EP1419835B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von fliessfähigem Metallschaum - Google Patents

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EP1419835B1 EP20030450197 EP03450197A EP1419835B1 EP 1419835 B1 EP1419835 B1 EP 1419835B1 EP 20030450197 EP20030450197 EP 20030450197 EP 03450197 A EP03450197 A EP 03450197A EP 1419835 B1 EP1419835 B1 EP 1419835B1
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foam
melt
feed pipes
bubbles
cavities
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Huette Klein Reichenbach GmbH
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Huette Klein Reichenbach GmbH
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    • Y10T428/24997—Of metal-containing material

Definitions

  • the invention relates to a method for producing flowable metal foam of a particle-containing molten metal with monomodal distribution of the dimension of the cavities in this. More specifically, the invention deals with the preparation of metal foams, each with substantially the same pore volume for use in moldings with a special property profile. Furthermore, the invention relates to a device for producing a metal foam in the above embodiment.
  • Metal foam in particular light metal foam, is increasingly being used in molded articles with a special property spectrum, whereby the different requirements must be met with high reliability.
  • the moldings with low weight should have high stability under precisely defined mechanical stress and / or be deformable under overload with maximum energy absorption.
  • WO 01/62416 A1 describes a process for producing a foam body, after which a mold with foam is filled by collecting individual bubbles rising in the melt.
  • this method in which the gas bubbles are usually introduced and separated by means of a so-called "rotor impeller”, has the disadvantages that, on the one hand, a slow mold filling takes place and therefore in a cooled mold wall the last formed body part often has a disadvantageously thick wall layer and, on the other hand, the Uncontrolled bubble size is formed differently, which often have the mechanical characteristics of such a created part or body have a large, usually unfavorable spread.
  • EP 1288320A2 discloses an apparatus and a method for introducing gas into a molten metal, in which a uniformity of the diameter of the respective individual bubbles and the size of the gas bubbles are controlled.
  • the known devices usually allow non-contiguous metal foam bubbles of the same size to be produced in such a way that, in view of a low specific weight with high mechanical characteristics of the part, the partitions between the cavities can be made thin and can perform favorable support functions.
  • the invention aims to avoid these disadvantages and has set itself the goal of providing a method of the type mentioned, by means of which a flowable metal foam with monomodal dimensions of the cavities in a foamable melt at the gas inlet is formed and further formed.
  • the invention has for its object to provide a generic device for the production of flowable foam for processing the same.
  • 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, by the geometric formation of projecting into the molten metal pipe ends according to the EP 1288320A2 is determined. In this way, advantageous conditions for a similar formation of the bubbles and a desired formation speed of the formation can be created.
  • a dense but extremely small thickness of the partial surface layer can be created with a foam core immediately adjacent thereto.
  • An advantageous precisely limiting stability of a lightweight component can be achieved if the introduction of the foam formation in the mold or mold after a substantially thin-walled solidification of the molten metal takes place on the mold inner wall.
  • a flowable metal foam consisting of a plurality of cavities formed by introducing gas in the range of several equally spaced into a foamable Melt protruding ends of dimensionally equal insertion tubes, which is created by a juxtaposition of parts of the respective growing surfaces of the foam bubbles and thereby inducing size-determining closure thereof with each further reshaping of cavities a monomodal distribution of the dimension of the cavities in a foam formation, used ,
  • a so-called blowing a foam formation is shown schematically, wherein gas 5 is injected from a pressure chamber under a nozzle 21 of a metallurgical vessel 2 in a foamable melt 4 through feed pipes 3, wherein in the region of the projecting pipe ends 31 gas bubbles 6 are formed.
  • gas pressure of the same level and the same inlet pipe and pipe end dimensions, equal sized bubbles 6 are formed according to the laws of physics, but the respective bubble size can be determined by different injection conditions, if appropriate.
  • Fig. 2 From Fig. 2 is a gas bubble enlargement 6 in front of the tube ends 31 in a foamable melt 4 in a metallurgical vessel 2 can be removed.
  • Newly formed bubbles 6 grow, as shown in FIGS. 1 and 2, to a critical size at which intermediate walls 7 are again formed and release criteria (FIGS. 3, 3 a) are created substantially abruptly, forming a hollow space formation in FIG a melt 4.
  • Such a homogeneous cavity or blister formation 1 is shown schematically in FIG. 5, wherein this formation 1 can be shaped grape-shaped or large-volume depending on the number of feed pipes 3, which has significance for further development and final shaping of bodies.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum einer partikel enthaltenden Metallschmelze 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 Herstellung eines Metallschaumes in obiger Ausbildungsform.
  • 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 EP 1288320A2 offenbart eine Vorrichtungt 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 EP A 1266973A2 sowie der EP 1354651A2 hervor, wobei letztere auch eine entsprechende Vorrichtung offenbart.
  • 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.
  • Das eingangs genannte Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 errreicht.
  • 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 EP 1288320A2 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 Schaumkem 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 mit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst
  • Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung sind im Wesentlichen dadurch begründet, dass 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 efindungsgemäße Vorrichtung ein günstiges Akkumulieren der Hohlräume im schäumbaren Metall unmittelbar bei deren Entstehung bewirkt und eine vorteilhafte geometrische Ausbildung der Zwischenwände der Schaumformation erreicht.
  • 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 vergrößemden, Zwischenwänden 7 zwischen den Gasblasen 6 in einer Partikel enthaltenden schäumbaren Metallschmelze 4 erfolgt, wie in Fig. 3a dargestellt, eine durch einen Winkel 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 Hohtraumformation 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 (5)

  1. Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum einer Partikel enthaltenden Metallschmelze mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, wobei aus mindestens zwei benachbarten, gleichartig dimensionierten, in ein metallurgisches Gefäß (2) vorspringend einragenden Eintragsrohren (3,3',3",3"') in eine schäumbare Metalischrnelze (4) Gas (5) eingebracht und In dieser im Bereich der einragenden Rohrenden (31) jeweils Blasen (6) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Grossenzunahme der benachbarten Blasen (6) durch das Aneinanderlegen von Bereichen der Blasenoberflächen (61) und unter Ausformung von Partikel enthaltenden Zwischenwänden (7) die Abtösekriterien herbeigeführt werden, und so 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 die Ablösekriterien bestimmende Wahl des Abstandes (A) der Eintragsrohre (3) voneinander und durch die geometrische Ausbildung der in die Metallschmelze einragenden Rohrenden (31) festgelegt 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. Vorrichtung zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, bei welcher durch mindestens zwei in eine schäumbare Schmelze (4) vorspringend einragbare Eintragsrohre (3) für Gas (5) nebeneinander mit einem Abstand (A) voneinander gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres, gleich beabstandetes, jedoch zur Verbindungslinie der ersten versetztes Eintragsrohr (3) vorgesehen ist, und die Eintragsrohre (3) dimensionsgleich ausgebildet und die Rohrenden (31) auf einer Fläche angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (31) der Eintragsrohre (3) mehrreihige, vorzugsweise dreireihig, gleich einragend in die Schmelze (4) positioniert sind, wobei jedoch jede Folgereihe um den halben Abstand A der Enden (31) lateral versetzt ist.
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