DE10104339A1 - Process for the production of metal foam and metal body produced thereafter - Google Patents
Process for the production of metal foam and metal body produced thereafterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum und einen danach hergestellten Metallkörper. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze in einen Formhohlraum einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel ausschäumt.The invention relates to a method for producing metal foam and a metal body produced according to it. DOLLAR A The object is achieved by a process for the production of metal foam by adding a blowing agent to a molten metal, which is characterized in that the molten metal is introduced into a mold cavity and foamed with a blowing agent that is gas-releasing and solid at room temperature.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Me tallschaum, insbesondere von Metallschaum aus Aluminiumwerk stoffen sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Metall körper, zum Beispiel ein Bauteil aus einem solchen Aluminium werkstoff.The invention relates to a method for producing Me tall foam, in particular of metal foam from aluminum works substances and a metal produced by this process body, for example a component made of such an aluminum material.
Es ist bekannt, Bauteile aus geschäumten metallischen Werkstof fen herzustellen. Diese zeichnen sich durch leichte Bauweise, Steifigkeit, Druckfestigkeit, verbesserte mechanische und akus tische Dämpfung u. a. aus. So werden zum Beispiel Gießkerne aus Aluminiumschaum mit einem Aluminiumwerkstoff umgossen oder sol che als Formteile in ein Bauteil eingelegt. Hülle und Kern bzw. Formteil werden getrennt hergestellt und anschließend miteinan der verbunden. Dies hat neben dem hohen Fertigungsaufwand auch eine geringe Fertigungsqualität zur Folge.It is known to use components made of foamed metallic material to manufacture fen. These are characterized by light construction, Stiffness, compressive strength, improved mechanical and acus table damping u. a. out. For example, casting cores are made Cast aluminum foam with an aluminum material or sol surface as molded parts in a component. Shell and core or Molded parts are manufactured separately and then together the connected. In addition to the high manufacturing costs, this also has low manufacturing quality.
Die Basis von schaumfähigen Aluminiumhalbzeugen ist verdüstes Aluminiumpulver, welchem ein Treibmittel zugemischt wird. So wird zum Beispiel nach der DE-A-197 44 300 ein aus einer Pul vermischung gepresster Körper in einem beheizbaren, geschlos senen Gefäß auf Temperaturen oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und/oder der Schmelztemperatur des Metalls er wärmt.The basis of foamable aluminum semi-finished products is atomized Aluminum powder to which a blowing agent is added. So For example, according to DE-A-197 44 300, a pul mixing pressed body in a heatable, closed its vessel to temperatures above the decomposition temperature the blowing agent and / or the melting temperature of the metal warms.
Das Pulver wird verdichtet und das so entstandene Formteil wird in den auszuschäumenden Bereich eines Bauteils eingelegt und durch eine Erwärmung auf bis zu 650°C geschäumt. Dabei kann die "Hülle" unzulässigen Verformungen unterliegen oder der Schäumvorgang erfolgt ungleichmäßig.The powder is compacted and the resulting molded part becomes placed in the area of a component to be foamed and foamed by heating up to 650 ° C. It can the "envelope" is subject to impermissible deformations or the Foaming takes place unevenly.
Möglich ist ebenso ein Sintern metallischer Hohlkugeln oder eine Infiltration von Metallschmelzen in Kerne bzw. Füllkörper, die nach Erstarrung der Schmelze entfernt werden.It is also possible to sinter hollow metal spheres or infiltration of molten metal into cores or fillings, which are removed after the melt solidifies.
Nach einem Verfahren gemäss der JP-A-03017236 werden metalli sche Artikel mit Hohlräumen dadurch erzeugt, dass Gase in einer Metallschmelze gelöst werden und der Aufschäumvorgang durch plötzliche Druckverringerung eingeleitet wird. Durch Abkühlen der Schmelze wird der Schaum stabilisiert.According to a method according to JP-A-03017236, metalli created articles with cavities in that gases in a Metal melt can be solved and the foaming process sudden pressure reduction is initiated. By cooling the foam is stabilized in the melt.
