AT406027B - Verfahren zur herstellung von formteilen aus metallschaum - Google Patents

Description

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  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallschaum, beispielsweise 
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 Halbzeug, wie Stangen, oder zu einem Granulat kompaktierten Gemisches aus gasabspaltendem Treibmittel nit Metallpulver als Ausgangsmaterial unter Hitzeeinwirkung gebildet wird und der eine Gussform bis an die Grenzen ihrer Wandung ausfüllt bzw. dessen allenfalls steuerbare Expansion unter dem Formzwang der   3ussform   erfolgt. 



   Leichtmetallformstücke können als Vollgusskörper, als Hohlkörper oder auch als Metallschaumkörper ausgebildet sein. Während bei der erstgenannten Kategorie auf möglichst gleiche und dünne Wandstärken und die Vermeidung von örtlichen Materialansammlungen zu achten ist, erfordern Hohlkörper meist teure   3usskerne,   die die Herstellung verkomplizieren. Eine moderne Alternative wird durch Metallschaumguss erreicht. Die Gusshaut bildet eine glatte Aussenfläche des Gusserzeugnisses, dessen Inneres durch eine Porenstruktur locker ausgefüllt ist. Für sehr viele Anwendungsbereiche eignet sich der   Metallschaumguss,   der zu einem besonders leichten Endprodukt führt, das einen guten Schallschutz sowie geringe Wärmeleit- fähigkeit bietet. Überraschend hoch sind die Festigkeitseigenschaften.

   Dennoch kann nicht jeder Maschin- anteil in dieser Gusstechnik hergestellt werden. 



   Man unterscheidet zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren zur Bildung von Metallschaum, nämlich das schmelzmetallurgische und das pulvermetallurgische. In der DE 43 26 982 C1 wird ein typisches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus schmelzmetallurgisch gebildetem   Metallschaum   beschrieben Eine Schmelze, z.B. eine Aluminiumschmelze, wird in zwei kommunizierenden 3ehältern flüssig gehalten und in einem der beiden Behälter wird die Metallschmelze durch ein Rührwerk auf mechanische Weise zum Schäumen gebracht. Der fertige Schaum wird durch Anheben des Niveaus des flüssigen Aluminiums in dem letztgenannten Behälter nach oben in eine Gussform gedrückt. Auch die NO 94/09931 geht von der schmelzmetallurgischen, also mechanischen Schaumherstellung aus.

   In einer   3chaumkammer   wird mittels eines Rührwerks Schaum aus einer Metallschmelze gebildet und dieser Schaum gemäss einer besonderen Ausführungsform einer   Kaltkammerdruckgiessmaschme   zugeführt. Deren    < olben   drückt den Metallschaum in eine Form. Das Ergebnis ist unbefriedigend, weil die Poren ungleichmä- Big ausfallen und sich an Stelle der gewünschten Poren Lunker bilden. Auf die Hintergründe, die dafür verantwortlich sind, wird im Anschluss an nachfolgende Zusammenfassung der pulvermetallurgischen Metall-   schaumherstellung   eingegangen 
Pulvermetallurgischer Metallschaum entsteht beispielsweise gemäss der DE 41 01 630 C2 aus Metallpul- ver und einem gasabspaltenden Treibmittel.

   Das Gemisch wird heisskompaktiert und einer Formänderung   unterworfen.   Dadurch entsteht ein Halbzeug aus fest miteinander verbundenen Metallteilchen, die die Treibmittelteilchen gasdicht einschliessen. Um einen Metallschaumkörper herzustellen wird das Halbzeug z.B. in einer beheizten Stahlform durch Temperatureinwirkung zum Aufschäumen gebracht, wobei der Metallschaum die Form nach und nach ausfüllt. Nachteilig ist dabei, dass die Kontur des Halbzeugs der Kontur des Formhohlraumes entsprechen muss, da sonst kein gleichmässiges Aufschäumen bzw. Ausschäu- men erfolgt. Benutzt man stabförmiges Vormaterial, dann muss dieses exakt abgelängt und in der Form plaziert werden. Es können sich ferner Kaltschweissstellen zwischen den aufgeschäumten Stäben bilden. 



