EP2046519A1 - Metallformkörper und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Metallformkörper und verfahren zu dessen herstellung

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EP2046519A1
EP2046519A1 EP07763726A EP07763726A EP2046519A1 EP 2046519 A1 EP2046519 A1 EP 2046519A1 EP 07763726 A EP07763726 A EP 07763726A EP 07763726 A EP07763726 A EP 07763726A EP 2046519 A1 EP2046519 A1 EP 2046519A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
foam
insert element
mold
region
Prior art date
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Granted
Application number
EP07763726A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2046519B1 (de
Inventor
Franz Dobesberger
Herbert J. Flankl
Dietmar Leitlmeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huette Klein Reichenbach GmbH
Original Assignee
Huette Klein Reichenbach GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Huette Klein Reichenbach GmbH filed Critical Huette Klein Reichenbach GmbH
Priority to SI200730291T priority Critical patent/SI2046519T1/sl
Publication of EP2046519A1 publication Critical patent/EP2046519A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2046519B1 publication Critical patent/EP2046519B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D25/00—Special casting characterised by the nature of the product
    • B22D25/005—Casting metal foams
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12479—Porous [e.g., foamed, spongy, cracked, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12486—Laterally noncoextensive components [e.g., embedded, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a metal moldings consisting of metal-bonded areas of metal foam on the one hand and metal on the other hand and at least one insert element of a higher melting point than the base material of foam and metal exhibiting material, and to a process for its preparation.
  • Lightweight metal moldings or production methods of the type mentioned are known for example from AT 408317 B, according to which in a powder metallurgical process, a semi-finished body of a compacted mixture of a matrix metal powder and a propellant powder in a foaming mold together with at least one insert element is heated to a temperature at which the matrix-metal powder melts and the propellant powder releases gas which forms gas bubbles in the matrix metal.
  • the resulting metal foam encloses the insert element which does not melt at the temperatures used and which can fulfill a wide variety of functions, such as providing connections, cavities, reinforcements and the like.
  • melt metallurgical processes for producing metal foam itself see, for example, AT 410103 B or AT 411970 B
  • gas is introduced into a particle-reinforced molten metal, with which the gas bubbles formed collect on the surface of the melt with the formation of free-flowing metal foam ,
  • This metal foam is then either cast or pressed into a mold or can also rise directly into a mold arranged above the melt.
  • the foaming gas is by means of _
  • Nozzles see, for example, AT 410104 B or AT 411768 B
  • impeller see, for example, US 2003/0051850 A1
  • Metal foam is mainly made of aluminum composite material, but also made of composites of magnesium or other light metals.
  • Aluminum foam which is almost ideal in terms of the desired minimum mass density and also has excellent properties in terms of absorption of energy.
  • Shaped metal foam therefore find use, for example, in the crumple zone of automobiles, as cavity reinforcements, but also as lost core parts of reinforced, light and hollow castings, wherein they additionally have a positive influence on the body acoustics.
  • Metal foam or moldings produced therefrom are only able to absorb tensile stresses to a relatively small extent, which has already been attempted by the insert elements mentioned at the outset. Furthermore, it has not yet been satisfactorily managed to provide the thickness or shape of a solid, dense, relatively foam-free outer wall area as desired.
  • Object of the present invention is to improve a metal molding or a method of the type mentioned so that the opportunities given by the functional insert elements are optimally exploitable and that even a solid, foam-free outer wall area made of metal with a wide range of arbitrary design is possible ,
  • / the metal foam area (s) consists (each) of metal foam with substantially monomodal bubble size / and at least partially against adjacent areas by means of insert elements arranged in the boundary region, which are formed substantially flat and have passage openings from one area to the other, which are formed in their cross section, that the substantially monomodal foam bubbles of one area are prevented from passing into the other, are delimited.
  • a casting according to the invention which contains a shaped metal body of this kind in the form of a lost core, is also part of the invention.
  • each insert element may be one or more parts and preferably substantially flat, but not necessarily flat.
  • This insert element or these insert elements have a melting point which is above the maximum temperature reached in the production of the metal molding, and preferably contain steel, another metal or another alloy or else ceramic or other materials, in particular fiber materials made of carbon, glass , Silicon carbide, alumina or other ceramic fibers.
  • a deposit element consist of aluminum alloy or aluminum, wherein it preferably has coated or sized surfaces and / or an aluminum alloy having a melting point which is higher than the maximum temperature achieved in the production of the metal molding.
  • An insert element is preferably a net, a grid, a perforated planar element, in particular a perforated plate, a wire or fiber braid or consists of a plurality of substantially parallel straight or curved bars. It has openings or interspaces whose shape and / or size are selected so that, although the liquid metal, substantially no foam or its gas bubbles can pass through the openings or spaces.
  • the insert element therefore forms a boundary between a metal foam region and a further region in which the metal has fewer or smaller or substantially no cavities.
  • the metal foam region is preferably arranged in the interior of the metal molding, while the further region forms the solid, foam-free surface of the metal molding.
  • the metal in the metal foam region and the metal in the wider region are connected to one another metallically, d. H. they form a continuous crystal structure without an intermediate oxide, adhesive or other layer of a different material.
  • the shape and in particular the thickness of the further region or of the solid wall region can be set as desired.
  • the insert element defines the boundary between the metal foam region and the further region and is thus arranged in the boundary region between the same.
  • the insert element is also able to absorb tensile stresses and thus to perform a similar task as reinforcing steel in reinforced concrete. For this it can be mechanically biased. This preload can already be in the mold before the introduction of the flowable metal foam or before the cooling of the metal by suitable clamping devices are generated. Alternatively, the bias arises from the fact that the insert element consists of a material having a different, preferably higher thermal expansion coefficient than the metal in the metal foam region and in the wider region. The tensile stress in the insert element is in any case opposite a corresponding compressive stress of the metal foam region and the solid wall region.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a section through a further metal shaped body
  • FIG. 3 is a schematic representation of a section through a further metal shaped body
  • Fig. 5 is a schematic representation of a casting process in cross section
  • FIG. 6 is a schematic flow diagram of a manufacturing method.
  • the insert element 16 is preferably a net, grid or braid of metal wire or strand of any cross-section or of carbon or other fibers, a perforated sheet or other sheet or an array of preferably substantially parallel bars or wires of any cross-section.
  • the insert element 16 is preferably made of aluminum or another metal or an alloy or a Another material with a melting point higher than the melting point of the metal from which the metal foam region 12 and the solid wall region 14 are formed. Steel in different qualities is particularly suitable because of its high strength, its high melting point, its good availability, its low price and the variety of processing and processing options.
  • the insert element 16 may have coated or glazed surfaces.
  • the insert element 16 has openings or intermediate spaces in which the metal foam region 12 and the solid wall region 14 directly adjoin one another and merge homogeneously into one another.
