(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を持つ金属溶湯から、ガス又はガス混合物を金属溶湯へ入れることにより、泡状金属が形成され、泡状金属が少なくとも一部鋳型へ入れられ、泡状金属の流動相が鋳型内で凝固せしめられる、成形体の製造方法において、流動可能な泡状金属が、空洞の寸法の単モード分布即ち１つの極大値を持つ分布でかつ１．０〜３０．０ｍｍの範囲にある空洞の割合に関して最大の長さで製造され、鋳型へ入れられ、鋳型内で全面に圧力を受けて圧縮され、空洞を包囲する粒子を含む金属溶湯区画壁に、少なくとも一部分平面の範囲が存在し、溶湯を凝固させるため熱が導出されることを特徴とする、軽量成形体の製造方法。
【請求項２】
空洞の大きさの単モード分布を調節するため、溶湯へ突出して入り込む供給管によりガスが入れられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
流動可能な泡状金属の圧縮が、成形体の所望の寸法に相当する内側寸法を持つ鋳型内で行われることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
粒子が含まれかつ実質的に球状又は楕円体状の多数の空洞を含む金属母材から成る泡状金属から成るものにおいて、成形体の泡状金属が、三次元的に見て１．０〜３０．０ｍｍの範囲に空洞の割合に関して最大の長さの単モード分布即ち１つの極大値を持つ分布を持ち、少なくとも一部空洞を含む区画壁が、平面の範囲を持っていることを特徴とする、泡状金属から成る軽量成形体。
【請求項５】
泡状金属を三次元的に見て、それぞれ異なる２つの空洞の最大長さの比が、少なくとも２０対についての平均で４５より小さいことを特徴とする、請求項４に記載の成形体。
【請求項６】
泡状金属を三次元的に見て、それぞれ異なる２つの空洞の最大長さの比が、少なくとも２０対についての平均で３０より小さいことを特徴とする、請求項４又は５に記載の成形体。
【請求項７】
粒子が金属母材中に均一に分布して含まれていることを特徴とする、請求項４〜６の１つに記載の成形体。
【請求項８】
互いに隣接する空洞が、金属母材により完全に互いに分離されていることを特徴とする請求項４〜７の１つに記載の成形体。
【請求項９】
金属母材が軽金属から成ることを特徴とする、請求項４〜８の１つに記載の成形体。
【請求項１０】
金属母材に含まれる粒子が１〜５０μｍの大きさを持っていることを特徴とする、請求項４〜９の１つに記載の成形体。
【請求項１１】
金属母材に非金属粒子又は金属間相から成る粒子が含まれていることを特徴とする、請求項４〜１０の１つに記載の成形体。
【請求項１２】
金属母材に含まれている粒子の容積割合が１０〜５０容積％であることを特徴とする、請求項４〜１１の１つに記載の成形体。
【請求項１３】
泡状金属の密度が１．０５ｇ／ｃｍ３より小さいことを特徴とする、請求項４〜１２の１つに記載の成形体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子を持つ金属溶湯から、ガス又はガス混合物を金属溶湯へ入れることにより、泡状金属が形成され、泡状金属が少なくとも一部鋳型へ入れられ、泡状金属の流動相が鋳型内で凝固せしめられる、軽量成形体の製造方法に関する。
【０００２】
更に本発明は、粒子が含まれかつ実質的に球状又は楕円体状の多数の空洞を含む金属母材から成る、軽量成形体にに関する。
【０００３】
泡状金属から成る成形体は、当然に小さい密度を持ち、構造により特別な機械的材料特性を持っている。例えばこのような成形体は、三次元圧縮応力を加えると、７０％以上までの圧縮度を持つ大きい変形を受ける。特別な性質を持つこれらの材料は、技術的使用において、例えば自動車技術等におけるエネルギ吸収体として有利に使用可能である。
【０００４】
特定のパラメータを持つ選ばれた機能のためにこのような成形体を使用すると、材料のそれぞれ同じ再現可能な特性の特徴を保証することが重要である。
【０００５】
【従来の技術】
欧州特許出願公告第４８３１８４号明細書から、粒子で補強される泡状金属の製造方法が公知であり、セルを形成するガスが、微細に分布した補強手段を持つ金属の溶湯へ入れられ、泡立つ金属複合材料が形成され、溶融した材料の表面からたまった泡が取去られ、凝固せしめられる。しかしこの泡状金属は、制御できない大きさ又は大きさ分布を持つ泡を持ち、その結果泡体又は成形体の最高に鈍い特性輪郭が生じ、機能技術的な不安定性が生じる。
【０００６】
別の軽量金属体は、欧州特許出願公告第５４５９５７号明細書及び米国特許第５２２１２３４号明細書によれば、１０〜５００μｍの範囲にある大きさを持つ閉じかつ分離した一般に球状の多数の小孔を持っている。直径に大きい差のあるこのように小さい小孔は、アルミニウムで形成される金属体に、中実材料に比較して小さい比重を与えることができるが、所定の条件において１．０ｇ／ｃｍ３より小さい密度及び材料の６０％以上の圧縮度は、大抵の場合得られない。
