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In der Fahrzeugtechnik besteht Bedarf nach besonders leichten Konstruktionsmetallen, wie Aluminium und Magnesium. Besonders interessant ist dabei Magnesium, das mit einer Dichte von 1,74 g/cm3 das leichteste aller Konstruktionsmetalle ist. Häufig sind bislang allerdings die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu Stählen noch nicht konkurrenzfähig.
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Um die mechanischen Eigenschaften von Magnesiumlegierungen zu verbessern, ist es aus
EP 0 409 966 B1 bekannt, der Legierung Verstärkungspartikel aus Aluminiumoxid (Al
2O
3), Siliziumcarbid (SiC) oder Borcarbid (B
4C) zuzusetzen. Durch die Verstärkungspartikel soll vor allem eine höhere spezifische Steifigkeit bei gleicher oder deutlich verbesserten Festigkeiten des Verbundwerkstoffs erzielt werden. Dieses Ziel wird mit den bekannten Verstärkungspartikeln jedoch nicht in dem gewünschten Ausmaß erreicht.
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Aus
US 6 197 411 B1 sind Kohlenstofffasern mit einem E-Modul von 650 GPa als Verstärkungsfasern bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine partikelverstärkte Magnesium- oder Aluminiumlegierung bereitzustellen, die sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe spezifische Steifigkeit, auszeichnet.
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Dies wird erfindungsgemäß durch eine partikelverstärkende Magnesium- oder Aluminiumlegierung nach dem Anspruch 1 erreicht.
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Grundlage der Erfindung bildet die Überlegung, dass der relevante Kennwert für die spezifische Steifigkeit eines Werkstoffs vom jeweiligen Belastungsfall abhängt. D. h., er ist unterschiedlich, ob er beispielsweise für einen Stab unter Zug- oder Druckbelastung, einen Balken unter Biegung oder eine Platte unter Biegung ermittelt wird.
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Nach Ashby, M. F., „Performance Indices” in: ASM Handbook, Bd. 20, Material Selections and Design, ASM International, Ohio 1997, Seiten 281–290, hängt der Kennwert für die spezifische Steifigkeit eines Werkstoffs von dessen Dichte ρ und Elastizitätsmodul E ab, und zwar je nach Belastungsfall beispielsweise für:
- – Stab unter Zug- oder Druckbelastung: E/ρ
- – Balken unter Biegung: E1/2/ρ
- – Platte unter Biegung: E1/3/ρ
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Dabei spielt in der Praxis der Belastungsfall „Balken unter Biegung” und insbesondere „Platte unter Biegung” eine größere Rolle als der „Stab unter Zug- und Druckbelastung”.
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Die Dichte der Verstärkungspartikel von weniger als 2,50 g/cm
3 bei einem Elastizitätsmodul von mindestens 400 GPa, insbesondere mehr als 440 GPa, nach der Erfindung und die bevorzugte Verwendung von Verstärkungspartikeln mit einer Kennzahl E
1/3/ρ von mindestens 3,05 ergibt sich im Hinblick auf den Artikel von M. F. Ashby wie folgt:
Die Dichte des Verbundwerkstoffs kann aus der Mischungsregel berechnet werden. Für partikelverstärkte Werkstoffe ist eine Abschätzung des E-Moduls beispielsweise über folgende Gleichungen möglich:
mit:
- EC
- = E-Modul des Verbundwerkstoffs
- EM
- = E-Modul der Matrix
- EP
- = E-Modul der Verstärkungsphase
- ΦP
- = Volumenanteil der Verstärkungsphase
- S
- = Verhältnis von Länge zu Breite der Verstärkungsphase
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E
M beträgt für die Magnesiumlegierung AZ91 45 GPa. Für S wird ein üblicher Wert von 2 zugrundegelegt. E
C ergibt sich aus folgender Tabelle:
| Verstärkungsphase | Dichte g/cm3 | E-Modul GPa |
| Carbide | SiC
TiC | 3,21
4,93 | 430
450 |
| Nitride | AlN
Si3N4
TiN | 3,26
3,44
5,22 | 330
310
600 |
| Boride | CaB6
TiB2 | 2,45
4,5 | 450
550 |
| Oxide | Al2O3
MgAl2O4 | 3,97
3,5 | 370
240–380 |
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Die mit der vorstehend genannten Gleichung rechnerisch erhaltenen Ergebnisse sind in den beigefügten 1 bis 3 für die Magnesiumlegierung AZ91 für die in vorstehender Tabelle angegebenen Verstärkungspartikel mit unterschiedlicher Dichte und E-Modul wiedergegeben.
