WO2005059189A1 - Partikelverstärkte leichtmetall-legierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schmelzmetallurgischen Herstellung eines Gegenstandes oder Bauteiles und dergleichen aus mit Teilchen verstärktem Leichtmetall sowie einen mit Partikeln verstärkten Leichtmetallgegenstand. Um mit einem schmelzmetallurgischen Verfahren insbesondere die Festigkeit und Duktilität des Leichtmetall-Verbundwerkstoffes zu verbessern sowie eine Materialermüdung weitgehend zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem ersten Schritt eine Verbundmasse aus keramischen Teilchen in einer, die Teilchen benetzenden metallischen Matrix erstellt wird, worauf in einem zweiten Schritt im Hinblick auf eine vorgesehene, mit dem Matrixmaterial der Verbundmasse zu bildende chemische Zusammensetzung der metallischen Phase und dem Teilchenanteil im Werkstoff des Gegenstandes ein Flüssigmetall erschmolzen wird, in dieses ein Einbringen eines Verbundmasseanteiles, ein Aufschmelzen und ein homogenes Verteilen, z.B. durch Rühren, desselben in der erstarrenden Schmelze erfolgen und in einem dritten Schritt die gewünschten Gießparameter in der Gießmasse eingestellt, diese in eine Gießform eingebracht und erstarren gelassen werden.

Description

Partikel verstärkte Leichtmetall - Legierung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur schmelzmetallurgischen Herstellung eines Gegenstandes oder Bauteiles und dergleichen aus mit Teilchen verstärktem Leichtmetall oder einer dergleichen Legierung.

Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Gegenstand, Bauteil, Formkörper oder dergleichen aus einem mit keramischen Teilchen verstärktem Leichtmetall oder einer dergleichen Legierung, welcher schmelzmetallurgisch hergestellt ist.

Erhöhte Festigkeit und Steifigkeit von Bauteilen verbunden mit geringem Gewicht können durch teilchenverstärkte Leichtmetalle und deren Legierungen erreicht werden. Derartige teilchenverstärkte Leichtmetallwerkstoffe bestehen aus Keramikteilchen in einer Aluminium- und/oder Silizium- und/oder Magnesiummatrix.

Keramikteilchen sind jedoch in flüssige Metallschmelzen nur mit großen Schwierigkeiten einbringbar, weil einer vollumfänglichen Benetzung der Oberfläche der Teilchen, was im Hinblick auf eine homogene Verteilung derselben in der Schmelze erforderlich ist, die Oberflächenspannung entgegenwirkt.

Zur Überwindung obiger Probleme erfolgte vielfach eine pulvermetallurgische Herstellung derartiger Leichtmetall-Verbundwerkstoffe, allerdings ist diese Methode höchst aufwendig und kann mit verfahrenstechnischen Problemen behaftet sein.

Zur schmelzmetallurgischen Herstellung eines Flüssigmetalles, in welchem Keramikteilchen weitgehend homogen dispergiert sind, wird gemäß US 4 786 467 vorgeschlagen, unter weitgehendem Gasabschluß oder unter Vakuum bei einer Temperatur, bei welcher die Partikel mit einer Größe von 20 - 30 μm noch keine wesentliche chemische Entartung aufweisen, eine Mischung durchzuführen, wobei in vorteilhafter Weise ein sogenannter " drehender Verteilungs-Impeller" verwendbar ist. Dieses aufwendige Verfahren einer Leichtmetall- Verbundschmelzenherstellung wird mit geringer werdender Teilchengröße schwieriger, weil an Pulverkörnern von kleiner 10 μm die verfahrensbedingten maximalen Scherkräfte nicht mehr ausreichen, die Oberflächenspannung zu überwinden und eine vollumfängliche Teilchenbenetzung zu erreichen.

Weil nun teilchenverstärkte Leichtmetall - Verbundwerkstoffe mit einer Größe der keramischen Partikel von mehr als 12 bis 15 μm niedrige Dehnwerte und verschlechterte Ermüdungseigenschaften des Werkstoffes erbringen und pulvermetallurgische Verfahren mit geringeren Keramikteilchengrößen höchst aufwendig sind, besteht seit langem der Wunsch, ein schmelzmetallurgisches und damit wirtschaftliches Verfahren anzugeben, mittels welchen dispers, im Wesentlichen homogen verteilt, Keramikteilchen mit geringem Durchmesser in eine Schmelze aus Leichtmetall eingebracht werden können, um daraus einen Gegenstand, Bauteil oder dergleichen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu schaffen.

Es ist somit das Ziel der eingangs genannten Erfindung, ein schmelzmetallurgisches Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Verbundwerkstoffen und einen daraus gefertigten Teil mit erhöhter Festigkeit und Duktilität, verbesserten Eigenschaften bei Wechselbeanspruchungen bzw. weitgehender Vermeidung der Materialermüdung und hoher Elastizität zu schaffen.