  Aus der DE 44 24 157 A1 ist es bekannt, die freie Expansion eines Schaumes in einer Form zu behindern (Formzwang) bzw. einen Metallschaumkörper durch Stauchen, Walzen oder dergleichen einer Formände- rung zu unterwerfen. Dadurch ändert sich die Porenform. Die Poren werden länglich und der Werkstoff erhält in der Längsrichtung der Poren eine erhöhte Leitfähigkeit. 



   Ein schmelzmetallurgisch also auf mechanischem Weg hergestellter Schaum geht bereits in den Zustand des Kollabierens der Poren über, wenn er nach seiner Herstellung in die Form gepresst wird. Es werden oft beheizte Formen eingesetzt, deren Temperaturen jedoch nicht zu hoch sein dürfen, da der Metallschaum sonst in verstärktem Masse kollabiert. Die Poren fallen bei der mechanischen Schaumherstel- lung ferner unkontrollierbar und in unterschiedlicher Grösse an. Im allgemeinen erlaubt dieses Verfahren nur die Herstellung von einfachen Gussformteilen. Ferner wird beim schmelzmetallurgischen Verfahren ein Rührwerk benötigt, wobei die Positionierung des Rührers in der Schmelze äusserst problematisch ist.

   Durch das Rührwerk entsteht der Schaum nur im Bereich des Rührers, sodass der bereits erzeugte Schaum während der Produktion des noch benötigten Schaumes schon während der Rührzeit kollabiert. Zudem ist die benötigte Schaummenge nicht exakt einstellbar, sodass gleiche Teile kein übereinstimmendes Gewicht haben. Die erzeugten Poren haben keinen Innen-Überdruck, sodass sie beim Eindrücken in die Form zusammengedrückt werden. Dadurch ergibt sich eine uneinheitliche Struktur. 



   Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung auch konturreicher, dreidimensionaler Formteile von hoher Qualität ermöglicht. Gleichmässige Poren und eine einheitliche homogene Oberfläche sowie die Möglichkeit der Beeinflussung der Porengrösse und der Porendichte sowie der Oberfläche und deren Schichtstärke sind erwünschte Parameter bei dem Herstellungsvorgang.

   Dieses 

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 Ziel wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus pulvermetallurgisch gebildeten Metall- schaum der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, dass das pulvermetallurgische Aufschäumen ausserhalb einer Gussform in einer separaten beheizbaren Kammer erfolgt, dass das Volumen des in die beheizbare Kammer eingebrachten pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials, insbesondere Halbzeuges, in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase im wesentlichen dem Volumen einer Füllung der Gussform entspricht und dass der gesamte Inhalt der Kammer als pulvermetallurgischer Metallschaum in die Gussform gedrückt wird,

   wobei die Schaumbildung bei der Überleitung in die Gussform entweder im wesentlichen abgeschlossen ist oder ein Aufschäumen mit einer restlichen Schäumkapazität in der Gussform fortgesetzt bis zum vollständigen Ausfüllen der Gussform erfolgt. 



   Im Gegensatz zu bekannten pulvermetallurgischen Verfahren wird Metallschaum auf pulvermetallurgi- schem Weg ausserhalb der Gussform durch thermisches Aufschäumen der für die Gussform vorbestimmten Menge des Halbzeuges hergestellt. Dieser durch Gasbildung entstandene Metallschaum ist über längere Zeit formstabil und kann - anders als bei einem schmelzmetallurgischen Verfahren - noch während seiner Bildung in die Gussform gedrückt werden. Dort kann dann die Endphase der Schaumbildung stattfinden. 



