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WEIS HOLGER (DE)
| WO1996034991A1 | 1996-11-07 |
| US20040096350A1 | 2004-05-20 | |||
| JP2007107067A | 2007-04-26 | |||
| EP0198613A1 | 1986-10-22 | |||
| EP0200349A1 | 1986-11-05 | |||
| EP0574458A1 | 1993-12-22 | |||
| EP0517882A1 | 1992-12-16 |
XIE ET AL: "Microstructure and properties of ceramic particulate reinforced metallic glassy matrix composites fabricated by spark plasma sintering", MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING B, ELSEVIER SEQUOIA, LAUSANNE, CH, vol. 148, no. 1-3, 11 February 2008 (2008-02-11), pages 77 - 81, XP022476087, ISSN: 0921-5107, DOI: 10.1016/J.MSEB.2007.09.027
| P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unter Verwendung eines unter Inertgasatmosphäre schmelzverdüsten Pulvers aus Aluminium oder AI- Legierung mit integrierten Hartstoffen, insbesondere aus MMC's (Metallmatrix - Verbundwerkstoffen), dadurch gekennzeichnet, dass dem geschmolzenen und verdüsten Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierung, während des Sprühprozesses oder daran anschließend Verstärkungs- Partikel beigegeben werden, und danach die Pulverpartikel zur Erzeugung eines Bauteils oder eines Halbzeugs mittels eines SPS- erfahrens verdichtet werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-, bzw. AI-Anteil, welchem die MMC-Partikel zugeführt werden, im Wesentlichen aus einer hypereutektischen Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 5 bis 25 Gew.-Prozent, einem Eisenanteil von 2 bis 10 Gew.-Prozent, einem Nickelanteil von 2 bis 5 Gew.-Prozent, einem Mangananteil von 0 bis 3 Gew.-Prozent und einem Magnesiumanteil von 0 bis 1 Gew.-Prozent, besteht, wobei der Rest Aluminium ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die globuiaren MMC-, bzw. Hartstoffpartikel eine Größe von 1 bis 30 μηι aufweisen. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Verstärkungspartikel 5 bis 70 Gew.-Prozent beträgt. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in das Metall, weitere Verstärkungspartikel wie z.B. Kohienstoff- Kurzfasern beim Sprühen oder durch Mischen eingebracht werden, um die mechanischen Eigenschaften des so hergestellten Werkstoffes bzw. Bauteiles oder Halbzeuges weiter zu verbessern. 6. Bauteil, insbesondere Bremsscheibe oder Reibring, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt wurde. |
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus M C's (Metallmatrix - Verbundwerkstoffen) mit einem unter Inertgasatmosphäre
schmelzverdüsten Pulver
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unter Verwendung eines unter inertgasatmosphäre schmelzverdüsten Pulvers aus einer Aluminium oder AI-Legierung mit integrierten Hartstoffen, insbesondere aus MMC's (Metallmatrix - Verbundwerkstoffen) und ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil oder Halbzeug.
Es ist bekannt, Bauteile aus Metallen wie Aluminium (AI) oder AI- Legierungen durch Sprühkompaktieren herzustellen. Beim Sprühkompaktieren werden Schmelzen in einer Inertgasatmosphäre (z.B. Stickstoff) verdüst und auf ein Target abgeschieden. Vorteile dieses Verfahrens sind die extrem hohen Abkühlraten und die Möglichkeit auch hypereutektische Legierungen herzustellen. Derartige Verfahren sind beispielweise in der EP 0198613, der EP 0200349, der EP 0574458 und der EP 0517882 beschrieben.
Bei diesen Verfahren ist es ebenso bekannt, zur Verstärkung keramische Partikel wie SiC, B 4 C oder Al 2 0 3 zuzufügen, um so ein MMC-Halbzeug zu erzeugen. In dem so erzeugten Gefüge liegen die Partikel der Komponenten (z. B. SiC und Ai) innig verbunden vor. Bei diesem Verfahren wird neben dem Halbzeug auch sogenanntes Overspray erzeugt weiches dem Prozess wieder zugeführt werden kann (Reinjektion) oder als Nebenprodukt weiter behandelt werden kann.
Alternativ werden die M C-Partikel während des Gießens des Gußkörpers in die flüssige AI-Schmelze eingebracht (Duralcan Verfahren)
Beim ebenfalls bekannten SPS (Spark-Plasma-Sintern)-Verfahren werden Pulver oder Pulvergemische verdichtet, wodurch eine für den Anwendungszweck idealerweise optimale Gefügedichte der Partikel im erzeugten Werkstück oder Halbzeug erzeugt wird.
