als

Präparation von
Metallschaum
R. Neugebauer, K. Kreyßig, U. Wagner
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
1. Einleitung
Metallschaum ist ein Leichtbauwerkstoff
der Zukunft. Seine Dichte beträgt einen
Bruchteil derer von massiven Metallen,
dabei ist die Festigkeit von Metallschaum
ausreichend für diverse Anwendungen in
der Automobilindustrie, dem Maschinenbau und der Verfahrenstechnik. Schäume
sind pulvermetallurgisch, schmelzmetallurgisch und mittels Abscheidetechnik
herstellbar. Besondere Eigenschaften sind
die Wärme- und Schallisolierung, das
Stoßabsorptionsvermögen, die Feuer- und
Hitzebeständigkeit, sowie die Recyclierbarkeit. Von Vorteil bei Aluminiumschäumen
ist das günstige Verhältnis zwischen
Masse und Steifigkeit. Da keine allgemeingültigen Kennwerte und quantifizierbaren
Erfahrungen zur Bearbeitung geschäumter
Metalle bekannt sind, ist es ein Anliegen,
das Werkstoffverhalten und die Bearbeitungseigenschaften der Metallschäume zu
ermitteln. Aus diesem Grund wurden Untersuchungen unter Zug-, Druck-, und Biegebeanspruchung durchgeführt. Desweiteren
wurden die umformende und spanende
Bearbeitung ausgewählter Schaumproben
getestet.
Im folgenden Beitrag soll auf die Besonderheiten der Präparation von Aluminiumschaum hingewiesen werden. Die Vorgehensweisen und die angewendeten Verfahren werden erläutert. Schliffbilder von
Druckproben sollen einen Einblick über die
Verformung und die Porenstruktur geben.
2. Zielstellung
Auf Grund der Inhomogenität der Porenstruktur war die Präparation der Schaumproben in verschiedenen Stauchungsgraden auf herkömmliche Weise nicht
möglich. An Hand zahlreicher Vorversuche
durch Verwendung vorhandener Einbettmaterialien, sowie verschiedener Vorgehensweisen konnte kein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden. Durch die
verzweigte Struktur der Schaumproben
war eine gleichmäßige Verteilung des
Einbettmittels nicht gegeben. Im Laufe des
Aushärteprozesses kam es zu Hohlräumen,
die nach dem Schleifen der Probe in
Erscheinung traten und so keine einwandfreie Präparation zuließen. Es mußte eine
Lösung gefunden werden, die Luft aus den
Hohlräumen zu evakuieren, um so alle
Abb. 1: gestauchter Aluminiumschaum
Abb. 2: getrennte Stauchproben
Poren der Probe mit einem geeigneten
Einbettmittel zu schließen.
3. Vorbereitung der Proben
Die in Abb. 1 dargestellten Aluminiumproben wurden in Druckversuchen bis zu
einem Grad von 15%, 30% und 45% gestaucht. In diesem Fall handelte es sich
um Al 99,5 mit einer Ausgangsdichte von
0,47 g/cm3 und Ausgangsmaßen von Ø 25
x 50 mm. Zunächst wurden diese Stauchproben in der Mitte getrennt. Mittels Trenneinrichtung Struers Labotom und der
Trennscheibe 33TRE, konnte ein einwandfreier Schnitt erzeugt werden. Abb. 2 zeigt,
daß die Struktur der Poren unbeschädigt
blieb. Um Verunreinigungen und Späne im
Inneren der Proben zu entfernen, wurden
diese über einem längeren Zeitraum in der
5% Tickopur R30 Lösung im Ultraschallbad Sonorex gereinigt. Der anschließende
Trocknungsvorgang war auf Grund der
verzweigten Hohlräume sehr langwierig.
4. Vakuumeinbettung
Zur Anwendung kam das Struers Vakuumimprägniergerät Epovac (Abb. 3). Beim
Einbetten poröser Proben ist es entscheidend, daß die Poren des geschäumten
Materials völlig luftleer sind. Dies kann nur
unter Vakuum erreicht werden. Dazu wurden die Proben im Vakuumimprägniergerät
bei möglichst niedrigem Unterdruck völlig
evakuiert. Durch Öffnen des Verbindungsschlauches zum Einbettmittel konnte das
Einfüllen beginnen. Um ein optimales
Ergebnis zu erzielen, mußte die Viskosität
des Einbettmittels so gering wie möglich
sein und die Aushärtung sehr langsam
erfolgen. In diesem Fall kam das Kalteinbettmittel Struers SpeciFix-20 zur Anwendung. SpeciFix-20 ist ein langsam aushärtendes, durchsichtiges Epoxidharz mit
verschwindend kleiner Schrumpfung. Ein
weiterer Vorteil ist die Aushärtung bei
Raumtemperatur.
Die Einbettformen mit Probe wurden mit
einem Überschuß an SpeziFix gefüllt.
