EP1288320A2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Metallschaum - Google Patents

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EP1288320A2
EP1288320A2 EP02450138A EP02450138A EP1288320A2 EP 1288320 A2 EP1288320 A2 EP 1288320A2 EP 02450138 A EP02450138 A EP 02450138A EP 02450138 A EP02450138 A EP 02450138A EP 1288320 A2 EP1288320 A2 EP 1288320A2
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EP
European Patent Office
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gas
melt
bubbles
metal
metal foam
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EP02450138A
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EP1288320A3 (de
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Franz Dobesberger
Herbert Flankl
Dietmar Leitlmeier
Alois Birgmann
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Huette Klein Reichenbach GmbH
Original Assignee
Huette Klein Reichenbach GmbH
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Priority claimed from AT0062102A external-priority patent/AT411532B/de
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Publication of EP1288320A3 publication Critical patent/EP1288320A3/de
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Definitions

  • the invention relates to a device for introducing gas into a melt foamable metal by means of at least one tube for the production of metal foam
  • the invention comprises a method for producing metal foam by Blowing gas into a foamable molten metal.
  • Such a material is a metal foam, the on the one hand, in comparison with a solid material, a much smaller, specific one Has weight and on the other hand, different mechanical properties and a has completely different material behavior.
  • An introduction of gas into the liquid metal can also according to EP-545957 B1 means of a vortex, wherein in the thus formed and solidified foam material There are pores with different diameters, from which a little reproducible material behavior results. Adjusting the pore size or Size distribution in the foam body is not sufficient possible.
  • the invention seeks to remedy the situation and sets itself the goal of a device of to create the type mentioned above, with which gas in the form of approximately having the same volume, adjustable in size pores or bubbles in the Melt is einbringbar.
  • Another object of the invention is the specification of a Method for creating a desired metal foam.
  • the gas inlet tube projecting protrudes into the melt and at the projecting end has a gas outlet cross-section with an area of 0.006 to 0.2 mm and a tube end face of less than 4.0 mm 2 .
  • the inventive geometric design of the gas inlet tube can created the first desired and stable gas bubble removal criteria in the melt which have substantially the same single bubble volume and accordingly resulting formed metal foam.
  • the formation of the device can be made with advantage so that the Outlet opening of the gas introduction tube to an extent of at least the 5 times, preferably at least 10 times, the value of the largest Inner dimension of the outlet opening is formed protruding into the melt. In order to are particularly effective stable tear-off criteria of the bubbles in the melt reachable.
  • the gas inlet tube a circular gas outlet opening and has a pipe end edge or annular pipe face, are special Economical pipe end formations for controlling the gas bubble size can be created.
  • the projecting into the melt gas inlet tube at least in Area of the gas outlet end a kugelsegment-, truncated cone or having truncated pyramidal outer contour. It is advantageous, the outer contour the gas introduction tube so that the angle that the generator of the Stump surface with the axis of the gas inlet channel includes a value of less than 60 °, preferably less than 45 °.
  • Plant technology but also with regard to the performance of the plant and the Product quality can also provide a substantial advantage if at least 2, preferably more than 2 gas inlet tubes, in particular each with the same mutual distance, preferably a value of greater than 10 times the Einrageausiqueses the outlet opening and the gas inlet tube in the Melting, in a replaceable nozzle in the melting vessel of Metal foam systems are arranged.
  • gas inlet tubes in particular each with the same mutual distance, preferably a value of greater than 10 times the Einrageausiquesconcees the outlet opening and the gas inlet tube in the Melting, in a replaceable nozzle in the melting vessel of Metal foam systems are arranged.
  • the invention aims at a further embodiment, with which also in continuous operation over long periods stable Gasblasenablinatekriterien Foaming a molten metal can be achieved.
  • the object to provide an embodiment of the device with which also in the Continuous operation over long periods of stable gas bubble removal criteria Foaming a molten metal can be achieved is achieved by that the gas inlet tube at least in the region of the protruding end of a ceramic consists.
  • the invention makes use of the knowledge that the ceramic formed parts of the device, optionally the entire device at Comparison with previously used steel-fabricated equipment with molten metal react significantly slower and at the same time with the same geometry the formation of a hydrophobic system with respect to a gas bubble formation in Allow entry of gas into the melt.
  • the ceramic is an oxide ceramic, in particular an aluminum oxide ceramic.
  • the further object of the invention is a method of the type mentioned specify with which high quality metal foam by blowing gas into it foamable metal can be created is achieved by a uniformity of the Diameter or the size of the individual bubbles and the size of the Gas bubbles through a geometric nozzle design and by adjusting the Influence parameters of the gas are controlled in the molten metal.
  • Process engineering but also with regard to a high product quality can continue from Be advantageous if the gas at a pressure of 0.3 to 12 bar, preferably 0.7 to 5 bar, is blown into the foaming metal.
  • Particularly lightweight or low density having metal foam body can be created when the metallic melt of light metal, preferably made of aluminum or an aluminum alloy. This can also be a achieved versatile material behavior at low mass of the part become.
  • the foamability of the metal, but also the formation of the foam matrix or the foam wall can be substantially improved if SiC particles and / or Al 2 O 3 particles and other non-metallic particles and / or particles of intermetallic phases are used to prepare the foamable molten metal be used. It is favorable in terms of stability and strength, in particular buckling strength of the foam walls when particles for stabilizing the metal foam with a size of 1 to 50 microns, preferably 3 to 20 microns, used and evenly distributed in the foam matrix, with excellent results can be achieved if in the base metal, a foamable molten metal with a volume fraction of particles of 2 to 50 vol .-%, in particular from 18 to 28 vol .-% is created.
