EP1227909B1 - Verfahren und vorrichtung zum schäumen von metallen oder metalllegierungen - Google Patents

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EP1227909B1
EP1227909B1 EP00965981A EP00965981A EP1227909B1 EP 1227909 B1 EP1227909 B1 EP 1227909B1 EP 00965981 A EP00965981 A EP 00965981A EP 00965981 A EP00965981 A EP 00965981A EP 1227909 B1 EP1227909 B1 EP 1227909B1
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metal powder
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    • B22F3/10—Sintering only
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    • 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
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    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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 and an apparatus for foaming Metals or metal alloys.
  • Metal foams especially aluminum foams, can pass through Melting metallurgical processes or powder metallurgical processes become.
  • a metal melt is created by adding thickened by metallic or ceramic particles.
  • gases or blowing agents are introduced, causing foaming.
  • the foam floats on the surface and is transported on a conveyor belt skimmed or passed into a closed mold where the metal foam stiffens. After removal from the mold, the corresponding molded part is obtained Metal foam.
  • Such methods are in the U.S. 3,481,389 and U.S. 3,669,654.
  • This process enables relatively large foam volumes to be produced, which in the case of aluminum foaming can have densities of between 80 and 450 kg / m 3 . Disadvantages of these processes are an uneven pore structure, fluctuations in density, brittleness when using ceramic components and problematic molded part production.
  • metal powders for example aluminum powder
  • a blowing agent used for foaming is TiH 2 .
  • the mixture of metal powder and blowing agent powder is compacted in a subsequent step at elevated temperature by, for example, axial hot pressing, extrusion or hot isostatic pressing.
  • the result is a solid metallic semi-finished product (blank) in which the propellant particles are embedded gas-tight in the metallic matrix.
  • the blanks can be formed into sheet metal or profiles using conventional forming processes.
  • the foaming process takes place in a final process step.
  • the semi-finished product is placed, for example, in a hollow mold and heated to a temperature above the melting point of the respective metal matrix and above the decomposition temperature of the blowing agent, for example in the case of TiH 2 temperatures above approximately 400 ° C. This releases gaseous hydrogen. It forms numerous pores in the metallic matrix and leads to a considerable increase in volume by a factor of 5 to 10 in the molded part produced in this way. Such a method is described in DE 40 18 360.
  • the advantages of the powder metallurgical process are variably adjustable densities in a range from 500 to 1000 kg / m 3 and a large number of possible alloy components, whereby ductile alloys can also be foamed.
  • molded part production is possible with these processes.
  • the procedure is problematic. After the metal foam has been completely formed, the mold and the metal foam must be cooled sufficiently quickly so that the foam remains stable. The process is therefore difficult to control, particularly in the case of larger or more complicated shapes. The reproducibility is insufficient. Due to the comparatively technically complicated process, the production of molded parts in larger series is only possible at relatively high costs.
  • DE 4340791 A1 describes a method for foaming metal powders known in which the metal powder is mixed with a blowing agent, this The mixture is compacted into a blank and the blank is then foamed the blank before foaming in a cold die strand is pressed.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art overcome and to create a method and an apparatus in which the Metal foams are more controllable and the reproducibility of the so produced Products or product properties is improved.
  • the object underlying the invention is achieved by a method for Foaming of metal powder solved, in which the metal powder with a blowing agent is mixed, the mixture of metal powder and blowing agent is compacted a blank and then the blank is foamed, the Blank is fed to an extrusion press before foaming, and thereby is characterized in that the extrusion press is at least temporarily a cryogenic gas is supplied, the amount of cryogenic gas supplied corresponding to the desired temperature in the extrusion press and / or depending on one change in volume or length measured from the extrusion press emerging blank is regulated.
  • the amount of the supplied cryogenic gas is regulated according to the cooling requirement, preferably the change in volume or length of that emerging from the extrusion press Blank measured and depending on the measured volume or Change in length of the blank regulates the amount of cryogenic gas supplied becomes.