  • the metal foam region 12 and the solid wall region 14 are metallically connected to each other or have a continuous crystal structure without intervening layers of oxide or other materials.
  • the metal foam region 12 and the solid wall region 14 are thus connected by the openings or interspaces of the insert member 16 cohesively.
  • the metal foam region 12 has cavities or gas bubbles with a substantially monomodal distribution of the dimensions. This means that all or almost all cavities of the metal foam region 12 have substantially the same diameter and the same volume.
  • the cavities are approximately in the shape of multi-flattened balls or of polyhedra. Between each two adjacent cavities a substantially planar or plate-shaped metal web is arranged.
  • the solid wall region 14 essentially has the form of a layer which surrounds the metal foam region 12 and the insert element 16 with a constant thickness.
  • the insert element 16 and the solid wall region 14 have an opening or interruption, through which flowable metal foam is introduced into the metal foam region 12 in the production of the metal shaped article 10 described in more detail below with reference to FIG.
  • the metal foam region 12 directly adjoins the surface 20 of the metal molding 10. However, this can be were avoided during production or subsequently by milling and sealing with solid material.
  • the solid wall portion 14 has no or substantially no or at least (substantially) less or (substantially) smaller cavities than the metal foam portion 12. Like almost any casting, however, the solid wall portion 14 may also have at least isolated voids or other gas inclusions.
  • FIG. 1a differs from FIG. 1 only in that here two different metal foam regions 12, 13 are provided, which are separated from one another by an additional insert element 16 or an additional part of the multi-part insert element 16 and contain metal foam with different properties.
  • the insert element 16 inserted between the two metal foam regions 12, 13 at the interface substantially prevents thorough mixing of the two types of foam, so that different properties of the metal molding 10 can be predetermined in the two regions 12, 13.
  • the metal foam regions 12, 13 are in metallic connection with one another and with the metal region 14 through the insert elements 16 or the parts of the insert element 16, thus forming a reinforced metal molded article 10 through the insert elements 16 ,
  • the areas 12, 13 and 14 consist of the same base material and differ essentially only in that in the area 14 virtually no gas bubbles, in area 13 many small gas bubbles and in area 12 less large gas bubbles (as in Fig. Ia).
  • these differences could also go so far as to differentiate the base materials in areas 12, 13 and 14 - for example, different aluminum alloys could be used in different sectors. or to provide various additives to the foam areas or the metal area with certain desired properties.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a partial section of a further metal shaped body 10 with a metal foam area 12 and a solid wall area 14, which are separated from one another by an insert element 16.
  • the example of FIG. 2 differs from that of FIG. 1 inter alia in that, due to the shape of the insert element 16, the solid wall region 14 deviates from a simple layer with a constant thickness.
  • an eyelet 22 is disposed at one end of the metal molding 10.
  • the shape and arrangement of the eyelet 22 is defined by the mold used for producing the metal mold body 10 or, for example, by a socket inserted in the mold. Alternatively, the eyelet 22 is made after the casting process on the cooled metal moldings 10 by drilling or milling.
  • the insert element 16 has in the region of the eyelet 22 a greatly enlarged distance from the surface 20 of the metal shaped body 10. In the solid wall portion 14 therefore sufficient space for the eyelet 22 remains.
  • the shape and arrangement of the insert member 16 ensures that the eyelet 22 is surrounded on all sides by solid material in the required strength. Furthermore, the insert element 16 is shaped and arranged in such a way that the solid wall region 14 is correspondingly reinforced towards the end and the eyelet 22 in the direction of the increased local mechanical stresses occurring there.
  • Figure 3 is a schematic representation of a section through a casting 30 having an outer wall body 34.
  • the outer wall body 34 has a shape and a material thickness that correspond to the intended application. By way of example, eyelets 22 and a bore 36 are shown here.
  • a core part Arranged in the outer wall body 34 is a core part which, similar to the metal shaped bodies shown above with reference to FIGS. 1 to 3, consists of a metal foam area 12, a solid wall area 14 and an insert element 16 arranged in the boundary region between them.
  • the outer surface 20 of the core member which simultaneously corresponds to the inner surface of the outer wall body 34 is corrugated or has another structure which creates a connection between the core part and the outer wall body 34 by positive locking. Since the outer wall body 34 shrinks upon casting onto the core part, corrugation of the surface 20 of the core part or the interface between the core part and the outer wall body 34 may be dispensed with.
  • the core part is made and then placed and aligned in a mold defining the outer shape of the casting 30.
  • the core part is encapsulated with the outer wall body 34.
  • a metal shaped body as has been shown above with reference to FIGS. 1 and 2, thus serves as a lost core. Its size and arrangement defined the wall thicknesses of the outer wall body 34.
  • the metal foam portion 12 supports the outer wall body, thereby increasing the rigidity of the metal shaped body and absorbing structure-borne noise.
  • Figure 4 is a schematic representation of a cross section of a mold 40 in which a metal mold body or core part 10, as it has been illustrated above with reference to Figures 1 or 2, is prepared.
  • the inner surface 42 of the mold 40 defines by its shape the shape of the metal moldings to be produced or the shape of the surface of the metal moldings.
  • an insert element 16 is arranged, as has also already been described above with reference to the figures 1 to 3.
  • the insert element 16 has, as already mentioned above, openings or gaps which are smaller than the gas bubbles of the flowable metal foam. This means, in particular, that in the case of elongate openings or spaces, at least the width thereof is smaller or substantially smaller than the diameters of most (for example 90% or 99%) of the gas bubbles. Therefore, the gas bubbles or the flowable metal foam can not pass through the openings or interstices of the insert member 16.
  • the mold 40 After the metal foam region 12 is completely filled with flowable metal foam and the gap 14 is completely filled with liquid and substantially bubble-free metal, the mold 40 is cooled. After the metal foam in the metal foam region 12 and the metal in the intermediate space 14 have solidified, the mold 40 is opened or broken in order to remove a finished metal molding. For tempering before the casting process and during cooling, the mold 40 preferably has heating and / or cooling elements, which are not shown in FIG.
  • the metal shaped body is produced similarly to that described in AT 411 970 B by means of a casting mold or mold 40 which, in addition to an insertion opening 50, has at least one small-sized opening 52 in the vertically highest region, as shown in FIG Figure 5 is shown.
  • the insert element 16 is arranged in the mold 40.
  • the mold 40 is brought to a temperature below the liquidus or melting temperature of a foamable alloy and / or left.
  • a pouring into a melt 54 of this alloy or filler 56 on the other hand liquid-sealed with the mold 40 is connected.
  • the air is displaced or expelled from the mold 40.
  • gas bubbles are formed and merged into metal foam. This displaces the initially bubble-free or at least largely bubble-free melt 54 within the insert element 16.
  • the bubbles are produced with a diameter which is larger than the openings in the insert element 16 and therefore remain within the insert element 16 between the insert element 16 and the inner wall
  • the mold thus remains bubble-free or substantially bubble-free melt 54 in a layer thickness which is defined by the shape of the inner wall of the mold 40 and by the shape and arrangement of the insert member 16.
