DE10121928A1 - Production of locally reinforced light metal parts comprises placing porous reinforcing element made from sintered ceramic with sponge-like structure on the site to be reinforced in die casting mold, and infiltrating with melt - Google Patents
Production of locally reinforced light metal parts comprises placing porous reinforcing element made from sintered ceramic with sponge-like structure on the site to be reinforced in die casting mold, and infiltrating with meltInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung lokal verstärkter Leichtmetallteile nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to a method for producing locally Reinforced light metal parts according to the generic term of the An saying 1.
Ein solches Verfahren ist aus der DE 199 17 175 A1 bekannt. Dabei wird ein aus einem keramischen Pulver hergestellter - nicht gesinterter - Press- oder Grünkörper in eine Druckguss form gelegt und mit einer Metallschmelze infiltriert. Solche Grünkörper weisen üblicherweise eine Porosität von 35 bis 70% auf. - Eine vollständige Infiltration kann wegen der geringen Porendurchmesser nur bei relative kleinen Grünkörpern er reicht werden. Zwischen dem infiltrierten Grünkörper und ei ner diesen umgebenden Metallmatrix kommt es insbesondere dem Abkühlen der Leichtmetallteils mitunter zur Bildung von Ris sen.Such a method is known from DE 199 17 175 A1. Here, a - made from a ceramic powder not sintered - pressed or green body in a die casting laid and infiltrated with a molten metal. Such Green bodies usually have a porosity of 35 to 70% on. - A complete infiltration can be because of the low Pore diameter only with relatively small green bodies be enough. Between the infiltrated green body and egg In particular, this occurs around this surrounding metal matrix Cooling of the light metal parts sometimes to form ris sen.
Nach dem Stand der Technik ist ferner aus der DE 43 22 113 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe bekannt. Da bei werden zur Erhöhung der Standzeit der Bremsscheibe poröse Keramikelemente in die Gießform im Bereich der Reibringfläche eingelegt. Anschließend wird das Metall unter Umgebungsdruck in die Form gegossen, so dass sich die Poren des Keramik schwamms mit Metall füllen.According to the prior art, DE 43 22 113 A1 a method for producing a brake disc is known. because at become porous to increase the service life of the brake disc Ceramic elements in the mold in the area of the friction ring surface inserted. Then the metal is under ambient pressure poured into the mold so that the pores of the ceramic fill sponge with metal.
Die DE 197 28 358 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bremsscheiben aus Leichtmetallegierungen. Zur Verbesserung des Verbunds zwischen einem Keramikschwamm und der Leichtme tallegierung wird dort vorgeschlagen, den Keramikschwamm vor dem Einlegen in die Form mit Metall zu beschichten. Das Ein gießen des Metalls in die Form erfolgt unter einem Vakuum.DE 197 28 358 relates to a process for the production of Brake discs made of light alloys. For improvement the bond between a ceramic sponge and the Leichtme Valley alloy is proposed there, the ceramic sponge before to be coated with metal when inserted into the mold. The one pouring the metal into the mold is done under a vacuum.
Aus der EP 0 575 685 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gussteilen mit verbundartig eingelagerter Keramik bekannt. Dabei wird eine poröse Keramik in eine Formschale eingelegt. Die Formschale wird anschließend im Feingussverfahren mit Me tall befüllt.EP 0 575 685 describes a method for producing Castings with composite ceramic embedded known. A porous ceramic is placed in a molded bowl. The molded shell is then cast using Me tall filled.
Bei den drei vorstehenden Verfahren erfolgt der Guss unter Vakuum, Unter- oder Umgebungsdruck. Nachteiligerweise werden dabei die Poren in der Keramik nicht immer vollständig infil triert. Außerdem weisen die Gussteile mitunter Lunker auf.In the three methods above, the casting is done under Vacuum, negative or ambient pressure. Be disadvantageous the pores in the ceramic are not always completely infiltrated trated. In addition, the castings sometimes have cavities.