  • an oxygen-containing gas preferably air
  • substantially pure oxygen is injected, in Surprisingly, the beneficial effects of a on the particle content of Melt tuned gas bubbles minimum height to be increased because at the Surface of the particle and metal-laden gas bubble at the same time a reinforcing acting oxide layer is formed.
  • the invention also aims to a flowable Metal foam with gas bubbles passing through walls of a liquid metal matrix solid reinforcing particles is limited. This goal is thereby achieved that the diameter of the largest gas bubbles broken by that the smallest gas bubbles gives a value of less than 2.5.
  • a flowable Metal foam can be used with high accuracy when using different means Parts are shaped and allowed to solidify, depending on individual bubble size and Ratio of a specific density of the part and its compression behavior at Drucknapssbeaufschlagung be achieved. Foam parts with a density of each 0.09 to 0.11 experience, for example, only slightly increasing Compressive stresses of 0.25 to 0.8 MPa compression ratios up to 70%.
  • a metal foam body which is both high-area and high punctiform mechanical stress withstand, is achieved by that at a Metal foam of the type mentioned the pores substantially spherical and / or ellipsoidal closed, with the largest each Diameter of the pores are distributed monomodally and the pores are essentially made out individual stabilized bubbles are formed and that the wall inner surfaces at least partially coated with an oxide.
  • a metal foam body according to the invention exhibits an isotropic aspect mechanical properties favorable monomodal size distribution of spatial evenly distributed pores additionally an oxide-reinforced pore wall structure, whereby an increased load capacity achieved in use or a period of use of components with a metal foam unit can be increased. Because of a Formation of the pores such that the pores are substantially single, stabilized bubbles correspond to a flowable metal foam, is suitable Inventive metal foam body for use in components not only at high planar load, but also excellent at high punctiform occurring Burden.
  • a gas inlet tube 1 is shown, which with an extent E in a Melt protrudes.
  • the gas inlet tube 1 has between inner surface 4 and outer surface 5 a constant wall thickness with a pipe end face 3, the into the melt S sticks up.
  • FIG. 2 shows a gas introduction tube 1 with a Einragetress E in a melt S, which tube 1 in the exit region a frustoconical or truncated pyramidal Outer contour 6, which in the extension at an angle to the axis 7 of a Gas inlet channel has.
  • a Gas inlet tube 1 can with high stability and strength of the base part a Pipe end face 3 formed with the smallest surface area up to a front edge become.
  • Fig. 3 is an embodiment with a nozzle 8, which is preferably arranged detachably in a wall 9 of a melt vessel, removable.
  • Three gas inlet tubes 1, 1 ', 1 "projecting into a melt S are arranged at a distance A 1 and A 2 from each other in the nozzle 8.
  • Such easily exchangeable nozzle rods 8 are preferably used when metal foams having substantially the same single bubble volume but different Produce bubble sizes, because thereby the formation criteria: size of the gas outlet cross-section and size of the gas inlet tube end face, can be changed in the short term.
  • Fig. 2 shows the pore size distribution of a Metal foam, in compliance with the AufMum lake invention was created. As can be seen by the histogram in Fig. 5, is at a monomodal distribution of pore sizes at a mean value of 4 mm Proportion of pores of about 6 mm proportionately only slightly higher than that of 2 mm, that is, the pore sizes are approximate to both sides of an average distributed to the same extent or the same frequency.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum.
Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum sowie einen Metallschaumkörper.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Gaseintragsrohr (1) vorspringend in die Schmelze (S) einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt (2) mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner als 4,0 mm2 besitzt und dass eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen vorliegt und die Größe der Gasblasen durch eine Einstellung der Einströmparameter des Gases gesteuert wird.
Zur Sicherstellung stabiler Gasblasenablösekriterien über lange Zeitspannen besteht das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum
Weiters umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze.
In der innovativen Technologie sind zunehmend Werkstoffe mit neuem Eigenschaftsprofil gefordert. Einen derartiger Werkstoff stellt ein Metallschaum dar, der einerseits, im Vergleich mit einem Vollmaterial, ein wesentlich geringeres, spezifisches Gewicht besitzt und andererseits unterschiedliche, mechanische Eigenschaften und ein völlig anderes Werkstoffverhalten aufweist.
Für eine Herstellung von Metallschaum-Werkstoffen sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise können einer Metallschmelze Substanzen zugesetzt und in dieser verteilt werden, welche Substanzen sich bei der gegebenen Schmelztemperatur der Metallphase unter Gasentwicklung zersetzen. In der Schmelze werden dabei die sich bildenden bzw. die gebildeten Gasblasen eingefroren und derart ein Schaumkörper erstellt.
Weiters bekannt sind Schäumverfahren, bei welchen Gas unter die Oberfläche eines geschmolzenen schäumbaren Metalles, eines sogenannten flüssigen Verbundstoffmaterials, eingebracht und derart ein Metallschaum erstellt wird.
Aus der WO 91/01387 bzw. EP- 483184 B1 ist beispielsweise ein derartiges kontinuierliches Schaumverfahren bekannt geworden.
