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(11) | EP 0 849 018 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung des Werkstückes |
| (57) Für eine Werkstück (1) aus einem leichtgewichtigte Füll-Körper enthaltenden Leichtbau-Werkstoff
wird zur Erzielung eines leichtgewichtigen, insbesondere druckfesten Werkstückes vorgeschlagen,
daß die Füll-Körper aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum von geringer
Masse als Schaumkörper (4) mit feinporiger bis grobporiger Struktur im Inneren und
mit einer offenen bis geschlossenen äußeren Oberläche gebildet sind. |
[0001] Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf ein Werkstück aus einem Leichtbau-Werkstoff sowie auf ein Herstellverfahren.
[0002] Ein beispielsweise aus der DE-C 195 01 508 bekanntes Leichtbau-Werkstück ist ein aus einem Aluminiumdruckguß gefertigtes Bauteil, das ein Hohlraumprofil aufweist, wobei in dessen Hohlraum ein Kern aus Aluminiumschaum bleibend angeordnet ist. Dieser das Bauteil aussteifende Aluminiumschaum-Kern ist gebildet aus einer Mischung von Aluminiumpulver mit einem Treibmittel, das bei entsprechender Temperatur ein Gas freigibt zur Aufschäumung des Aluminiumpulvers. Gleichzeitig werden Aluminiumkörner zusammengebacken, so daß eine schaumige Masse zunächst die Kontur der jeweiligen Kernform ausfüllt. Diese Schaummasse von geschlossener Porosität weist eine Dichte von etwa 0,6 - 0,7 Gramm pro ccm auf.
[0003] Aus der gattungsbildenden DE-A 38 16 517 ist ferner ein Leichtmaterial bekannt, dessen ein Werkstuck bildender Körper von beliebigem Werkstoff in seinem Inneren relativ dicht gepackt angeordnete Hohlkugeln aufweist. Diese beispielsweise gemäß dem in Spalte 1 der DE-A 43 40 347 beschriebenen Verfahren hergestellten Hohlkugeln sind für die Ausbildung eines hoch druckfesten Leichtbau-Werkstückes zur Aufnahme der Druckbelastungen aus teurem, hochwertigem Material zu fertigen wie Nickel, Molybdän, Wolfram oder Kupfer oder aus hochwertiger Kermaik.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Leichtbau-Werkstück von hoher Festigkeit ein in der Herstellung kostengünstiges schüttfähige Füll-Material für eine leichtgewichtige Ausbildung aufzuzeigen.
[0005] Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß die Füll-Körper aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum von geringer Masse als Schaumkörper mit feinporiger bis grobporiger Struktur im Inneren und mit einer offenen bis geschlossene äußeren Oberfläche gebildet sind.
[0006] Der Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung von schüttfähigen Füll-Körpern aus einem Mineralschaum, wobei diese durch den strukturellen Aufbau bedingt hoch druckfesten Schaumkörper je nach verwendetem Material einerseits und ihrer endgültigen Größe bei geringer Ausgangsmasse andererseits die Möglichkeit einer gewünscht geringen Dichte eröffnen für ein Werkstück von geringem Gewicht und hoher Festigkeit bei günstigen Herstellkosten.
[0007] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung findet in bevorzugter Weise ein in der DE-P 195 45 187 beschriebener silikatischer Mineralschaum Verwendung, der die Ausbildung von Schaumkörpern ermöglicht, deren offene bis geschlossene Oberfläche jeweils einer Schale zugehörig ist, die mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integralschaumes in Verbindung steht. Mit dem zweiteiligen Aufbau jedes Schaumkörpers ergibt sich einerseits mit dem größerporigen Innen-Kern in vorteilharter Weise eine Gewichts- bzw. Dichtereduzierung, wobei die Schale mit ihrer insbesondere geschlossenen Oberfläche in vorteilhafter Weise der punktförmigen Einleitung großer Kräfte dient.
[0008] Die Druckfestigkeit der Schalen der Schaumkörper kann ferner durch einen in der o.g. DE-P 195 45 187 beschriebenen Verfahrensschritt durch Keramisieren weiter gesteigert werden.
[0009] Zur Ausbildung eines leichtgewichtigen Werkstückes sind die hochfesten Schaumkörper von geringer Dichte mittels Sintern und/oder einer Trankung mit einer Leichtmetall-Legierung formbestimmend verbunden.
[0010] Für das Sintern sowie für das Metall-Tränken sind insbesondere als Kugeln/Körner gestaltete Schaumkörper besonders vorteilhaft mit jeweils einem Durchmesser von 0,5 mm bis 16 mm.