Dieses Ziel wird mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, bei welchem in einem ersten Schritt eine Verbundmasse aus keramischen Teilchen in einer, die Teilchen benetzenden metallischen Matrix erstellt wird, worauf in einem zweiten Schritt im Hinblick auf eine vorgesehene mit dem Matrixmaterial der Verbundmasse zu bildenden chemischen Zusammensetzung der metallichen Phase und dem Teilchenanteil im Werkstoff des Gegenstandes ein Flüssigmetall erschmolzen wird, in dieses ein Einbringen eines Verbundmasse-Anteiles, ein Aufschmelzen und ein homogenes Verteilen, z.B. durch Rühren desselben in der Schmelze erfolgen und in einem dritten Schritt die gewünschten Gießparameter in der Gießmasse eingestellt, diese in eine Gießform eingebracht und erstarren gelassen werden.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im Wesentlichen darin zu sehen, dass vorerst eine Verbundmasse aus benetzten Teilchen in einer Matrix mit festgelegten und anlysierbaren jeweiligen Anteilen erstellt wird, welche Verbundmasse als kalkulierbare Legierungskomponente einsetzbar ist. Mit dieser Legierungskomponente ist es möglich, mit höchster Präzision den Teilchenanteil und die chemische Zusammensetzung der Schmelze für den Werkstoff des Gegenstandes zu erstellen, wobei auf einfache Weise, z.B. durch gegenständliches oder magnetisches Rühren des erstarrenden Flüssigmetalles, eine höchst homogene Verteilung der Partikel erfolgen kann. Danach oder zeitübergreifend erfolgt mit Vorteil unter Abdeckung mit Inertgas eine Einstellung der gewünschten Schmelzenüberhitzung gegebenenfalls mit einem Nachlegieren und mit nachgeord neter Gießbereitstellung und Füllung der Gießform mit der erfindungsgemäßen Gießmasse.

Mittels dieses Verfahrens nach der Erfindung ist , wie gefunden wurde, eine Homogenität der Metallschmelze möglich, obwohl eine Verbundmasse mit einem Durchmesser der keramischen Teilchen von kleiner 7 μm, jedoch von größer 0,5 μm und/oder einem Anteil an Keramikteilchen bis 70 Vol.-%, vorzugsweise 59 Vol.-%, erstellt wird.

Dadurch ist eine homogene Teilchenkonzentration in weiten Grenzen in einer gewünschten zusammengesetzten Gießmasse einstellbar und somit sind mit Vorteil die mechanischen Eigenschaften eines daraus erstellten Leichtmetall-Gegenstandes den Erfordernissen entsprechend einstellbar.

Eine höchst wirtschaftliche und wirkungsvolle Benetzung der Keramikteilchen der Verbundmasse ist bei einer Herstellung möglich, bei welcher diese Benetzung durch Druckinfiltrieren von Metall in Keramikpulver erfolgt. Es war für die Fachleute überraschend, dass durch ein Druckinfiltrieren die Scherkräfte der Oberflächenspannung zwischen Keramikteilchen mit einer Größe von 7 μm, aber auch von 4 μm und kleiner und Metall mit einer Überhitzung von 30°C überwunden werden können.

Es hat sich höchst vorteilhaft ein erfindungsgemäßes Verfahren dargestellt, bei welchem für die Verbundmasse ein Matrixmetall verwendet wird, welches im Wesentlichen die gleichen Elemente aufweist, wie diese im metallischen Teil der keramischen Verbindung der Teilchen vorliegen.

Wie gefunden wurde, ist für ein vollumfängliches Benetzen der Keramikteilchen durch das Metall die Reaktionskinetik und die Aktivität der Teilchen sowohl mit dem Matrixmetall während der Infiltration als auch mit dem Flüssigmetall während des Einrührens wesentlich. Eine auch nur oberflächliche Reaktion der Teilchen mit dem Metall muß allenfalls verhindert werden. Beispielsweise ist einer den Fachleuten geläufige Spinellbildung bei AI₂O₃- Teilchen durch die Wahl des Infiltrationsmetalles und des Flüssigmetalles entgegenzuwirken, andernfalls kann oftmals eine erforderliche Benetzung und eine homogene Teilchenverteilung auch bei einer Druckinfiltration und einem nachfolgendem Legierungssatz nicht im erforderlichen Maße erfolgen.

Wenn auch, um eine Integration und homogene Verteilung zu erreichen, eine Teilchen enthaltende Schmelze eine nicht gewünschte chemische Zusammensetzung aufweist, ist es nach der Erfindung vorteilhaft möglich, in dritten Schritt des Verfahrens ein Nachlegieren der Gießmasse durchzuführen und derart sowohl die Matrixmetalleigenschaften als auch die eigenschaftsverbessernde Wirkung der ultrafeinen keramischen Teilchen in Kombination zu maximieren.

