Die Erfindung betrifft einen Aluminiumkompositwerkstoff mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften und hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Aus dem Stand der Technik sind Aluminiumwerkstoffe aus Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie mit verschiedenen Zusätzen bekannt.

Insbesondere ist es bekannt, Aluminium zu Aluminiumblöcken zu gießen und hieraus beispielsweise Drähte zu ziehen oder Profile, beispielsweise als Strangpressprofile zu pressen. Reines Aluminium ist sehr weich und muss daher zur Erzielung der in der Regel gewünschten mechanischen Eigenschaften mit weiteren Stoffen wie insbesondere Silizium, Mangan oder Magnesium legiert werden. Nachteilig sind hierbei die hohen Kosten einiger Legierungselemente sowie die begrenzte Verfügbarkeit einiger der Legierungselemente sowie der kostenseitige und technische Aufwand für die Herstellung solcher Legierungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen aluminiumbasierten Werkstoff mit vorteilhaften mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufzuzeigen, der kostengünstig und unter Verzicht auf schwer verfügbare Legierungselemente herstellbar ist.

Die Aufgabe wird in Bezug auf den Aluminiumkompositwerkstoff durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs durch die in Patentanspruch 7 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Aluminiumkompositwerkstoff wird insbesondere durch eine aluminiummetallische Phase und eine aluminiumoxidische Phase gebildet. Das Zusammenwirken dieser beiden Phasen ist maßgeblich für die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoffs.

Die aluminiummetallische Phase wird vorzugsweise durch Aluminium ohne Zusätze von Legierungselementen gebildet. Bevorzugt handelt es sich um 99,5 % - Aluminium, nachfolgend auch Reinaluminium genannt. Solches Reinaluminium ist das marktüblich verfügbare Basismaterial für Aluminiumlegierungen.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird als aluminiummetallische Phase ferner auch ein Aluminium mit einem höheren Anteil an Begleitelementen oder auch eine Aluminiumlegierung mit Legierungselementen wie beispielsweise Silizium, Magnesium, Mangan, Kuper und Zink verstanden.

Nachfolgend werden zur Vereinfachung sowohl ein Reinaluminium, ein Aluminium mit einem höheren Anteil an Begleitelementen als auch Aluminiumlegierung zusammengefasst als Aluminium bezeichnet, sofern nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Aluminiumkompositwerkstoff ist insbesondere durch eine aluminiumoxidische Phase gekennzeichnet.

Die aluminiumoxidische Phase wird erfindungsgemäß durch Aluminiumoxid-Partikel gebildet. Hierbei handelt es sich insbesondere um Partikel mit einem überwiegenden Anteil aus AI2O3.

Die Aluminiumoxid-Partikel sind nicht homogen über das Volumen des Aluminiumkompositwerkstoffs verteilt, sondern weisen Bereiche einer höheren Konzentration auf, die somit eine Stützstruktur ausbilden. Als Stützstruktur werden linienförmige oder vorzugsweise flächige Zonen verstanden, in denen eine höhere Konzentration an Aluminiumoxid-Partikeln vorliegt als in anderen Zonen. Die Aluminiumoxid-Partikel weisen eine hohe Festigkeit auf und sind in dem Metallgitter des Aluminiums eingebettet. Durch ihre bevorzugt im Mikrometerbereich liegende Größe schaffen sie Körper höherer Festigkeit in dem umgebenden Metallgitter, die einer Verformung entgegenwirken und so die Festigkeit des Aluminiumkorn positwerkstoffs gegenüber einem Aluminium ohne eine aluminiumoxidische Phase erhöhen. Dies wird zusätzlich unterstützt durch die relative Nähe der Aluminiumoxid-Partikel in den Bereichen höherer Konzentration zueinander. Hierdurch sind die Aluminiumoxid-Partikel als makroskopische Körper hoher Festigkeit in dem Aluminium, das insoweit ein Matrix-Material bildet, eingebaut. Die Aluminiumoxid- Partikel bilden somit keine geschlossenen Bereiche. Vielmehr durchdringt das Metallgitter des Aluminiums die Zwischenräume zwischen den Aluminiumpartikeln ohne festigkeitsnotwendige Gitterdefekte. Die Erhöhung der Festigkeit beruht damit vorteilhaft nicht primär auf einer Mischkristallverfestigung, sondern vor allem auf den mechanischen Eigenschaften der Aluminiumoxid-Partikel in ihrer gegenseitigen Abstützung.

