EP0804982B1 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallschaum - Google Patents

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EP0804982B1
EP0804982B1 EP97890073A EP97890073A EP0804982B1 EP 0804982 B1 EP0804982 B1 EP 0804982B1 EP 97890073 A EP97890073 A EP 97890073A EP 97890073 A EP97890073 A EP 97890073A EP 0804982 B1 EP0804982 B1 EP 0804982B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
foam
mould
process according
metal
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97890073A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0804982A2 (de
EP0804982A3 (de
Inventor
Frantisek Dr.-Ing. Simancik
Franz Dipl.-Ing. Schörghuber
Erich Ing. Hartl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
USTAV MATERIAELOV A MECHANIKY STROJOV SLOVENSKEJ A
Original Assignee
Neuman AG
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Publication date
Application filed by Neuman AG filed Critical Neuman AG
Priority to NO972810A priority Critical patent/NO972810L/no
Publication of EP0804982A2 publication Critical patent/EP0804982A2/de
Publication of EP0804982A3 publication Critical patent/EP0804982A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0804982B1 publication Critical patent/EP0804982B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • B22F3/1125—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers involving a foaming process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for casting molded parts made of metal foam, for example aluminum foam, the by powder metallurgy by foaming a particular to a semi-finished product, such as rods, pipes or granules compacted mixture of gas-releasing propellant with metal powder as the starting material under the influence of heat is formed.
  • the invention also relates to a device for performing the method.
  • Light metal fittings can be used as solid castings, as hollow bodies or also be designed as a metal foam body. While in the former category on the same as possible and thin wall thicknesses and the avoidance of local material accumulations to be observed, required hollow body mostly expensive casting cores, which complicate the production.
  • a modern alternative is achieved using metal foam casting.
  • the cast skin forms a smooth outer surface of the cast product, its interior is loosely filled with a pore structure is. The is suitable for a large number of application areas Metal foam casting, which results in a particularly light end product that leads to good sound insulation and low thermal conductivity offers. The strength properties are surprisingly high. Still, not every machine part can do this Casting technology can be produced.
  • powder metallurgical metal foam is produced according to DE 41 01630 C2 from metal powder and a gas-releasing Propellant.
  • the material is hot compacted and subjected to a change in shape.
  • the semi-finished product is e.g. in a heated steel mold due to the effects of temperature brought to frothing, the metal foam the Fills out the form gradually.
  • the disadvantage is that the Contour of the semi-finished product correspond to the contour of the mold cavity must, otherwise there is no even foaming. If you use rod-shaped primary material, then this must be exact cut to length and placed in the form. It can also cold welds between the foamed bars form.
  • a foam produced by melt metallurgy is already working into the state of the pores collapsing when after its manufacture is pressed into the mold. Often heated molds used, but their temperature does not increase may be high, otherwise the metal foam in reinforced Dimensions collapsed. The pores fall during foam production also uncontrollable and in different sizes. in the in general, this method only allows the production of simple mold parts. Furthermore, in the case of smelting metallurgical Procedure requires an agitator, positioning the stirrer in the melt is extremely problematic. The foam is only created in the area of the by the agitator Stirrer, so that the foam already produced during production of the foam still required during the stirring time collapsed. In addition, the amount of foam required is not exactly adjustable, so that the same parts do not match To have weight. The pores created have no internal overpressure, so that it is compressed when pressed into the form become. This results in an inconsistent structure.
  • DE 44 24 157 A describes a method for producing a porous metallic material with anisotropic properties described in which a foamed and porous metal foam plastically deformed with isotropic properties becomes.
  • the invention aims to provide a method that the production of contoured, three-dimensional molded parts of high quality. Uniform pores and a uniform, homogeneous surface and the possibility influencing the pore size and density as well the surface and its layer thickness are desirable parameters in the manufacturing process.
  • foam can be formed at best to be dispensed with in the mold. It is according to a training course of the method advantageous if the chamber with the foam-forming starting material compared to the mold in the type of a rotary drum furnace rotated and, if necessary, for Emptying is tipped into the mold. This will make the mold filled by the inherent pressure of the foam material. Especially It is advantageous if the metal foam in the chamber is pressed into the mold by a piston. The Koiben speed and the pressure form additional criteria for that Appearance of the molded part, both in terms of its Surface as well as the pore shape and density. The bringing in the resulting metal foam can also be made that the metal foam through a non-metal foam melt e.g.
  • To the non-metallic melt is introduced into the chamber or pushed in. This lifts the metal foam directly or a floating piston plate completely into the Mold.
  • the one carrying the metal foam Melt specifically heavier than the parent metal of the Foam and the melting point is lower (e.g. zinc or Tin and aluminum).
  • Findings in metal foam casting processes was recognized that Excellent results can be achieved when powder metallurgically formed metal foam into a non-metallic Mold, e.g. a sand mold is pressed.
  • sand mold In contrast to a steel mold, sand mold carries the heat of the introduced metal foam during the filling process not immediately so that the foam phase is retained until the remote ones Moldings are filled. In addition there is the supportive Effect due to residual foam formation in the mold. The foam is still active Phase into the form and contributes to the essential quality improvement at.