Das weitere Ziel der Erfindung wird bei einem Gegenstand aus einem mit keramischen Teilchen verstärkten Leichtmetall oder einer dergleichen Legierung, welche schmelzmetallurgisch hergestellt ist, erreicht, bei welchem die Teilchen einen Durchmesser von kleiner 7 μm, insbesondere kleiner 4 μm, jedoch von größer 0,5 μm, besitzen, allseitig mit Matrixmetall benetzend umgeben sind und eine homogene Verteilung im Werkstoff aufweisen.

Wesentlich für eine hohe Duktilität, erhöhte Festigkeit und verbesserte Dauerfestigkeit des Werkstoffes ist die Teilchengröße der Keramikpartikel. Es hat sich gezeigt, dass mit größer werdendem Durchmesser der Partikel über 4 μm obige Materialeigenschaften, insbesondere die Dauerfestigkeit, leicht abnehmen und bei einer Größe von 7 μm ein Steilabfall der Werte eintritt. Wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Gegenstand, Bauteil oder dergleichen einen Anteil an keramischen Teilchen bis 70 Vol.-%, vorzugsweise bis 59 Vol.-%, aufweist, wird im Vergleich mit reinem Leichtmetall ohne Partikelverstärkung die höchste Eigenschaftsverbesserung erreicht.

Anhand eines Beispieles, das lediglich einen Ausführungsweg beschreibt, soll die Erfindung näher dargestellt werden.

Tonerdepulver mit einer Teilchengröße zwischen 2 und 4 μm wurde mit Aluminium als Matrixmetall unter Druck infiltriert, wobei die Verbundmasse 48 Vol.-% AI₂O₃ aufwies. Untersuchungen erbrachten, dass die Teilchen vollumfänglich mit Matrixmetall benetzt waren.

In einem Tiegel erfolgte ein Schmelzen von Aluminium, ein Legieren des Metalles mit ca. 1 Gew.- % Si und ein Überhitzen der Schmelze auf eine Temperatur von 800 °C. In der Folge wurden ca 70 Vol.-% an Verbundmasse der Schmelze zugesetzt, in dieser aufgeschmolzen und unter leichtem Rühren verteilt. Anschließend erfolgte unter Schutzgas bei einer Temperatur von 705 °C ein Legieren mit ca 3 Gew..-% Magnesium, eine weitere Schmelzenbewegung zur gleichmäßigen Verteilung der Legierungskomponenten und ein Einbringen der Gießmasse bei einer Temperatur von 670 °C in eine metallische Gießform sowie ein Erstarren des Flüssigmetalles.

Das derartig erstellte Gußstück, welches 35 Vol.-% AI₂O₃ -Teilchen in einer AIMg₃Si-

Leichtmetall-Matrixlegierung aufwies, wurde metallographisch untersucht und es konnte, wie in Fig. 1 dargestellt, eine weitgehend homogene Verteilung der Verstärkungspartikel festgestellt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur schmelzmetallurgischen Herstellung eines Gegenstandes oder Bauteiles und dgl. aus mit Teilchen Verstärkern Leichtmetall oder einer dergleichen Legierung, bei welchem in einem ersten Schritt eine Verbundmasse aus keramischen Teilchen in einer, die Teilchen benetzenden metallischen Matrix erstellt wird, worauf in einem zweiten Schritt im Hinblick auf eine vorgesehene mit dem Matrixmaterial der Verbundmasse zu bildenden chemischen Zusammensetzung der metallischen Phase und dem Teilchenanteil im Werkstoff des Gegenstandes ein Flüssigmetall erschmolzen wird, in dieses ein Einbringen eines Verbundmasse-Anteiles ein Aufschmelzen und ein homogenes Verteilen, z.B. durch Rühren desselben in der erstarrenden Schmelze erfolgen und in einem dritten Schritt die gewünschten Gießparameter in der Gießmasse eingestellt, diese in eine Gießform eingebracht und erstarren gelassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welcher eine Verbundmasse mit einem Durchmesser der keramischen Teilchen von kleiner 7 μm, jedoch von größer 0,5 μm und/oder einem Anteil an Keramikteilchen bis 70 Vol.-%, vorzugsweise von 44 bis 59 Vol.-% erstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Verbundmasse durch Druckinfiltrieren von Metall in Keramikpulver erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem für die Verbundmasse ein Matrixmetall verwendet wird, welches im Wesentlichen die gleichen Elemente aufweist, wie diese im metallischen Teil der keramischen Verbindung der Teilchen vorliegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem im dritten Schritt ein Nachlegieren der Gießmasse erfolgt.

6. Gegenstand aus einem mit keramischen Teilchen verstärktem Leichtmetall oder einer dergleichen Legierung, welcher schmelzmetallurgisch hergestellt ist und bei welchem die Teilchen einen Durchmesser von kleiner 7 μm, jedoch vom größer 0,5 μm besitzen, allseitig mit Matrixmetall benetzend umgeben sind und eine homogene Verteilung im Werkstoff aufweisen.

7. Gegenstand nach Anspruch 6 mit einem Anteil an keramischen Teilchen bis 70 Vol.-%, vorzugsweise von 44 bis 59 Vol.-%.