Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von fliessfähigem Metallschaum

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum einer partikel enthaltenden Metallschmelze mit monomodaler Verteilung der Abmessung der Hohlräume in diesem. Genauer dargelegt befasst sich die Erfindung mit der Erstellung von Metallschäumen mit jeweils im Wesentlichen gleichen Porenvolumen für einen Einsatz in Formkörpern mit besonderem Eigenschaftsprofil. Weiters betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallschaumes in obiger Ausbildungsform.

[0002] Metallschaum, insbesondere Leichtmetallschaum, findet in zunehmendem Maße Verwendung in Formkörpern mit einem besonderen Eigenschaftsspektrum, wobei den unterschiedlichen Anforderungen mit hoher Sicherheit entsprochen werden muss. Mit anderen Worten gesagt: Die Formkörper mit geringem Gewicht sollen bei genau festgelegter mechanischer Beanspruchung hohe Standfestigkeit aufweisen und/oder bei Überlast unter maximaler Energieabsorption deformierbar sein.

[0003] Es ist bekannt, Gegenstände aus Metallschaum zu fertigen. Beispielsweise wird in der WO 01/62416 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Schaumkörpers beschrieben, nach welchem eine Kokille mit Schaum durch Sammlung von einzelnen in der Schmelze aufsteigenden Blasen gefüllt wird. Dieses Verfahren, bei welchem die Gasblasen zumeist mittels eines sogenannten "rotor impellers" eingebracht und vereinzelt werden, hat jedoch die Nachteile, dass einerseits eine langsame Kokillenfüllung erfolgt und daher bei einer gekühlten Kokillenwand der zuletzt gebildete Körperteil eine oft nachteilig dicke Wandschicht aufweist und andererseits die Blasengröße unkontrolliert unterschiedlich ausgebildet ist, wodurch oft die mechanischen Kennwerte eines derart geschaffenen Teiles oder Körpers eine große, meist ungünstige Streubreite aufweisen.

[0004] Aus der EP 0666784 B1 ist ein weiteres Verfahren bekannt geworden, bei welchem ein Formgießen des stabilisierten, flüssigen Schaummetalles durch Pressen des stabilisiterten Schaumes in eine Form mit einem Druck erfolgt. Allerdings können damit die Zellen des gebildeten Schaumes nicht auf eine einheitliche Größe gebracht werden.

[0005] Die EP 1288320A2 offenbart eine Vorrichtungt und ein Verfahren zum Einbringen von Gas in eine Metallschmelze, bei welchem eine Gleichmäßigkeit des Durchmessers der jeweiligen Einzelblasen und die Größe der Gasblasen gesteuert werden.

[0006] Eine monomodale Verteilung der Abmessung der Hohlräume eines Formkörpers aus Metallschaum, sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben, geht aus, der EP A 1266973A2 sowie der EP 1354651A2 hervor, wobei letztere auch eine entsprechende Vorrichtung offenbart.

[0007] Alle dem Stand der Technik zuzuordnenden Herstellverfahren von fließfähigem Metallschaum haben jedoch den Nachteil gemeinsam, dass Einzelblasen sich zumeist erst bei einer Zusammenführung verbinden und oft verdickte Zwickelbereiche ausbilden. Weiters kann gegebenenfalls eine gewünschte Füllgeschwindigkeit einer Form zwecks Erhalt einer gleichmäßig dicken Oberflächenschicht des Körpers oder eine bevorzugte Metallströmung in dieser nicht erreicht werden.

[0008] Die bekannten Vorrichtungen erlauben zumeist nicht zusammenhängende Metallschaumblasen mit gleicher Größe derart herzustellen, dass im Hinblick auf ein geringes spezifisches Gewicht bei hohen mechanischen Kennwerten des Teiles die Zwischenwände zwischen den Hohlräumen dünn gestaltet und günstige Stützfunktionen ausüben können.

[0009] Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem ein fließfähiger Metallschaum mit monomodalen Abmessungen der Hohlräume in einer schäumbaren Schmelze bei der Gaseinleitung entsteht und weiter gebildet wird.

[0010] Weiters liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von fließfähigem Schaum für eine Verarbeitung desselben anzugeben.

[0011] Das eingangs genannte Ziel wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 errreicht.

[0012] Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen im günstigen Schaumaufbau zu sehen, weil schon beim Entstehen der Poren im flüssigen schäumbaren Metall sich in der Folge die Zwischenwände einer Schaumformation bilden, welche Wände sich dabei dünn und geometrisch dem Kraftwirkungen entsprechend ausformen. In Abhängigkeit von den vorgesehenen Porengrößen sind dabei betreffend eine in breiten Grenzen einzuhaltende Einleitmenge von Gas in die Oberflächenspannung die Grenzflächenspannung und der Auftrieb der Blasen für die Ausbildung einer voluminösen Schaumformation, die zu einem Schaumkörper weitergebildet wird, zu berücksichtigen.