  • the semi-finished product is required. It should large temperature gradients in the chamber are avoided and the foam formation should by rapid heating of the chamber in Edge area of the chamber as well as inside if possible at the same time respectively. This is achieved in that a tubular or pipe socket-shaped semifinished product introduced into the chamber becomes. It is useful if this is as small as possible Play to the inner wall of the chamber, i.e. in thermal connection is provided to the wall in the chamber.
  • the heater can electrically, for example inductively. eddy currents and skin effect of inductive heating must be taken into account.
  • the inductive heating leads in connection with a tubular semi-finished products for the best foam quality.
  • An independent one Transfer the foam from the chamber to the mold is achieved at the right time by the semi-finished tube at least in the final phase of the heating process against the piston with a defined and adjustable force the nozzle plate is pressed so that the injection process is introduced into the form as soon as the semi-finished product Melting point reached and thus foamed.
  • the heating or a Preheating the semi-finished product is carried out under protective gas and preferably if the chamber is flushed with protective gas.
  • a device for Carrying out the method is characterized in that the chamber of a jacket for externally heated, non-metallic foam Melt for heating the chamber is surrounded.
  • the for The melt used to heat the chamber is in a separate Oven heated.
  • the chamber for powder metallurgy Semi-finished product a large temperature volume evenly be fed.
  • the device can be automated by that one or more chambers on a sled or carousel arranged and from a loading or cleaning position in the heating position for the loaded semi-finished product slidable in relation to a connection to a mold or are rotatable.
  • Fig. 1 shows an oven with a chamber and a mold before the start of foaming
  • Fig. 2 the arrangement after 1 after transfer of the metal foam into the mold
  • 3 shows an alternative embodiment of the arrangement, another alternative analogous to Fig. 1.
  • Fig. 5 another Embodiment
  • Fig. 6 is a multiple execution.
  • Fig. 7 an embodiment with a heating variant
  • Fig. 8 a Version with sliding chambers.
  • a chamber 2 for receiving a powder metallurgical starting material 3. These are compact semi-finished products, for example around wire pieces or pipe pieces made of metal powder and one Blowing agents that are exposed to the appropriate temperature form a metal foam.
  • a mold 4 With the chamber 2 is a mold 4 via a nozzle 5 in the manner of a perforated diaphragm for setting the gate for the casting in connection.
  • a piston 6 is guided in the chamber 2.
  • chamber 2 By increasing the temperature in oven 1 to about 500 to 600 ° C arises in chamber 2 from, for example, according to the EP 460 392 A1 manufactured semi-finished product, for example aluminum Pieces of wire, an aluminum foam, made with the help of the piston 6 completely and completely transferred into the mold 4 will (Fig. 2).
  • the chamber 2 is emptied and can then be new filled with semi-finished products as the starting material for foam formation be filled with the volume of the cast body is precisely coordinated.
  • the foam formation continues depending on the selected time the transfer from chamber 2 using the piston still in the mold 4.
  • the mold's existing foaming capacity is along with the volume of the semi-finished product used, its consistency and the Temperature profile during foaming and cooling an essential parameter for the structure of the foam part.
  • the mold is for cooling taken out of the oven 1. This will cause a collapse the foam pores are prevented due to excessive heat input.
  • the Casting 9 can be demolded and the chamber 2 in furnace 1 with a new shape. It can be done after a cleaning cycle a steel mold can also be used repeatedly.
  • FIG. 4. 4 a chamber 2 is shown, which has an inductive heating 7 has.
  • a furnace 1 that houses the entire arrangement is not available here.
  • the mold 8 is unheated.
  • a sand mold is advantageously used.
  • Foaming takes place analogously in FIG. 4 in chamber 2 to Fig. 1.
  • the foam is through the piston 6 into the mold 8 (sand mold) pressed. This takes place in contact between Metal foam and the wall of the mold, namely the Sand, just a little heat removal, so that the metal foam maintains its viscosity and in every last corner of the Mold arrives.
  • the one specifically continued in the mold Foaming supports this effect. It can be on this Also very complicated castings with narrow ribs, Undercuts or the like can be produced.
  • the unheated sand mold 8 shown in Fig. 4 solves the Problems. It can be any non-metallic form, including one Ceramic or plaster mold used with the advantages mentioned become.
  • FIGS. 1 and 2 show an alternative to FIGS. 1 and 2.
  • the Nozzle 10 and mold 11 is rotatable over and over two separate heaters 12, 13 arranged the separately can be regulated or switched on and off.
  • a drive 14 with a bearing 15 stands the piston rod 16, the is designed as a bearing on the other side.
  • the process proceeds as described for FIGS. 1 and 2 is.
  • the rotation homogenizes the powder metallurgical Foam formation in the chamber 2 and also in the mold 11.
  • the latter can be used in the sense of the explanations for FIG. 4 as non-metallic Mold remain unheated. It is also possible, to arrange only the chamber 2 or only the mold 11 rotatably.
  • Fig. 4 which is a further development for execution Fig. 4 is in the chamber 2 as a powder metallurgy Starting material a tubular semifinished product 3 'on a Cutting disc 20, for example made of titanium or ceramic, is provided.
  • the tubular semi-finished product 3 ' is made by inductive Heater 21 heated evenly, so that foam formation also is done very evenly and homogeneously.
  • the foam as Contents of the chamber 2 floats according to FIG. 5 - with an intermediate layer the cutting disc 20 on a "liquid piston", the is formed by a zinc, tin or lead melt.
  • To the tub 22 is kept at the melting temperature (heating not shown).
