DE19810979C2 - Aluminum alloy for the production of aluminum foam bodies using a powder with nucleating additives - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zum Herstellen von Aluminiumschaumkörpern, ein Verfahren zum Herstellen der Aluminiumlegierung mit bestimmten Zusatzstoffen für die Herstellung von Aluminiumschaumkörpern.The invention relates to an aluminum alloy for producing aluminum foam bodies Process for manufacturing aluminum alloy with certain additives for manufacturing of aluminum foam bodies.

Verschiedene Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkörpern sind bekannt und bestehen im wesentlichen darin, daß einem Legierungspulver oder einer Pulvermischung aus Legierungsbestandteilen ein gasabspaltendes Treibmittel beigefügt wird, wobei zunächst ein unaufgeschäumtes Halbzeug hergestellt und dieses Halbzeug anschließend durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes der Metallegierung, zum Aufschäumen gebracht wird, wonach der so aufgeschäumte Körper anschließend abgekühlt wird. Das Aufschäumen des Halbzeuges kann frei oder in einer Form erfolgen, und es lassen sich bei Verwendung von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen Metallschaumkörper mit einer Dichte von etwa 0,3 bis 1,7 g/cm³ herstellen. Various processes for the production of metal foam bodies are known and consist essentially in that a gas-releasing blowing agent is added to an alloy powder or a powder mixture of alloy components, firstly an unexpanded semi-finished product is produced and this semi-finished product is then preferably heated by heating to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent is brought to foaming in the temperature range of the melting point of the metal alloy, after which the body thus foamed is then cooled. The semi-finished product can be foamed freely or in a mold, and metal foams with a density of about 0.3 to 1.7 g / cm ³ can be produced using aluminum or aluminum alloys.

Ein Verfahren zum Herstellen poröser Metallkörper ist beispielsweise in der DE-40 18 360 C1 beschrieben und besteht aus den Schritten: Herstellen einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver, Heißkompaktieren dieser Mischung zu einem Halbzeug bei einer Temperatur, bei der die Verbindung der Metallpulverteilchen überwiegend durch Diffusion erfolgt und bei einem Druck, der hoch genug ist, um die Zersetzung des Treibmittels zu verhindern, derart, daß die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels darstellen, Aufheizen des derart hergestellten Halbzeuges auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalles, anschließendes Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers.One method of making porous metal bodies is described for example in DE-40 18 360 C1 and consists of the steps: making a mixture of at least one Metal powder and at least one gas-releasing Blowing agent powder, hot compacting this mixture into one Semi-finished product at a temperature at which the connection of the Metal powder particles are predominantly made by diffusion and at a pressure high enough to disintegrate the Prevent propellant such that the metal particles in a firm connection with each other and one gastight seal for the gas particles of the blowing agent represent, heating of the semi-finished product so produced on a Temperature above the decomposition temperature of the blowing agent, preferably in the temperature range of the melting point of the used metal, then cooling the sun foamed body.

Bei Verwendung von Reinaluminiumpulver mit einem Zusatz von 0,1 Gew.-% Titanhydridpulver ließ sich ein poröser Metallkörper mit einer Dichte von etwa 0,78 g/cm³ herstellen. Die typische Porengröße lag um 1 mm Durchmesser. Bei Verwendung eines fertig legierten Pulvers aus einer Aluminiumlegierung mit einem Legierungsanteil von 4 Gew.-% Magnesium und 0,4 Gew.-% Titanhydridpulver wurde eine Dichte von 0,62 g/cm³ bei einer typischen Porengröße von ca. 2 bis 3 mm erreicht.When using pure aluminum powder with an addition of 0.1% by weight of titanium hydride powder, a porous metal body with a density of about 0.78 g / cm ³ could be produced. The typical pore size was around 1 mm in diameter. When using a fully alloyed powder made of an aluminum alloy with an alloy content of 4% by weight of magnesium and 0.4% by weight of titanium hydride powder, a density of 0.62 g / cm ³ with a typical pore size of approx. 2 to 3 mm was achieved reached.

