EP1017864A1 - Legierung zum herstellen von metallschaumkörpern unter verwendung eines pulvers mit keimbildenden zusätzen - Google Patents

Legierung zum herstellen von metallschaumkörpern unter verwendung eines pulvers mit keimbildenden zusätzen

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EP1017864A1
EP1017864A1 EP98946304A EP98946304A EP1017864A1 EP 1017864 A1 EP1017864 A1 EP 1017864A1 EP 98946304 A EP98946304 A EP 98946304A EP 98946304 A EP98946304 A EP 98946304A EP 1017864 A1 EP1017864 A1 EP 1017864A1
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Definitions

  • the invention relates to an alloy for producing metal foam bodies, a method for producing the alloy with certain additives for the production of metal foam bodies.
  • Various processes for the production of metal foam bodies consist essentially in that a gas-releasing blowing agent is added to an alloy powder or a powder mixture of alloy components, an unexpanded semi-finished product first being produced and this semi-finished product subsequently being heated, preferably to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent is brought to foaming in the temperature range of the melting point of the metal alloy, after which the body thus foamed is then cooled.
  • the semi-finished product can be foamed freely or in a mold, and metal foams with a density of about 0.3 to 1.7 g / cm 3 can be produced using aluminum or aluminum alloys.
  • a method for producing porous metal bodies is described, for example, in DE-40 18 360 Cl and consists of the following steps: producing a mixture of at least one metal powder and at least one gas-releasing blowing agent powder, hot compacting this mixture into a semi-finished product at a temperature at which the compound the metal powder particles are predominantly made by diffusion and at a pressure which is high enough to prevent the decomposition of the blowing agent, such that the metal particles are in a solid connection with one another and constitute a gas-tight seal for the gas particles of the blowing agent, heating the same produced semi-finished product to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent, preferably in Temperature range of the melting point of the metal used, then cooling of the foamed body.
  • the invention is therefore based on the problem of producing a foam structure that is as uniform as possible and achieving strength properties that are as favorable as possible when producing a foamable metal alloy, in particular an aluminum alloy, in order to achieve the desired properties.
  • a metal alloy made of a metal matrix with an addition of a powder made of or with nucleating particles, which cause uniform bubble formation and homogeneous foam structure is proposed according to the invention, an aluminum alloy being preferably used for the metal matrix and an addition of uniformly distributed silicon for nucleation -, Silicon carbide, aluminum oxide and / or Titanium ⁇ dpitate is added.
  • the particle size is preferably less than 30 ⁇ m.
  • Small, evenly distributed silicon particles are particularly advantageous, which arise when spraying ubereutectic AlSi melts with up to about 50% silicon in the individual powder particles (Fig. 2).
  • the manufacturing process is described in patent application 198 01 941.6 by the same applicant regarding a wear-resistant aluminum alloy, in particular for the manufacture of cylinder liners.
  • the structure of an extruded profile, which was produced from an AlMgSi powder mixture with 10% silicon additive in the form of the powder grains described above, is shown in Figure 3.
  • the silicon particles have a uniform size between approximately 10 - 30 ⁇ and are evenly distributed in the matrix.
  • a method for the production of metal foam bodies is furthermore performed with the steps: production of a homogeneous mixture of at least one metal powder forming a metal matrix, a powder made of or with nucleating particles, uniform bubble formation and homogeneous foam structure and at least one gas-releasing blowing agent powder, filling the mixture into a mold, if necessary compacting under pressure, for. B. by cold or hot isostatic pressing, subsequent hot forming, z. B.
  • the solution to the problem mentioned at the outset is also the use of a powder consisting of or with nucleating particles which produce uniform bubbles and a homogeneous foam structure as an additive to a mixture of at least one metal powder forming a metal matrix and at least one gas-releasing blowing agent powder in the production of metal foam bodies, wherein the powder can consist of particles of silicon, silicon carbide, aluminum oxide and / or titanium boride, which have a particle size smaller than 30 ⁇ m.
  • a powder with uniformly distributed particles of a ubereutectic aluminum-silicon alloy with a portion of the silicon in the form of silicon primary crystals can be used the particles of the ubereutectic
  • Aluminum-silicon alloy of less than 12% by weight based on the metal alloy.
  • the very distant particle structure in the additive added as a powder is crucial for uniform bubble formation and thus for a homogeneous foam structure, since the particles in this fine distribution, in particular the silicon primary crystals, act as nucleating agents for the bubble development.