  • a piston 23 depresses the melt, whereby the cutting disc 20 is raised and the foam content the chamber 2 is pressed into the form 8.
  • FIG. 6 shows a multiple application of modules according to FIG. 4 or 5.
  • One or - as shown in Fig. 6 two forms 24, 25 (possibly more) of a plurality fed by heated chambers 2 'with metal foam.
  • the single ones Chambers 2 ' can be inductively heated and the formed Metal foam synchronously or via a control Feed into the mold or molds with a time delay.
  • Foam formation in the chamber or chambers according to FIG. 1 to 6 can also take place according to FIG. 7 in that the chambers 2 or the chambers of a jacket made of non-metallic foam Melt 26 is or are surrounded for heating.
  • the Melt 26 is heated in an oven 27. It follows an ideal heating condition due to the large heat potential of the melt of the powder metallurgical semi-finished product, whereby the Uniformity of frothing and the frothing time positive to be influenced.
  • the shape of the semi-finished product is particularly important.
  • Another variant of the invention is that in the chamber 2 inserted semi-finished tube 3 'through the piston 6 to press against the nozzle plate 5 with a defined force. As soon as the semi-finished product reaches the melting point and thus starts to foam, it loses its firmness and the Piston 6 can press the processed foam into the mold. It may be appropriate to apply the force to the piston and thus the shooting speed of the foam into the form 8 too change as soon as the piston 6 starts to move.
  • This Measure results in a very simple control of the system is capable of any scatter, for example in the preheating temperature of the semi-finished product, in its heating rate or even in the melting point of the semi-finished alloy, since only that for the injection time A corresponding viscosity of the foam melt is reached is decisive and all other parameters are disregarded stay.
  • This measure is very simple achieved a very even foam formation. It is also much easier, the system on another foam casting switch, since the otherwise very complex Optimization of the production parameters considerably simplified and changeover times can be drastically reduced.
  • FIG. 8 shows another alternative with several chambers 2 ', 2 ", which are electrical here, for example, according to FIG. 7
  • For injection of the foam formed by powder metallurgy moves rotatable part additionally in the axial direction, so that the chamber 2 "directly connects to the (divided) form 4.
  • the horizontal arrangement of the chambers 2 ', 2 " is advantageous because the piston 6 'is not in during foaming heated area and therefore only a small one Subject to temperature stress.
  • the device can have two or more chambers 2 ', 2 ", the two or more Take positions (e.g. separate cleaning, loading with semi-finished products, heating and injecting). There can be a revolver or carousel construction with several stations, however also a linear shift back and forth using a Carriage construction may be provided.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen von Formteilen aus Metallschaum, beispielsweise Aluminiumschaum, der auf pulvermetallurgischem Wege durch Aufschäumen eines insbesondere zu einen Halbzeug, wie Stangen, Rohre oder zu Granulat kompaktierten Gemisches aus gasabspaltendem Treibmittel mit Metallpulver als Ausgangsmaterial unter Hitzeeinwirkung gebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Leichtmetallformstücke können als Vollgußkörper, als Hohlkörper oder auch als Metallschaumkörper ausgebildet sein. Während bei der erstgenannten Kategorie auf möglichst gleiche und dünne Wandstärken und die Vermeidung von örtlichen Materialansammlungen zu achten ist, erforderten Hohlkörper meist teure Gußkerne, die die Herstellung verkomplizieren. Eine moderne Alternative wird durch Metallschaumguß erreicht. Die Gußhaut bildet eine glatte Außenfläche des Gußerzeugnisses, dessen Inneres durch eine Porenstruktur locker ausgefüllt ist. Für sehr viele Anwendungsbereiche eignet sich der Metallschaumguß, der zu einem besonders leichten Endprodukt führt, das einen guten Schallschutz sowie geringe Wärmeleitfähigkeit bietet. Überraschend hoch sind die Festigkeitseigenschaften. Dennoch kann nicht jeder Maschinenteil in dieser Gußtechnik hergestellt werden.
Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren zur Bildung von Metallschaum, nämlich das schmelzmetallurgische und das pulvermetallurgische. In der DE 43 26 982 C1 wird ein typisches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus schmelzmetallurgisch gebildetem Metallschaum beschrieben. Eine Schmelze, z.B. eine Aluminiumschmelze, wird in zwei kommunizierenden Behältern flüssig gehalten und in einem der beiden Behälter wird die Metallschmelze durch ein Rührwerk zum Schäumen gebracht. Der fertige Schaum wird durch Anheben des Niveaus des flüssigen Aluminiums in dem letztgenannten Behälter nach oben in eine Gußform gedrückt.
Pulvermetallurgischer Metallschaum entsteht beispielsweise gemäß der DE 41 01630 C2 aus Metallpulver und einem gasabspaltenden Treibmittel. Das Material wird heißkompaktiert und einer Formänderung unterworfen. Dadurch entsteht ein Halbzeug aus fest miteinander verbundenen Metallteilchen, die die Treibmittelteilchen gasdicht einschließen. Das Halbzeug wird z.B. in einer beheizten Stahlform durch die Temperatureinwirkung zum Aufschäumen gebracht, wobei der Metallschaum die Form nach und nach ausfüllt. Nachteilig ist dabei, daß die Kontur des Halbzeugs der Kontur des Formhohlraumes entsprechen muß, da sonst kein gleichmäßiges Aufschäumen erfolgt. Benutzt man stabförmiges Vormaterial, dann muß dieses exakt abgelängt und in der Form plaziert werden. Es können sich ferner Kaltschweißstellen zwischen den aufgeschäumten Stäben bilden.
