EP1288320A2 - Apparatus and process for the manufacture of a metal foam - Google Patents

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EP1288320A2
EP1288320A2 EP02450138A EP02450138A EP1288320A2 EP 1288320 A2 EP1288320 A2 EP 1288320A2 EP 02450138 A EP02450138 A EP 02450138A EP 02450138 A EP02450138 A EP 02450138A EP 1288320 A2 EP1288320 A2 EP 1288320A2
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melt
metal
bubbles
metal foam
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Franz Dobesberger
Herbert Flankl
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Alois Birgmann
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Huette Klein Reichenbach GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for introducing gas into a melt foamable metal by means of at least one tube for the production of metal foam
  • the invention comprises a method for producing metal foam by Blowing gas into a foamable molten metal.
  • Such a material is a metal foam, the on the one hand, in comparison with a solid material, a much smaller, specific one Has weight and on the other hand, different mechanical properties and a has completely different material behavior.
  • An introduction of gas into the liquid metal can also according to EP-545957 B1 means of a vortex, wherein in the thus formed and solidified foam material There are pores with different diameters, from which a little reproducible material behavior results. Adjusting the pore size or Size distribution in the foam body is not sufficient possible.
  • the invention seeks to remedy the situation and sets itself the goal of a device of to create the type mentioned above, with which gas in the form of approximately having the same volume, adjustable in size pores or bubbles in the Melt is einbringbar.
  • Another object of the invention is the specification of a Method for creating a desired metal foam.
  • the gas inlet tube projecting protrudes into the melt and at the projecting end has a gas outlet cross-section with an area of 0.006 to 0.2 mm and a tube end face of less than 4.0 mm 2 .
  • the inventive geometric design of the gas inlet tube can created the first desired and stable gas bubble removal criteria in the melt which have substantially the same single bubble volume and accordingly resulting formed metal foam.
  • the formation of the device can be made with advantage so that the Outlet opening of the gas introduction tube to an extent of at least the 5 times, preferably at least 10 times, the value of the largest Inner dimension of the outlet opening is formed protruding into the melt. In order to are particularly effective stable tear-off criteria of the bubbles in the melt reachable.
  • the gas inlet tube a circular gas outlet opening and has a pipe end edge or annular pipe face, are special Economical pipe end formations for controlling the gas bubble size can be created.
  • the projecting into the melt gas inlet tube at least in Area of the gas outlet end a kugelsegment-, truncated cone or having truncated pyramidal outer contour. It is advantageous, the outer contour the gas introduction tube so that the angle that the generator of the Stump surface with the axis of the gas inlet channel includes a value of less than 60 °, preferably less than 45 °.
  • Plant technology but also with regard to the performance of the plant and the Product quality can also provide a substantial advantage if at least 2, preferably more than 2 gas inlet tubes, in particular each with the same mutual distance, preferably a value of greater than 10 times the Einrageausiqueses the outlet opening and the gas inlet tube in the Melting, in a replaceable nozzle in the melting vessel of Metal foam systems are arranged.
  • gas inlet tubes in particular each with the same mutual distance, preferably a value of greater than 10 times the Einrageausiquesconcees the outlet opening and the gas inlet tube in the Melting, in a replaceable nozzle in the melting vessel of Metal foam systems are arranged.
  • the invention aims at a further embodiment, with which also in continuous operation over long periods stable Gasblasenablinatekriterien Foaming a molten metal can be achieved.
  • the object to provide an embodiment of the device with which also in the Continuous operation over long periods of stable gas bubble removal criteria Foaming a molten metal can be achieved is achieved by that the gas inlet tube at least in the region of the protruding end of a ceramic consists.
  • the invention makes use of the knowledge that the ceramic formed parts of the device, optionally the entire device at Comparison with previously used steel-fabricated equipment with molten metal react significantly slower and at the same time with the same geometry the formation of a hydrophobic system with respect to a gas bubble formation in Allow entry of gas into the melt.
  • the ceramic is an oxide ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic.
  • the further object of the invention is a method of the type mentioned specify with which high quality metal foam by blowing gas into it foamable metal can be created is achieved by a uniformity of the Diameter or the size of the individual bubbles and the size of the Gas bubbles through a geometric nozzle design and by adjusting the Influence parameters of the gas are controlled in the molten metal.
  • Process engineering but also with regard to a high product quality can continue from Be advantageous if the gas at a pressure of 0.3 to 12 bar, preferably 0.7 to 5 bar, is blown into the foaming metal.
  • Particularly lightweight or low density having metal foam body can be created when the metallic melt of light metal, preferably made of aluminum or an aluminum alloy. This can also be a achieved versatile material behavior at low mass of the part become.
  • the foamability of the metal, but also the formation of the foam matrix or the foam wall can be substantially improved if SiC particles and / or Al 2 O 3 particles and other non-metallic particles and / or particles of intermetallic phases are used to prepare the foamable molten metal be used. It is favorable in terms of stability and strength, in particular buckling strength of the foam walls when particles for stabilizing the metal foam with a size of 1 to 50 microns, preferably 3 to 20 microns, used and evenly distributed in the foam matrix, with excellent results can be achieved if in the base metal, a foamable molten metal with a volume fraction of particles of 2 to 50 vol .-%, in particular from 18 to 28 vol .-% is created.
  • an oxygen-containing gas preferably air
  • substantially pure oxygen is injected, in Surprisingly, the beneficial effects of a on the particle content of Melt tuned gas bubbles minimum height to be increased because at the Surface of the particle and metal-laden gas bubble at the same time a reinforcing acting oxide layer is formed.
  • the invention also aims to a flowable Metal foam with gas bubbles passing through walls of a liquid metal matrix solid reinforcing particles is limited. This goal is thereby achieved that the diameter of the largest gas bubbles broken by that the smallest gas bubbles gives a value of less than 2.5.
  • a flowable Metal foam can be used with high accuracy when using different means Parts are shaped and allowed to solidify, depending on individual bubble size and Ratio of a specific density of the part and its compression behavior at Drucknapssbeaufschlagung be achieved. Foam parts with a density of each 0.09 to 0.11 experience, for example, only slightly increasing Compressive stresses of 0.25 to 0.8 MPa compression ratios up to 70%.
  • a metal foam body which is both high-area and high punctiform mechanical stress withstand, is achieved by that at a Metal foam of the type mentioned the pores substantially spherical and / or ellipsoidal closed, with the largest each Diameter of the pores are distributed monomodally and the pores are essentially made out individual stabilized bubbles are formed and that the wall inner surfaces at least partially coated with an oxide.
  • a metal foam body according to the invention exhibits an isotropic aspect mechanical properties favorable monomodal size distribution of spatial evenly distributed pores additionally an oxide-reinforced pore wall structure, whereby an increased load capacity achieved in use or a period of use of components with a metal foam unit can be increased. Because of a Formation of the pores such that the pores are substantially single, stabilized bubbles correspond to a flowable metal foam, is suitable Inventive metal foam body for use in components not only at high planar load, but also excellent at high punctiform occurring Burden.
  • a gas inlet tube 1 is shown, which with an extent E in a Melt protrudes.
  • the gas inlet tube 1 has between inner surface 4 and outer surface 5 a constant wall thickness with a pipe end face 3, the into the melt S sticks up.
  • FIG. 2 shows a gas introduction tube 1 with a Einragetress E in a melt S, which tube 1 in the exit region a frustoconical or truncated pyramidal Outer contour 6, which in the extension at an angle to the axis 7 of a Gas inlet channel has.
  • a Gas inlet tube 1 can with high stability and strength of the base part a Pipe end face 3 formed with the smallest surface area up to a front edge become.
  • Fig. 3 is an embodiment with a nozzle 8, which is preferably arranged detachably in a wall 9 of a melt vessel, removable.
  • Three gas inlet tubes 1, 1 ', 1 "projecting into a melt S are arranged at a distance A 1 and A 2 from each other in the nozzle 8.
  • Such easily exchangeable nozzle rods 8 are preferably used when metal foams having substantially the same single bubble volume but different Produce bubble sizes, because thereby the formation criteria: size of the gas outlet cross-section and size of the gas inlet tube end face, can be changed in the short term.
  • Fig. 2 shows the pore size distribution of a Metal foam, in compliance with the AufMum lake invention was created. As can be seen by the histogram in Fig. 5, is at a monomodal distribution of pore sizes at a mean value of 4 mm Proportion of pores of about 6 mm proportionately only slightly higher than that of 2 mm, that is, the pore sizes are approximate to both sides of an average distributed to the same extent or the same frequency.