  • the metal foam and the melt solidify in the mold 40 Before targeted removal of heat, the metal foam and the melt solidify in the mold 40. Before this heat removal, the entry opening 50 of the mold 40 can be closed and the mold 40 can be separated from the pouring or filling piece 56.
  • the distance of the insert element 16 from the surface 20 of the metal mold body 10 determines the thickness of the solid wall portion 14.
  • the insert element 16 directly on the surface 20 of the Metal moldings 10 may be arranged, wherein the insert element 16 is for example a mesh or a wire mesh.
  • the solid wall portion 14 comprises the openings or interstices of the insert member 16, in particular the spaces between the wires of a wire mesh or mesh into which no or only very few or very small gas bubbles penetrate.
  • the metal molding 10 may contain further deposits in the solid wall region 14 or in the metal foam region 12.
  • these inserts can then serve not only for defining a boundary region between a metal foam region 12 and a solid wall region 14, but also preferably for reinforcing or mechanical reinforcement and / or as anchors or fastening elements for screwing, riveting, welding or otherwise connecting the metal molding 10 with other devices.
  • web or frame-shaped insert elements 16 serve to improve or increase the mechanical properties, in particular the strength (in particular the tensile strength) and the rigidity, of the metal foam region 12 and thus of the entire metal molded body 10. If such an insert is arranged in the metal foam, it must be arranged or designed with sufficiently large openings so that it does not prevent the complete filling of the metal foam area with flowable metal foam.
  • Insertion elements can also be advantageously used to define metal foam regions 12 with different properties of the metal foam, in particular with different bubble or pore sizes (see also FIG. 1 a).
  • the ability to absorb energy can be spatially modulated (setting of several energy absorption levels or plateau voltages).
  • this is particularly advantageous in components for crumple zones of automobiles or other vehicles, since it allows a precise adaptation to possible accident scenarios and an optimization of the protection of the occupants.
  • FIG. 6 is a schematic flow diagram of a method for producing a shaped metal body 10, as has been illustrated, for example, with reference to one of FIGS. 1 to 3.
  • a thickness of the solid wall portion 14 or a another area in which the metal shaped body 10 should contain fewer or smaller or substantially no voids is done, for example, due to the mechanical requirement, which the metal shaped body 10 should correspond to or due to a material thickness, which is required for further processing step (milling, drilling, welding, etc.).
  • a mold 40 is provided, whose inner surface 42 defines the shape of the outer surface 20 of the metal shaped body 10 to be produced.
  • an insert element 16 is arranged in the mold 40, aligned and fastened, for example by clamping.
  • the mold or at least its inner surface 42 is preferably preheated to a temperature close to the melting temperature of the material used.
  • a foamable metal is provided, for example, by melting a finished alloy or producing it directly in the liquid state.
  • the foamable metal preferably comprises composites with light metal such as aluminum or magnesium.
  • the molten metal may be added with particles consisting of a material having a melting point higher than the melting point of the metal (such as SiC or Al 2 O 3 ). These particles serve in particular for the stabilization of the subsequently produced metal foam. Details are given in the patent literature mentioned in the introduction.
  • a fifth step 90 gas is introduced into the molten metal to produce gas bubbles or metal foam.
  • the gas is introduced so that metal foam is formed with a substantially monomodal distribution of the sizes of the gas bubbles or cavities.
  • a sixth step 92 the flowable metal foam is placed in the metal foam region 12 and substantially bubble-free liquid metal in the future solid wall region 14.
  • the fifth and sixth steps 90, 92 are preferably carried out as described above with reference to FIGS. 4 and 5, and can also be carried out in a different order.
  • a seventh step 94 the mold 40 and the metal are cooled, so that the metal foam in the metal foam region 12 and the substantially bubble-free metal solidify in the future solid wall region 14 and form the metal molding 10.

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Description

Metallformkörper und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Metallformkörper bestehend aus metallisch verbundenen Bereichen von Metallschaum einerseits und Metall andererseits sowie zumindest einem Einlageelement aus einen höheren Schmelzpunkt als das Grundmaterial von Schaum und Metall aufweisendem Material, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Leichtgewichtige Metallformkörper bzw. Herstellungsverfahren der genannten Art sind beispielsweise aus der AT 408317 B bekannt, gemäß welcher in einem pulvermetallurgischen Verfahren ein Halbzeug-Körper aus einem kompaktierten Gemisch eines Matrix-Metall- Pulvers und eines Treibmittel-Pulvers in einer Schäumkokille zusammen mit zumindest einem Einlageelement auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Matrix-Metall-Pulver schmilzt und das Treibmittel-Pulver Gas freisetzt, welches Gasblasen im Matrix-Metall bildet. Der entstehende Metallschaum umhüllt das aus bei den eingesetzten Temperaturen nicht schmelzendem Material bestehende Einlageelement, welches verschiedenste Funktionen, wie beispielsweise Bereitstellung von Anschlüssen, Hohlräumen, Verstärkungen und dgl., erfüllen kann. Nachteile derartiger Metallformkörper bzw. des Herstellverfahrens sind in der Aufwän- digkeit mit den daraus resultierenden Kosten zu sehen, sowie insbesonders auch in der damit nur schwer bis gar nicht kontrollierbaren Aufteilung der Metallschaum- bzw. Metallbereiche und der breiten Verteilung der Porengröße im Metallschaum selbst, was negative Einflüsse auf die Qualität der Formkörper hat.
Bei ebenfalls bekannten schmelzmetallurgischen Verfahren zur Herstellung von Metallschaum selbst (siehe z. B. AT 410103 B oder AT 411970 B) wird Gas in eine mit Partikeln verstärkte Metallschmelze eingebracht, womit sich die gebildeten Gasblasen unter Bildung von fließfähigem Metallschaum an der Oberfläche der Schmelze sammeln. Dieser Metallschaum wird dann entweder in eine Kokille gegossen oder gedrückt oder kann auch direkt in eine über der Schmelze angeordnete Kokille aufsteigen. Das Schäumgas wird dabei mittels _
2
Düsen (siehe z. B. AT 410104 B oder AT 411768 B) oder mittels eines sogenannten Impellers (siehe z. B. US 2003/0051850 Al) in die Schmelze eingebracht. Metallschaum wird dabei vorwiegend aus Aluminium-Composite-Material, daneben aber auch aus Composites aus Magnesium oder anderen Leichtmetallen hergestellt. Die umfangreichsten industriellen Erfahrungen existieren bis jetzt mit Aluminiumschaum, der unter dem Aspekt der erwünschten minimalen Massendichte nahezu ideal ist und auch hinsichtlich der Absorption von Energie hervorragende Eigenschaften aufweist. Formkörper aus Metallschaum finden deshalb beispielsweise in der Knautschzone von Automobilen, als Hohlraumverstärkungen, aber auch als verlorene Kernteile von damit verstärkten, leichten und hohlen Gussteilen Verwendung, wobei sie die körperakustischen Eigenschaften zusätzlich positiv beeinflussen.