Ein schmelzmetallurgisch hergestellter Schaum geht bereits in den Zustand des Kollabierens der Poren über, wenn er nach seiner Herstellung in die Form gepreßt wird. Es werden oft beheizte Formen eingesetzt, deren Temperatur jedoch nicht zu hoch sein dürfen, da der Metallschaum sonst in verstärktem Maße kollabiert. Die Poren fallen bei der Schaumherstellung ferner unkontrollierbar und in unterschiedlicher Größe an. Im allgemeinen erlaubt dieses Verfahren nur die Herstellung von einfachen Gußformteilen. Ferner wird beim schmelzmetallurgischen Verfahren ein Rührwerk benötigt, wobei die Positionierung des Rührers in der Schmelze äußerst problematisch ist. Durch das Rührwerk entsteht der Schaum nur im Bereich des Rührers, sodaß der bereits erzeugte Schaum während der Produktion des noch benötigten Schaumes noch während der Rührzeit kollabiert. Zudem ist die benötigte Schaummenge nicht exakt einstellbar, sodaß gleiche Teile kein übereinstimmendes Gewicht haben. Die erzeugten Poren haben keinen Innen-Überdruck, sodaß sie beim Eindrücken in die Form zusammengedrückt werden. Dadurch ergibt sich eine uneinheitliche Struktur.
In der DE 44 24 157 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines porösen metallischen Werkstoffes mit anisotropen Eigenschaften beschrieben, bei dem ein geschäumter und poröser Metallschaum mit isotropen Eigenschaften plastisch verformt wird.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung auch konturreicher, dreidimensionaler Formteile von hoher Qualität ermöglicht. Gleichmäßige Poren und eine einheitliche homogene Oberfläche sowie die Möglichkeit der Beeinflussung der Porengröße und der Porendichte sowie der Oberfläche und deren Schichtstärke sind erwünschte Parameter bei dem Herstellungsvorgang. Dieses Ziel wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß das pulvermetallurgische Ausgangsmaterial in einer beheizbaren Kammer außerhalb der Gußform aufschäumt, daß das Volumen des in die beheizbare Kammer eingebrachten pulvermetallurigschen Ausgangsmaterials, insbesondere Halbzeuges, in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase dem Volumen einer Füllung der Gußform im wesentlichen entspricht und daß der gesamte Inhalt der Kammer als pulvermetallurgische Metallschaum-Schmelze in die Gußform gedrückt wird, in der vorzugsweise ein Aufschäumen mit der restlichen Schäumkapazität fortgesetzt bis zum vollständigen Ausfüllen der Gußform erfolgt, worauf der Schaumformteil in der Gußform abgekühlt und anschließend aus dieser entnommen wird.
Im Gegensatz zu bekannten pulvermetallurgischen Verfahren wird Metallschaum außerhalb der Gußform durch thermisches Aufschäumen der für die Gußform vorbestimmten Menge des Halbzeuges hergestellt. Dieser Metallschaum kann - anders als bei einem schmelzmetallurgischen Verfahren - während seiner Bildung in die Gußform gedrückt werden. Dort findet dann die Endphase der Schaumbildung statt. Dies führt dazu, daß auch entlegene Bereiche bzw. schwer erreichbare Konturen oder Hinterschneidungen zuverlässig ausgefüllt werden. Ein frühzeitiges Kollabieren der Poren wird vermieden. Dabei ist die Dichte des Formteiles über den Befüllungsgrad der z.B. gasbeheizten Kammer mit Halbzeug bzw. Ausgangsmaterial respektive über das Kammervolumen einstellbar. Ebenso bildet der Zeitpunkt des Überführens des Metallschaumes aus der Kammer in die Gußform ein weiteres Kriterium. Dadurch wird die in der Gußform zur Wirkung kommende Restschäumkapazität vorgewählt. Bei einfachen Formen kann allenfalls auf eine Schaumbildung in der Gußform verzichtet werden. Es ist gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens vorteilhaft, wenn die Kammer mit dem schaumbildenden Ausgangsmaterial gegenüber der Gußform in der Art eines Drehtrommelofens gedreht und gegebenenfalls zur Entleerung in die Gußform gekippt wird. Dadurch wird die Gußform durch den Eigendruck des Schaummaterials gefüllt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Metallschaum in der Kammer von einem Kolben in die Gußform gedrückt wird. Die Koibengeschwindigkeit und der Druck bilden weitere Kriterien für das Erscheinungsbild des Formteiles, sowohl hinsichtlich seiner Oberfläche als auch der Porenform und Dichte. Das Einbringen des entstehenden Metallschaumes kann auch dadurch erfolgen, daß der Metallschaum durch eine metallschaumfremde Schmelze z.B. eine Salzschmelze, auf die ein Druck ausgeübt wird und auf der der pulvermetallurgisch entstehende Metallschaum schwimmt, angehoben und in die Gußform gedrückt wird. Dazu wird die metallschaumfremde Schmelze in die Kammer eingeleitet bzw. hineingedrückt. Diese hebt den Metallschaum direkt oder über ein schwimmendes Kolbenplättchen restlos in die Gußform. Es ist vorteilhaft, wenn die den Metallschaum tragende Schmelze spezifisch schwerer als das Muttermetall des Schaumes und der Schmelzpunkt niedriger ist (z.B. Zink oder Zinn und Aluminium). Im Gegensatz zu den bisher vorliegenden Erkenntnissen bei Metallschaumgußverfahren wurde erkannt, daß hervorragende Ergebnisse erzielt werden, wenn der pulvermetallurgisch gebildete Metallschaum in eine nichtmetallische Gußform, z.B. eine Sandform gedrückt wird. Die unbeheizte Sandform führt im Gegensatz zu einer Stahlform die Wärme des eingebrachten Metallschaumes beim Füllvorgang nicht sofort ab, sodaß die Schaumphase erhalten bleibt, bis auch die entlegenen Formteile ausgefüllt sind. Dazu kommt noch der unterstützende Effekt durch die in der Form auftretende Restschaumbildung. Der Schaum gelangt somit noch in seiner aktiven Phase in die Form und trägt zur wesentlichen Qualitätsverbesserung bei.