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Abstract

The method entails introducing gas into a particle-containing, molten metal to produce a free-flowing metal foam with voids having a monomodal distribution of their dimensions. The metal foam is at least partially introduced into a casting die and is compressed under essentially all-round pressure. The liquid phase is then allowed to solidify. An Independent claim is also included for a lightweight molded part.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von MetallschaumThe invention relates to a device for introducing gas into a melt foamable metal by means of at least one tube for the production of metal foam

Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze.Furthermore, the invention comprises a method for producing metal foam by Blowing gas into a foamable molten metal.

In der innovativen Technologie sind zunehmend Werkstoffe mit neuem Eigenschaftsprofil gefordert. Einen derartiger Werkstoff stellt ein Metallschaum dar, der einerseits, im Vergleich mit einem Vollmaterial, ein wesentlich geringeres, spezifisches Gewicht besitzt und andererseits unterschiedliche, mechanische Eigenschaften und ein völlig anderes Werkstoffverhalten aufweist.In the innovative technology are increasingly materials with new Property profile required. Such a material is a metal foam, the on the one hand, in comparison with a solid material, a much smaller, specific one Has weight and on the other hand, different mechanical properties and a has completely different material behavior.

Für eine Herstellung von Metallschaum-Werkstoffen sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise können einer Metallschmelze Substanzen zugesetzt und in dieser verteilt werden, welche Substanzen sich bei der gegebenen Schmelztemperatur der Metallphase unter Gasentwicklung zersetzen. In der Schmelze werden dabei die sich bildenden bzw. die gebildeten Gasblasen eingefroren und derart ein Schaumkörper erstellt.For a production of metal foam materials are different methods known. For example, substances can be added to a molten metal and into These are distributed, which substances at the given melting temperature decompose the metal phase with evolution of gas. In the melt while the forming or the gas bubbles formed frozen and such a foam body created.

Weiters bekannt sind Schäumverfahren, bei welchen Gas unter die Oberfläche eines geschmolzenen schäumbaren Metalles, eines sogenannten flüssigen Verbundstoffmaterials, eingebracht und derart ein Metallschaum erstellt wird.Also known are foaming processes in which gas under the surface of a molten foamable metal, a so-called liquid Composite material, introduced and created such a metal foam.

Aus der WO 91/01387 bzw. EP- 483184 B1 ist beispielsweise ein derartiges kontinuierliches Schaumverfahren bekannt geworden.From WO 91/01387 or EP-483184 B1, for example, such continuous foam process has become known.

Ein Einbringen von Gas in das flüssige Metall kann auch gemäß EP-545957 B1 mittels eines Wirbels erfolgen, wobei im derart gebildeten und erstarrten Schaumwerkstoff Poren mit unterschiedlichem Durchmesser vorliegen, woraus ein wenig reproduzierbares Werkstoffverhalten resultiert. Ein Einstellen der Porengröße oder Größenverteilung im Schaumkörper ist dabei nicht in einem ausreichenden Maß möglich.An introduction of gas into the liquid metal can also according to EP-545957 B1 means of a vortex, wherein in the thus formed and solidified foam material There are pores with different diameters, from which a little reproducible material behavior results. Adjusting the pore size or Size distribution in the foam body is not sufficient possible.

Gemäß US 5 281 251 erfolgt ein Einbringen von Gas in die Schmelze mittels einer Eintragvorrichtung, die quirlförmig ausgebildet und an den außenseitigen Flügelenden Gasaustrittsöffnungen aufweist. Eine ähnliche Ausführungsform des Gaseinführungsmittels oder eine vibrierende oder oszillierende Düse offenbart die US 5 334 236.According to US 5,281,251 gas is introduced into the melt by means of a Entry device, the whirl-shaped and on the outside wing ends Has gas outlet openings. A similar embodiment of the Gas introduction means or a vibrating or oscillating nozzle is disclosed in US 5 334 236.

Um eine effiziente Schaumbildung zu erreichen, wurde auch vorgeschlagen (EP-544291 A1), dem Flüssigmetall Gas über eine Vielzahl von Düsen in der Art eines oszillierenden Düsenkammes oder mittels einer vertikalen Düse mit darüber rotierendem propellerartigen Rührer zur Verwirbelung der Gasblasen zuzusetzen.In order to achieve efficient foaming, it has also been proposed (EP-544291 A1), the liquid metal gas via a plurality of nozzles in the manner of a oscillating nozzle comb or by means of a vertical nozzle with it To add rotating propeller-type stirrer for turbulence of the gas bubbles.

Allen bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Metallschaum durch ein Einblasen von Gas in eine Schmelhze sind die Nachteile gemeinsam, dass Poren oder Gasblasen mit großen Abmessungsunterschieden gebildet werden und deren Größe und Größenverteilung nicht in gewünschtem Maße einstellbar sind. Daraus ergeben sich vielfach unerwünscht vergleichsweise hohe spezifische Gewichte und ungenügend reproduzierbares Materialverhalten des Metallschaum-Werkstoffes.All known devices for the production of metal foam by blowing from gas to a melt are the common disadvantages that pores or gas bubbles are made with large dimension differences and their size and size Size distribution are not adjustable to the desired extent. This results in often undesirable comparatively high specific weights and insufficient reproducible material behavior of the metal foam material.

Hier will die Erfindung Abhilfe bieten und setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher Gas in der Form von annähernd gleichem Volumen aufweisenden, in der Größe einstellbaren Poren oder Blasen in die Schmelze einbringbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung stellt die Angabe eines Verfahrens zur Erstellung eines gewünschten Metallschaumes dar.Here, the invention seeks to remedy the situation and sets itself the goal of a device of to create the type mentioned above, with which gas in the form of approximately having the same volume, adjustable in size pores or bubbles in the Melt is einbringbar. Another object of the invention is the specification of a Method for creating a desired metal foam.

Das Ziel wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gaseintragsrohr vorspringed in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner als 4,0 mm2 besitzt.The goal is achieved in a generic device according to the invention in that the gas inlet tube projecting protrudes into the melt and at the projecting end has a gas outlet cross-section with an area of 0.006 to 0.2 mm and a tube end face of less than 4.0 mm 2 .

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass am Gaseintragsrohr bei der Bildung der Poren für deren bestimmte Größe stabile Blasenablösungskriterien geschaffen werden.The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in that Gas inlet tube in the formation of pores for their specific size stable Bubble removal criteria are created.