[0011] Ein erfindungsgemäß aus formbestimmend verbundenen Schaumkörpern gestaltetes Werkstück eröffnet in weiterer vorteilhafter Weise durch einen von Schaumkörpern ausgesparten Bereich die Anordnung einer Funktionseinrichtung wie einen Schraubbolzen, ein Gewindesackloch etc. in dem in der Aussparung nach der Tränkung verbliebenen Gießmetall. Dies hat den Vorteil einer vereinfachten Gestaltung des Werkstückes.
[0012] Für ein Werkstück mit mittels einer Leichtmetall-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln sind diese vorzugsweise aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet, wobei die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers 40 - 75% SiO2, 0 - 20 % Al2O3, 1 - 25 % CaO, 0 - 10 % Fe2O3, 0 - 26 % Alkali und 0 - 5 % Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis zu 3 % betragen und die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1 % eingestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind. Mit diesem bevorzugten Mineralschaum ist ein Werkstück aus leichtmetallgetränkten Schaumkörpern mit einer Dichte von ca. 0,3 Gramm pro ccm erzielt.
[0013] Aufgrund eines preisgünstigen Ausgangsmaterials für den bevorzugten Mineralschaum ergibt sich eine kostengünstige Werkstückfertigung, die durch Sintern und/oder Metall-Tränken gemäß weiteren Verfahrensansprüchen auch komplexe Gestaltungen zuläßt und sich für Druckguß, Kokillenguß, Sandguß und sonstige Sonderverfahren, zB Pulvermetallurgie eignet. Mit einem in einem Gußteil beispielsweise verbleibenden,als erfindungsgemäßes Werkstück gestalteten Gießkern ergibt sich eine verbesserte Steifigkeit des Guß-Werkstückes bei geringem Gewicht, wobei der Gießkern in vorteilhafter Weise eine Schalldämpfung bewirkt. Schließlich wirkt der erfindungsgemäße Gießkern insbesondere in einem Leichtbau-Werkstück auch als energie- und schallabsorbierendes Element.
[0014] Die Erfindung ist anhand eines bevorzugten, in der Zeichnung schematisch im Querschnitt dargestellten Werkstückes beschrieben.
[0015] Ein aus einer Aluminium-Legierung gegossenes Werkstück 1 umfaßt einen Kernraum 2 mit einem nach dem Gießen im Kernraum 2 verbleibenden Kern 3.
[0016] Zur Erzielung eines Gießkernes 3 von geringer Dichte und damit eines Werkstückes 1 von geringem Gewicht wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß aus einem Mineralschaum geringerer Masse gebildete Füll-Körper 4 von relativ großer Druckfestigkeit und von feinporiger bis grobporiger Struktur im Innern und mit offener oder geschlossener äußerer Oberfläche mittels einer formbestimmenden Bindung den Kern 3 bilden.
[0017] Vorzugsweise sind die durch einen Schäumvorgang mit jeweils einem vorbestimmt großen Volumen hergestellten, als Füll-Körper dienenden Schaumkörper 4 aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum gebildet. Vorzugsweise findet ein silikatischer Mineralschaum gemäß der DE-P 195 45 187 Verwendung zur Ausbildung von Schaumkörpern 4, deren offene oder geschlossene Oberfläche jeweils einer Schale zugehörig ist, die mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integralschaumes in Verbindung steht. Durch diese Kombination wird bei geringer Dichte eine hohe Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit erzielt.
[0018] Diese Druckfestigkeit der Schalen der Schaumkörper 4 kann nach einem in der vorgenannten Patentanmeldung angegebenen Verfahren zusätzlich dadurch gesteigert werden, daß die Schalen keramisiert sind.
[0019] Zur Ausgestaltung des Gießkernes 3 oder des Werkstückes 1 sind die Schaumkörper 4 mittels Sintern und/oder einer Tränkung mit der Alu-Legierung in einer gesonderten Kern- oder Modellform formgebend bzw formbestimmend gebunden, wobei sich aus Gründen der Festigkeit einerseits und der Handhabung andererseits die Gestaltung der Schaumkörper 4 als Kugeln 4 vorteilhaft erwiesen hat mit jeweils einem Durchmesser von 0,5 - 16 mm.
[0020] Eine vorteilhafte Ausgestaltung insbesondere des Gießkernes 3 ergibt sich ferner durch einen von Schaumkörpern 4 ausgesparten Bereich 5 zur Anordnung einer Funktionseinrichtung 6, wie einen Schraubbolzen oder ein Gewindesackloch 7 in dem in der Aussparung 5 nach der Metall-Tränkung verbliebenen Gießmetall. Weiter kann mit der Tränkung der Schaumkörper 4 durch die Alu-Legierung auch ein Kernlager 8 ausgebildet sein.
