DE102007005211B4

DE102007005211B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE102007005211B4
Application number: DE102007005211A
Authority: DE
Inventors: Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: DE102007005211A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, bei dem aus Al₂O₃ bestehende Keramikteilchen, die eine Materialkorngröße von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen, durch ein Sprühverfahren oder durch Granulation in einer Wirbelschicht vollständig mit einer Stahlschicht umhüllt werden, die umhüllten Keramikteilchen zu einer Stahlmatrix versintert und anschließend mit Stahlguss oder Gusseisen umgossen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes.
Verbundwerkstoffe sind Kombinationen aus mindestens zwei verschiedenen Werkstoffen mit dem Ziel, durch die Kombination der Werkstoffe die Materialeigenschaften der einzelnen Stoffe zu verbessern.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Verbundkörper aus Keramik und Metall herzustellen, um somit die Eigenschaften der Materialien, wie Härte der Keramik und Verformbarkeit des Metalls miteinander zu kombinieren. Dabei wird in einen Keramikkörper ein geschmolzenes Metall eingebettet. (siehe DD 301 900 A9 , DD 285 774 A5 , WO 92/00256 A2 ) Die DE 37 86 163 T2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen, bei denen die pulverförmigen Ausgangsstoffe einen Sinterprozess durchlaufen.
Aus der DE 10 2004 012 990 A1 ist ein Metall-Keramik-Verbundwerkstoff bekannt, der aus einem offenporigen Metallschaum besteht und dessen Poren vollständig oder teilweise mit einem keramischen Werkstoff ausgefüllt werden. Der Verbundwerkstoff weist bei einem vergleichsweise niedrigen Gewicht eine hohe Härte und hohe Zähigkeit auf.
Aus der DE 10 2004 063 489 B3 ist bekannt, Leichtbauelemente auf der Basis von Hohlkugeln zu bilden, bei denen die Hohlkugeln entsprechend dem herzustellenden Teil mittels eines Zuführgerätes exakt platziert und durch Verpressen oder Erhitzen miteinander verbunden werden. (siehe auch DE 100 18 501 C1 ) Gemäß der DE 199 29 760 C2 bestehen die metallischen oder keramischen Hohlkugeln aus unterschiedlichen Materialschichten.
Der Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, dass die Herstellung eines Verbundwerkstoffes, der neben einem geringen Gewicht sich durch eine hohe Härte und große Zähigkeit auszeichnet, sehr aufwendig ist. Durch den Einsatz von Hohlkugeln oder Metallschaum wird zwar das Gewicht des Werkstoffes reduziert, aber die Härte und Zähigkeit des Materials sind insgesamt nicht befriedigend.
Aus der US 6 399 018 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes bekannt, bei dem ein Gemisch aus Keramikteilchen, einem Binder und ersten Metallteilchen auf eine Temperatur über die Schmelztemperatur des Binders erhitzt wird, das Gemisch in eine Form gegeben und dort entgast wird, wobei der Binder von den Keramik- und ersten Metallteilchen getrennt wird. Anschließend wird durch Abkühlung ein Precursor erhalten, welcher aus der Form entnommen und auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sich eine poröse dreidimensionale Matrix mit untereinander verbundenen Poren ausbildet, wobei die Matrix aus den Keramikteilchen und zumindest teilweise miteinander versinterten ersten Metallteilchen gebildet wird. In die poröse Matrix wird ein geschmolzenes zweites Metall infiltriert, wobei die Infiltration der porösen Matrix durch Eingießen des zweiten Metalls erfolgt. Danach erfolgt die Abkühlung des so hergestellten Materials.
Das so hergestellte Material zeichnet sich, bedingt durch die eingelagerten Keramikteilchen, durch eine große Härte aus. Der Einsatz des so hergestellten Materials erfolgt hauptsächlich als Schneidstoff in der Werkzeugindustrie für spanende Fertigungsverfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes zu schaffen, bei dem der Verbundwerkstoff stahlähnliche Eigenschaften bei einem erhöhten E-Modul und einem geringeren Gewicht aufweist und der kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung eines aus Keramik und einem metallischen Material bestehenden Verbundwerkstoffes dadurch, dass aus Al₂O₃ bestehende Keramikteilchen, die eine Materialkorngröße von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen, durch ein Sprühverfahren oder durch Granulation in einer Wirbelschicht vollständig mit einer Stahlschicht umhüllt werden, die umhüllten Keramikteilchen zu einer Stahlmatrix versintert und anschließend mit Stahlguss oder Gusseisen umgossen werden.