Wird in ein schäumbares Metall gemäß dem Stand der Technik Gas durch eine Bohrung in einer Düsenplatte eingebracht, so entsteht, wie Untersuchungen zeigten, eine Blase, wobei in der Folge rund um die Bohrung eine Erweiterung des Blasenhaftungsbereiches eintritt. Der Zeitpunkt der Ablösung und die dabei in der Praxis gebildete Größe der Blase an der Düsenplatte unterliegen keiner strengen und engen Gesetzmäßigkeit, so dass derart gebildeter Metallschaum mit Blasen, welche verschiedendste Durchmesser aufweisen, gebildet ist. Sind in der Düsenplatte beispielsweise zwei oder mehrere Bohrungen für einen Gaseintritt in das flüssige Metall vorgesehen, kann die Erweiterung des jeweiligen Blasenhaftungsbereiches an der Plattenoberfläche so weit fortschreiten, dass die Einzelblasen sich unter Bildung einer übergroßen Blase vereinigen, was einer gewünschten Schaumbildung entgegengerichtet ist. Wie eingangs angeführt, wurde schon versucht, eine gezielte Gasblasenablösung von der Düse oder eine Zerteilung großer Gasblasen durch eine Relativbewegung der Gaseintrittsöffnung im Metall oder durch Verwirbelung zu erreichen, was jedoch nicht in ausreichendem Maße eine gewünschte Wirkung erbrachte.Is in a foamable metal according to the prior art gas through a Bore introduced into a nozzle plate, then arises, as studies have shown a bubble, whereby in the sequence around the bore an extension of the Bladder adhesion area occurs. The time of the replacement and thereby in the Practice formed size of the bubble on the nozzle plate are not subject to strict and tight law, so that thus formed metal foam with bubbles, which have different diameter is formed. Are in the nozzle plate for example, two or more holes for a gas inlet into the liquid metal provided, the extension of the respective bladder adhesion area at the Plate surface progress so far that the individual bubbles to form a Oversize bubble, giving a desired foaming is opposite. As mentioned at the beginning, has already been tried, a targeted Gas bubble separation from the nozzle or a division of large gas bubbles by a Relative movement of the gas inlet opening in the metal or by swirling too achieve, but not sufficiently, a desired effect rendered.

Durch die erfindungsgemäße geometrische Gestaltung des Gaseintragsrohres können erstmals gewünschte und stabile Gasblasenablösekriterien in der Schmelze geschaffen werden, welche im Wesentlichen gleich hohes Einzelblasenvolumen und demgemäß gebildeten Metallschaum ergeben.By the inventive geometric design of the gas inlet tube can created the first desired and stable gas bubble removal criteria in the melt which have substantially the same single bubble volume and accordingly resulting formed metal foam.

Die Ausbildung der Vorrichtung kann mit Vorteil so getroffen werden, dass die Austrittsöffnung des Gaseintragsrohres in einem Ausmaß von mindestens dem 5-fachen, vorzugsweise von mindestens dem 10-fachen, des Wertes der größten Innenabmessung der Austrittsöffnung in die Schmelze einragend ausgebildet ist. Damit sind besonders wirkungsvoll stabile Abreißkriterien der Blasen in der Schmelze erreichbar.The formation of the device can be made with advantage so that the Outlet opening of the gas introduction tube to an extent of at least the 5 times, preferably at least 10 times, the value of the largest Inner dimension of the outlet opening is formed protruding into the melt. In order to are particularly effective stable tear-off criteria of the bubbles in the melt reachable.

Wenn in günstiger Weise das Gaseintragsrohr eine kreisrunde Gasaustrittsöffnung und eine Rohrstirnkante oder kreisringförmige Rohrstirnfläche besitzt, sind besonders wirtschaftlich Rohrstirnausbildungen zur Steuerung der Gasblasengröße erstellbar.If, in a favorable manner, the gas inlet tube a circular gas outlet opening and has a pipe end edge or annular pipe face, are special Economical pipe end formations for controlling the gas bubble size can be created.

Um eine große Stabilität bei einer geringen Stirnfläche des Gaseintragsrohres und auch eine hohe Haltbarkeit der Vorrichtung im Schäumbetrieb zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn das in die Schmelze einragende Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des Gasaustrittsendes eine kugelsegment-, kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur aufweist. Dabei ist von Vorteil, die Außenkontur des Gaseintragsrohres so auszuführen, dass der Winkel, den die Erzeugende der Stumpfoberfläche mit der Achse des Gaseintrittskanales einschließt, einen Wert von kleiner als 60°, vorzugsweise von kleiner als 45°, aufweist.To a great stability with a small end face of the gas supply pipe and also To achieve a high durability of the device in the foaming operation, it can be advantageous if the projecting into the melt gas inlet tube at least in Area of the gas outlet end a kugelsegment-, truncated cone or having truncated pyramidal outer contour. It is advantageous, the outer contour the gas introduction tube so that the angle that the generator of the Stump surface with the axis of the gas inlet channel includes a value of less than 60 °, preferably less than 45 °.

Anlagentechnisch, aber auch im Hinblick auf die Leistung der Anlage und die Produktgüte kann es weiters einen wesentlichen Vorteil erbringen, wenn mindestens 2, vorzugsweise mehr als 2 Gaseintragsrohre, insbesondere mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand, der vorzugsweise einen Wert von größer als dem 10-fachen des Einrageausmaßes der Austrittsöffnung bzw. des Gaseintragsrohres in die Schmelze aufweist, in einem austauschbaren Düsenstock im Schmelzengefäß von Metallschaumanlagen angeordnet sind. Derart ist eine Bereitstellung einer großen hochwertigen Schaummenge in kurzen Zeitspannen möglich, was gegebenenfalls bei einer vormaterialintensiven Weiterverarbeitung, insbesondere von Großteilen, gewünscht wird.Plant technology, but also with regard to the performance of the plant and the Product quality can also provide a substantial advantage if at least 2, preferably more than 2 gas inlet tubes, in particular each with the same mutual distance, preferably a value of greater than 10 times the Einrageausmaßes the outlet opening and the gas inlet tube in the Melting, in a replaceable nozzle in the melting vessel of Metal foam systems are arranged. Such is a provision of a large one high-quality foam in short periods possible, which may be added a pre-material intensive processing, especially of large parts, it is asked for.

Wenngleich mit einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art vorzügliche Ergebnisse im Einzelversuch und im Kleinserienbetrieb betreffend eine Gleichmäßigkeit der Gasblasenvolumina erhalten werden, so wurde nun bei Versuchen zur Machbarkeit der Bereitstellung von Metallschaum für eine Großserienproduktion von Bauteilen und Verbundteilen für die Fahrzeugindustrie festgestellt, das während eines dauerhaften Betriebes die Geometrie der Vorrichtung durch Schmelzenangriff bzw. Reaktion der Vorrichtung mit einer Schmelze verändert werden kann, wodurch eine Sicherstellung stabiler Gasblasenablösekriterien im Dauerbetrieb nicht mehr gegeben erscheint.Although with a device of the type mentioned above excellent results in the individual test and in the small series operation concerning a uniformity of the Gas bubble volumes are obtained, so was now in the feasibility of the Provision of metal foam for mass production of components and parts Composite parts for the vehicle industry found that during a permanent Operate the geometry of the device by melting attack or reaction of Device with a melt can be changed, thereby ensuring stable Gasblasenablösekriterien in continuous operation no longer exists.

Dadurch begründet zielt die Erfindung auf eine weitere Ausgestaltung ab, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können.As a result, the invention aims at a further embodiment, with which also in continuous operation over long periods stable Gasblasenablösekriterien Foaming a molten metal can be achieved.

Die Aufgabe, eine Ausgestaltung der Vorrichtung zu schaffen, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können, wird dadurch gelöst, dass das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.The object to provide an embodiment of the device with which also in the Continuous operation over long periods of stable gas bubble removal criteria Foaming a molten metal can be achieved is achieved by that the gas inlet tube at least in the region of the protruding end of a ceramic consists.

