger Metallschaum­ körper, bei dem ein aufschäumbarer Rohling in einer Form auf die Aufschäumtemperatur erwärmt und nach dem Schäumen abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschäumen des Rohlings abschnittsweise erfolgt, derart, daß ein erster Abschnitt geschäumt wird und danach abgekühlt wird, während des Abkühlens des ersten Abschnitts ein folgender Abschnitt vorgewärmt wird und nach Abschluß des Abkühlvorganges der abgekühlte aufgeschäumte Rohling um höchstens das Maß des jeweiligen Aufschäumabschnitts aus der Form entfernt und dann der folgende Abschnitt geschäumt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufschäumen des Folgeabschnitts ein Nachkühlen des vorab aufgeschäumten Abschnitts oder eines Teils davon erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitung zum Entfernen des aufgeschäumten Abschnitts aus der Form (1) über den Rohling (7) erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren zur Herstellung langer poriger Metallschaumkörper, bestehend aus Form, Heiz- und Kühlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) eine Zuführ- und eine Abführöffnung (2, 3) aufweist, die Heizvorrichtung, vorzugsweise eine Induktions­ heizung (4), mit der Kühlvorrichtung (5) gekoppelt ist und diese derart an der Form angeordnet sind, daß sie die Form teilweise oder ganz umhüllen und gegenüber der Form bezogen auf die Formlängsachse (6) oszillierend bewegbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) gegenüber der Kopplung von Heiz- und Kühlvorrichtung (4, 5) oszillierend bewegbar angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung der Heizvorrichtung (4) mit der Kühl­ vorrichtung (5) durch bekannte Mittel erfolgt, die eine Relativbewegung zwischen beiden zulassen, oder daß die Kopplung starr ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführöffnung (3) der Form (1) beim ersten Aufschäumen durch eine Verschlußplatte (8) oder einen Stopfen verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnung (2) der Form (1) beim letzten Aufschäum­ schritt durch eine Verschlußplatte oder einen Stopfen verschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) nur im Aufschäumabschnitt den Metallschaumkörper­ querschnitt aufweist, im Vorwärmabschnitt dagegen einen deutlich kleineren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Form (1) der Übergang zwischen dem Aufschäumabschnitt mit Metallschaumkörperquerschnitt und dem kleineren Querschnitt des Vorwärmabschnitts abgeschrägt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form (1) durchgängig den Metallschaumkörperquerschnitt aufweist.

12. Verwendung des im Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten langen porigen Metallschaumkörpers als Füllschaum für Hohlkörper aus Werkstoffen, deren Schmelzpunkt annähernd der Temperatur entspricht, bei der der Aufschäumvorgang stattfindet.

13. Verwendung des im Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten langen porigen Metallschaumkörpers als Füllschaum für Hohlkörper, die nicht wärmebehandelbar sind oder wärmebehandelt werden dürfen.

14. Verwendung des im Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten langen porösen Metallschaumkörpers als Füllschaum für Hohlprofile derart, daß der Metallschaum­ körper in das Hohlprofil eingefügt wird und mit diesem durch eine querschnittsreduzierende Verformung verbunden wird.

15. Verwendung des im Verfahren nach Anspruch 1 hergestellten langen porösen Metallschaumkörpers als Füllschaum für Hohlprofile zur Leichtbauweise vorzugsweise bei Kraftfahrzeugen, derart, daß der Metallschaumkörper auf Aluminiumgrundlage in das Aluminiumhohlprofil eingefügt wird und mit diesem durch eine querschnittsreduzierende Verformung verbunden wird.