EP2427284B1 - Pulvermetallurgisches verfahren zur herstellung von metallschaum - Google Patents

Pulvermetallurgisches verfahren zur herstellung von metallschaum Download PDF

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EP2427284B1
EP2427284B1 EP10736959.7A EP10736959A EP2427284B1 EP 2427284 B1 EP2427284 B1 EP 2427284B1 EP 10736959 A EP10736959 A EP 10736959A EP 2427284 B1 EP2427284 B1 EP 2427284B1
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/11—Making porous workpieces or articles
    • B22F3/1121—Making porous workpieces or articles by using decomposable, meltable or sublimatable fillers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
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    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/11—Making amorphous alloys

Definitions

  • the invention relates to a powder metallurgical process for the production of aluminum-based metal foam.
  • blowing agent or gas-releasing agent eg. US 3,087,807 ZrH 1.01 as a gas-releasing agent; US 2,935,396 CdCO 3 or MgCO 3 as a gas-releasing agent; US 2,983,597 - TiH 2 or ZrH 2 as blowing agent
  • blowing agent or gas-releasing agent eg. US 3,087,807 ZrH 1.01 as a gas-releasing agent; US 2,935,396 CdCO 3 or MgCO 3 as a gas-releasing agent; US 2,983,597 - TiH 2 or ZrH 2 as blowing agent
  • Powder metallurgical processes for the production of metal foams have also been developed for years and the metal foams produced have been investigated for their properties.
  • such a powder metallurgical process comprises the following process steps: mixing at least one metal powder and one blowing agent powder, then compacting to form a dense, foamable semi-finished product. If this semifinished product is heated above the melting point, it expands and the metal is converted into a semi-liquid, viscous state, at the same time releasing gas from the decomposing propellant and foaming the semifinished product.
  • a powder metallurgical process in which as blowing agent-containing powder, a metal compound is selected, the metal component consists exclusively of one or more metals to be foamed powdered metallic material to the metal component to change the alloy composition to a small extent and to cause no metallic impurities.
  • Preferred propellants are salts which are selected from acetates, hydrates, hydroxides, hydrides and carbonates or mixed salts thereof and which are particularly efficient gas formers which, when decomposed, preferably form hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, water and / or methane.
  • the powder metallurgical process for the production of aluminum-based metal foam comprises at least the process steps: mixing a metal powder of at least aluminum with Al (1-x) Mg (x) with 10 mass% ⁇ x ⁇ 100 mass% as gas generator in the form of metal powder in a concentration of 4 to 50 mass%; then compacting the metal powder mixture; then heating the compact at atmospheric pressure to a temperature above the melting point of the metal matrix to produce a liquid metal foam and then cooling the resulting metal foam at a temperature below the solidus temperature of the metal matrix.
  • pre-alloyed Al-Mg metal powder is used.
  • the compacting of the metal powder mixture takes place for example by means of uniaxial compaction or by extrusion.
  • Al-based metal foam in a concentration of 50 to 96 mass% is mixed with Al (1-x) Mg (x) as the remainder.
  • up to 40 mass% of Cu powder or up to 15 mass% of Si powder or up to 40 mass% of Zn powder may optionally be used. Even small additions of up to 5 mass% of Sn or Sb or Mn or Ni powders to the metal powder mixture instead of the Al powder cause a reduction of the melting temperature.
  • Further embodiments relate to the compaction of the powder mixture, which is carried out at a temperature in the range of 200 ° C ⁇ T ⁇ 450 ° C and at a pressure in the range of 200 MPa ⁇ p ⁇ 500 MPa, and the temperature for the foaming process for an Al -based metal foam is set between 450 and 650 ° C.
  • the Al (1-x) Mg (x) alloy having 10 mass% ⁇ x ⁇ 100 mass% can be used both as a gas generator and as an alloying ingredient in the production of metal foams.
  • metal foams having a homogeneous and stable foam structure which has small pores with an average diameter between 0.05 and 2 mm, could be produced.
  • the pores are also not interconnected, which could not yet be achieved with the prior art according to known powder metallurgy processes.
  • Another advantage of the invention is - as already mentioned - is that with the admixture of Al (1-x) Mg (x) powder with 10 mass% ⁇ x ⁇ 100 mass% of the melting point of the Al-based alloy was lowered.
  • Fig. 1 and Fig. 2 show in each case a comparison of an Al-based metal foam prepared according to a known powder metallurgy process with propellant ( Fig. 1 ) and without propellant ( Fig. 2 ), ie produced according to the inventive method. Clearly visible are the significantly larger pores in the propellant produced metal foam.