Die so erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Vorrichtung die Geometrie derselben auch bei langanhaltendem Kontakt mit einer zumindest mehrere hundert Grad Celsius heißen Metallschmelze im Wesentlichen unverändert bleibt, weshalb auch bei oftmaliger Verwendung der Vorrichtung über lange Zeitspannen beim Aufschäumen von Metallschmelzen stabile Gasblasenablösekriterien erzielt werden können. Die hohe Formstabilität und lange Verwendungsdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Schmelzenkontakt ermöglicht es nunmehr, Metallschäume gleichbleibend hoher Qualität im Dauerbetrieb ohne Reparatur bzw. Austausch einer Vorrichtung bereitzustellen. Dabei nützt die Erfindung die Erkenntnis aus, dass die aus Keramik gebildeten Teile der Vorrichtung, gegebenenfalls die gesamte Vorrichtung, bei Vergleich mit bisher verwendeten stahlgefertigten Einrichtungen mit Metallschmelzen signifikant langsamer reagieren und dabei gleichzeitig bei gleicher Geometrie ebenfalls die Ausbildung eines hydrophoben Systems bezüglich einer Gasblasenausbildung beim Eintrag von Gas in die Schmelze ermöglichen.The advantages thus achieved are to be seen in particular in that inventive design of the device, the geometry of the same also at long-lasting contact with a hot at least several hundred degrees Celsius Metal melt remains essentially unchanged, which is why even with frequent Use of the device for long periods when foaming Metal melts stable Gasblasenablösekriterien can be achieved. The height Dimensional stability and long service life of the device according to the invention Melt contact makes it possible now, metal foams consistently high Quality in continuous operation without repair or replacement of a device provide. The invention makes use of the knowledge that the ceramic formed parts of the device, optionally the entire device at Comparison with previously used steel-fabricated equipment with molten metal react significantly slower and at the same time with the same geometry the formation of a hydrophobic system with respect to a gas bubble formation in Allow entry of gas into the melt.

Eine besonders hohe Reaktionsträgheit und damit vorzügliche Gebrauchseigenschaften werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, wenn die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.A particularly high inertia and thus excellent Performance characteristics are achieved in a device according to the invention, if the ceramic is an oxide ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic.

Die weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem hochwertiger Metallschaum durch Einblasen von Gas in ein schäumbares Metall erstellbar ist, wird dadurch gelöst, dass eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und durch eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden.The further object of the invention is a method of the type mentioned specify with which high quality metal foam by blowing gas into it foamable metal can be created is achieved by a uniformity of the Diameter or the size of the individual bubbles and the size of the Gas bubbles through a geometric nozzle design and by adjusting the Influence parameters of the gas are controlled in the molten metal.

Die Vorteile des so erzielten Metallschaumes sind insbesondere darin zu sehen, dass im Wesentlichen gleich große Blasen die Stützkriterien der metallischen Begrenzungen bei mechanischer Belastung im Hinblick auf ein niedriges spezifisches Gewicht des Schaumkörpers und ein gewünschtes Materialverhalten wesentlich verbessern.The advantages of the metal foam thus obtained are to be seen in particular in that essentially equal bubbles the support criteria of the metallic boundaries under mechanical stress in view of a low specific gravity of the Foam body and a desired material behavior significantly improve.

Wenn Metallschaum-Körper verwendungsorientiert mit verschiedenen Durchmessern der jeweils gleich großen Blasen gefordert werden, kann erfindungsgemäß auf einfache Weise die Gleichmäßigkeit der Größe der Einzelblasen mittels des Einragens des Gaseintragsrohres in die Schmelze erreicht und die Größe der Einzelblasen durch die Größe des Gasaustrittsquerschnittes, die Größe der Eintragsrohrstirnfläche und die Höhe des Gasdruckes gesteuert werden. Besitzen nämlich Metallschaumkörper jeweils gleichvolumige, jedoch unterschiedlich große Gasblasen, so ist auch deren Materialverhalten bei Verformung unterschiedlich, wodurch für bestimmte Anwendungszwecke ein dafür bestens geeigneter Gegenstand erstellt werden kann.When metal foam body use oriented with different diameters are each required the same size bubbles, according to the invention to simple Make the uniformity of the size of the individual bubbles by means of the deposition of the Gas inlet tube reaches the melt and the size of the individual bubbles through the Size of the gas outlet cross-section, the size of the entry tube end face and the Height of the gas pressure can be controlled. Own metal foam body respectively equal-volume, but different sized gas bubbles, so is their Material behavior in deformation different, causing certain Applications can be created for a perfectly suitable item.

Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass die Gleichmäßigkeit der Gasblasengröße weiter gesteigert werden kann, wenn das Gas mit einem um einen Mittelwert schwingenden bzw. wechselnden Druck und/oder durch oszillierend bewegte Düsen in die Schmelze eingetragen wird.Extensive experiments have shown that the uniformity of the gas bubble size can be further increased if the gas with an average value oscillating or changing pressure and / or by oscillating moving nozzles in the melt is introduced.

Verfahrenstechnisch, aber auch im Hinblick auf eine hohe Produktgüte kann weiter von Vorteil sein, wenn das Gas mit einem Druck von 0,3 bis 12 bar, vorzugweise 0,7 bis 5 bar, in das schäumende Metall eingeblasen wird.Process engineering, but also with regard to a high product quality can continue from Be advantageous if the gas at a pressure of 0.3 to 12 bar, preferably 0.7 to 5 bar, is blown into the foaming metal.

Besonders leichtes bzw. geringes Raumgewicht aufweisende Metallschaumkörper können erstellt werden, wenn die metallische Schmelze aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erstellt wird. Damit kann auch ein vielseitig gefordertes Werkstoffverhalten bei niedriger Masse des Teiles erreicht werden.Particularly lightweight or low density having metal foam body can be created when the metallic melt of light metal, preferably made of aluminum or an aluminum alloy. This can also be a achieved versatile material behavior at low mass of the part become.

Die Schäumbarkeit des Metalles, aber auch die Ausbildung der Schaummatrix bzw. der Schaumwand können wesentlich verbessert werden, wenn zur Erstellung der schäumbaren Metallschmelze SiC-Partikel und/oder Al2O3-Partikel, sowie weitere nichtmetallische Partikel und/oder Partikel aus intermetallischen Phasen eingesetzt werden. Dabei ist es im Hinblick auf die Stabilität und Festigkeit, insbesondere Knickfestigkeit der Schaumwände günstig, wenn Partikel zur Stabilisierung des Metallschaumes mit einer Größe von 1 bis 50 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm, verwendet und gleichmäßig in die Schaummatrix verteilt werden, wobei vorzügliche Ergebnisse erreicht werden können, wenn im Basismetall eine schäumbare Metallschmelze mit einem Volumsanteil an Partikeln von 2 bis 50 Vol.-%, insbesondere von 18 bis 28 Vol.-% erstellt wird.The foamability of the metal, but also the formation of the foam matrix or the foam wall can be substantially improved if SiC particles and / or Al 2 O 3 particles and other non-metallic particles and / or particles of intermetallic phases are used to prepare the foamable molten metal be used. It is favorable in terms of stability and strength, in particular buckling strength of the foam walls when particles for stabilizing the metal foam with a size of 1 to 50 microns, preferably 3 to 20 microns, used and evenly distributed in the foam matrix, with excellent results can be achieved if in the base metal, a foamable molten metal with a volume fraction of particles of 2 to 50 vol .-%, in particular from 18 to 28 vol .-% is created.

Bei einem Durchführen eines kontinuierlichen Aufschäumen nach dem vorgenannten Verfahren wurde gefunden, dass es insbesondere bei geringen Partikelgehalten der Schmelzen in einem geringen Maße zu einem Aufplatzen von über der Schmelzenoberfläche befindlichen, partikel- und metallbehafteten Blasen kommen kann. Dadurch können sich im fließfähigen Metallschaum Blasen vereinigen, so dass ein erstarrter Metallschaum größere aus zwei oder mehr Einzelblasen gebildete Poren aufweisen kann, welche Poren Ausgangspunkte für ein Materialversagen bei mechanischer Beanspruchung, insbesondere bei einer hohen punktuellen Druckbeanspruchung, sein können.When performing a continuous foaming after the above It has been found that, especially at low particle contents, the Melting to a small extent to bursting above the Melt surface located, come particulate and metal-bearing bubbles can. As a result, bubbles can combine in the flowable metal foam, so that a solidified metal foam larger pores formed from two or more individual bubbles which pores are starting points for material failure mechanical stress, especially at a high punctual Compressive stress, can be.