[0013] Erfindungsgemäß ist dabei wichtig, dass die Größe der Einzelblasen bzw. Hohlräume in der Schaumformation durch die Wahl des Abstandes der Eintragsrohre voneinander und, wie an sich bekannt, durch die geometrische Ausbildung der in die Metallschmelze einragenden Rohrenden gemäß der EP 1288320A2 bestimmt wird. Derart können vorteilhafte Bedingungen für eine gleichartige Ausformung der Blasen und eine gewünschte Bildungsgeschwindigkeit der Formation erstellt werden.

[0014] Wenn in günstiger Weise die Schaumformation in eine Form oder Kokille eingebracht und in dieser zu einem austragbaren Formteil erstarren gelassen wird, kann eine dichte, jedoch äußerst geringe Dicke der Teiloberflächenschicht mit einem unmittelbar daran anschließenden Schaumkem erstellt werden.

[0015] Eine vorteilhaft genau zu limitierende Stabilität eines Leichtbauteiles kann erreicht werden, wenn das Einbringen der Schaumformation in die Form oder Kokille nach einer, im Wesentlichen dünnwandigen Erstarrung der Metallschmelze an der Forminnenwand erfolgt.

[0016] Die vorgenannte Aufgabe der Erfindung wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst

[0017] Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung sind im Wesentlichen dadurch begründet, dass am Eintragsrohr gebildete Blasen in zumindest einem Seitenbereich sich aneinander legen und eine Zwischenwand bilden können, wodurch unmittelbar im gegebenen Fall die Ablösekriterien erreicht und eine Folgeblase gebildet werden. Somit wird durch eine efindungsgemäße Vorrichtung ein günstiges Akkumulieren der Hohlräume im schäumbaren Metall unmittelbar bei deren Entstehung bewirkt und eine vorteilhafte geometrische Ausbildung der Zwischenwände der Schaumformation erreicht.

[0018] Zur Bereitstellung und Ausformung von Bauteilen mit geringem Gewicht und/oder mit hoher Energieaufnahme bei der Verformung ist gemäß der Erfindung mit Vorteil ein fließfähiger Metallschaum, bestehend aus einer Mehrzahl von Hohlräumen, gebildet durch ein Einleiten von Gas im Bereich von mehreren gleich beabstandeten in eine schäumbare Schmelze einragenden Enden von dimensionsgleichen Eintragsrohren, wobei durch ein Aneinanderlegen von Teilen der jeweils wachsenden Oberflächen der Schaumblasen und einen dadurch induzierten, die Größe bestimmenden Verschluss derselben mit einer jeweils weiteren Neuformung von Hohlräumen eine monomodale Verteilung der Abmessung der Hohlräume in einer Schaumformation geschaffen wird, verwendbar.

[0019] Im Besonderen ist eine Verwendung einer Schaumformation für eine Herstellung von Leichtmetallteilen im Automobilbau oder für die Luft- und Raumfahrt der präzisen Einstellbarkeit der mechanischen Eigenschaften der Teile wegen günstig.

[0020] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Prinzipdarstellungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1

Ansatz von Blasen an Eintragsrohren in einer schäumbaren Metallschmelze

Fig. 2

Blasenvergrößerung

Fig. 3

Ausbildung von Zwischenwänden

Fig. 3a

Detail

Fig. 4

Neuformierung von Blasen im Verband

Fig.5

Schaumformation

[0021] In Fig. 1 ist ein sogenanntes Anblasen einer Schaumformation schematisch gezeigt, wobei Gas 5 aus einer Druckkammer unter einem Düsenstock 21 eines metallurgischen Gefäßes 2 in eine schäumbare Schmelze 4 durch Eintragsrohre 3 eingeblasen wird, wobei im Bereich der einragenden Rohrenden 31 Gasblasen 6 gebildet werden. Durch einen gleich hohen Gasdruck und gleiche Eintragsrohr- und Rohrendendimensionen werden den physikalischen Gesetzen entsprechend gleich große Blasen 6 gebildet, wobei aber gegebenenfalls durch unterschiedliche Einblasbedingungen die jeweilige Blasengröße bestimmbar ist.

[0022] Aus Fig. 2 ist eine Gasblasenvergrößerung 6 vor den Rohrenden 31 in einer schäumbaren Schmelze 4 in einem metallurgischen Gefäß 2 entnehmbar.

