VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON METALLFORMTEILEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallformteilen, insbesondere von gewichtsreduzierten Formteilen aus Leichtmetall.

[0002] Im Zuge gestiegener ökologischer Anforderungen, aber auch für den Einsatz in Hochtechnologieanwendungen wie Flugzeugbau, Automobilbau oder in statisch anspruchsvollen Teilen ist eine Gewichtsreduzierung bei Metallformteilen von eminenter Bedeutung. In diesem Kontext sind besonders Leichtmetalle Werkstoffe, die ein immer weiteres Verbreitungsgebiet sichern. Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsreduktion ist der Einsatz von geschäumten metallischen Werkstoffen. Die dabei verwendeten Schäume zeichnen sich durch leichte Bauweise, Steifigkeit, Druckfestigkeit, verbesserte mechanische und akustische Dämpfung u. a. aus. Auch die Herstellung von Bauteilen aus geschäumten metallischen Werkstoffen ist bekannt.

[0003] GB 892934 betrifft die Herstellung von komplexen Strukturen mit geschäumtem Metallkern und geschlossener nicht poröser Oberfläche.

[0004] DE 198 32 794 C1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlprofils, das mit Metallschaum gefüllt ist. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Pressens des Hohlprofils aus einem Hüllwerkstoff mit einer Strangpresse, die ein Strangpresswerkzeug mit einer Matrize und einem Dorn aufweist, des Zuführens des Metallschaums aus einem Schaumwerkstoff durch einen Zufuhrkanal zu dem Hohlprofil, der in dem Dorn ausgebildet ist.

[0005] DE 297 23 749 U1 offenbart ein Rad für ein Kraftfahrzeug, welches mindestens einen metallischen Schaumkern umfasst, der zur Innenseite des Rades hin freiliegend angeordnet ist und zur Außenseite des Rades hin eine Gusswandung besitzt. Der Schaumkern aus Aluminiumschaum wird zum Gießen des Rades in eine Kokille eingelegt und so positioniert, dass zwischen der Kokille und dem Schaumkern beim Giessen die äußere Gusshaut entsteht.

[0006] DE 195 02 307 A1 beschreibt ein Deformationselement, in dessen Gehäuse eine Füllung aus einem Aluminiumschaum als Energieabsorber vorgesehen ist. Das Gehäuse kann aus Metall oder Kunststoff bestehen. Der Füllkörper ist ein bloßes Einlegeteil ohne Stoffschluss zum Gehäuse.

[0007] Von besonderem Interesse ist jedoch die Verwendung von Gießkernen aus Metallschaum zur Herstellung von innen geschäumten metallischen Formteilen.