[0021] Für einen im Werkstück 1 verbleibenden Gießkern 3 sind die Schaumkörper 4 bzw. Kugeln 4 hinsichtlich der verwendeten Alu-Legierung vorzugsweise aus einem preisgünstigen silikatischen Mineralschaum gemäß der vorgenannten DE-P 195 45 187 gebildet, wobei die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern einer Schaumkörper-Kugel 4 40 - 65% SiO2, 1 - 20% Al2O3, 1 - 25% CaO, 1 - 10% Fe2O3, 5 - 14 % Alkali und 0 - 5 % Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis 3 % betragen und die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1 % eingestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind. Mit der Wahl dieses Mineralschaumes ist ein Gießkern 3 von hoher Druckfestigkeit und reduziertem Gewicht mit einer Dichte von 0,3 Gramm pro ccm erreicht.
[0022] Für ein Werkstück 1 aus einer Magnesium-Legierung mit integrierten Schaumkörpern 4 aus einem silikatischen Mineralschaum sind bezüglich der Rezepturgrenzen andere Werte zu beachten, die in den im Anspruch 8 angegebenen Wertebereichen enthalten sind.
[0023] Um das Gewicht des Gießkernes 3 trotz Metall-Tränken gering zu halten, kann der Kern 3 gemäß einer Interpretation des Anspruches 6 aus Schaumkörper/Kugeln 4 von unterschiedlichen Durchmessern gewählt sein, wobei die nicht gezeigten Kugeln 4 kleineren Durchmessers in den Raumlücken zwischen den im Durchmesser großen Kugeln plaziert sind.
[0024] Die Herstellung des Gießkernes 3 für ein Werkstück 1 aus einer Alu-Legierung erfolgt zB in der Weise,daß Schaumkörper 4 aus einem auf die Alu-Legierung abgestellten Mineralschaum gemäß Anspruch 9 als Schüttung in eine vorbestimmte Form mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe eingetragen und mit der Alu-Legierung getränkt werden, wobei der in der Form abkühlende Gießkern 3 eine Temperung erfährt.
[0025] Das vorbeschriebene Verfahren ist auch für andersartige Werkstücke geeignet,wobei die Werkstücke vollständig aus Mineralschaum-Körpern mit einem Leichtmetall als Bindemittel oder einem Kern aus Mineralschaum-Körpern und einem Leichtmetall als Bindemittel in Kombination mit einer äußeren Umschließung aus Leichtmetall oder ferner einem Kern aus Mineralschaum-Körpern und Leichtmetall als Bindemittel mit gezielt erzeugten Hohlräumen im Kern und einer äußeren Umschließung aus Leichtmetall hergestellt sind.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Werkstück als eine wärmeisolierende und/oder schallabsorbierende Einrichtung ausgebildet sein, insbesondere als Aus- oder Verkleidung.
[0027] Vorteilhaft kann die Erfindung auch der Ausgestaltung eines Werkstückes als eines energieabsorbierenden Elementes dienen. Dieses findet bevorzugt Verwendung in einer Sicherheitseinrichtung eines Kraftfahrzeuges,insb. Pkw. Konkret kann ein derartiges Element in einer Chassis-Struktur oder in einem karosserieseitigen Stoßfänger angeordnet sein.
[0028] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich mit der Ausbildung des Werkstückes als ein Halbzeug mit im Bereich der neutralen Zone höchsten Konzentration an Schaumkörpern/Kugeln.
[0029] Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Halbzeuges fallen die Mineralschaum-Körper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in eine Verteilungsvorrichtung zu den Formen an, wobei die Schaumkörper kontinuierlich mit einer zugeführten Leichtmetall-Schmelze getränkt werden, die als Bindemittel der Verschmelzung der Schaumkörper zu einzelnen oder endlosen Halbzeugen dient, die im übrigen bei der Abkühlung ebenfalls getempert werden zum Abbau von Spannungen.
[0030] Bei einer weiteren Verfahrens-Variante zur Herstellung eines leichtgewichtigen Werkstückes als Gußteil oder als Halbzeug oder z.B als energieabsorbierendes Element fallen die Mineralschaum-Körper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100-700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in einer Verteilungsvorrichtung zu den Formen an und werden kontinuierlich mit Pulver einer Leichtmetall-Legierung im Temperaturbereich von 1100-700°C unter Luftausschluß oder Schutzgas ( CO2, N2 ) paniert.Ein anschließendes Wiedererhitzen der Mineralschaum-Körper mit codierter Leichtmetall-Oberfläche unter Luftausschluß oder unter Schutzgas auf eine Temperatur zwischen 600 - 1000°C ergibt ein Verschmelzen oder ein Versintern der Schaumkörper über die aufgebrachten Oberflächenbeschichtungen.Auch bei diesen als einzelne oder endlose Formkörper gestalteten Werkstücken ist eine mit der Abkühlung verbundene Temperung zum Spannungsabbau vorteilhaft.
