DE10127716A1 - Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbundbauteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbundbauteilen, bei welchem man ein flächiges oder geformtes Metallteil in den Hohlraum einer Gießform einbringt, wobei der Hohlraum zumindest teilweise durch das Metallteil begrenzt wird, und anschließend ein Gemisch aus einer Metallschmelze und einem bei Raumtemperatur festen Treibmittel in den Hohlraum einbringt und dort ausschäumt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbund­ bauteilen, insbesondere von Metallformteilen aus Leichtmetallwerkstoffen, die im Ver­ gleich zu konventionell hergestellten Formteilen gewichtsreduziert sind. Die Erfindung betrifft weiterhin nach diesem Verfahren hergestellte Formteile und deren Verwendung in Leichtmetallkonstruktionen.

Der Gewichtsreduktion von Metallformteilen, zum Beispiel für Anwendungen im Fahr­ zeugbau, Flugzeugbau oder anderen, technologisch anspruchsvollen Anwendungsbe­ reichen kommt eine hohe wirtschaftliche aber auch ökologische Bedeutung zu. Neben der bekannten Anwendung von Leichtmetallen stossen auch geschäumte metallische Werkstoffe auf zunehmendes Interesse. Diese zeichnen sich durch leichte Bauweise, hohe Steifigkeit und Druckfestigkeit, gute Dämpfungseigenschaften etc. aus und zu ih­ rer Herstellung sind Verfahren bekannt.

Es ist bekannt, Bauteile aus geschäumten, metallischen Werkstoffen herzustellen. So werden z. B. Giesskerne aus Aluminiumschaum mit einem Aluminiumwerkstoff umgos­ sen oder als Formteile in ein Bauteil eingelegt. Hülle und Kern bzw. Formteil werden getrennt hergestellt und anschließend miteinander verbunden. Dies hat neben dem ho­ hen Fertigungsaufwand auch eine geringe Fertigungsqualität zur Folge. Die Basis von schaumfähigen Aluminiumhalbzeugen ist verdüstes Aluminiumpulver, welchem ein Treibmittel zugemischt wird. So wird z. B. nach der DE-A-197 44 300 ein aus einer Pul­ vermischung gepresster Körper in einem beheizbaren, geschlossenen Gefäss auf Tem­ peraturen oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und/oder der Schmelz­ temperatur des Metalls erwärmt.

Das Pulver wird bei diesem Prozess 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 unter­ liegen oder der Schäumvorgang erfolgt ungleichmässig. Möglich ist ebenso eine Her­ stellung von Schäumen durch Sintern metallischer Hohlkugeln oder eine Infiltration von Metallschmelzen in Kerne bzw. Füllkörper, die nach Erstarrung der Schmelze entfernt werden.

Nach einem Verfahren gemäß JP-A-03017236 werden metallische Artikel mit Hohlräu­ men dadurch erzeugt, dass Gase in einer Metallschmelze gelöst werden und der Auf­ schäumvorgang durch plötzliche Druckverringerung eingeleitet wird. Durch Abkühlen der Schmelze wird der Schaum stabilisiert.

Der Lehre der JP-A-09241780 folgend, wird metallischer Schaum unter kontrollierter Freisetzung von Treibgasen gewonnen, in dem ein Metall zunächst bei Temperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels geschmolzen wird. Durch anschließendes Dispergieren des Treibmittels in geschmolzenem Metall und Er­ hitzen der Matrix über die dann zur Freisetzung von Treibgasen benötigte Temperatur etabliert sich ein Metallschaum.

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 Abrasiv-Stoffe als Stabilisatoren dienen.

