EP1419835A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von fliessfähigem Metallschaum - Google Patents

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EP1419835A1
EP1419835A1 EP20030450197 EP03450197A EP1419835A1 EP 1419835 A1 EP1419835 A1 EP 1419835A1 EP 20030450197 EP20030450197 EP 20030450197 EP 03450197 A EP03450197 A EP 03450197A EP 1419835 A1 EP1419835 A1 EP 1419835A1
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cavities
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foam formation
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Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of flowable Metal foam with monomodal distribution of the dimension of the cavities in this. More specifically, the invention is concerned with the creation of Metal foams, each with substantially the same pore volume for a Use in moldings with a special property profile. Furthermore, the concerns Invention an apparatus for displaying a metal foam in the above Form of training, as well as a use of components, containing a largely homogeneous foam formation.
  • Metal foam especially light metal foam
  • the Shaped bodies with low weight are said to be precisely defined mechanical Stress high stability and / or overload under maximum energy absorption be deformable.
  • Austrian patent application 936/2001 discloses an apparatus and a method for introducing gas into a molten metal, in which a uniformity of the diameter of the individual bubbles and the Size of the gas bubbles are controlled.
  • metal foam have the common disadvantage that individual bubbles themselves usually only at a merge connect and often thickened Train gusset areas. Furthermore, if desired, a desired Filling speed of a mold to obtain a uniformly thick Surface layer of the body or a preferred metal flow in this can not be reached.
  • the known devices usually allow non-contiguous Produce metal foam bubbles of the same size such that in terms to a low specific weight with high mechanical characteristics of the part, the intermediate walls between the cavities designed thin and can perform beneficial support functions.
  • the invention aims to avoid these disadvantages and is committed to Aim to provide a method of the type mentioned, by means of which a flowable metal foam with monomodal dimensions of the cavities arises in a foamable melt at the gas inlet and on is formed.
  • the invention has the object, a generic Device for producing flowable foam for processing indicate the same.
  • the invention relates to a use of in the Melt formed foam.
  • the aforementioned object is in a method according to the invention Reached by at least two adjacent, similar dimensioned, protruding into a metallurgical vessel projecting Entry pipes are introduced into a foamable molten metal gas and in these are formed in the region of the projecting pipe ends in each case bubbles, wherein juxtaposition of areas of the bladder surfaces and under Forming of particle-containing partitions a coherent foam formation represented and further developed becomes.
  • the size of the individual bubbles or Cavities in the foam formation by the choice of the distance of the Entry pipes from each other and, as is known, through the geometric Training the projecting into the molten metal pipe ends according to the Austrian Patent Application 936/2001 is determined. You can favorable conditions for a similar formation of the bubbles and a desired formation speed of the formation can be created.
  • the foam formation into a mold or mold introduced and allowed to solidify in this to a dischargeable molding can be a dense, but extremely small thickness of the sub-surface layer be created with an immediately adjoining foam core.
  • An advantageous exactly limiting stability of a lightweight component can be achieved when introducing the foam formation into the mold or Mold after a, substantially thin-walled solidification of Molten metal takes place on the inner wall of the mold.
  • the aforementioned object of the invention is in a generic Device solved in that at least two in a foamable Melting protruding einragende entry pipes for gas side by side with are provided at a distance from each other.
  • the criteria for formation of foam formations can continue be improved if at least one more, evenly spaced, but to the connecting line of the first offset feed tube into the melt is provided protruding.
  • a flowable metal foam consisting of a A plurality of cavities formed by introducing gas in the range of several equally spaced into a foamable melt einragenden Ends of dimensionally equal entry tubes, wherein by a Juxtaposing parts of each growing surface of the Foam bubbles and thereby induced, the size-determining Closure of the same with a further reshaping of cavities a monomodal distribution of the dimension of the cavities in one Foam formation is created, usable.
  • a so-called blowing on a foam formation is schematic shown, wherein gas 5 from a pressure chamber under a nozzle 21st a metallurgical vessel 2 in a foamable melt 4 by Entry pipes 3 is blown, wherein in the area of the projecting Pipe ends 31 gas bubbles 6 are formed.
  • gas 5 from a pressure chamber under a nozzle 21st a metallurgical vessel 2 in a foamable melt 4 by Entry pipes 3 is blown, wherein in the area of the projecting Pipe ends 31 gas bubbles 6 are formed.