[0031] In Weiterbildung der Erfindung kann die die Schaumkörper formbestimmend verbindende Leichtmetall-Legierung des Verbund-Werkstoffes zur Steigerung der Festigkeit faser- und/oder partikelverstärkt sein.Vorzugsweise ist aus den Fasern und den Schaumkörpern eine Preform gebildet,die anschließend mit der Leichtmetall-Legierung behandelt bzw getränkt ist.
- wobei schüttfähige, druckfeste Füll-Körper von relativ geringem Gewicht mittels
einer formbestimmenden Bindung das Werkstück bilden,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Füll-Körper aus einem amorphen und/oder kristallinen Mineralschaum von geringer Masse als Schaumkörper (4) mit feinporiger bis grobporiger Struktur im Inneren und mit einer offenen bis geschlossenen äußeren Oberfläche gebildet sind.
- daß die aus einem silikatischen Mineralschaum gebildeten Schaumkörper (4) ihre offene oder geschlossene Oberfläche jeweils einer Schale zugehörig aufweisen, die
- mit einem größerporigen Innen-Kern nach Art eines Integralschaumes in Verbindung steht.
- daß die Schalen der Schaumkörper (4) keramisiert sind.
- daß die Schaumkörper (4) mittels Sintern und/oder Trankung mit einer Leichtmetall-Schmelze formbestimmend verbunden sind.
- daß die Schaumkörper (4) als Kugeln gestaltet sind mit jeweils einem Durchmesser von 0,5 bis 16 mm.
- einen von Schaumkörpern (4) ausgesparten Bereich (5) zur Anordnung einer Funktionseinrichtung (6) wie einen Schraubbolzen, ein Gewindesackloch (7) etc. in dem in der Aussparung (5) nach der Tränkung verbliebenen Leichtmetall.
- daß die mittels einer Leichtmetall-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln (4) aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet sind, wobei
- die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers (Kugel 4) 40 - 75% SiO2, 0 - 20% Al2O3, 1 - 25% CaO, 0 - 10% Fe2O3, 0 - 26 % Alkali und 0 - 5 % Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis 3 % betragen und
- die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1 % eingestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind.
- daß die mittels einer Alu-Legierung verbundenen Schaumkörper/Kugeln (4) aus einem silikatischen Mineralschaum gebildet sind, wobei
- die Rezepturgrenzen für den Innen-Kern eines Schaumkörpers (Kugel 4) 40 - 65% SiO2, 1 - 20 % Al2O3, 1 - 25 % Ca, 1 - 10 % Fe2O3, 5 - 14 % Alkali und 0 - 5 % Rest mit einem Schwermetall-Anteil bis 3 % betragen und
- die Rezepturgrenzen für die mit dem Innen-Kern integral verbundene Schale wie für den Innen-Kern mit Ausnahme eines unter 0,1 % eingestellten Schwermetall-Restes bestimmt sind (KeraGlas).
- daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung in eine vorbestimmte Form mit einer Materialtemperatur von 1100 - 700°C nach der Schäum-Prozeßstufe eingetragen und
- mit einer Leichtmetall-Legierung zur formbestimmenden Verbindung getränkt werden.
- daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100 - 700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in eine Verteilungsvorrichtung zu den Formen eingetragen werden, wobei
- die Schaumkörper kontinuierlich mit einer zugeführten Leichtmetall-Schmelze getränkt werden zur Verschmelzung der Schaumkörper zu einzelnen oder endlosen Formteilen (Platten, Halbzeuge).
- daß die aus Mineralschaum gebildeten Schaumkörper als Schüttung mit einer Materialtemperatur von 1100 - 700°C nach der Schäum-Prozeßstufe kontinuierlich in Formen oder in einer Verteilungsvorrichtung zu den Formen eingetragen und
- kontinuierlich mit Pulver einer Leichtmetall-Legierung im Temperaturbereich von 1100 - 700°C unter Luftausschluß oder unter Schutzgas (CO2, N2) paniert werden, wobei
- ein anschließendes Wiedererhitzen der Schaumkörper mit codierter Leichtmetall-Oberfläche unter Luftausschluß oder unter einem Schutzgas auf eine Temperatur zwischen 600 - 1000°C ein Verschmelzen oder ein Versintern der Schaumkörper über die aufgebrachten Oberflächenbeschichtungen bewirkt.
- daß ein jeweiliges Werkstück vollständig aus Schaumkorpern mit einem Leichtmetall als Bindemittel oder einem Kern aus Schaumkörpern und einem Leichtmetall als Bindemittel in Kombination mit einer äußeren Umhüllung aus Leichtmetall (Werkstück 1) oder ferner
- einem Kern aus Schaumkörpern und einem Leichtmetall als Bindemittel mit gezielt erzeugten Hohlräumen im Kern (z.B. Gußkern) und einer äußeren Umhüllung aus Leichtmetall hergestellt wird.