Stand der Technik Es existieren verschiedene Verfahren zur Herstellung von aufschäumbaren Metallkörpern.

Bei diesen Verfahren werden einem Metallpulver eine oder mehrere Treibmittelpulver zugemischt, welche sich bei Erwärmung zersetzen und dabei ein Gas abspalten, welches beim abschließenden Aufschäumen zur Porenbildung und zu Porenwachstum und damit zur Expansion des aufschäumbaren Materials führt. Um Aufschäumbarkeit zu erreichen, wird die treibmittelhaltige Pulvermischung vor dem Aufschäumen verdichtet.

Aufschäumbarkeit ist dann gegeben, wenn die Metallteilchen des Matrixmetalls einen gasdichten Abschluss für die vom Treibmittel freigesetzten Gasteilchen darstellen. Hierzu

müssen die Treibmittelpulverteilchen vollständig von der metallischen Matrix umgeben sein.

Die metallische Matrix muss weiterhin gasdicht sein, das heißt, sie darf keine oder nur wenige Poren enthalten. Zum Erreichen eines derartigen gasdichten Abschlusses ist eine hohe Dichte des treibmittelhaltigen Matrixmetalls erforderlich. Eine ausreichende Verdichtung der Matrix wird mittels hoher Drücke und/oder hoher Temperaturen erreicht.

Findet die Kompaktierung (Verdichtung) bei niedrigen Temperaturen statt, so müssen sehr hohe Kompaktierungsdrücke angelegt werden.

Diese Verfahren haben den Nachteil, dass ein hoher anlagentechnischer Aufwand benötigt wird. Bei der Verwendung hoher Kompaktierungstemperaturen können niedrigere Kompaktierungsdrücke angewendet werden. Allerdings ist die Höhe der Kompaktierungstemperatur durch die Zersetzungstemperatur des verwendeten Treibmittels oder Treibmittelgemisches stark begrenzt, weil dieses bei zu hohen Temperaturen vorzeitig ausgast.

Aus der DE 40 18 360 A1 und der DE 41 01 630 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen treibmittelhaltige Pulvermischungen auch oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels kompaktiert werden können. Dabei wird der Kompaktierungsdruck so hoch gewählt, dass die Zersetzung des Treibmittels verhindert wird.

Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie auf kleinere Abmessungen bzw.

Querschnitte des zu kompaktierenden Materials beschränkt sind. Größere Bauteile sind bei den genannten Verfahren mittels Kompaktierung durch heißisostatisches Pressen (HIP) erhältlich, dieses Verfahren ist jedoch sehr teuer.

Darstellung der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung aufschäumbarer Metallkörper anzugeben, das es erlaubt, aufschäumbare Metallkörper kostengünstig herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren, den in Anspruch 14 beschriebenen aufschäumbaren Metallkörper und die Verwendung gemäss der Ansprüche 15-17 geiöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen an.

Erfindungsgemäß wird ein Gemisch aus einem pulverförmigen oder flüssigen Metall und einem pulverförmigen oder flüssigen metallhaltigen Treibmittelvormaterial mit einem flüssigen oder gasförmigen nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterial behandelt. Dabei reagiert das nicht metallhaltige Treibmittelvormaterial in einer Additionsreaktion mit dem metalihaltigen Treibmittelvormaterial, so dass das Treibmittel gebildet wird. Dieses Gemisch wird gleichzeitig oder später zu einem Halbzeug kompaktiert, derart, dass die Teilchen des Metalls sich in einer festen Verbindung untereinander befinden und einen gasdichten Abschluss für aus dem Treibmittel freigesetzte Gasteilchen darstellen, wobei sich ein aufschäumbarer Metallkörper bildet.

Als Treibmittel im Sinne dieser Erfindung sind insbesondere Metallhydride, Metallsalzhydrate und Metallhydroxide anzusehen. Erfindungsgemäß sind diese Treibmittel insbesondere durch oxidative Additionen des nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterials an das metallhaltige Treibmittelvormaterial oder Lewis-Säure-Base-Reaktionen (wobei das nicht metallhaltige Treibmittelvormaterial die Lewis-Base ist) erhältlich, die in der Regel reversibel verlaufen, das heißt, die Gleichgewichtsreaktionen sind. Dabei reagieren die metallhaltigen Treibmittelvormaterialien (dies sind insbesondere Metalle in elementarer Form, Legierungen und Metallsalze, wie z. B. Metalloxide) mit niedermolekularen insbesondere zweiatomigen oder dreiatomigen nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterialien (wie z. B. Wasserstoff oder Wasser) zu den erfindungsgemäßen Treibmitteln.

