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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff.
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Aus
dem Stand der Technik ist die Herstellung von sogenannten Metal-Matrix-Nano-Composites
(MMNCs) bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Werkstoffkonzept,
bei dem eine metallische Matrix und insbesondere Magnesium oder
Aluminium beziehungsweise eine Legierung hieraus durch eine zweite,
in der Regel nicht metallische und nanoskalige Phase verstärkt wird.
Die Verstärkung
bilden beispielsweise Karbid- oder Metalloxid-Partikel mit einem
Durchmesser von unter einem Mikrometer (Nanopartikel).
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Durch
die Verstärkung
der Metallmatrix mittels Nanopartikeln können die mechanischen und insbesondere
thermomechanischen Eigenschaften dieser Metallmatrix verbessert
werden. Um jedoch konstante und definierte Werkstoffkennwerte zu
erhalten, ist es erforderlich, die Nanopartikel in der Metallmatrix
möglichst
homogen zu verteilen. Dies ist mit den aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren lediglich unter einem hohen Arbeits- und damit Kostenaufwand
möglich.
Dieser Arbeits- und Kostenaufwand hat die Verwendung derartiger
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe im Großserieneinsatz, beispielsweise
bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen, bislang verhindert.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen
Nanopartikel in einer Metallmatrix möglichst homogen verteilt werden sollen.
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Ein
erstes dieser Verfahren sieht ein direktes Einrühren der Nanopartikel in die
schmelzflüssige Metallmatrix
vor. Diese zweiphasige Schmelze wird daraufhin zu einem Bauteil
vergossen. Bei der Anwendung dieses Verfahrens hat sich herausgestellt, dass
die Partikel in der Metallschmelze häufig lediglich unzureichend
benetzt werden und aufgrund des Dichteunterschieds entweder aufschwimmen
oder absinken, wodurch eine homogene Verteilung gerade verhindert
wird.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht in der in-situ Bildung der Verstärkungspartikel, wobei bei der
Herstellung eines Bauteils die Verstärkungspartikel beispielsweise
im Rahmen einer eutektischen Reaktion aus der Metallmatrix selbst
ausreagieren (z. B. Mg2Si, etc.). Prinzipbedingt sind bei diesem
Verfahren die Möglichkeiten
hinsichtlich einer Auswahl der Verstärkungspartikel sowie der Größe und Form
dieser Partikel stark eingeschränkt.
Weiterhin erfordert dieses Verfahren zum Teil sehr hohe Anforderungen an
die Prozessführung.
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Die
dritte bekannte Alternative zur Verteilung von Verstärkungspartikeln
in einer Metallmatrix besteht in der Infiltration einer porösen Preform.
Hierzu wird aus den Nanopartikeln zunächst ein poröser Formkörper (Preform)
hergestellt, der in einem zweiten Verfahrensschritt druckunterstützt mit
der schmelzflüssigen
Metallmatrix infiltriert wird. Dieses Verfahren weist jedoch ebenfalls
eine Reihe von Nachteilen auf: Zum einen ist die Herstellung der
Preforms mit hohen Kosten verbunden. Weiterhin können lediglich kleinere Volumina
infiltriert werden, wodurch dieses Verfahren bislang lediglich für die lokale Verstärkung eines
Bauteils interessant ist. Eine Anwendung dieses Verfahrens mit nanoskaligen
Partikeln ist aufgrund der geringvolumigen Porosität der Preform,
die ebenfalls im nanoskaligen Bereich liegt, und der damit verbundenen
extrem schwierigen Infiltration kaum umsetzbar. Aus die sem Grund
kommt das Verfahren regelmäßig nur
bei der Verstärkung
eines metallischen Werkstoffs mit mikroskaligen Partikeln zum Einsatz.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem
Metallmatrix-Verbundwerkstoff bereit zu stellen. Insbesondere soll
dieses Verfahren eine einfache und somit kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung eines
Bauteils aus einem solchen Verbundwerkstoff ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Bauteils aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff
weist folgende Verfahrensschritte auf.