[0008] So wird z. B. in der DE 195 01 508 C1 ein Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteiles beansprucht. Dazu wird in eine Druckgießform ein Kern aus Aluminiumschaum eingebracht, der nach dem Einpressen des Aluminiums in das Formwerkzeug in dem Bauteil aus Aluminiumdruckguss verbleibt (Prinzip des verlorenen Kerns). Der verwendete Aluminiumschaum entsteht aus einer Mischung von Aluminiumpulver mit einem Treibmittel und wird in an sich bekannter Weise in einem mehrstufigen Verfahren hergestellt (ein derartiges Verfahren ist z. B. beschrieben in dem Artikel "Wirtschaftliche Fertigungstechniken für die Herstellung von Aluminiumschäumen, Aluminium, 76er Jahrgang 2000, Seite 491 ff). Entsprechend DE 195 01 508 C1 werden die auf diesem Wege hergestellten Aluminiumschaumkörper mit einer Dichte von 0,6 bis 0,7 g pro cm³ mit geschlossener Porosität dann in eine Gießform eingelegt, wobei der Kern aus aufgeschäumtem Aluminium an den wenig belasteten Stellen an der Innenwand des Gusswerkzeuges abgestützt bzw. befestigt wird, damit zwischen dem Kern und dem Werkzeug ein gleichmäßiger Abstand in gewünschter Wanddicke verbleibt. Nur durch die Beibehaltung dieses Abstandes zwischen Kernstück und Werkzeug ist die Ausbildung einer geschlossenen und genügend stabilen Wand im entstehenden Formteil gewährleistet. Das dafür angewendete Verfahren des Anbringens von Kernstützen als Abstützung von Kernen in Formhohlräumen ist schon seit langem gängige Praxis bei Gießereiverfahren (siehe Gießereilexikon, 17. Auflage 1997, Stephan Hasse, Seite 658 und Seite 640 folgende). Insgesamt ergibt sich als Anforderung an die zu verwendenden Kerne nicht nur, dass sie entweder für die Verwendung in Druckgussverfahren ausreichend druckstabil sein müssen oder bei Einsatz in Gießfüllprozessen mit geringer Geschwindigkeit gegenüber flüssigen oder halbflüssigen Metall entsprechend temperaturbeständig sein müssen, um nicht ihre Lage in der Form zu verändern oder einen Teil des von ihnen beanspruchten Volumens während des Füllprozesses wieder freizugeben, sondern auch die Anforderung an die passgenaue Abstützung innerhalb des Formhohlraumes ist zu erfüllen und gestaltet sich zum Teil sehr aufwendig. Das ist z. B. erkennbar an der breiten Palette kommerziell hergestellter Kernstützen (siehe z. B. Lieferpalette der Phoebus Kernstützen GmbH & Co. KG, Dortmund) und auch an der Verwendung von Kernstützenklebegeräten als Hilfsmittel zur Fixierung der Kernkörper in einer Gießform. Gerade der Einsatz von Kernstützen zur exakten Positionierung eines Kernes in einer Gießform führt aber zu punktuell sehr hohen Drücken an der Außenhaut der entsprechenden Kernkörper beim Formfüllprozess. Dieses ist besonders bei gewichtsreduzierten Schaumkörpern dann ein Problem, wenn derartige Schaumkörper nicht exakt passgenau hergestellt werden können und nicht gleichzeitig eine Außenhaut entsprechender Stabilität gebildet wird, die den beschriebenen Temperatur- und Druckbelastungen beim Füllprozess, egal ob mit oder ohne Verwendung von Kernstützen, standhalten kann. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Problem des sicheren Umgießens eines gewichtsreduzierten Schaumkörpers zu lösen und ein Verfahren zur Verarbeitung derartiger Metallkörper zu gewichtsreduzierten Metallformteilen durch Weiterverarbeitung in einem Gießverfahren zu ermöglichen.

[0009] Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Verfahren zur Herstellung von Metallformteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man Metallkörper gemäss Kennzeichen des Anspruchs 1 mit allseitig geschlossener Oberfläche und einer Hohlstruktur im Innern in eine Form einlegt und der verbleibende Formhohlraum anschließend mit einem Metall oder einer Metalllegierung gefüllt wird.

[0010] Dabei hat der Oberflächenbereich des Metallkörpers vorzugsweise eine um den Faktor 1,5 bis 20, bevorzugt 3 bis 15, besonders bevorzugt 5 bis 10 höhere durchschnittliche Dichte als das Innere des Metallkörpers.

[0011] Im Falle dass die den Metallkörper (Kern) umhüllende Metallstruktur eine höhere Dichte hat als die mittlere Dichte des verwendeten Metallkörpers, wird das daraus hergestellte Formteil entsprechend gewichtsreduziert. Falls es eine im wesentlichen gleiche Dichte hat, ist damit natürlich keine Gewichtsreduzierung verbunden, jedoch lässt sich ein gegebenenfalls teureres Material durch Einbettung eines billigeren Formkörpers preisgünstiger herstellen.

[0012] Als Metallkörper ist ein Metallschaumkern geeignet, der eine Integralschaumstruktur aufweist. Gewöhnlich wird der Metallkörper mit einer flüssigen Metallschmelze umgossen, was beispielsweise in einer Druckgießmaschine erfolgen kann.

[0013] Es ist auch möglich, den Metallkörper mit Metall in teilerstarrtem Zustand entsprechend dem Semi Solid Casting-Process zu umgießen.

[0014] Je nach Geometrie und gewünschter oder angestrebter mechanischer Eigenschaft der Metallformteile ist es natürlich auch möglich, mehrere gleichartige oder unterschiedliche Metallkörper zu umgießen.

[0015] Besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren sind Leichtmetalle, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wobei die zur Herstellung der Formteile verwendeten Metalle oder Legierungen andere sein können als die der Formkörper.