  Dies führt dazu, dass auch entlegene Bereiche bzw. schwer erreichbare Konturen oder Hinterschneidungen zuverlässig ausgefüllt werden. Ein frühzeitiges Kollabieren der Poren wird vermieden zumal die Gasentwick- lung einen Innendruck in den Poren erzeugt. Dabei ist die Dichte des Formteiles über den Befüllungsgrad der z. B. gasbeheizten Kammer mit Halbzeug bzw. Ausgangsmaterial respektive über das Kammervolumen einstellbar. Ebenso bildet der Zeitpunkt des Überführens des Metallschaumes aus der Kammer in die Gussform ein weiteres Kriterium. Dadurch wird die in der Gussform zur Wirkung kommende Restschäumka- pazität vorgewählt. Bei einfachen Formen kann allenfalls auf eine Schaumbildung in der Gussform verzichtet werden.

   Es ist gemäss einer Weiterbildung des Verfahrens vorteilhaft, wenn die Kammer mit dem schaumbil- deden Ausgangsmaterial gegenüber der Gussform in der Art eines Drehtrommelofens gedreht und gegebe- nenfalls zur Entleerung in die Gussform gekippt wird. Auf diese Weise wird die Gussform durch den Eigendruck des Schaummaterials gefüllt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Metallschaum in der Kammer von einem Kolben in die Gussform gedrückt wird. Die Kolbengeschwindigkeit und der Druck bilden weitere Kriterien für das Erscheinungsbild des Formteiles, sowohl hinsichtlich seiner Oberfläche als auch der Porenform und Dichte. Das Einbringen des entstehenden Metallschaumes kann auch dadurch erfolgen, dass der Metallschaum durch eine metallschaumfremde Schmelze z.

   B. eine Salzschmelze, auf die ein Druck ausgeübt wird und auf der der pulvermetallurgisch entstehende Metallschaum schwimmt, angehoben und in die Gussform gedrückt wird. Dazu wird die metallschaumfremde Schmelze in die Kammer eingeleitet bzw. hineingedrückt. Diese hebt den Metallschaum direkt oder über ein schwimmendes Kolbenplättchen restlos in die Gussform. Es ist vorteilhaft, wenn die den Metallschaum tragende Schmelze spezifisch schwerer als das Muttermetall des Schaumes und der Schmelzpunkt niedriger ist (z. B. Zink oder Zinn und Aluminium). 



  Im Gegensatz zu den bisher vorliegenden Erkenntnissen bei Metallschaumgussverfahren wurde erkannt, dass hervorragende Ergebnisse erzielt werden, wenn der pulvermetallurgisch gebildete Metallschaum in eine nichtmetallische Gussform, z. B. eine Sandform gedrückt wird. Die unbeheizte Sandform führt im Gegensatz zu einer Stahlform die Wärme des eingebrachten Metallschaumes beim Füllvorgang nicht sofort ab, sodass die Schaumphase erhalten bleibt, bis auch die entlegenen Formteile ausgefüllt sind. Dazu kommt noch der unterstützende Effekt durch die in der Form auftretende Restschaumbildung. Der Schaum gelangt somit noch in seiner aktiven Phase in die Form und trägt zur wesentlichen Qualitätsverbesserung bei. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Prinzipdar- stellungen erläutert. 



  Fig. 1 zeigt einen Ofen mit einer Kammer und einer Gussform vor Beginn eines Aufschäumens, Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 nach Überführung des Metallschaumes in die Gussform. Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Anordnung und Fig. 4 eine weitere Alternative analog zu Fig. 1. 



   In einem Ofen 1 bzw. einer Heizeinrichtung mit Gasbefeuerung oder induktiver Erwärmung befindet sich eine Kammer 2 zur Aufnahme eines pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials 3. Dabei handelt es sich um kompaktiertes Halbzeug, beispielsweise um Drahtstücke aus Metallpulver und einen Treibmittel, die bei entsprechender Temperatureinwirkung einen Metallschaum bilden. Mit der Kammer 2 steht eine Gussform 4 über eine Düse 5 in der Art einer Lochblende zur   Anschnitteinstellung   für das Gussstück in Verbindung. Ein Kolben 6 ist in der Kammer 2 geführt. 



