DE102009039323A1

DE102009039323A1 - Metallischer Werkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102009039323A1
Application number: DE102009039323A
Authority: DE
Inventors: Alexander Prof. Vorozhtsov; Franz Xaver Weller; Sergey Prof. Kulkov; Sergey Vorozhtsov
Original assignee: Recan GmbH
Current assignee: Weller Franz De
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-10
Also published as: WO2011023789A2; WO2011023789A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen metallischen Werkstoff, wobei der Werkstoff Phasen enthält, welche Carbide eines in ihm verwendeten Leichtmetalls enthalten, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs.

Description

Die Erfindung betrifft einen metallischen Werkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung, insbesondere unter Verwendung von Aluminium und Magnesium. Aluminium kann aufgrund seiner geringen Dichte vorteilhaft in vielen Anwendungen eingesetzt werden und ist insbesondere im Transportsektor als Konstruktionswerkstoff sehr gefragt. Von Natur aus weich, erfolgt eine Härtung von Aluminium nach dem Stand der Technik durch Legierung mit dichteren Metallen wie Kupfer, Magnesium, Mangan, und Zink, wobei auch eine oberflächliche Härtung möglich ist, die üblicherweise auf elektrolytischem Wege vorgenommen wird. Reale Aluminiumlegierungen enthalten neben den Legierungselementen, die zur Ausscheidungshärtung beitragen, stets noch weitere Elemente, wie Silizium und Eisen, die in Form von Primär- oder Hochtemperaturausscheidungen im Gefüge vorliegen und beispielsweise die Korngröße beeinflussen. Es ist seit langem bekannt, dass die Zugabe von Silizium zu Aluminium die Fließfähigkeit solcher Schmelzlegierungen zum Gießen komplizierter Formen wesentlich erhöht. Magnesium oder Magnesium mit geringen Mengen an Kupfer und Nickel dienen als zusätzliche Verstärkung bei Aluminium-Siliziumgusslegierungen. In Legierungen, die wärmebehandelt sind, bilden diese Elemente zusätzlich zum Silizium eine verstärkende Phase wie z. B. Mg₂Si, CuMgAl₂ und CuAl₂. Ferner entstehen komplexere intermetallische Zonen, die unterschiedlichste Kombinationen aus den Elementen Nickel, Kupfer, Magnesium, Silizium und Eisen enthalten können.
Darüber hinaus existiert eine Reihe weiterer Verfahren, meist Wärmebehandlungsverfahren, um Aluminium oder Magnesium zu härten, wozu z. B. das Lösungsglühen gehört. Dieses wird überwiegend in Luft- bzw. Schutzgasumwälzöfen oder Salzbädern durchgeführt, was einen erheblichen Aufwand an Zeit und Energie erfordert.
Die Anteile der oben genannten Beimischungen können von wenigen Prozenten bis zu mehr als 20 Gewichtsprozent betragen. Sie erhöhen jedoch entsprechend ihrer Dichte gegebenenfalls das spezifische Gewicht des Werkstoffes und können bei Verarbeitung wie bei Nutzung und Verwertung zu Umweltproblemen führen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gehärteten metallischen Werkstoff herzustellen, dessen Dichte kaum erhöht ist und der vorteilhafte mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die den in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen metallischen Werkstoff und das Verfahren zu dessen Herstellung gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße metallische Werkstoff enthält Phasen, welche Carbide eines in ihm verwendeten Leichtmetalls enthalten. Die genannten Phasen können dabei einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 nm und 10 000 nm, insbesondere im Bereich zwischen 2 nm und 50 nm aufweisen. Mit anderen Worten handelt es sich bei den genannten Phasen um Inseln mit bzw. aus einem Carbid des Leichtmetalls im Leichtmetallgefüge. Die so erzeugten lokalen Störungen des Kristallgitters des Metalls behindern die Versetzungsbewegungen im Werkstoff und steigern damit die Festigkeit bzw. Härte des Werkstoffes. Im Ergebnis erhält man einen partikelverstärkten metallischen Werkstoff, welcher bei sonst nahezu unveränderten physikalischen Eigenschaften verbesserte mechanische Eigenschaften wie insbesondere Zugfestigkeit und Oberflächenhärte aufweist.
Der Kohlenstoffanteil in dem Werkstoff kann zwischen 0,001 Massenprozent und 10 Massenprozent, insbesondere zwischen 0,01 Massenprozent und 5 Massenprozent betragen. Dabei ist weniger der Anteil des Kohlenstoffes, sondern vielmehr dessen homogene Verteilung im Werkstoffgefüge entscheidend. Eine vorteilhafte Option zur homogenen Verteilung des Kohlenstoffes besteht in der Verwendung von Nanopartikeln, insbesondere von Diamant-Nanopartikeln.
Bei dem Leichtmetall kann es sich um Aluminium oder um eine Mischung aus Aluminium und Magnesium handeln.
Der Werkstoff kann beispielsweise einen wie oben beschriebenen partikelverstärkten Aluminiumanteil als Vorlegierung und daneben weitere metallische Anteile, insbesondere Kupfer, Magnesium oder Zink enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des metallischen Werkstoffs enthält die folgenden Schritte:

– Herstellung eines Leichtmetallpulvers
– Mischung des Leichtmetallpulvers mit Diamantpartikeln
– Verpressen des entstandenen Pulvergemisches

Die Diamantpartikel können eine Korngröße im Bereich von 1 nm bis 10.000 nm, insbesondere im Bereich zwischen 2 nm und 50 nm aufweisen. Die Verwendung der genannten Diamant-Nanopartikel ermöglicht eine homogene Verteilung der oben genannten carbidischen Phasen im Metall und damit eine gleichmäßige Partikelverstärkung des erhaltenen Werkstoffs.
Der Anteil des Kohlenstoffs bzw. des Diamant an dem Pulvergemisch kann ca. 0,001 Massenprozent bis 10 Massenprozent, insbesondere zwischen 0,01 Massenprozent und 5 Massenprozent betragen.
Bei dem Leichtmetallpulver kann es sich um Aluminium oder eine Mischung aus Aluminium und Magnesium mit einer Korngröße im Bereich zwischen 10 nm bis 5 mm, insbesondere im Bereich zwischen 50 nm und 150 nm, handeln.
Das Pulvergemisch kann bei einer Temperatur zwischen 200°C und 600°C, insbesondere zwischen 500°C und 600°C und einem Druck von 1 MPa bis 100 MPa, insbesondere zwischen 50 MPa und 70 MPa für einen Zeitraum von 1 Min. bis 60 Min., insbesondere von 15 Min. und 25 Min. verpresst werden. Die genannten Parameter hängen dabei von den weiteren Bedingungen des Pressvorgangs, wie beispielsweise der Wandstärke der Pressform ab.
Durch das Heißpressverfahren wird das Gemisch zu einem Werkstoffteil verfestigt, wobei mindestens Teile der Diamantpartikel mit den benachbarten Leichtmetallatomen zu Al-Karbid (Al₄C₃, bzw. Mg₂C₃) reagieren. Durch die Passivierungsschicht der Leichtmetalle (ihre Oxide) enthält der erzeugte Werkstoff auch Anteile von Sauerstoff, die ebenfalls einen Beitrag zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften beitragen können.
Das Werkstoff kann direkt in seiner gewünschten Form verpresst werden oder durch übliche Werkstoffbearbeitungsmethoden zu seiner Form umgestaltet werden. Es können daraufhin auch noch eine Reihe von Nachbehandlungsmethoden angewandt werden, wie sie bei derartigen Leichtmetallen üblich sind. Einige Wärmebehandlungsmethoden wurden bereits oben erwähnt. Der Werkstoff kann zu einem Pulver von Korngrößen vom mm- bis zum nanometer-Bereich gemahlen werden und Leichtmetallen oder anderen Metallen bei einem üblichen Gußvorgang oder Knetvorgang zugegeben werden. Das Al₄C₃ oder Mg₂C₃, gegebenenfalls mit den Oxidanteilen im Werkstoff gelangt dabei auch in den daraus entstehenden Werkstoff und kann weitere nach dem Stand der Technik in größeren Anteilen zu Festigkeitssteigerung benötigte Additive ersetzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der 1 und 2 erläutert.
Es zeigen:
1 Das Ergebnis einer elektronenmikroskopischen Elementanalyse, und
2 Das Ergebnis einer Stoffanalyse mittels Röntgenbeugung.
Zunächst wird eine Mischung aus 95 Massenprozent Aluminium in Korngrößen von 50–150 nm und mit 5 Massenprozent Nano-Diamanten in Korngrößen von 2–50 nm mit einem Taumelmischer für einen Zeitraum von 5 Minuten gemischt. Alternativ können bei jeweils gleichen Korngrößen beider Komponenten Gewichtsanteile von 99 Massenprozent Aluminiumpulver und 1 Massenprozent Nano-Diamanten verwendet werden. Die erhaltene Mischung wird in ein Presswerkzeug mit runder Form eingefüllt. Dort wird die Mischung bei einem Druck von 60 MPa und einer Temperatur von 600°C etwa 20 Minuten lang verpresst.
Der Werkstoff zeigt eine homogene Verteilung von Kohlenstoff im Werkstoff aber auch das Vorhandensein von Sauerstoff, was beispielsweise mittels elektronenmikroskopischer Aufnahmen mit Elementanalyse (siehe 1) nachgewiesen werden kann.
Die Bildung von Al₄C₃ kann mittels Röntgenbeugung (siehe Bild 2) nachgewiesen werden.
Der erhaltene Werkstoff zeigt einen um einen Faktor 3 höheren Härtewert als das Ausgangsaluminium.