Ferner ist bekannt, im Druckgießverfahren hergestellte Leichtmetallteile lokal zu verstärken. Dazu werden vor dem Einspritzen der Metallschmelze hoch druckfeste Einsätze bzw. Inserts, die z. B. aus einer faserverstärkten oder hochfesten Aluminiumlegierung bestehen können, in die Druckgussform ein gelegt. - Es tritt bei einem solchermassen verstärkten Druck gussteil allerdings das Problem auf, dass mitunter keine aus reichend feste Verbindung zwischen dem Insert und dem Druck gussteil sich ausbildet. Insbesondere bei einer Zugbeanspru chung oder thermischen Wechselbeanspruchung auf das Insert, kann es zur Lockerung oder zum Ausreißen desselben kommen.It is also known to be produced by die casting Reinforcing light metal parts locally. To do this, before Injecting the molten metal highly pressure-resistant inserts or Inserts, e.g. B. from a fiber-reinforced or high-strength Aluminum alloy can exist in the die casting mold placed. - It occurs with such increased pressure casting, however, the problem that sometimes none sufficiently firm connection between the insert and the print casting is forming. Especially with a tensile stress or thermal alternating stress on the insert, loosening or tearing can occur.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, mit dem lokal verstärkte Leichtmetallteile verbesserter Qualität im Druckgießverfahren herstellbar sind. Weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein entsprechend verbes sertes Leichtmetallteil anzugeben. The object of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art of technology to eliminate. In particular, it is supposed to be a procedure are specified with which locally reinforced light metal parts improved quality can be produced in the die casting process. Another object of the invention is to provide a correspondingly verbes specified light metal part.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 13 und 15 bis 22.This object is achieved by the features of claims 1 and 14 solved. Appropriate configurations result from the Features of claims 2 to 13 and 15 to 22.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass als Verstär kungselement ein gesintertes Keramikelement mit einer schwammartigen Struktur verwendet wird.According to the invention it is provided that as a reinforcement Kungselement a sintered ceramic element with a sponge-like structure is used.
Unter einer schwammartigen Struktur wird hier eine Struktur verstanden, bei der ein im wesentlichen dicht gesintertes Ke ramikgerüst eine zelluläre Struktur bildet. Die Wände der meist blasenartig ausgebildeten Zellen sind meist durchbro chen, so dass ein kommunizierender Hohlraum gebildet ist. Der mittlere Durchmesser der Zellen ist üblicherweise größer als 100 µm; er liegt vorzugsweise im Bereich von 0,2 bis 2,0 mm.Under a sponge-like structure there is a structure understood, in which an essentially densely sintered Ke ceramic framework forms a cellular structure. The walls of the mostly bubble-shaped cells are usually broken Chen, so that a communicating cavity is formed. The average cell diameter is usually larger than 100 µm; it is preferably in the range of 0.2 to 2.0 mm.
Bei bestimmten Anwendungen kann es von Vorteil sein, dass die Struktur anisotrop ausgebildet ist, indem die Zellen in einer Vorzugsrichtung eine maximale Länge aufweisen. Durch die Ver wendung von Keramikelementen mit einer anisotropen schwammar tigen Struktur kann eine weiter verbesserte lokale Verstär kung von Leichtmetallteilen erreicht werden.In certain applications it can be advantageous that the Anisotropic structure is formed by the cells in a Preferred direction have a maximum length. By ver Use of ceramic elements with an anisotropic sponge structure can be further improved local reinforcement light metal parts can be achieved.
Entgegen einem weit verbreiteten Vorurteil in der Fachwelt hat sich herausgestellt, dass eine eine schwammartige offen porige Struktur aufweisende, an sich nicht besonders druckfe ste Keramik der Beanspruchung beim Druckgießverfahren stand hält. Selbst eine am Ende der Formfüllung auftretende Druck spitze führt nicht zur Beeinträchtigung der Struktur der schwammartigen Keramik. Die Keramik wird vor dem Beginn der Nachdruckphase offenbar vollständig mit Leichtmetallschmelze infiltriert, ohne dass deren Struktur zerstört wird. Dabei werden auch eventuell in der Struktur vorhandene Hohlstege mit der Leichtmetallschmelze gefüllt. Es bildet sich eine in nige Durchdringungsstruktur zwischen der mit der Metall schmelze gefüllten Keramik und einer die Keramik umgebenden Metallmatrix. Die Verbindung ist insbesondere auch wegen des geringen Keramikvolumenanteils von 5 bis 30% stoff- oder formschlüssig. Es kommt bei einer thermo-mechanischen Bela stung nicht zur Lockerung oder zum Ausreißen von mit der er findungsgemäß vorgeschlagenen schwammartigen Keramik lokal verstärkten Bereichen. Im Gegensatz zur Verwendung eines Grünkörpers muss die Keramik vor dem Infiltrieren der Schmel ze nicht vorgeheizt werden.Contrary to a widespread prejudice in the professional world has been found to be a spongy open porous structure, not particularly pressure sensitive most ceramics withstand the stresses of the die casting process holds. Even a pressure that occurs at the end of the mold filling tip does not affect the structure of the sponge-like ceramics. The ceramic is made before the start of Reprint phase apparently completely with light metal melt infiltrates without destroying their structure. there are also any hollow webs present in the structure filled with the light metal melt. An in forms some penetration structure between that with the metal melt filled ceramic and one surrounding the ceramic Metal matrix. The connection is particularly because of the low ceramic volume fraction of 5 to 30% fabric or form-fitting. It comes with a thermo-mechanical Bela not loosening or pulling away with it Sponge-like ceramics proposed according to the invention locally reinforced areas. In contrast to using a The green body must be the ceramic before infiltrating the enamel not be preheated.