  • the foamable aluminum alloy can be, for example, an aluminum powder alloy with a blowing agent, for example titanium hydride (T ⁇ h2) and a powder of a ubereutectic aluminum-silicon alloy with a proportion of silicon in the form of
  • a blowing agent for example titanium hydride (T ⁇ h2)
  • Siliciumprimark ⁇ stallen m the powder of the ubereutectic aluminum-silicon alloy of less than 12 wt .-% based on the metal alloy.
  • the mixture is filled into a mold and compacted under pressure without the blowing agent powder decomposing.
  • the preliminary material thus produced can then be hot pressed or hot rolled or hot extruded without foaming. If this semi-finished product is heated up to about 800 ° C for foaming, the blowing agent releases trapped gas, so that
  • Foam aluminum alloy powder If the foaming of the semi-finished product is carried out in a mold, the foam fills the contour of the mold cavity, takes on its shape and has a density of about 0.3 to 1.7 g / cm 3 depending on the degree of foaming and the type of blowing agent addition.
  • the foamed aluminum alloy has essentially the same size and evenly distributed, closed pores, is very pressure-resistant, has a low weight and gives the molded article the strength required for the respective application.
  • the production of foam products from an aluminum alloy is only mentioned as an example.
  • the invention also extends to foam products made of any foamable metal to which a powder with nucleating particles has been added for uniform bubble formation and a homogeneous foam structure.

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Description

"Legierung zum Herstellen von Metallschaumkörpern unter Verwendung eines Pulvers mit keimbildenden Zusätzen"
Die Erfindung betrifft eine Legierung zum Herstellen von Metallschaumkörpern, ein Verfahren zum Herstellen der Legierung mit bestimmten Zusatzstoffen für die Herstellung von Metallschaumkorpern .
Verschiedene Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkorpern sind bekannt und bestehen im wesentlichen darin, daß einem Legierungspulver oder einer Pulvermischung aus Legierungsbestandteilen ein gasabspaltendes Treibmittel beigefugt wird, wobei zunächst ein unaufgeschäumtes Halbzeug hergestellt und dieses Halbzeug anschließend durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes der Metallegierung, zum Aufschäumen gebracht wird, wonach der so aufgeschäumte Korper anschließend abgekühlt wird. Das Aufschäumen des Halbzeuges kann frei oder in einer Form erfolgen, und es lassen sich bei Verwendung von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen Metallschaumkorper mit einer Dichte von etwa 0,3 bis 1,7 g/cm3 herstellen.
Ein Verfahren zum Herstellen poröser Metallkorper ist beispielsweise in der DE-40 18 360 Cl beschrieben und besteht aus den Schritten: Herstellen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver, Heißkompaktieren dieser Mischung zu einem Halbzeug bei einer Temperatur, bei der die Verbindung der Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt und bei einem Druck, der hoch genug ist, um die Zersetzung des Treibmittels zu verhindern, derart, daß die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels darstellen, Aufheizen des derart hergestellten Halbzeuges auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles, anschließendes Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers .
Bei Verwendung von Reinaluminiumpulver mit einem Zusatz von 0,1 Gew.-% Titanhydridpulver ließ sich ein poröser Metallkörper mit einer Dichte von etwa 0,78 g/cm3 herstellen. Die typische Porengröße lag um 1 mm Durchmesser. Bei Verwendung eines fertig legierten Pulvers aus einer Aluminiumlegierung mit einem Legierungsanteil von 4 Gew.-% Magnesium und 0,4 Gew.-% Titanhydridpulver wurde eine Dichte von 0,62 g/cm3 bei einer typischen Porengröße von ca. 2 bis 3 mm erreicht.
Bei diesem bekannten Verfahren und anderen Verfahren, beispielsweise dem entsprechend der US-3 087 807 A, ist nachteilig, daß die Blasenbildung beim Aufschäumen und damit die Struktur des Metallschaumkörpers sehr ungleichmäßig ist. Dies hat unverwünschte Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, so daß bereits versucht wurde, eine gleichmäßige Schaumstruktur durch Veränderung der Legierungszusammensetzung oder der Verfahrensführung zu erreichen. Diese Versuche führten entweder nicht zu der gewünschten gleichmäßigen Schaumstruktur oder erforderten eine aufwendige Prozeßführung, die das Herstellungsverfahren verteuerte .