Obwohl Aluminiumoxid eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, wird mit dem erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoff als besonderer Vorteil ein Werkstoff bereitgestellt, dessen Leitfähigkeit gegenüber dem Reinaluminium nur geringfügig reduziert ist. Es wurde gefunden dass sowohl durch das Belassen von Zonen mit geringer Konzentration von Aluminiumoxid-Partikeln als auch durch die Einbettung der Aluminiumoxid-Partikel in dem Metallgitter des Aluminiums im Bereich der Stützstrukturen die Metallgitterstruktur nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Somit weist der Aluminiumkompositwerkstoff bei gleichzeitig höher Festigkeit eine sehr hohe Leitfähigkeit auf, wie sie bei Aluminiumlegierungen vergleichbarer Festigkeit nicht erreicht wird. Der Aluminiumkompositwerkstoff eignet sich somit vorteilhaft insbesondere zur Bereitstellung von Leiterdrähten. Besonders bevorzugt können so bereitgestellte Leiterdrähte im Automotive- oder Luftfahrtbereich Verwendung finden, da sie neben den vorteilhaften elektrischen und mechanischen Eigenschaften auch ein geringes Gewicht aufweisen. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität ist deren Einsatz besonders vorteilhaft. Als weiterer Vorteil ist der Aluminiumkompositwerkstoff sowohl chemisch sehr stabil als auch sehr temperaturstabil. Auch bei Temperaturen von mehr als 300 Grad Celsius bleibt die Festigkeit im Wesentlichen erhalten.

Vorteilhaft ist auch die sehr einfache Herstellbarkeit, wobei hierzu auf die Beschreibungsinhalte zu dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwiesen wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass für die Herstellung keine teuren und teilweise nur sehr beschränkt verfügbaren Legierungselemente benötigt werden.

In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur als Flächenzonen ausgebildet ist, die als Wände Raumzonen umgeben, wobei die Flächenzonen einen höheren Masseanteil an Aluminiumoxid-Partikeln aufweisen als die Raumzonen.

Die Flächenzonen können hierbei ähnlich einer räumlichen Wabenstruktur in der Art von Wandungen ausgebildet sein. Die Flächen umgeben dabei vorzugsweise Bereiche, in denen in dem Aluminium keine oder lediglich in geringen Mengen Alu- miniumoxid-Partikel eingebettet sind. Flächenzonen und Raumzonen unterscheiden sich im Sinne dieser Weiterbildung definitionsgemäß dadurch, dass die Flächenzonen einen höheren Masseanteil an Aluminiumoxid-Partikeln aufweisen als die Raumzonen. Vorzugsweise beträgt der Masseanteil in den Flächenzonen mindestens das Zehnfache des Masseanteils in den Raumzonen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase einen Masseanteil von 0,1 % bis 3 % aufweist. Die Masseangabe gemäß dieser Weiterbildung bezieht sich auf die Gesamtmasse ohne eine Differenzierung nach Zonen höherer und geringerer Konzentration, wie beispielsweise Flächenzonen und Raumzonen.

Es wurde gefunden, dass bei einem solchen Masseanteil einerseits eine signifikante Erhöhung der Bruchdehnung und der Festigkeit erreicht werden kann, und andererseits die elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem Aluminium oder Reinaluminium nur geringfügig reduziert ist.

Beispielsweise wurde bei einem mit dem erfindungsgemäße Aluminiumkomposit- werkstoff hergestellten Draht mit einem Durchmesser von ca. 1 mm eine Bruchdehnung von 15,4 % und eine Zugfestigkeit von 151 Pa erreicht. Als Ausgangsmaterial wurde hierbei Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,7% verwandt.

Als Vergleichswert liegt bei einem Draht dieses Durchmessers, ebenfalls auf der Basis von Aluminium von 99,7 % Reinheitsgrad, nach EN AW-1070A bei einem Werkstoffzustand H18 eine typische Bruchdehnung von 3 % und eine typische Zugfestigkeit von 125 Pa vor.

Nach einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerk- stoff dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase in den Flächenzonen einen Masseanteil von 10 % bis 90 % und in den Raumzonen einen Masseanteil von weniger als 1 % aufweist.