   Durch Temperaturerhöhung in Ofen 1 auf etwa 500 bis 600 'C entsteht in der Kammer 2 aus dem beispielsweise nach der EP 460 392 A1 hergestellten Halbzeug, beispielsweise Aluminium Drahtstücken, ein Aluminiumschaum, der mit Hilfe des Kolbens 6 vollständig und restlos in die Gussform 4 übergeführt wird (Fig. 2). Die Kammer 2 ist geleert und kann sodann neu mit Halbzeug als Ausgangsmaterial für die Schaumbildung gefüllt werden, wobei die Füllung auf das Volumen des Gusskörpers genau abgestimmt ist. 

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   Die Schaumbildung setzt sich je nach dem gewählten Zeitpunkt der Überleitung aus der Kammer 2 mit Hilfe des Kolbens in der Gussform 4 noch fort Der Zeitpunkt der Druckeinwirkung auf den entstehenden Schaum bzw das Ausmass der noch in der Gussform vorhandenen Schäumkapazität ist zusammen mit dem Volumen des eingesetzten Halbzeugs, dessen Konsistenz und dem Temperaturverlauf bei der Schaumbil- dung sowie der Abkühlung ein wesentlicher Parameter für die Struktur des Schaumteiles. Sobald die Schäumkapazität erschöpft ist und die Schaumbildung in der Form abgeschlossen ist, wird die Form zur Abkühlung aus dem Ofen 1 genommen. Dadurch wird ein Kollabieren der Schaumporen infolge zu langer Wärmezufuhr verhindert. Der Gussteil 3' kann entformt und die Kammer 2 in Ofen 1 mit einer neuen Form bestückt werden.

   Es kann nach einem Reinigungszyklus auch eine Stahlform wiederholt eingesetzt werden. 



  In diesem Zusammenhang wird auf Fig. 4 hingewiesen. In Fig. 4 ist eine Kammer 2 dargestellt, die über eine individuelle Heizung 7 verfügt. Ein Ofen 1, der die gesamte Anordnung aufnimmt, ist hier nicht vorhanden. Die Gussform 8 ist unbeheizt. Es wird in vorteilhafter Weise eine Sandform eingesetzt. 



   Die Schaumbildung erfolgt bei Fig. 4 in der Kammer 2 analog zu Fig 1. Der Schaum wird durch den Kolben 6 in die Gussform 8 (Sandform) gedrückt In dieser erfolgt im Kontakt zwischen Metallschaum und der Wand der Gussform, nämlich dem Sand, nur ein geringer Wärmeentzug, sodass der Metallschaum seine Viskosität behält und bis in die letzten Winkel der Gussform gelangt. Die in der Gussform gezielt fortgesetzte Schaumbildung unterstützt diesen Effekt. Es können auf diese Weise auch sehr komplizierte Gussteile mit schmalen Rippen, Hinterschneidungen oder dergleichen hergestellt werden.

   Die in der Metallschaum - Gusstechnik sonst üblichen Stahlformen führen infolge der hervorragenden Wärmeleitung der Gussform zu einem schlagartigen Wärmeentzug, sobald der Metallschaum in die Gussform gelangt, was zu einem zumindest oberflächlichen Viskositätsverlust und damit zu einem wesentlich schlechteren Verteilungsverhal- ten des Metallschaumes in der Gussform führt. Es mussten daher die Stahlformen in gewissen kritischen Bereichen zusätzlich beheizt werden, um die Viskosität der Gussmasse lokal aufrecht zu erhalten. Innere Spannungszustände, unterschiedliche Porenstrukturen und Kollabieren der Struktur bei nicht exakt abge- stimmten Temperaturen waren die Folge. Die in Fig. 4 dargestellte, unbeheizte Sandform 8 löst die Probleme. Es kann jede nichtmetallische Form, also auch eine Keramik oder Gipsform mit den genannten Vorteilen eingesetzt werden. 