Die aufzuschäumenden pulverförmigen oder flüssigen Metalle können reine Metalle (z. B.

Aluminium oder Eisen), Metallegierungen und/oder andere Metallverbindungen, die einen metallischen Charakter aufweisen, sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass kein teures Treibmittel verwendet werden muss, da das Treibmittel während oder kurz vor der Kompaktierung aus billigen Vormaterialien gebildet wird.

Bevorzugt werden Reaktionsbedingungen gewählt, bei denen das metallhaltige Treibmittelvormaterial nicht mit dem aufzuschäumenden Metall reagiert, so dass eine Reaktionsfähigkeit des nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterials mit dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial gewährleistet ist. Wird beispielsweise das metallhaltige Treibmittelvormaterial Titan zu einer Aluminiumschmelze zugefügt, so bilden sich Titanaluminide, welche keine ausreichende Speicherfähigkeit für Wasserstoff haben, die Reaktionsfähigkeit mit dem Umgebungsmedium Wasserstoff geht also verloren. Wird dagegen Aluminiumpulver verwendet, so unterbleibt die Bildung von Titanaluminiden, da die Aluminiumpulverteilchen von einer Oxidschicht umgeben sind. Allgemein unterbleibt eine Bildung intermetallischer Phasen, wenn die Metallpulverteilchen durch eine Oxidschicht passiviert sind.

Besonders bevorzugt liegt das metallhaltige Treibmittelvormaterial in einer Schmelze vor ; es ist dann so reaktionsfähig, dass es durch Begasen mit dem nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterial, z. B. mit Wasserstoff, zum Treibmittel reagiert. Das Begasen kann durch Halten/Lagern der erstarrten, teilflüssigen oder flüssigen Schmelze in wasserstoffhaltiger oder feuchter Atmosphäre, oder durch direktes Einleiten von Gas, Spänen, feuchtem Holz, oder ähnlichem, in die Schmelze erfolgen.

Bevorzugt ist das nicht metallhaltige Treibmittelvormaterial ein Hydriermittel und damit das mit dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial gebildete Treibmittel ein Metallhydrid.

Besonders bevorzugt ist dieses Hydriermittel Wasserstoffgas oder ein Wasserstoffgas- haltiges Gemisch, wie z. B. Schweißargon oder Formiergas. Das Wasserstoffgas diffundiert durch das gegebenenfalls vorverdichtete Gemisch aus dem Metall und dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial und reagiert dort mit dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial zu Metallhydriden.

Der Einsatz von Wasserstoff bzw. Wasserstoff-haltigen Gemischen bzw. ganz allgemein der Einsatz billiger nicht metallhaltiger Treibmittelvormaterialien hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu den vorbekannten Verfahren auf den Einsatz teurer Treibmittel verzichtet werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin bevorzugt bei Temperaturen von 300°- 700°C, besonders bevorzugt bei 400°-600° C durchgeführt.

Dies hat den Vorteil, dass die Kompaktierung zum aufschäumbaren Metallkörper erleichtert wird. Die Erleichterung der Kompaktierung ist ein Resultat der hohen Prozesstemperaturen.

Erfindungsgemäß sind nun Kompaktierungstemperaturen zulässig, die höher als bei den vorbekannten Verfahren sind, da das Treibmittel erst gebildet wird und sich insbesondere bei Reaktionen unter Gleichgewichtsbedingungen deshalb nicht vollständig zersetzen kann.

Bei diesen höheren Prozesstemperaturen wird im einzelnen durch Sintervorgänge, durch Verbesserung der Duktilität und Walzbarkeit und/oder durch Herabsetzung des Umformwiderstands oder andere temperaturunterstützte Vorgänge eine leichtere Kompaktierung erreicht. Bei hohen Prozesstemperaturen und langen Prozesszeiten treten weiterhin Sinterprozesse auf, so dass bereits während der Bildung des Treibmittels eine Kompaktierung zu einem aufschäumbaren Material auftritt.

Dieses aufschäumbare Material kann dann direkt aus der Sinterhitze aufgeschäumt werden.