Metallschaum bzw. daraus hergestellte Formkörper sind jedoch nur in relativ geringem Maße in der Lage, Zugspannungen aufzunehmen, was durch die eingangs angesprochenen Einlageelemente bereits versucht wurde zu verbessern. Weiters ist es bislang auch nicht befriedigend gelungen, die Dicke oder die Gestalt eines soliden, dichten, relativ schaumfreien Außenwandbereiches nach Belieben bereitzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Metallformkörper bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die durch die funktionellen Einlageelemente gegebenen Möglichkeiten optimal ausnutzbar werden und dass auch ein solider, schaumfreier Außenwandbereich aus Metall mit in weiten Grenzen beliebiger Gestaltung möglich wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Metallformkörper der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der/die Metallschaumbereich(e) (jeweils) aus Metallschaum mit im wesentlichen monomodaler Blasengröße besteht/bestehen und gegenüber angrenzenden Bereichen zumindest teilweise mittels im Grenzbereich angeordneter Einlageelemente, die im wesentlichen flächig ausgebildet sind und Durchgangsöffnungen von einem Bereich zum anderen aufweisen, welche in ihrem Querschnitt so ausgebildet sind, dass die im wesentlichen monomodalen Schaumblasen eines Bereiches am Durchtritt in den anderen gehindert sind, abgegrenzt sind.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für einen derartigen Metallformkörper ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Bereitstellen einer Kokille für den Metallformkörper;
Anordnen zumindest eines ein- oder mehrteiligen Einlageelementes mit Öffnungen oder Zwischenräumen in der Kokille in zumindest einem Grenzbereich zwischen zumindest einem mit Metallschaum zu füllenden Metallschaumbereich und zumindest einem weiteren Bereich;
Aufschmelzen eines Metalls;
Einleiten von Gas in das aufgeschmolzene Metall, um das aufgeschmolzene Metall aufzuschäumen, wobei ein fließfähiger Metallschaum mit im wesentlichen monomodaler Blasengröße größer als die Öffnungen in dem Einlageelement entsteht;
Verbringen des fließfähigen Metallschaums in den Metallschaumbereich und von im wesentlichen blasenfreiem Metall in den weiteren Bereich; und
Abkühlen des Metalls in der Kokille, wobei das Metall erstarrt, um den Metallformkörper zu bilden.
Ein erfindungsgemäßer Gussteil, der einen Metallformkörper dieser Art in Form eines verlorenen Kernes enthält, ist ebenfalls Teil der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, ein Einlageelement oder mehrere Einlageelemente in dem Metallformkörper anzuordnen, wobei jedes Einlageelement ein- oder mehrteilig sein kann und vorzugsweise im Wesentlichen flächig, jedoch nicht notwendigerweise eben ist. Dieses Einlageelement bzw. diese Einlageelemente weisen einen Schmelzpunkt auf, der über der bei der Herstellung des Metallformkörpers erreichten Maximaltemperatur liegt, und enthalten vorzugsweise Stahl, ein anderes Metall oder eine andere Legierung oder auch Keramik oder andere Materialien, insbesondere Faserwerkstoffe aus Kohlenstoff-, Glas-, Siliziumkarbid-, Aluminiumoxid- oder anderen Keramikfasern. Ferner kann ein Einlage- element aus Aluminiumlegierung bestehen oder Aluminium enthalten, wobei es vorzugsweise beschichtete oder geschlichtete Oberflächen und/oder eine Aluminiumlegierung mit einem Schmelzpunkt aufweist, der höher ist als die bei der Herstellung des Metallformkörpers erreichte Maximaltemperatur.
Ein Einlageelement ist vorzugsweise ein Netz, ein Gitter, ein perforiertes flächiges E- lement, insbesondere ein perforiertes Blech, ein Draht- oder Fasergeflecht oder besteht aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen geraden oder gekrümmten Stäben. Es weist Öffnungen oder Zwischenräume auf, deren Form und/oder Größe so ausgewählt sind, dass zwar das flüssige Metall, im wesentlichen aber kein Schaum bzw. dessen Gasblasen durch die Öffnungen oder Zwischenräume hindurchtreten kann. Das Einlageelement bildet deshalb eine Grenze zwischen einem Metallschaumbereich und einem weiteren Bereich, in dem das Metall weniger oder kleinere oder im Wesentlichen gar keine Hohlräume aufweist.
Der Metallschaumbereich ist dabei vorzugsweise im Inneren des Metallformkörpers angeordnet, während der weitere Bereich die solide, schaumfreie Oberfläche des Metallformkörpers bildet. Durch die Öffnungen oder Zwischenräume des Einlageelements hindurch sind das Metall in dem Metallschaumbereich und das Metall in dem weiteren Bereich miteinander metallisch verbunden, d. h. sie bilden ein durchgehendes bzw. einstückiges Kristallgefüge ohne eine dazwischen liegende Oxid-, Klebe- oder andere Schicht aus einem anderen Material.
Durch die Gestaltung und Anordnung des Einlageelements bzw. der Einlageelemente können die Form und insbesondere die Dicke des weiteren Bereichs bzw. des soliden Wandbereichs beliebig eingestellt werden. Das Einlageelement definiert die Grenze zwischen dem Metallschaumbereich und dem weiteren Bereich und ist damit im Grenzbereich zwischen denselben angeordnet.
Das Einlageelement ist darüber hinaus auch in der Lage, Zugspannungen aufzunehmen und damit eine ähnliche Aufgabe zu erfüllen, wie Bewehrungsstahl in Stahlbeton. Dazu kann es mechanisch vorgespannt sein. Diese Vorspannung kann bereits in der Kokille vor dem Verbringen des fließfähigen Metallschaums oder vor dem Erkalten des Metalls durch geeignete Spanneinrichtungen erzeugt werden. Alternativ entsteht die Vorspannung dadurch, dass das Einlageelement aus einem Material besteht, das einen anderen, vorzugsweise höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, als das Metall in dem Metallschaumbereich und in dem weiteren Bereich. Der Zugspannung in dem Einlageelement steht in jedem Fall eine entsprechende Druckspannung des Metallschaumbereichs und des soliden Wandbereichs gegenüber.
Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angeführt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 und Ia jeweils schematische Darstellungen eines Schnitts durch einen Metallformkörper;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen weiteren Metallformkörper;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen weiteren Metallformkörper;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Gussvorganges im Querschnitt;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Gussvorganges im Querschnitt;
Fig. 6 ein schematisches Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Metallformkörpers 10 mit einem Metallschaumbereich 12 und einem soliden Wandbereich 14. Im Grenzbereich zwischen dem Metallschaumbereich 12 und dem soliden Wandbereich 14 ist ein Einlageelement 16 angeordnet. Das Einlageelement 16 ist vorzugsweise ein Netz, Gitter oder Geflecht aus Metalldraht oder -litze mit beliebigem Querschnitt oder aus Kohlenstoff- oder anderen Fasern, ein perforiertes Blech oder anderes flächiges Element oder eine Anordnung von vorzugsweise im Wesentlichen parallelen Stäben oder Drähten beliebigen Querschnitts. Vorzugsweise besteht das Einlageelement 16 aus Aluminium oder einem anderen Metall oder einer Legierung oder ei- nem anderen Material mit einem Schmelzpunkt, der höher ist als der Schmelzpunkt des Metalls, aus dem der Metallschaumbereich 12 und der solide Wandbereich 14 gebildet sind. Stahl in verschiedenen Qualitäten ist aufgrund seiner hohen Festigkeit, seines hohen Schmelzpunktes, seiner guten Verfügbarkeit, seines niedrigen Preises und der vielfältigen Bearbeitungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten besonders geeignet. Das Einlageelement 16 kann beschichtete oder geschlichtete Oberflächen aufweisen.
Das Einlageelement 16 weist Öffnungen oder Zwischenräume auf, in denen der Metallschaumbereich 12 und der solide Wandbereich 14 unmittelbar aneinander grenzen und homogen ineinander übergehen. Der Metallschaumbereich 12 und der solide Wandbereich 14 sind miteinander metallisch verbunden bzw. weisen ein durchgehendes Kristallgefüge ohne dazwischen liegende Schichten aus Oxid oder anderen Materialien auf. Der Metallschaumbereich 12 und der solide Wandbereich 14 sind somit durch die Öffnungen oder Zwischenräume des Einlageelements 16 hindurch stoffschlüssig miteinander verbunden.
Der Metallschaumbereich 12 weist Hohlräume bzw. Gasblasen mit einer im wesentlichen monomodalen Verteilung der Abmessungen auf. Dies bedeutet, dass alle oder fast alle Hohlräume des Metallschaumbereichs 12 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser und das gleiche Volumen aufweisen. Die Hohlräume haben näherungsweise die Form von mehrfach abgeplatteten Kugeln bzw. von Polyedern. Zwischen jeweils zwei benachbarten Hohlräumen ist ein im Wesentlichen ebener bzw. plattenförmiger Metallsteg angeordnet.
Der solide Wandbereich 14 weist bei dem in Figur 1 dargestellten Metallformkörper 10 im Wesentlichen die Form einer Schicht auf, die den Metallschaumbereich 12 und das Einlageelement 16 mit einer konstanten Dicke umgibt.
In einem Abschnitt 18 weisen das Einlageelement 16 und der solide Wandbereich 14 eine Öffnung bzw. Unterbrechung auf, durch die bei der unten mit Bezug auf Figur 4 näher beschriebenen Herstellung des Metallformkörpers 10 fließfähiger Metallschaum in den Metallschaumbereich 12 verbracht wird. Im Abschnitt 18 grenzt der Metallschaumbereich 12 direkt an die Oberfläche 20 des Metallformkörpers 10 an. Dies kann jedoch durch besondere Maß- nahmen bei der Herstellung oder anschließend durch ein Ausfräsen und Verschließen mit solidem Material vermieden werden.
Der solide Wandbereich 14 weist keine oder im Wesentlichen keine oder zumindest (wesentlich) weniger oder (wesentlich) kleinere Hohlräume auf, als der Metallschaumbereich 12. Wie fast jedes Gussteil kann jedoch auch der solide Wandbereich 14 zumindest vereinzelte Lunker oder andere Gaseinschlüsse aufweisen.
Rg. Ia unterscheidet sich von Fig. 1 nur dadurch, dass hier nun zwei unterschiedliche Metallschaumbereiche 12, 13 vorgesehen sind, die durch ein zusätzliches Einlageelement 16 bzw. einen zusätzlichen Teil des mehrstückigen Einlageelementes 16 voneinander getrennt sind und Metallschaum mit unterschiedlichen Eigenschaften enthalten. Der Deutlichkeit halber sind hier unterschiedliche Blasengrößen dargestellt - es könnte sich aber auch um Metallschaum aus verschiedenem Grundmaterial, mit verschiedenen Zusätzen oder ähnlichen Unterschieden handeln. Das zwischen den beiden Metallschaumbereichen 12, 13 an der Grenzfläche eingesetzte Einlageelement 16 verhindert hier im wesentlichen eine Durchmischung der beiden Schaumarten, womit in den beiden Bereichen 12, 13 unterschiedliche Eigenschaften des Metallformkörpers 10 vorgegeben werden können. Auch bei der Ausführung nach Rg. Ia gilt, dass die Metallschaumbereiche 12, 13 untereinander sowie diese mit dem Metallbereich 14 durch die Einlageelemente 16 bzw. die Teile des Einlageelementes 16 hindurch metallisch in Verbindung stehen und durch die Einlageelemente 16 somit ein verstärkter Metallformkörper 10 entsteht.
Abgesehen davon, dass die Bereiche 12, 13 und 14 aus gleichem Grundmaterial bestehen und sich im wesentlichen nur dadurch unterscheiden, dass im Bereich 14 praktisch keine Gasblasen, im Bereich 13 viele kleine Gasblasen und im Bereich 12 weniger große Gasblasen (wie in Fig. Ia dargestellt) vorliegen, könnten diese Unterschiede aber auch so weit gehen, dass sich die Grundmaterialien in den Bereichen 12, 13 und 14 unterscheiden - beispielsweise könnten verschiedene Aluminiumlegierungen in den einzelnen Bereichen Ver- wendung finden oder verschiedene Zusatzstoffe um die Schaumbereiche bzw. den Metallbereich mit bestimmten gewünschten Eigenschaften auszustatten.