[0016] Wie oben angeführt, wird als Metallkörper ein Metallintegralformschaum eingesetzt, der im Gegensatz zu den in der Literatur üblicherweise beschriebenen Schaumkörpern entlang seines Querschnittes keine gleichmäßige Schaummorphologie aufweist. (Die Herstellung eines solchen Metallkörpers wird in DE 101 04 339.2 beschrieben.) Stattdessen handelt es sich um einen Formschaumkörper, der in den Außenzonen konturtreu hergestellt werden kann und dessen Außenhülle nahe der Dichte des eingesetzten Metalls oder der eingesetzten Metalllegierung liegt. Dieser metallische Integralschaum repräsentiert somit einen echten Gradientenwerkstoff. Im Inneren des Formkörpers allerdings wird die Dichte durch das Auftreten von Gasblasen reduziert, so dass die mittlere Dichte des gesamten Formkörpers unterhalb der theoretischen Dichte des verwendeten Metalls bzw. der verwendeten Metalllegierung liegt (Fig.). Dabei liegt die durchschnittliche Dichte pro Kubikmillimeter der äußeren Millimeterschicht des Formkörpers um den Faktor 1,5 bis 20, bevorzugt 3 bis 15, besonders bevorzugt 5 bis 10 höher als die mittlere Dichte im Innern des Formkörpers. Derartige Formkörper sind durch ein Druckgussverfahren direkt aus der Schmelze unter Zugabe eines Treibmittels herstellbar. Durch geeignete Variation der Verfahrensparameter kann die Dicke der Außenhaut des Formkörpers und damit die Temperatur- und Druckstabilität entsprechend der jeweiligen Verwendung angepasst werden, wobei gleichzeitig die Konturentreue des entstehenden Formkörpers eine exakte Positionierung beim Weiterverarbeiten ermöglicht. So können z. B. die erfindungsgemäß zu verwendenden Metallkörper dazu genutzt werden, ein kompliziertes Metallgussteil dadurch im Gewicht zu reduzieren, dass sie als im Endprodukt verbleibende Kerne eingesetzt werden. Weiterhin ist aber auch möglich, derartige Kerne aufgrund ihres industriellen Herstellungsprozesses zu einer Kostenreduktion der Endkörper einzusetzen, da sie erstens günstig herstellbar und zweitens durchaus aus einem billigeren Material gefertigt sein können als die sie dann später umgebende Metallhülle. Aufgrund ihrer besonderen Druck- und Temperaturstabilität sind derartige Kerne nicht nur für sehr schnelle Verfahren wie den Druckgussprozess, sondern natürlich auch für langsame und damit bzgl. der Temperaturbelastung auf den Kernkörper sehr anspruchsvolle Verfahren einsetzbar. Damit ergibt sich eine breite Palette von Anwendungsfeldern, wie z. B. Squeeze-Casting, und selbst die Verwendung in Gießverfahren, die mit nicht vollständig flüssigen Metallen oder Metalllegierungen arbeiten, wie z. B. das Thixo-Casting (Semi Solid Metal Casting).

[0017] Die praktisch geschlossene Außenhaut der erfindungsgemäß zu verwendenden Integralformschaumkörper ermöglicht auch ihre Anwendung in Vakuumgießprozessen, da bei der Qualität der entstehenden Oberfläche ein Evakuieren der Gießform bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Endkörperherstellung möglich ist, ohne kontinuierlich in störendem Maße Gasleckagen aus dem Inneren des Kernkörpers und eine damit einhergehende Verminderung des Vakuums zu beobachten.

[0018] Das Einbringen des Integralformschaumkernes in die verwendete Gießform kann entweder manuell oder nach sonst üblichen Industrieverfahren, z. B. durch Roboter, erfolgen. Das nachfolgende Umgießen und damit die Ausbildung des gewichtsreduzierten Zielwerkstückes kann aufgrund der Temperatur- und Druckstabilität der Kernkörperaußenhaut durchaus auch mit Metallen bzw. Metalllegierungen eines höheren Schmelzpunktes bzw. bei einer höheren Verarbeitungstemperatur als dem Schmelzpunkt des Kernmateriales erfolgen. Ein solches Verfahren, das den Einsatz höher schmelzender Umhüllungsmaterialien vorsieht, hat sogar den Vorteil, dass die Außenfläche des Kernkörpers partiell angeschmolzen wird und somit sich beim nachfolgenden Erstarrungsprozess des Endkörpers ein inniger metallischer Verbund zwischen dem Kernmaterial und dem umhüllenden Schalenmaterial des Endwerkstückes bildet. Wie bei den industriellen Gießverfahren üblich, ist unter anderem durch die ausgezeichnete Druckstabilität der verwendeten Kernkörper eine Nachbehandlung des endgültigen Werkstückes in der Regel nicht nötig. Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt eines als Kern geeigneten Integralformschaums.