Ein Einbringen von Gas in das flüssige Metall kann auch gemäß EP-545957 B1 mittels eines Wirbels erfolgen, wobei im derart gebildeten und erstarrten Schaumwerkstoff Poren mit unterschiedlichem Durchmesser vorliegen, woraus ein wenig reproduzierbares Werkstoffverhalten resultiert. Ein Einstellen der Porengröße oder Größenverteilung im Schaumkörper ist dabei nicht in einem ausreichenden Maß möglich.
Gemäß US 5 281 251 erfolgt ein Einbringen von Gas in die Schmelze mittels einer Eintragvorrichtung, die quirlförmig ausgebildet und an den außenseitigen Flügelenden Gasaustrittsöffnungen aufweist. Eine ähnliche Ausführungsform des Gaseinführungsmittels oder eine vibrierende oder oszillierende Düse offenbart die US 5 334 236.
Um eine effiziente Schaumbildung zu erreichen, wurde auch vorgeschlagen (EP-544291 A1), dem Flüssigmetall Gas über eine Vielzahl von Düsen in der Art eines oszillierenden Düsenkammes oder mittels einer vertikalen Düse mit darüber rotierendem propellerartigen Rührer zur Verwirbelung der Gasblasen zuzusetzen.
Allen bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Metallschaum durch ein Einblasen von Gas in eine Schmelhze sind die Nachteile gemeinsam, dass Poren oder Gasblasen mit großen Abmessungsunterschieden gebildet werden und deren Größe und Größenverteilung nicht in gewünschtem Maße einstellbar sind. Daraus ergeben sich vielfach unerwünscht vergleichsweise hohe spezifische Gewichte und ungenügend reproduzierbares Materialverhalten des Metallschaum-Werkstoffes.
Hier will die Erfindung Abhilfe bieten und setzt sich zum Ziel, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher Gas in der Form von annähernd gleichem Volumen aufweisenden, in der Größe einstellbaren Poren oder Blasen in die Schmelze einbringbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung stellt die Angabe eines Verfahrens zur Erstellung eines gewünschten Metallschaumes dar.
Das Ziel wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Gaseintragsrohr vorspringed in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner als 4,0 mm2 besitzt.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass am Gaseintragsrohr bei der Bildung der Poren für deren bestimmte Größe stabile Blasenablösungskriterien geschaffen werden.
Wird in ein schäumbares Metall gemäß dem Stand der Technik Gas durch eine Bohrung in einer Düsenplatte eingebracht, so entsteht, wie Untersuchungen zeigten, eine Blase, wobei in der Folge rund um die Bohrung eine Erweiterung des Blasenhaftungsbereiches eintritt. Der Zeitpunkt der Ablösung und die dabei in der Praxis gebildete Größe der Blase an der Düsenplatte unterliegen keiner strengen und engen Gesetzmäßigkeit, so dass derart gebildeter Metallschaum mit Blasen, welche verschiedendste Durchmesser aufweisen, gebildet ist. Sind in der Düsenplatte beispielsweise zwei oder mehrere Bohrungen für einen Gaseintritt in das flüssige Metall vorgesehen, kann die Erweiterung des jeweiligen Blasenhaftungsbereiches an der Plattenoberfläche so weit fortschreiten, dass die Einzelblasen sich unter Bildung einer übergroßen Blase vereinigen, was einer gewünschten Schaumbildung entgegengerichtet ist. Wie eingangs angeführt, wurde schon versucht, eine gezielte Gasblasenablösung von der Düse oder eine Zerteilung großer Gasblasen durch eine Relativbewegung der Gaseintrittsöffnung im Metall oder durch Verwirbelung zu erreichen, was jedoch nicht in ausreichendem Maße eine gewünschte Wirkung erbrachte.
Durch die erfindungsgemäße geometrische Gestaltung des Gaseintragsrohres können erstmals gewünschte und stabile Gasblasenablösekriterien in der Schmelze geschaffen werden, welche im Wesentlichen gleich hohes Einzelblasenvolumen und demgemäß gebildeten Metallschaum ergeben.
Die Ausbildung der Vorrichtung kann mit Vorteil so getroffen werden, dass die Austrittsöffnung des Gaseintragsrohres in einem Ausmaß von mindestens dem 5-fachen, vorzugsweise von mindestens dem 10-fachen, des Wertes der größten Innenabmessung der Austrittsöffnung in die Schmelze einragend ausgebildet ist. Damit sind besonders wirkungsvoll stabile Abreißkriterien der Blasen in der Schmelze erreichbar.
Wenn in günstiger Weise das Gaseintragsrohr eine kreisrunde Gasaustrittsöffnung und eine Rohrstirnkante oder kreisringförmige Rohrstirnfläche besitzt, sind besonders wirtschaftlich Rohrstirnausbildungen zur Steuerung der Gasblasengröße erstellbar.
Um eine große Stabilität bei einer geringen Stirnfläche des Gaseintragsrohres und auch eine hohe Haltbarkeit der Vorrichtung im Schäumbetrieb zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn das in die Schmelze einragende Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des Gasaustrittsendes eine kugelsegment-, kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur aufweist. Dabei ist von Vorteil, die Außenkontur des Gaseintragsrohres so auszuführen, dass der Winkel, den die Erzeugende der Stumpfoberfläche mit der Achse des Gaseintrittskanales einschließt, einen Wert von kleiner als 60°, vorzugsweise von kleiner als 45°, aufweist.
