Lightweight member, and method and apparatus for producing the same

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、軽量部材に関する。 更に本発明は軽量部材の製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量部材は、一般に意図した使用目的のため、例えば要求される機械的性質及び場合によっては振動減衰特性を満たしかつ同時に小さい重量を持つ構造部品又は機械部品の支持機能又は保持機能のために用いられる。 もっと詳しく説明すると、軽量部材は、部材の負荷の際すべての範囲にできるだけ同じ大きさの機械的比材料応力が存在するような質量分布又は材料分布を持っている。 変形の際大きいエネルギ吸収を示すいわゆる衝突部材としても、少なくとも軽金属又は軽金属合金から成りかつ鋳造により有利に製造される軽量部材を使用することができる。
【０００３】
原理的に軽量部材は薄い壁をもつ中空体として構成され、これらの壁は、場合によってはその僅か及び／又は早すぎる曲げ込み又は膨らみに対して補強することができる。 部分壁を補強するため、これらの部分壁は、主負荷方向に対して直角に湾曲して又は波形に構成されることができるが、その砂中子の製造の際鋳片部分の複雑な内部形状を必要とし、鋳造後これらの鋳片部分を費用のかかるやり方で空所から除去せねばならない。
【０００４】
例えば空所の円筒状又は長方形の断面形状を持つ簡単な中空体の製造のため、鋳造される軽量部材を製造するための再使用可能な金属中子を使用することができるが、このように形状によりしばしば厚くなる壁範囲は、大きい部分重量を甘受せねばならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて本発明の基礎になっている課題は、薄い支持外壁を持ち、壁を支持する芯を持ち、少ない重量を持つ軽量部材を提示することである。
【０００６】
本発明の目的は、場合によっては変形の際減衰手段及び／又はエネルギ吸収手段として作用することができる支持手段を支持壁内で軽量部材となるように形成できる方法を提供することである。
【０００７】
最後に本発明は、最初にあげた対象物の製造装置をねらっている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも一部分閉じられている金属の外壁体と、金属泡から溶融冶金的に形成される内部範囲とから成り、内部範囲が芯部分として、少なくとも外壁体との接触範囲において、密な芯表面層及びこれに金属結合される泡立った芯内部部分により構成され、芯表面層へのかみ合い及び／又は金属結合部を持つ実質的に気孔なしの鋳造金属層が、外壁体として芯部分を包囲している軽量部材によって、この課題を解決する。
【０００９】
本発明により得られる利点は、大体において、軽量部材が互いに面で結合されている２つの部分から製造され、それによりこれらの部分が容易に構成可能であり、芯部分が外壁体とは無関係に構成可能なことである。
【００１０】
芯部分の冶金的に製造される金属泡は、芯表面層へ金属結合し、それにより芯表面層は高度の安定性を持ち、大きい支持力を吸収することができる。 この理由から小さい厚さを持つ外壁体を大きく負荷可能に形成することが有利に可能で、それにより僅かな部材重量が得られる。
【００１１】
１つの部分から成る成形体を金属泡特にアルミニウム泡から製造することは、国際公開第ＷＯ０１／６２４１６号から公知になっている。 ここでは鋳型が泡立ち可能な溶湯へ没入されて溶湯を満たされ、それから鋳型内の溶湯へ、上昇する気泡により泡が入れられる。 しかし鋳型壁に接するそれぞれの泡の壁範囲により形成される成形体表面は薄く、その質は明らかに圧力に左右される。 鋳型へ泡を満たす際鋳型の持ち上げは、従って成形体の表面品質に有利な影響を及ぼす。 しかしこうして製造される発泡体は、その表面が薄い気泡壁のため特に大きい気泡の場合僅かしか負荷できず、成形体壁及び気泡を包囲する壁が同じ性質を持つ同じ材料から形成されている、という欠点を持っている。 異なる組成を持つ溶湯への成形体の鋳込みは、明らかに有利には実施できない。 なぜならば、気泡壁又は特に成形体の表面における大きい気泡の制御できない侵入及び衰弱が起こり、それにより部分重量が予見できないように影響を受けるからである。