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Wie dem Diagramm der 1 entnommen werden kann, wird im Belastungsfall „Stab unter Zug- und Druckbelastung” bei allen in der vorstehenden Tabelle angegebenen Verstärkungspartikeln eine deutliche Erhöhung der spezifischen Steifigkeit ermittelt. Demgegenüber ist beim Belastungsfall „Balken unter Biegung” (2) die spezifische Steifigkeit der mit TiN- und TiC-Partikeln verstärkten Legierung geringer als bei der unverstärkten Magnesiumlegierung. Im Belastungsfall „Platte unter Biegung” (3) ergibt sich lediglich für die CaB6-partikelverstärkte Legierung eine deutliche Verbesserung der spezifischen Steifigkeit, während sich bei einer Verstärkung mit Partikeln aus SiC oder AlN praktisch keine Erhöhung der spezifischen Steifigkeit ermitteln lässt, und bei einer Verstärkung mit den übrigen Verstärkungspartikeln sogar ein z. T. erheblicher Abfall der spezifischen Steifigkeit.
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D. h., um auch im Belastungsfall „Platte unter Biegung” eine Erhöhung der spezifischen Steifigkeit zu erzielen, sollte die Dichte der Verstärkungspartikel und vorzugsweise auch deren E-Modul möglichst der Dichte und dem E-Modul von CaB6 entsprechen. Vorzugweise sollte der E-Modul noch höher und die Dichte geringer als der E-Modul bzw. die Dichte von CaB6 sein. Demgemäß weisen erfindungsgemäß die Verstärkungspartikel eine Dichte von weniger als 2,50 g/cm3 und vorzugsweise einen E-Modul von mindestens 440 GPa auf. Weiterhin weisen die Verstärkungspartikel erfindungsgemäß vorzugsweise eine Kennzahl von E1/3/ρ von mindestens 3,05 auf, die deutlich über der von SiC liegt, welche 2,35 beträgt.
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Die mittlere Teilchengröße der Verstärkungspartikel beträgt vorzugsweise 0,5 bis 100 μm, insbesondere 1 bis 30 μm. Bei einer zu geringen Teilchengröße ist es aufgrund von Agglomeratbildung schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der Verstärkungspartikel zu erzielen. Eine zu große Teilchengröße der Verstärkungspartikel führt andererseits beim Gießen zu einer Konzentration der Verstärkungspartikel vom Randbereich zur Mitte des Gussstücks hin.
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Das Verhältnis von Länge zu Breite der Verstärkungspartikel beträgt vorzugsweise 1:1 bis 100:1, insbesondere 1:1 bis 3:1. Bei einem zu großen Länge/Breite-Verhältnis treten anisotrope Effekte auf.
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Der Anteil der Verstärkungspartikel beträgt, bezogen auf die partikelverstärkte Legierung, vorzugsweise 5 bis 50 Vol.-%. Bei einem zu hohen Volumenanteil wird der Werkstoff spröde und die Verarbeitbarkeit wird schlechter.
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Die gleichen Ergebnisse, wie sie vorstehend für eine Magnesiumlegierung erhalten werden, werden für eine Aluminiumlegierung ermittelt. Auch dort zeigen CaB6-Verstärkungspartikel den größten Effekt in allen drei Belastungsfällen hinsichtlich der spezifischen Steifigkeit gegenüber den übrigen Verstärkungspartikeln gemäß Tabelle 1.