Bei Verwendung eines fertig legierten Pulvers aus einer Aluminiumlegierung vom Typ A1SÜ2 bzw. AlSi7Mg mit Titan-Hydrid-Pulverzusatz wurde ein ungünstigeres Aufschäumverhalten festgestellt, als bei Verwendung eines Pulvers bzw. einer Pulvermischung der Metallmatrix AI bzw. AlMg mit Zusatz von 12 % Siliciumpulver bzw. 7 % Siliciumpulver . Auch bei anderen Matrixlegierungen vom Typ AlMgSi wurde bestätigt, daß zusätzlich beigemischte Siliciumpulver zu einem verbesserten Aufschäumverhalten führen. Nachteilig war jedoch immer noch eine ungleichmäßige Schaumstruktur mit stark unterschiedlichen Porengrößen. Die ungleichmäßige Schaumstruktur kann auf eine ungleichmäßige Keimbildung für die Blasenbildung infolge ungleichmäßiger Große und Verteilung der Siliciumpartikel zurückgeführt werden. Das Gefuge eines Strangpreßproflls, welches aus einer AlMgSi Pulvermischung mit 10 % Siliciumpulver hergestellt wurde, zeigt Bild 1. Die in das Matrixgefuge eingelagerten Siliciumpartikel sind ungleichmäßig verteilt und m ihrer Große und Form ebenfalls stark ungleichmäßig.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, bei der Fertigung einer aufschaumbaren Metallegierung, insbesondere einer Alummiumlegierung, für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften eine möglichst gleichmäßige Schaumstruktur zu erzielen und möglichst gunstige Festigkeitseigenschaften zu erreichen.
Ausgehend von dieser Problemstellung wird erfmdungsgemaß eine Metallegierung aus einer Metallmatrix mit einem Zusatz eines Pulvers aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln vorgeschlagen, wobei vorzugsweise eine Alummiumlegierung für die Metallmatrix verwendet wird und zur Keimbildung ein Zusatz von gleichmäßig verteilten Silicium-, Siliciumcarbid-, Aluminiumoxid- und/oder Titanboπdpartikeln beigefugt ist.
Um die gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur zu bewirken, betragt die Partikelgroße vorzugsweise kleiner als 30 μm.
Besonders vorteilhaft sind kleine, gleichmäßig verteilte Siliciumpartikel, die beim Versprühen von ubereutektischen AlSi-Schmelzen mit bis zu etwa 50 % Silicium m den einzelnen Pulverkornern entstehen (Bild 2) . Das Herstellverfahren ist in der Patentanmeldung 198 01 941.6 derselben Anmelderin eine verschleißfeste Alummiumlegierung insbesondere für die Herstellung von Zylmderlaufbuchsen betreffend beschrieben. Das Gefüge eines Strangpreßprofils, welches aus einer AlMgSi-Pulvermischung mit 10 % Siliciumzusatz in Form der oben beschriebenen Pulverkorner hergestellt wurde, zeigt Bild 3. Die Siliciumpartikel haben eine gleichmaßige Große zwischen etwa 10 - 30 μ und sind in der Matrix gleichmäßig verteilt.
Zur Losung des eingangs erwähnten Problems wird des weiteren ein Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkorpern mit den Schritten: Herstellen einer homogenen Mischung aus mindestens einem eine Metallmatrix bildenden Metallpulver, einem Pulver aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmaßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver, Einfüllen der Mischung in eine Form, ggf. Kompaktieren unter Druck, z. B. durch kalt- oder warm-isostatisches Pressen, anschließendes Warmumformen, z. B. durch Strangpressen oder Walzen, ggf. Weiterverarbeiten beispielsweise durch Kaltumformen und/oder spanende Bearbeitung, Aufschäumen durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalls und anschließendes Abkühlen des so aufgeschäumten Korpers vorgeschlagen.
Schließlich dient der Losung des eingangs erwähnten Problems auch die Verwendung eines Pulvers aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmaßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln als Zusatz zu einer Mischung aus mindestens einem eine Metallmatrix bildenden Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bei der Herstellung von Metallschaumkorpern, wobei das Pulver aus Partikeln aus Silicium, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und/oder Titanborid bestehen kann, die eine Partikelgroße kleiner als 30 μm aufweisen. Zum Herstellen eines Schau korpers aus einer Matrix aus einer Aluminiumlegierung läßt sich ein Pulver mit gleichmaßig verteilten Partikeln einer ubereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung mit einem Anteil des Siliciums in Form von Siliciumprimarkristallen in den Partikeln der ubereutektischen
Alummium-Silicium-Legierung von weniger als 12 Gew.- , bezogen auf die Metallegierung.
Die sehr fern verteilte Partikelstruktur m dem als Pulver hinzugefugten Zusatz, insbesondere die sehr fein verteilte Siliciu struktur ist entscheidend für eine gleichmäßige Blasenbildung und damit für eine homogene Schaumstruktur, da die Partikel m dieser feinen Verteilung, insbesondere die Siliciumprimarkristalle als Keimbildner für die Blasenentwicklung wirken.
