DE102006002337A1 - Process to strengthen aluminum alloy or magnesium alloy by admixture of micro- or nano-particles to molten metal - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung partikelverstärkter Metalle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a process for producing particle-reinforced metals according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt. Danach werden nanoskalige keramische Verstärkungspartikel in eine geschmolzene Aluminiumlegierung eingebracht und mit einem Rührer in der Schmelze verteilt.One such method is already known. After that become nanoscale ceramic reinforcing particles introduced into a molten aluminum alloy and with a stirrer distributed in the melt.
Neben einer Separation der Partikel von der Schmelze aufgrund von Dichteunterschieden werden in den partikelverstärkten Metallen häufig Agglomerate, d.h. eine Zusammenballung von Partikeln, beobachtet. Die Ursache für das Auftreten von Partikelagglomeraten sind zum einen, insbesondere bei Nanopartikeln, die hohen Grenzflächenkräfte, die dazu führen, dass die Partikel bereits vor der Verarbeitung als Agglomerate vorliegen. Zum anderen reicht die geringe Energie, die durch die Mischvorgänge in der Schmelze auf die Agglomerate einwirkt, meist nicht aus, um die Agglomerate während des Prozesses zu vereinzeln. Daneben verhindert die schlechte Benetzung der keramischen Partikel mit der Metallschmelze ein wirksames Aufbrechen der Agglomerate.Next a separation of the particles from the melt due to density differences are reinforced in the particles Metals frequently Agglomerates, i. an aggregation of particles, observed. The cause of the occurrence of particle agglomerates are on the one hand, in particular for nanoparticles, the high interfacial forces that cause that the particles are already present as agglomerates before processing. On the other hand, the low energy that passes through the mixing processes in the melt is enough on the agglomerates, mostly not to the agglomerates while to separate the process. Besides that prevents the bad wetting the ceramic particles with the molten metal an effective breaking up the agglomerates.
Die Festigkeitssteigerung von Gussteilen durch das Einbringen von Nanopartikeln besitzt ein sehr hohes Potential zur Steigerung der Raumtemperaturfestigkeit, der Hochtemperaturfes tigkeit und der Kriechbeständigkeit. Dabei wird die Duktilität durch Nanopartikel weit weniger herabgesetzt als durch Mikropartikel oder Verstärkungsfasern.The Increasing the strength of castings by introducing nanoparticles has a very high potential for increasing the room temperature resistance, high temperature and creep resistance. The ductility is through Nanoparticles are much less degraded than microparticles or nanoparticles Reinforcing fibers.
Um die Mechanismen der Härtung von Metallen mit Nanopartikeln effektiv nutzen zu können, ist eine möglichst homogene Verteilung der Nanopartikel in der Metallmatrix anzustreben. In der Praxis ist die Zielsetzung, Nanopartikel mit einer Teilchengröße von wenigen Nanometern so fein in dem gegossenen Bauteil zu verteilen, dass zwischen den Partikeln der ideale freie Passierabstand für Versetzungen vorliegt, der unter anderem von der jeweiligen Legierung abhängt, jedoch im Allgemeinen zwischen 20 nm und 200 nm beträgt. Durch die Verstärkungspartikel wird nämlich das bei von außen angelegten Spannungen auftretende Wandern von Versetzungen im Metall erschwert und damit der Widerstand gegenüber plastischer Verformung des Bauteils erhöht. Ein zu hoher Anteil der Verstärkungspartikel führt allerdings zu einem spröden Werkstoff.Around the mechanisms of hardening Being able to effectively use metals with nanoparticles is one preferably to strive for homogeneous distribution of the nanoparticles in the metal matrix. In practice, the objective is nanoparticles with a particle size of a few To distribute nanometers so finely in the cast component, that between the particles the ideal free pass distance for dislocations is present, which depends inter alia on the respective alloy, however generally between 20 nm and 200 nm. Through the reinforcing particles that is that from outside applied stresses occurring migrations of dislocations in the metal complicates and thus the resistance to plastic deformation of the component increases. Too much of the reinforcing particles leads however to a brittle Material.