Der Lehre der JP-A-09241780 folgend, wird metallischer Schaum unter kontrollierter Freisetzung von Treibgasen gewonnen, indem ein Metall zunächst bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungs temperatur des verwendeten Treibmittels geschmolzen wird. Durch anschließendes Dispergieren des Treibmittels im geschmolzenen Metall und Erhitzen der Matrix über die dann zur Freisetzung von Treibgasen benötigte Temperatur etabliert sich ein Metall schaum.According to the teaching of JP-A-09241780, metallic foam obtained under controlled release of propellant gases by a metal initially at temperatures below decomposition temperature of the blowing agent used is melted. By then dispersing the blowing agent in the molten Metal and heat the matrix over which is then released A temperature is established for propellant gases foam.
Vorbekannt ist das Gießen von Metallteilen mit verlorenem Schaum gemäss EP-B-0 461 052. Die WO 92/21457 beschreibt die Herstellung von Aluminiumschaum dergestalt, dass Gas unter die Oberfläche eines geschmolzenen Metalls eingeblasen wird, wobei Abrasivstoffe als Stabilisatoren dienen.The casting of metal parts with lost is previously known Foam according to EP-B-0 461 052. WO 92/21457 describes the Production of aluminum foam in such a way that gas under the Surface of a molten metal is blown in Abrasives serve as stabilizers.
Die EP-B-0 666 784 beschreibt ein Verfahren zum Formgießen eines mittels Teilchen stabilisierten Metallschaums, insbesondere eine Aluminiumlegierung, indem ein Verbund aus einer Metallmatrix und fein verteilten festen Stabilisierungsteilchen über die Solidustemperatur der Metallmatrix erwärmt wird, und Gasblasen in den geschmolzenen Metallverbund unterhalb dessen Oberfläche abgelassen werden, um dadurch einen stabilisierten flüssigen Schaum an der Oberfläche des geschmolzenen Metallverbundes auszubilden. Kennzeichnend ist ein Formgießen des Metallschaumes durch Pressen des stabilisierten flüssigen Schaumes in eine Form und mit einem Druck, der nur ausreicht, dass der flüssige Schaum die Gestalt der Form annimmt, ohne dass die Zellen des Schaums wesentlich komprimiert werden und nachfolgendes Kühlen und Verfestigen des Schaums, um einen geformten Gegenstand zu erhalten. Der Schaum wird hierbei mittels einer beweglichen Platte in die Form gedrückt. Eine erste bewegliche Platte drückt den flüssigen Schaum in die Form und am geformten Schaumgegenstand wird eine glatte Oberfläche ausgebildet. Eine zweite bewegliche Platte wird in den Schaum innerhalb der Form gedrückt, um am Schaumgegenstand glatte Innenflächen auszubilden. Die Formgebung kann aber auch mittels Rollen erfolgen.EP-B-0 666 784 describes a method for molding a metal foam stabilized by particles, in particular an aluminum alloy by making a composite of a metal matrix and finely divided solid Stabilizing particles over the solidus temperature of the Metal matrix is heated, and gas bubbles in the molten Metal composite to be drained below its surface thereby a stabilized liquid foam on the surface of the molten metal composite. characteristic is a molding of the metal foam by pressing the stabilized liquid foam in a mold and with a Pressure that is only sufficient for the liquid foam to take shape takes shape without the cells of the foam essential be compressed and subsequent cooling and solidification of the Foam to obtain a shaped object. The foam is in the form of a movable plate pressed. A first movable plate presses the liquid one Foam in the mold and on the molded foam object becomes one smooth surface. A second movable plate is pressed into the foam inside the mold to Foam object to form smooth inner surfaces. The Shaping can also be done using rollers.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Me tallschaum lehrt die EP-A-0 804 982. Hierbei erfolgt das Aufschäumen in einer beheizbaren Kammer außerhalb einer Gussform, wobei das Volumen des in die Kammer eingebrachten pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials für den Metallschaum in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase dem Volumen einer Füllung der Gussform im Wesentlichen entspricht. Aller in der Kammer befindliche Metallschaum wird in die Gussform gedrückt, in der ein Aufschäumen mit der restlichen Schäumkapazität fortgesetzt wird, bis zum vollständigen Ausfüllen der Gussform. Die Gussform ist eine Sand- oder Keramikform, der Metallschaum wird als Halbzeug in die Kammer eingebracht und erst nach dem Aufschäumen zum Beispiel mittels eines Kolbens in die Gussform gedrückt. Beim Drücken des Schaumes in die Form wird dieser geschert. Die Form wird nicht mit einem Schaum von an sich gewollt inhomogener Struktur gefüllt. Another process for the production of molded parts from Me tallschaum teaches EP-A-0 804 982. This is done here Foaming in a heatable chamber outside of one Mold, the volume of which is introduced into the chamber powder metallurgical starting material for the metal foam in its phase foamed with the entire foaming capacity the volume of a filling of the mold essentially equivalent. All metal foam in the chamber is pressed into the mold, in which foaming with the remaining foaming capacity is continued until complete filling of the mold. The mold is one Sand or ceramic form, the metal foam is used as a semi-finished product the chamber introduced and only after foaming to Example pressed into the mold using a piston. At the Pressing the foam into the mold shears it. Form is not wanted with a foam of inhomogeneous in itself Structure filled.
