Titel: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines partikelverstärkten Kom- positwerkstoff- Bauteils

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Her stellung eines partikelverstärkten Kompositwerkstoff-Bauteils in Form eines Me tallmatrix-Verbundwerkstoffes durch Pulverspritzgießen.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich verschiedenste auf Anwendun gen, bei denen Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit einer erhöhten Belastbarkeit zum Einsatz kommen sollen, vorzugsweise in der Kraftfahrzeugtechnik.

Stand der Technik

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik basieren Metallmatrix- Verbundwerkstoffe bislang auf Leichtmetallen, wie Aluminium, Magnesium, Titan, aber auch Kupfer. Die Herstellung erfolgt gewöhnlich über Gießtechnik, indem Hartstoffe in die Metallschmelze eingebracht werden, eine Infiltration von porö sen Vorformlingen stattfindet sowie durch Metallpulverpressen.

Die Infiltration wird gewöhnlich dann bevorzugt, wenn ein trockenes dreidimensi onales Verstärkungskonstrukt vorliegt. Dies kann ein Faserhalbzeug oder ein an deres offenporiges Konstrukt sein. Des Weiteren muss das Matrixmaterial einen niedrigen Schmelzpunkt sowie eine niedrige Viskosität der Schmelze aufweisen. Daher findet die Infiltration gewöhnlich bei der Herstellung von hochfesten Metall matrix-Leichtbaustrukturen mit einer Matrix aus Aluminium oder Magnesium statt.

Das Flüssigphasensintern unterscheidet sich insofern vom Infiltrieren, dass der Pulverpackung eine niedrigschmelzende Phase hinzugefügt ist oder diese beim Sintern durch Wechselwirkungen zwischen Verstärkungsphase und Grundmate rial entsteht. Diese Partikel schmelzen im Sinterprozess auf und verdichten die Pulverpackung. Hierbei kann die hochschmelzende Phase teilweise mit in Lö sung gehen. Es entsteht ein mindestens zwei-phasiges Gefüge.

Neben der einfach erzielbaren höheren Dichte, aufgrund der Eliminierung der Po rositäten, bietet das Flüssigphasensintern sowie das Infiltrieren den Vorteil einer weichen, duktilen Matrix. Ein Bauteil, welches nur aus dem Hartmetall oder der Keramik besteht, unterliegt für gewöhnlich einem spröden Materialversagen. Die ses Versagen ist nicht oder nur schwer vorhersehbar und endet zumeist mit ei nem spontanen Ausfall des Bauteils.

Bei dem hier interessierenden Feststoffphasensintern wird hingegen keine Kom ponente aufgeschmolzen, wodurch es im Bereich des Metallmatrix-Verbundwerk stoffes aktuell wenig Einsatz findet. Denn es ist technologisch schwieriger, eine Verdichtung zu erzielen und das Schrumpfen der Bauteile ist im Vergleich zur In filtration deutlich höher. Auch sind die meisten derzeit verfügbaren Metallmatrix- Verbundwerkstoffe faserverstärkt, wodurch es prozesstechnisch unmöglich ist, einen derartigen Werkstoff mittels Pulverspritzgießen zu erstellen. Denn die Fa sern würden hierbei brechen.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kom- positwerkstoff- Bauteil in Form eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffes durch Spritzgießen herzustellen, das sich durch verbesserte Materialeigenschaften hin sichtlich Härte, Zugfestigkeit bei Reduzierung der Materialdichte unter Beibehal tung der Duktilität mit Erhöhung der Kriechfestigkeit und Abriebhärte auszeich net.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe wird verfahrenstechnisch durch Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird auf Anspruch 7 verwiesen.

Der Anspruch 5 gibt separat ein partikelverstärktes Kompositwerkstoff- Bauteil an. Jeweils rückbezogene abhängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildun gen der Erfindung gerichtet.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass zur Herstellung eines partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteils in Form eines Metallmatrix- Verbundwerkstoffes durch Pulverspritzgießen, die nachfolgenden Schritte ausge führt werden:

- Mischen A eines Grundpulvers aus einem Edelstahl mit einem Verstärkungspul ver aus einem Nichtmetall zur Erzeugung eines organischen Binder-Metallpulver- Gemisches,

- Granulieren B des Binder-Metallpulver-Gemisches zu einem sogenannten Feedstock;

- Spritzgießen C des granulierten Binder-Metallpulver-Gemisches;

- Entbindern D des spritzgegossenen, aus dem granulierten Binder-Metallpulver- Gemisch hergestellten Grünkörpers; und

- Sintern E des Grünkörpers zur Erzeugung des festen, partikelverstärkten Kom- positwerkstoff- Bauteils.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass der Schritt des Granulierens B auch ein Kneten zum homogenen Verteilen der Partikel des Verstärkungspulvers im Bin- der-Metallpulver-Gemisch mit umfassen kann, um eine optimale Durchmischung der zu mischenden Komponenten zu erreichen.