Bei diesem bekannten Verfahren und anderen Verfahren, beispielsweise dem entsprechend der US-3 087 807 A, ist nachteilig, daß die Blasenbildung beim Aufschäumen und damit die Struktur des Metallschaumkörpers sehr ungleichmäßig ist. Dies hat unverwünschte Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, so daß bereits versucht wurde, eine gleichmäßige Schaumstruktur durch Veränderung der Legierungszusammensetzung oder der Verfahrensführung zu erreichen. Diese Versuche führten entweder nicht zu der gewünschten gleichmäßigen Schaumstruktur oder erforderten eine aufwendige Prozeßführung, die das Herstellungsverfahren verteuerte.In this known method and other methods,  for example that corresponding to US-3,087,807 A disadvantageous that the blistering when foaming and thus the Structure of the metal foam body is very uneven. this has undesirable effects on the mechanical properties, so that has already been attempted by an even foam structure Change in alloy composition or To achieve procedural control. These attempts either not to the desired even foam structure or required complex litigation, which the Manufacturing process more expensive.

Bei Verwendung eines fertig legierten Pulvers aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlSi12 bzw. AlSi7Mg mit Titan-Hydrid-Pulverzusatz wurde ein ungünstigeres Aufschäumverhalten festgestellt, als bei Verwendung eines Pulvers bzw. einer Pulvermischung der Metallmatrix Al bzw. AlMg mit Zusatz von 12% Siliciumpulver bzw. 7 l Siliciumpulver. Auch bei anderen Matrixlegierungen vom Typ AlMgSi wurde bestätigt, daß zusätzlich beigemischte Siliciumpulver zu einem verbesserten Aufschäumverhalten führen. Nachteilig war jedoch immer noch eine ungleichmäßige Schaumstruktur mit stark unterschiedlichen Porengrößen.When using a fully alloyed powder from a Aluminum alloy of the type AlSi12 or AlSi7Mg with Titanium hydride powder addition became a less favorable one Foaming behavior determined when using a powder or a powder mixture of the metal matrix Al or AlMg with addition of 12% silicon powder or 7 l silicon powder. Others too Matrix alloys of the AlMgSi type were confirmed to be additional added silicon powder to an improved Foaming behavior. However, one was still a disadvantage uneven foam structure with very different Pore sizes.

Die ungleichmäßige Schaumstruktur kann auf eine ungleichmäßige Keimbildung für die Blasenbildung infolge ungleichmäßiger Größe und Verteilung der Siliciumpartikel zurückgeführt werden. Das Gefüge eines Strangpreßprofils, welches aus einer AlMgSi Pulvermischung mit 10% Siliziumpulver hergestellt wurde, zeigt Bild 1. Die in das Matrixgefüge eingelagerten Siliziumpartikel sind ungleichmäßig verteilt und in ihrer Größe und Form ebenfalls stark ungleichmäßig.The uneven foam structure can be attributed to uneven nucleation for the bubble formation due to the uneven size and distribution of the silicon particles. The structure of an extruded profile, which was produced from an AlMgSi powder mixture with 10% silicon powder, is shown in Figure 1. The silicon particles embedded in the matrix structure are distributed unevenly and are also very uneven in size and shape.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, bei der Fertigung einer aufschäumbaren Aluminiumlegierung für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften eine möglichst gleichmäßige Schaumstruktur zu erzielen und möglichst günstige Festigkeitseigenschaften zu erreichen.The invention is therefore based on the problem in the manufacture of a foamable Aluminum alloy as uniform as possible for achieving the desired properties To achieve foam structure and to achieve the best possible strength properties.

Ausgehend von dieser Problemstellung wird erfindungsgemäß eine Aluminiumschaumlegierung aus einer Aluminiummatrix mit einem Zusatz von gleichmäßig verteilten, keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden, durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze entstandenen Partikeln mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge und einer Partikelgröße kleiner als 30 µm vorgeschlagen.Based on this problem, an aluminum foam alloy is invented an aluminum matrix with the addition of evenly distributed, nucleating, one uniform bubble formation and homogeneous foam structure, by spraying one Hypereutectic aluminum-silicon melt with a proportion of the particles Silicon in the form of silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic Aluminum-silicon alloy of less than 20 wt .-% based on the total amount and one Particle size smaller than 30 microns proposed.