  • metal powder here means pure metal powder, metal alloy powder or mixtures of metal powder or metal alloy powder and others Minor components, typically up to 1% by weight.
  • the inventive method can be advantageous in extrusion higher pressures can be realized without the temperature during the Compaction increases too much, so that the risk of at least partial, unwanted foaming is reduced.
  • the performance of the extrusion system can therefore be enlarged.
  • the surface quality of the product is also increased.
  • the cryogenic gas is cryogenic, more liquid Is nitrogen. This has the advantage of efficient and safe cooling during extrusion.
  • the metal powder is aluminum powder.
  • the term "Aluminum powder” here means pure aluminum powder, aluminum alloy powder or mixtures of aluminum powder or aluminum alloy powder and other minor components in a small amount, typically up to approx. 1% by weight Proportion of.
  • the object underlying the invention is further achieved by a device solved for pressing a blank for a foamed metal body, which characterized in that the device is an extrusion press, which Extruder is fed to the blank before foaming and that the Extrusion press a supply line for a cryogenic gas and a measuring device for Measurement of the volume or length change of the blank after it has left the Extrusion press is assigned, and that the assigned feed line for the cryogenic gas has a control or shut-off valve to the amount of supplied cryogenic gas depending on the measured volume or Regulate change in length.
  • the device is an extrusion press, which Extruder is fed to the blank before foaming and that the Extrusion press a supply line for a cryogenic gas and a measuring device for Measurement of the volume or length change of the blank after it has left the Extrusion press is assigned, and that the assigned feed line for the cryogenic gas has a control or shut-off valve to the amount of supplied cryogenic gas depending on the measured volume or Regulate change in length.
  • the smallest already foamed areas which lead to changes in volume or length, can advantageously be used as an input signal for regulating the gas supply, and foaming of larger areas can be reliably avoided.
  • the extrusion can be carried out at a relatively high pressure without causing an excessive rise in temperature. The risk of unwanted foaming of at least partial areas in the material is thus reduced.
  • the supply line for the cryogenic gas is in connection with a source of cryogenic liquid nitrogen.
  • the cooling during the This makes extrusion efficient and safe.
  • the foamed metal body consists essentially of Aluminum.
  • the term "aluminum” here means pure aluminum, Aluminum alloys or aluminum or aluminum alloys and others Minor components, typically up to approx. 1% by weight.
  • the method and device according to the invention is preferably used for Production of foamed aluminum stiffening and / or Damping elements, particularly preferably molded aluminum parts Automotive Engineering.
  • the figure shows schematically an extruder according to the invention, with cryogenic liquid nitrogen is cooled.
  • the extrusion press 1 is fed to the blank 2.
  • the one that was already extruded Body 3, the extent of the body 3 is measured at the length measuring point 4.
  • the signal is fed via a line 5 to an evaluation and control unit 6.
  • a line 7 is assigned to the evaluation and control unit 6 Armature 8 controlled to extrude 1 cryogenic liquid nitrogen supply.
  • the liquid nitrogen is from a source 9 via a line 10 which Armature 8 and supplied via an adjoining line 11, wherein in particular the area of the die 12 of the extrusion press 1 through which to the Line 11 subsequent cooling section 13 is cooled.
  • the nitrogen leaves the Extrusion press 1 after delivery of at least a part of its cold content via one Line 11. It can be used for further use or to the environment be delivered.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Schäumen von Metallen oder Metalllegierungen.
Metallschäume, insbesondere Aluminiumschäume, können durch schmelzmetallurgische Verfahren oder pulvermetallurgische Verfahren hergestellt werden.
Bei den schmelzmetallurgischen Verfahren wird eine Metallschmelze durch Zugabe von metallischen oder keramischen Partikeln verdickt. In diese viskose Schmelze werden Gase oder Treibmittel eingeleitet und dadurch ein Aufschäumen ausgelöst. Der Schaum schwimmt an der Oberfläche auf und wird über ein Transportband abgeschöpft oder in eine geschlossene Kokille geleitet, wo der Metallschaum erstarrt. Nach dem Entformen erhält man das entsprechende Formteil aus Metallschaum. Derartige Verfahren sind in der US 3 481 389 und US 3 669 654 beschrieben.
