DE19849600C1 - Verfahren zur Herstellung von einem metallischen Verbundwerkstoff - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von einem metallischen VerbundwerkstoffInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eins metallischen Verbundwerkstoffes, umfassend Deckschichten aus massivem Material sowie einem zwischen diesen befindlichen aufschäumbaren Kern, bestehend aus einer Mischung mindestens eines Metallpulvers und mindestens eines gasabspaltenden Treibmittelpulvers, wobei aus den Deckschichten und der Mischung ein Verbund hergestellt wird, der nach gegebenenfalls einer Formgebung thermisch derart behandelt wird, dass ein Aufschäumen des Kernes erfolgt. Um eine verfahrensmäßige Vereinfachung bei der Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass die Mischung aus dem mindestens einen Metallpulver und dem mindestens einen gasabspaltenden Treibmittelpulver zusammen mit den Deckschichten in einem einzigen bzw. gleichzeitig ablaufenden Verfahrensschritt durch Druckeinwirkung zu dem Verbund ausgebildet wird.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbund
werkstoffes umfassend Deckschichten aus massivem Material sowie einem zwischen diesen
befindlichen aufschäumbaren Kern bestehend aus einer Mischung mindestens eines Metallpul
vers und mindestens eines gasabspaltenden Treibmittelpulvers, wobei aus den Deckschichten
und der Mischung ein Verbund hergestellt wird, der nach gegebenenfalls einer Formgebung
thermisch derart behandelt wird, dass ein Aufschäumen des Kernes erfolgt.
Ein entsprechendes Verfahren ist der DE 44 26 627 C2 zu entnehmen. Dabei wird zunächst der
aufschäumbare Kern durch Verdichten mittels Druck- und Temperatureinwirkung der Mischung
aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver
hergestellt. Sodann erfolgt eine Oberflächenbehandlung sowohl des Kernes als auch der Deck
schichten, die von einem Coil abgewickelte Blechzuschnitte sein können. Sodann wird der als
Halbzeug zu bezeichnende aufschäumbare Kern zwischen die Deckschichten angeordnet, um
durch Kalt- oder Warmwalzen oder Diffusionsschweißen des so gebildeten Paketes eine innige
Verbindung zwischen den Deckschichten und dem Kern herzustellen. Anschließend erfolgt
durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen eine Formgebung des entstandenen Verbundes.
Schließlich wird der so hergestellte Verbund durch ein thermisches Verfahren derart erwärmt,
dass ein Aufschäumen des Kerns ausgelöst wird, ohne dass es zu einem Schmelzen der
Deckschichten führt.
Um einen entsprechenden Verbundwerkstoff herzustellen, sind folglich eine Vielzahl von
Verfahrensschritte erforderlich, wobei insbesondere die Oberflächenbehandlung des Kerns und
der Deckschichten zwingend notwendig ist, da andernfalls die erforderliche Verbindung
aufgrund von vorhandenen Oxidationsschichten nicht möglich ist.
Die DE 41 24 591 C1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer
Metallkörper durch Walzen, wobei die erforderliche Pulvermischung in ein Metallhohlprofil
gefüllt und gewalzt wird. Zur Herstellung unterschiedlicher Formen sind demzufolge unter
schiedliche Metallhohlprofile erforderlich. Sofern die Metallhohlprofile geringe Querschnitte
aufweisen, bereitet es Probleme, die Pulvermischung in der erforderlichen Dichtheit ein
zubringen.
Um aus einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittel ein Halbzeug
herzustellen, wird nach der DE 41 01 630 C2 ein Heißkompaktieren vorgeschlagen. Dabei
besteht die Möglichkeit, einen gasabspaltendes Treibmittelpulver enthaltenden Kern außenseitig
mit treibmittelfreiem Metallpulver zu versehen, um durch Heißkompaktieren einen Pressling
herzustellen, der gegebenenfalls umgeformt werden kann, bevor durch gezielte thermische
Behandlung ein Aufschäumen des Kerns erfolgt.
Aus der DE 196 12 781 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus metallischem
Schaumwerkstoff bekannt. Dabei wird zunächst ein Halbzeug hergestellt, das durch Verdichten
und Verfestigung einer Mischung aus Metallpulver und Treibmittel besteht. Sodann kann das
Halbzeug zumindest auf einer Seite mit einem massivmetallischen Blech versehen werden, um
sodann im Verbund umzuformen und durch Wärmebehandlung das das Treibmittel enthaltende
Metallpulver aufzuschäumen.