Zweckmässigerweise wird als Leichtmetall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung verwendet, welche eine oder mehrere der folgenden weiteren Metalle enthält: Aluminium (Al), Mangan (Mn), Silicium (Si), Zink (Zn), Thorium (Th), Zirkon (Zr), Calcium (Ca). Magnesium und seine Legierungen besitzen die geringste Dichte (1,7 g/cm3) aller metallischen Konstrukti ons-Werkstoffe bei gleichzeitig mittleren Festigkeitseigen schaften. Dieser Werkstoff hat allerdings mehrere Nachteile. Er hat einen geringen Elastizitätsmodul, eine geringe Festig keit und ist nicht besonders kriech- und verschleissbestän dig. Gerade bei Verbindungselementen, wie Schraubverbindun gen, kann insbesondere die mangelnde Kriechbeständigkeit zu einer Lockerung solcher Verbindungen führen.Magnesium or a magnesium alloy which contains one or more of the following further metals is expediently used: aluminum (Al), manganese (Mn), silicon (Si), zinc (Zn), thorium (Th), zirconium (Zr), Calcium (Ca). Magnesium and its alloys have the lowest density (1.7 g / cm 3 ) of all metallic construction materials with at the same time medium strength properties. However, this material has several disadvantages. It has a low modulus of elasticity, a low strength and is not particularly resistant to creep and wear. In the case of connecting elements such as screw connections, in particular the lack of creep resistance can lead to a loosening of such connections.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens, können die Kriech- und Verschleißbeständigkeit, der Elastizitätsmodul und die Festigkeit insbesondere von Magnesiumwerkstoffen gezielt er höht werden.By means of the method according to the invention, the creep and wear resistance, the modulus of elasticity and the He specifically targeted the strength of magnesium materials be raised.
Die Keramik kann aus einem der folgenden Materialien herge stellt sein: Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Magnesiumoxid, Siliciumcarbid, Siliciumoxicarbid, Siliciumni trid und Titannitrid. Auch andere keramische Werkstoffe sind geeignet.The ceramic can be made from one of the following materials represents: aluminum nitride, aluminum oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, Silicon carbide, silicon oxycarbide, silicon ni trid and titanium nitride. Other ceramic materials are also suitable.
Die schwammartige Struktur weist 19 bis 60 (= etwa 50 bis 150 ppi) Poren bzw. Zellen pro Zentimeter auf. Die relative Dich te der Keramik liegt zweckmäßigerweise zwischen 5 und 30%.The spongy structure has 19 to 60 (= about 50 to 150 ppi) Pores or cells per centimeter. The relative you te of the ceramic is expediently between 5 and 30%.
Die Keramik kann mit einem Metall oder einer weiteren Kera mik, vorzugsweise mit Nickel, Titan, Zirkon, Titancarbid, Ti tannitrid oder Titanborid beschichtet sein. Das erhöht noch mals die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Leichtmetall und der Keramik.The ceramic can be made with a metal or another Kera mic, preferably with nickel, titanium, zircon, titanium carbide, Ti tannitride or titanium boride. That increases times the strength of the connection between the light metal and the ceramics.
Nach einem Ausgestaltungsmerkmal, wird das flüssige Leichtme tall mit einer Kolbenvorschubgeschwindigkeit von 1 bis 10 m/s, vorzugsweise 4 m/s, in die Druckgussform eingespritzt. Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird die Kolbenvor schubgeschwindigkeit verringert, sobald die Form gefüllt ist, so dass eine Druckspitze am Beginn der Nachdruckphase vermie den wird. Das schwammartige Keramikelement bzw. die schwamm artige Keramik wird also maximal mit dem für die Nachdruck phase vorgegebenen Druck beaufschlagt. Es ist möglich, die beim Druckgießverfahren ohne geeignete Regelung auftretende Druckspitze mittels einer geeigneten Echtzeitregelung des Kolbenvorschubs bzw. Drucks zu vermeiden. Der Nachdruck kann im Bereich von 500 bis 1500 bar liegen.According to a design feature, the liquid lightness tall with a piston feed speed of 1 to 10 m / s, preferably 4 m / s, injected into the die casting mold. According to a further design feature, the piston is thrust speed decreases once the mold is filled, so that a pressure spike at the beginning of the holding phase is avoided that will. The sponge-like ceramic element or the sponge like ceramics will be at maximum with that for the reprint phase applied pressure. It is possible that in the die casting process without suitable regulation Pressure peak by means of a suitable real-time control of the Avoid piston feed or pressure. The reprint can are in the range from 500 to 1500 bar.