Besonders vorteilhaft sind kleine, gleichmäßig verteilte Siliziumpartikel, die beim Versprühen von übereutektischen AlSi-Schmelzen mit bis zu etwa 50% Silizium in den einzelnen Pulverkörnern entstehen (Bild 2). Das Herstellverfahren ist in der DE 198 01 941 A1 derselben Anmelderin, eine verschleißfeste Aluminiumlegierung insbesondere für die Herstellung von Zylinderlaufbuchsen betreffend, beschrieben.Small, evenly distributed silicon particles are particularly advantageous, which arise when over-eutectic AlSi melts are sprayed with up to about 50% silicon in the individual powder grains ( Figure 2). The manufacturing process is described in DE 198 01 941 A1 by the same applicant, relating to a wear-resistant aluminum alloy, in particular for the manufacture of cylinder liners.

Das Gefüge eines Strangpreßprofils, welches aus einer AlMgSi-Pulvermischung mit 10% Siliziumzusatz in Form der oben beschriebenen Pulverkörner hergestellt wurde, zeigt Bild 3. Die Siliziumpartikel haben eine gleichmäßige Größe zwischen etwa 10-30 µm und sind in der Matrix gleichmäßig verteilt. The structure of an extruded profile, which was produced from an AlMgSi powder mixture with 10% silicon additive in the form of the powder grains described above, is shown in Figure 3. The silicon particles have a uniform size between about 10-30 µm and are evenly distributed in the matrix.

Zur Lösung des eingangs erwähnten Problems wird des weiteren ein Verfahren zum Herstellen von Metallschaumkörpern mit den Schritten: Herstellen von Siliziumprimärkristalle enthaltenden Partikeln kleiner 30 µm durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze, Herstellen einer homogenen Mischung aus mindestens einem eine Aluminiummatrix bildenden Aluminiumpulver, einem Pulver aus den bzw. mit den keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver, Einfüllen der Mischung in eine Form, ggf Kompaktieren unter Druck, z. B. durch kalt- oder warm-isostatisches Pressen, anschließendes Warmumformen, z. B. durch Strangpressen oder Walzen, ggf. Weiterverarbeiten beispielsweise durch Kaltumformen und/oder spanende Bearbeitung, Aufschäumen durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels, vorzugsweise im Temperaturbereich des Schmelzpunktes des verwendeten Metalls und anschließendes Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers vorgeschlagen.In order to solve the problem mentioned at the outset, a method for producing Metal foam bodies with the steps: producing silicon primary crystals containing Particles smaller than 30 µm by spraying a hypereutectic aluminum-silicon melt, Production of a homogeneous mixture from at least one forming an aluminum matrix Aluminum powder, a powder from or with the nucleating, a uniform Bubble formation and homogeneous foam structure causing particles with a portion of the silicon in the form of silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic Aluminum-silicon alloy of less than 20 wt .-% based on the total amount and at least one gas-releasing blowing agent powder, pouring the mixture into a mold, if necessary Compacting under pressure, e.g. B. by cold or warm isostatic pressing, subsequent Hot forming, e.g. B. by extrusion or rolling, optionally further processing, for example by cold forming and / or machining, foaming by heating to a Temperature above the decomposition temperature of the blowing agent, preferably in Temperature range of the melting point of the metal used and subsequent cooling of the so foamed body suggested.