Die EP-B-0 666 784 beschreibt ein Verfahren zum Formgießen eines mittels Teilchen stabilisierten Metallschaumes, insbesondere einer Aluminiumlegierung, in dem ein Ver­ bund aus einer Metallmatrix und feinverteilten 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 Metallverbun­ des auszubilden. Kennzeichnend ist ein Formgießen des Metallschaums durch Pressen des stabilisierten flüssigen Schaums in eine Form und mit einem Druck, der nur aus­ reicht, dass der flüssige Schaum die Gestalt der Form annimmt, ohne dass die Zellen des Schaums wesentlich komprimiert werden. Der geformte Gegenstand wird dann durch nachfolgendes Kühlen und Verfestigen des Schaums 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 auch mittels Rollen erfolgen.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallschaum lehrt die EP- A-0 804 982. Hierbei erfolgt das Aufschäumen in einer beheizbaren Kammer außerhalb einer Giessform, wobei das Volumen des in die Kammer eingebrachten pulvermetallur­ gischen Ausgangsmaterials für den Metallschaum in seiner mit der gesamten Schaum­ kapazität aufgeschäumten Phase dem Volumen einer Füllung der Giessform im We­ sentlichen entspricht. Aller in der Kammer befindlicher Metallschaum wird in die Guss­ form gedrückt, in der ein Aufschäumen mit der restlichen Schäumkapazität fortgesetzt wird, bis zum vollständigen Ausfüllen der Giessform. Die Giessform ist eine Sand- oder Keramikform, der Metallschaum wird als Halbzeug in die Kammer eingebracht und erst nach dem Aufschäumen, z. B. mittels eines Kolbens, in die Gussform gedrückt. Beim Drücken des Schaums in die Form wird dieser geschert. Die Form wird nicht mit einem Schaum mit gewollt inhomogener Struktur gefüllt.

Die DE-A-195 01 508 offenbart ein /erfahren zur Herstellung eines Hohlraumprofils mit reduziertem Gewicht und erhöhter Steifigkeit, z. B. 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 pul­ vermetallurgischem Wege hergestellt und anschließend an dar Innenwand eines Gieß­ werkzeuges fixiert und mittels Druckgießverfahren mit Metall umgossen.

Die DE-U-29 72 3749 offenbart ein Rad für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens ei­ nen metallischen Schaumkern umfasst, der zur Innenseite des Rades hin freiliegend angeordnet ist und zur Aussenseite des Rades hin eine Gusswandung besitzt. Der Schaumkern aus Aluminiumschaum wird zum Gießen des Rades in eine Kokille einge­ legt und so positioniert, dass zwischen der Kokille und dem Schaumkern beim Giessen die äussere Gusshaut entsteht.

Die DE-A-195 02 307 beschreibt ein Deformationselement, in dessen Gehäuse eine Füllung aus einem Aluminiumschaum als Energieabsorber vorgesehen ist. Das Gehäu­ se kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Der Füllkörper ist ein bloßes Einlegeteil ohne Stoffschluss zum Gehäuse.

Das Lösen bzw. Einblasen von Treibgasen in Metallschmelzen ist nicht zur Herstellung endkonturnaher Bauteile geeignet, da ein System, bestehend aus Schmelze mit okklu­ dierten Gasblasen nicht ausreichend zeitstabil ist, um in formgebenden Werkzeugen verarbeitet zu werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und für die Massenfertigung taugli­ ches Verfahren zur Herstellung von Verbundbauteilen aus Metall und Metallschaum bereitzustellen.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbundbauteilen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein flächiges oder geformtes Metallteil in den Hohlraum einer Giessform einbringt, wo­ bei der Hohlraum zumindest teilweise durch das Metallteil begrenzt wird, und anschlie­ ßend ein Gemisch aus einer Metallschmelze und einem bei Raumtemperatur festen Treibmittel in den Hohlraum einbringt und dort ausschäumt.