Vorteilhaft kann durch eine stark unterschiedliche Konzentration der Aluminium- oxid-Partikel in den Bereichsangaben gemäß dieser Weiterbildung ein geringer Masseanteil bezogen auf die Gesamtmasse erzielt und zugleich eine hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt werden.

Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompo- sitwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Raumzonen eine raumdiagonale Erstreckung von 10 bis 500 Mikrometer aufweisen.

Die raumdiagonale Erstreckung ist als Bezeichnung für den jeweils größten Durchmesser der Raumzonen zu verstehen, um so deren Größe zu beschreiben. Es wurde gefunden, dass Raumzonen dieser Größe die hohe elektrische Leitfähigkeit besonders vorteilhaft unterstützen, ohne die erzielte Festigkeitserhöhung mittels der Stützstrukturen erheblich zu reduzieren. In einer besonderen Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff anisotropisch ausgebildet. Hierfür ist dieser insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Erstreckung der Raumzonen in einer Longitudinalachse mehr als das 1 ,5 fache der durchschnittlichen Erstreckung der Raumzonen in einer Querebene zu der Longitudinalachse aufweist. Die Longitudinalachse bezeichnet die Achse des Aluminiumkompositwerkstoffs, in der eine höhere Festigkeit vorliegt als in einer anderen Achse. Dies wird erreicht, indem die Raumzonen mit den sie umgebenden Flächenzonen eine größere Längserstreckung als Quererstreckung aufweisen. Die Anordnung der Stützstrukturen weist somit ebenfalls eine größere Längserstreckung als Quererstreckung auf. Dies bedeutet dass beispielsweise ein Leiterdraht in seiner Längsrichtung, die der Longitudinalachse entspricht, eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweist, aber zugleich leicht zu biegen ist und bei einem Biegen nur eine geringe Bruchneigung aufweist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aluminiumkompositwerkstoffs.

Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs weist die folgenden Verfahrensschritte auf: a) Herstellen eines Aluminiumgrießes, dieser aufweisend einen Aluminiummetallkörper und einen Aluminiumoxidmantel, mittels Versprühens, Verblasens, Ausrührens oder Verschütteis einer Aluminiumschmelze in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, b) Druckformen des Aluminiumgrießes, unter Zertrümmerung des Aluminiumoxidmantels zu Aluminiumoxidpartikeln unter Herstellung eines Stoffzusammenhalts zwischen den Aluminiummetallkörpern unter Einbettung der Aluminiumoxidpartikel zu dem Aluminium-Kompositwerkstoff. Die Beschreibungsinhalte zu dem erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoff gelten für das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechender Weise unter Einbeziehung der nachfolgenden Aspekte.

In dem Verfahrensschritt a) erfolgt die Herstellung eines Aluminiumgrießes. Aluminiumgrieß sowie dessen Herstellung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt, so dass Aluminiumgrieß kostengünstig und marktüblich verfügbar ist. Als Aluminiumgrieß in Sinne des vorliegenden Verfahrens werden körnige Körper mit einer Größe von bevorzugt 0,3 bis 3 mm, nachfolgend auch als Grießkörper bezeichnet, verstanden. Sie weisen einen Aluminiummetallkörper auf, der von einem Aluminiumoxidmantel umschlossen ist. Der Aluminiummetallkörper stellt für den herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoff die aluminiummetallische Phase bereit. Aus dem Aluminiumoxidmantel werden die Aluminiumoxid-Partikel der aluminiumoxidischen Phase des herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoffs gebildet.

Zur Herstellung des Aluminiumgrießes wird zunächst flüssiges Aluminium bereitgestellt und dann zur Grießkörperbildung versprüht, Verblasen, verdüst, ausgerührt oder verschüttelt. Der Aluminiumgrieß kann unterschiedliche Formen und unterschiedlichen Größenfraktionen aufweisen. Die Formen und die Größenfraktionen der Körper beeinflussen die Eigenschaften des herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoffs und können bei der Herstellung des Aluminiumgrießes sowie gegebenenfalls durch Sieblinien bestimmt werden. Durch Verblasen oder Verdüsen werden eher nadelige Geometrien und durch Ausrühren und Verschütteln eher kugelige Geometrien der Grießkörper erhalten.