Schließlich dient der Lösung des eingangs erwähnten Problems auch die Verwendung eines Pulvers aus bzw. mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden, durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze gewonnenen Partikeln mit einer Partikelgröße kleiner 30 µm als Zusatz zu einer Mischung aus mindestens einem eine Aluminiummatrix bildenden Aluminiumpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bei der Herstellung von Aluminiumschaumkörpern mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 12 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge.Finally, the use of a powder also serves to solve the problem mentioned at the beginning from or with nucleating, uniform bubble formation and homogeneous foam structure effecting, obtained by spraying a hypereutectic aluminum-silicon melt Particles with a particle size smaller than 30 µm as an addition to a mixture of at least one an aluminum matrix forming aluminum powder and at least one gas-releasing Blowing agent powder in the production of aluminum foams with a share of silicon in the form of silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic Aluminum-silicon alloy of less than 12 wt .-% based on the total amount.

Die sehr fein verteilte Partikelstruktur in dem als Pulver hinzugefügten Zusatz, insbesondere die sehr fein verteilte Siliziumstruktur ist entscheidend für eine gleichmäßige Blasenbildung und damit für eine homogene Schaumstruktur, da die Partikel in dieser feinen Verteilung, insbesondere die Siliziumprimärkristalle als Keimbildner für die Blasenentwicklung wirken.The very finely divided particle structure in the additive added as a powder, especially the very finely distributed silicon structure is crucial for uniform bubble formation and thus for  a homogeneous foam structure, because the particles in this fine distribution, especially the Silicon primary crystals act as nucleating agents for bubble development.

Bei der aufschäumbaren Aluminiumlegierung kann es sich beispielsweise um eine Aluminiumpulverlegierung mit einem Treibmittel, beispielsweise Titanhydrid (Tih₂) und einem Pulver einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in dem Pulver der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 12 Gew.-% bezogen auf die Metallegierung handeln. Die Mischung wird in eine Form gefüllt und unter Druck kompaktiert, ohne daß sich dabei das Treibmittelpulver zersetzt. Das so hergestellte Vormaterial läßt sich anschließend warmpressen oder warmwalzen oder warmfließpressen, ohne daß dabei ein Aufschäumen erfolgt. Wird dieses Halbzeug zum Aufschäumen auf bis zu etwa 800°C erhitzt, setzt das Treibmittel eingeschlossenes Gas frei, so daß das Aluminiumlegierungspulver aufschäumt. Wird das Aufschäumen des Halbzeugs in einer Form durchgeführt, füllt der Schaum die Kontur des Formhohlraums aus, nimmt dessen Form an und weit je nach Aufschäumungsgrad und Art des Treibmittelzusatzes eine Dichte von etwa 0,3 bis 1,7 g/cm³ auf. Die aufgeschäumte Aluminiumlegierung weist im wesentlichen gleich große und gleichmäßig verteilte, geschlossene Poren auf, ist sehr druckfest, hat ein geringes Gewicht und erteilt dem geformten Gegenstand eine entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall erforderliche Festigkeit.The foamable aluminum alloy can be, for example, an aluminum powder alloy with a blowing agent, for example titanium hydride (Tih ₂ ) and a powder of a hypereutectic aluminum-silicon alloy with a proportion of silicon in the form of primary silicon crystals in the powder of the hypereutectic aluminum-silicon alloy act of less than 12 wt .-% based on the metal alloy. The mixture is poured into a mold and compacted under pressure without the blowing agent powder decomposing. The primary material thus produced can then be hot pressed or hot rolled or hot extruded without foaming. If this semi-finished product is heated up to about 800 ° C for foaming, the blowing agent releases trapped gas, so that the aluminum alloy powder foams. If the foaming of the semi-finished product is carried out in a mold, the foam fills the contour of the mold cavity, assumes its shape and, depending on the degree of foaming and the type of blowing agent additive, has a density of approximately 0.3 to 1.7 g / cm ³ . The foamed aluminum alloy has essentially the same size and evenly distributed, closed pores, is very pressure-resistant, has a low weight and gives the molded article the strength required for the respective application.

