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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Veränderung der Gefügestruktur von Metallen im festen Zustand, die im weiteren als Halbzeug, Werkstück oder elektrisches Bauelement in Industriezweigen, wie Automobilbau, Chipindustrie, Elektroindustrie oder Luft- und Raumfahrttechnik Verwendung finden und an die festigkeitsmäßig und/oder hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit erhöhte Anforderungen gestellt werden.
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In der heutigen Zeit kennzeichnen sich besonders effektive technische Lösungen durch einen selbstorganisierenden Prozess, in dem sich die Gefügestruktur und deren Kristallite nahezu selbstständig oder technisch modifiziert für eine bestimmte Kraftbelastung in eine energiestabile Anordnung bringen. Dieser Prozess entspricht dem Entwicklungshintergrund der Natur, einem über Jahrmillionen bewährten Prozess. Pflanzen und Tiere können an Stellen höherer Belastung zusätzlich Material anordnen, Strukturen speziell formen und auch Material an Stellen geringerer Belastung für eine Gewichtsreduktion entfernen. Dieser selbstorganisierende Prozess wird gemäß
DE 10 2006 062 189 B4 auch in der Verbesserung der technischen Blechherstellung genutzt.
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Die Gefügestrukturen von Metallen ändern sich dagegen in ihrem normalen Zustand nicht. Das erfolgt erst durch Einleiten großer Energiemengen, wenn sie zum Beispiel durch zu große Belastungen verformt und Versetzungen angestaut werden.
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In der Patentschrift
DE 103 49 980 A1 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem die Gefügestruktur von Metallen gezielt verändert werden kann, indem eine metallische Schmelze während ihres Abkühlens einem elektrischen Stromfluss unterworfen wird. Abhängig von der Signalform und der Frequenz werden bestimmte Eigenschaften erreicht.
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Es ist allgemein bekannt, dass eine Möglichkeit, das Gefüge im festen Zustand zu verändern, durch Glühprozesse gegeben ist. Hierbei wird das Material auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt, und das Gefüge ändert sich in Abhängigkeit von der zugeführten Energie. Das sogenannte Rekristallisationsglühen ist der Glühprozess mit der geringsten Temperatur. Es bietet die Möglichkeit, Versetzungen abzubauen und die Kristallite wieder in ihren energiestabilen Ausgangszustand zu bringen. Bei diesem Verfahren wird das Material auf die sogenannte Rekristallisationstemperatur erwärmt, und Gitterbaufehler werden durch eine Neuorientierung des Gefüges in Folge von Kornwachstum und Keimbildung abgebaut. Die entstehende Korngröße ist dabei abhängig von dem Umformgrad, der Glühtemperatur und der Glühzeit. Diese Temperatur liegt üblicherweise bei ca. 40% der Schmelztemperatur eines Werkstoffes in Grad Kelvin, ist jedoch stark von dessen Reinheit und den verwendeten Legierungselementen abhängig.
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Für Kupfer zum Beispiel wird in Fachbüchern eine Rekristallisationstemperatur von ca. 200°C angegeben, wobei Forschungen an der Technischen Universität Braunschweig (www.tu-braunschweig.de/ifw/forschung/phymessvf/trafokin/Kalorimetrie/rekristallisation/simulation) gezeigt haben, dass die Rekristallisation von reinem Kupfer schon bei 121°C einsetzen kann, was im konkreten Fall einem Prozentsatz von nur 28% der Schmelztemperatur entspricht.
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Weiterhin werden Werkstoffe auch bei höheren Prozentsätzen der Schmelztemperatur in mehreren Etappen geglüht, um fertigungstechnische und anwendungsorientierte Verbesserungen in Werkstoffen zu erzielen. Diese sogenannten Verfahren Normal-glühen oder Grobkornglühen sind allgemein bekannte gängige Verfahren, die, basierend auf Erfahrungswerten, eine bestimmte Zeitdauer und eine bestimmte Temperatur auf den zu behandelnden Werkstoff einwirken und auch nacheinander ausgeführt werden können. Diese Verfahren ermöglichen es, eine bestimmte Gefügestruktur mit einer definierten Korngröße zu erzielen und die Eigenschaften bewusst zu verändern.