Durch diese Verfahren sind relativ große Schaumvolumina herstellbar, die im Falle vom Aluminiumschäumen Dichten zwischen 80 bis 450 kg/m3 aufweisen können. Nachteilig bei diesen Verfahren sind eine ungleichmäßige Porenstruktur, Dichteschwankungen, Sprödigkeit bei Einsatz keramischer Bestandteile und eine problematische Formteilherstellung.
Bei pulvermetallurgischen Verfahren werden Metallpulver, beispielsweise Aluminiumpulver, mit einer geringen Menge eines Treibmittels vermischt. Das zum Aufschäumen am häufigsten verwendete Treibmittel ist TiH2. Die Mischung aus Metallpulver und Treibmittelpulver wird in einem folgenden Schritt bei erhöhter Temperatur kompaktiert durch beispielsweise axiales Heißpressen, Strangpressen oder heißisostatisches Pressen. Es entsteht ein massives metallisches Halbzeug (Rohling), in welchem die Treibmittelteilchen gasdicht in der metallischen Matrix eingelagert sind.
Die Rohlinge können mittels konventioneller Umformverfahren zum Beispiel zu Blechen oder Profilen umgeformt werden. In einem abschließenden Verfahrensschritt erfolgt der Aufschäumvorgang. Das Halbzeug wird beispielsweise in eine Hohlform eingelegt und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der jeweiligen Metallmatrix und oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, zum Beispiel im Falle von TiH2 Temperaturen oberhalb ca. 400 °C, erwärmt. Hierbei wird gasförmiger Wasserstoff frei. Er bildet in der metallischen Matrix zahlreiche Poren und führt zu einer beträchtlichen Volumenvergrößerung um den Faktor 5 bis 10 bei dem so hergestellten Formteil. Ein derartige Verfahren ist in der DE 40 18 360 beschrieben.
Die Vorteile des pulvermetallurgischen Verfahrens sind variabel einstellbare Dichten in einem Bereich von 500 bis 1000 kg/m3 und eine große Vielzahl möglicher Legierungsbestandteile, wobei auch duktile Legierungen schäumbar sind. Grundsätzlich ist mit diesen Verfahren eine Formteilherstellung möglich. Andererseits ist die Verfahrensführung problematisch. Denn nach vollständiger Ausbildung des Metallschaums müssen die Form und der Metallschaum hinreichend zügig abgekühlt werden, damit der Schaum stabil bleibt. Insbesondere bei größeren oder komplizierter gestalteten Formen ist das Verfahren daher schwer zu kontrollieren. Die Reproduzierbarkeit ist ungenügend. Bedingt durch die vergleichsweise technisch komplizerte Verfahrensführung ist eine Fertigung von Formteilen auch in größeren Serien nur zu relativ hohen Kosten möglich.
Aus der DE 4340791 A1 ist ein Verfahren zum Schäumen von Metallpulvern bekannt, bei dem das Metallpulver mit einem Treibmittel gemischt wird, diese Mischung zu einem Rohling kompaktiert und der Rohling anschließend geschäumt wird, wobei der Rohling vor dem Aufschäumen in einem kalten Gesenk Strang gepresst wird.
Bei diesem Gegenstand wird durch die tiefe Temperatur des Gesenks vermieden, dass die Temperatur während der Kompaktierung zu stark ansteigt, die Gefahr unkontrollierten Schäumens besteht dennoch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem das Metallschäumen kontrollierbarer ist und die Reproduzierbarkeit der so hergestellten Produkte bzw. Produkteigenschaften verbessert wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Schäumen von Metallpulver gelöst, bei dem das Metallpulver mit einem Treibmittel vermischt wird, die Mischung aus Metallpulver und Treibmittel kompaktiert wird zu einem Rohling und bei dem anschließend der Rohling geschäumt wird, wobei der Rohling vor dem Schäumen einer Strangpresse zugeführt wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Strangpresse zumindest zeitweise ein tiefkaltes Gas zugeführt wird, wobei die Menge des zugeführten tiefkalten Gases entsprechend der gewünschten Temperatur in der Strangpresse und/oder in Abhängigkeit von einer gemessenen Volumen- oder Längenänderung des aus der Strangpresse austretenden Rohlings geregelt wird.