Vorzugsweise wird das Pulverspritzgießen durch das so genannte MIM-Verfah- ren (MIM = Metal Injection Moulding) durchgeführt. Dabei handelt es sich um ein Urformverfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen komplexer Geomet rie, das seinen Ursprung in der Spritzgusstechnologie der Kunststoffe hat. Beim MIM-Verfahren wird feines Metallpulver mit einem organischen Binder vermischt und dann auf einer Spritzgussmaschine in Form gebracht. Anschließend wird der Binder wieder entfernt und das Bauteil bei hoher Temperatur in einem Ofen ge sintert. Als Ergebnis entsteht ein rein metallisches Bauteil, das die mechanischen Vorteile gesinterter Bauteile mit der großen Formgebungsvielfalt des Spritzgie ßens verbindet. Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße partikelverstärkte Kompositwerkstoff- Bauteil unter Nutzung einer bestehenden Pulverspritzgieß- Anlage hergestellt werden, die insoweit lediglich speziell zu betreiben ist. Durch die erfindungsgemäße Zugabe eines nichtmetallischen Verstärkungspul vers zu dem aus einem Edelstahl bestehenden Grundpulver können die Werk stoffeigenschaften des Grundmetalls positiv verändert werden. Als Grundmetall kommt vorzugsweise ein nichtrostender, austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän- Stahl der Werkstoffgruppe AISI 316 oder AISI 316L in Betracht. Die Norm AISI 316 und AISI 316L beschreibt nichtrostende, austenitische Chrom-Nickel-Molyb- dän-Stähle, die eine gute Beständigkeit in nichtoxidierenden Säuren und chlor haltigen Medien aufweisen. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung sind das Material 316 und das Material 316L von Natur aus korrosionsbeständige Me talllegierungen, wobei sich das letztgenannte Material durch einen geringeren Kohlenstoffgehalt vom erstgenannten Material unterscheidet. Die analoge inter nationale Bezeichnung der Werkstoffe lautet 1.4401 bzw. 1.4404. In Verbindung hiermit ist das als Verstärkungspulver dienende Legierungspulver vorzugsweise ausgewählt aus einer Nichtmetall-Gruppe, umfassend Titancarbonitrid, Titancar- bid, Titanborid, Borcarbid.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das organi sche Binder-Metallpulver-Gemisch 5 bis 15 Vol.-% Verstärkungspulver, um eine signifikante Härtesteigerung gegenüber einer Verwendung des reinen Grundme talls zu erzielen. In einem bevorzugten Bereich von 6 bis 12 Vol.-% Verstär kungspulver wird eine optimale Härte für die erfindungsgegenständlichen Anwen dungen erzielt. Denn Versuche haben ergeben, dass ausgehend von einem Grundpulver aus einem AISI 316L Edelstahl ohne Zusatz von Verstärkungspulver nach dem Sintern bei 1255°C eine Härte von 131 VH auftritt, wohingegen ein An teil von 6 Vol.-% an Titancarbid eine Härte von 160 VH ergibt. Eine Zugabe von 12 Vol.-% an Verstärkungspulver führt zu weitaus höheren Härtewerten. Es kann stattdessen auch ein anderes der vorstehend angegebenen Verstärkungspulver verwendet werden, mit dem vergleichbare Resultate erzielbar sind. Außerdem ist eine signifikante Steigerung der Zugfestigkeit zu beobachten.

Trotz Zugabe des nichtmetallischen Verstärkungspulvers bleiben die metalli schen Eigenschaften des Grundpulvers als Grundmaterial weitestgehend erhal ten. Es werden jedoch die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Grund werkstoffes verbessert. Diese Verstärkungsstoffe liegen im Verbund nahezu in ihrer Ausgangsform vor, sind also im Grundwerkstoff höchstens minimal gelöst. Im Kompositwerkstoff- Bauteil werden die hierauf einwirkenden Kräfte auf die Ver stärkungsstoffe übertragen, um höhere Werte an Zugfestigkeit, Steifigkeit, Ver schleiß und Härte zu erreichen. Dabei zeugen die Verstärkungsstoffe selbst meist von einem spröden Versagensverhalten, welches aufgrund der meist dukti leren und weichen Matrix zu einem kontrollierten Versagen hin verändert wird. Je nach Volumengehalt des Verstärkungsstoffes werden die Forderungen an Härte, Festigkeit und Steifigkeit in gewissem Maße erfüllt. Häufig sind auch andere Phä nomene von Verbundwerkstoffen und Werkstoffverbunden gewünscht. Einige dieser Phänomene folgen direkt aus der Wechselwirkung der einzelnen Bestand teile zueinander, welche zu einer Erhöhung der Rissstabilität, Verringerung des Gewichts sowie einer Integration von Werkstofffunktionen führen.