Rg. 2 ist eine schematische Darstellung eines Teilabschnitts eines weiteren Metallformkörpers 10 mit einem Metallschaumbereich 12 und einem soliden Wandbereich 14, die durch ein Einlageelement 16 voneinander getrennt sind. Das Beispiel aus Figur 2 unterscheidet sich von dem aus Figur 1 unter anderem dadurch, dass der solide Wandbereich 14 bedingt durch die Form des Einlageelements 16 von einer einfachen Schicht mit einer konstanten Dicke abweicht. In dem soliden Wandbereich 14 ist an einem Ende des Metallformkörpers 10 eine Öse 22 angeordnet. Die Form und Anordnung der Öse 22 ist durch die zur Herstellung des Metallformkörpers 10 verwendete Kokille oder beispielsweise durch eine in die Kokille eingelegte Buchse definiert. Alternativ ist die Öse 22 nach dem Gussvorgang am erkalteten Metallformkörper 10 durch Bohren oder Fräsen hergestellt. Das Einlageelement 16 weist im Bereich der Öse 22 einen stark vergrößerten Abstand von der Oberfläche 20 des Metallformkörpers 10 auf. Im soliden Wandbereich 14 verbleibt deshalb ausreichend Platz für die Öse 22. Durch die Form und Anordnung des Einlageelements 16 ist gewährleistet, dass die Öse 22 allseitig von solidem Material in der erforderlichen Stärke umgeben ist. Ferner ist das Einlageelement 16 so geformt und angeordnet, dass der solide Wandbereich 14 zum Ende und zur Öse 22 hin den dort auftretenden erhöhten lokalen mechanischen Spannungen entsprechend verstärkt ist.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung eines Schnitts durch ein Gussteil 30 mit einem Außenwandkörper 34. Der Außenwandkörper 34 weist eine Form und eine Materialstärke auf, die der vorgesehenen Anwendung entsprechen. Beispielhaft sind hier Ösen 22 und eine Bohrung 36 dargestellt. In dem Außenwandkörper 34 ist ein Kernteil angeordnet, das ähnlich wie die oben anhand der Figuren 1 bis 3 dargestellten Metallformkörper aus einem Metallschaumbereich 12, einem soliden Wandbereich 14 und einem im Grenzbereich zwischen denselben angeordneten Einlageelement 16 besteht. Die äußere Oberfläche 20 des Kernteils, die gleichzeitig der inneren Oberfläche des Außenwandkörpers 34 entspricht, ist geriffelt oder weist eine andere Struktur auf, die durch Formschluss eine Verbindung zwischen dem Kernteil und dem Außenwandkörper 34 schafft. Da der Außenwandkörper 34 beim Gießen auf das Kernteil aufschrumpft kann unter Umständen auf eine Riffelung der Oberfläche 20 des Kernteils bzw. der Grenzfläche zwischen dem Kernteil und dem Außenwandkörper 34 verzichtet werden.
Bei der Herstellung des Gussteils 30 wird zunächst das Kernteil hergestellt und dann in einer Kokille angeordnet und ausgerichtet, die die äußere Gestalt des Gussteils 30 definiert. In dieser Kokille wird das Kernteil mit dem Außenwandkörper 34 umgössen. Durch eine geeignete Wahl der Temperaturen des Kernteils, der Kokille für das Gussteil 30 und des flüssigen Materials des Außenwandkörpers 34 und/oder durch die Verwendung verschiedener Metalle mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen für das Kemteil und für den Außenwandkörper 34 wird sichergestellt, dass das Kernteil beim Umgießen nicht wieder aufschmilzt.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel dient somit ein Metallformkörper, wie er o- ben anhand der Figuren 1 und 2 dargestellt wurde, als verlorener Kern. Seine Größe und Anordnung definierten die Wandstärken des Außenwandkörpers 34. Darüber hinaus stützt der Metallschaumbereich 12 den Außenwandkörper und erhöht damit die Steifigkeit des Me- tallformkörpers und absorbiert Körperschall.
Figur 4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Kokille 40 in der ein Metallform körper bzw. Kernteil 10, wie es beispielsweise oben anhand der Figuren 1 oder 2 dargestellt wurde, hergestellt wird. Die innere Oberfläche 42 der Kokille 40 definiert durch ihre Gestalt die Form des herzustellenden Metallformkörpers bzw. die Form der Oberfläche des Metallformkörpers. In der Kokille 40 ist ein Einlageelement 16 angeordnet, wie es ebenfalls oben anhand der Figuren 1 bis 3 bereits beschrieben wurde.
Durch eine Öffnung 44 des Einlageelements 16 wird fließfähiger Metallschaum mit einem bestimmten Anteil flüssigen Metalls in einen durch das Einlageelement 16 definierten Metallschaumbereich 12 verbracht (Pfeil 46). Der Metallschaum füllt den Metallschaumbe- reich 12. Das Einlageelement 16 weist, wie bereits oben erwähnt, Öffnungen oder Zwischenräume auf, die kleiner als die Gasblasen des fließfähigen Metallschaums sind. Dies bedeutet insbesondere, dass im Falle länglicher Öffnungen oder Zwischenräume mindestens die Breite derselben kleiner oder wesentlichen kleiner ist, als die Durchmesser der meisten (beispielsweise 90 % oder 99 %) der Gasblasen. Deshalb können die Gasblasen bzw. der fließfähige Metallschaum nicht durch die Öffnungen oder Zwischenräume des Einlageelements 16 hindurchtreten.
Überschüssiges flüssiges Metall, d. h. flüssiges Metall, das nicht in Stegen geringer oder minimaler Dicke zwischen zwei Gasblasen enthalten ist, durchdringt die Öffnungen oder Zwischenräume des Einlageelements 16 und füllt einen Zwischenraum 14 zwischen dem Einlageelement 16 und der inneren Oberfläche 42 der Kokille 40. Die Fließbewegung des flüssigen Metalls durch das Einlageelement 16 hindurch und innerhalb des Zwischenraums 14 wird durch Pfeile 48 angedeutet.
Nachdem der Metallschaumbereich 12 vollständig mit fließfähigem Metallschaum und der Zwischenraum 14 vollständig mit flüssigem und im Wesentlichen blasenfreiem Metall gefüllt sind, wird die Kokille 40 abgekühlt. Nachdem der Metallschaum im Metallschaumbereich 12 und das Metall im Zwischenraum 14 erstarrt sind, wird die Form 40 geöffnet oder zerbrochen, um einen fertigen Metallformkörper zu entnehmen. Zur Temperierung vor dem Gussprozess und während des Abkühlens weist die Kokille 40 vorzugsweise Heiz- und/oder Kühlelemente auf, die in Figur 4 nicht dargestellt sind.
Alternativ zu dem oben anhand der Figur 4 dargestellten Verfahren wird der Metallformkörper ähnlich wie in der AT 411 970 B beschrieben mittels einer Gießform bzw. Kokille 40 hergestellt, die neben einer Eintragsöffnung 50 zumindest eine kleinformatige Öffnung 52 im vertikal höchsten Bereich aufweist, wie dies in Figur 5 dargestellt ist. In der Kokille 40 wird das Einlageelement 16 angeordnet. Die Kokille 40 wird auf eine Temperatur unterhalb der Liquidustemperatur bzw. Schmelztemperatur einer schäumbaren Legierung gebracht und/oder belassen. Ein einerseits in eine Schmelze 54 dieser Legierung einragendes Eingieß- oder Füllstück 56 wird andererseits flüssigmetalldichtend mit der Kokille 40 verbunden. Mittels eines aufwärts gerichteten Bewegens des Meniskus bzw. Flüssigmetallspiegels 58 der Schmelze durch die Eintragsöffnung 50 bis in die zumindest eine kleinformatige Öffnung 52 wird die Luft aus der Kokille 40 verdrängt bzw. ausgebracht.