Das Ziel der Erfindung, das Verfahren derart weiterzubilden, dass ein teilweises Aufplatzen von Blasen weitestgehend verhindert wird, wird dadurch erreicht, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S = - 11,5 + 144,6 x P-0,55 wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.The aim of the invention to improve the method such that a partial bursting of bubbles is largely prevented, is achieved by the gas at least at a distance S (in millimeters) according to S = - 11.5 + 144.6 x P -0.55 where P is the numerical value of the particle content of the melt in vol .-%, is injected below the melt surface.

Die durch die erfindungsgemäße Weiterbildung erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Steighöhe die in die aufzuschäumende Metallschmelze eingebrachten Gasblasen beim Aufsteigen an die Schmelzenoberfläche einen Mindestweg in der partikelhältigen Schmelze zurücklegen müssen, auf welchem Weg an den Oberflächen der Gasblasen jeweils genügend Partikel angesammelt werden können, um die Blasen, sobald sie die Schmelzenoberfläche durchquert haben, gegen ein Aufplatzen zu stabilisieren. Insbesondere können dadurch auch aufschäumbare Metallschmelzen mit niedrigem Partikelgehalt, beispielsweise von zwei Volumsprozent, nunmehr auf einfache Weise in stabile Metallschäume hoher Güte zu überführt werden, indem gemäß der Erfindung eine entsprechend große Steighöhe vorgesehen wird.The advantages achieved by the development of the invention are, above all, that by providing a riser height according to the invention in the aufzuschäumende molten metal introduced gas bubbles when ascending the Melt surface a minimum path in the particle-containing melt cover must be enough, by whatever route on the surfaces of the gas bubbles Particles can be accumulated to the bubbles as soon as they reach the Have crossed melt surface, to stabilize against bursting. In particular, this also foamable metal melts with low Particle content, for example, of two volume percent, now in a simple way in stable high-quality metal foams are transferred by according to the invention a correspondingly high rise height is provided.

Wenn, wie weiters gefunden wurde, ein sauerstoffhältiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird, können in überraschender Weise die vorteilhaften Wirkungen einer auf den Partikelgehalt der Schmelze abgestimmten Gasblasen-Mindeststeighöhe erhöht werden, weil an der Oberfläche der partikel- und metallbehafteten Gasblase gleichzeitig eine verstärkend wirkende Oxidschicht ausgebildet wird. If, as has been found, an oxygen-containing gas, preferably air, In particular, substantially pure oxygen is injected, in Surprisingly, the beneficial effects of a on the particle content of Melt tuned gas bubbles minimum height to be increased because at the Surface of the particle and metal-laden gas bubble at the same time a reinforcing acting oxide layer is formed.

Zur Bereitstellung von Vormaterial zur Fertigung von Metallschaumgegenständen mit gewünschtem Materialverhalten zielt die Erfindung auch darauf ab, einen fließfähigen Metallschaum mit Gasblasen, welche durch Wände aus einer flüssigen Metallmatrix mit festen Verstärkungspartikeln begrenzt ist, zu schaffen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser der größten Gasblasen gebrochen durch denjenigen der kleinsten Gasblasen einen Wert von kleiner als 2,5 ergibt. Ein derartig fließfähiger Metallschaum kann bei Anwendung unterschiedlicher Mittel mit hoher Genauigkeit zu Teilen geformt und erstarren gelassen werden, wobei je nach Einzelblasengröße und Verhältniswert eine bestimmte Dichte des Teiles und dessen Stauchverhalten bei Druckspannungsbeaufschlagung erzielbar sind. Schaumteile mit einer Dichte von jeweils 0,09 bis 0,11 erfahren beispielsweise bei nur geringfügig ansteigenden Druckspannungen von 0,25 bis 0,8 MPa Stauchgrade bis 70 %.For the provision of starting material for the production of metal foam articles with desired material behavior, the invention also aims to a flowable Metal foam with gas bubbles passing through walls of a liquid metal matrix solid reinforcing particles is limited. This goal is thereby achieved that the diameter of the largest gas bubbles broken by that the smallest gas bubbles gives a value of less than 2.5. Such a flowable Metal foam can be used with high accuracy when using different means Parts are shaped and allowed to solidify, depending on individual bubble size and Ratio of a specific density of the part and its compression behavior at Druckspannungsbeaufschlagung be achieved. Foam parts with a density of each 0.09 to 0.11 experience, for example, only slightly increasing Compressive stresses of 0.25 to 0.8 MPa compression ratios up to 70%.

Ein Metallschaumkörper, welcher sowohl hoher flächiger als auch hoher punktueller mechanischer Belastung standhält, wird dadurch erreicht, dass bei einem Metallschaum der eingangs genannten Art die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stabilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit einem Oxid überzogen sind.A metal foam body, which is both high-area and high punctiform mechanical stress withstand, is achieved by that at a Metal foam of the type mentioned the pores substantially spherical and / or ellipsoidal closed, with the largest each Diameter of the pores are distributed monomodally and the pores are essentially made out individual stabilized bubbles are formed and that the wall inner surfaces at least partially coated with an oxide.

Ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper weist bei einer hinsichtlich der Isotropie mechanischer Eigenschaften günstigen monomodalen Größenverteilung von räumlich gleichmäßig verteilten Poren zusätzlich eine oxidverstärkte Porenwandstruktur auf, wodurch eine erhöhte Belastbarkeit im Gebrauch erzielt bzw. eine Verwendungsdauer von Bauteilen mit einer Metallschaumeinheit gesteigert werden kann. Aufgrund einer Ausbildung der Poren dergestalt, dass die Poren im Wesentlichen einzelnen, stabilisierten Blasen eines fließfähigen Metallschaumes entsprechen, eignet sich ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper zum Gebrauch in Bauteilen nicht nur bei hoher flächiger Belastung, sondern auch vorzüglich bei hoher punktförmig auftretender Belastung. A metal foam body according to the invention exhibits an isotropic aspect mechanical properties favorable monomodal size distribution of spatial evenly distributed pores additionally an oxide-reinforced pore wall structure, whereby an increased load capacity achieved in use or a period of use of components with a metal foam unit can be increased. Because of a Formation of the pores such that the pores are substantially single, stabilized bubbles correspond to a flowable metal foam, is suitable Inventive metal foam body for use in components not only at high planar load, but also excellent at high punctiform occurring Burden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich jeweils einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.In the following, the invention will be described with reference to only one embodiment illustrative drawings explained in more detail.

Es zeigt:

  • Fig. 1 ein Gaseintragsrohr
  • Fig. 2 ein Gaseintragsrohr mit kegelstumpfförmiger Außenkontur
  • Fig. 3 einen Düsenstock mit mehreren Gaseintragsrohren
  • It shows:
  • Fig. 1 is a gas inlet tube
  • Fig. 2 is a gas inlet tube with frusto-conical outer contour
  • Fig. 3 shows a nozzle with several gas inlet tubes
  • In Fig. 1 ist ein Gaseintragsrohr 1 dargestellt, welches mit einem Ausmaß E in eine Schmelze einragt. Das Gaseintragsrohr 1 weist zwischen innerer Oberfläche 4 und äußerer Oberfläche 5 eine gleichbleibende Wandstärke mit einer Rohrstirnfläche 3, die in die Schmelze S ragt, auf.In Fig. 1, a gas inlet tube 1 is shown, which with an extent E in a Melt protrudes. The gas inlet tube 1 has between inner surface 4 and outer surface 5 a constant wall thickness with a pipe end face 3, the into the melt S sticks up.