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In
einem ersten Verfahrensschritt werden Verstärkungspartikel mit einem ersten
Teil eines metallischen Werkstoffs gemischt. Vorzugsweise kann das
Mischen mittels eines Trockenmischprozesses erfolgen, wobei die
als Feststoff vorliegenden Verstärkungspartikel
mit dem ebenfalls als streufähiger Feststoff
vorliegenden Teil des metallischen Werkstoffs gemischt werden. Dieser
Teil des metallischen Werkstoffs kann insbesondere in Form eines
Granulats, von Spänen
oder als Pulver vorliegen. Ein solcher Trockenmischprozess zeichnet
sich insbesondere durch eine kostengünstige Technik aus, die auch
für industrielle
Anwendungen geeignet ist. Weiterhin können auf einfache Weise große Volumina verarbeitet
werden. Der Prozess kann zudem bei Raumtemperatur stattfinden, womit
gegenüber
solchen Mischprozessen, die ein Vorliegen des metallischen Werkstoffs
in einer Schmelze erfordern, große Mengen an Energie eingespart
werden können.
Weiterhin sind bei einem Mischen bei Raumtemperatur keine ungewollten
Reaktionen zwischen den einzelnen Phasen zu befürchten. Bei der Verwendung
von Magnesium als metallischer Werkstoff kann somit eine Entzündungsgefahr weitestgehend
ausgeschlossen werden. Der Trockenmischprozess kann beispielsweise
in einer Granuliertrommel erfolgen, wobei die beiden Phasen durch
eine Rotation der Trommel miteinander vermischt werden. Der Mischprozess
in einer Granuliertrommel kann gegebenenfalls durch die Zugabe von
Mahlkugeln unterstützt werden,
die in der Trommel frei beweglich vorliegen und aufgrund ihrer relativ
großen
Masse beim Auftreffen auf das Werkstoffgemisch die Nanopartikel mechanisch
in den metallischen Werkstoff einarbeiten.
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In
einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Werkstoffgemisch,
das sich aus dem Mischen der Verstärkungspartikel mit dem ersten
Teil der Metallmatrix ergibt, verdichtet. Hierbei können alle
gängigen
Verfahren wie beispielsweise das Strangpressen eingesetzt werden. Durch
das Verdichten des Werkstoffgemisches sollen Einschlüsse von
Luft- beziehungsweise anderer Gasen, die gegebenenfalls zu Gaseinschlüssen in
dem zu fertigenden Bauteil führen
könnten,
entfernt werden. Weiterhin können
auf diese Art und Weise Halbzeuge erzeugt werden, die eine möglichst
hohe Konzentration an Nanopartikeln aufweisen und zudem gute Handlingeigenschaften
haben, was insbesondere für
den nachfolgenden Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens
von Vorteil ist.
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In
diesem nachfolgenden Verfahrensschritt wird das verdichtete Werkstoffgemisch
in einen zweiten Teil des metallischen Werkstoffs eingebracht, wobei
dieser als Schmelze vorliegen soll. Hierbei wird der Anteil des
metallischen Werkstoffs in dem Werkstoffgemisch aufgeschmolzen,
wodurch sich die Nanopartikel in der Schmelze verteilen könne. Eine
Dispersion der Partikel in der Schmelze kann zudem aktiv unterstützt werden;
beispielsweise eignet sich hierfür
ein Verrühren
oder auch der Einsatz von Ultraschall.
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In
einem abschließenden
Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der sich aus
dem vorangegangenen Verfahrensschritt ergebende Verbundwerkstoff
zu dem gewünschten
Bauteil ur- oder umgeformt. Dies kann ebenfalls auf beliebige, aus
dem Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen. Da der Verbundwerkstoff
erfindungsgemäß jedoch
bereits als Schmelze vorliegt, kann bevorzugt vorgesehen sein, das
Bauteil mittels Druckgießen
herzustellen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen aus einem
Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der eine mit nanoskaligen Partikeln
verstärkte
Metallmatrix umfasst, da gerade die bei deren Verarbeitung vorkommenden
Nachteile, wie sie bei den Verfahren aus dem Stand der Technik auftreten,
verhindert werden sollen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich jedoch
auch für
die Verarbeitung von mikroskaligen Verstärkungspartikeln und auch von
Verstärkungspartikeln,
die als Kurzfasern vorliegen, eignen.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei den Verstärkungspartikeln
um solche, die Karbid- und/oder Metalloxid-Partikel umfassen. Diese
haben sich insbesondere in Kombination mit einem Leichtmetall oder
einer Leichtmetalllegierung als Metallmatrix als hinsichtlich einer
gewünschten
Steigerung der mechanischen Werkstoffkennwerte Erfolg versprechend erwiesen.