Dies hat den Vorteil, dass eine zwischenzeitliche Abkühlung und Wiedererwärmung auf die Schäumtemperatur nicht nötig ist und damit Energie eingespart wird. Die Atmosphäre während des Aufschäumens kann hierbei aus dem nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterial oder einem Gemisch mit diesem nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterial bestehen.

Bei hohen Temperaturen, bei denen Sintervorgänge eintreten, wird eine Kompaktierung bewirkt ; eine Zersetzung des Treibmittels bzw. eine Rückreaktion metallhaltigem und nicht metallhaltigem Treibmittelvormaterial findet dabei jedoch nicht oder nur teilweise statt. Vorzugsweise wird die Temperatur daher so gewählt, dass die Zersetzung des gerade gebildeten Treibmittels nicht vollständig abläuft, so dass ein ausreichender Rest an Treibmittel im Material erhalten bleibt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei den hohen Prozesstemperaturen etwaige Presshilfsmittel durch Zersetzung und/oder Verdampfung entfernt werden.

Ganz allgemein hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den vorbekannten

Verfahren den Vorteil, dass kein hoher anlagentechnischer Aufwand benötigt wird und kein hoher Werkzeugverschleiß auftritt. Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass erstmals aufschäumbare Metallkörper in jeder Größe kostengünstig hergestellt werden können, da eine Limitierung der Größe durch das verwendete Kompaktierungsverfahren nicht mehr gegeben ist.

In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gemisch aus dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial und dem Metallpulver vor der Reaktion mit dem nicht metalihaltigen Treibmittelvormaterial vorverdichtet. Als Vorverdichtungsverfahren können insbesondere kaltisostatisches Pressen (CIP), heißisostatisches Pressen (HIP), axiales Pressen und Pulverwalzen eingesetzt werden. Außer bei einer Vorverdichtung mittels HIP ist das vorverdichtete Material nicht walzbar, d. h. es verfügt über eine geringe Duktilität.

Diese Variante hat den Vorteil, dass die Dauer der Kompaktierung zum aufschäumbaren Metallkörper verkürzt werden kann.

Das vorverdichtete Gemisch aus dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial und dem Metallpulver weist vorzugsweise eine offene Porosität auf.

Dies hat den Vorteil, dass das nicht metallhaltige Treibmittelvormaterial schnell den gesamten Querschnitt des vorverdichteten Materials durchsetzt und dort überall reagiert.

Weiterhin können bei offener Porosität etwaige Presshilfsmittel durch Zersetzung oder Verdampfen leichter entfernt werden.

Die Bildung des Treibmittels aus dem metallhaltigen und dem nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterial kann aber auch bei geschlossener Porosität oder nicht porösem vorverdichtetem Material erfolgen. Es sind dann längere Reaktionszeiten und höhere Reaktionstemperaturen erforderlich. Auf den Einsatz von Presshilfsmitteln wird dabei verzichtet.

In einer weiteren Variante werden dem Gemisch aus dem Metall und dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial Sinterhilfsmittel (z. B. Magnesiumpulver) zugesetzt. Der Zusatz von

Sinterhilfsmitteln hat den Vorteil, dass Gemische mit Metallpulvern (wie z. B.

Aluminiumpulver), deren Pulverteilchen durch eine Oxidschicht passiviert sind, bei niedrigeren Temperaturen gesintert werden können. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird damit durch Sinterprozesse eine Kompaktierung des Gemisches aus Metall, Treibmittel und Treibmittelvormaterialien bereits während der Reaktion der Treibmittelvormaterialien zum Treibmittel erreicht.

Weiterhin können dem Gemisch aus dem Metall und dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial Presshilfsmittel (wie Wachse und dergleichen) zugesetzt werden.

Außerdem können dem Gemisch aus dem Metall und dem metallhaltigen Treibmittelvormaterial auch Walzhilfsmittel zugesetzt werden, die die Kompaktierung und das Walzen des Gemisches aus Metall, Treibmittel und Treibmittelvormaterialien begünstigen.

Die Kompaktierung zum aufschäumbaren Halbzeug erfolgt vorzugsweise mittels eines Sinterverfahrens, eines Gussverfahrens oder eines Umformverfahrens.

Das Sinterverfahren kann gleichzeitig mit der oder anschließend an die Reaktion des nicht metallhaltigen und des metallhaltigen Treibmittelvormaterials zum Treibmittel erfolgen.