Zweckmäßigerweise wird das Leichtmetall mit einer Temperatur von 640°C bis 720°C, vorzugsweise etwa 680°C, einge spritzt. Die vorgenannten Parameter erlauben eine rasche und fehlerfreie Herstellung erfindungsgemäßer Leichtmetallteile. The light metal is expediently heated to a temperature from 640 ° C to 720 ° C, preferably about 680 ° C injected. The aforementioned parameters allow a quick and error-free manufacture of light metal parts according to the invention.
In dem lokal mit der infiltrierten Keramik verstärkten Be reich des Leichtmetallteils kann eine Bohrung mit einem In nengewinde eingebracht werden. Damit kann die Festigkeit ei ner Schraubverbindung drastisch erhöht werden. Es kommt ins besondere bei Magnesiumwerkstoffen nicht mehr zum Kriechen und damit zur Lockerung von Schraubverbindungen.In the Be. Reinforced locally with the infiltrated ceramic The light metal part can have a bore with an in thread are introduced. So that the strength ei ner screw connection can be increased drastically. It comes in no longer creeping, especially with magnesium materials and thus to loosen screw connections.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung, ist ein druckgegossenes Leichtmetallteil lokal verstärkt durch eine mit dem Leichtme tall infiltrierte eine schwammartige Struktur aufweisende Ke ramik vorgesehen. Wegen der Vorteile und der vorteilhaften Ausgestaltungen wird auf die vorangegangenen Ausführungen verwiesen.According to another aspect of the invention, is a die-cast Light metal part locally reinforced with one with the Leichtme tall infiltrated a sponge-like structure ceramic provided. Because of the advantages and the beneficial Refinements are based on the previous statements directed.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is described below of the illustrations explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Computertomograph-Aufnahme eines Keramikele ments mit schwammartiger Struktur, Fig. 1, a computed tomography image of a Keramikele ment with a sponge-like structure,
Fig. 2 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines mit einer Magnesiumlegierung infiltrierten Keramikele ments mit schwammartiger Struktur und Fig. 2 is a scanning electron microscope image of a ceramic element infiltrated with a magnesium alloy with a sponge-like structure and
Fig. 3 den Gießdruck aufgetragen über der Zeit. Fig. 3 shows the casting pressure over time.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Leichtmetallbauteils, wird ein aus Siliziumcarbid hergestelltes schwammartiges ke ramisches Element an eine vorbestimmte Stelle der Druckguss form gelegt. Die Struktur der verwendeten schwammartigen Ke ramik ist aus Fig. 1 ersichtlich. Die Struktur wird gebildet aus einem aus einer gesinterten Keramik hergestellten Gerüst. Das keramische Gerüst umgibt blasenartige Zellen, deren Wände meist durchbrochen sind. Zellen sind im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel meist kugelartig ausgebildet. Die gezeigte schwammaritge Struktur kann als isotrop bezeichnet werden. Die schwammartige Struktur weist etwa 60 ppi (= pores per inch) oder 27,6 Poren pro Zentimeter auf. Die relative Dichte der Keramik beträgt etwa 20%.To produce a light metal component according to the invention, a sponge-like ceramic element made of silicon carbide is placed at a predetermined position on the die casting mold. The structure of the sponge-like ceramic used can be seen in FIG. 1. The structure is formed from a framework made of sintered ceramic. The ceramic framework surrounds bubble-like cells, the walls of which are mostly perforated. Cells are usually spherical in the present embodiment. The spongy structure shown can be called isotropic. The spongy structure has about 60 ppi (= pores per inch) or 27.6 pores per centimeter. The relative density of the ceramic is about 20%.