Die DE-A-195 01 508 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlraumprofils mit reduziertem Gewicht und erhöhter Steifigkeit, zum Beispiel ein Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges. Dieses besteht aus Aluminiumdruckguss und in dessen Hohlräumen befindet sich ein Kern aus Aluminiumschaum. Der integrierte Schaumkern wird auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt und anschließend an der Innenwand eines Gießwerkzeuges fixiert und mittels Druckgießverfahren mit Metall umgossen.DE-A-195 01 508 discloses a process for the production a cavity profile with reduced weight and increased Stiffness, for example a component for the chassis of a Motor vehicle. This consists of die-cast aluminum and in Its cavities contain a core made of aluminum foam. The integrated foam core is made by powder metallurgy manufactured and then on the inner wall of a Casting tool fixed and using a die casting process Cast metal.
Das Lösen bzw. Einblasen von Treibgasen in Metallschmelzen ist nicht zur Herstellung endkonturnaher Bauteile geeignet, da ein System, bestehend aus Schmelze mit okkludierten Gasblasen nicht ausreichend zeitstabil ist, um in formgebenden Werkzeugen ver arbeitet zu werden.The dissolving or blowing in of propellant gases in molten metal is not suitable for the production of near-net-shape components, since a System consisting of melt with occluded gas bubbles not is sufficiently stable to ver in shaping tools to be working.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und für die Massenfertigung taugliches Verfahren zur Herstellung von Me tallschaum bereit zu stellen, welches mit geringem Aufwand die Herstellung von endkonturnahen Metallkörpern gestattet.It is therefore an object of the invention, a simple and for the Process suitable for mass production for the production of me To provide tall foam, which with little effort Production of near-net-shape metal bodies permitted.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht in einer ersten Ausführungsform in einem Verfahren zur Herstellung von Metall schaum durch Zugabe eines Treibmittels zu einer Metallschmelze, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Metallschmelze in einen Formhohlraum einbringt und mit einem gasabspaltenden, bei Raumtemperatur festen Treibmittel ausschäumt.The solution to the above problem is a first Embodiment in a process for producing metal foam by adding a blowing agent to a molten metal, which is characterized in that the molten metal in introduces a mold cavity and with a gas-releasing, at Foaming solid blowing agent at room temperature.
Überraschend wurde gefunden, dass sich insbesondere Leichtme tallschäume zum Beispiel aus Aluminium oder Aluminiumlegierun gen als Integralschäume, d. h. mit geschlossener Außenhaut, ge zielt als Gradientenwerkstoff und endkonturnah in einem Schritt durch einen Gießvorgang, zum Beispiel in einer handelsüblichen Druckgießmaschine herstellen lassen, beruhend auf der Verwen dung fester, gasabspaltender Treibmittel, zum Beispiel eines Metallhydrids, insbesondere eines Leichtmetallhydrids.It was surprisingly found that Leichtme in particular tall foams, for example made of aluminum or aluminum alloy gene as integral foams, d. H. with closed outer skin, ge targets as a gradient material and close to the final contour in one step by a casting process, for example in a commercially available Have a die casting machine manufactured based on the use solid, gas-releasing blowing agents, for example one Metal hydride, especially a light metal hydride.