Überraschend wurde gefunden, dass sich insbesondere Leichtmetallschäume, z. B. aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, sehr effizient durch einen Giessvorgang, z. B. in einer handelsüblichen Druckgiessmaschine in Hohlräume bzw. auf die Oberfläche vor­ gefertigter flächiger oder geformter Metallkörper bringen lassen, durch Verwendung fes­ ter, gasabspaltender Treibmittel, z. B. eines Metallhydrides, insbesondere eines Leicht­ metallhydrides. Beim Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung wird flüssiges oder breiiges Metall in eine Form gedrückt, die den auszuschäumenden Hohlraum darstellt. Diese Form kann also auf einer oder mehreren Seiten die Ausdehnung des entstehen­ den Metallschaums begrenzen, zumindest aber ein Teil der Oberfläche des bei diesem Prozess im Innern des auszuschäumenden Hohlraumes entstehenden Schaums wird durch das vorher eingelegte Metallteil gebildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung einer breiten Palette von Ver­ bundbauteilen. Bei den Metallteilen kann es sich um verschiedenste mit einem Hohl­ raum versehene Formteile handeln, die in Metallkonstruktionen anwendbar sind, zum Beispiel Hohlträger oder Felgen. Somit können auch verschiedenartige Gießverfahren Anwendung finden, zum Beispiel Niederdruck- oder Druckgiessverfahren.

In den Fällen, wo der ausgeschäumte Formhohlraum nur teilweise von den eingelegten Metallteilen begrenzt ist, lassen sich beispielsweise U- oder L-Profile mit Metallschaum ausfüllen. Im einfachsten Fall stellt das eingelegte Metallteil ein Blech dar, auf das er­ findungsgemäß Metallschaum aufgeschäumt werden kann. Durch Einlegen mehrerer in Abstand angeordneter Bleche in den Formhohlraum lassen sich so auf leichte Weise Sandwich-Bauteile erzeugen.

Beim Warmkammerverfahren wird das Metall direkt aus dem Schmelzraum mit bis ca. 10⁷ Pa in die Form gespritzt, beim erfindungsgemäss bevorzugten Kaltkammerverfah­ ren, z. B. für Werkstoffe aus Al- und Mg-Legierungen, wird die Schmelze erst in eine kalte Zwischenkammer und von dort mit mehr als 10⁸ Pa in die Form gepresst. Die Giessleistung des Warmkammerverfahrens ist höher, allerdings auch die Abnutzung der Anlage. Die Vorzüge des Druckgusses liegen in der guten Werkstoff-Festigkeit, der sauberen entstehenden Oberflächen des entstehenden Körpers an der Innenseite des Formenhohlraumes, der hohen Maßgenauigkeit, der Möglichkeit komplexer Gussstück­ gestaltung und der hohen Arbeitsgeschwindigkeit. Diese Vorteile können durch Unter­ druck (Vakuum in der Form) weiter verbessert werden. Vorteilhaft sind bei diesem Pro­ zess am Markt erhältliche, echtzeitgeregelte Druckgiessmaschinen. In einer bevorzug­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Metalle ausgewählt aus Nichteisenmetallen und Nichtedelmetallen, insbesondere ausgewählt aus Magnesium, Kalzium, Aluminium, Silizium, Titan oder Zink sowie deren Legierungen. Andererseits sind aber auch Eisenmetalle und Edelmetalle mit Hilfe der vorliegenden Erfindung zum resultierenden Verbundstück mit einem vorgeformten Metallteil verschäumbar. Wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung der Begriff Legierung verwendet wird, so ist dieser dahingehend zu verstehen, dass diese wenigstens 30 Gew.-% des genannten Metalls enthält. Der erfindungsgemäss bevorzugte Verfahrensablauf umfasst das Einfüllen des erforderlichen Volumens an Metallschmelze in die Füll- bzw. Gießkammer und deren Einbringen in einen Formhohlraum, in den das auszuschäumende Metallteil eingelegt ist, unter Zugabe des Treibmittels zu der Metallschmelze. Metallschmelze und Treibmit­ tel werden in einer bevorzugten Ausführungsform in dem Formhohlraum zusammenge­ bracht, wobei die Form bzw. der in der Form verbleibende Hohlraum volumendefiniert mit dem Schmelze-Treibmittel-Gemisch gefüllt respektive unterfüllt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Treibmittel nicht direkt in den Formhohlraum, sondern in einer Füll- oder Giesskammer mit der Metallschmelze in Kontakt gebracht und das Gemisch anschließend in den Formhohlraum mit dem einge­ legten Metallkörper eingebracht.