  • FIG. 2 From Fig. 2 is a gas bubble enlargement 6 in front of the pipe ends 31 in one foamable melt 4 in a metallurgical vessel 2 removable.
  • Newly formed bubbles 6 grow as shown in Figs. 1 and 2 up to a critical size at which again intermediate walls 7 formed and Ablettekriterien (Fig. 3, Fig. 3a) created substantially abruptly become, under formation of a cavity formation in a melt 4th
  • Such a homogeneous cavity or bubble formation 1 is shown in FIG. 5 shown schematically, this formation 1 depending on the number of Entry tubes 3 can be shaped grape-shaped or bulky, which for a further education and final shaping of bodies meaning.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, sowie auf eine Vorrichtung zur Bereitstellung desselben. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass aus mindestens zwei benachbarten, gleichartig dimensoinierten, in ein metallurgisches Gefäß (2) vorspringend einragenden Eintragsrohren (3,3',3",3"') in eine schäumbare Metallschmelze (4) Gas (5) eingebracht und in dieser im Bereich der einragenden Rohrenden (31) jeweils Blasen (6) gebildet werden, wobei unter Aneinanderlegen von Bereichen der Blasenoberflächen (61) und unter Ausformung von Partikel enthaltenden Zwischenwänden (7) eine zusammenhängende Schaumformation (1) dargestellt und diese weitergebildet wird. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei in eine schäumbare Schmelze (4) vorspringend einragende Eintragsrohre (3) für Gas (5) nebeneinander mit einem Abstand (A) voneinander. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit monomodaler Verteilung der Abmessung der Hohlräume in diesem. Genauer dargelegt befasst sich die Erfindung mit der Erstellung von Metallschäumen mit jeweils im Wesentlichen gleichen Porenvolumen für einen Einsatz in Formkörpern mit besonderem Eigenschaftsprofil. Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Darstellung eines Metallschaumes in obiger Ausbildungsform, sowie eine Verwendung von Bauteilen, enthaltend eine weitgehend homogene Schaumformation.
Metallschaum, insbesondere Leichtmetallschaum, findet in zunehmendem Maße Verwendung in Formkörpern mit einem besonderen Eigenschaftsspektrum, wobei den unterschiedlichen Anforderungen mit hoher Sicherheit entsprochen werden muss. Mit anderen Worten gesagt: Die Formkörper mit geringem Gewicht sollen bei genau festgelegter mechanischer Beanspruchung hohe Standfestigkeit aufweisen und/oder bei Überlast unter maximaler Energieabsorption deformierbar sein.
Es ist bekannt, Gegenstände aus Metallschaum zu fertigen. Beispielsweise wird in der WO 01/62416 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumkörpers beschrieben, nach welchem eine Kokille mit Schaum durch Sammlung von einzelnen in der Schmelze aufsteigenden Blasen gefüllt wird. Dieses Verfahren, bei welchem die Gasblasen zumeist mittels eines sogenannten "rotor impellers" eingebracht und vereinzelt werden, hat jedoch die Nachteile, dass einerseits eine langsame Kokillenfüllung erfolgt und daher bei einer gekühlten Kokillenwand der zuletzt gebildete Körperteil eine oft nachteilig dicke Wandschicht aufweist und andererseits die Blasengröße unkontrolliert unterschiedlich ausgebildet ist, wodurch oft die mechanischen Kennwerte eines derart geschaffenen Teiles oder Körpers eine große, meist ungünstige Streubreite aufweisen.
Aus der EP 0666784 B1 ist ein weiteres Verfahren bekannt geworden, bei welchem ein Formgießen des stabilisierten, flüssigen Schaummetalles durch Pressen des stabilisiterten Schaumes in eine Form mit einem Druck erfolgt. Allerdings können damit die Zellen des gebildeten Schaumes nicht auf eine einheitliche Größe gebracht werden.
Die österreichische Patentanmeldung 936/2001 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von Gas in eine Metallschmelze, bei welchem eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen gesteuert werden.
Eine monomodale Verteilung der Abmessung der Hohlräume eines Formkörpers aus Metallschaum, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben, geht aus der österreichischen Patentanmeldung 935/2001 hervor.