【００１２】
本発明によれば、外壁体の材料及び芯部分の材料が、互いに異なる化学的組成及び／又は異なる金属組織を持ち、なるべくそれぞれ軽金属又は軽金属合金から形成されていると、特に有利である。 こうして部分の異なる応力を考慮することが可能である。 例えば硬いかつ／又はもろい粒子を持つ材料の泡から成る内部範囲で芯部分全体を形成することができ、所望の性質及び軽量部材への要求に応じて、軟らかい金属又は粒子のない基質材料から外壁体を形成することができる。
【００１３】
本発明の有利な構成において、外壁体が粘性又は靭性の合金から形成され、芯部分が金属基質中にセラミック粒子を持つ材料から形成されていると、特に大きい動的負荷を、良好な減衰作用で軽量部材により吸収又は伝達することができる。
【００１４】
泡立った芯内部部分の気泡が、狭い大きさ範囲内で充分単モードな大きさ分布を持っていると、特に小面積の負荷の際又は縁範囲において、芯表面層の支持作用を更に高めることができる。 その際芯表面層が少なくとも０．３ｍｍただし最高２．９ｍｍの平均厚さを持っていると、高度に有利である。
【００１５】
本発明の経済的に有利な構成において、外壁体が、機械又は支持部品に部材を取付け及び／又は案内するための特殊形状部を持ち、場合によっては実質的に同じか又はなるべく部分的に異なる厚さを持ち、部材の負荷の際実質的に同じ機械的応力がこの部材に存在するように、外壁体の厚さが形成されているように考慮することができる。
【００１６】
こうして簡単に、場合によっては異なるように負荷される複雑な機械要素又は特に僅かな重量を持つ構造要素として軽量部材を形成でき、これらの要素において取付け手段用の穴だけを設ければよい。
【００１７】
本発明の目的は、少なくとも一部分閉じられている金属の外壁体と金属泡から成る内部範囲とを持つ軽量部材の製造方法において、第１段階で溶融冶金的に、芯表面層及びこれを満たしてこれと金属結合される泡立った芯内部部分により、芯部分が製造され、それから第２の段階で芯部分が鋳型内に位置ぎめされ、この鋳型が溶湯を注入され、この溶湯が外壁体を形成しながら凝固せしめられ、こうして芯表面層と外壁体とのかみ合い及び／又は金属結合部が形成されることによって達せられる。
【００１８】
本発明による方法の利点は、特に、芯部分と外壁体が別個の方法段階で製造され、従って互いに無関係に寸法設定できることである。 今や芯表面層は周辺の泡の壁と金属結合されるので、特に軽量であるが圧縮に耐える芯体又は芯部分が形成され、その際外壁体とは別個の製造が、寸法に関して実質的に自由な形成を可能にする。 それから行われる芯部分の注入は、異なる壁厚で行うことができるので、軽量部材の高い負荷を受ける個所で、簡単にその外壁を補強することができる。
【００１９】
芯部分が、場合によっては高められた強度を持つ泡立ち可能な金属又は泡立ち可能な金属合金から成り、外壁体が、芯部分とは異なる金属材料なるべく粘性又は靭性軽金属合金から形成されると、軽量部材の負荷可能性と重量との特に有利な関係が得られる。
【００２０】
本発明による方法では、第１の芯製造方法段階において、供給開口及び垂直方向において最高範囲にある少なくとも１つの小形開口を持つ鋳型が、泡立ち可能な合金の液相温度より下の温度にされかつ／又はこの温度のままにされ、この合金の溶湯へ一方の側で入り込む管状又は漏斗状の場合によっては加熱可能な注入又は充填片と、他方の側で溶融金属の漏れないように結合され、その後に鋳型から空気の押出し又は排出が、鋳型の最高範囲にある小形開口まで供給開口を通して溶湯のメニスカス又は溶融金属面の上方へ向く運動により行われ、かつ所望の厚さを持つ凝固した密な芯表面層の形成が鋳型の全内表面範囲で行われ、中心の溶融金属部分が、金属泡となるように一緒に導入される気泡の供給により、鋳型へ押込まれ、システムからの適当な熱除去により、複合芯部分を形成しながら発泡した芯内部部分の凝固が行われることが、有利かつ重要である。
【００２１】