Durch das Sintern kann die Porosität des Gemischs aus Metall, Treibmittelvormaterialien und Treibmittel so weit reduziert werden, dass die Aufschäumbarkeit allein durch das Sintern erreicht wird. Eine weitere Kompaktierung ist dann nicht erforderlich ; die Kompaktierung ist bereits durch das Sintern erfolgt und das Material ist bereits aufschäumbar.

Durch das Sintern wird weiterhin eine bessere Duktilität erzielt und damit die Kompaktierbarkeit durch ein weiteres nachfolgendes Kompaktierungsverfahren erleichtert.

Die bessere Duktiliät wird einerseits durch die Volumenschwindung und die Reduktion der Porosität erreicht, andererseits durch Ansintern der Pulverteilchen, wobei eine metallische Bindung entsteht, bewirkt.

Das Gemisch aus Metall und Treibmitteln kann außerdem bei den erfindungsgemäßen

Bedingungen teilweise oder vollständig aufgeschmolzen werden, wobei es sich wiederum verdichtet und gießtechnisch z. B. auf Gießanlagen weiterverarbeitet werden kann.

Die weitere Kompaktierung mittels eines Gussverfahrens kann insbesondere durch Druckgießen, Thixogießen oder Rheogießen erzielt werden. Die Verwendung eines Gussverfahrens ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Sinterung bzw. die Reaktion von nicht metallhaltigem und metallhaltigem Treibmittelvormaterial bei sehr hohen Temperaturen erfolgt. Das Gemisch aus Metall und gebildetem Treibmittel kann aber zur Weiterverarbeitung mittels eines Gussverfahrens auch zusätzlich aufgeheizt werden. Der Umformwiderstand des Materials ist bei hohen Temperaturen stark erniedrigt und die weitere Kompaktierung begünstigt. Ist die Temperatur so hoch, dass bei der Reaktion bzw. der Sinterung flüssige Phasen auftreten, so kann das Material vergossen werden.

Die Verwendung eines Gussverfahrens hat den Vorteil, dass neben einer weiteren Kompaktierung auch eine weitere Formgebung erreicht wird, so dass komplex geformte aufschäumbare Bauteile erhältlich sind.

Die erfindungsgemäße Kompaktierung mittels eines Gussverfahren erfolgt vorteilhafter Weise gleich aus der Reaktionshitze der Reaktion zum Treibmittel bzw. des Sinterverfahrens. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Energieersparnis eintritt.

Weiterhin kann die Kompaktierung durch ein Umformverfahren erfolgen. Insbesondere ist hierbei Walzen, Pressen, oder Schmieden geeignet. Auch hier erfolgt die Kompaktierung vorteilhafterweise bei der Reaktionstemperatur des Reaktions-/Sinterprozesses.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare aufschäumbare Metallkörper kann zur Herstellung von Sandwich-Materialien verwendet werden. Hierbei wird der Metallkörper mittels eine Plattierverfahrens beschichtet. Als Deckenschichtmaterialien können beliebige Werkstoffe eingesetzt werden. Auch das Plattierverfahren ist beliebig, beispielsweise kann es durch Walzplattieren, Ziehverfahren, thermisches Spritzen, Sprengplattieren, Koextrusion, Strangpressplattieren, HIP-Plattieren und Tauchen erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine Plattierung mit Stahl-und/oder Aluminiumwerkstoffen, als Plattierverfahren

wird dann das Walzplattieren bevorzugt. Die Deckschichtmaterialien können bereits im Vorverdichtungsprozess (insbesondere bei kaltisostatischen Verfahren) in die entsprechenden Formen eingelegt werden, sofern bei der Reaktionsführung keine unerwünschten Reaktionen der Deckschichtmaterialien (z. B. mit den nicht metallhaltigen Treibmittelvormaterialien) zu erwarten sind.

Eine weitere Verwendung des nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten aufschäumbaren Metallkörpers ist die Aufschäumung zu porösen Metallkörpern durch Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Treibmittels.

Bevorzugt erfolgt diese Aufschäumung des aufschäumbaren Metallköpers unmittelbar nach der Kompaktierung, so dass keine zwischenzeitliche Abkühlung erfolgt und Energie eingespart wird. Zum Aufschäumen des Materials wird die Temperatur so weit erhöht, dass die Zersetzung des Treibmittels zu einem Aufschäumen des Materials führt. Die Temperaturerhöhung kann in der Reaktionskammer erfolgen, wo die Reaktion der beiden treibmittelhaltigen Vormaterialen bzw. der Sinterprozess stattfand, das Material kann aber auch in einen anderen Ofen, in dem dann das Aufschäumen erfolgt, umgelagert werden.

