DE19956687A1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstandes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstandes (10) aus einem porösen Metallkern (12) und einer mit dem Metallkern (12) verbundenen Metalldecklage (14) beschrieben, wobei schüttsinterfähige Metallpartikel in einer dichten Schüttung mit der Metalldecklage (14) kombiniert werden und anschließend eine Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum durchgeführt wird, um die Metallpartikel-Schüttung zum porösen Metallkern und gleichzeitig den porösen Metallkern (12) mit der Metalldecklage (14) zusammenzusintern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstandes mit einem porösen Metallkern und einer mit dem Metallkern verbundenen Metalldecklage.

Aus der DE 196 12 781 C1 ist ein Bauteil, insbesondere ein Karosseriebauteil für Kraftfahrzeuge, bekannt, bestehend aus einem metallischen Schaumwerkstoff mit einer Metallpulver und Treibmittel umfassenden aufgeschäumten porösen Schicht, wobei das Bauteil zumindest eine aus seiner Fläche erhaben ausgeprägte Kontur aufweist und die im Bereich der Übergänge zwischen der dreidimensional ausgeformten Kontur und dem Flächenbereich vorkommenden Winkel in einer Größenordnung zwischen 100° und 180° gehalten sind. Dort ist auch ein Verfahren zum Formen eines aus im wesentlichen flächigem metallischem Schaumwerkstoff gebildeten Bauteils offenbart, das zumindest eine Schicht aus mit einem Treibmittel vermischtem Metallpulver aufweist, wobei der flächige Schaumwerkstoff durch einseitige oder beidseitige Formgebung in ein dreidimensionales und einseitig endkonturiertes Formhalbzeug umgeformt wird. Das Formhalbzeug wird in eine mit einer Wandung an dessen endkonturierte Seite angepaßte Aufschäumform eingebracht und darin aufgeschäumt.

Ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen aus einer oder mehreren Deckschichten aus massivem Material und aus einem zwischen diesen befindlichen Kern, der durch ein oder mehrere poröse Metallwerkstoffe gebildet ist, ist auch aus der DE 44 26 627 C2 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der aufschäumbare Kern durch Verdichten einer Mischung aus mindestens einem Metallpulver und mindestens einem gasabspaltenden Treibmittelpulver durch Druck- und Temperatureinfluß derart hergestellt, daß die Metallteilchen sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluß für die Gasteilchen des Treibmittels bilden. Anschließend wird eine Oberflächenbehandlung des hergestellten Kernes und der Deckschichten, die als Metallzuschnitte vorliegen, durchgeführt, wonach der zugeschnittene Kern und die damit zu verbindenden Deckschichten zu einem Paket gestapelt werden. Das Paket wird einem Kalt- oder Warmwalzvorgang oder einem Diffusionsschweißen mit einem Umformgrad unterzogen, bei dem eine innige Verbindung zwischen den Deckschichten und dem Kern entsteht. Daran anschließend erfolgt eine Formgebung des hergestellten Verbundes durch Pressen, Biegen oder Tiefziehen. Abschließend erfolgt eine Erwärmung des so hergestellten Verbundes durch ein thermisches Verfahren, in dem die Temperaturführung so gewählt ist, daß ein Aufschäumen des Kerns ausgelöst, die Schmelztemperatur der Deckschicht aber nicht erreicht wird.

Bei diesen Verbund-Schaumwerkstoffen ist es erforderlich, die Temperatur sehr genau zu führen, d. h. die Zersetzungstemperatur des Treibmittels und die Schmelztemperatur des Metalls müssen aufeinander exakt abgestimmt sein, um das Aufschäumen des Kerns auszulösen. Die Schmelztemperatur der Deckschicht darf jedoch selbstverständlich nicht erreicht werden. Das bedingt einen erheblichen Aufwand der Temperaturführung des erwähnten thermischen Verfahrens zum Erwärmen des Verbundes aus dem aufschäumenden Kern und der mindestens einen Deckschicht.