Das schwammartige Keramikelement kann in der Druckgussform mittels eines Niederhalters an Ort und Stelle gehalten wer den. Es kann auch auf einen in den Formhohlraum ragenden Stift aufgesteckt werden, welcher nach dem Entformen eine Ausnehmung im Leichtmetallteil hinterläßt, in die ein Innen gewinde eingearbeitet werden kann.The sponge-like ceramic element can be in the die-casting mold held in place by means of a hold-down device the. It can also be on a protruding into the mold cavity Pin are plugged in, which one after demolding Leaves recess in the light metal part, in which an interior thread can be incorporated.
Nach dem Einbringen des aus dem schwammartigen Keramikelement gebildeten Inserts, wird eine Magnesiumlegierung mit einer Kolbenvorschubgeschwindigkeit von 4 m/s bei einer Temperatur von 680°C in die Druckgussform eingespritzt. Im konkreten Beispiel ist eine Magnesiumlegierung mit 9 Gew.-% Aluminium, 0,15 Gew.-% Mangan und 0,7 Gew.-% Zink verwendet worden. Selbstverständlich können auch andere geeignete Legierungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet werden,After inserting the sponge-like ceramic element formed inserts, a magnesium alloy with a Piston feed speed of 4 m / s at one temperature injected into the die at 680 ° C. In concrete terms Example is a magnesium alloy with 9% by weight aluminum, 0.15% by weight of manganese and 0.7% by weight of zinc have been used. Of course, other suitable alloys can also be used are processed with the method according to the invention,
Wie aus Fig. 2 deutlich erkennbar ist, ist die Poren- bzw. Zellenstruktur des schwammartigen Keramikelements trotz des hohen Drucks beim Druckgießverfahren erhalten geblieben. Es wird angenommen, dass die Keramik wegen des relativ großen Durchmessers der kommunizierenden Hohlkanäle der Schmelzfront keinen wesentlichen Widerstand entgegensetzt. Der vom Kera mikgerüst umgebene Hohl- bzw. Porenraum wird vollständig mit der Magnesiumschmelze erfüllt. Während der Nachdruckphase werden zwar hohe Drücke ausgeübt. Wegen der bereits erfolgten Infiltration des schwammartigen Keramikelements bewirken die se aber keine Zerstörung desselben. Wie aus Fig. 2 weiter er sichtlich ist, beträgt der mittlere Zellendurchmesser der hier verwendeten schwammartigen Keramik etwa 0,6-0,8 mm.As can be clearly seen from FIG. 2, the pore or cell structure of the sponge-like ceramic element has been retained in spite of the high pressure in the die casting process. It is believed that because of the relatively large diameter of the communicating hollow channels of the melting front, the ceramic does not offer any significant resistance. The cavity or pore space surrounded by the ceramic framework is completely filled with the magnesium melt. High pressures are exerted during the holding pressure phase. Because of the infiltration of the sponge-like ceramic element, however, they do not cause the same to be destroyed. As is further evident from FIG. 2, the average cell diameter of the sponge-like ceramic used here is approximately 0.6-0.8 mm.
Fig. 3 zeigt den Gießdruck aufgetragen über der Zeit. Die durchgezogene Linie entspricht dem Druckverlauf beim Druck gießverfahren ohne Echtzeitregelung. Dabei kommt es im Zeit punkt der Formfüllung zu einer Druckspitze, welche nachfol gend auf einen vorgegebenen Nachdruck heruntergeregelt wird. Die unterbrochene Linie gibt den Verlauf des Gießdrucks nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens wieder. Dabei erfolgt die Regelung des Drucks bzw. Gießdrucks zweckmäßigerweise mittels einer Echtzeitregelung. Der Gießdruck wird ab dem Zeitpunkt der Formfüllung unter Vermeidung einer Druckspitze unmittelbar auf den Nachdruck gesteigert. Der beim erfindungsgemässen Verfahren auftretende maximale Gießdruck entspricht damit im wesentlichen dem vor gegebenen Nachdruck. Fig. 3 shows the casting pressure plotted against time. The solid line corresponds to the pressure curve in the pressure casting process without real-time control. This results in a pressure peak at the time of filling the mold, which is subsequently regulated down to a predetermined reprint. The broken line represents the course of the casting pressure according to an advantageous embodiment of the method according to the invention. The pressure or casting pressure is expediently controlled by means of real-time control. The casting pressure is immediately increased to the holding pressure from the time the mold is filled, avoiding a pressure peak. The maximum casting pressure occurring in the method according to the invention thus essentially corresponds to the given pre-pressure.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können poren- und lunker freie Leichtmetallteile reproduzierbar hergestellt werden.With the method according to the invention, voids and voids can be formed free light metal parts can be produced reproducibly.
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