Detailbeschreibung anhand der Zeichnung

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemein sam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfin dung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer fertigungstechnischen Prozess kette zur Herstellung eines partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteils durch Pulverspritzgießen,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung der im partikelverstärkten Kompo sitwerkstoff- Bauteil wirkenden Verstärkungsmechanismen,

Fig. 3 einen schematischen Ablaufplan der Verfahrensschritte zur Herstellung des partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteils mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Vorrichtung zur Herstellung eines partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteils 1 im Wesentlichen aus einer Mischereinheit 2 zum Mischen eines Grundpulvers 3 aus einem Edelstahl mit einem Verstärkungspul ver 4 aus einem Nichtmetall. Es entsteht ein organisches Binder-Metallpulver- Gemisch 5, welches bei diesem Ausführungsbeispiel 12 Vol.-% an Verstärkungs pulver 4 enthält. In einer nachfolgenden Granuliereinheit 6 erfolgt ein Granulieren des Binder-Me- tallpulver-Gemisches, welches die im organischen Binder-Metallpulver-Gemisch enthaltenen verschiedenen Partikelgrößen in ein Haufwerk mit Partikeln enger Partikelgröße umwandelt.

Das so vergleichmäßigte granulierte Binder-Metallpulver-Gemisch 5 wird an schließend einer Spritzgießeinheit 7 zum Spritzgießen zugeführt, um dem herzu stellenden Bauteil die gewünschte Form zu verleihen. Dies erfolgt durch einen Extruder, welcher das granulierte Binder-Metallpulver-Gemisch unter Einhaltung der beim Pulverspritzgießen üblichen Prozessparameter in eine Bauteilform überführt.

Anschließend sorgt eine Entbindereinheit zum Entbindern des spritzgegossenen, aus dem granulierten Binder-Metallpulver-Gemisch hergestellten Grünkörper 9. Zum Entbindern wird das Teil 9 aus der Spritzgießeinheit 7 entnommen, um den Binder in einem vorzugsweise zweistufigen Prozess wieder zu entfernen. Im Er gebnis dessen entsteht ein nur die Mischkomponenten enthaltener Grünkörper 9.

Der Grünkörper 9 wird anschließend in einer Sintereinheit 10 bei den durch die Ausgangsmaterialien bestimmten Prozessparameter hinsichtlich Temperatur und Druck gesintert, um hieraus einen festen, partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteil 1 zu bilden.

In der Fig. 2 ist der Unterschied zwischen einem herkömmlichen Kompositwerk- stoff-Bauteil 11 ohne Partikelverstärkung (linksseitig) sowie einem erfindungsge mäß partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteil 1 (rechtsseitig) illustriert. Während sich eine Rissbildung bei dem herkömmlichen Kompositwerkstoff- Bau teil 11 ungehindert im Material fortsetzen kann, ist die Fortsetzung im erfindungs gemäß partikelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteil 1 behindert. Denn dank der eingebrachten Partikel des Verstärkungspulvers 4 kommt es zu einer Ausbrei- tungsumlenkung (a) des Risses 12, zu einer Kornfeinung (b) sowie Versetzung (c).

Gemäß Fig. 3 umfasst das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäß parti kelverstärkten Kompositwerkstoff- Bauteils 1 die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Mischen A eines Grundpulvers 3 aus einem Edelstahl mit ei nem Verstärkungspulver 4 aus einem Nichtmetall. Es wird durch das Mischen A ein organisches Binder-Metallpulver-Gemisch 5 erzeugt. Das organische Binder- Metallpulver-Gemisch 5 wird durch Granulieren B vergleichmäßigt, um dieses per Spritzgießen C mittels Spritzgießeinheit 7 in Form zu bringen. Anschließend ist der hieraus entstandene Grünkörper 9 zu entbindern D, ehe durch Sintern E des Grünkörpers 9 das feste, partikelverstärkte Kompositwerkstoff- Bauteil 1 entsteht.