Für eine wirksame Dispersionshärtung in gießtechnisch hergestellten nanopartikelverstärkten Verbundwerkstoffen müssen die Agglomerate somit in ihre Einzelteilchen vereinzelt werden.For an effective dispersion hardening in casting technology produced nanoparticle-reinforced composite materials have to the agglomerates are thus separated into their individual particles.
Auch bei mikropartikelverstärkten Metallen wirkt sich eine homogene Verteilung der Partikel in dem Metall positiv auf die Werkstoffeigenschaften aus. Insbesondere die Duktilität, das Kriechverhalten und die Verschleißeigenschaften werden durch eine homogene Werkstoffstruktur positiv beeinflusst.Also in microparticle-reinforced Metals affects a homogeneous distribution of the particles in the Metal positive on the material properties. Especially the ductility, the creep behavior and the wear properties are by positively influenced a homogeneous material structure.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst homogene Verteilung von nano- oder mikroskaligen Verstärkungspartikeln in der Metallschmelze zu erreichen.task The invention is therefore, as homogeneous a distribution of nano- or microscale reinforcing particles in the molten metal to reach.
Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.This is inventively the method characterized in claim 1 achieved. In the subclaims are reproduced advantageous embodiments of the invention.
Nach der Erfindung wird zunächst eine Mischung aus den Verstärkungspartikeln und Partikeln hergestellt, die in der Metallschmelze löslich sind. Diese Mischung wird dann in die Metallschmelze eingebracht. In der Metallschmelze werden die löslichen Partikel gelöst, wodurch die Verstärkungspartikel vereinzelt werden. Bei einem Agglomerat aus Verstärkungspartikeln und löslichen Partikeln in der Mischung bilden die löslichen Partikel gewissermaßen Platzhalter, die durch Lösen in der Schmelze verschwinden, wodurch die vereinzelten Verstärkungspartikel zurückbleiben.To The invention will be first a mixture of the reinforcing particles and particles that are soluble in the molten metal. These Mixture is then introduced into the molten metal. In the molten metal become the soluble particles solved, causing the reinforcing particles to be isolated. In an agglomerate of reinforcing particles and soluble Particles in the mixture form the soluble particles to a certain extent placeholders, by loosening disappear in the melt, causing the scattered reinforcing particles remain.
Bei Kontakt eines derartigen Agglomerats mit der Metallschmelze besteht also eine hohe Triebkraft zur selektiven Reaktion der Metallschmelze mit den löslichen Partikeln. Beim Lösen der löslichen Partikel in der Schmelze werden die Agglomerate auf einer Mikro- bzw. Nanoskala aufgebrochen und die mikroskaligen bzw. nanoskaligen Verstärkungspartikel vereinzelt. Der Hauptteil der Energie zur Vereinzelung der Partikel stammt somit nicht aus der von außen zugeführten mechanischen Energie beim Mischen der Teilchen in der Metallschmelze, vielmehr wird der Schmelze die Lösungsenthalpie entzogen.at Contact of such an agglomerate with the molten metal is So a high driving force for the selective reaction of the molten metal with the soluble ones Particles. When loosening the soluble particle in the melt, the agglomerates on a micro or nanoscale broken up and the microscale or nanoscale reinforcing particles sporadically. The main part of the energy for separating the particles thus does not come from the externally supplied mechanical energy when mixing the particles in the molten metal, but the Melt the enthalpy of solution withdrawn.
Wenn sich die löslichen Partikel auflösen, kann dies auch auf eine chemische Reaktion zurückzuführen sein. So können beispielsweise bei einer geschmolzenen Magnesiumlegierung Siliziumdioxid-Partikel als lösliche Partikel verwendet werden. Das Siliziumdioxid kann dann mit den Metallkomponenten der Legierung reagieren, beispielsweise zu Metalloxiden und Me tallsiliziden. Die Energie zur Vereinzelung der Partikel kann also auch aus der chemischen Energie von Reaktionen stammen, die in der Metallschmelze stattfinden.If the soluble ones Can dissolve particles this may also be due to a chemical reaction. So, for example in a molten magnesium alloy, silica particles as soluble Particles are used. The silica can then with the Metal components of the alloy react, for example to metal oxides and metal silicides. The energy to singulate the particles can So also come from the chemical energy of reactions that take place in the molten metal.