Nachteilig beim Stand der Technik (Pulvergemisch) ist einerseits die nicht vollständige Verbindung zwischen Verstärkungspartikel und Matrix, andererseits die nicht gewährleistete vollständige Homogenität des Gemisches. Beides wirkt sich nachteilig auf die mechanische Beanspruchbarkeit des mit dem Gemisch erzeugten Bauteiles, beispielweise einer Bremsscheibe, aus. Eine nachträgliche Konsolidierung {z.B. Walzen, Schmieden oder Extrusion) ist hierbei noch zusätzlich erforderlich um prozessbedingte Restporositäten abzustellen und stabile Kennwerte einzustellen und somit stabile mechanische Kennwerte einzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ein Bauteil oder Halbzeug hergestellt wird, bei dem die Verstärkungs-Partikei fest und homogen in dem durch Schmelzverdüsen erzeugten globularen Pulverpartikeln gebunden sind, und keine nachträglichen Konsolidierungsprozesse {z.B. Walzen, Schmieden oder Extrusion) erforderlich sind. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch geSöst, dass dem geschmolzenen und verdüsten Metall, insbesondere Aluminium oder Al- Legierungen, während des Sprühprozesses oder daran anschließend Verstärkungs-Partikel beigegeben werden.
Während der Verdüsung werden Metall- (insbesondere AI-) MMC- Puiverpartikel erzeugt, in welchen die Verstärkungs-Partikel fest und homogen eingebunden sind. Bei der Variante der nachträglichen Beigabe von MMC-Partikeln werden dem zuvor durch Schmelzverdüsen erzeugten Pulver aus Aluminium oder AI-Legierung nach der Siebung MMC-Partikeln hinzugegeben und mit diesem homogen vermischt. Bei allen Varianten werden die Pulverpartikel anschließend zur Erzeugung eines Bauteils oder Halbzeugs mittels eines SPS - Verfahrens verdichtet.
Dadurch bedingt ist ebenfalls in dem daraus erzeugten Bauteil die MMC- Hartstoffverteilung sehr homogen, was sich positiv im Wesentlichen auf die Gefügestruktur und mechanischen Eigenschaften dieses Bauteiles oder des Halbzeugs auswirkt.
Dies wird erfindungsgemäß durch den dem Verdüsen nachfolgenden SPS-Prozess, welcher eine hohe Gefügedichte (bei gleichzeitig sehr geringer Korngröße) ermöglicht, verstärkt. Eine zusätzliche Konsolidierung (z.B. Walzen, Schmieden oder Extrusion) des erzeugten Bauteils oder des Halbzeugs ist hier nicht mehr erforderlich.
Falls Metallpartikel aus einem Overspray Verwendung finden, werden diese vor dem Vermischen mit den Verstärkungspartikeln durch Sieben auf ein Kornspektrum < 250 pm eingestellt. Die vorstehend aufgeführte Metali-, bzw. Aluminium oder AI-Legierung, welcher die Verstärkungs-Partikel zugeführt werden, besteht beispielsweise aus einer hypereutektischen Aluminiumiegierung mit einem Siliziumanteil von 5 bis 25 Gew.-Prozent, einem Eisenantei! von 2 bis 10 Gew.-Prozent, einem Nickelanteil von 2 bis 5 Gew.-Prozent, einem Mangananteil von 0 bis 3 Gew.-Prozent und einem Magnesiumanteil von 0 bis 1 Gew.-Prozent, der Rest ist Aluminium.
Die eingesetzten MMC-, bzw. Hartstoffpartikel haben vorteilhafterweise eine Größe von 1 bis 50 pm. Für die Weiterverarbeitung im SPS Prozess, werden die mit dem vorher beschriebenen Verfahren erzeugten MMC- Pulverpartikel mit einer Größe kleiner gleich 250 pm verwendet.
Die Erfindung betrifft sowohl das Verfahren, wie vorstehend beschrieben, ais auch mit dem Verfahren endabmessungsnah erzeugte Bauteile oder Halbzeuge, insbesondere solche, weiche hohe mechanische und oder thermische Beanspruchungen ertragen müssen. Derartige Bauteile sind beispielsweise Bremsscheiben oder Reibringe für Fahrzeuge, die sich vorteilhaft mit dem Verfahren nach der Erfindung herstellen lassen. Bei einer solchen Bremsscheibe oder Reibring kann es sich um eine Monoscheibe, eine belüftete Scheibe, welche durch Einleger oder Schieber erzeugt wurde, oder um eine mehrteilig aufgebaute belüftete Scheibe handeln. Ebenfalls kann eine solche Bremsscheibe oder Reibring im Gefügeaufbau entsprechend der Beanspruchung axial und/oder radial gradiert sein, d.h. die Zusammensetzung ist hinsichtlich der MMC-Anteiie während der Herstellung über den Bauteilquerschnitt beanspruchungsgerecht verteilt, wie in Figur 1 dargestellt ist. Eine Gradierung kann ebenfalls erreicht werden, indem auf einen homogenen Grundkörper als Träger zusätzlich ein beanspruchungsgerechtes MMC-Pulver durch das S PS-Verfahren als Funktionsschicht aufgebracht wird, wie in Figur 2 dargestellt ist.