   Fig. 3 zeigt eine Alternative zu den Fig. 1 und 2. Nahezu die gesamte Anordnung, bestehend aus der Kammer 2, der Düse 10 und der Gussform 11 ist drehbar über einer bzw. über zwei getrennten Heizeinnchtungen 12,13 angeordnet die getrennt regulierbar bzw. ein- und ausschaltbar sind. Ein Antrieb 14 mit einer Lagerung 15 steht der Kolbenstange 16, die als Lager auf der anderen Seite ausgebildet ist, gegenüber. Das Verfahren läuft so ab, wie es zu Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Die Rotation homogenisiert die pulvermetallurgische Schaumbildung in der Kammer 2 und auch in der Gussform 11. Letztere kann im Sinne der Ausführungen zu Fig. 4 als nichtmetallische Gussform unbeheizt bleiben. Es ist auch möglich, nur die Kammer 2 oder nur die Gussform 11 drehbar anzuordnen. 



  

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metallschaum, beispielsweise Aluminiumschaum, der auf pulvermetallurgischem Wege durch Aufschäumen eines insbesondere zu einem Halbzeug, wie Stan- gen, oder zu einem Granulat kompaktierten Gemisches aus gasabspaltendem Treibmittel mit Metallpul- ver als Ausgangsmaterial unter Hitzeeinwirkung gebildet wird und der eine Gussform bis an die Grenzen ihrer Wandung ausfüllt bzw. dessen allenfalls steuerbare Expansion unter dem Formzwang der Gussform erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das pulvermetallurgische Aufschäumen ausserhalb einer Gussform in einer separaten beheizbaren Kammer erfolgt, dass das Volumen des in die beheizbare Kammer eingebrachten pulvermetallurgischen Ausgangsmaterials, insbesondere Halbzeuges, in seiner mit der gesamten Schäumkapazität aufgeschäumten Phase im wesentlichen dem Volumen einer Füllung der Gussform entspricht und dass der gesamte Inhalt der Kammer als pulvermetallurgischer Metallschaum in die Gussform gedrückt wird, wobei die Schaumbildung bei der Überleitung in die Gussform entweder im wesentlichen abgeschlossen ist oder ein Aufschäumen mit einer restlichen Schäumkapazität in der Gussform fortgesetzt bis zum vollständigen Ausfüllen der Gussform erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des herzustellenden Gussform- teils über den Befüllungsgrad der Kammer mit Ausgangsmaterial bzw. über das Kammervolumen einstellbar ist.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer mit dem schaumbildenden Ausgangsmaterial gegenüber der Gussform in der Art eines Drehtrommelofens ge- <Desc/Clms Page number 4> dreht und zur Entleerung in die Gussform gedrückt, gegebenenfalls gekippt wird.
4. 4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum in der Kammer von einem Kolben in die Gussform gedrückt wird, wobei der Zeitpunkt innerhalb des Verfah- rensverlaufs, das Ausmass der restlichen Schäumkapazität und damit die Struktur des Gussstückes bestimmend, vorgewählt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum durch eine insbesondere metallschaumfremde Schmelze z. B. durch eine Salzschmelze, auf die ein Druck ausgeübt wird und auf der der pulvermetallurgisch entstehende Metallschaum, gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Plättchens, schwimmt, angehoben und in die Gussform gedrückt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum in eine Gussform aus nichtmetallischem Material, beispielsweise in eine Sandform, Keramikform, Gipsform oder dergleichen gedrückt wird.
7. 7. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum durch eine Düse zwischen Kammer und dem Hohlraum der Form gedrückt wird.

   Hiezu 2 Blatt Zeichnungen