Es ist nach der Erfindung also vorgesehen, das die Menge des zugeführten tiefkalten Gases entsprechend des Kältebedarfs geregelt wird, wobei vorzugsweise die Volumen- oder Längenänderung des aus der Strangpresse austretenden Rohlings gemessen und in Abhängigkeit von der gemessenen Volumen- oder Längenänderung des Rohlings die Menge des zugeführten tiefkalten Gases geregelt wird. Durch diese Verfahrensweise werden vorteilhaft schon kleinste bereits geschäumte Bereiche, die zu Volumen- oder Längenänderungen führen, als Eingangssignal für die Regelung der Gaszufuhr genutzt, so daß ein Schäumen größerer Bereiche sicher vermieden werden kann.
Der Begriff "Metallpulver" bedeutet hier reines Metallpulver, Metalllegierungspulver oder Mischungen aus Metallpulver bzw. Metalllegierungspulver und anderen Nebenbestandteilen in einer geringen Menge, typisch bis ca. 1 Gew.-% Anteil.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beim Strangpressen vorteilhaft höhere Drücke realisiert werden ohne daß die Temperatur während der Kompaktierung zu stark ansteigt, so daß die Gefahr des zumindest teilweisen, ungewollten Schäumens verringert wird. Die Leistungen der Strangpreßanlage kann daher vergrößert werden. Zudem wird die Oberflächenqualität des Produktes erhöht.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das tiefkalte Gas tiefkalter, flüssiger Stickstoff ist. Daraus ergibt sich der Vorteil einer effizienten und sicheren Kühlung während des Strangpressens.
Nach der Erfindung ist das Metallpulver Aluminiumpulver. Der Begriff "Aluminiumpulver" bedeutet hier reines Aluminiumpulver, Aluminiumlegierungspulver oder Mischungen aus Aluminiumpulver bzw. Aluminiumlegierungspulver und anderen Nebenbestandteilen in einer geringen Menge, typisch bis ca. 1 Gew.-% Anteil.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zum Pressen eines Rohlings für einen geschäumten Metallkörper gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung eine Strangpresse ist, welcher Strangpresse der Rohling vor dem Schäumen zugeführt wird und dass der Strangpresse eine Zuführleitung für ein tiefkaltes Gas und eine Messeinrichtung zur Messung der Volumen- oder Längenänderung des Rohlings nach Austritt aus der Strangpresse zugeordnet ist, und dass die zugeordnete Zuführleitung für das tiefkalte Gas eine Regel- oder Absperrarmatur aufweist, um die Menge des zugeführten tiefkalten Gases in Abhängigkeit von der gemessenen Volumen- oder Längenänderung zu regeln.
So können vorteilhaft schon kleinste bereits geschäumte Bereiche, die zu Volumenoder Längenänderungen führen, als Eingangssignal für die Regelung der Gaszufuhr genutzt werden und ein Schäumen größerer Bereiche kann sicher vermieden werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der Vorteil, daß das Strangpressen mit relativ hohem Druck erfolgen kann ohne einen zu starken Temperaturanstieg zu verursachen. Die Gefahr eines ungewollten Schäumens von zumindest Teilbereichen in dem Material wird so verringert.
Nach der Erfindung steht die Zuführleitung für das tiefkalte Gas in Verbindung mit einer Quelle für tiefkalten, flüssigen Stickstoff. Die Kühlung während des Strangpressens ist dadurch effizient und sicher.