Anlagentechnisch, aber auch im Hinblick auf die Leistung der Anlage und die Produktgüte kann es weiters einen wesentlichen Vorteil erbringen, wenn mindestens 2, vorzugsweise mehr als 2 Gaseintragsrohre, insbesondere mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand, der vorzugsweise einen Wert von größer als dem 10-fachen des Einrageausmaßes der Austrittsöffnung bzw. des Gaseintragsrohres in die Schmelze aufweist, in einem austauschbaren Düsenstock im Schmelzengefäß von Metallschaumanlagen angeordnet sind. Derart ist eine Bereitstellung einer großen hochwertigen Schaummenge in kurzen Zeitspannen möglich, was gegebenenfalls bei einer vormaterialintensiven Weiterverarbeitung, insbesondere von Großteilen, gewünscht wird.
Wenngleich mit einer Vorrichtung der vorstehend genannten Art vorzügliche Ergebnisse im Einzelversuch und im Kleinserienbetrieb betreffend eine Gleichmäßigkeit der Gasblasenvolumina erhalten werden, so wurde nun bei Versuchen zur Machbarkeit der Bereitstellung von Metallschaum für eine Großserienproduktion von Bauteilen und Verbundteilen für die Fahrzeugindustrie festgestellt, das während eines dauerhaften Betriebes die Geometrie der Vorrichtung durch Schmelzenangriff bzw. Reaktion der Vorrichtung mit einer Schmelze verändert werden kann, wodurch eine Sicherstellung stabiler Gasblasenablösekriterien im Dauerbetrieb nicht mehr gegeben erscheint.
Dadurch begründet zielt die Erfindung auf eine weitere Ausgestaltung ab, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können.
Die Aufgabe, eine Ausgestaltung der Vorrichtung zu schaffen, mit welcher auch im Dauerbetrieb über lange Zeitspannen stabile Gasblasenablösekriterien beim Aufschäumen einer Metallschmelze erreicht werden können, wird dadurch gelöst, dass das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.
Die so erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei erfindungsgemäßer Ausbildung der Vorrichtung die Geometrie derselben auch bei langanhaltendem Kontakt mit einer zumindest mehrere hundert Grad Celsius heißen Metallschmelze im Wesentlichen unverändert bleibt, weshalb auch bei oftmaliger Verwendung der Vorrichtung über lange Zeitspannen beim Aufschäumen von Metallschmelzen stabile Gasblasenablösekriterien erzielt werden können. Die hohe Formstabilität und lange Verwendungsdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Schmelzenkontakt ermöglicht es nunmehr, Metallschäume gleichbleibend hoher Qualität im Dauerbetrieb ohne Reparatur bzw. Austausch einer Vorrichtung bereitzustellen. Dabei nützt die Erfindung die Erkenntnis aus, dass die aus Keramik gebildeten Teile der Vorrichtung, gegebenenfalls die gesamte Vorrichtung, bei Vergleich mit bisher verwendeten stahlgefertigten Einrichtungen mit Metallschmelzen signifikant langsamer reagieren und dabei gleichzeitig bei gleicher Geometrie ebenfalls die Ausbildung eines hydrophoben Systems bezüglich einer Gasblasenausbildung beim Eintrag von Gas in die Schmelze ermöglichen.
Eine besonders hohe Reaktionsträgheit und damit vorzügliche Gebrauchseigenschaften werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt, wenn die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem hochwertiger Metallschaum durch Einblasen von Gas in ein schäumbares Metall erstellbar ist, wird dadurch gelöst, dass eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und durch eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden.
Die Vorteile des so erzielten Metallschaumes sind insbesondere darin zu sehen, dass im Wesentlichen gleich große Blasen die Stützkriterien der metallischen Begrenzungen bei mechanischer Belastung im Hinblick auf ein niedriges spezifisches Gewicht des Schaumkörpers und ein gewünschtes Materialverhalten wesentlich verbessern.
Wenn Metallschaum-Körper verwendungsorientiert mit verschiedenen Durchmessern der jeweils gleich großen Blasen gefordert werden, kann erfindungsgemäß auf einfache Weise die Gleichmäßigkeit der Größe der Einzelblasen mittels des Einragens des Gaseintragsrohres in die Schmelze erreicht und die Größe der Einzelblasen durch die Größe des Gasaustrittsquerschnittes, die Größe der Eintragsrohrstirnfläche und die Höhe des Gasdruckes gesteuert werden. Besitzen nämlich Metallschaumkörper jeweils gleichvolumige, jedoch unterschiedlich große Gasblasen, so ist auch deren Materialverhalten bei Verformung unterschiedlich, wodurch für bestimmte Anwendungszwecke ein dafür bestens geeigneter Gegenstand erstellt werden kann.
Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass die Gleichmäßigkeit der Gasblasengröße weiter gesteigert werden kann, wenn das Gas mit einem um einen Mittelwert schwingenden bzw. wechselnden Druck und/oder durch oszillierend bewegte Düsen in die Schmelze eingetragen wird.
Verfahrenstechnisch, aber auch im Hinblick auf eine hohe Produktgüte kann weiter von Vorteil sein, wenn das Gas mit einem Druck von 0,3 bis 12 bar, vorzugweise 0,7 bis 5 bar, in das schäumende Metall eingeblasen wird.