Der erfindungsgemäße hergestellte Werkstoff weist stahlähnliche Eigenschaften aber mit einem erhöhten E-Modul auf. Durch das spröde und feste Keramikmaterial werden die auf das Material einwirkenden Druckkräfte aufgenommen, während die das Keramikmaterial umgebende Stahlmatrix die auf das Material einwirkenden Zugkräfte aufnimmt. Außerdem ist der so hergestellte Werkstoff insgesamt leichter als ein vergleichbarer Stahlwerkstoff.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes und
2: das Festigkeits-Dehnungs-Diagramm, dargestellt beispielsweise für einen Zugversuch von dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff im Vergleich zu einem Keramik- und einem Stahlwerkstoff.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes werden aus Al₂O₃ bestehende Keramikteilchen 1, die eine Materialkorngröße von 0,1 bis 10 mm besitzen, mittels Sprühverfahren oder durch Granulation in einer Wirbelschicht, vollständig mit einer Stahlschicht 2 umhüllt. Entsprechend der Materialgröße der vorzugsweise kugelförmigen Keramikteilchen 1 werden diese mit einer Stahlschicht 2 umhüllt, dessen Beschichtungsstärke 2 μm bis 3 mm betragen kann. Danach werden die mit einer Stahlschicht 2 umhüllten Keramikteilchen 1 zu einer Stahlmatrix versintert. Die Versinterung der umhüllten Keramikteilchen 1 erfolgt bei entsprechenden Temperaturen derart, dass die so entstandene Stahlmatrix schon der Grundform der herzustellenden Teile entspricht. Die miteinander versinterte Stahlmatrix mit den eingeschlossenen Keramikteilchen 1 wird durch Umgießen mit Stahlguss oder Gusseisen in ihre Endform gebracht. In der 1 ist das Gussmaterial, mit dem die Stahlmatrix umgossen wurde, mit 3 gekennzeichnet. Erfindungsgemäß werden die umhüllten und zu einer Stahlmatrix versinterten Keramikteilchen derart mit einem metallischen Gussmaterial 3 umgossen, dass der Anteil des Keramikmaterials im Verbundwerkstoff ca. 30 M.-% bis 90 M.-%, vorzugsweise 55 M.-% bis 65 M.-%, beträgt.
In der 1 ist der so hergestellte Verbundwerkstoff schematisch dargestellt. Dabei wurden mit 1 die Keramikteilchen, mit 2 die Stahlschicht der umhüllten Keramikteilchen 1 und mit 3 das Gussmaterial, mit dem die stahlbeschichteten und versinterten Keramikteilchen 1 umgossen wurden, bezeichnet.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff weist stahlähnliche Eigenschaften auf, besitzt aber einen erhöhten E-Modul und ist gegenüber einem reinen Stahlwerkstoff leichter. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Einsatzbereich in der Technik, insbesondere in der Fahrzeugtechnik. Ein weiterer Vorteil des so hergestellten Verbundwerkstoffes besteht darin, dass die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Formstücke durchaus noch mechanisch weiter bearbeitet werden können. Dabei stellt die mechanische Bearbeitbarkeit einen wesentlichen Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoffes dar.
In der 2 ist ein entsprechendes Festigkeits-Dehnungs-Diagramm dargestellt, bei dem mit δ die Festigkeit und mit ε die Dehnung des jeweiligen Materials aufgetragen wurde. In der 2 wurde mit 6 die Dehnungskurve von Stahl und mit 4 die von Keramik aufgezeichnet. Die Kurve 5 stellt entsprechend der gewählten Materialzusammensetzung einen tendenziell möglichen Verlauf der Dehnungskurve des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes, bestehend aus einer Stahl-Keramik-Matrix, dar. Daraus lässt sich erkennen, dass der Verbundwerkstoff gegenüber Stahl einen erhöhten E-Modul aufweist, aber annähernd einen gleichen Dehnungsverlauf wie Stahl besitzt. Gegenüber dem reinen Keramikwerkstoff weist der erfindungsgemäß hergestellte Verbundwerkstoff bedeutend bessere Dehnungseigenschaften auf. In der 2 ist mit 7 der elastische Bereich von Stahl dargestellt. Durch unterschiedliche Materialstärken der Umhüllung der Keramikteilchen 1 und durch den Gesamtanteil von metallischem Werkstoff im Verbundwerkstoff lässt sich die Zähigkeit bzw. der E-Modul des Verbundwerkstoffes einstellen. Bei einer entsprechenden Belastung des Bauteils werden eingeleitete Zugkräfte hauptsächlich durch die Stahlmatrix und eingeleitete Druckkräfte hauptsächlich durch das Keramikmaterial aufgenommen.

1: Keramikteilchen
2: Material der Umhüllung der Keramikteilchen
3: Grundwerkstoff
4: Dehnungskurve von Keramik
5: Dehnungskurve des Stahl-Keramik-Verbundwerkstoffes
6: Dehnungskurve von Stahl
7: elastischer Bereich von Stahl
δ: Festigkeit
ε: Dehnung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, bei dem aus Al₂O₃ bestehende Keramikteilchen, die eine Materialkorngröße von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen, durch ein Sprühverfahren oder durch Granulation in einer Wirbelschicht vollständig mit einer Stahlschicht umhüllt werden, die umhüllten Keramikteilchen zu einer Stahlmatrix versintert und anschließend mit Stahlguss oder Gusseisen umgossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikteilchen mit einer Beschichtungsstärke von 2 μm bis 3 mm mit einer Stahlschicht umhüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikteilchen derart mit einem metallischen Gussmaterial umgossen werden, so dass der Anteil des Keramikmaterials im Verbundwerkstoff 30% bis 90 M-%, vorzugsweise 55% bis 65 M-%, beträgt.