    Fig. 2 zeigt ein Gaseintragsrohr 1 mit einem Einragemaß E in eine Schmelze S, welches Rohr 1 im Austrittsbereich eine kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur 6 aufweist, die in der Verlängerung einen Winkel zur Achse 7 eines Gaseintrittskanales besitzt. Mit einer derartigen Ausführungsart eines Gaseintragsrohres 1 kann bei hoher Stabilität und Stärke des Basisteiles eine Rohrstirnfläche 3 mit geringstem Flächeninhalt bis zu einer Stirnkante hin gebildet werden.2 shows a gas introduction tube 1 with a Einragemaß E in a melt S, which tube 1 in the exit region a frustoconical or truncated pyramidal Outer contour 6, which in the extension at an angle to the axis 7 of a Gas inlet channel has. With such an embodiment of a Gas inlet tube 1 can with high stability and strength of the base part a Pipe end face 3 formed with the smallest surface area up to a front edge become.

    Aus Fig. 3 ist eine Ausführungsart mit einem Düsenstock 8, welcher in einer Wand 9 eines Schmelzengefäßes vorzugsweise lösbar angeordnet ist, entnehmbar. Im Düsenstock 8 sind drei in eine Schmelze S einragende Gaseintragsrohre 1, 1', 1" mit einem Abstand A1 und A2 zueinander angeordnet. Derartige leicht austauschbare Düsenstöcke 8 werden bevorzugt dann verwendet, wenn Metallschäume mit im Wesentlichen gleichem Einzelblasenvolumen, jedoch mit unterschiedlichen Blasengrößen herzustellen sind, weil dadurch die Bildungskriterien: Größe des Gasaustrittsquerschnittes und Größe der Gaseintragsrohr-Stirnfläche, kurzfristig änderbar sind. From Fig. 3 is an embodiment with a nozzle 8, which is preferably arranged detachably in a wall 9 of a melt vessel, removable. Three gas inlet tubes 1, 1 ', 1 "projecting into a melt S are arranged at a distance A 1 and A 2 from each other in the nozzle 8. Such easily exchangeable nozzle rods 8 are preferably used when metal foams having substantially the same single bubble volume but different Produce bubble sizes, because thereby the formation criteria: size of the gas outlet cross-section and size of the gas inlet tube end face, can be changed in the short term.

    Anhand der schematischen Zeichnungen sollen die Blasenbildungsmechanismen nochmals kurz dargelegt werden:Based on the schematic drawings, the bubble forming mechanisms again briefly stated:

    Erfolgt ein Einbringen von Gas in eine Schmelze S, so wird in dieser an der Austrittsöffnung 2 des Eintragloches 1 eine konvexe Einwölbung gebildet. Um diese sich vergrößernde Einwölbung hängt die Schmelze an der Umgebungsfläche der Gasaustrittsöffnung. Weil nun das Grenzflächensystem Schmelze/Wandung als hydrophobes System vorliegt, ist die Haftfestigkeit des Flüssigmetalles rund um die Gasaustrittsöffnung gering, was zu Ablöseerscheinungen und flächigem Auswandern der Gasblasenbegrenzung an der Wandung führt. Dadurch sind die Ablösebedingungen für die Gasblase weitgehend unbestimmt, was zu unterschiedlichsten Blasengrößen führen kann. Sollen mittels mehrerer benachbarter Austrittsöffnungen Blasen erstellt werden, so vereinigen sich diese in den meisten Fällen, wodurch eine gewünschte Schäumung verhindert wird oder eine ungleichmäßige Blasenstruktur des Metallschaumes gebildet wird.If an introduction of gas into a melt S, so in this at the Outlet opening 2 of the entry hole 1 a convex concavity formed. Around enlarging curvature hangs the melt on the surrounding surface of the Gas outlet. Because now the interface system melt / wall than hydrophobic system is the adhesion of the liquid metal around the Gas outlet opening low, resulting in separation phenomena and flat emigration the gas bubble boundary leads to the wall. Thereby are the Separation conditions for the gas bubble largely indefinite, leading to can lead to a variety of bubble sizes. Should by means of several adjacent Outlet bubbles are created so they unite in most Falls, whereby a desired foaming is prevented or a Uneven bubble structure of the metal foam is formed.

    Weist nun beispielsweise ein erfindungsgemäß vorragendes Gaseintragsrohr 1 einen Innendurchmesser D2 und einen Gasaustrittsquerschnitt 2 sowie einen Außendurchmesser D1 auf, so resultiert daraus das Maß der Rohrstirnfläche 3.Now, for example, has a gas inlet tube 1 projecting according to the invention a Inner diameter D2 and a gas outlet cross-section 2 and a Outside diameter D1, the result of the measure of the pipe end surface. 3

    Bei einen Gaseinbringen in die Schmelze kann die Gasblasenbegrenzung jedoch nur bis zur Außenkante der Rohrstirnfläche 3 auswandern, wodurch ein wesentlicher Einfluß auf die Ablösekriterien gegeben ist. Auch benachbarte Gaseintragsrohre 1, 1', 1", die in eine schäumbare Schmelze S einragen, bilden auf Grund der an den Außenkanten der Stirnflächen 3 rückspringenden Flächen definierte Ablösekriterien für Gasblasen aus, so dass eine Vereinigung und Entstehung großer Blasen weitgehend ausgeschlossen ist.When gas is introduced into the melt, however, the gas bubble limitation can only emigrate to the outer edge of the pipe end face 3, whereby an essential Influence on the separation criteria is given. Also adjacent gas inlet tubes 1, 1 ', 1 ", which protrude into a foamable melt S, form on the basis of the Outside edges of the end surfaces 3 recessed surfaces defined separation criteria for Gas bubbles out, allowing a union and formation of large bubbles largely is excluded.

    Im Weiteren wird eine Ausgestaltung der Erfindung mit Bezug zu Abbildungen beispielhaft noch näher erläutert. dabei zeigen:

  • Fig. 4: die Abhängigkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen Mindeststeighöhe vom Partikelgehalt der Schmelze.
  • Fig. 5: die Porengrößenverteilung eines erfindungsgemäßen Metallschaumkörpers.
  • In the following, an embodiment of the invention with reference to figures is explained in more detail by way of example. show:
  • 4: the dependence of the inventively provided Mindeststeighöhe the particle content of the melt.
  • 5 shows the pore size distribution of a metal foam body according to the invention.
  • In umfangreichen Versuchsreihen wurden verschiedene jeweils partikelhältige Aluminiumlegierungen, beispielsweise AlSi7Mg, eine auch als A 356 bekannte Aluminiumlegierung mit, neben Aluminium, im Wesentlichen 7 Gew.-% Silicium und 1 Gew.-% Magnesium, oder beispielsweise AA 6061 (Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung gemäß Normung Aluminium Association Nummer 6061), in einem Schmelztiegel aufgeschmolzen, wobei eine Einstellung des Partikelgehaltes in der Schmelze gegebenenfalls durch Beimengen einer in der chemischen Zusammensetzung entsprechenden, paritikelfreien Legierung erfolgte. Anschließend wurde in die partikelhältigen Schmelzen Gas eingetragen. Der Eintrag erfolgte in allen Versuchen jeweils über einen einzelnen Düsenkörper mit einer Austrittsöffnung, wobei Düsenkörper aus Chrom-Nickel-Stahl und aus Keramik zum Einsatz kamen.In extensive series of experiments different particle-containing Aluminum alloys, for example AlSi7Mg, also known as A 356 Aluminum alloy with, in addition to aluminum, essentially 7 wt .-% silicon and 1 Wt .-% magnesium, or for example AA 6061 (aluminum alloy with a Composition according to standard Aluminum Association number 6061), in one Melting crucible melted, with an adjustment of the particle content in the Melting optionally by mixing one in the chemical Composition corresponding paritikelfreien alloy took place. Subsequently Gas was introduced into the particle-containing melts. The entry was made in all Try each of a single nozzle body with an outlet opening, wherein Nozzle bodies made of chrome-nickel steel and ceramic were used.