Claims (9)

1. Aluminiumschaumlegierung aus einer ein gasabspaltendes Treibmittel enthaltenden Aluminiummatrix mit einem Zusatz von gleichmäßig verteilten, keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden, durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze entstandenen Partikeln mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge und einer Partikelgröße kleiner als 30 µm.1. Aluminum foam alloy from a gas-releasing blowing agent Aluminum matrix with an addition of evenly distributed, nucleating, one uniform bubbles and homogeneous foam structure, by spraying a hypereutectic aluminum-silicon melt with a particle Proportion of silicon in the form of silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic aluminum-silicon alloy of less than 20 wt .-% based on the total amount and a particle size smaller than 30 µm. 2. Aluminiumschaumlegierung nach Anspruch 1 mit bis zu etwa 50% Silizium in den Partikeln2. Aluminum foam alloy according to claim 1 with up to about 50% silicon in the particles 3. Verfahren zum Herstellen von Aluminiumschaumkörpern mit den Schritten:

• - Herstellen von Siliziumprimärkristalle enthaltenden Partikeln kleiner 30 µm durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze,
• - Herstellen einer homogenen Mischung aus mindestens einem eine Aluminiummatrix bildenden Aluminiumpulver, einem Pulver aus den oder mit den keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden Partikeln mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 20 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge und mindestens einem gasabspaltendem Treibmittelpulver,
• - Einfüllen der Mischung in eine Form,
• - Aufschäumen durch Aufheizen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels und
• - Abkühlen des so aufgeschäumten Körpers.

3. Method for producing aluminum foam bodies with the steps:

• Producing particles smaller than 30 μm containing silicon primary crystals by spraying a hypereutectic aluminum-silicon melt,
• - Production of a homogeneous mixture of at least one aluminum powder forming an aluminum matrix, a powder made of or with the nucleating particles, which cause uniform bubble formation and homogeneous foam structure, with a proportion of silicon in the form of silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic aluminum-silicon alloy less than 20% by weight based on the total amount and at least one gas-releasing blowing agent powder,
• - filling the mixture into a mold,
• - Foaming by heating to a temperature above the decomposition temperature of the blowing agent and
• - cooling of the foamed body.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in der Form ein Kompaktieren unter Druck erfolgt.4. The method according to claim 3, in which compacting takes place in the mold under pressure. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kompaktieren unter Druck durch kalt- oder warm-isostatisches Pressen erfolgt.5. The method according to claim 4, wherein the compacting under pressure by cold or warm isostatic pressing takes place. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem nach dem Kompaktieren ein Warmumformen. erfolgt.6. The method according to claim 4 or 5, in which after the compacting a hot forming. he follows. 7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei dem nach dem Kompaktieren oder dem Warmumformen eine Weiterverarbeitung durch Kaltumformen und/oder spanende Bearbeitung erfolgt.7. The method according to claim 4, 5 or 6, in which after the compacting or Hot forming a further processing by cold forming and / or cutting Processing is done. 8. Verwendung eines Pulvers aus oder mit keimbildenden, eine gleichmäßige Blasenbildung und homogene Schaumstruktur bewirkenden, durch Versprühen einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze gewonnenen Partikeln mit einer Partikelgröße von kleiner 30 µm als Zusatz zu einer Mischung aus mindestens einem eine Aluminiummatrix bildenden Aluminiumpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver bei der Herstellung von Aluminiumschaumkörpern, mit einem Anteil des Siliziums in Form von Siliziumprimärkristallen in den Partikeln der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung von weniger als 12 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmenge.8. Use a powder of or with nucleating, an even bubble and homogeneous foam structure, by spraying a hypereutectic Aluminum-silicon melt particles with a particle size of smaller 30 µm as an additive to a mixture of at least one forming an aluminum matrix Aluminum powder and at least one gas-releasing blowing agent powder in the Manufacture of aluminum foams, with a share of silicon in the form of Silicon primary crystals in the particles of the hypereutectic aluminum-silicon alloy  of less than 12% by weight based on the total amount. 9. Verwendung eines Pulvers nach Anspruch 8 mit bis zu etwa 50% Silizium in den Partikeln.9. Use of a powder according to claim 8 with up to about 50% silicon in the particles.