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Die erfindungsgemäß partikelverstärkte Magnesium- oder Aluminiumlegierung kann im Druckguss eingesetzt werden. Sie ist insbesondere zum Thixo-Spritzgießen verwendbar, bei dem die partikelverstärkte Legierung in einer inerten Atmosphäre in einem Schneckenextruder auf eine Temperatur zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur erwärmt und in einem thixotropen Zustand einer Speicherzone zugeführt wird, aus der sie ausgestoßen wird.
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Beispiele
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Beispiel 1
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In eine Schmelze von AZ91D (90,00% Mg, 8,5–9,5% Al, 0,5–1,0% Zn mit Reinheitsgrad „D”) in einem Tiegel mit einem Durchmesser von etwa 70 mm und einer Höhe von etwa 100 mm werden unter Argon-Schutzgas bei 250 U/min 10 min CaB6-Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von 4,5 μm und einem mittleren Längen/Breiten-Verhältnis von ca. 2 in unterschiedlichen Volumenanteilen eingerührt. Die Schmelze wird in eine auf 150°C erwärmte Kokille abgegossen und der E-Modul nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur nach ASTM E 1876-01 bestimmt.
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Vergleichsbeispiel 1
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Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass statt CaB6-Partikel SiC-Partikel mit der gleichen mittleren Teilchengröße und dem gleichen mittleren Längen/Breiten-Verhältnis verwendet wurden.
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Beispiel 2
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Das Beispiel 1 wurde wiederholt, außer dass CaB6-Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von 9,3 μm verwendet wurden.
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Vergleichsbeispiel 2
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Das Vergleichsbeispiel 1 wurde wiederholt, außer dass SiC-Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von 9,3 μm verwendet wurden.
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Die Ergebnisse der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 sind in 4 für die Verstärkungspartikel mit einer mittleren Teilchengröße von 4,5 μm (F1000) und 5 für Verstärkungspartikel mit einer mittleren Teilchengröße von 9,3 μm (F600) dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der E-Modul, der mit der mit CaB6-Partikeln und der mit der mit SiC-Partikeln verstärkten Legierung erhalten wird, mit zunehmendem Volumenanteil der Verstärkungspartikel in gleichem Ausmaß ansteigt. Unter Berücksichtigung der geringeren Dichte von CaB6 von 2,45 g/cm3 gegenüber der Dichte von SiC von 3,21 g/cm3 resultiert daraus eine deutlich stärkere Erhöhung der spezifischen Steifigkeit bei Verstärkung mit CaB6-Partikeln gegenüber SiC-Partikeln. Die gemäß den 1 bis 3 rechnerisch ermittelten Werte der spezifischen Steifigkeit werden damit experimentell im Wesentlichen bestätigt.
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Mit Proben mit einem Durchmesser 5 mm und einer Höhe von 7 mm aus den partikelverstärkten Legierungen der Beispiele 1 und 2 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden jeweils Druckversuche nach DIN 50106 bei Raumtemperatur und 150°C durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 6 bis 13 dargestellt.
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Aus 6 und 7 ist ersichtlich, dass bei Raumtemperatur die Stauchgrenze der Proben mit CaB6 tendenziell größer ist als die Stauchgrenze der SiC-Proben, während gemäß 8 und 9 bei 150°C die Stauchgrenze der Proben mit CaB6 im gleichen Bereich wie bei den SiC-Proben liegt.
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10 und 11 ist zu entnehmen, dass die Bruchstauchung der Proben mit CaB6 bei Raumtemperatur tendenziell geringer ist als bei Proben mit SiC, jedoch gemäß 12 und 13 bei 150°C im gleichen Bereich mit den SiC-Proben liegt.
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Ferner zeigt die Bestimmung der Vickershärte HV1 gemäß 14 und 15, dass die Proben mit CaB6 eine Härte aufweisen, die im gleichen Bereich liegt wie die der Proben mit SiC.
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16 und 17 stellen Schliffbilder dar, die die Mikrostruktur einer AZ91-Legierung mit CaB6-Partikeln bzw. SiC-Partikeln zeigen. Wie daraus ersichtlich, sind in beiden Fällen die Verstärkungspartikel gleichmäßig verteilt.