Ein weiterer Mangel aufgeschäumter Strukturen besteht in ihrer geschlossenen Porosität, was bedeutet, daß die schallabsorbierende Wirkung vernachlässigbar klein ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das wärmetechnisch vergleichsweise einfach durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß schüttsinterfähige Metallpartikel in einer dichten Schüttung mit der mindestens einen Decklage kombiniert werden und daß anschließend eine Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum durchgeführt wird, wobei die Metallpartikel zum porösen Kern zusammensintern und gleichzeitig der poröse Kern mit der mindestens einen Decklage zusammensintert.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß es nicht erforderlich ist, eine Treibmittel-Zersetzungstemperatur und die Schmelztemperatur der Metallpartikel aufeinander genau abzustimmen, weil bei der Schüttsinterung keine Treibmittel zur Anwendung gelangen. Bedeckt die Decklage den schüttgesinterten porösen Kern nicht großflächig sondern nur partiell, so kann in vorteilhafter Weise die offene Porosität des porösen Metallkerns im Bereich der Oberflächenabschnitte des Metallkerns ausgenutzt werden, die nicht von der Metalldecklage bedeckt sind. Damit besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die schallabsorbierende Wirkung der offenen Porenstruktur auszunutzen. Dabei kann die Metalldecklage beispielsweise eine Seite des Metallkerns bedecken und mit ihm flächig zusammengesintert sein. Die gegenüberliegende zweite Seite des Metallkerns kann dann der jeweiligen Schallquelle als schallabsorbierendes Element zugewandt sein.

Als Metallpartikel können Aluminium- und/oder Aluminium- Legierungspartikel und/oder Mischungen aus Aluminium und/oder Aluminium-Legierungspartikeln mit anderen Metallpartikeln und/oder mit nicht Nichtmetallpartikeln verwendet werden. Eine Sinteraluminium-Legierung aus einer Mischung aus Aluminiumpulver, Zinkpulver, Magnesiumpulver, Kupferpulver oder Siliziumpulver und einem Sinterhilfe-Zusatzpulver ist beispielsweise in der DE 198 02 501 A1 der Anmelderin offenbart. Dieses bekannte Legierungspulver kann durch Schüttsinterung verarbeitet werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Sinterkörpers aus Aluminium- bzw. Aluminium-Legierungspulver und einem Pulver, das mit dem Aluminium bzw. Aluminium-Legierungspulver ein Eutektikum bildet, ist in der DE 40 34 637 C2 beschrieben. Dabei wird das Gemisch in einer Vibrationskugelmühle mit einem zylinderförmigen liegenden Mahlgefäß mit einem Mahlrohrdurchmesser von 4 bis 40 cm, vorzugsweise von 8 bis 14 cm, mit Mahlkugeln von 1 bis 16 mm, vorzugsweise von 1 bis 5 mm Durchmesser, mit einem Mahlgut-Kugelverhältnis von 1 : 5 bis 1 : 100, vorzugsweise von 1 : 20 bis 1 : 60, und mit einer Mahldauer von 5 bis 180 min. vorzugsweise von 10 bis 30 min. gemahlen. Die gemahlene Pulvermischung kann in loser Schüttung in Formen oder mit sehr geringem Preßdruck zu porösen Formkörpern gepreßt und in an sich bekannter Weise gesintert werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Metallpartikel mit einer Korngröße zwischen größenordnungsmäßig 30 µm und 5 mm verwendet werden. Über die jeweilige Korngrößen- Verteilung der Metallpartikel läßt sich in vorteilhafter Weise gezielt die Porengröße des porösen Metallkerns, d. h. dessen Porosität, steuern. Soll eine feinporige Sinterstruktur des porösen Metallkerns realisiert werden, so können die schüttsinterfähigen Metallpartikel beispielsweise eine Korngröße um 45 µm besitzen. Für eine grobporige Sinterstruktur des Metallkerns kann die Korngröße der Metallpartikel beispielsweise bis zu 5 mm betragen. Der beim Schüttsintern erreichte Poren-Volumenanteil liegt beispielsweise zwischen ca. 30 und 60%.