Das Einbringen des Treibmittels in die Füll- oder Gießkammer einerseits und/oder den nach Einlegen des Metallstückes verbleibenden Hohlraum innerhalb der Form oder des eingelegten Metallstückes andererseits kann vor, während und/oder nach dem Einbrin­ gen der Metallschmelze in die jeweilige Kammer erfolgen. Von Bedeutung für die vor­ liegende Erfindung ist jedoch, dass das Ausschäumen bedingt durch die Gasabspaltung des Treibmittels aus einem fliessfähigen Metall oder einer fliessfähigen Metall- Legierung im Wesentlichen erst im auszuschäumenden Hohlraum erfolgt. Dieser aus­ zuschäumende Formhohlraum stellt eine geschlossene Form dar. Diese kann jedoch, wie beim Druckgiessen oder dergleichen üblich, über Steigkanäle zur Entlüftung verfü­ gen. Danach erfolgt das Ausstossen des geschäumten Metallverbundkörpers, beste­ hend aus dem in die Form eingelegten Metallformkörper und dem zusätzlich im Form­ hohlraum erzeugten Metallschaum.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Treibmittel direkt in der Füll- oder Giesskam­ mer oder in der Formkavität zur Metallschmelze hinzugegeben, wobei jeweils in einem Arbeitsgang aus dem vorher gebildeten nicht geschäumten Metallkörper die entspre­ chende Metallschaumstruktur hergestellt wird. Diese weist als Oberfläche entweder die Oberfläche des eingelegten Metallteiles oder die bei der Bildung des Schaumkörpers neu in dem Formenhohlraum entstandene Oberfläche auf. Selbst die neu an der Wand der Giessform entstandene Schaumoberfläche ist glatt, ihre Bildung ist gut reproduzier­ bar. In Folge der bei dem Prozess möglichen Sprühfüllung sind unterschiedliche Wand­ stärken dieser neuen Schaumoberfläche gut einstellbar. Die Wandungen sind allseitig geschlossen, sauber, dicht und homogen. Eine Nachbehandlung ist in der Regel nicht erforderlich. Nach innen sind die bei diesem Prozess hergestellten Bereiche des ent­ stehenden Metallverbundkörpers zunehmend porös und weisen einen Dichtegradienten auf.

Das Treibmittel sollte hinsichtlich seiner Zersetzungstemperatur auf die Schmelztempe­ ratur des Gießwerkstoffes (Metallschmelze) abgestimmt sein. Die Zersetzung darf erst oberhalb von 100°C beginnen und sollte nicht höher als ca. 150°C oberhalb der Schmelztemperatur sein. Generell ist es nicht nötig, dass der Schmelzpunkt der einge­ pressten Metallschmelze oder Metalllegierung, die am entstehenden Werkstück die Schaumstruktur ausbildet, unterhalb der Schmelztemperatur des vorher in die Giess­ form eingelegten Metalls liegt. Im Gegenteil wird in Fällen, bei denen die Schmelztem­ peratur der Metallschmelze oberhalb der Schmelztemperatur des eingelegten Metalltei­ les liegt, ein besonders guter Verbund zwischen vorgeformtem Metallteil und entste­ hender Schaumstruktur gebildet.

Die Menge des einzusetzenden Treibmittels richtet sich nach den erforderlichen Gege­ benheiten. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Treib­ mittel in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, insbesondere 0,2-1 Gew.-%, bezogen auf die Masse der für die Bildung des Metallschaums eingesetzten Metallmenge ver­ wendet.