Unabhängig von den zum Einsatz gelangenden Herstellungsverfahren wird grundsätzlich ein an
sich aufschäumbarer Körper, also ein solcher mit geschlossener Porosität benutzt, der sodann
plattiert wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der zuvor beschriebenen
Art so weiterzubilden, dass sich eine verfahrensmäßige Vereinfachung bei der Herstellung von
aufschäumbaren Metallkörpern ergibt, wobei sichergestellt sein soll, dass die das
Treibmittelpulver enthaltende Mischung zur Herstellung des aufschäumbaren Kerns in erforder
lichem Umfang verdichtet ist.
Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass in einem gemeinsamen
Verfahrensschritt durch Druckeinwirkung die Deckschichten zusammen mit der Mischung zu
dem Verbund ausgebildet werden, wobei die Deckschichten zueinander beabstandet durch die
Druckeinrichtung geführt werden, zwischen die zueinander beabstandet geführten
Deckschichten die Mischung eingefüllt wird und diese zusammen mit den Deckschichten in der
Druckeinrichtung verbunden werden. Dabei wird insbesondere die Mischung oxidationsge
schützt der Druckeinrichtung zugeführt. Insbesondere wird die Mischung in Schutzgas
atmosphäre wie N2-Atmosphäre zwischen die Deckschichten eingeführt bzw. eingefüllt.
In Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mischung zusammen mit den Deckschichten in der
Druckeinrichtung durch Kalt- oder Warmwalzen zu dem Verbund verbunden werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen
vorgeschlagen, bei dem nicht zunächst allein der geschlossenporige Kern hergestellt werden
muss, um diesen nach einer Oberflächenbehandlung mit den ebenfalls kernseitig zu behan
delnden Oberflächen zu verbinden. Vielmehr wird in einem einzigen bzw. gleichzeitig
ablaufenden Verfahrensschritt die für sich nicht aufschäumbare Mischung mit den
Deckschichten verpresst, um einen Verbund zur Verfügung zu stellen, der anschließend in
gewohnter Weise einer Formgebung z. B. durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen unterzogen
werden kann, um sodann den so hergestellten Verbund derart zu erwärmen, dass ein Auf
schäumen des Kernes erfolgt, ohne dass jedoch die Schmelztemperatur der Deckschichten
erreicht wird. Dabei ist eine hohe Variabilität in Bezug auf die Dimensionierung des Verbundes
gegeben, da der Abstand zwischen den Deckschichten problemlos eingestellt werden kann,
wodurch wiederum die Dichte des Verbundes vorgegeben wird.
Die Herstellung des geschlossenporigen Kerns und das Versehen mit einer Deckschicht erfolgt
demnach in einem gleichzeitigen oder nahezu gleichzeitigen Verfahrensschritt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als jeweilige Deckschicht ein von einem Wickel abgezoge
nes
Blechmaterial benutzt wird, wobei die Blechmaterialien derart der Druckeinrichtung zugeführt
werden, dass sich ein Einfülltrichter für das Pulver ergibt. Dabei kann die Druckeinrichtung ein
Walzgerüst mit einer Vielzahl nacheinander auf den Verbund Pulver/Kern/Deckschicht
einwirkenden Walzen umfassen.
Um eine gleichmäßige Dichte des aufschäumbaren Kerns sicherzustellen, sieht eine Weiter
bildung der Erfindung vor, dass das Pulver während des Zuführens in die Druckeinrichtung oder
unmittelbar zuvor verdichtet wird. Hierzu kann das Pulver kontinuierlich oder diskontinuierlich
der Druckeinrichtung zugeführt werden, wobei ein Vorverdichten mittels Schnecken, Stempeln
oder gleichwirkender insbesondere mechanischer Einrichtungen erfolgen kann.
Dadurch, dass die Mischung gegebenenfalls oxidationsgeschützt der Druckeinrichtung
zugeführt wird, ist sichergestellt, dass sich keine Oxidschichten ausbilden können, die die
erforderliche Verbindung zwischen den Deckschichten und der Mischung verhindern.
Gegebenenfalls kann das vorzugsweise von einem Coil abgezogene Deckschichtmaterial
während des Zuführens in die Druckeinrichtung an der Oberfläche behandelt werden, z. B.
durch Bürsten, Ätzen oder andere geeignete chemische oder mechanische Verfahren, sofern
nicht sichergestellt sein sollte, dass das Coilmaterial selbst mischungsseitig nicht oxidiert ist
oder andere Verunreinigungen oder Fehler aufweist, die einen über die gesamte Fläche zu
erzielenden Materialverbund negativ beeinflussen würden.