Alle dem Stand der Technik zuzuordnenden Herstellverfahren von fließfähigem Metallschaum haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass Einzelblasen sich zumeist erst bei einer Zusammenführung verbinden und oft verdickte Zwickelbereiche ausbilden. Weiters kann gegebenenfalls eine gewünschte Füllgeschwindigkeit einer Form zwecks Erhalt einer gleichmäßig dicken Oberflächenschicht des Körpers oder eine bevorzugte Metallströmung in dieser nicht erreicht werden.
Die bekannten Vorrichtungen erlauben zumeist nicht zusammenhängende Metallschaumblasen mit gleicher Größe derart herzustellen, dass im Hinblick auf ein geringes spezifisches Gewicht bei hohen mechanischen Kennwerten des Teiles die Zwischenwände zwischen den Hohlräumen dünn gestaltet und günstige Stützfunktionen ausüben können.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem ein fließfähiger Metallschaum mit monomodalen Abmessungen der Hohlräume in einer schäumbaren Schmelze bei der Gaseinleitung entsteht und weiter gebildet wird.
Weiters liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von fließfähigem Schaum für eine Verarbeitung desselben anzugeben.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung von in der Schmelze gebildetem Schaum.
Das eingangs genannte Ziel wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch errreicht, dass aus mindestens zwei benachbarten, gleichartig dimensionierten, in ein metallurgisches Gefäß vorspringend einragenden Eintragsrohren in eine schäumbare Metallschmelze Gas eingebracht und in dieser im Bereich der einragenden Rohrenden jeweils Blasen gebildet werden, wobei unter Aneinanderlegen von Bereichen der Blasenoberlächen und unter Ausformung von Partikel enthaltenden Zwischenwänden eine zusammenhängende Schaumformation dargestellt und diese weitergebildet wird.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen im günstigen Schaumaufbau zu sehen, weil schon beim Entstehen der Poren im flüssigen schäumbaren Metall sich in der Folge die Zwischenwände einer Schaumformation bilden, welche Wände sich dabei dünn und geometrisch dem Kraftwirkungen entsprechend ausformen. In Abhängigkeit von den vorgesehenen Porengrößen sind dabei betreffend eine in breiten Grenzen einzuhaltende Einleitmenge von Gas in die Oberflächenspannung die Grenzflächenspannung und der Auftrieb der Blasen für die Ausbildung einer voluminösen Schaumformation, die zu einem Schaumkörper weitergebildet wird, zu berücksichtigen.
Erfindungsgemäß ist dabei wichtig, dass die Größe der Einzelblasen bzw. Hohlräume in der Schaumformation durch die Wahl des Abstandes der Eintragsrohre voneinander und, wie an sich bekannt, durch die geometrische Ausbildung der in die Metallschmelze einragenden Rohrenden gemäß der österreichischen Patentanmeldung 936/2001 bestimmt wird. Derart können vorteilhafte Bedingungen für eine gleichartige Ausformung der Blasen und eine gewünschte Bildungsgeschwindigkeit der Formation erstellt werden.
Wenn in günstiger Weise die Schaumformation in eine Form oder Kokille eingebracht und in dieser zu einem austragbaren Formteil erstarren gelassen wird, kann eine dichte, jedoch äußerst geringe Dicke der Teiloberflächenschicht mit einem unmittelbar daran anschließenden Schaumkern erstellt werden.
Eine vorteilhaft genau zu limitierende Stabilität eines Leichtbauteiles kann erreicht werden, wenn das Einbringen der Schaumformation in die Form oder Kokille nach einer, im Wesentlichen dünnwandigen Erstarrung der Metallschmelze an der Forminnenwand erfolgt.
Die vorgenannte Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens zwei in eine schäumbare Schmelze vorspringend einragende Eintragsrohre für Gas nebeneinander mit einem Abstand voneinander vorgesehen sind.
Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung sind im Wesentlichen dadurch begründet, dass gemäß der österreichischen Patentanmeldung 936/2001 am Eintragsrohr gebildete Blasen in zumindest einem Seitenbereich sich aneinander legen und eine Zwischenwand bilden können, wodurch unmittelbar im gegebenen Fall die Ablösekriterien erreicht und eine Folgeblase gebildet werden. Somit wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein günstiges Akkumulieren der Hohlräume im schäumbaren Metall unmittelbar bei deren Entstehung bewirkt und eine vorteilhafte geometrische Ausbildung der Zwischenwände der Schaumformation erreicht.