Besonders leichtes bzw. geringes Raumgewicht aufweisende Metallschaumkörper können erstellt werden, wenn die metallische Schmelze aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung erstellt wird. Damit kann auch ein vielseitig gefordertes Werkstoffverhalten bei niedriger Masse des Teiles erreicht werden.
Die Schäumbarkeit des Metalles, aber auch die Ausbildung der Schaummatrix bzw. der Schaumwand können wesentlich verbessert werden, wenn zur Erstellung der schäumbaren Metallschmelze SiC-Partikel und/oder Al2O3-Partikel, sowie weitere nichtmetallische Partikel und/oder Partikel aus intermetallischen Phasen eingesetzt werden. Dabei ist es im Hinblick auf die Stabilität und Festigkeit, insbesondere Knickfestigkeit der Schaumwände günstig, wenn Partikel zur Stabilisierung des Metallschaumes mit einer Größe von 1 bis 50 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm, verwendet und gleichmäßig in die Schaummatrix verteilt werden, wobei vorzügliche Ergebnisse erreicht werden können, wenn im Basismetall eine schäumbare Metallschmelze mit einem Volumsanteil an Partikeln von 2 bis 50 Vol.-%, insbesondere von 18 bis 28 Vol.-% erstellt wird.
Bei einem Durchführen eines kontinuierlichen Aufschäumen nach dem vorgenannten Verfahren wurde gefunden, dass es insbesondere bei geringen Partikelgehalten der Schmelzen in einem geringen Maße zu einem Aufplatzen von über der Schmelzenoberfläche befindlichen, partikel- und metallbehafteten Blasen kommen kann. Dadurch können sich im fließfähigen Metallschaum Blasen vereinigen, so dass ein erstarrter Metallschaum größere aus zwei oder mehr Einzelblasen gebildete Poren aufweisen kann, welche Poren Ausgangspunkte für ein Materialversagen bei mechanischer Beanspruchung, insbesondere bei einer hohen punktuellen Druckbeanspruchung, sein können.
Das Ziel der Erfindung, das Verfahren derart weiterzubilden, dass ein teilweises Aufplatzen von Blasen weitestgehend verhindert wird, wird dadurch erreicht, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S = - 11,5 + 144,6 x P-0,55 wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.
Die durch die erfindungsgemäße Weiterbildung erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Steighöhe die in die aufzuschäumende Metallschmelze eingebrachten Gasblasen beim Aufsteigen an die Schmelzenoberfläche einen Mindestweg in der partikelhältigen Schmelze zurücklegen müssen, auf welchem Weg an den Oberflächen der Gasblasen jeweils genügend Partikel angesammelt werden können, um die Blasen, sobald sie die Schmelzenoberfläche durchquert haben, gegen ein Aufplatzen zu stabilisieren. Insbesondere können dadurch auch aufschäumbare Metallschmelzen mit niedrigem Partikelgehalt, beispielsweise von zwei Volumsprozent, nunmehr auf einfache Weise in stabile Metallschäume hoher Güte zu überführt werden, indem gemäß der Erfindung eine entsprechend große Steighöhe vorgesehen wird.
Wenn, wie weiters gefunden wurde, ein sauerstoffhältiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird, können in überraschender Weise die vorteilhaften Wirkungen einer auf den Partikelgehalt der Schmelze abgestimmten Gasblasen-Mindeststeighöhe erhöht werden, weil an der Oberfläche der partikel- und metallbehafteten Gasblase gleichzeitig eine verstärkend wirkende Oxidschicht ausgebildet wird.
Zur Bereitstellung von Vormaterial zur Fertigung von Metallschaumgegenständen mit gewünschtem Materialverhalten zielt die Erfindung auch darauf ab, einen fließfähigen Metallschaum mit Gasblasen, welche durch Wände aus einer flüssigen Metallmatrix mit festen Verstärkungspartikeln begrenzt ist, zu schaffen. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass der Durchmesser der größten Gasblasen gebrochen durch denjenigen der kleinsten Gasblasen einen Wert von kleiner als 2,5 ergibt. Ein derartig fließfähiger Metallschaum kann bei Anwendung unterschiedlicher Mittel mit hoher Genauigkeit zu Teilen geformt und erstarren gelassen werden, wobei je nach Einzelblasengröße und Verhältniswert eine bestimmte Dichte des Teiles und dessen Stauchverhalten bei Druckspannungsbeaufschlagung erzielbar sind. Schaumteile mit einer Dichte von jeweils 0,09 bis 0,11 erfahren beispielsweise bei nur geringfügig ansteigenden Druckspannungen von 0,25 bis 0,8 MPa Stauchgrade bis 70 %.
Ein Metallschaumkörper, welcher sowohl hoher flächiger als auch hoher punktueller mechanischer Belastung standhält, wird dadurch erreicht, dass bei einem Metallschaum der eingangs genannten Art die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stabilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit einem Oxid überzogen sind.
Ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper weist bei einer hinsichtlich der Isotropie mechanischer Eigenschaften günstigen monomodalen Größenverteilung von räumlich gleichmäßig verteilten Poren zusätzlich eine oxidverstärkte Porenwandstruktur auf, wodurch eine erhöhte Belastbarkeit im Gebrauch erzielt bzw. eine Verwendungsdauer von Bauteilen mit einer Metallschaumeinheit gesteigert werden kann. Aufgrund einer Ausbildung der Poren dergestalt, dass die Poren im Wesentlichen einzelnen, stabilisierten Blasen eines fließfähigen Metallschaumes entsprechen, eignet sich ein erfindungsgemäßer Metallschaumkörper zum Gebrauch in Bauteilen nicht nur bei hoher flächiger Belastung, sondern auch vorzüglich bei hoher punktförmig auftretender Belastung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich jeweils einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
  • Fig. 1 ein Gaseintragsrohr
  • Fig. 2 ein Gaseintragsrohr mit kegelstumpfförmiger Außenkontur
  • Fig. 3 einen Düsenstock mit mehreren Gaseintragsrohren
    • In Fig. 1 ist ein Gaseintragsrohr 1 dargestellt, welches mit einem Ausmaß E in eine Schmelze einragt. Das Gaseintragsrohr 1 weist zwischen innerer Oberfläche 4 und äußerer Oberfläche 5 eine gleichbleibende Wandstärke mit einer Rohrstirnfläche 3, die in die Schmelze S ragt, auf.
    Fig. 2 zeigt ein Gaseintragsrohr 1 mit einem Einragemaß E in eine Schmelze S, welches Rohr 1 im Austrittsbereich eine kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur 6 aufweist, die in der Verlängerung einen Winkel zur Achse 7 eines Gaseintrittskanales besitzt. Mit einer derartigen Ausführungsart eines Gaseintragsrohres 1 kann bei hoher Stabilität und Stärke des Basisteiles eine Rohrstirnfläche 3 mit geringstem Flächeninhalt bis zu einer Stirnkante hin gebildet werden.
    Aus Fig. 3 ist eine Ausführungsart mit einem Düsenstock 8, welcher in einer Wand 9 eines Schmelzengefäßes vorzugsweise lösbar angeordnet ist, entnehmbar. Im Düsenstock 8 sind drei in eine Schmelze S einragende Gaseintragsrohre 1, 1', 1" mit einem Abstand A1 und A2 zueinander angeordnet. Derartige leicht austauschbare Düsenstöcke 8 werden bevorzugt dann verwendet, wenn Metallschäume mit im Wesentlichen gleichem Einzelblasenvolumen, jedoch mit unterschiedlichen Blasengrößen herzustellen sind, weil dadurch die Bildungskriterien: Größe des Gasaustrittsquerschnittes und Größe der Gaseintragsrohr-Stirnfläche, kurzfristig änderbar sind.
    Anhand der schematischen Zeichnungen sollen die Blasenbildungsmechanismen nochmals kurz dargelegt werden:
    Erfolgt ein Einbringen von Gas in eine Schmelze S, so wird in dieser an der Austrittsöffnung 2 des Eintragloches 1 eine konvexe Einwölbung gebildet. Um diese sich vergrößernde Einwölbung hängt die Schmelze an der Umgebungsfläche der Gasaustrittsöffnung. Weil nun das Grenzflächensystem Schmelze/Wandung als hydrophobes System vorliegt, ist die Haftfestigkeit des Flüssigmetalles rund um die Gasaustrittsöffnung gering, was zu Ablöseerscheinungen und flächigem Auswandern der Gasblasenbegrenzung an der Wandung führt. Dadurch sind die Ablösebedingungen für die Gasblase weitgehend unbestimmt, was zu unterschiedlichsten Blasengrößen führen kann. Sollen mittels mehrerer benachbarter Austrittsöffnungen Blasen erstellt werden, so vereinigen sich diese in den meisten Fällen, wodurch eine gewünschte Schäumung verhindert wird oder eine ungleichmäßige Blasenstruktur des Metallschaumes gebildet wird.
    Weist nun beispielsweise ein erfindungsgemäß vorragendes Gaseintragsrohr 1 einen Innendurchmesser D2 und einen Gasaustrittsquerschnitt 2 sowie einen Außendurchmesser D1 auf, so resultiert daraus das Maß der Rohrstirnfläche 3.
    Bei einen Gaseinbringen in die Schmelze kann die Gasblasenbegrenzung jedoch nur bis zur Außenkante der Rohrstirnfläche 3 auswandern, wodurch ein wesentlicher Einfluß auf die Ablösekriterien gegeben ist. Auch benachbarte Gaseintragsrohre 1, 1', 1", die in eine schäumbare Schmelze S einragen, bilden auf Grund der an den Außenkanten der Stirnflächen 3 rückspringenden Flächen definierte Ablösekriterien für Gasblasen aus, so dass eine Vereinigung und Entstehung großer Blasen weitgehend ausgeschlossen ist.
    Im Weiteren wird eine Ausgestaltung der Erfindung mit Bezug zu Abbildungen beispielhaft noch näher erläutert. dabei zeigen:
  • Fig. 4: die Abhängigkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen Mindeststeighöhe vom Partikelgehalt der Schmelze.
  • Fig. 5: die Porengrößenverteilung eines erfindungsgemäßen Metallschaumkörpers.
    • In umfangreichen Versuchsreihen wurden verschiedene jeweils partikelhältige Aluminiumlegierungen, beispielsweise AlSi7Mg, eine auch als A 356 bekannte Aluminiumlegierung mit, neben Aluminium, im Wesentlichen 7 Gew.-% Silicium und 1 Gew.-% Magnesium, oder beispielsweise AA 6061 (Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung gemäß Normung Aluminium Association Nummer 6061), in einem Schmelztiegel aufgeschmolzen, wobei eine Einstellung des Partikelgehaltes in der Schmelze gegebenenfalls durch Beimengen einer in der chemischen Zusammensetzung entsprechenden, paritikelfreien Legierung erfolgte. Anschließend wurde in die partikelhältigen Schmelzen Gas eingetragen. Der Eintrag erfolgte in allen Versuchen jeweils über einen einzelnen Düsenkörper mit einer Austrittsöffnung, wobei Düsenkörper aus Chrom-Nickel-Stahl und aus Keramik zum Einsatz kamen.