[0023] Wenn nun Blasen 6, welche an den Enden 31 von Eintragsrohren 3 anhaften, jeweils eine vom Abstand A der Einblasrohre bestimmte Größe erreicht haben, und deren Oberfläche 61 sich an jene einer Nachbarblase anlegt, so entsteht meist unmittelbar eine Zwischenwand 7, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Durch eine Änderung der lokalen Oberflächenspannungen im Bereich der Rohrenden 31, infolge der sich im Wesentlichen schlagartig vergrößemden, Zwischenwänden 7 zwischen den Gasblasen 6 in einer Partikel enthaltenden schäumbaren Metallschmelze 4 erfolgt, wie in Fig. 3a dargestellt, eine durch einen Winkel gekennzeichnete unmittelbare Herbeiführung von Ablösekriterien einer Blasenreihe.

[0024] Weil nun, wie aus Fig. 4 schematisch ersichtlich, eine Gaseinbringung in eine Metallschmelze weiter geführt wird, erfolgen an den Rohrenden 31,31',31",31"' eine Neubildung von Gasblasen 6. Aufgrund der Oberflächenspannungen der Gasblasen 6 und der Tendenz zur Ausbildung einer Packung mit entsprechenden Oberflächengrenzwinkeln der Hohlräume erfolgt zumeist eine laterale Verschiebung einer Reihe von im Wesentlichen gleich großen Blasen 6 und eine Neubildung von solchen in den Zwickeln der Zwischenwände 7 einer Hohlraumreihe.

[0025] Neugebildete Blasen 6 wachsen, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, bis zu einer kritischen Größe, bei welcher wieder Zwischenwände 7 gebildet und Ablösekriterien (Fig. 3, Fig. 3a) im Wesentlichen schlagartig geschaffen werden, unter Ausformung einer Hohtraumformation in einer Schmelze 4.

[0026] Eine derartige homogene Hohlraum- oder Blasenformation 1 ist in Fig. 5 schematisch gezeigt, wobei diese Formation 1 je nach Anzahl von Eintragsrohren 3 traubenförmig oder großvolumig geformt werden kann, was für eine Weiterbildung und Endformgebung von Körpern Bedeutung hat.

[0027] Als günstig für eine stabile gleichartige Ausformung einer Schaumformation 1, die durch Auftrieb selbst oder durch eine Änderung der Gaszufuhrkriterien von den Rohrenden 31 abgelöst werden kann, ist gegeben, wenn diese Enden 31 mehrreihig, vorzugsweise dreireihig, gleich einragend in die Schmelze positioniert sind, wobei jedoch jede Folgereihe um den halben Abstand A der Enden lateral versetzt ist.

[0028] Durch die archimedische Gesetzmäßigkeit ist in einfacher Weise ein Einbringen von Schaumformationen 1 in Formen möglich, wobei eine monomodale Verteilung der Abmessungen der Hohlräume 6 bei günstiger Ausformung der Zwischenwände 7 erfindungsgemäß erfolgen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum einer Partikel enthaltenden Metallschmelze mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, wobei aus mindestens zwei benachbarten, gleichartig dimensionierten, in ein metallurgisches Gefäß (2) vorspringend einragenden Eintragsrohren (3,3',3",3"') in eine schäumbare Metalischrnelze (4) Gas (5) eingebracht und In dieser im Bereich der einragenden Rohrenden (31) jeweils Blasen (6) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Grossenzunahme der benachbarten Blasen (6) durch das Aneinanderlegen von Bereichen der Blasenoberflächen (61) und unter Ausformung von Partikel enthaltenden Zwischenwänden (7) die Abtösekriterien herbeigeführt werden, und so eine zusammenhängende Schaumformation (1) dargestellt und diese weitergebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Einzelblasen (6) bzw. Hohlräume in der Schaumformation (1) durch die die Ablösekriterien bestimmende Wahl des Abstandes (A) der Eintragsrohre (3) voneinander und durch die geometrische Ausbildung der in die Metallschmelze einragenden Rohrenden (31) festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumformation (1) in eine Form oder Kokille eingebracht und in dieser zu einem austragbaren Formteil erstarren gelassen wird.