Als Treibmittelpulver in der Mischung kommen übliche Treibmittel in Frage wie Metallhydride
wie z. B. Titanhydrid oder Carbonate wie z. B. Calciumcarbonat, Kaliumcarbonat,
Natriumcarbonat, Natriumbicarbonat oder Hydrate wie z. B. Aluminiumsulfathydrat, Alaun,
Aluminiumhydroxid oder leichtverdampfende Stoffe wie z. B. Quecksilberverbindungen oder
pulverisierte organische Substanzen.
Als Metallpulver kommen insbesondere Aluminiumpulver, Mischungen aus Kupfer- und
Aluminiumpulver oder AlMg1-Pulver, AlMg2-Pulver oder Bronzepulver in Frage. Auch ist
Reinaluminiumpulver, Elementpulver oder Legierungspulver zu erwähnen. Als typische
Legierungselemente sind zu nennen: Si, Mg, Cu, Mn, Li, etc. Hierdurch erfolgt jedoch eine Be
schränkung der Erfindung nicht.
Als Deckschicht kommen solche Metalle in Frage, die auch Bestandteil der Mischung sind, als
auch deutlich höherschmelzende Werkstoffe, beispielsweise Stahlbleche, die gegebenenfalls
galvanisch (z. B. aluminiert) behandelt werden, um einen verbesserten metallischen Verbund
herzustellen.
Zu erwähnen ist insbesondere, dass auch die Möglichkeit besteht, Stahlbleche zu verwenden,
vorzugsweise aluminierte Deckbleche (einseitig aluminiert, um somit besseres Plattierverhalten
und einen idealen stoffschlüssigen Verbund zu erzielen).
Anhand der nachfolgenden Beispiele ergeben sich weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine Pulvermischung aus Aluminiumpulver und 12 Gew.-% Siliziumpulver und 0,8 Gew.-%
Titanhydridpulver wird zwischen zwei entlang von Druckwalzen geführte Blechstreifen aus
Aluminium eingefüllt, wobei die Druckwalzen einen Druck über die Blechstreifen auf die
Pulvermischung ausüben. Die Temperatur beim Walzen beträgt in etwa 300°C bis 400°C. Der
so hergestellte Verbund mit einer Gesamtdicke von 4 mm wurde in einem auf ideale
Schaumtemperatur vorgeheizten Ofen aufgeschäumt. Die Dicke des in dieser Weise herge
stellten Sandwichbleches auf Aluminiumbasis lag nach dem Schäumvorgang bei ca. 10 mm.
Eine Pulvermischung aus Rein-Aluminiumpulver und 0,8 Gew.-% Titanhydrid wurde zwischen
durch eine Walzeinrichtung geführte aluminierte Stahlblechstreifen eingebracht und mittels
Druckeinwirkung zwischen den Stahlblechen verdichtet, wobei durch erhöhte Prozesstempera
turen ein metallischer Verbund zwischen den Schichten hergestellt werden konnte. Der so
hergestellte Verbund mit einer Gesamtdicke von 4,8 mm wurde in einem auf ideale Schäum
temperatur vorgeheizten Ofen aufgeschäumt. Die Dicke des in dieser Weise hergestellten
Sandwichbleches auf Aluminiumbasis lag nach dem Schäumvorgang bei ca. 12,5 mm.
Eine Pulvermischung aus Aluminiumpulver und 12 Gew.-% Siliziumpulver und 0,8 Gew.-%
Titanhydridpulver wird zwischen zwei entlang von Druckwalzen geführten Blechstreifen aus
Aluminium gefüllt, wobei die Druckwalzen einen Druck über die Blechstreifen auf die
Pulvermischung ausüben. Die Temperatur beim Walzen beträgt 300°C bis 400°C. Nach einer
durch Tiefziehen erfolgten Formgebung wurde der ebene Verbund in eine räumlich gekrümmte
Struktur umgeformt und anschließend einer idealen Schäumtemperatur ausgesetzt, um den Kern
aufruschäumen. Es ergibt sich ein geschäumtes Endprodukt mit einer Stärke von ca. 14 mm
ausgehend von einer Halbzeugdicke, die bei 4,0 mm lag.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzende Vorrichtung ist rein
prinzipiell der einzigen Figur zu entnehmen.