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Als
metallischer Werkstoff für
die Metallmatrix kommt bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung
zum Einsatz, da gerade diese hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte
durch eine Verstärkung
mit Nanopartikeln positiv beeinflusst werden können. Leichtmetalle weisen
zwar eine vorteilhaft geringe Dichte, jedoch auch – im Vergleich
zu Stahl – schlechtere
mechanische und thermomechanische Eigenschaften auf; durch die nanoskalige
Verstärkung
kann dieser Nachteil zumindest abgeschwächt werden.
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Als
vorteilhaft hat sich ein Massenanteil der Verstärkungspartikel an dem zu fertigenden
Bauteil im Bereich von 0,1% bis 5% und häufig um 1% gezeigt. Ein Zielbereich
von 1% kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass ca. 10%
Massenanteil Verstärkungspartikel
mit dem ersten Teil des metallischen Werkstoffs gemischt werden,
wobei wiederum 10% Massenanteil des für die Herstellung des Bauteils
vorgesehenen metallischen Werkstoffs für ein Mischen mit den Verstärkungspartikeln
vorgesehen ist. Grundsätzlich
kann es aber vorteilhaft sein, so viel Verstärkungspartikel mit dem ersten
Teil des metallischen Werkstoffs zu mischen, wie dies verfahrenstechnisch
möglich
ist (häufig
führt ein
zu großer Anteil
(> 10%) der Verstärkungspartikel
zu einem zu starken Agglomerieren der Partikel). Dadurch wird ermöglicht,
den Anteil des Werkstoffgemisches, der für ein Erreichen des Zielgehalts
an Verstärkungspartikeln
in dem Werkstoff des Bauteils mit der Schmelze gemischt werden muss,
zu reduzieren.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine vorteilhafte und insbesondere wirtschaftliche Herstellung von Verbundwerkstoffen
aus einer Metallmatrix und nanoskaligen Verstärkungspartikeln. Durch den
nur geringen erforderlichen Anteil der Verstärkungspartikel am Verbundwerkstoff
ist hiermit eine nur äußerst geringe
Erhöhung
der Dichte des Verbundwerkstoffs gegenüber dem metallischen Ausgangswerkstoff (Metallmatrix)
verbunden. Gleichzeitig können
die Eigenschaften der Metallmatrix durch das Einbringen der Nanopartikel
stark verbessert werden. Hierzu zählt insbesondere eine – wenn auch
häufig
nur geringe – Erhöhung des
E-Moduls, der Streckgrenze sowie der Festigkeit.
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Im
Gegensatz zu einer Verstärkung
mit Mikropartikeln kann bei einer nanoskaliger Verstärkung zudem
die Duktilität
sehr hoch gehalten werden. Ein Werkstoff mit guter Duktilität eröffnet eine
breite Auswahl von Anwendungen für
diesen Werkstoff, wie z. B. für
das Fahrwerk oder für
crashrelevante Bauteile von Kraftfahrzeugen, bei denen im Schadensfall
eine möglichst
hohe plastische Verformung erzielt werden soll.
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Der
Verbundwerkstoff mit nanoskaligen Verstärkungspartikeln hat zudem das
Potential, die thermomechanischen Eigenschaften gegenüber der
reinen oder mit Mikropartikeln verstärkten Metalllegierung zu verbessern,
weil die Nanopartikel aufgrund ihrer Größe als Hindernisse für die Versetzungsbewegungen
der Partikel wirken, die im Wesentlichen für die plastische Verformung
von Bauteilen bei erhöhten
Temperaturen (Kriechen) verantwortlich sind. Hierdurch eröffnen sich
insbesondere für
Magnesium- und Aluminiumlegierungen Anwendungen im Motorenbereich,
die bislang aufgrund einer zu geringen Kriechbeständigkeit
des Werkstoffs nicht erreichbar waren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
auf einfache und kostengünstige
und folglich großserientaugliche
Art und Weise Bauteile aus einem Leichtmetall mit sehr guter mechanischer
Festigkeit und Kriechbeständigkeit
sowie einer hohen Maßhaltigkeit
herzustellen.
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Durch
die gegenüber
der reinen Metalllegierung verbesserten Werkstoffeigenschaften können entsprechende
Bauteile schwächer
dimensioniert oder ein Werkstoff mit hoher Dichte (z. B. Stahl) durch
leichtere Magnesium- oder Aluminiumwerkstoffe substituiert werden.
Die Erfindung bietet somit ein Leichbaupotential, das insbesondere
im Kraftfahrzeugbereich, in der Luftfahrt sowie in der Freizeit- und
Sportgeräteindustrie
genutzt werden kann.