簡単に例えば加熱により金属溶湯の凝固を防止可能な注入又は充填片により、鋳型の内部空間へ溶湯が入れられ、その際空気が押出される。 今や本発明により鋳型が泡立ち可能な合金の液相温度より下の温度を持っているので、鋳型の内壁及び小形開口において溶融金属が凝固して、密な表面層を構成する。 その際層の形成は、時間、鋳型温度及び溶湯温度に関係し、これらのパラメータの調整により芯表面層の厚さを容易に制御又は設定することができる。 例えば合金の液相温度の範囲にある鋳型の高すぎる温度は、間隙及び空気排出口からの溶融金属の流出、及び／又はこれらの個所における気泡の衰弱の原因となり、少なくとも芯部分の表面品質特にその負荷可能性に不利な影響を及ぼすことがある。
【００２２】
意図した層形成が行われた後、鋳型の内部空間への気泡の供給が行われ、これらの気泡が金属泡を形成する。 その際外側気泡の金属の壁範囲は、凝固した芯表面層に接し、鋳型を介して更に熱を除去することにより、金属泡が凝固せしめられる。
【００２３】
特に複雑な芯部分の形成のために有利に、鋳型が、ガスを通す通過間隙を持つ複数の部分から形成され、供給開口が注入又は充填片に結合され、その際上昇して間隙及び小形開口へ侵入しかつその際凝固する溶湯により、密閉効果が得られ、連続する芯表面層が製造されるようにすることができる。
【００２４】
金属泡の安定性を高めるか、又は気泡の衰弱を回避するため、芯表面層にある溶融金属を押しやる気泡が、溶湯における実質的に同じ大きさで、粒子含有量特にＳｉＣ含有量に関係して、鋳型の供給開口から少なくとも２０ｍｍ又はそれ以上離れて、形成されかつ上昇せしめられると、有利である。
【００２５】
金属の外壁体がダイキャスト法で製造され、芯表面層の厚さが芯内部部分の気泡の大きさ、溶融金属圧力及びダイキャスト法における鋳造温度に関係して製造されると、軽量部材の経済的な製造で軽量部材の改善された使用特性が得られる。
【００２６】
少なくとも一部閉じられている金属の外壁体及び金属泡から成る内部範囲を持つ軽量部材を製造する装置を提供する本発明の目的は、芯製造装置及び外壁ダイキャスト装置から成っていることによって達成される。
【００２７】
この装置により得られる利点は、大体において、芯製造装置と外壁体製造手段の別個の使用可能性にある。 それにより互いに無関係に簡単に、芯部分及び外壁体を、所望の寸法又は局部的に考慮される壁厚及び特殊形状部で製造するための前提条件が与えられる。
【００２８】
その際有利に意図されるように、芯製造装置が、実質的に、底側の供給開口及び垂直方向において最高の鋳型範囲にある少なくとも１つの排出開口を持つ鋳型、鋳型の供給開口用の閉鎖手段、密閉可能でかつ圧力を印加可能で溶湯へ片側で入り込む注入又は充填片を持つ溶湯容器内の溶湯、及び金属泡を形成するガス用吹込み手段から形成されていると、本発明により、芯を僅かな時間で高品質に経済的に製造する可能性が与えられる。
【００２９】
鋳型が複数の部分から形成され、ガスを通す通過間隙を持ち、閉鎖手段にこれに対して移動可能に結合されるか、又は場合によっては加熱可能な注入又は充填片に溶湯漏れなし結合されていると、更に製造技術上有利である。 前述したように、低い鋳型温度のため、通過間隙はまず所望のようにガスを通し、続いて所望のようにそこで凝固する溶湯により密閉される。
【００３０】
なるべく公知のように溶湯容器の壁の底側で注入又は充填片の下に、溶湯内へ突出するノズル部分を持つ吹込み手段としてのガス導入手段が設けられていると、気泡の充分同じ大きさを持ちかつ芯表面層の最良の支持作用を持つ金属泡が形成される。
【００３１】
溶湯が、注入又は充填片の内部範囲にあるそのメニスカスを、溶湯面へ作用するガス圧力により、鋳型の内部空間へ入れることができると、制御可能な速度で監視可能な供給のために有利である。
【００３２】
外壁ダイキャスト装置が、芯部分を保持しかつ位置ぎめするため、締付け手段を持ち、この締付手段が、別の壁鋳型部分と一緒にされてダイヤキャスト型を形成し、溶湯供給手段例えば注入金属供給部用ノズルをダイヤキャスト型へ当てることができると、外壁体のすべての個所における壁厚が特に精確に維持可能である。 異なる実施形態では、この締付け又は位置ぎめ手段を公知の芯マークとして構成することもできる。
【００３３】
場合によっては外壁体の種々の位置で異なる厚さを持つ軽量部材は、変形エネルギ吸収のため大きい能力を持つ部材としても、最も効率的に使用可能である。 これらの部材は、その変形開始が所望のように圧縮力及び圧縮力の方向に関係して行われるように、構成することができる。
【００３４】