  • Fig. 3 shows a microscope image of the foam structure of an Al-based metal foam produced by the process according to the invention, now in a higher magnification than in Fig. 1 .
  • This metal foam is produced as follows: 60% by weight of Al powder and 30% by weight of AlMg50 powder and 10% by weight of Cu powder are used to produce the powder mixture. The Cu powder was added to lower the melting point of the alloy. The compaction takes place at 400 ° C and a pressure of 300 MPa. For foaming the compacted sample, a temperature of 600 ° C is set.
  • the Al-based metal foam thus prepared has a density of 0.6 gcm -3 and pores having an average diameter of 800 ⁇ m.
  • Fig. 4 the curve for the stress-strain behavior of a metal foam with the composition AlMg15Cu10 is shown, which has a density of 0.72 gcm -3 and an average diameter of the pores of 1 mm. Investigations of the metal foam produced by the process according to the invention have shown that its compressive strength and rigidity are at least as good as those of other standard foams.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Aluminium-basiertem Metallschaum.
  • Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen mit Treibmittel bzw. gasabspaltendem Mittel (z. B. US 3,087,807 - ZrH1,01 als gasabspaltendes Mittel; US 2,935,396 - CdCO3 oder MgCO3 als gasabspaltendes Mittel; US 2,983,597 - TiH2 oder ZrH2 als Treibmittel) sind seit langem bekannt.
  • Auch pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen werden seit Jahren weiterentwickelt und die hergestellten Metallschäume auf ihre Eigenschaften untersucht.
  • Ganz allgemein umfasst ein solches pulvermetallurgisches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: Mischen mindestens eines Metallpulvers und eines Treibmittelpulvers, danach Kompaktieren zu einem dichten, aufschäumbaren Halbzeug. Wird dieses Halbzeug über den Schmelzpunkt hinaus erwärmt, expandiert es und das Metall wird in einen semi-flüssigen, viskosen Zustand überführt, wobei gleichzeitig Gas aus dem sich zersetzenden Treibmittel frei wird und das Aufschäumen des Halbzeugs erfolgt.
  • In DE 101 15 230 A1 wird ein pulvermetallurgisches Verfahren beschrieben, bei dem als treibmittelhaltiges Pulver eine Metallverbindung ausgewählt wird, deren Metallkomponente ausschließlich aus einem oder mehreren Metallen des zu schäumenden pulverförmigen metallischen Materials besteht, um mit der Metallkomponente die Legierungszusammensetzung in geringem Umfang zu ändern und keine metallischen Verunreinigungen zu verursachen. Als Treibmittel sind bevorzugt Salze angegeben, die aus Acetaten, Hydraten, Hydroxiden, Hydriden und Carbonaten bzw. Mischsalze hieraus ausgewählt werden und die besonders effiziente Gasbildner sind, die bei ihrer Zersetzung bevorzugt Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und/oder Methan bilden.
  • In den letzten Jahren sind auch pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen ohne Verwendung eines Treibmittels entwickelt worden. So ist beispielsweise in DE 10 2005 037 305 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem das Metallpulver zunächst unter mechanischem Druck und einer Temperatur von bis zu 400 °C zu einem formstabilen Halbzeug gepresst wurde, dieses anschließend in einer druckdicht verschlossenen Kammer bei einem gewählten Anfangsdruck von bis zu 5 MPa auf die Schmelz- bzw. die Solidustemperatur des Metallpulvers aufgeheizt wird. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der Druck definiert reduziert, das Halbzeug schäumt sich auf, der entstandene Metallschaum erstarrt während der abschließenden Absenkung der Temperatur. Dieses Verfahren ist durch die Notwendigkeit druckdichter Behälter relativ aufwändig.
  • Ein in US 4,283,465 A beschriebenes Verfahren betrifft die Herstellung eines porösen Sinterkörpers. Bei diesem Verfahren wird einem ersten Bestandteil aus einem AI-Legierungspulver mit 0,1 % Mg, 0,1 % Si, 1 % Cu und 0,2 % Mn ein zweiter Bestandteil aus einem Al-Mg(20 %)-Pulver bzw.-Granulat zugemischt. Der zugemischte Bestandteil bildet den zweiten Schmelzanteil für den dem Mischschritt folgenden Flüssigphasen-Sinterprozess beider Bestandteile. Der dabei angewendete Druck von kleiner 80 Pa dient der Formgebung des Sinterkörpers sowie der Verringerung der beim Sintern entstandenen Hohlräume, die alle miteinander verbunden sind. Eine Gasfreisetzung erfolgt hierbei nicht.