Erfindungsgemäß kann die Sinterung der mit der Decklage kombinierten Metallpartikel diskontinuierlich durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, daß die Metalldecklage mit einer der Gestalt des herzustellenden Verbundgegenstandes entsprechenden Gestalt als Formhülle hergestellt wird und daß die Formhülle mit den Metallpartikeln dicht gefüllt wird. Dabei läßt sich jede beliebige Form, die mit den schüttsinterfähigen Metallpartikeln gefüllt werden kann, als Verbundgegenstand mit porösem Metallkern und Metalldecklage aus einem dem Metallkern entsprechenden Material darstellen. Das gilt sowohl für flächige Bauteile bzw. Verbundgegenstände als auch für Hohlprofile mit den unterschiedlichsten Geometrien, die mit den schüttsinterfähigen Metallpartikeln gefüllt werden können und nach Durchführung des Sintervorgangs mit Hilfe des porösen Metallkerns versteift sind. Bei der Schüttsinterung werden nicht nur die Metallpartikel zum porösen Metallkern zusammengesintert, sondern es erfolgt gleichzeitig auch eine Versinterung des porösen Metallkerns mit der Decklage.

Erfindungsgemäß können in die Formhülle Metallpartikel eines bestimmten Korngrößenbereiches eingefüllt werden, es ist jedoch auch möglich, daß in die Formhülle Metallpartikel mit voneinander verschiedenen Korngrößen gezielt eingefüllt werden, um eine gewünschte Korngrößenverteilung im porösen Kern des Verbundgegenstandes zu realisieren.

Erfindungsgemäß ist es möglich, daß die Sinterung nicht diskontinuierlich sondern kontinuierlich durchgeführt wird. Durch eine solche kontinuierliche Sinterung können flächige Verbundgegenstände besonders vorteilhaft und wirtschaftlich hergestellt werden. Bei einer solchen kontinuierlichen Sinterung kann die Metalldecklage von zwei Metallstreifen gebildet sein, die um zwei voneinander einen definierten Abstand aufweisende Formgebungswalzen umgelenkt werden, wobei die Metallpartikel durch eine den Formgebungswalzen zugeordnete Aufgabeeinrichtung im Bereich der Formgebungswalzen auf die beiden Metallstreifen aufgegeben und stromabwärts nach den Formgebungswalzen in einer Sinterzone die Sinterung durchgeführt wird. Während der Sinterung kann eine Kalibrierung durchgeführt werden. Durch eine solche Kalibrierung kann die Dicke des Verbundgegenstandes wunschgemäß eingestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften wie die Festigkeit und die Steifigkeit des Verbundgegenstandes können über die Korngröße bzw. die Korngrößenverteilung der schüttsinterfähigen Metallpartikel sowie über die Legierungszusammensetzung der besagten Metallpartikel eingestellt werden. Die Legierungszusammensetzung wird bei der Verwendung eines Metallegierungsgranulats über dessen Zusammensetzung und durch die zugegebenen Legierungspulver bestimmt.

Bei der Durchführung des kontinuierlichen Verfahrens der oben beschriebenen Art kann stromabwärts nach der Sinterung eine Abkühlung durchgeführt werden. Während dieser Abkühlung kann eine weitere Kalibrierung durchgeführt werden. Damit sind sehr maßgenau reproduzierbare metallische Verbundgegenstände herstellbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch verdeutlichten, erfindungsgemäß diskontinuierlich hergestellten Verbundgegenständen sowie einer schematischen Darstellung einer Anlage zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundgegenstandes. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines diskontinuierlich hergestellten Verbundgegenstandes mit einem Vollquerschnitt,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines diskontinuierlich hergestellten Verbundgegenstandes mit einem Hohlquerschnitt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anlage zur kontinuierlichen Herstellung eines Verbundgegenstandes, und

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Details IV in Fig. 3, d. h. einen Schnitt durch einen Abschnitt eines kontinuierlich hergestellten Verbundgegenstandes.