【０００７】
泡状金属から形成される種々の形状の軽量体を製造するため、順次に（米国特許第５２８１２５１号明細書、ドイツ連邦共和国特許第４３２６９８２号明細書）又は連続的に（米国特許第５３３４２３６号明細書、欧州特許出願公開第５４４２９１号明細書、ドイツ連邦共和国特許第４３２６９８２号明細書、国際出願第９１／０３５７８号明細書）に動作する多数の方法及び装置が既に提案されており、それにより全く原理的に機能する物体が製造可能であるが、その機械的特性はしばしば要求される精度では設定不可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここに本発明が救済策を提供し、軽量成形体を製造するため最初にあげた種類の方法を提供し、それにより材料が実質的に正確な機械的特性値を持つように、成形体の内部構造を構成可能にすることをねらっている。
【０００９】
更に本発明の課題は、印加される特に多次元的な圧縮応力に応じて大幅に精確な変形特性を持つ構造を有する最初にあげた種類の成形体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による目的は、流動可能な泡状金属が、空洞の寸法の単モード分布即ち１つの極大値を持つ分布でかつ１．０〜３０．０ｍｍの範囲にある空洞の割合に関して最大の長さで製造され、鋳型へ入れられ、鋳型内で実質的に全面に圧力を受けて圧縮され、空洞を包囲する粒子を含む金属溶湯区画壁に、少なくとも一部分平面の範囲が存在し、溶湯を凝固させるため熱が導出されることによって達せられる。
【００１１】
本発明により得られる利点は、実質的に、泡状金属における空洞の寸法の単モード分布が、特定の応力状態における材料特性の前提条件をもたらすことである。割合に関して最大の空洞の直径は、材料の弾性限界の高さ及び部材の圧縮応力の印加の際のがまんできる比表面荷重にとって、重要である。
【００１２】
区画壁に少なくとも一部平面の範囲を作成するために、流動可能な泡の実質的に全面の場合によっては僅かの圧縮荷重が必要であり、これから複数の利点が生じる。しかしこのように泡材料にある区画壁及びその分岐範囲が機械的支持荷重又は屈曲荷重に対して有利に設定又は形成されることが、特に重要である。それにより、所定の応力限界を超過する際、小孔の屈曲又は小孔の崩壊が、軽量体の僅かな凝固の際、大きい変形又は圧縮度により行われる。
【００１３】
泡材料における空洞の寸法の狭い範囲内で得られる単モード分布のため、及び空洞の割合に関して最大の直径の精確な設定のために、空洞の寸法の単モード分布を調節するため、溶湯へ突出して入り込む少なくとも１つの供給管によりガスが入れられると、特に有利なことがわかった。
【００１４】
製造技術的にただし製品の品質に関しても、流動可能な泡状金属の圧縮が、成形体の所望の寸法に相当する内側寸法を持つ鋳型内で行われると、有利である。
【００１５】
機械的荷重に関して特に所望の材料特性に関して本発明の別の課題は、成形体の泡状金属が、三次元的に見て１．０〜３０．０ｍｍの範囲に空洞の割合に関して最大の長さの単モード分布を持っていることによって、解決される。
【００１６】
泡状金属からこうして形成される軽量成形体の利点は、実質的に、既にはじめに述べたように、気泡の壁の分岐部構成に関して、単モード方式により有利な状態が得られることによって、根拠づけられる。空洞の大きさの２つの極大値を持つ分布即ち２モード又は多くの極大値を持つ分布即ち多モード分布では、壁分岐点に、場合によっては小さいか又は非常に小さい小孔を持つ肥厚部及び凝固収縮部が存在し、それが一方では泡体の比重を高め、それを形成するための金属費用を増大し、他方では力成分の分割を妨げることがあり、それにより荷重がかかる際の壁の屈曲が一義的には決定されない。
【００１７】
少なくとも一部空洞を含む区画壁が、平面の範囲を持っていると、圧縮力の成分の分割の際、作用機構の効果の本発明による利点が強められる。
【００１８】
更に有利なように、泡状金属を三次元的に見て、それぞれ異なる２つの空洞の最大長さの比が、少なくとも２０対についての平均で４５より小さいと、泡空洞の崩壊が始まる大幅に狭い荷重範囲が得られる。
【００１９】
その際泡状金属を三次元的に見て、それぞれ異なる２つの空洞の最大長さの比が、少なくとも２０対についての平均で３０より小さく、なるべく１５より小さく、特に５より小さいと、圧縮荷重に応じて材料の弾性変形から塑性変形への移行の精度を更に高めることができる。これらの値は、成形体における凝固収縮を考慮しない時、作成される空洞に関係している。
【００２０】
泡状金属の製造及び機械的荷重のかかる際成形体の特性にとって、流動金属及び空洞の区画壁の組成及び構成も、同様に重要である。
【００２１】
補強のため粒子が金属母材中に均一に分布して含まれていると、機械的荷重に関して母材料の高い等方性補強が与えられる。その際互いに隣接する空洞が、金属母材により完全に互いに分離されていても有利である。冷却の際機械的応力により生じることがある個々の亀裂は、圧縮荷重のかかる際作用しない。