Danach konnte der Druck sehr langsam
erhöht werden, so daß die Proben das
Epoxidharz aufsaugten. Dieser Zustand
wurde einige Zeit konstant gehalten und
anschließend erneut evakuiert. Durch
aufsteigende Restbläschen konnte man
deutlich erkennen, wie sich das Epoxidharz in allen Poren verteilte. Sollte sich
durch das Füllen der Poren der Überschuß
an Einbettmittel verringert haben, mußte
unbedingt mittels Schlauchverbindung
SpeciFix nachgefüllt werden. Der Vorgang
des Evakuieren wurde mehrfach wiederholt, bis sich die Proben vollgesaugt hatten. Das beste Ergebnis wurde erreicht, als
das Einbettmittel völlig in die Poren eingedrungen war, bevor die Viskosität der Flüssigkeit auf Grund der Polymerisation stieg.
Da SpeciFix-20 eine Aushärtungszeit von
ca. 8 Stunden hat, blieben die Proben bis
zur Aushärtung im Gerät. Danach wurden
die Einbettungen aus der Form entnommen und weiter bearbeitet.
Abb. 3: Struers Vakuumimprägniergerät Epovac
3
Abb. 4: Mangelhafte Präparation, 35-fach
Abb. 5: Stauchungsgrad 15%, 35-fach
deutlich, daß durch die offenen Poren
keine Randschärfe der Aluminiumprobe
erreicht werden konnte. Desweiteren trat in
der Trocknungsphase Wasser aus den
Poren, welches zu unvermeidbaren Rändern führte. Diese Proben wurden erneut
unter Vakuum mit SpeciFix-20 ausgefüllt,
geschliffen und poliert, bis ein gutes
Ergebnis erreicht wurde.
6. Mikroskopische Darstellung
Zum Einsatz kam das Auflichtmikroskop
Epihot-TME von Nikon, welches mit einer
Videokamera und der dazugehörigen Aufnahmetechnik versehen ist.
Abb. 6: Stauchungsgrad 30%, 35-fach
Um einen Gesamteindruck der Proben zu
gewinnen, wurde eine 35-fache Vergrößerung gewählt. In den Schliffbildern 5, 6 und
7 sind die drei untersuchten Druckproben
dargestellt.
Die unterschiedliche Dichte des Aluminiums und die Größe der Poren ist deutlich
erkennbar. Bei Stauchungsgrad 15% ist
die Aluminiumstruktur relativ unbeschädigt,
wobei das Aluminium in den Stauchungsgraden 30% und 45% stark verdichtet ist
und dadurch die Poren reduziert werden.
In dem verdichteten Metallschaum traten
vereinzelt Risse auf.
7. Bewertung und Zusammenfassung
Die Abb. 8 gibt einen Gesamtüberblick
über den Ablauf der Präparation. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß
eine gute metallographische Präparation
von Aluminiumschaum erzielt wurde. Es ist
deutlich der Unterschied der Beanspruchung an Hand der Porenstruktur zu erkennen und dargestellt. Die Proben weisen
eine lokal ungleichmäßige Porosität auf,
die Änderung der Dichte ist abhängig vom
jeweiligen Verformungsgrad. Um einen
einheitlichen Probenschliff und gute Randschärfe zu erhalten, war es wichtig, die
Luft aus den Poren zu evakuieren, um ein
gleichmäßiges Verteilen des Einbettmittels
zu gewährleisten. Durch das Vakuumeinbettverfahren und die Wahl des richtigen
Einbettmittels konnte ein gutes Schliffbild
erzeugt werden.
Abb. 7: Stauchungsgrad 45 %, 35-fach
5. Schleifen und Polieren
Zur Anwendung kam die übliche Präparationsmethode für Aluminium. Mit dem vorhandenen Schleif- und Poliergerät Struers
Rotopol-2 und dem automatischen Polierkopf Pedemat wurden die Schaumproben
mit SiC-Naßschleifpapier von Körnung 80
bis 4000 geschliffen. Die anschließende
Polierung erfolgte mit dem gleichen Gerät,
hier wurde das Poliertuch DP-Mol mit
3 µm Diamantspray und Lubrikant rot verwendet. Mit dem Poliertuch OP-Chem und
OP-S für Feinstpolitur wurden die Proben
auf Hochglanz gebracht.
Die mikroskopische Betrachtung zeigte,
daß bei einigen Proben kleine Öffnungen
zum Vorschein kamen. Ursache hierfür
konnte sein, daß bei diesen Proben nicht
die gesamte Luft aus den Hohlräumen
evakuiert wurde. Mit bloßem Auge waren
diese Öffnungen nicht sichtbar und konnten erst nach dem letzten Polierschritt
beobachtet werden. Die Abb. 4 zeigt
Abb. 8: Präparationsablauf
4

Download Report