Fig. 1 zeigt einen metallischen Verbundgegenstand 10 mit einem porösen Metallkern 12 und einer mit dem Metallkern 12 verbundenen Metalldecklage 14, die aus zwei Metallschichten 16 und 18 besteht. Die Metallschichten 16 und 18 können von vorgeformten Blechteilen oder Folien gebildet sein. Der poröse Metallkern 12 besteht aus schüttsinterfähigen bzw. schüttgesinterten Metallpartikeln, die in einer dichten Schüttung zwischen den Metallschichten 16 und 18 vorgesehen sind. Die schüttsinterfähigen bzw. schüttgesinterten Metallpartikel des porösen Metallkernes 12 weisen zwei voneinander verschiedene Korngrößen auf, was durch die beiden unterschiedlich kreuzweise schraffierten Bereiche 20 und 22 angedeutet ist. Die Metallschichten 16 und 18 können beliebig vorgeformt sein, es ist nur erforderlich, daß der Raum zwischen den Metallschichten 16 und 18 mit den schüttsinterfähigen Metallpartikeln dicht befüllbar ist. Nach dem dichten Befüllen erfolgt eine Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum, wobei die Metallpartikel zum porösen Metallkern 12 zusammensintern und gleichzeitig der poröse Metallkern 12 mit den Metallschichten 16 und 18 der Metalldecklage 14 zusammensintert.

Anwendung kann ein solcher Verbundgegenstand 10 beispielsweise im Kraftfahrzeugbau als Karosseriebauteil finden.

Besteht die Metalldecklage 14 aus einer Metallschicht 18, so daß die davon nicht bedeckte Oberfläche des porösen Metallkernes 12 mit ihrer offenen Porosität zur Verfügung steht, so kann die schallabsorbierende Wirkung des entsprechenden Verbundgegenstandes 10 als schallabsorbierendes Element ausgenutzt werden.

Fig. 2 zeigt in einer der Fig. 1 ähnlichen Schnittdarstellung einen Verbundgegenstand 10 mit einem porösen Metallkern 12 und mit einer mit dem Metallkern 12 verbundenen Metalldecklage 14, die Metallschichten 24, 26 und 28 aufweist, um einen metallischen Verbundgegenstand 10 mit einem Hohlquerschnitt zu realisieren.

Fig. 3 verdeutlicht schematisch eine Anlage 30 zur Durchführung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundgegenstandes 10. Die Anlage 30 weist zwei Formgebungswalzen 32 auf, die voneinander einen definierten Abstand besitzen. Den beiden Formgebungswalzen 32 ist eine Aufgabeeinrichtung 34 zugeordnet, die als Fülltrichter 36 ausgebildet ist. Der Fülltrichter 36 ist mit einer Schüttung 38 aus schüttsinterfähigen Metallpartikeln bzw. mit einer schüttsinterfähigen Metallpulvermischung gefüllt.

Von zwei Vorratsspulen 40 werden Metallstreifen 42 abgewickelt, die um die Formgebungswalzen 32 umgelenkt und zwischen diesen durchbewegt werden. Bei den Metallstreifen 42 kann es sich um Folien- oder Blechstreifen handeln.

Die Formgebungswalzen 32 bilden somit eine Formgebungszone 44. Stromabwärts nach der Formgebungszone 44 bewegen sich die beiden Metallstreifen 42 und die dazwischen vorgesehenen schüttsinterfähigen, dicht gepackten Metallpartikel zwischen Heizelementen 46 und 48 hindurch, um eine Sinterung durchzuführen. Dabei wird die Metallpartikelschüttung zwischen den beiden Metallstreifen 42 zum porösen Metallkern 12 zusammengesintert und gleichzeitig wird der poröse Metallkern 12 mit den eine Metalldecklage 14 bildenden Metallstreifen 42 zusammengesintert. Zwischen den voneinander beabstandeten Heizelementen 46 und 48 sind Kalibrierwalzen 50 vorgesehen, um in der durch die Heizelemente 46 und 48 bestimmten Sinterzone 52 eine Kalibrierung des Verbundgegenstandes 10 durchzuführen. Dem gleichen Zwecke ist es dienlich, stromabwärts nach den Heizelementen 48 weitere Kalibrierwalzen 54 vorzusehen.