In der Schmelze 54 werden Gasblasen gebildet und zu Metallschaum zusammengeführt. Dieser verdrängt die ursprünglich blasenfreie oder zumindest weitgehend blasenfreie Schmelze 54 innerhalb des Einlageelements 16. Die Blasen werden mit einem Durchmesser erzeugt, der größer ist als die Öffnungen in dem Einlageelement 16, und bleiben deshalb innerhalb des Einlageelements 16. Zwischen dem Einlageelement 16 und der Innenwand der Kokille verbleibt deshalb blasenfreie oder weitgehend blasenfreie Schmelze 54 in einer Schichtdicke, die durch die Form der Innenwand der Kokille 40 und durch die Form und Anordnung des Einlageelements 16 definiert ist.
Nach gezieltem Wärmeentzug erstarren der Metallschaum und die Schmelze in der Kokille 40. Vor diesem Wärmeentzug können die Eintragsöffnung 50 der Kokille 40 geschlossen und die Kokille 40 von dem Eingieß- oder Füllstück 56 getrennt werden.
Wie bereits erwähnt definiert die Anordnung des Einlageelements 16 die Gestalt des soliden Wandbereichs 14. Insbesondere bestimmt der Abstand des Einlageelements 16 von der Oberfläche 20 des Metallform körpers 10 die Dicke des soliden Wandbereichs 14. Im Grenzfall kann das Einlageelement 16 unmittelbar an der Oberfläche 20 des Metallformkörpers 10 angeordnet sein, wobei das Einlageelement 16 beispielsweise ein Netz- oder ein Drahtgeflecht ist. In diesem Fall umfasst der solide Wandbereich 14 die Öffnungen oder Zwischenräume des Einlageelements 16, insbesondere die Zwischenräume zwischen den Drähten eines Drahtgeflechts oder Netzes, in die keine oder nur sehr wenige oder sehr kleine Gasblasen eindringen.
Durch eine entsprechende Anordndung und Formung eines oder mehrerer Einlageelemente 16 können auch solide Bereiche mit weniger oder kleineren oder im Wesentlichen keinen Hohlräumen gebildet werden, die nicht Wandbereiche sind bzw. nicht oder nicht großflächig an eine Oberfläche 20 des Metallformkörpers 10 angrenzen.
Neben dem Einlageelement 16 kann der Metallformkörper 10 weitere Einlagen im soliden Wandbereich 14 oder im Metallschaumbereich 12 enthalten. Diese Einlagen können dann im Gegensatz zum Einlageelement 16 nicht nur zur Definition eines Grenzbereichs zwischen einem Metallschaumbereich 12 und einem soliden Wandbereich 14 dienen, sondern vorzugsweise auch zur Armierung bzw. mechanischen Verstärkung und/oder als Anker oder Befestigungselemente zum Verschrauben, Vernieten, Verschweißen oder zur anderweitigen Verbindung des Metallformkörpers 10 mit anderen Vorrichtungen. Beispielsweise können steg- oder rahmenförmige Einlageelemente 16 dazu dienen, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit (speziell die Zugfestigkeit) und die Steifigkeit, des Metallschaumbereichs 12 und damit des gesamten Metallformkörpers 10 zu verbessern bzw. erhöhen. Sofern eine solche Einlage im Metallschaum angeordnet ist, muss sie so angeordnet sein oder mit ausreichend großen Öffnungen so ausgebildet sein, dass sie das vollständige Auffüllen des Metallschaumbereichs mit fließfähigem Metallschaum nicht verhindert.
Einlageelemente können ferner vorteilhaft dazu verwendet werden, Metallschaumbereiche 12 mit unterschiedlichen Eigenschaften des Metallschaums, insbesondere mit unterschiedlichen Blasen- bzw. Porengrößen, zu definieren (siehe auch Fig. Ia). Dadurch kann beispielsweise innerhalb eines einzigen Metallformkörpers 10 die Fähigkeit zur Absorption von Energie räumlich moduliert werden (Einstellung von mehreren Energieabsorptionsniveaus bzw. Plateauspannungen). Dies ist unter Anderem bei Bauelementen für Knautschzonen von Automobilen oder anderen Fahrzeugen besonders vorteilhaft, da es eine genaue Anpassung an mögliche Unfallszenarien und eine Optimierung des Schutzes der Insassen ermöglicht.
Figur 6 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Metallformkörpers 10, wie er beispielsweise anhand einer der Figuren 1 bis 3 dargestellt wurde. In einem ersten Schritt 82 wird eine Dicke des soliden Wandbereichs 14 oder eines anderen Bereichs, in dem der Metallformkörper 10 weniger oder kleinere oder im Wesentlichen keine Hohlräume enthalten soll, bestimmt. Dies erfolgt beispielsweise aufgrund der mechanischen Anforderung, denen der Metallformkörper 10 entsprechen soll oder aufgrund einer Materialstärke, die für weitere Bearbeitungsschritt (Fräsen, Bohren, Schweißen, etc.) erforderlich ist.
In einem zweiten Schritt 84 wird eine Kokille 40 bereitgestellt, deren innere Oberfläche 42 die Gestalt der äußeren Oberfläche 20 des herzustellenden Metallformkörpers 10 definiert. In einem dritten Schritt 86 wird ein Einlageelement 16 in der Kokille 40 angeordnet, ausgerichtet und beispielsweise durch Klemmungen befestigt. Die Kokille oder zumindest deren innere Oberfläche 42 wird vorzugsweise auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des verwendeten Materials vorgeheizt.
In einem vierten Schritt 88 wird ein schäumbares Metall bereitgestellt, beispielsweise, indem eine fertige Legierung aufgeschmolzen oder direkt in flüssigem Zustand hergestellt wird. Das schäumbare Metall umfasst vorzugsweise Composites mit Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium. Das aufgeschmolzene Metall kann mit Partikeln versetzt werden, die aus einem Material mit einem Schmelzpunkt bestehen, der höher ist, als der Schmelzpunkt des Metalls (wie etwa SiC oder AI2O3). Diese Partikel dienen insbesonders zur Stabilisierung des nachfolgend erzeugten Metallschaums. Einzelheiten sind der in der Einleitung genannten Patentliteratur zu entnehmen.
In einem fünften Schritt 90 wird Gas in die Metallschmelze eingeleitet, um Gasblasen bzw. Metallschaum zu erzeugen. Dabei wird das Gas so eingeleitet, dass Metallschaum mit einer im Wesentlichen monomodalen Verteilung der Größen der Gasblasen bzw. Hohlräume entsteht. In einem sechsten Schritt 92 werden der fließfähige Metallschaum in den Metallschaumbereich 12 und im Wesentlichen blasenfreies flüssiges Metall in den zukünftigen soliden Wandbereich 14 verbracht. Die fünften und sechsten Schritte 90, 92 erfolgen vorzugsweise so, wie es oben anhand der Figuren 4 und 5 beschrieben wurde, und können dabei auch in anderer Reihenfolge ausgeführt werden. In einem siebten Schritt 94 werden die Kokille 40 und das Metall abgekühlt, so dass der Metallschaum im Metallschaumbereich 12 und das im Wesentlichen blasenfreie Metall im zukünftigen soliden Wandbereich 14 erstarren und den Metallformkörper 10 bilden.