Claims

Metallischer Werkstoff, wobei der metallische Werkstoff Phasen enthält, welche Carbide eines in ihm verwendeten Leichtmetalls enthalten.
Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 nm und 10 000 nm aufweisen.
Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen einen Durchmesser im Bereich zwischen 2 nm und 50 nm aufweisen.
Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffanteil in dem Werkstoff zwischen 0,001 Massenprozent und 10 Massenprozent beträgt.
Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffanteil in dem Werkstoff zwischen 0,01 Massenprozent und 5 Massenprozent beträgt.
Werkstoff nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetall um Aluminium oder Magnesium oder um eine Legierung beider Leichtmetalle handelt.
Verfahren zur Herstellung eines metallischen Werkstoffs mit den folgenden Schritten: – Herstellung eines Leichtmetallpulvers – Mischung des Leichtmetallpulvers mit Diamantpartikeln – Verpressen des entstandenen Pulvergemisches
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantpartikel eine Korngröße im Bereich von 1 nm bis 10.000 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantpartikel eine Korngröße im Bereich zwischen 2 nm und 50 nm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Diamantpartikel an dem Pulvergemisch ca. 0,001 Massenprozent bis 10 Massenprozent beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Diamantpartikel an dem Pulvergemisch zwischen 0,01 Massenprozent und 5 Massenprozent beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetallpulver eine Korngröße im Bereich zwischen 10 nm bis 5 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetallpulver eine Korngröße im Bereich zwischen 50 nm und 150 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Leichtmetallpulver um Aluminium oder um eine Mischung aus Aluminium oder Magnesium handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvergemisch bei einer Temperatur zwischen 200°C und 600°C verpresst wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvergemisch bei einer Temperatur zwischen 500°C und 600°C verpresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen bei einem Druck von 1 MPa bis 100 MPa erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verpressen bei einem Druck zwischen 50 MPa und 70 MPa erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpressvorgang für einen Zeitraum zwischen 1 Min. und 60 Min. andauert.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpressvorgang für einen Zeitraum zwischen 15 Min. und 25 Min. andauert.