【００２２】
金属母材が軽金属なるべくアルミニウム又はアルミニウム合金から成ると、特軽い成形体が本発明により作成可能である。
【００２３】
更に金属母材に含まれる粒子が１〜５０μｍなるべく３〜２０μｍの大きさを持っていると、特に有利な重量−特性比が得られる。
【００２４】
泡立ち及びその凝固又は屈曲に対して補強された泡分離壁の構成のための補強として、金属母材に非金属粒子なるべくＳｉＣ粒子又はＡｌ２Ｏ３粒子又は金属間相から成る粒子が含まれていると、意外に有利なことがわかった。
【００２５】
その際金属母材に含まれている粒子の容積割合が１０〜５０容積％なるべく１５〜３０容積％であると、特に有利なことがわかった。
【００２６】
泡状金属の密度が１．０５ｇ／ｃｍ３より小さく、なるべく０．７ｇ／ｃｍ３より小さいと、本発明による種類の軽量成形体の有利な重量−特性比を高めることができる。
【００２７】
材料試験の際製作された図及びダイアグラムにより本発明を更に説明する。
【００２８】
図１の（Ａ）及び（Ｂ）には、本発明によるアルミニウム成形体における空洞の構成が断面図で示されている。寸法の単モード分布では、（Ａ）の成形体に、２０〜１２ｍｍの範囲にある空洞の最大長さが確認され、割合に関して最大の長さは１７．２ｍｍであった。流動可能な泡状金属の約３．２％だけの圧縮が行われたが、空洞を包囲する区画壁の範囲に著しく平面の範囲が形成されている。
【００２９】
図２から、成形体の密度と圧縮応力との関係がわかる。開発作業の際、空洞の最大長さの単モード分布及びその増大する均一性が、関係の散乱帯へ限定的に影響する。換言すれば、泡体における空洞の単モード分布が存在し、空洞が狭い範囲に特定の大きさを持っていると、圧縮応力印加の際、変形又は崩壊の始めは、精確な物理的特性である。それにより泡部材の特性は、有利なように精確に計算可能であるか、特定の機能に対して泡部材の構成及び構造を規定することができる。
【００３０】
圧縮変形に関係する応力が、図３に３つの成形体の実験結果について比較して示されている。０．０９１ｇ／ｃｍ３及び０．１１４ｇ／ｃｍ３の密度を持つ成形体１及び２の構造は、本発明によるものであり、比較体３は、泡壁の分岐部に材料集中を持つ空洞の寸法の２モード分布を持っていた。成形体１及び２の圧縮曲線において、約７０％の圧縮度まで、成形体の極めて僅かな硬化が認められる。比較体３は、約４５％の圧縮度まで、材料の著しい硬化を示し、硬化はこの値から更に増大する。これは空洞寸法の２モード分布の硬化を示している。
【００３１】
図４は、断面図により軽量体の泡壁の分岐部形状を示している。（Ａ）には、３つの空洞の間の壁縁の鋭い分岐部構成が示されている。このような分岐部は、結合範囲における亀裂及び破壊を早期に生じる傾向がある。
（Ｂ）から、厚くされた壁分岐部がわかる。この分岐部構成は、大きい比重及び成形体の圧縮荷重印加の際力成分の不利な構成を生じる。
（Ｃ）は壁部分の分岐部を示し、壁の厚さ及び分岐部質量が、大きい圧縮変形に関して、大きい圧縮度における成形体の僅かな硬化で有利に形成されている。
【００３２】
図５には、本発明により形成される圧縮なしの泡状金属体が平面図で示され、ガスは、泡に対する異なる分離パラメータで、溶湯へ突出して入り込む供給管により入れられた。気泡のそれぞれの寸法の単モード分布がわかる。（Ａ）による金属体は０．１ｇ／ｃｍ３の比重を持ち、（Ｂ）及び（Ｃ）による金属体は０．２ｇ／ｃｍ３及び０．４ｇ／ｃｍ３の比重を持っている。
【００３３】
計算機断層撮影データ組が、局部密度の値の計算（密度マツピング）のために使用可能である。局部密度を計算するための平均化プロセスは、平均化容積の間の材料分布を確認するのを可能にする。検査の計算された密度値のダイヤグラムは軽量成形体の均質性についての解明を与えることができる。
【００３４】
図６から、計算機断層法により求められた、本発明による成形体１及び比較体２における平均局部密度の相対頻度がわかる。成形体１の平均局部密度は、約０．２２ｇ／ｃｍ３において、狭い頻度最大値を持ち、これが空洞の寸法の単モード分布及び空洞の割合に関して最大長さの狭い範囲を示している。これに反し多モード比較体２は、平均局部密度値の著しい落ち込みを持つ幅広い経過により特徴づけられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による軽量成形体の断面図を示す。
【図２】成形体の密度と圧縮応力との関係のグラフを示す。
【図３】成形体の圧縮応力との関係のグラフを示す。
【図４】泡壁の分岐部形状の３つの断面図を示す。
【図５】異なる容積密度を持つ泡体の３つの平面図を示す。
【図６】本発明による泡体及び比泡体の平均局部密度のグラフを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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