[0019] In einer handelsüblichen Druckgießmaschine sollte ein Fahrzeugteil aus einem Aluminiumwerkstoff als integral geschäumter Metallkörper hergestellt werden. Hierzu wurde in einem ersten Schritt eine Gießkammer einer Druckgießmaschine mit einer entsprechenden Menge an Metallschmelze gefüllt. In die geschlossene Gießkammer wurde als schaumerzeugendes Treibmittel Magnesiumhydrid in Pulverform dem flüssigen Metall zugegeben. Nahezu gleichzeitig begann ein schnelles Einschieben des Gemisches aus Treibmittel und Metallschmelze in den Formhohlraum. Der Formhohlraum wurde volumendefiniert unterfüllt. Durch die entstehenden Turbulenzen erfolgt eine gute Durchmischung in dem Formhohlraum und das Ausschäumen des Hohlraumes. Durch die Sprühfüllung erstarrte das Metall an den Formwänden und bildete eine dichte und homogene Wandung des Metallkörpers aus, wobei sowohl die Wandstärken als auch die Porosität und deren Gradient durch Variation von Verfahrensparametern einstellbar waren.

[0020] Der "Schuss" erfolgte vor der Schaumbildung, der Schäumungsprozess lief "in situ" in dem Formhohlraum ab. Es wurde schnell in die kalte Form geschäumt. Das Bauteil wies eine Masse von nur ca. 40 % gegenüber konventionellen Druckgießteilen aus gleichem Material auf. Der gemäß dem Beispiel hergestellte Metallkörper wurde dann als Kern in eine größere Gießform eingelegt und die Gießform geschlossen. Dann wurde entsprechend dem üblichen Druckgussverfahren eine Metallschmelze aus der Gießkammer der Druckgussmaschine in den Formhohlraum gepresst. Bei diesem Füllgang wurde der Formhohlraum vollständig gefüllt, überschüssiges Metall wurde nach dem Erkalten des Formkörpers aus dem Anschusskanal und dem Ende der Gießkammer entfernt. Das Ergebnis dieses Prozesses war ein gewichtsreduziertes Formteil, das im Bereich des eingelegten Kernkörpers Hohlräume aufwies, im Bereich der nicht vom Kern gefüllten Strukturen aber einem Vollgussteil entsprach.

[0021] Am Schnitt des beispielhaften Metallkörpers (Fig.) ist die Konturentreue entsprechend der verwendeten Form deutlich erkennbar, ebenso die unterschiedliche' Morphologie am Rande und im Innern des Formkörpers sowie die Druckstabilität des Kernes an Hand der flachen Eindruckspur des Auswerfers.

[0022] Der gemäß dem Beispiel hergestellte Formkörper wies eine geringere Dichte und ein besseres Schwingungsabsorbtionsverhalten als der entsprechende Vollmaterial-Vergleichskörper auf.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Metallformteilen, indem man Metallkörper in eine Gießform einlegt und den verbleibenden Formhohlraum anschließend mit einem Metall oder einer Metalllegierung durch Druckgießen befüllt, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper in einer Druckgiessmaschine durch schnelles Einschieben eines Gemisches aus einem schaumerzeugendes Treibmittel und einer Metallschmelze und nachfolgendes Ausschäumen des Formhohlraumes gebildet wird, wobei der Schäumungsprozess in situ im Formhohlraum abläuft und durch die Sprühfüllung des Metalls und dessen Erstarrung an den Formwänden eine dichte und homogene Wandung des Metallkörpers erzeugt wird und so eine Integralschaumstruktur mit allseitig geschlossener Oberfläche aufweist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Metallkörpers eine um den Faktor 1,5 bis 20, bevorzugt 3 bis 15, besonders bevorzugt 5 bis 10 höhere durchschnittliche Dichte als das Innere des Metallkörpers hat.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Metallkörper (Kern) umhüllende Metallstruktur eine höhere Dichte hat als die mittlere Dichte des verwendeten Metallkörpers.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper mit einer flüssigen Metallschmelze umgossen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umgießen des Metallkörpers durch Metall in teilerstarrtem Zustand entsprechend dem Semi Solid Metal Casting-Prozess erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einlegen des Metallkörpers in die Gießform und vor Eintreffen des Metalls in die Gießform ein Vakuum an der Form angelegt wird und erst danach die Formfüllung erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige oder unterschiedliche Metallkörper in eine Form eingelegt werden und anschließend umgossen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausfüllen der Form eine Metallschmelze aus Leichtmetall eingesetzt wird, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallkörper aus Leichtmetall verwendet wird.