Um einen eine Sandwichstruktur aufweisenden platten- oder streifenförmigen Verbund 10
bestehend aus einem Kern 12 und Deckschichten 14, 16 herzustellen, wird eine Druck
einrichtung 18 mit Walzen 20, 22 genutzt, zwischen denen einerseits von nicht dargestellten
Coils abgezogene die Deckschichten 14, 16 bildende Blechstreifen 24, 26 und anderseits eine
Pulvermischung 28 verpresst werden, um den Verbund 10 herzustellen.
Als Streifenmaterial wird vorzugsweise solches aus Aluminium, hochschmelzenden Alumini
umlegierungen oder anderen Metallen, vorzugsweise Stahlbleche, gegebenenfalls aluminiert, -
benutzt. Das Pulver 28 selbst besteht aus einer Mischung aus einem Metallpulver vorzugsweise
in Form von Aluminium und einem gasabspaltenden Treibmittelpulver wie z. B. Titanhydrid,
Calciumcarbonat. Dabei beträgt der Gewichtsanteil des Treibmittelpulvers vorzugsweise 0,2 bis
1 Gew.-% des Pulvers 28 selbst. Das Pulver 28 kann in Schutzgasatmosphäre wie N2 dem
Zwischenraum zwischen den Blechstreifen 24, 26 zugeführt. Dabei kann das Pulver 28 einem
Silo entnommen werden, in dem das Pulver 28 oxidationsgeschützt ist.
Durch den von den Walzen 20, 22 applizierten Druck auf die Blechstreifen 24, 26 und des
zwischen diesen vorhandenen Pulvers 28 ergibt sich der Verbund 10, wobei durch anschlie
ßende Wärmebehandlung der aus dem Pulver 28 bestehende Kern 12 aufgeschäumt wird, so
dass sich ein Verbundwerkstoffkörper ergibt, der im Vergleich zu massiven Metallkörpern ein
geringes Gewicht bei gleichzeitig verbesserten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften
aufweist. Dabei besteht die Möglichkeit, den Verbund 10 vor der Wärmebehandlung durch z. B.
Pressen, Biegen oder Tiefziehen derart zu verformen, dass eine gewünschte Geometrie für
beispielsweise Abdeckhauben oder geformte Trennbleche erzielbar ist.
Damit das Pulver 28 gleichmäßig verteilt bzw. in der erforderlichen Dichtheit zwischen die
Blechstreifen 24, 26 und somit die Walzen 20, 22 gelangt, kann eine Vorverdichtung mittels z.
B. eines Stempels 30 erfolgen. Andere Einrichtungen zum Vorverdichten des Pulvers 28 wie
Wellen etc. sind gleichfalls möglich.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Blechstreifen 24, 26 zumindest vor den und im Bereich
der Walzen 20, 22 zwischen längsrandseitig verlaufenden Begrenzungen geführt werden, um
ein seitliches Austreten des Pulvers auszuschließen. Dabei können die seitlichen Begrenzungen
als Stempel ausgebildet sein, um eine einfache Anpassung an Streifenmaterialien unterschiedli
cher Breiten vorzunehmen.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung von einem metallischen Verbundwerkstoff umfassend
Deckschichten aus massivem Material sowie aus einem zwischen diesen vorhandenen
aufschäumbaren Kern bestehend aus einer Mischung aus mindestens einem Metall
pulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver, wobei aus den Deck
schichten und der Mischung ein Verbund hergestellt wird, der nach gegebenenfalls einer
Formgebung thermisch derart behandelt wird, dass der Kern aufschäumt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem gemeinsamen Verfahrensschritt durch Druckeinwirkung die Deck
schichten zusammen mit der Mischung zu dem Verbund ausgebildet werden, wobei die
Deckschichten zueinander beabstandet durch die Druckeinrichtung geführt werden,
zwischen die zueinander beabstandet geführten Deckschichten die Mischung eingefüllt
wird und diese zusammen mit den Deckschichten in der Druckeinrichtung verbunden
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung zusammen mit den Deckschichten in der Druckeinrichtung durch
Kalt- oder Warmwalzen zu dem Verbund verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung während des Zuführens in die Druckeinrichtung oder unmittelbar
zuvor verdichtet wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung oxidationsgeschützt der Druckeinrichtung zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung in Schutzgasatmosphäre zwischen die Deckschichten eingeführt bzw.
eingefüllt wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung vor dem Zuführen zu der Druckeinrichtung unter N2-Atmosphäre
gelagert wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung kontinuierlich oder diskontinuierlich der Druckeinrichtung zugeführt
wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Deckschicht vor dem Zuführen der Mischung mischungsseitig vorbehandelt
wird.
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