Die Ofenatmosphäre beim Aufschäumen kann insbesondere aus Luft, Edelgasen, Wasserstoff, Spaltgas, Ammoniakgas, Stickstoff, oder beliebigen Mischungen dieser Gase bestehen.

Beispiele Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend anhand mehrer Beispiele näher erläutert : Beispiel 1 : Handelsübliches Aluminiumpulver mit einer Partikelgröße <160, um wird mit 7 Gew. % Siliziumpulver, 1 Gew. % Titanpulver (metallhaltiges Treibmittelvormaterial) und 0,6 Gew. % Magnesiumpulver (Sinterhilfsmittel) vermischt und durch kaltisostatisches Pressen (CIP) zu einem quaderförmigen Walzbarren mit einer scheinbaren (integralen) Dichte von 2,1 g/cm3

verdichtet. Der kaltisostatisch vorverdichtete Barren wird bei 500°C mit reinem Wasserstoffgas (nicht metallhaltiges Treibmittelvormaterial) zur Reaktion gebracht. Bei dieser Reaktion diffundiert der Wasserstoff zu den metallhaltigen Treibmittelvormaterialien (hier den Titanpulverteilchen) im Inneren des Barrens, und reagiert dort, wobei Hydride, insbesondere Titanhydrid, entstehen. Neben der Entstehung des Treibmittels finden bei diesen Bedingungen auch Sintervorgänge statt, so dass der vorverdichtete Barren nun walzbar ist. Nach Abschluss des Sinterprozesses wird der Barren abgekühlt und dem Reaktionsofen entnommen. Zum Walzen wird der Barren auf eine Temperatur von 480°C vorgewärmt. Das Walzen erfolgt mit einer Umformung von 80%, wodurch der Barren verdichtet wird. Nach dem Walzen liegt aufschäumbares Material vor.

Beispiel 2 : Handelsübliches Aluminiumpulver mit einer Partikelgröße <160 60 tm wird mit 1 Gew. % Titanpulver (metallhaltiges Treibmittelvormaterial) und 0,6 Gew. % Magnesiumpulver (Sinterhilfsmittel) vermischt und durch kaltisostatisches Pressen (CIP) zu einem quaderförmigen Walzbarren mit einer scheinbaren (integralen) Dichte von 2, 2 g/cm3 verdichtet. Der kaltisostatisch vorverdichtete Barren wird mit wasserstoffhaltiger Atmosphäre (Schweißargon oder Formiergas) bei 550°C zur Reaktion gebracht. Bei dieser Reaktion diffundiert der Wasserstoff zu den Treibmittelvormaterialien (Titanpulverteilchen) im Inneren des Barrens und reagiert dort, wobei Hydride, insbesondere Titanhydrid, entstehen.

Nach Abschluss der Reaktion wird der Barren aus dem Ofen entnommen und ohne Zwischenabkühlung gewalzt. Das Walzen erfolgt mit einer Umformung von 80%, wodurch der Barren verdichtet wird. Nach dem Walzen liegt aufschäumbares Material vor.

Beispiel 3 :

Handelsübliches Aluminiumpulver mit einer Partikelgröße <160 , lm wird mit 7 Gew. % Siliziumpulver, 1 Gew. % Titanpulver (metallhaltiges Treibmittelvormaterial) und 0,6 Gew. % Magnesiumpulver (Sinterhilfsmittel) vermischt und durch kaltisostatisches Pressen (CIP) zu einem zylindrischen Bolzen mit einer scheinbaren (integralen) Dichte von 2,2 g/cm3 verdichtet. Der kaltisostatisch vorverdichtete Bolzen wird bei 670°C mit wasserstoffhaltiger Atmosphäre (Schweißargon oder Formiergas) zur Reaktion gebracht. Durch die Reaktion wird das Titanhydrid gebildet und die Pulverteilchen des Bolzens schmelzen auf. Der flüssige Bolzen wird in den Gießlauf einer Druckgussmaschine gelegt und vergossen. Durch den Druckgießvorgang wird das Bolzenmaterial verdichtet und gleichzeitig zu einem Bauteil geformt. Das Bauteil ist aufschäumbar.