Der Verfahrensschritt a) ist ferner insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Grießkörperbildung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt. Hierbei reagiert das Aluminium an der heißen Oberfläche mit dem Sauerstoff insbesondere zu AI2O3. Damit wird erfindungsgemäß der Aluminiumoxidmantel der Grießkörper des Aluminiumgrießes erzeugt. Insbesondere durch den Sauerstoffgehalt der bereitzustellenden sauerstoffhaltigen Atmosphäre lässt sich die Umsetzungsrate von Aluminium zu Aluminiumoxid und damit die Dicke des Aluminiumoxidmantel sowie im Ergebnis der Masseanteil der Aluminiumoxidpartikel in dem herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoff vorteilhaft in einfacher Weise einstellen, so dass dessen Eigenschaften zielgerichtet beeinflusst werden können.

Als Aluminiumoxidmantel im Sinne der vorliegenden Erfindung wird es auch verstanden, sofern neben dem AI2O3 noch weitere Verbindungen oder Stoffe in dem Mantel enthalten sind. Dies kann beispielsweise auf Verunreinigungen beruhen. Hierfür können in vorteilhaften Weiterbildungen aber auch zielgerichtete Zumischungen in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgen.

In dem Verfahrensschritt b) wird der durch den Verfahrensschritt a) erhaltene Aluminiumgrieß mittels Druckumformens zu dem Aluminiumkompositwerkstoff umgebildet.

Infolge der bei dem Druckumformen auf den Aluminiumgrieß wirkenden Kräfte werden die Grießkörper gegeneinander gepresst und hierbei verformt. Während der Aluminiummetallkörper sich wegen seiner guten Fließfähigkeit plastisch formt, wird der Aluminiumoxidmantel aufgrund der geringen Duktilität des Aluminiumoxids aufgebrochen und zertrümmert, wobei die so entstehenden Fragmente des Aluminium- oxidmantels die Aluminiumoxid-Partikel bilden. Die Aluminiumoxidpartikel sind hierbei unregelmäßig geformt und verwerfen sich zudem infolge der Bewegungen bei dem Druckumformen. Somit bilden die Aluminiumoxid-Partikel keine geschlossene Ebene zwischen den aneinander angrenzenden Aluminiummetallkörpern der Grießkörper; vielmehr bestehen Durchtrittsstellen, in denen das Aluminium der Aluminiummetallkörper von aneinander angrenzenden Aluminiummetallkörpern direkt aufeinander trifft und dort unter Herstellung einer Gitterstruktur einen Stoffzusammenhalt ausbildet. Hierdurch werden die Aluminiumoxid-Partikel von dem Aluminium der Aluminiummetallkörper umschlossen. In den Zonen der ehemaligen Alumi- niumoxidmäntel liegt dabei eine höhere Konzentration und somit ein höherer Mas- seanteil an Aluminiumoxid-Partikeln vor als in den Zonen, die aus den Aluminiummetallkörpern hervorgegangen sind. Je stärker der Umformungsgrad und das Fließen des Material bei der Druckumformung ist, um so stärker weichen die Formen der Zonen einer hohen Konzentration von Aluminiumoxid-Partikeln von den Formen der Aluminiumoxid-Mäntel der vor der Druckumformung vorliegenden Grießkörper ab. Zudem liegt eine stärkere Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel in dem Aluminium als dem Matrixmaterial vor.

Als Druckumformen im Sinne dieses Verfahrensschritts werden alle Verfahren verstanden, die dem Oberbegriff des Druckumformens zuzuordnen sind, wie insbesondere das Durchdrücken, Gesenkschmieden und Walzen. Besonders bevorzugt liegt das Druckumformen als Durchdrücken in Form des Strangpressens, Fließpressens und Verjüngens vor.

Besonders vorteilhaft lässt sich durch das Verfahren ein Aluminiumkompositwerk- stoff erhalten, zu dessen Eigenschaften auf die Beschreibung zu dem Aluminium- kompositwerkstoff in den Ansprüchen 1 bis 6 Bezug genommen wird. Weiterhin besteht ein besonderer Vorteil des Verfahrens in dessen Einfachheit. Es wurde überraschend ein Verfahren gefunden, dass durch eine geringfügige Modifikation und eine Kombination an sich bestehender Verfahren bereitstellbar ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren zur Herstellung eines Alumini- umkompositwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a) ein Verfahrensschritt a1) durchgeführt wird, dass in dem Verfahrensschritt a1) ein Temperieren des Aluminiumgrießes auf eine Temperatur von 200 bis 500 Grad Celsius durchgeführt wird und dass der Verfahrensschritt b) mit dem gemäß Verfahrensschritt a1) temperierten Aluminiumgrieß durchgeführt wird.