    In einer ersten Versuchsreihe wurde die Haltbarkeit verschiedener Düsenkörper untersucht. Bei Durchführung von jeweils fünf Aufschäumversuchen über Zeiträume von 20 Sekunden bis zu 45 Minuten mit Chrom-Nickel-Stahldüsen einerseits und mit Aluminiumoxiddüsen andererseits konnte bei den Stahldüsen, die länger als ca. 2 Minuten in Gebrauch waren, optisch eine Veränderung der Form der Gasaustrittsöffnung durch Schmelzenangriff festgestellt werden. In dementsprechender Übereinstimmung wies der zu Beginn und am Ende des Aufschäumverfahrens erstellte und von der Schmelzenoberfläche abgenommene Metallschaum verschiedene Porendurchmesser auf. Im Gegensatz dazu waren bei den aus Aluminiumoxid bestehenden Düsenkörper selbst bei einem kontinuierlichen Einsatz über 45 Minuten keiner derartigen Veränderungen der Geometrie sichtbar. Demgemäß konnte über den gesamten Versuchszeitraum Metallschaum mit gleichwertigen Poreneigenschaften erstellt werden. Auch andere keramische Materialien, wie SiO2 oder SiO2/Al2O3, können mit Vorteil gegenüber Stählen verwendet werden; höchste Gebrauchsdauer wird vergleichsweise aber mit Düsenkörpern aus Al2O3 erzielt.
    In einer zweiten Versuchsreihe wurde mit Düsenkörpern aus Aluminiumoxid bei fixiertem Partikelgehalt P der Schmelze die Steighöhe S des eingebrachten Gasses variiert und die Qualität der bei verschiedenen Gaseinbringtiefen gebildeten Metallschäume untersucht. Dabei zeigte sich mit Bezug auf Fig. 4 folgendes Verhalten: Bei geringem Partikelgehalt P der Schmelze, beispielsweise 2 Vol.-%, kann bei einer niedrigen Steighöhe S Metallschaum gebildet werden, in dem, bei querschnittlicher Betrachtung, Poren vorhanden sind, die aus zumindest zwei Blasen gebildet sind. Solche Poren sind einfach daran erkennbar, dass sie ellipsoid-länglich mit einem hohen Verhältnis der längeren zur kürzeren Achse ausgebildet sind. Ein derartiges Verhalten ist bei den untersuchten Partikelgehalten im Steighöhenbereich A der Fig. 4 anzutreffen. Sobald jedoch die Steighöhe S bei einem gegebenen Partikelgehalt P nicht mehr im Bereich A der Fig. 4 zu liegen kommt, sondern derart erhöht wird, sodass sie in Bereich B fällt, kann ein Metallschaum erstellt werden, bei dem die Blasen auf Grund des erhöhten Steigweges genügend Paritkel an der Oberfläche aufsammeln können, um gegenüber einem Aufplatzen im flüssigen Metallschaum stabilisiert zu werden. Die experimentell ermittelten notwendigen Steighöhen zur im Wesentlichen vollständigen Blasenstabilisierung sind in Fig. 4 für verschiendene Partikelgehalte in der Form von Dreiecken eingetragen. Die den Bereich A und Bereich B trennende Linie stellt eine an die Experimentaldaten angepasste Ausgleichskurve der allgemeinen Form Y = a + Xb dar.
    Bei Einhaltung der Mindeststeighöhe wurden beim Metallschaum im Querschnitt zu mehr als 95 %, teilweise zu mehr als 99 %, Poren festgestellt, die zu einzelnen Gasblasen korrespondierten. Fig. 2 zeigt die Porengrößenverteilung eines Metallschaumes, der unter Einhaltung der erfindungsgemäßen Aufschäumbedingungen erstellt wurde. Wie anhand des Histogrammes in Fig. 5 ersichtlich, ist bei einer monomodalen Verteilung der Porengrößen bei einem mittleren Wert von 4 mm der Anteil von Poren mit ca. 6 mm anteilsmäßig nur geringfügig höher als jener mit 2 mm, das heißt, die Porengrößen sind zu beiden Seiten eines Mittelwertes in annähernd gleichem Ausmaß bzw. der gleichen Häufigkeit verteilt.
    In einer dritten Versuchsreihe wurden die Auswirkungen des eingeblasenen Gases auf die Materialzusammensetzung und die Materialeigenschaften studiert. Dabei hat sich im Rahmen sekundärelektronischmikroskopischer (SEM) Untersuchungen unerwartet gezeigt, dass bei Verwendung von sauerstoffhältigen Gasen, wie kostengünstiger Luft, an den Porenoberflächen in Teilbereichen eine zusätzliche Schicht aus einem Oxid ausgebildet ist. Die Oxidschicht wirkt auf den Metallschaum verstärkend, wie eine 5 bis 7 %-ige Erhöhung der zur Kompression von erfindungsgemäßen Metallschaumkörpern auf halbes Volumen notwendige Verformungsenergie zeigte. Eine weiter erhöhte Steigerung derselben Verformungsenergie von insgesamt ca. 10 % wurde bei der Verwendung von reinen Sauerstoff als Aufschäumgas beobachtet. Solchenfalls sind, wie mittels SEM Aufnahmen gezeigt werden konnte, die Wandinnenoberflächen im Wesentlichen vollständig, d. h. zumindest zu 90 %, mit einer Oxidschicht überzogen.