Bei der aufschaumbaren Alummiumlegierung kann es sich beispielsweise um eine Alummiumpulverlegierung mit einem Treibmittel, beispielsweise Titanhydrid (Tιh2) und einem Pulver einer ubereutektischen Alummium-Silicium-Legierung mit einem Anteil des Siliciums m Form von
Siliciumprimarkπstallen m dem Pulver der ubereutektischen Alummium-Silicium-Legierung von weniger als 12 Gew.-% bezogen auf die Metallegierung handeln. Die Mischung wird eine Form gefüllt und unter Druck kompaktiert, ohne daß sich dabei das Treibmittelpulver zersetzt. Das so hergestellte Vormateπal laßt sich anschließend warmpressen oder Warmwalzen oder Warmfließpressen, ohne daß dabei ein Aufschäumen erfolgt. Wird dieses Halbzeug zum Aufschäumen auf bis zu etwa 800°C erhitzt, setzt das Treibmittel eingeschlossenes Gas frei, so daß das
Alummiumlegierungspulver aufschäumt. Wird das Aufschäumen des Halbzeugs m einer Form durchgeführt, füllt der Schaum die Kontur des Formhohlraums aus, nimmt dessen Form an und weist, e nach Aufschaumungsgrad und Art des Treibmittelzusatzes eine Dichte von etwa 0,3 bis 1,7 g/cm3 auf. Die aufgeschäumte Alummiumlegierung weist im wesentlichen gleich große und gleichmäßig verteilte, geschlossene Poren auf, ist sehr druckfest, hat ein geringes Gewicht und erteilt dem geformten Gegenstand eine entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Festigkeit . Die Herstellung von Schaumprodukten aus einer Aluminiumlegierung ist nur beispielsweise erwähnt. Die Erfindung erstreckt sich auch auf Schaumprodukte aus jedem schäumbaren Metall, dem ein Pulver mit keimbildenden Partikeln für eine gleichmäßige Blasenbildung und eine homogene Schaumstruktur zugesetzt ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Metallegierung aus einer Metallmatrix mit einem Zusatz eines Pulvers aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln.
2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, aus einer Aluminiummatrix mit einem Zusatz von gleichmäßig verteilten Silicium-, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid-, und/oder Titanboridpartikeln.
3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, aus einer Aluminiummatrix mit einem Zusatz von gleichmäßig verteilten Siliciumpartikeln oder von Partikeln einer ubereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung mit einem Anteil des Siliciums in Form von Siliciumpartikeln oder von Siliciumprimärkristallen in den Partikeln der ubereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung von weniger als 20 Gew.- bezogen auf die Gesamtmenge vor dem Aufschäumen.
4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Partikelgröße kleiner als 30 μm.
5. Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkorpern mit den Schritten:
- Herstellen einer homogenen Mischung aus mindestens einem eine Metallmatrix bildenden Metallpulver, einem Pulver aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver
- Einfüllen der Mischung in eine Form,
- Aufschäumen durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und - Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in der Form ein Kompaktieren unter Druck erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Kompaktieren unter Druck durch kalt- oder warm-isostatisches Pressen erfolgt .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem nach dem Kompaktieren ein Warmumformen, insbesondere durch Strangpressen oder Walzen erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem nach dem Kompaktieren oder dem Warmumformen eine
Weiterverarbeitung durch Kaltumformen und/oder spanende Bearbeitung erfolgt.
10. Verwendung eines Pulvers aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln als Zusatz zu einer Mischung aus mindestens einem eine Metallmatrix bildenden Metallpulver und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver bei der Herstellung von Metallschaumkorpern.
11. Verwendung eines Pulvers nach Anspruch 10 mit Partikeln aus Silicium, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und/oder Titanborid.
12. Verwendung eines Pulvers nach Anspruch 10 oder 11 mit einer Partikelgröße kleiner als 30 μm.
13. Verwendung eines Pulvers zum Herstellen eines Schaumkörpers aus einer Matrix aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 10, 11 oder 12 mit gleichmäßig verteilten Partikeln einer ubereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung mit einem Anteil des Siliciums in Form von Siliciumprimärkristallen in den Partikeln der ubereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung von weniger als 12 Gew.' bezogen auf die Metallegierung.
EP98946304A 1997-08-30 1998-08-08 Legierung zum herstellen von metallschaumkörpern unter verwendung eines pulvers mit keimbildenden zusätzen Expired - Lifetime EP1017864B1 (de)

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