Gasabspaltende, bei Raumtemperatur feste Treibmittel umfassen insbesondere Leichtmetallhydride, wie Magnesiumhydrid. Besonders bevorzugt im Sinne der vorlie­ genden Erfindung ist autokatalytisch hergestelltes Magnesiumhydrid, das beispielswei­ se unter der Bezeichnung TEGO Magnan® vertrieben wird. In gleicher Weise sind aber auch Titanhydrid, Carbonate, Hydrate und/oder leicht verdampfbare Stoffe einzusetzen, die auch im Stand der Technik bereits für die Verschäumung von Metallen eingesetzt worden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. In einer handelsüblichen Druckgiessmaschine sollte ein Fahrzeugteil aus einem Alumini­ umwerkstoff mit einer integral geschäumten Metallstruktur hergestellt werden. Hierzu wurde in eine Gießkammer der Druckgießmaschine eine entsprechende Menge an Me­ tallschmelze gefüllt. In den Formhohlraum der Druckgiessmaschine wurde eine vorher hergestellte Metallstruktur eingelegt, die im Inneren einen durch einen Metallschieber hervorgerufenen Hohlraum aufwies. Das Einlegen in die Formkammer erfolgte derart, dass der Anschuss (Öffnung zum Einbringen des flüssigen Metalls) an der Stelle des Metallhohlraumes in den Formhohlraum mündete. In die geschlossene Gießkammer der Druckgießmaschine wurde als Treibmittel Magnesiumhydrid in Pulverform dem flüs­ sigen Metall zugegeben. Nahezu gleichzeitig begann ein schnelles Einschieben des Gemisches aus Treibmittel und Metallschmelze in den Formhohlraum und damit auch in den im eingelegten Metallwerkstück verbliebenen Hohlraum. Der Hohlraum wurde vo­ lumendefiniert unterfüllt. Durch die entstehenden Turbulenzen erfolgte eine gute Durchmischung in dem verbleibenden Formhohlraum die das Ausschäumen unterstützt. Es bildete sich eine Schaumstruktur im Innern der Kavität des eingelegten Metallteiles aus, die an den Wandungen der Druckgussform eine dichte und homogene Oberfläche zeigte. Der "Schuss" erfolgte vor der Schaumbildung, der Schäumungsprozess lief in situ in dem Formhohlraum ab. Es wurde schnell in die Form geschäumt. Das erhaltene Bauteil hatte im Innern der vorher gebildeten Formstruktur einen fest mit der ursprüng­ lich eingelegten Metallstruktur verbundenen Schaumkörper ausgebildet, der besonders das Schwingungsverhalten gegenüber einem nicht schaumgefüllten Vergleichsstück po­ sitiv beeinflusste.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung von Metall/Metallschaum-Verbundbauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass man ein flächiges oder geformtes Metallteil in den Hohl­ raum einer Gussform einbringt, wobei der Hohlraum zumindest teilweise durch das Metallteil begrenzt wird, und anschließend ein Gemisch aus einer Metall­ schmelze und einem bei Raumtemperatur festen Treibmittel in den Hohlraum einbringt und dort ausschäumt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Hohlraum volumendefiniert füllt oder unterfüllt und das Schäumen in einem nicht beheiz­ ten Formhohlraum erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel in einer Füll- oder Gießkammer mit der Metallschmelze in Kontakt bringt und anschließend das Gemisch in den auszuschäumenden Hohlraum einbringt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel in den auszuschäumenden Hohlraum einbringt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibmittel vor, nach und/oder während des Einbringens der Metallschmelze in den auszu­ schäumenden Hohlraum in diesen einbringt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auszuschäumende Hohlraum innerhalb der Form nur auf einer Seite durch das eingelegte Metallteil begrenzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der auszuschäumende Hohlraum aus mehr als einer voneinander unabhängi­ gen Kavität besteht, die durch mehr als einen Anschusskanal gefüllt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metallschmelze aus Leichtmetall, besonders aus Aluminium oder ei­ ner Aluminiumlegierung einsetzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Metalldruckgiessmaschine einsetzt.

10. Metallkörper, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.

11. Metallkörper nach Anspruch 10, mit einer allseitig geschlossenen Oberfläche und einer Hohlstruktur im Innern.

12. Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Metallkörper zum Aufbau von Leichtmetallkonstruktionen.