    In einer ersten Versuchsreihe wurde die Haltbarkeit verschiedener Düsenkörper untersucht. Bei Durchführung von jeweils fünf Aufschäumversuchen über Zeiträume von 20 Sekunden bis zu 45 Minuten mit Chrom-Nickel-Stahldüsen einerseits und mit Aluminiumoxiddüsen andererseits konnte bei den Stahldüsen, die länger als ca. 2 Minuten in Gebrauch waren, optisch eine Veränderung der Form der Gasaustrittsöffnung durch Schmelzenangriff festgestellt werden. In dementsprechender Übereinstimmung wies der zu Beginn und am Ende des Aufschäumverfahrens erstellte und von der Schmelzenoberfläche abgenommene Metallschaum verschiedene Porendurchmesser auf. Im Gegensatz dazu waren bei den aus Aluminiumoxid bestehenden Düsenkörper selbst bei einem kontinuierlichen Einsatz über 45 Minuten keiner derartigen Veränderungen der Geometrie sichtbar. Demgemäß konnte über den gesamten Versuchszeitraum Metallschaum mit gleichwertigen Poreneigenschaften erstellt werden. Auch andere keramische Materialien, wie SiO2 oder SiO2/Al2O3, können mit Vorteil gegenüber Stählen verwendet werden; höchste Gebrauchsdauer wird vergleichsweise aber mit Düsenkörpern aus Al2O3 erzielt.In a first series of experiments, the durability of various nozzle bodies was investigated. When performing five Aufschäumversuchen over periods of 20 seconds up to 45 minutes with chromium-nickel steel nozzles on the one hand and with aluminum oxide nozzles on the other hand, the steel nozzle, which were more than about 2 minutes in use, visually changed the shape of the gas outlet opening Melting attack can be determined. Correspondingly, the metal foam created at the beginning and at the end of the foaming process and removed from the melt surface had different pore diameters. In contrast, with the alumina nozzle bodies, even such continuous changes over 45 minutes did not reveal any such geometry changes. Accordingly, metal foam with equivalent pore properties could be produced throughout the experimental period. Other ceramic materials, such as SiO 2 or SiO 2 / Al 2 O 3 , can be used with advantage over steels; maximum service life is achieved comparatively but with nozzle bodies made of Al 2 O 3 .

    In einer zweiten Versuchsreihe wurde mit Düsenkörpern aus Aluminiumoxid bei fixiertem Partikelgehalt P der Schmelze die Steighöhe S des eingebrachten Gasses variiert und die Qualität der bei verschiedenen Gaseinbringtiefen gebildeten Metallschäume untersucht. Dabei zeigte sich mit Bezug auf Fig. 4 folgendes Verhalten: Bei geringem Partikelgehalt P der Schmelze, beispielsweise 2 Vol.-%, kann bei einer niedrigen Steighöhe S Metallschaum gebildet werden, in dem, bei querschnittlicher Betrachtung, Poren vorhanden sind, die aus zumindest zwei Blasen gebildet sind. Solche Poren sind einfach daran erkennbar, dass sie ellipsoid-länglich mit einem hohen Verhältnis der längeren zur kürzeren Achse ausgebildet sind. Ein derartiges Verhalten ist bei den untersuchten Partikelgehalten im Steighöhenbereich A der Fig. 4 anzutreffen. Sobald jedoch die Steighöhe S bei einem gegebenen Partikelgehalt P nicht mehr im Bereich A der Fig. 4 zu liegen kommt, sondern derart erhöht wird, sodass sie in Bereich B fällt, kann ein Metallschaum erstellt werden, bei dem die Blasen auf Grund des erhöhten Steigweges genügend Paritkel an der Oberfläche aufsammeln können, um gegenüber einem Aufplatzen im flüssigen Metallschaum stabilisiert zu werden. Die experimentell ermittelten notwendigen Steighöhen zur im Wesentlichen vollständigen Blasenstabilisierung sind in Fig. 4 für verschiendene Partikelgehalte in der Form von Dreiecken eingetragen. Die den Bereich A und Bereich B trennende Linie stellt eine an die Experimentaldaten angepasste Ausgleichskurve der allgemeinen Form Y = a + Xb dar.In a second series of experiments, the height of rise S of the introduced gas was varied with nozzle bodies made of alumina at a fixed particle content P of the melt, and the quality of the metal foams formed at different gas injection depths was investigated. The following behavior was shown with reference to FIG. 4: With a low particle content P of the melt, for example 2% by volume, metal foam can be formed at a low rise height S, in which, in the case of a cross-sectional view, pores are present which consist of at least two bubbles are formed. Such pores are easily recognizable by being ellipsoidally elongate with a high ratio of the longer to the shorter axis. Such a behavior can be found in the examined particle contents in the riser height region A of FIG. 4. However, as soon as the rise height S at a given particle content P no longer comes to lie in the region A of FIG. 4, but is increased such that it falls in region B, a metal foam can be created in which the bubbles due to the increased climbing path enough parcels on the surface can be collected to be stabilized against bursting in the liquid metal foam. The experimentally determined necessary heights for substantially complete bubble stabilization are plotted in FIG. 4 for various particle contents in the form of triangles. The line separating region A and region B represents a compensation curve of the general form adapted to the experimental data Y = a + X b represents.

    Bei Einhaltung der Mindeststeighöhe wurden beim Metallschaum im Querschnitt zu mehr als 95 %, teilweise zu mehr als 99 %, Poren festgestellt, die zu einzelnen Gasblasen korrespondierten. Fig. 2 zeigt die Porengrößenverteilung eines Metallschaumes, der unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Aufschäumbedingungen erstellt wurde. Wie anhand des Histogrammes in Fig. 5 ersichtlich, ist bei einer monomodalen Verteilung der Porengrößen bei einem mittleren Wert von 4 mm der Anteil von Poren mit ca. 6 mm anteilsmäßig nur geringfügig höher als jener mit 2 mm, das heißt, die Porengrößen sind zu beiden Seiten eines Mittelwertes in annähernd gleichem Ausmaß bzw. der gleichen Häufigkeit verteilt.In compliance with the minimum height of height were in the metal foam in cross section to more than 95%, sometimes more than 99%, pores found to be individual Gas bubbles corresponded. Fig. 2 shows the pore size distribution of a Metal foam, in compliance with the Aufschäumbedingungen invention was created. As can be seen by the histogram in Fig. 5, is at a monomodal distribution of pore sizes at a mean value of 4 mm Proportion of pores of about 6 mm proportionately only slightly higher than that of 2 mm, that is, the pore sizes are approximate to both sides of an average distributed to the same extent or the same frequency.

    In einer dritten Versuchsreihe wurden die Auswirkungen des eingeblasenen Gases auf die Materialzusammensetzung und die Materialeigenschaften studiert. Dabei hat sich im Rahmen sekundärelektronischmikroskopischer (SEM) Untersuchungen unerwartet gezeigt, dass bei Verwendung von sauerstoffhältigen Gasen, wie kostengünstiger Luft, an den Porenoberflächen in Teilbereichen eine zusätzliche Schicht aus einem Oxid ausgebildet ist. Die Oxidschicht wirkt auf den Metallschaum verstärkend, wie eine 5 bis 7 %-ige Erhöhung der zur Kompression von erfindungsgemäßen Metallschaumkörpern auf halbes Volumen notwendige Verformungsenergie zeigte. Eine weiter erhöhte Steigerung derselben Verformungsenergie von insgesamt ca. 10 % wurde bei der Verwendung von reinen Sauerstoff als Aufschäumgas beobachtet. Solchenfalls sind, wie mittels SEM Aufnahmen gezeigt werden konnte, die Wandinnenoberflächen im Wesentlichen vollständig, d. h. zumindest zu 90 %, mit einer Oxidschicht überzogen.In a third series of experiments, the effects of the injected gas became apparent studied the material composition and the material properties. It has become in the context of secondary electron microscopic (SEM) investigations unexpectedly demonstrated that when using oxygen-containing gases, such as less expensive air, at the pore surfaces in subregions an additional layer of an oxide is trained. The oxide layer acts on the metal foam reinforcing, like a 5 to 7% increase in the compression of metal foam bodies according to the invention on half volume showed necessary deformation energy. A further increased Increase in the same deformation energy of about 10% was at the Use of pure oxygen observed as a foaming gas. In that case, as could be shown by means of SEM images, the wall inner surfaces in the Essentially complete, d. H. at least 90%, coated with an oxide layer.