Beim Druckgießen im Sinne der vorliegenden Erfindung wird flüs siges oder breiiges Metall mit hohem Druck in eine Form ge drückt, die den Formhohlraum darstellt. Beim Warmkammer-Verfah ren wird das Metall direkt aus dem Schmelzraum mit bis ca. 107 Pa in die Form gespritzt, beim erfindungsgemäß bevorzugten Kaltkammer-Verfahren, zum Beispiel für Werkstoffe aus Al- und Mg-Legierungen wird die Schmelze erst in eine kalte Zwischen kammer und von dort mit mehr als 108 Pa in die Form gepresst. Die Gießleistung des Warmkammer-Verfahrens ist höher, aller dings auch die Abnutzung der Anlage. Die Vorzüge des Druckgus ses liegen in der guten Werkstoff-Festigkeit, der sauberen Oberfläche, der hohen Maßgenauigkeit, den geringen erforderli chen Wanddicken, der Möglichkeit komplexer Gußstückgestaltung und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit. Diese Vorteile können durch Unterdruck (Vakuum) in der Kokille weiter verbessert wer den. Vorteilhaft einsetzbar sind hierbei am Markt erhältliche, echtzeitgeregelte Druckgießmaschinen.In die casting in the sense of the present invention, liquid or pasty metal is pressed under high pressure into a mold which represents the mold cavity. In the hot chamber process, the metal is injected directly from the melting chamber into the mold at up to about 10 7 Pa, in the cold chamber method preferred according to the invention, for example for materials made of Al and Mg alloys, the melt is first introduced into a cold intermediate chamber and from there pressed into the mold with more than 10 8 Pa. The casting performance of the hot chamber process is higher, but also the wear of the system. The advantages of die casting are the good material strength, the clean surface, the high dimensional accuracy, the small required wall thicknesses, the possibility of complex casting design and the high working speed. These advantages can be further improved by negative pressure (vacuum) in the mold. Real-time controlled die casting machines available on the market can be used advantageously.
Der erfindungsgemäß bevorzugte Verfahrensablauf umfasst das Einfüllen des erforderlichen Volumens an Metallschmelze in die Füll- bzw. Gießkammer und deren Einbringen in einen Formhohl raum unter Zugabe des Treibmittels zu der Metallschmelze. Me tallschmelze und Treibmittel werden in einer bevorzugten Aus führungsform in dem Formhohlraum zusammengebracht, wobei die Form volumendefiniert mit dem Schmelze-Treibmittelgemisch ge füllt respektive unterfüllt wird.The process sequence preferred according to the invention includes this Pour the required volume of molten metal into the Filling or casting chamber and its introduction into a mold cavity space with the addition of the blowing agent to the molten metal. me tallschmelze and blowing agent are in a preferred Aus leadership in the mold cavity, the Shape defined by volume with the melt-blowing agent mixture fills or underfills.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Treib mittel nicht direkt in den Formhohlraum, sondern in einer Füll- oder Gießkammer mit der Metallschmelze in Kontakt gebracht und das Gemisch anschließend in den Formhohlraum eingebracht.In a further preferred embodiment, the blowing medium not directly into the mold cavity, but in a filling or casting chamber brought into contact with the molten metal and the mixture is then introduced into the mold cavity.
Das Einbringen des Treibmittels in die Füll- oder Gießkammer einerseits und/oder den Formhohlraum andererseits kann vor, während und/oder nach dem Einbringen der Metallschmelze in die jeweilige Kammer erfolgen. Von Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist jedoch, dass die Ausschäumung bedingt durch die Gasabspaltung des Treibmittels im wesentlichen erst im Form hohlraum erfolgt.The introduction of the blowing agent into the filling or casting chamber on the one hand and / or the mold cavity on the other hand, during and / or after introducing the molten metal into the respective chamber. Of importance for the present However, the invention is that the foaming due to the Gas splitting of the blowing agent essentially only in the form cavity occurs.
Das Ausschäumen selbst erfolgt in dem Formhohlraum, der eine geschlossene Form darstellt. Diese kann jedoch, wie beim Druck gießen oder dergleichen üblich über Steigkanäle zur Entlüftung verfügen. Danach erfolgt das Ausstoßen des im wesentlichen ge schäumten Metallkörpers.The foaming itself takes place in the mold cavity, the one represents closed form. However, as with printing, this can pour or the like usual via risers for ventilation feature. This is followed by the ejection of the substantially ge foamed metal body.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Treibmittel direkt in der Füll- oder Gießkammer oder in der Formkavität zur Metall schmelze hinzugegeben, wobei jeweils in einem Arbeitsgang in tegral geschäumte Metallkörper hergestellt werden. Diese weisen eine glatte Oberfläche auf, deren Bildung gut reproduzierbar ist. Infolge der möglichen Sprühfüllung sind unterschiedliche Wandstärken gut einstellbar. Die Wandungen sind allseitig ge schlossen, sauber, dicht und homogen. Eine Nachbehandlung ist in der Regel nicht erforderlich. Nach innen sind die herge stellten Metallkörper zunehmend porös und weisen einen Dichte gradienten auf.In a further embodiment, the blowing agent is directly in the filling or casting chamber or in the mold cavity to the metal melt added, each in one operation in tegral foamed metal body can be produced. These point a smooth surface, the formation of which is reproducible is. Due to the possible spray filling there are different Wall thicknesses easily adjustable. The walls are on all sides closed, clean, dense and homogeneous. An aftercare is usually not required. On the inside are the herge made metal bodies increasingly porous and have a density gradients on.