Die Kriterien für eine Bildung von Schaumformationen können weiter verbessert werden, wenn mindestens ein weiteres, gleich beabstandetes, jedoch zur Verbindungslinie der ersten versetztes Eintragsrohr in die Schmelze einragend vorgesehen ist.
Besondere Vorteile in Hinblick auf eine Erstellung größerer Schaumvolumina der Formationen können nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass eine Vielzahl von in die Schmelze einragenden Eintragsrohre dimensionsgleich ausgebildet und die Rohrenden auf einer Fläche angeordnet sind.
Zur Bereitstellung und Ausformung von Bauteilen mit geringem Gewicht und/oder mit hoher Energieaufnahme bei der Verformung ist gemäß der Erfindung mit Vorteil ein fließfähiger Metallschaum, bestehend aus einer Mehrzahl von Hohlräumen, gebildet durch ein Einleiten von Gas im Bereich von mehreren gleich beabstandeten in eine schäumbare Schmelze einragenden Enden von dimensionsgleichen Eintragsrohren, wobei durch ein Aneinanderlegen von Teilen der jeweils wachsenden Oberflächen der Schaumblasen und einen dadurch induzierten, die Größe bestimmenden Verschluss derselben mit einer jeweils weiteren Neuformung von Hohlräumen eine monomodale Verteilung der Abmessung der Hohlräume in einer Schaumformation geschaffen wird, verwendbar.
Im Besonderen ist eine Verwendung einer Schaumformation für eine Herstellung von Leichtmetallteilen im Automobilbau oder für die Luft- und Raumfahrt der präzisen Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften der Teile wegen günstig.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Prinzipdarstellungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
Ansatz von Blasen an Eintragsrohren in einer schäumbaren Metallschmelze
Fig. 2
Blasenvergrößerung
Fig. 3
Ausbildung von Zwischenwänden
Fig. 3a
Detail
Fig. 4
Neuformierung von Blasen im Verband
Fig. 5
Schaumformation
In Fig. 1 ist ein sogenanntes Anblasen einer Schaumformation schematisch gezeigt, wobei Gas 5 aus einer Druckkammer unter einem Düsenstock 21 eines metallurgischen Gefäßes 2 in eine schäumbare Schmelze 4 durch Eintragsrohre 3 eingeblasen wird, wobei im Bereich der einragenden Rohrenden 31 Gasblasen 6 gebildet werden. Durch einen gleich hohen Gasdruck und gleiche Eintragsrohr- und Rohrendendimensionen werden den physikalischen Gesetzen entsprechend gleich große Blasen 6 gebildet, wobei aber gegebenenfalls durch unterschiedliche Einblasbedingungen die jeweilige Blasengröße bestimmbar ist.
Aus Fig. 2 ist eine Gasblasenvergrößerung 6 vor den Rohrenden 31 in einer schäumbaren Schmelze 4 in einem metallurgischen Gefäß 2 entnehmbar.
Wenn nun Blasen 6, welche an den Enden 31 von Eintragsrohren 3 anhaften, jeweils eine vom Abstand A der Einblasrohre bestimmte Größe erreicht haben, und deren Oberfläche 61 sich an jene einer Nachbarblase anlegt, so entsteht meist unmittelbar eine Zwischenwand 7, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Durch eine Änderung der lokalen Oberflächenspannungen im Bereich der Rohrenden 31, infolge der sich im Wesentlichen schlagartig vergrößernden, Zwischenwänden 7 zwischen den Gasblasen 6 in einer Partikel enthaltenden schäumbaren Metallschmelze 4 erfolgt, wie in Fig. 3a dargestellt, eine durch einen Wnkel α gekennzeichnete unmittelbare Herbeiführung von Ablösekriterien einer Blasenreihe.
Weil nun, wie aus Fig. 4 schematisch ersichtlich, eine Gaseinbringung in eine Metallschmelze weiter geführt wird, erfolgen an den Rohrenden 31,31',31",31"' eine Neubildung von Gasblasen 6. Aufgrund der Oberflächenspannungen der Gasblasen 6 und der Tendenz zur Ausbildung einer Packung mit entsprechenden Oberflächengrenzwinkeln der Hohlräume erfolgt zumeist eine laterale Verschiebung einer Reihe von im Wesentlichen gleich großen Blasen 6 und eine Neubildung von solchen in den Zwickeln der Zwischenwände 7 einer Hohlraumreihe.