Um eine gleichmäßige Poren- bzw. Zellstruktur des pulvermetallurgisch gebildeten Metallschaumes zu gewährleisten, ist ein gleichmäßiges Erhitzen des pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials, also des Halbzeuges, erforderlich. Es sollen große Temperaturgradienten in der Kammer vermieden werden und die Schaumbildung soll durch rasches Aufheizen der Kammer im Randbereich der Kammer wie auch im Inneren möglichst gleichzeitig erfolgen. Dies wird dadurch erreicht, daß ein rohrförmiges bzw. rohrstutzenförmiges Halbzeug in die Kammer eingebracht wird. Es ist zweckmäßig, wenn dieses mit möglichst geringem Spiel zur Kammerinnenwand, also in thermischer Verbindung zur Wand in der Kammer vorgesehen ist. Die Heizung kann elektrisch, beispielsweise induktiv erfolgen. Wirbelströme und Skineffekt der induktiven Heizung sind zu berücksichtigen. Die induktive Heizung führt in Verbindung mit einem rohrförmigen Halbzeug zur besten Schaumqualität. Ein selbständiges Überführen des Schaumes aus der Kammer in die Form wird zum richtigen Zeitpunkt dadurch erreicht, daß das Halbzeugrohr zumindest in der Endphase des Aufheizvorganges durch den Kolben mit einer definierten und einstellbaren Kraft gegen die Düsenplatte gepreßt wird, sodaß der Einspritzvorgang in die Form eingeleitet wird, sobald das Halbzeug den Schmelzpunkt erreicht und damit aufschäumt. Zur Reduktion von Oxidschichten ist es zweckmäßig, wenn das Aufheizen bzw. eine Vorwärmung des Halbzeuges unter Schutzgas durchgeführt wird und vorzugsweise wenn die Kammer mit Schutzgas gespült wird.
Die Masse des in der Kammer erzeugten und für einen Formteil zur Verfügung stehenden Metallschaumes ist begrenzt. Um auch große und räumlich ausgedehnte Metallschaumteile fertigen zu können, ist es vorteilhaft, wenn der pulvermetallurgische Schaum mehrerer Kammern, die parallelgeschaltet sind, gleichzeitig oder über eine Steuerung zeitversetzt über mehrere Anschnitte in den Hohlraum einer oder mehrerer Formen gedrückt wird. Es werden somit eine Reihe von Gießmoduln in einer Anlage kombiniert, die die Form des zu gießenden Schaumteiles über mehrere Anschnitte füllen. Dabei werden die Module im allgemeinen synchron gesteuert, sodaß sie gleichzeitig in die Form einspeisen. In Abhängigkeit von der Form kann es aber auch vorteilhaft sein, die einzelnen Module zeitgestaffelt anzusteuern, sodaß etwa der Dichteverlauf im Schaumteil beeinflußt werden kann. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer von einem Mantel für fremdbeheizte, metallschaumfremde Schmelze zur Beheizung der Kammer umgeben ist. Die zum Heizen der Kammer verwendete Schmelze wird in einem separaten Ofen erhitzt. Auf diese Weise kann der Kammer für das pulvermetallurgische Halbzeug ein großes Temperaturvolumen gleichmäßig zugeführt werden. Die Vorrichtung läßt sich dadurch automatisieren, daß eine oder mehrere Kammern auf einem Schlitten oder Karussell angeordnet und aus einer Lade- bzw. Reinigungsposition in die Aufheizposition für das geladene Halbzeug gegenüber einem Anschluß an eine Form verschiebbar oder drehbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Prinzipdarstellungen erläutert. Fig. 1 zeigt einen Ofen mit einer Kammer und einer Gußform vor Beginn eines Aufschäumens, Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 nach Überführung des Metallschaumes in die Gußform, Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Anordnung, Fig. 4 eine weitere Alternative analog zu Fig. 1. Fig. 5 eine weitere Ausführungsform, Fig. 6 eine Mehrfachausführung. Fig. 7 eine Ausführung mit einer Beheizungsvariante und Fig. 8 eine Ausführung mit verschiebbaren Kammern.