An die Sinterzone 52 schließt eine Kalibrier- und Kühlzone 56 an, die Kalbrier- und Kühlwalzen 58 aufweist. Stromabwärts nach der Kalibrier- und Kühlzone 56 ergibt sich der kontinuierlich hergestellte Verbundgegenstand 10 mit dem porösen Metallkern 12 und den mit diesem fest verbundenen Metallstreifen 42, die eine Metalldecklage 14 bilden, wie in Fig. 4 in einem größeren Maßstab verdeutlicht ist.

Bezugsziffernliste

10

Verbundgegenstand

12

Metallkern (von

10

)

14

Metalldecklage (von

10

)

16

Metallschicht (von

14

)

18

Metallschicht (von

14

)

20

schraffierter Bereich (von

12

)

22

schraffierter Bereich (von

12

)

24

Metallschicht (von

14

)

26

Metallschicht (von

14

)

28

Metallschicht (von

14

)

30

Anlage

32

Formgebungswalzen (von

30

)

34

Aufgabeeinrichtung (von

30

)

36

Fülltrichter (von

34

)

38

Schüttung (in

36

)

40

Vorratsspulen (für

42

)

42

Metallstreifen (von

14

)

44

Formgebungszone (von

30

)

46

Heizelemente (von

30

)

48

Heizelemente (von

30

)

50

Kalibrierwalzen (von

30

)

52

Sinterzone (von

30

)

54

Kalibrierwalzen (von

30

)

55

Kalibrier- und Kühlzone (von

30

)

58

Kalibrier- und Kühlwalzen (in

56

)

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Verbundgegenstandes aus einem porösen Metallkern (12) und einer mit dem Metallkern (12) verbundenen Metalldecklage (14), dadurch gekennzeichnet, daß schüttsinterfähige Metallpartikel in einer dichten Schüttung mit der Metalldecklage (14) kombiniert werden, und daß anschließend eine Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre oder in einem Vakuum durchgeführt wird, wobei die Metallpartikel zum porösen Metallkern (12) zusammensintern und gleichzeitig der poröse Metallkern (12) mit der Metalldecklage (14) zusammensintert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallpartikel Aluminium- und/oder Aluminium- Legierungspartikel und/oder Mischungen aus Aluminium- und/oder Aluminium-Legierungspartikeln mit anderen Metallpartikeln und/oder mit Nichtmetallpartikeln verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpartikel mit einer Korngröße zwischen größenordnungsmäßig 30 µm und 5 mm verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung diskontinuierlich durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldecklage (14) mit einer der Gestalt des herzustellenden Verbundgegenstandes (10) entsprechenden Gestalt als Formhülle hergestellt wird und daß die Formhülle mit den schüttsinterfähigen Metallpartikeln dicht gefüllt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Formhülle Metallpartikel mit voneinander verschiedenen Korngrößen eingefüllt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterung kontinuierlich durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalldecklage (14) von zwei Metallstreifen (42) gebildet ist, die um zwei voneinander einen definierten Abstand aufweisende Formgebungswalzen (32) umgelenkt werden, wobei die Metallpartikel durch eine den Formgebungswalzen (32) zugeordnete Aufgabeeinrichtung (34) im Bereich der Formgebungswalzen (32) auf die beiden Metallstreifen (42) aufgegeben werden, und daß stromabwärts nach den Formgebungswalzen (32) in einer Sinterzone (52) die Sinterung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während der Sinterung eine Kalibrierung durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts nach der Sinterung eine Abkühlung durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Abkühlung eine Kalibrierung durchgeführt wird.