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiteres pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Aluminium-basiertem Metallschaum anzugeben, das im Vergleich zum Stand der Technik weniger aufwändig und kostengünstiger und nur mit legierungseigenen Bestandteilen realisierbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Dabei wird das überraschenderweise bei Versuchen zur Änderung einer AI-Legierung durch Zugabe von Al(1-x)Mg(x) -Pulver gefundene Ergebnis ausgenutzt, dass das Al(1-x)Mg(x)-Pulver und sogar auch reines Mg-Pulver so viel Wasserstoff enthält, dass es eine für den Aufschäumprozess ausreichende Menge Wasserstoff bei der Temperaturerhöhung abgibt. Damit wirkt dieses Al(1-x)Mg(x)-Pulver sowohl als Legierungsbestandteil - bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem wesentlich größeren Umfang als dem Stand der Technik nach bereits erwähnt - als auch als Gasbildner. Die Zuführung eines speziellen Treibmittels, das notwendigerweise auch legierungsfremde Bestandteile enthält, ist damit nicht mehr notwendig.
  • Erfindungsgemäß umfasst das pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Aluminium-basiertem Metallschaum mindestens die Verfahrensschritte: Mischen eines Metallpulvers aus mindestens Aluminium mit Al(1-x)Mg(x) mit 10 Massen% ≤ x ≤ 100 Massen% als Gasbildner in Form von Metallpulver in einer Konzentration von 4 bis 50 Massen%; anschließendes Verdichten der Metallpulvermischung; danach Erhitzen des Presslings bei Atmosphärendruck auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Metallmatrix zur Erzeugung eines flüssigen Metallschaumes und abschließendes Kühlen des entstandenen Metallschaumes bei einer Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Metallmatrix.
  • Ist x < 100 Massen% wird vorlegiertes Al-Mg-Metallpulver verwendet.
  • Das Verdichten der Metallpulvermischung erfolgt beispielsweise mittels uniaxialer Kompaktierung oder mittels Strangpressen.
  • In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Herstellung von Al-basiertem Metallschaum Al-Pulver in einer Konzentration von 50 bis 96 Massen% mit Al(1-x)Mg(x) als Rest vermischt wird.
  • Zur Verringerung der Schmelztemperatur einer Al-basierten Legierung kann wahlweise anstelle des Al-Pulvers bis zu 40 Massen% Cu-Pulver oder bis zu 15 Massen% Si-Pulver oder bis zu 40 Massen% Zn-Pulver verwendet werden. Auch geringe Zugaben von bis zu 5 Massen% Sn- oder Sb- oder Mn- oder Ni-Pulver zur Metallpulvermischung anstelle des Al-Pulvers bewirken eine Verringerung der Schmelztemperatur.
  • Weitere Ausführungsformen betreffen die Kompaktierung der Pulvermischung, die bei einer Temperatur im Bereich von 200 °C ≤ T ≤ 450 °C und bei einem Druck im Bereich von 200 MPa ≤ p ≤ 500 MPa durchgeführt wird, und die Temperatur für den Aufschäumprozess für einen Al-basierten Metallschaum zwischen 450 und 650 °C eingestellt wird.
  • Die Al(1-x)Mg(x)-Legierung mit 10 Massen%≤ x ≤ 100 Massen% kann sowohl als Gasbildner als auch als Legierungsbestandteil bei der Herstellung von Metallschäumen verwendet werden.
  • Der bisher beim Schaumbildungsprozess unerwünschte Wasserstoff, der durch-die Zugabe von vorlegiertem Al(1-x)Mg(x)-Pulver zur-Veränderung der Legierung während der Temperaturerhöhung entstand, wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ganz bewusst als Gasbildner ausgenutzt, so dass kein weiteres Treibmittel zugegeben werden muss. Damit kommen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Metallschäumen keine legierungsfremden Bestandteile zum Einsatz.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten Metallschäume mit einer homogenen und stabilen Schaumstruktur, die kleine Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser zwischen 0,05 und 2 mm aufweist, hergestellt werden. Die Poren sind außerdem nicht miteinander verbunden, was mit den bisher dem Stand der Technik nach bekannten pulvermetallurgischen Verfahren noch nicht erreicht werden konnte. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht - wie schon erwähnt - darin, dass mit der Beimischung von Al(1-x)Mg(x)-Pulver mit 10 Massen% ≤ x ≤ 100 Massen% der Schmelzpunkt der Al-basierten Legierung abgesenkt wurde.
  • Die Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.