In einem Ofen 1 bzw. einer Heizeinrichtung mit Gasbefeuerung oder induktiver Erwärmung befindet sich eine Kammer 2 zur Aufnahme eines pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials 3. Dabei handelt es sich um kompaktiertes Halbzeug, beispielsweise um Drahtstücke oder Rohrstücke aus Metallpulver und einen Treibmittel, die bei entsprechender Temperatureinwirkung einen Metallschaum bilden. Mit der Kammer 2 steht eine Gußform 4 über eine Düse 5 in der Art einer Lochblende zur Anschnitteinstellung für das Gußstück in Verbindung. Ein Kolben 6 ist in der Kammer 2 geführt.
Durch Temperaturerhöhung in Ofen 1 auf etwa 500 bis 600 °C entsteht in der Kammer 2 aus dem beispielsweise nach der EP 460 392 A1 hergestellten Halbzeug, beispielsweise Aluminium Drahtstücken, ein Aluminiumschaum, der mit Hilfe des Kolbens 6 vollständig und restlos in die Gußform 4 übergeführt wird (Fig. 2). Die Kammer 2 ist geleert und kann sodann neu mit Halbzeug als Ausgangsmaterial für die Schaumbildung gefüllt werden, wobei die Füllung auf das Volumen des Gußkörpers genau abgestimmt ist.
Die Schaumbildung setzt sich je nach dem gewählten Zeitpunkt der Überleitung aus der Kammer 2 mit Hilfe des Kolbens in der Gußform 4 noch fort. Der Zeitpunkt der Druckeinwirkung auf den entstehenden Schaum bzw. das Ausmaß der noch in der Gußform vorhandenen Schäumkapazität ist zusammen mit dem Volumen des eingesetzten Halbzeugs, dessen Konsistenz und dem Temperaturverlauf bei der Schaumbildung sowie der Abkühlung ein wesentlicher Parameter für die Struktur des Schaumteiles. Sobald die Schäumkapazität erschöpft ist und die Schaumbildung in der Form abgeschlossen ist, wird die Form zur Abkühlung aus dem Ofen 1 genommen. Dadurch wird ein Kollabieren der Schaumporen infolge zu langer Wärmezufuhr verhindert. Der Gußteil 9 kann entformt und die Kammer 2 in Ofen 1 mit einer neuen Form bestückt werden. Es kann nach einem Reinigungszyklus auch eine Stahlform wiederholt eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 4 hingewiesen. In Fig. 4 ist eine Kammer 2 dargestellt, die über eine induktive Heizung 7 verfügt. Ein Ofen 1, der die gesamte Anordnung aufnimmt, ist hier nicht vorhanden. Die Gußform 8 ist unbeheizt. Es wird in vorteilhafter Weise eine Sandform eingesetzt.
Die Schaumbildung erfolgt bei Fig. 4 in der Kammer 2 analog zu Fig. 1. Der Schaum wird durch den Kolben 6 in die Gußform 8 (Sandform) gedrückt. In dieser erfolgt im Kontakt zwischen Metallschaum und der Wand der Gußform, nämlich dem Sand, nur ein geringer Wärmeentzug, sodaß der Metallschaum seine Viskosität behält und bis in die letzten Winkel der Gußform gelangt. Die in der Gußform gezielt fortgesetzte Schaumbildung unterstützt diesen Effekt. Es können auf diese Weise auch sehr komplizierte Gußteile mit schmalen Rippen, Hinterschneidungen oder dergleichen hergestellt werden. Die in der Metallschaum - Gußtechnik sonst üblichen Stahlformen führen infolge der hervorragenden Wärmeleitung der Gußform zu einem schlagartigen Wärmeentzug, sobald der Metallschaum in die Gußform gelangt, was zu einem zumindest oberflächlichen Viskositätsverlust und damit zu einem wesentlich schlechteren Verteilungsverhalten des Metallschaumes in der Gußform führt. Es mußten daher die Stahlformen in gewissen kritischen Bereichen zusätzlich beheizt werden, um die Viskosität der Gußmasse lokal aufrecht zu erhalten. Innere Spannungszustände, unterschiedliche Porenstrukturen und Kollabieren der Struktur bei nicht exakt abgestimmten Temperaturen waren die Folge. Die in Fig. 4 dargestellte, unbeheizte Sandform 8 löst die Probleme. Es kann jede nichtmetallische Form, also auch eine Keramik oder Gipsform mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine Alternative zu den Fig. 1 und 2. Nahezu die gesamte Anordnung, bestehend aus der Kammer 2, der Düse 10 und der Gußform 11 ist drehbar über einer bzw. über zwei getrennten Heizeinrichtungen 12, 13 angeordnet die getrennt regulierbar bzw. ein- und ausschaltbar sind. Ein Antrieb 14 mit einer Lagerung 15 steht der Kolbenstange 16, die als Lager auf der anderen Seite ausgebildet ist, gegenüber. Das Verfahren läuft so ab, wie es zu Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Die Rotation homogenisiert die pulvermetallurgische Schaumbildung in der Kammer 2 und auch in der Gußform 11. Letztere kann im Sinne der Ausführungen zu Fig. 4 als nichtmetallische Gußform unbeheizt bleiben. Es ist auch möglich, nur die Kammer 2 oder nur die Gußform 11 drehbar anzuordnen.