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Die genaue Anordnung der Kristallite ist jedoch bei diesen Verfahren trotzdem überwiegend zufällig bedingt, weil die Kristallite sich nur Anhand der im System vorherrschenden Energie stabil anordnen, jedoch nicht unter Bedingungen einer späteren Kraftbelastung.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das Verfahren auf Basis des Rekristallisationsglühens zur gezielten Verbesserung der Werkstoffeigenschaften weiter zu entwickeln.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem in einem instabilen Systemzustand zeitgleich zum thermischen Einfluss im Sinne eines Rekristallisationsglühens elektrisch schwingende Signale mit folgendem Ablauf einwirken: Der zu behandelnde Werkstoff wird im festen Zustand zunächst durch eine thermische Erwärmung in einen inneren instabilen Systemzustand gebracht, bei dem eine Bewegung der Kristalle möglich ist. Im Weiteren wird zeitgleich dazu die Gefügestruktur im Werkstoff dem Einwirken einer komplexen elektrischen Spannung in einer definierten Signalform unterworfen, die einer speziellen Kraftbelastung entspricht und die Kristallite speziell ausrichtet. Damit wurde gefunden, dass die Signalform und deren Intensität die werkstoffspezifischen Eigenschaften anwendungsspezifisch positiv beeinflussen.
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Durch einen Glühprozess bei gleichzeitiger Einwirkung eines komplexen elektrischen Signals der Resonanzschwingung kann die Gefügestruktur für die Schwingung stabilisiert werden und Resonanzerscheinungen werden minimiert.
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Es ist weiterhin möglich, dass die thermische Erwärmung und die elektrische Kraftwirkung durch ein überlagertes Signal erzeugt werden.
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Untersuchungen haben gezeigt, dass die Signalform und deren Intensität sowie deren Einwirkungsdauer die werkstoffspezifischen Eigenschaften anwendungsspezifisch beeinflussen. Das elektrische Signal kann eine gepulste Gleichspannung oder Wechselspannung in Form eines reinen Sinus-Signals oder ein komplexes Signal sein, bestehend aus mindestens zwei verschiedenen Frequenzen, einer Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung oder einer abgeänderten Wechselspannung, wobei die Amplitude der einen Halbwelle verändert gegenüber der zweiten ist.
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Die Einwirkung elektrischer Schwingungen erfolgt in mindestens einem der drei Verfahrensschritte Anwärmen, Halten und Abkühlen bei der Fertigung auf den zu behandelnden Werkstoff, das zu behandelnde Halbzeug oder Bauelement, wobei der Temperaturbereich der thermischen Erwärmung im Bereich von wenigstens 25% der jeweiligen Schmelztemperatur in Grad Kelvin des zu behandelnden Werkstoffes liegt. Vorteilhaft ist es, wenn der zu behandelnde Werkstoff, das Halbzeug beziehungsweise das zu behandelnde Bauelement eine elektrische Leitfähigkeit über 5 × 106 A/(V × m) aufweist.
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Durch eine zum Erwärmungsprozess zeitgleiche Krafteinwirkung eines elektrischen Signals nach oben beschriebener Signalform können diese Verfahren optimiert werden und eine stabile Gefügestruktur für eine bestimmte Kraftwirkung selbstorganisierend und energiestabil bilden. Die dadurch entstehenden Vorteile können zum Beispiel für die Automobilindustrie genutzt werden.
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Die beschriebenen Vorteile treten ebenfalls ein bei der erfindungsgemäßen Behandlung von Schweiß- und/oder Lötbauteilen, wobei bei letzteren Bauteilen Fließtemperatur des Lotes und Temperatur des Eintretens von Gefügeänderungen im Grundwerkstoff besonderer Beachtung bedürfen.
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Aus der zusätzlichen Schwingungsstabilisierung resultiert eine Reduzierung der Materialdicke und von Dämmmaterial. Dadurch entsteht eine Kostenreduktion. Der Energieeinsatz verringert sich und gleichzeitig ist eine Gewichtsreduktion möglich. Ebenso verbessert sich die elektrische Leitfähigkeit.
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Mit diesem Verfahren ist eine gezielte Materialoptimierung für vielfältige Anwendungsbereiche gegeben. Dies wird an Ausführungsbeispielen im späteren deutlich. Dabei kann das Verfahren für die Optimierung produzierter Halbzeuge oder auf Einzelteile oder auf ganze Baugruppen angewandt werden. Die durch die thermische Energie ermöglichte Bewegung und Formung der Gefügestruktur ruft durch die gezielte Kraftwirkung von Schwingungen im Material einerseits eine bessere Leitfähigkeit hervor und bewirkt anderseits auch eine Stabilitätssteigerung bei schwingender Belastung.