Claims

Patentansprüche:
1. Metallformkörper (10) bestehend aus metallisch verbundenen Bereichen (12, 14) von Metallschaum einerseits und Metall andererseits sowie zumindest einem Einlageelement (16) aus einen höheren Schmelzpunkt als das Grundmaterial von Metallschaum und Metall aufweisendem Material, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der/die Metall- schaumbereich(e) (12) (jeweils) aus Metallschaum mit im wesentlichen monomodaler Blasengröße besteht/bestehen und gegenüber angrenzenden Bereichen (14) zumindest teilweise mittels im Grenzbereich angeordneter Einlageelemente (16), die im wesentlichen flächig ausgebildet sind und Durchgangsöffnungen von einem Bereich zum anderen aufweisen, welche in ihrem Querschnitt so ausgebildet sind, dass die im wesentlichen monomodalen Schaumblasen eines Bereiches am Durchtritt in den anderen gehindert sind, abgegrenzt sind.
2. Metallformkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Einlageele- ment(e) (16) ein- oder mehrteilig ausgebildet sind und vorzugsweise ein Netz- und/oder Gitter- und/oder perforiertes Blech und/oder ein anderes perforiertes flächiges Element und/oder eine Mehrzahl von im wesentlichen parallelen Stäben und/oder ein Drahtgeflecht umfasst/umfassen.
3. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial für Metallschaum und Metall ein Aluminiumcomposite-Material ist und das Material für das/die Einlageelement(e) (16) Stahl, Aluminium, Keramik, Kohlenstoff oder Glas in solider Form oder als Faserwerkstoff enthält.
4. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Einlageelement(e) (16) zumindest bereichsweise im wesentlichen gleichen Ab- stand zur Außenkontur des Formkörpers (10) haben, wobei der Bereich zwischen Einla- geelement(en) und Außenkontur im wesentlichen keine oder nur sehr wenige/kleine Schaumblasen aufweist.
5. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlageelement (16) einen Metallschaumbereich von zumindest einem weiteren Metallschaumbereich trennt, wobei die Metallschäume in diesen Bereichen sich in mindestens einer Eigenschaft unterscheiden, vorzugsweise in der Schaumblasengröße.
6. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Einlageelement(e) (16) die mechanische Festigkeit oder Steifigkeit des Metallformkörpers erhöht/erhöhen.
7. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlageelement (16) steg-, leisten- oder rahmenförmig ist oder einen steg-, leisten- oder rahmenförmigen Abschnitt aufweist.
8. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Einlageelement (16) mechanisch vorgespannt ist.
9. Metallformkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallschaums und des Einlageelementes (16) unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei die Vorspannung bei der Abkühlung des Metallformkörpers (10) nach seiner Herstellung auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entsteht.
10. Gussteil mit folgenden Merkmalen: einem Kernteil; und . einem Außenwandkörper, der das Kernteil zumindest teilweise umgibt, wobei das Kernteil ein Metallform körper nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines Metallformkörpers (10) mit folgenden Schritten: Bereitstellen (84) einer Kokille (40) für den Metallformkörper (10);
Anordnen (86) eines ein- oder mehrteiligen Einlageelements (16) mit Öffnungen oder Zwischenräumen in der Kokille (40) in einem Grenzbereich zwischen einem mit Metallschaum zu füllenden Metallschaumbereich (12) und einem weiteren Bereich (14); Aufschmelzen (88) eines Metalls;
Einleiten (90) von Gas in das aufgeschmolzene Metall, um das aufgeschmolzene Metall aufzuschäumen, wobei ein fließfähiger Metallschaum mit im wesentlichen monomodaler Blasengröße größer als die Öffnungen in dem Einlageelement (16) hergestellt wird; Verbringen (92) des fl/eßfähigen Metallschaums in den Metallschaumbereich (12) und von im wesentlichen blasenfreiem Metall in den weiteren Bereich (14); und Abkühlen (94) des Metalls in der Kokille (40), wobei das Metall erstarrt, um den Metallformkörper (10) zu bilden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der fließfähige Metallschaum in die Kokille (40) gedrückt wird, wobei sich in einem Metallschaumbereich (12) auf einer Seite des Einlageelements (16) Metallschaum und auf der anderen Seite des Einlageelements (16) Metall im Wesentlichen ohne Gasblasen ansammelt.
13. Verfahren zum Herstellen eines Metallformkörpers (10), mit folgenden Schritten: Bereitstellen (84) einer Kokille (40) mit einer Eintragsöffnung (50) und zumindest einer kleinformatigen Öffnung (52) im vertikal höchsten Bereich;
Anordnen (86) eines Einlageelementes (16) in der Kokille (40); Verbinden eines Eingieß- oder Füllstücks (56) einerseits mit der Kokille (40) in flüssigme- talldichtender Weise, wobei das Eingieß- oder Füllstücks (56) andererseits in eine
Schmelze (54) eines Metalls einragt;
Bewegen eines Flüssigmetallspiegels (58) der Schmelze (54) durch die Eintragsöffnung
(50) nach oben bis in die zumindest eine kleinformatige Öffnung (52);
Einleiten (90) von Gas in die Schmelze (54), um in der Schmelze (54) Metallschaum zu bilden; und
Abkühlen (94) des Metalls in der Kokille (40), wobei das Metall erstarrt, um den Metafl- formkörper (10) zu bilden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Gas so in die Schmelze (5-4) eingeleitet (90) wird, dass der Metallschaum innerhalb eines ein- oder mehrteiligen Einlageelementes (16) mit Öffnungen oder Zwischenräumen, gebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Einlageelement (16) ein Netz oder ein Gitter oder ein perforiertes Blech oder ein anderes perforiertes flächiges E- lement oder eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallelen Stäben oder ein Drahtgeflecht umfasst.
16. Verfahren nach em' em der Ansprüche 11 bis 15, ferner mit folgendem Schritt: Vorspannen zumindest eines der Einlageelemente (16) vor dem Verbringen (92) des fließfähigen Metallschaums oder vor dem Abkühlen (94) des Metallschaums.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, ferner mit folgendem Schritt: Vorbestimmen (82) einer Dicke eines weiteren Bereichs (14) des Metallformkörpers (10), in dem der Metallformkörper (10) weniger oder kleinere Hohlräume enthalten soll als in dem Metallschaumbereich (12), wobei das Einlageelement (16) so geformt und in der Kokille (40) angeordnet wird, dass der weitere Bereich (14) die vorbestimmte Dicke aufweist.
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