Claims

1. Process for producing shaped metal parts, wherein metal bodies are placed into a casting mould and the remaining mould cavity is then filled with a metal or a metal alloy by pressure die-casting, characterized in that the metal body is formed in a pressure die-casting machine by rapid introduction of a mixture of a foam-producing blowing agent and a metal melt and then foaming so as to fill the mould cavity, wherein the foaming process takes place "in situ" in the mould cavity, and a dense and homogeneous wall of the metal body is produced by the spray-filling of the metal and its solidification on the mould walls, resulting in an integral foam structure with a surface which is closed on all sides.

2. Process according to Claim 1, characterized in that the surface region of the metal body has a mean density which is higher than the interior of the metal body by a factor of 1.5 to 20, preferably 3 to 15, particularly preferably 5 to 10.

3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that the metal structure which surrounds the metal body (core) has a higher density than the mean density of the metal body used.

4. Process according to Claims 1 to 3, characterized in that the metal body is surrounded with a liquid metal melt by casting.

5. Process according to Claims 1 to 3, characterized in that the surrounding of the metal body by casting is carried out using metal in the partially solidified state, in accordance with the semi-solid metal casting process.

6. Process according to Claims 1 to 5, characterized in that, after the metal body has been placed into the die and before the metal enters the die, a vacuum is applied to the die and only then is the die filled.

7. Process according to Claims 1 to 6, characterized in that a plurality of similar or different metal bodies are placed into a die and are then surrounded by casting.

8. Process according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a metal melt comprising light metal, in particular aluminium or an aluminium alloy, is used to fill the die.

9. Process according to one of Claims 1 to 8, characterized in that a metal body made from light metal is used.

Revendications

1. Procédé de réalisation de pièces moulées métalliques, par le fait qu'on place un corps métallique dans un moule de coulée et qu'on remplit ensuite la cavité de moule restante avec un métal ou un alliage métallique par coulée sous pression, caractérisé en ce que le corps métallique est formé dans une machine de coulée sous pression par introduction rapide d'un mélange de métal en fusion et d'un agent gonflant producteur de mousse puis remplissage de la cavité de moule par moussage, sachant que le processus de moussage se déroule « in situ » dans la cavité de moule et qu'on produit par le remplissage par pulvérisation du métal et sa solidification sur les parois du moule une paroi dense et homogène du corps métallique et qu'il présente ainsi une structure de mousse à peau intégrée ayant une surface fermée de tous côtés.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la région surfacique du corps métallique possède une densité moyenne qui est supérieure à celle de l'intérieur du corps métallique du facteur 1,5 à 20, de préférence du facteur 3 à 15, et d'une manière particulièrement préférée du facteur 5 à 10.

3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la structure métallique entourant le corps métallique (noyau) possède une densité supérieure à la densité moyenne du corps métallique utilisé.

4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue la coulée autour du corps métallique avec du métal liquide en fusion.

5. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue la coulée autour du corps métallique avec du métal dans l'état partiellement solidifié, conformément au processus dit « semi-solid casting » (coulée en état semi-solide).

6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'à la suite du placement du corps métallique dans le moule de coulée et avant l'arrivée du métal dans le moule de coulée, on applique un vide au moule et on effectue seulement ensuite le remplissage du moule.

7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que plusieurs corps métalliques identiques ou différents sont placés dans un moule, puis on effectue la coulée autour de ces corps.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise pour le remplissage du moule du métal en fusion constitué de métal léger, notamment d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise un corps métallique en métal léger.

Zeichnung