  • Dabei zeigen
    • Fig. 1:
    Aufnahme eines Al-basierten Metallschaums gemäß Stand der Technik-Verfahren hergestellt;
    Fig. 2:
    Aufnahme eines Al-basierten Metallschaums gemäß erfindungsgemäßem Verfahren hergestellt;
    Fig. 3:
    Mikroskopaufnahme eines Al-basierten Metallschaums hergestellt mit erfindungsgemäßem Verfahren;
    Fig. 4:
    Spannungs-Druckverhalten des Al-basierten Metallschaums gemäß Fig. 2 und 3.
  • Fig. 1 und Fig. 2 zeigen zur Gegenüberstellung jeweils eine Aufnahme eines Al-basierten Metallschaumes hergestellt gemäß einem bekannten pulvermetallurgischen Verfahren mit Treibmittel (Fig. 1) und ohne Treibmittel (Fig. 2), d. h. gemäß erfindungsgemäßem Verfahren hergestellt. Gut erkennbar sind die deutlich größeren Poren in dem mit Treibmittel hergestellten Metallschaum.
  • Fig. 3 zeigt eine Mikroskopaufnahme der Schaumstruktur eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Al-basierten Metallschaums, nunmehr in einer höheren Vergrößerung als in Fig. 1. Dieser Metallschaum wird wie folgt hergestellt: Für die Herstellung der Pulvermischung wird 60 Massen% Al-Pulver und 30 Massen% AlMg50-Pulver sowie 10 Massen% Cu-Pulver verwendet. Das Cu-Pulver wurde hinzugefügt, um den Schmelzpunkt der Legierung zu verringern. Die Kompaktierung erfolgt bei 400 °C und einem Druck von 300 MPa. Für das Aufschäumen der kompaktierten Probe wird eine Temperatur von 600 °C eingestellt. Der so hergestellte Al-basierte Metallschaum weist eine Dichte von 0,6 gcm-3 auf und Poren mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 800 µm.
  • In Fig. 4 ist die Kurve für das Spannungs-Stauchungs-Verhalten eines Metallschaums mit der Zusammensetzung AlMg15Cu10 dargestellt, der eine Dichte von 0,72 gcm-3 und einen durchschnittlichen Durchmesser der Poren von 1 mm aufweist. Untersuchungen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallschaums haben gezeigt, dass seine Druckfestigkeit und Steifigkeit mindestens so gut sind wie bei anderen Standard-Schäumen.

Claims (11)

  1. Pulvermetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Aluminium-basiertem Metallschaum, mindestens aufweisend die Verfahrensschritte
    - Mischen eines Metallpulvers aus mindestens Aluminium mit Al(1-x)Mg(x) mit 10 Massen% ≤ x ≤ 100 Massen% als Gasbildner in Form von Metallpulver in einer Konzentration von 4 bis 50 Massen%;
    - anschließendes Verdichten der Metallpulvermischung,
    - danach Erhitzen des Presslings bei Atmosphärendruck auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Metallmatrix zur Erzeugung eines flüssigen Metallschaumes,
    - abschließend Kühlen des entstandenen mikrozellularen Metallschaumes bei einer Temperatur unterhalb der Solidustemperatur der Metallmatrix.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Al(1-x)Mg(x) mit 40 Massen% ≤ x ≤ 60 Massen%, bevorzugt AlMg50, verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für x < 100 Massen% vorlegiertes Metallpulver verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem Metallpulver Zn zugemischt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für die Herstellung von Al-basiertem Metallschaum Al-Pulver in einer Konzentration von 50 bis 96 Massen% mit Al(1-x)Mg(x) als Rest vermischt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wahlweise anstelle des dem Metallschaum zugrundeliegenden Al-Pulvers bis zu 40 Massen% Cu-Pulver verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wahlweise anstelle des dem Metallschaum zugrundeliegenden Al-Pulvers bis zu 15 Massen% Si-Pulver verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wahlweise anstelle des dem Metallschaum zugrundeliegenden Al-Pulvers bis zu 40 Massen% Zn-Pulver verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wahlweise anstelle des dem Metallschaum zugrundeliegenden Al-Pulvers bis zu 5 Massen% Sn- oder Sb- oder Mn- oder Ni-Pulver verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kompaktierung der Pulvermischung bei einer Temperatur im Bereich von 200 °C ≤ T ≤ 450 °C und bei einem Druck im Bereich von 200 MPa ≤ p ≤ 500 MPa durchgeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1 und 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Aufschäumen des Presslings für einen Al-basierten Metallschaum bei einer Temperatur von 450 °C ≤ T ≤ 650 °C durchgeführt wird.
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