Gemäß Fig. 5, die eine Weiterbildung zur Ausführung nach Fig. 4 darstellt, ist in der Kammer 2 als pulvermetallurgisches Ausgangsmaterial ein rohrförmiges Halbzeug 3' auf einer Trennscheibe 20, beispielsweise aus Titan oder Keramik, vorgesehen. Das rohrförmige Halbzeug 3' wird durch induktive Heizung 21 gleichmäßig erwärmt, sodaß die Schaumbildung ebenfalls sehr gleichmäßig und homogen erfolgt. Der Schaum als Inhalt der Kammer 2 schwimmt gemäß Fig. 5 - unter Zwischenlage der Trennscheibe 20 auf einen "Flüssigkeitskolben", der durch eine Zink-, Zinn- oder Bleischmelze gebildet ist. Dazu wird die Wanne 22 auf Schmelztemperatur gehalten (Heizung nicht dargestellt). Ein Kolben 23 drückt die Schmelze nieder, wodurch die Trennscheibe 20 angehoben und der Schauminhalt der Kammer 2 in die Form 8 gedrückt wird. Wie erwähnt, - je nach Zeitpunkt der Überleitung - kann dort die Restschaumbildung erfolgen. Zur Reduktion der Oxidbildung trägt die hohe Aufheizgeschwindigkeit und die Erwärmung im Halbzeug selbst bei, die auf die induktive Heizung zurückzuführen sind. Durch den "Flüssigkeitskolben", also das Heberprinzip gemäß Fig. 5 mit der Schmelze in der Wanne 22 werden Oxidreste an der Wand der Kammer 2 beseitigt.
Fig. 6 zeigt eine Mehrfachanwendung von Moduln gemäß Fig. 4 oder 5. Es werden eine oder - wie in Fig. 6 dargestellt - zwei Formen 24, 25 (allenfalls auch mehr) von einer Mehrzahl von beheizten Kammern 2' mit Metallschaum gespeist. Die einzelnen Kammern 2' können induktiv beheizt sein und den gebildeten Metallschaum synchron oder aber über eine Steuerung zeitversetzt in die Form bzw. Formen einspeisen.
Die Schaumbildung in der oder den Kammern gemäß Fig. 1 bis 6 kann auch gemäß Fig. 7 dadurch erfolgen, daß die Kammern 2 bzw. die Kammern von einem Mantel aus metallschaumfremder Schmelze 26 zur Beheizung umgeben ist bzw. sind. Die Schmelze 26 wird in einem Ofen 27 beheizt. Dabei ergibt sich durch das große Wärmepotential der Schmelze ein idealer Aufheizzustand des pulvermetallurgischen Halbzeuges, wodurch die Gleichmäßigkeit des Aufschäumens und die Aufschäumzeit positiv beeinflußt werden. Um das Vormaterial (Halbzeug) bei möglichst niedrigen Temperaturen so schnell wie möglich aufheizen zu können, ist die Form des Halbzeuges besonders wichtig. Insbesondere ist darauf zu achten, daß jedweder Luftspalt zwischen der Wandung der Kammer 2 und dem Halbzeug 3, 3' vermieden wird, da dieser die Wärmeübertragung durch Isolierwirkung der Luft verschlechtert und gleichzeitig einen Raum zur Schaumbildung darstellt, der sich ebenso nachteilig als Isolierschicht auswirken würde. Die Vorrichtung nach Fig. 7 kann natürlich auch mit schwimmendem Kolben nach Fig. 5 ausgestattet sein.
Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, das in die Kammer 2 eingelegte Halbzeugrohr 3' durch den Kolben 6 mit einer definierten Kraft gegen die Düsenplatte 5 zu pressen. Sobald das Halbzeug den Schmelzpunkt erreicht und damit aufzuschäumen beginnt, verliert es seine Festigkeit und der Kolben 6 kann den aufbereiteten Schaum in die Form drücken. Es kann zweckmäßig sein, die Kraft auf den Kolben und damit die Einschießgeschwindigkeit des Schaumes in die Form 8 zu verändern, sobald sich der Kolben 6 in Bewegung setzt. Diese Maßnahme ergibt eine sehr einfache Steuerung der Anlage, die in der Lage ist, allfällige Streuungen, etwa in der Vorwärmtemperatur des Halbzeuges, in seiner Aufheizgeschwindigkeit oder auch im Schmelzpunkt der Halbzeuglegierung auszugleichen, da für den Einspritzzeitpunkt ausschließlich das Erreichen einer entsprechenden Viskosität der Schaum-Schmelze maßgebend ist und alle anderen Parameter außer Betracht bleiben. Durch diese Maßnahme wird auf sehr einfache Weise eine sehr gleichmäßige Schaumbildung erzielt. Es ist auch wesentlich einfacher, die Anlage auf ein anderes Schaum-Gußteil umzustellen, da sich die sonst sehr aufwendige Optimierung der Produktionsparameter wesentlich vereinfacht und Umrüstzeiten damit drastisch reduziert werden können.
Fig. 8 zeigt eine weitere Alternative mit mehreren Kammern 2', 2", die hier beispielsweise entsprechend Fig. 7 elektrische Heizungen 27', 27" aufweisen und von einer Schmelze 26', 26" zur Wärmeübertragung ummantelt sind. Die Kammern 2, 2' sind zusammen mit ihren Heizungen 27', 27" in der Vorrichtung nach Fig. 8 um eine Mittelachse 28 aus einer Reinigungsund gegebenenfalls Ladestellung für das rohrförmige Halbzeug 3" in eine Aufheiz- und Speisestellung drehbar. Zur Injektion des pulvermetallurgisch gebildeten Schaumes bewegt sich der drehbare Teil zusätzlich in axialer Richtung, sodaß die Kammer 2" direkt an die (geteilte) Form 4 anschließt. Ein Kolben 6' drückt den Metallschaum in das Innere der Form 4.