4. Vorrichtung zur Herstellung von fließfähigem Metallschaum mit einer monomodalen Verteilung der Abmessungen der Hohlräume, bei welcher durch mindestens zwei in eine schäumbare Schmelze (4) vorspringend einragbare Eintragsrohre (3) für Gas (5) nebeneinander mit einem Abstand (A) voneinander gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres, gleich beabstandetes, jedoch zur Verbindungslinie der ersten versetztes Eintragsrohr (3) vorgesehen ist, und die Eintragsrohre (3) dimensionsgleich ausgebildet und die Rohrenden (31) auf einer Fläche angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (31) der Eintragsrohre (3) mehrreihige, vorzugsweise dreireihig, gleich einragend in die Schmelze (4) positioniert sind, wobei jedoch jede Folgereihe um den halben Abstand A der Enden (31) lateral versetzt ist.

Claims

1. A method for producing free-flowing metal foam of a particle-containing metal melt with a monomodal distribution of the dimensions of the cavities, gas (5) being introduced into a foamable metal melt (4) from at least two adjacent, similarly dimensioned feed pipes (3, 3', 3 ", 3"'), projecting in a salient manner into a metallurgical vessel (2), and bubbles (6) being formed in the said melt in the region of each of the projecting pipe ends (31), characterised in that, with the increase in size of the adjacent bubbles (6), the release criteria are brought about by regions of the bubble surfaces (61) abutting one another and with the forming of particle-containing intermediate walls (7), and thus a cohesive foam formation (1) is produced and this is developed further.

2. A method according to Claim 1, characterised in that the size of the individual bubbles (6) or cavities in the foam formation (1) is determined by the selection of the distance (A) of the feed pipes (3) from one another, the said selection determining the release criteria, and by the geometric design of the pipe ends (31) projecting into the metal melt.

3. A method according to Claim 1 or 2, characterised in that the foam formation (1) is introduced into a mould or ingot mould and allowed to solidify therein to form a dischargeable moulding.

4. A device for producing free-flowing metal foam with a monomodal distribution of the dimensions of the cavities, in which at least two feed pipes (3) for gas (5) project in a salient manner into a foamable melt (4), [are provided]¹ side by side at a distance (A) from one another, characterised in that at least one further feed pipe (3) is provided, equally spaced, but offset in relation to the connecting line of the first feed pipes, and the feed pipes (3) are designed so as to be dimensionally equal and the pipe ends (31) are arranged on one surface.

5. A device according to Claim 4, characterised in that the ends (31) of the feed pipes (3) are positioned in multiple rows, preferably in three rows, projecting equally into the melt (4), each subsequent row, however, being offset laterally by half the distance A of the ends (31).

Revendications

1. Procédé de fabrication de mousse métallique fluide d'un métal en fusion contenant des particules avec une distribution monomodale des dimensions des cavités, dans lequel du gaz (5) est introduit dans une cuve métallurgique (2) par au moins deux tubes d'alimentation voisins (3, 3', 3", 3"') de dimensions identiques, émergeant dans un métal en fusion transformable en mousse (4) et dans lequel des bulles (6) sont à chaque fois formées au voisinage des extrémités des tubes émergeants (31), caractérisé en ce que par accroissement de la taille des bulles avoisinantes (6) grâce au placement l'un à côte de l'autre des zones en surface des bulles (61) et par la mise en contact des cloisons (7) contenant les particules les critères de détachement sont entraînés, et ainsi une formation de mousse (1) est en conséquence réalisée et entretenue.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension des bulles unitaires (6) ou des cavités dans la formation de mousse (1) est fixée par le choix, déterminant les critères de détachement, de l'écart (A) des tubes d'alimentation (3) l'un par rapport à l'autre et par la conception géométrique des extrémités des tubes (31) émergeant dans le métal en fusion.

3. Procédé selon la revendication lou 2, caractérisé en ce que la formation de mousse (1) est déposée dans un moule ou une lingotière et laissée à solidifier dans celui-ci ou dans celle-ci en une pièce moulée récupérable.

4. Dispositif pour la fabrication de mousse métallique fluide avec une distribution monomodale des dimensions des cavités, lequel est constitué par au moins deux tubes d'alimentation émergeant en dépassant (3) dans un métal en fusion transformable en mousse (4) pour du gaz (5), voisins avec un écart (A), caractérisé en ce qu'au moins un autre tube d'alimentation (3) est prévu, avec le même écart, situé cependant sur la ligne de raccordement du premier tube d'alimentation placé (3), et les tubes d'alimentation (3) conçus de la même dimension et les extrémités des tubes (31) sont disposés sur une surface.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités (31) des tubes d'alimentation (3) sont positionnés en rangées multiples, de préférence en rangée de trois, émergeant de manière identique dans le métal en fusion (4), de telle sorte que, toutefois, chaque rangée suivante soit décalée latéralement de la moitié de la distance A des extrémités (31).

Zeichnung