前述したように所望の厚さの芯表面層を持つ芯部分が製造可能なので、本発明によれば、変形エネルギを吸収するための大きい能力を持つ物体としてこのような芯部分を使用することも可能である。
【００３５】
実施手段のみを示す本発明の実施例が図面に示されており、以下に説明される。
【００３６】
【実施例】
図において使用される符号を持つリストが以下にまとめられている。
１ 軽量部材１０ 芯部分１２ 外壁体１３ 内部範囲１４ 芯表面層１５ 芯内部部分１６，１６′，１６″，１６″′ 外壁体の特殊形状部１７ 締付け範囲２ 芯製造装置２１ 鋳型２１，２１′，２１″ 鋳型部分２１１ 鋳型供給開口２１２ 排出開口２１３，２１３′ 通過間隙２１４ 閉鎖手段２２ 泡立ち可能な溶融金属２２１ メニスカス２２２ 溶湯面２３ 溶融容器２３１ 充填片２４ ガス導入手段２４１ ノズル部分３ 外壁ダイキャスト装置３１，３１′ 芯締付け手段３２ ダイキャスト型３２，３２″ 壁鋳型部分３３ ノズル４ ダイキャスト金属供給部【００３７】
図１には、芯部分１０及び厚さＤの外壁体１２を持つ軽量部材１が概略的に示されている。 芯部分１０は、外壁体１２に面して、密な閉じられた芯表面範囲１４を持ち、金属泡から形成される芯内部部分１５を持つ内部範囲１３及び締付け範囲１７を持っている。 外壁体１２は、部材保持又は部材案内のために用いることができる特殊形状部１６，１６′，１６″，１６″′を備えている。
【００３８】
図２〜５は芯部分製造を概略図で示している。
図２には、供給開口２１１を持つ鋳型２１の組立てが示され、側方部分としての鋳型部分２１，２１′は方向Ｘ又はＸ′に、またガス排出開口２１２を持つ鋳型頭部２１″′は方向Ｙ′に一緒にされて、互いに締付けられることができる。
【００３９】
図３は、鋳型２１及びこれに結合される溶湯容器２３を持つ芯製造装置２を示している。 溶湯容器２３は、片側で溶湯２２へ入り込む加熱可能な漏斗状充填片２３１を持っている。 他方の側で充填片２３１は閉錠手段２１４又は鋳型２１に結合されている。 充填片２３１の垂直方向で溶湯容器２３の底に、金属泡形成用ノズル部分２４１を持つガス導入手段２４が取付けられている。 しかしガス導入手段２４を直接溶湯２２内に位置させることも可能である。
【００４０】
芯部分１０の製造の際、例えば閉じられた溶湯容器２３内の溶湯面２２２へガス圧力を印加することにより、充填片２３１の内部にある溶湯２２のメニスカス２２１が、鋳型２１の供給開口２１１を通って上方へ運ばれる。 メニスカス２２１の上昇の際、空気が鋳型２１から通過間隙２１３，２１３′及び小形排出開口２１２を通って逃げ、その際鋳型２１の低い温度のため、溶湯は間隙２１３，２１３′及び排出開口２１２内で凝固し、密な芯表面層１４を形成する。 ノズル部分２４１による次のガス導入が、泡立ち可能な溶湯内に、安定で実質的に同じ大きさの気泡を形成し、これらの気泡が上昇して、芯表面層１４内に金属泡を形成し、鋳型２１の冷却のため凝固して、芯部分１０を形成する。 金属泡の完全な凝固の前に鋳型２１を運ぶことができるようにするため、図４に示すように、閉鎖手段２１４がその供給開口２１１を密閉する。
【００４１】
図５は芯部分１０からの鋳型部分除去を示している。
芯部分１０（図６）は、図７〜９に示すように、ダイキャスト装置３において外壁体１２を設けられる。
【００４２】
図７からわかるように、芯部分１０は例えば芯締付け手段３１，３１により保持され、壁鋳型部分３２，３２′が方向Ｘ，Ｙ′及びＹにダイキャスト型３２となるように互いに寄せ合わされる。 残っている鋳造間隙は、例えばノズル３３の接続後、図８に示すように、供給される金属４でダイキャスト法で満たされ、こうして芯部分１０を包囲する外壁体１２が製造され、軽量部材１が完成される。
【００４３】
図９は軽量部材１から鋳型部分の取外しを示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】軽量部材を示す。
【図２】心部分の鋳型を示す。
【図３】鋳造装置に結合された鋳型を示す。
【図４】鋳型内の芯部分を示す。
【図５】鋳型部分を取外した際の芯部分を示す。
【図６】芯部分を示す。
【図７】保持されている芯部分を示す。
【図８】外壁部分を取外した際の軽量部材を示す。
【図９】鋳型部分を取外した際の軽量部材を示す。
【符号の説明】
１ 軽量部材１０ 芯部分１２ 外壁体１３ 内部範囲１４ 芯表面層１５ 芯内部部分