Das Treibmittel sollte hinsichtlich seiner Zersetzungstempera tur auf die Schmelztemperatur des Gießwerkstoffes (Metall schmelze) abgestimmt sein. Die Zersetzung darf erst oberhalb von 100°C beginnen und sollte nicht höher als ca. 150°C ober halb der Schmelztemperatur sein. The blowing agent should be in terms of its decomposition temperature to the melting temperature of the casting material (metal melt) must be coordinated. The decomposition may only be above start from 100 ° C and should not be higher than approx. 150 ° C above be half the melting temperature.
Bezogen auf Vollmaterial kann der Metallanteil im hergestellten Metallkörper im Bereich von 5 bis 95 Vol.- oder Gew.-% liegen, in Abhängigkeit vom Volumen oder der Dicke des Metallkörpers, wobei ein niedrigeres Verhältnis Volumen zu Oberfläche für hö here Füllgrade spricht.Based on solid material, the metal content in the manufactured Metal bodies are in the range from 5 to 95% by volume or% by weight, depending on the volume or thickness of the metal body, with a lower volume to surface ratio for high here filling level speaks.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel nä her beschrieben.The invention is in the following in one embodiment described here.
In einer handelsüblichen Druckgießmaschine sollte ein Fahrzeug teil aus einem Aluminiumwerkstoff als integral geschäumter Me tallkörper hergestellt werden. Hierzu wurde eine Gießkammer der Druckgießmaschine mit einer entsprechenden Menge an Metall schmelze gefüllt. In die geschlossene Gießkammer wurde als Treibmittel Magnesiumhydrid in Pulverform dem flüssigen Metall zugegeben. Nahezu gleichzeitig begann ein schnelles Einschieben des Gemisches aus Treibmittel und Metallschmelze in dem Form hohlraum. Der Formhohlraum wurde volumendefiniert unterfüllt. Durch die entstehenden Turbulenzen erfolgte eine gute Durchmi schung in dem Formhohlraum und das Ausschäumen. Durch die Sprühfüllung erstarrte das Metall an den Formwänden und bildete eine dichte und homogene Wandung des Metallkörpers aus, wobei sowohl die Wandstärken als auch die Porösität und deren Gra dient durch Variation von Verfahrensparametern einstellbar wa ren.A vehicle should be in a commercially available die casting machine part made of an aluminum material as an integrally foamed Me tall body be produced. For this purpose, a casting chamber of the Die casting machine with an appropriate amount of metal melt filled. In the closed casting chamber was as Blowing agent magnesium hydride in powder form the liquid metal added. A fast insertion began almost simultaneously of the mixture of blowing agent and molten metal in the mold cavity. The mold cavity was underfilled in a defined volume. The turbulence created a good mix formation in the mold cavity and the foaming. Through the Spray fill solidified the metal on the mold walls and formed a dense and homogeneous wall of the metal body, whereby both the wall thicknesses and the porosity and their gra can be set by varying process parameters wa ren.
Der "Schuss" erfolgte vor der Schaumbildung; der Schäumungspro zess lief in situ in dem Formhohlraum ab. Es wurde schnell in die kalte Form geschäumt. Das Bauteil wies eine Masse von nur ca. 40% gegenüber konventionellen Druckgießteilen auf. The "shot" was made before the foam was formed; the foaming pro zess took place in situ in the mold cavity. It got in quickly the cold form foamed. The component had a mass of only approx. 40% compared to conventional die cast parts.
Der gemäss dem Beispiel hergestellte Metallkörper aus einem Aluminiumwerkstoff wies zwar eine geringere Dichte als Magne sium auf, aber etwa dessen Verwindungssteifigkeit.The metal body made according to the example from a Aluminum material had a lower density than Magne sium, but about its torsional rigidity.
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