    Claims (20)

    Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr (1) vorspringend in die Schmelze (S) einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt (2) mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche (3) von kleiner 4,0 mm2 besitzt.Device for introducing gas into a melt of foamable metal by means of at least one tube for the production of metal foam, characterized in that the gas inlet tube (1) projecting into the melt (S) protrudes and at the projecting end a gas outlet cross section (2) with an area of 0.006 to 0.2 mm 2 and a pipe end face (3) of less than 4.0 mm 2 has. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (2) des Gaseintragsrohres (1) in einem Ausmaß (E) von mindestens dem 5-fachen, vorzugsweise von mindestens dem 10-fachen, des Wertes der größten Innenabmessung (D2) der Austrittsöffnung (2) in die Schmelze einragend ausgebildet ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the outlet opening (2) of the gas introduction tube (1) to an extent (E) of at least 5 times, preferably at least 10 times, the value of the largest inner dimension (D2) of the outlet opening (2) is formed protruding into the melt. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr (1) eine kreisrunde Gasaustrittsöffnung (2) und eine Rohrstirnkante oder kreisringförmige Rohrstirnfläche (3) besitzt.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the gas inlet pipe (1) has a circular gas outlet opening (2) and a pipe end edge or annular pipe end face (3). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Schmelze (S) einragende Gaseintragsrohr (1) zumindest im Bereich des Gasaustrittsendes (2) eine kugelsegment-, kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur (6) aufweist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the melt (S) einragende gas introduction tube (1) at least in the region of the gas outlet end (2) has a spherical segment, truncated cone or truncated pyramid outer contour (6). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α), den die Erzeugende (61) der Stumpfoberfläche (6) mit der Achse (7) des Gaseintrittskanales einschließt, einen Wert von kleiner als 60°, vorzugsweise von kleiner als 45°, aufweist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the angle (α), which includes the generatrix (61) of the stump surface (6) with the axis (7) of the gas inlet channel, a value of less than 60 °, preferably from less than 45 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2, vorzugsweise mehr als 2 Gaseintragsrohre (1,1',1"), insbesondere mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand (A1, A2), der vorzugsweise einen Wert von größer als dem 10-fachen des Einrageausmaßes (E) der Austrittsöffnung in die Schmelze aufweist, in einem austauschbaren Düsenstock (8) im Schmelzengefäß (9) von Metallschaumanlagen angeordnet sind. A ≥ 10 x E Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least 2, preferably more than 2 Gaseintragsrohre (1,1 ', 1 "), in particular with the same mutual distance (A1, A2), which is preferably greater than having 10 times the Einrageausmaßes (E) of the outlet opening in the melt, are arranged in a replaceable nozzle (8) in the melt vessel (9) of metal foam plants. A ≥ 10 x E Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, wobei das Gaseintragsrohr vorspringend in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner 4,0 mm2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.Device for introducing gas into a melt of foamable metal by means of at least one tube for producing metal foam, wherein the gas inlet protrudes projecting into the melt and at the projecting end a gas outlet cross-section with an area of 0.006 to 0.2 mm 2 and a tube end face of smaller 4.0 mm 2 , characterized in that the gas inlet tube consists of a ceramic at least in the region of the projecting end. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.Apparatus according to claim 7, characterized in that the ceramic is an oxide ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic. Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden.A method for producing metal foam by injecting gas into a foamable molten metal, characterized in that a uniformity of the diameter or the size of the individual bubbles and the size of the gas bubbles are controlled by a geometric nozzle design and an adjustment of the Einströmparameter the gas into the molten metal , Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichmäßigkeit der Größe der Einzelblasen mittels des Einragens des Gaseintragsrohres in die Schmelze erreicht und die Größe der Einzelblasen durch die Größe des Gasaustrittsquerschnittes, die Größe der Eintragsrohrstirnfläche und die Höhe des Gasdruckes gesteuert werden. A method according to claim 9, characterized in that the uniformity of the size of the individual bubbles achieved by means of the deposition of the gas introduction tube into the melt and the size of the individual bubbles are controlled by the size of the gas outlet cross-section, the size of the entry tube end face and the height of the gas pressure. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem um einen Mittelwert schwingenden bzw. wechselnden Druck und/oder durch oszillierend bewegte Düsen in die Schmelze eingetragen wird.A method according to claim 9 or 10, characterized in that the gas is introduced with an oscillating by an average value or changing pressure and / or by oscillating moving nozzles in the melt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Druck von 0,3 - 12 bar, vorzugsweise mit 0,7 bis 5 bar, eingeblasen wird.Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that the gas at a pressure of 0.3 to 12 bar, preferably at 0.7 to 5 bar, is blown. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schmelze aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erstellt wird.Method according to one of claims 9 to 12, characterized in that the metallic melt of light metal, preferably made of aluminum or an aluminum alloy is created. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung der schäumbaren Metallschmelze SiC-Partikel und/oder Al2O3-Partikel sowie weitere nichtmetallische Partikel und/oder intermetallische Phase eingesetzt werden.Method according to one of claims 9 to 13, characterized in that for the preparation of the foamable molten metal SiC particles and / or Al 2 O 3 particles and other non-metallic particles and / or intermetallic phase are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel zur Stabilisierung des Metallschaumes mit einer Größe von 1 bis 50 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm, verwendet werden.Method according to one of claims 9 to 14, characterized in that particles for stabilizing the metal foam with a size of 1 to 50 microns, preferably 3 to 20 microns, are used. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die schäumbare Metallschmelze mit einem Volumsanteil an Partikeln von 2 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 18 bis 28 Vol.-%, erstellt wird.Method according to one of claims 9 to 15, characterized in that the foamable molten metal with a volume fraction of particles of 2 to 50 vol .-%, preferably 18 to 28 vol .-%, created. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, wobei eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S = -11,5 + 144,6 x P-0,55 wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.Method according to one of claims 9 to 16 for producing metal foam by blowing gas into a foamable molten metal, wherein a uniformity of the diameter or the size of the respective individual bubbles and the size of the gas bubbles are controlled, characterized in that the gas in at least one Distance S (in millimeters) according to S = -11.5 + 144.6 x P -0.55 where P is the numerical value of the particle content of the melt in vol .-%, is injected below the melt surface. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein sauerstoffhältiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird.Method according to one of claims 1 to 17, characterized in that an oxygen-containing gas, preferably air, in particular substantially pure oxygen, is blown. Fließfähiger Metallschaum mit Gasblasen, welche durch Wände aus einer flüssigen Metallmatrix mit festen Verstärkungspartikeln begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der größten Gasblasen gebrochen durch denjenigen der kleinsten Gasblasen einen Wert von kleiner als 2,5 ergibt.Flowable metal foam with gas bubbles, which are bounded by walls of a liquid metal matrix with solid reinforcing particles, characterized in that the diameter of the largest gas bubbles broken by that of the smallest gas bubbles results in a value of less than 2.5. Metallschaumkörper mit räumlich gleichmäßig verteilten, von einer festen Wand umschlossenen Poren, wobei die Wand aus einer metallischen Matrix und in dieser eingelagerten Partikeln besteht, dadurch gekennzeichent, dass die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stalbilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit einem Oxid überzogen sind.Metal foam body with spatially evenly distributed, enclosed by a solid wall pores, wherein the wall consists of a metallic matrix and embedded in these particles, characterized in that the pores are formed substantially spherical and / or ellipsoidal closed, wherein the respective largest diameter of Pores are monomodally distributed and the pores are formed essentially of individual stalized bubbles and that the inner wall surfaces are at least partially coated with an oxide.
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