Neugebildete Blasen 6 wachsen, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, bis zu einer kritischen Größe, bei welcher wieder Zwischenwände 7 gebildet und Ablösekriterien (Fig. 3, Fig. 3a) im Wesentlichen schlagartig geschaffen werden, unter Ausformung einer Hohlraumformation in einer Schmelze 4.
Eine derartige homogene Hohlraum- oder Blasenformation 1 ist in Fig. 5 schematisch gezeigt, wobei diese Formation 1 je nach Anzahl von Eintragsrohren 3 traubenförmig oder großvolumig geformt werden kann, was für eine Weiterbildung und Endformgebung von Körpern Bedeutung hat.
Als günstig für eine stabile gleichartige Ausformung einer Schaumformation 1, die durch Auftrieb selbst oder durch eine Änderung der Gaszufuhrkriterien von den Rohrenden 31 abgelöst werden kann, ist gegeben, wenn diese Enden 31 mehrreihig, vorzugsweise dreireihig, gleich einragend in die Schmelze positioniert sind, wobei jedoch jede Folgereihe um den halben Abstand A der Enden lateral versetzt ist.
Durch die archimedische Gesetzmäßigkeit ist in einfacher Weise ein Einbringen von Schaumformationen 1 in Formen möglich, wobei eine monomodale Verteilung der Abmessungen der Hohlräume 6 bei günstiger Ausformung der Zwischenwände 7 erfindungsgemäß erfolgen.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens zwei benachbarten, gleichartig dimensionierten, in ein metallurgisches Gefäß (2) vorspringend einragenden Eintragsrohren (3,3',3",3"') in eine schäumbare Metallschmelze (4) Gas (5) eingebracht und in dieser im Bereich der einragenden Rohrenden (31) jeweils Blasen (6) gebildet werden, wobei unter Aneinanderlegen von Bereichen der Blasenoberflächen (61) und unter Ausformung von Partikel enthaltenden Zwischenwänden (7) eine zusammenhängende Schaumformation (1) dargestellt und diese weitergebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Einzelblasen (6) bzw. Hohlräume in der Schaumformation (1) durch die Wahl des Abstandes (A) der Eintragsrohre (3) voneinander und, wie an sich bekannt, durch die geometrische Ausbildung der in die Metallschmelze einragenden Rohrenden (31) gemäß AT 936/2001 bestimmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumformation (1) in eine Form oder Kokille eingebracht und in dieser zu einem austragbaren Formteil erstarren gelassen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Schaumformation (1) in die Form oder Kokille nach einer, im Wesentlichen dünnwandigen Erstarrung der Metallschmelze (4) an der Forminnenwand erfolgt.
  5. Vorrichtung zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in eine schäumbare Schmelze (4) vorspringend einragende Eintragsrohre (3) für Gas (5) nebeneinander mit einem Abstand (A) voneinander vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres, gleich beabstandetes, jedoch zur Verbindungslinie der ersten versetztes Eintragsrohr (3) in die Schmelze einragend vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Schmelze einragenden Eintragsrohre (3) dimensionsgleich ausgebildet und die Rohrenden (31) auf einer Fläche angeordnet sind.
  8. Fließfähiger Metallschaum, bestehend aus einer Mehrzahl von Hohlräumen, gebildet durch ein Einleiten von Gas im Bereich von mehreren gleich beabstandeten, in eine schäumbare Schmelze einragenden Enden von dimensionsgleichen Eintragsrohren, wobei durch ein Aneinanderlegen von Teilen der jeweils wachsenden Oberflächen der Schaumblasen und einen dadurch induzierten, die Größe bestimmenden Verschluss derselben mit einer jeweils weiteren Neuformung von Hohlräumen eine monomodale Verteilung der Abmessung der Hohlräume in einer Schaumformation geschaffen wird, die zur Bereitstellung und Ausformung von Bauteilen mit geringem Gewicht und/oder mit hoher Engerieaufnahme bei einer Verformung verwendbar ist.
  9. Verwendung einer Schaumformation gemäß Anspruch 8 für eine Herstellung von Leichtmetallteilen, vorzugsweise im Automobilbau.
  10. Verwendung einer Schaumformation gemäß Anspruch 8 für eine Herstellung von Leichtmetallkomponenten, vorzugsweise für die Luft- und Raumfahrt.
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