Vorteilhaft wird durch das Temperieren die Druckumformung im Verfahrensschritt unterstützt, wobei zum einen die notwendige aufzuwendende Kraft verringert und die Herstellung des Stoffzusammenhalts zwischen den Aluminiummetallkörpern zur Ausbildung der aluminiummetallischen Phase verbessert wird. Besonders bevorzugt erfolgt das Temperieren auf 300 bis 400 Grad Celsius.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren zur Herstellung eines Alu- miniumkompositwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt b) das Druckformen mittels Extrudierens durchgeführt wird.

Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von

Fig. 1 Schliffbild in 300-facher Vergrößerung

Fig. 2 Schematische Schnittdarstellung mit Aluminiumoxid-Partikeln in Flächenzonen näher erläutert.

Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.

Fig. 1 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes des durch das Verfahren erhaltenen Aluminiumkompositwerkstoffs in 300-facher Vergrößerung. Zu erkennen ist hierbei die inhomogene Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel 21. Ferner ist die in diesem Ausführungsbeispiel anisotrope Ausbildung zu erkennen. Die Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel 21 weist eine deutlich größere Erstreckung in einer hier zwischen links oben und rechts unten laufenden Longitudinalachse 5 auf.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem eine hohe Konzentration von Aluminiumoxidpartikeln 21 in Flächenzonen 4 vorliegt, an die Raumzonen 3 angrenzen, die durch den Verfahrensschritt b) aus den Aluminiummetallkörper der Grießkörper des Aluminiumgrießes hervorge- gangen sind. Der Schnitt verläuft hierzu horizontal zu den Flächenzonen 4. Die Flächenzonen 4 sind teilweise miteinander verbunden und umschließen so räumlich die Raumzonen 3. Ferner ist durch die Pfeile am Beispiel einer Raumzone 3 in der Mitte der Figur dargestellt, dass die Erstreckung hier entlang der Longitudinalachse 5 erheblich größer ist als in einer Querebene 6 zu der Longitudinalachse 6.

In einem nicht durch Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wurde im Verfahrensschritt a) der Aluminiumgrieß auf der Basis eines Reinaluminiums mit einem Reinheitsgrad von 99,7 % hergestellt. Hierbei erfolgte die Erzeugung des Aluminiumgrießes in Luftatmosphäre, so dass der Aluminiumoxidmantel durch den Kontakt mit dem Luftsauerstoff in natürlichen Sauerstoffkonzentration gebildet wurde. Der so in dem Verfahrensschritt a) erzeugte Aluminiumgrieß weist eine Korngröße von 75 bis 125 Mikrometer auf.

Weiterhin wurde im Verfahrensschritt b) der Aluminiumgrieß aus dem Verfahrensschritt a) mittels einer Strangpresse druckgeformt. Es wurde ein Hülsendurchmesser von 50 mm gewählt und bei einer Presskraft von 2,2 MN mit einer Matrize im Durchmesser von 1 ,0 mm und einer Temperatur von 330 Grad Celsium ein Draht von 1 ,0 mm erzeugt. Durch die Druckformung wurde der Aluminiumoxidmantel des Aluminiumgrießes in Aluminiumpartikel zertrümmert und der Aluminiumkomposit- werkstoff erzeugt. Bei dem so erzeugten Draht wurde eine Bruchdehnung von 15,4 % und eine Zugfestigkeit von 151 Pa erreicht.

In einer alternativen Ausführung des Verfahrensschritts b) wurde ebenfalls bei einem Hülsendurchmesser von 50 mm eine Druckformung durch eine Matrize von 0,8 mm und einer etwas höheren Temperatur von 360 Grad Celsius und der hierbei beaufschlagten Presskraft von 1,7 MN durchgeführt. Hierbei wurde ein Draht von 0,8 mm erhalten. Verwendete Bezugszeichen

1 aluminiummetallische Phase

2 aluminiumoxidische Phase

21 Aluminiumoxid-Partikel

3 Raumzonen

4 Flächenzonen

5 Longitudinalachse

6 Querebene