Die horizontale Anordnung der Kammern 2', 2" ist vorteilhaft, weil der Kolben 6' während des Aufschäumens nicht im beheizten Bereich verweilen muß und somit einer nur geringen Temperaturbelastung unterliegt. Die Vorrichtung kann eine, zwei oder mehr Kammern 2', 2" aufweisen, die zwei oder mehr Positionen einnehmen (z.B. getrenntes Reinigen, Beschicken mit Halbzeug, Aufheizen und Injizieren). Es kann eine Revolver- oder Karussellkonstruktion mit mehreren Stationen aber auch eine lineare Verschiebung vor und zurück mittels einer Schlittenkonstruktion vorgesehen sein.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Gießen von Formteilen aus Metallschaum, beispielsweise Aluminiumschaum, der auf pulvermetallurgischem Wege durch Aufschäumen eines insbesondere zu einen Halbzeug, wie Stangen, Rohre oder zu Granulat kompaktierten Gemisches aus gasabspaltendem Treibmittel mit Metallpulver als Ausgangsmaterial unter Hitzeeinwirkung gebildet wird, wobei das Aufschäumen in einer beheizbaren Kammer außerhalb einer Gußform erfolgt, das Volumen des in die beheizbare Kammer eingebrachten pulvermetallurigschen Ausgangsmaterials, insbesondere Halbzeuges, in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase dem Volumen einer Füllung der Gußform im wesentlichen entspricht und der gesamte Inhalt der Kammer als pulvermetallurgische Metallschaum-Schmelze in die Gußform gedrückt wird, in der vorzugsweise ein Aufschäumen mit der restlichen Schäumkapazität fortgesetzt bis zum vollständigen Ausfüllen der Gußform erfolgt, worauf der Schaumformteil in der Gußform abgekühlt und anschließend aus dieser entnommen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des herzustellenden Gußformteils über den Befüllungsgrad der Kammer mit Ausgangsmaterial bzw. über das Kammervolumen einstellbar ist.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit dem schaumbildenden Ausgangsmaterial gegenüber der Gußform in der Art eines Drehtrommelofens gedreht und zur Entleerung in die Gußform gedrückt, gegebenenfalls gekippt wird.
  4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschaum-Schmelze in der Kammer von einem Kolben in die Gußform gedrückt wird, wobei der Zeitpunkt innerhalb des Verfahrensverlaufs, das Ausmaß der restlichen Schäumkapazität und damit die Struktur des Gußstückes bestimmend, vorgewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschaum-Schmelze durch eine insbesondere metallschaumfremde Schmelze z.B. durch eine Salzschmelze, auf die ein Druck ausgeübt wird und auf der die pulvermetallurgisch entstehende Metallschaum-Schmelze, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Plättchens, schwimmt, angehoben und in die Gußform gedrückt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschaum-Schmelze in eine Gußform aus nichtmetallischem Material, beispielsweise in eine Sandform, Keramikform, Gipsform oder dergleichen gedrückt wird.
  7. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschaum-Schmelze durch eine Düse zwischen Kammer und dem Hohlraum der Form gedrückt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges bzw. rohrstutzenförmiges Halbzeug in die Kammer eingebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige oder rohrstützenförmige Halbzeug mit möglichst geringem Spiel zur Kammerinnenwand in die Kammer eingebracht wird und die Beheizung der Kammer vorzugsweise elektrisch, insbesondere induktiv erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeugrohr zumindest in der Endphase des Aufheizvorganges durch den Kolben mit einer definierten und einstellbaren Kraft gegen die Düsenplatte gepreßt wird, sodaß der Einspritzvorgang in die Form eingeleitet wird, sobald das Halbzeug den Schmelzpunkt erreicht und damit aufschäumt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduktion von Oxidschichten das Aufheizen bzw. eine Vorwärmung des Halbzeuges unter Schutzgas durchgeführt wird und vorzugsweise daß die Kammer mit Schutzgas gespült wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die pulvermetallurgische Schaum-Schmelze mehrerer Kammern, die parallelgeschaltet sind, gleichzeitig oder über eine Steuerung zeitversetzt über mehrere Anschnitte in den Hohlraum einer oder mehrerer Formen gedrückt wird.
  13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einer beheizbaren Kammer (2), in der ein Kolben (6) verschiebbar ist und an die eine Gußform (8) zur Übernahme von Aluminiumschaum aus der Kammer (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2, 2') von einem Mantel für fremdbeheizte, metallschaumfremde Schmelze (26) zur Beheizung der Kammer (2,2') umgeben ist.
  14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einer beheizbaren Kammer (2), in der ein Kolben (6) verschiebbar ist und an die eine Gußform (8) zur Übernahme von Aluminiumschaum aus der Kammer (2) angeschlossen ist bzw. gemäß der Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Kammern (2, 2') auf einem Schlitten oder Karussell angeordnet und aus einer Lade- bzw. Reinigungsposition in die Aufheizposition für das geladene Halbzeug gegenüber einem Anschluß an eine Form verschiebbar oder drehbar sind.
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