Nach der Erfindung besteht der geschäumte Metallkörper im wesentlichen aus Aluminium. Der Begriff "Aluminium" bedeutet hier reines Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen und andere Nebenbestandteile in einer geringen Menge, typisch bis ca. 1 Gew.-% Anteil.
Das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung wird vorzugsweise verwendet zur Herstellung von geschäumten Aluminium -Versteifungs- und/oder Dämpfungselemente, besonders bevorzugt Aluminium-Formteile im Kraftfahrzeugbau.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren werden nun anhand einer Abbildung (Fig.) beispielhaft näher erläutert.
Die Fig. zeigt schematisch eine Strangpresse gemäß der Erfindung, die mit tiefkaltem, flüssigen Stickstoff gekühlt wird.
Der Strangpresse 1 wird der Rohling 2 zugeführt. Bei dem bereits stranggepreßten Körper 3 wird an der Längenmeßstelle 4 die Ausdehnung des Körpers 3 gemessen. Das Signal wird über eine Leitung 5 einer Auswerte- und Regeleinheit 6 zugeführt. Über eine der Auswerte- und Regeleinheit 6 zugeordneten Leitung 7 wird eine Armatur 8 gesteuert, um der Strangpresse 1 tiefkalten, flüssigen Stickstoff zuzuführen. Der flüssige Stickstoff wird aus einer Quelle 9 über eine Leitung 10, die Armatur 8 und über eine daran anschließende Leitung 11 zugeführt, wobei insbesondere der Bereich der Matrize 12 der Strangpresse 1 durch die an die Leitung 11 anschließende Kühlstrecke 13 gekühlt wird. Der Stickstoff verlässt die Strangpresse 1 nach Abgabe zumindest einesTeils seines Kälteinhalts über eine Leitung 11. Er kann einer weiteren Verwendung zugeführt oder an die Umgebung abgegeben werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Schäumen von Metallpulver,
    bei dem das Metallpulver mit einem Treibmittel vermischt wird, die Mischung aus Metallpulver und Treibmittel kompaktiert wird zu einem Rohling und bei dem anschließend der Rohling geschäumt wird, wobei der Rohling vor dem Schäumen einer Strangpresse zugeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Strangpresse zumindest zeitweise ein tiefkaltes Gas zugeführt wird, wobei die Menge des zugeführten tiefkalten Gases entsprechend der gewünschten Temperatur in der Strangpresse und/oder in Abhängigkeit von einer gemessenen Volumen- oder Längenänderung des aus der Strangpresse austretenden Rohlings geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Gas tiefkalter, flüssiger Stickstoff ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Metallpulver Aluminiumpulver ist.
  4. Vorrichtung zum Pressen eines Rohlings für einen geschäumten Metallkörper,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Strangpresse ist, welcher Strangpresse der Rohling vor dem Schäumen zugeführt wird und dass der Strangpresse eine Zuführleitung für ein tiefkaltes Gas und eine Messeinrichtung zur Messung der Volumen- oder Längenänderung des Rohlings nach Austritt aus der Strangpresse zugeordnet ist, und dass die zugeordnete Zuführleitung für das tiefkalte Gas eine Regel- oder Absperrarmatur aufweist, um die Menge des zugeführten tiefkalten Gases in Abhängigkeit von der gemessenen.Volumenoder Längenänderung zu regeln.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung für das tiefkalte Gas in Verbindung steht mit einer Quelle für tiefkalten, flüssigen Stickstoff.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5
    dadurch gekennzeichnet, daß der geschäumte Metallkörper im wesentlichen aus Aluminium besteht.
  7. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Herstellung von geschäumten Aluminium -Versteifungs- und/oder Dämpfungselemente.
  8. Verwendung nach Anspruch 7 zur Herstellung von geschäumten Aluminium-Formteilen im Kraftfahrzeugbau.
EP00965981A 1999-09-23 2000-09-12 Verfahren und vorrichtung zum schäumen von metallen oder metalllegierungen Expired - Lifetime EP1227909B1 (de)

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