    Claims (20)

    1. Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr (1) vorspringend in die Schmelze (S) einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt (2) mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche (3) von kleiner 4,0 mm2 besitzt.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (2) des Gaseintragsrohres (1) in einem Ausmaß (E) von mindestens dem 5-fachen, vorzugsweise von mindestens dem 10-fachen, des Wertes der größten Innenabmessung (D2) der Austrittsöffnung (2) in die Schmelze einragend ausgebildet ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr (1) eine kreisrunde Gasaustrittsöffnung (2) und eine Rohrstirnkante oder kreisringförmige Rohrstirnfläche (3) besitzt.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Schmelze (S) einragende Gaseintragsrohr (1) zumindest im Bereich des Gasaustrittsendes (2) eine kugelsegment-, kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmige Außenkontur (6) aufweist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α), den die Erzeugende (61) der Stumpfoberfläche (6) mit der Achse (7) des Gaseintrittskanales einschließt, einen Wert von kleiner als 60°, vorzugsweise von kleiner als 45°, aufweist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2, vorzugsweise mehr als 2 Gaseintragsrohre (1,1',1"), insbesondere mit jeweils gleichem gegenseitigen Abstand (A1, A2), der vorzugsweise einen Wert von größer als dem 10-fachen des Einrageausmaßes (E) der Austrittsöffnung in die Schmelze aufweist, in einem austauschbaren Düsenstock (8) im Schmelzengefäß (9) von Metallschaumanlagen angeordnet sind. A ≥ 10 x E
    7. Vorrichtung zum Einbringen von Gas in eine Schmelze aus schäumbarem Metall mittels mindestens eines Rohres zur Herstellung von Metallschaum, wobei das Gaseintragsrohr vorspringend in die Schmelze einragt und am einragenden Ende einen Gasaustrittsquerschnitt mit einer Fläche von 0,006 bis 0,2 mm2 sowie eine Rohrstirnfläche von kleiner 4,0 mm2 besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintragsrohr zumindest im Bereich des einragenden Endes aus einer Keramik besteht.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik eine Oxidkeramik, insbesondere eine Aluminiumoxidkeramik, ist.
    9. Verfahren zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen durch eine geometrische Düsengestaltung und eine Einstellung der Einströmparameter des Gases in die Metallschmelze gesteuert werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichmäßigkeit der Größe der Einzelblasen mittels des Einragens des Gaseintragsrohres in die Schmelze erreicht und die Größe der Einzelblasen durch die Größe des Gasaustrittsquerschnittes, die Größe der Eintragsrohrstirnfläche und die Höhe des Gasdruckes gesteuert werden.
    11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem um einen Mittelwert schwingenden bzw. wechselnden Druck und/oder durch oszillierend bewegte Düsen in die Schmelze eingetragen wird.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mit einem Druck von 0,3 - 12 bar, vorzugsweise mit 0,7 bis 5 bar, eingeblasen wird.
    13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schmelze aus Leichtmetall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erstellt wird.
    14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung der schäumbaren Metallschmelze SiC-Partikel und/oder Al2O3-Partikel sowie weitere nichtmetallische Partikel und/oder intermetallische Phase eingesetzt werden.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel zur Stabilisierung des Metallschaumes mit einer Größe von 1 bis 50 µm, vorzugsweise 3 bis 20 µm, verwendet werden.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die schäumbare Metallschmelze mit einem Volumsanteil an Partikeln von 2 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 18 bis 28 Vol.-%, erstellt wird.
    17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16 zur Herstellung von Metallschaum durch Einblasen von Gas in eine schäumbare Metallschmelze, wobei eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers bzw. der Größe der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas mindestens in einem Abstand S (in Millimeter) gemäß S = -11,5 + 144,6 x P-0,55 wobei P der Zahlenwert des Partikelgehaltes der Schmelze in Vol.-% ist, unterhalb der Schmelzenoberfläche eingeblasen wird.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein sauerstoffhältiges Gas, vorzugsweise Luft, insbesondere im Wesentlichen reiner Sauerstoff, eingeblasen wird.
    19. Fließfähiger Metallschaum mit Gasblasen, welche durch Wände aus einer flüssigen Metallmatrix mit festen Verstärkungspartikeln begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der größten Gasblasen gebrochen durch denjenigen der kleinsten Gasblasen einen Wert von kleiner als 2,5 ergibt.
    20. Metallschaumkörper mit räumlich gleichmäßig verteilten, von einer festen Wand umschlossenen Poren, wobei die Wand aus einer metallischen Matrix und in dieser eingelagerten Partikeln besteht, dadurch gekennzeichent, dass die Poren im Wesentlichen sphärisch und/oder ellipsoid geschlossen ausgeformt sind, wobei die jeweils größten Durchmesser der Poren monomodal verteilt sind und die Poren im Wesentlichen aus einzelnen stalbilisierten Blasen gebildet sind und dass die Wandinnenoberflächen zumindest teilweise mit einem Oxid überzogen sind.
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