Die Verstärkungspartikeln können auch in situ hergestellt werden, beispielsweise aus Partikeln, die in der Schmelze oxidiert werden und dadurch Verstärkungspartikel aus einem hochschmelzenden Oxid bilden. D.h., erfindungsgemäß kann in die Metallschmelze auch eine Mischung eingebracht werden, die aus in der Metallschmelze löslichen Partikeln sowie Partikeln besteht, die in der Metallschmelze Verstärkungspartikel bilden.The reinforcing particles may also be prepared in situ, for example, from particles which are melt-oxidized to form reinforcing particles of a refractory oxide. That is, according to the invention, a mixture can be introduced into the molten metal who that consists of particles soluble in the molten metal and particles which form reinforcing particles in the molten metal.
Die vereinzelten Verstärkungspartikel werden in der Schmelze mechanisch homogen verteilt. Dazu kann ein Rührer, ein Extruder oder eine andere Mischeinrichtung verwendet werden.The isolated reinforcing particles are distributed homogeneously in the melt mechanically. This can be a stirrer, an extruder or other mixing device may be used.
Die mechanische Energie, die in die Schmelze zur Vereinzelung der Agglomerate aufgebracht werden muss, ist erfindungsgemäß gering.The mechanical energy entering the melt to separate the agglomerates must be applied, is low according to the invention.
Vorzugsweise werden sowohl als Verstärkungspartikel wie als lösliche Partikel mikroskalige Partikel, also Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von 1 μm bis 1.000 μm, oder nanoskalige Partikel, also Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von 1 nm bis 1 μm verwendet, vorzugsweise 100 nm bis weniger als 1 μm.Preferably be both as reinforcing particles as soluble Particle microscale particles, so particles with a middle Particle size from 1 micron to 1,000 microns, or nanoscale Particles, ie particles with a mean particle size of 1 nm up to 1 μm used, preferably 100 nm to less than 1 micron.
Die mittlere Teilchengröße der löslichen Partikel und der Verstärkungspartikel liegt vorzugsweise in der gleichen Größenordnung. So kann das Verhältnis der mittleren Teilchengröße der löslichen Partikel zu der mittleren Teilchengröße der Verstärkungspartikel beispielweise zwischen 10:1 und 1:10 betragen. Wenn der Anteil der löslichen Partikel zu gering ist, ist der Zerfall der Agglomerate in einzelne Verstärkungspartikel unzureichend, bei einem zu hohen Anteil löslicher Partikel kann eine unerwünschte Änderung der Eigenschaften des Metalls auftreten. Durch Mischungen mit einem hohen Anteil an löslichen Partikeln kann die Dosierung geringer Mengen von Verstärkungspartikeln erleichtert werden.The mean particle size of the soluble Particles and the reinforcing particle is preferably of the same order of magnitude. So can the ratio of mean particle size of the soluble Particles to the mean particle size of the reinforcing particles for example between 10: 1 and 1:10. If the proportion of soluble Particle is too low, the disintegration of the agglomerates into individual intensifier insufficient, too high a proportion of soluble particles can be unwanted change the properties of the metal occur. By mixtures with a high proportion of soluble Particles can be the dosage of small amounts of reinforcing particles be relieved.
Der Volumenanteil der Verstärkungspartikel in dem Metall beträgt bei nanoskaligen Verstärkungspartikeln vorzugsweise 0,1 % bis 10 %, insbesondere 1 % bis 10 %, bei mikroskaligen Partikeln 2 % bis 30 %, insbesondere 5 % bis 20 %.Of the Volume fraction of the reinforcing particles in the metal amounts with nanoscale reinforcing particles preferably 0.1% to 10%, in particular 1% to 10%, in microscale Particles 2% to 30%, in particular 5% to 20%.
Während sich die löslichen Partikel auflösen, sind die Verstärkungspartikel in der Schmelze vorzugsweise unlöslich. Es können aber auch teilweise lösliche Verstärkungspartikel verwendet werden, jedoch soll ihre Löslichkeit in der Schmelze nicht mehr als 50 Vol.-% betragen.While the soluble ones Dissolve particles are the reinforcing particles preferably insoluble in the melt. It can but also partially soluble intensifier but their solubility in the melt should not more than 50 vol .-% amount.
Die Verstärkungspartikel können sich also in der Metallschmelze inert verhalten. Wenn sie sich teilweise lösen, kann dies auf eine chemische Reaktion an der Grenzfläche zurückzuführen sein. In diesem Fall muss die Kinetik der Reaktion derart gestaltet sein, dass mögliche Reaktionen mit den Verstärkungspartikeln deutlich langsamer ablaufen als mit den löslichen Partikeln.The intensifier can So behave inert in the molten metal. If they are partial to solve, This may be due to a chemical reaction at the interface. In this case, the kinetics of the reaction must be such that possible Reactions with the reinforcing particles run much slower than with the soluble particles.
Als Verstärkungspartikel werden insbesondere Keramikpartikel verwendet, beispielsweise Carbide, wie Siliziumcarbid (SiC) oder Metalloxide, wie Aluminiumoxid, sowie Gemische dieser Verbindungen. Die löslichen Partikel können aus Metallen oder Keramik bestehen. Für Magnesiumlegierungen eignet sich beispielsweise Siliziumdioxid.When intensifier In particular, ceramic particles are used, for example carbides, such as silicon carbide (SiC) or metal oxides such as alumina, as well as Mixtures of these compounds. The soluble particles can be out Metals or ceramics exist. Suitable for magnesium alloys For example, silicon dioxide.
Häufig entstehen Mischungen aus in der Metallschmelze löslichen Partikeln und Verstärkungspartikeln und/oder Partikeln, die in der Metallschmelze Verstärkungspartikel bilden, als Nebenprodukt bei anderen Verarbeitungsprozessen, beispielsweise beim Flammspritzen. Derartige Mischungen können erfindungsgemäß besonders wirtschaftlich eingesetzt werden. So entsteht beim Flammspritzen häufig ein Partikelgemisch aus Aluminium-, Aluminiumoxid- und Siliciumdioxid-Partikeln, das erfindungsgemäß eingesetzt werden kann.Often arise Mixtures of molten metal soluble particles and reinforcing particles and / or particles containing reinforcing particles in the molten metal form as a by-product in other processing processes, such as Flame spraying. Such mixtures according to the invention may be particularly be used economically. This is the result of flame spraying often Particulate mixture of aluminum, alumina and silica particles, used according to the invention can be.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Herstellung partikelverstärkter Leichtmetalle geeignet, insbesondere zur Herstellung von gegossenen Bauteilen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen. Derartige gegossene Bauteile können als Motorkomponente, beispielsweise Kurbelgehäuse oder Motortragblock, als Fahrwerksteile aber auch beispielsweise als Instrumententafelträger verwendet werden.The inventive method is particularly suitable for the production of particle-reinforced light metals, especially for the production of cast aluminum components or magnesium alloys. Such cast components can as Engine component, such as crankcase or engine block, as Chassis parts but also used for example as a dashboard become.
Beispielexample
Eine Schmelze aus einer MgAl6Sr2-Legierung wird mit einer Mischung aus Al2O3-Partikeln und SiO2-Partikeln in einem Volumenverhältnis von 1:5 versetzt, die in der Schmelze gleichmäßig durch Rühren verteilt wird. Die Teilchengröße beider Partikel beträgt 20 nm bis 50 nm. Die Menge des Gemisches beträgt 10 Gew.-%, bezogen auf die Schmelze.A melt of a MgAl6Sr2 alloy is mixed with a mixture of Al 2 O 3 particles and SiO 2 particles in a volume ratio of 1: 5, which is uniformly distributed in the melt by stirring. The particle size of both particles is 20 nm to 50 nm. The amount of the mixture is 10 wt .-%, based on the melt.
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| DE102011008646A1 (en) * | 2011-01-14 | 2012-07-19 | Recan Gmbh | Manufacture of metal cast involves injecting light metal melt into mold, adding metallic raw material containing carbide to light metal melt, mixing metallic raw material and light metal melt, cooling and solidifying |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1811049A2 (en) | 2007-07-25 |
| EP1811049B1 (en) | 2020-06-24 |
| EP1811049A3 (en) | 2008-07-02 |
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