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Im Vergleich zum Stand der Technik wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung der Werkstoff im festen Zustand beeinflusst, in dem trotzdem durch die thermische Einwirkung kristalline Veränderungen stattfinden können, aber die bereits gefertigte (Ur-)Form erhalten bleibt. Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, dass es für die Bearbeitung von Halbzeugen und Halbzeugen, auf die bereits Fertigungsschritte eingewirkt haben, angewendet werden kann. Die Vorteile, die durch die Optimierung der Gefügestruktur bei einem gegossenen Material erzielt werden, werden durch jeden weiteren Fertigungsschritt abgeschwächt. Ein weiteres nachträgliches Glühen kann ein optimiertes Gefüge für Einzelteile oder eine Baugruppe bewirken.
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Die durch die thermische Energie ermöglichte Bewegung und Formung der Gefügestruktur ruft durch die gezielte Kraftwirkung von Schwingungen im Material einerseits eine bessere Leitfähigkeit hervor und anderseits wird ebenfalls eine Stabilitätssteigerung im Sinn einer erhöhten Festigkeit bei schwingender Belastung bewirkt.
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Ein Anwendungsgebiet ist die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Werkstoffes, der in einem schwingenden System verbaut ist und gezielt Schwingungen unterdrückt, wie das insbesondere in der Automobilindustrie gewünscht ist. Beispielhaft kann eine Tür in der Automobilindustrie sein, die durch ihre Form und das Material eine bestimmte Eigenresonanz besitzt. Durch einen Glühprozess bei gleichzeitiger Einwirkung eines komplexen elektrischen Signals kann die Gefügestruktur für diese Schwingungen stabilisiert und Resonanzerscheinungen minimiert werden.
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Ebenso sind nachfolgend weitere Fertigungsschritte wie Umformen, Zerspanen, Abtragen oder Beschichten möglich.
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Ein Anwendungsbereich dieses Werkstoffes ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beispiel bei einem Kupferleiter, da ein für akustische Signale optimiertes Halbzeug erstellt werden kann. Demzufolge ist die Weiterleitung schwingender elektrischer Signale zum Beispiel in Kabeln und Drähten für Unterhaltungselektronik relevant. Diese Drähte werden heutzutage durch ein Drahtziehen mit anschließendem Drahtglühen hergestellt. Das Drahtglühen kann entweder über eine Widerstandserwärmung des Drahtes mittels einer Gleichspannung oder durch Induktion in dem Draht durch ein hochfrequentes schwingendes elektromagnetisches Feld erzeugt werden.
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Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter Werkstoff kann vorzugsweise ebenfalls als Kabel, Kondensator, Spule, Widerstand, Transistor, Transformator, Stecker, Schalter, Taster oder Potentiometer oder sogar als Lautsprechermembran Verwendung finden. Weiterhin kann dieses Verfahren auch zur Optimierung vollständig gefertigter metallischer Bauelemente verwendet werden, bei denen durch weitere Umformprozesse Veränderungen in der Gefügestruktur eines Werkstoffes vorhanden sind.
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Die Erfindung soll im folgenden an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
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Ausführungsbeispiel I:
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Beispielhaft besitzt eine Tür in der Automobilindustrie durch ihre Form und das Material eine bestimmte Eigenresonanz und ein stark geändertes Gefüge nach den vorangegangenen Umformprozessen. Demzufolge wird diese Tür im bestehenden Produktionsprozess durch die Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in denselben erfindungsgemäß behandelt, indem die Gefügestruktur in einen schwingungsstabilen Zustand gebracht wird. Die Schwingung wird über einen Frequenzgenerator erzeugt, durch einen Verstärker auf die gewünschte Leistung verstärkt und durch die als elektrischer Leiter wirkende Tür geleitet. Die so behandelte Tür erhält so nachträglich ein stabiles Gefüge in der späteren Anwendungsform.
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Eine Anwendung ist für statische Elemente, wie z. B. Türen, Motorhauben, Kofferraumdeckel, A-, B- C-Säulen und dergleichen als auch für bewegte Elemente, wie z. B. Kurbelwellen, Felgen, Zahnräder, Zylinderköpfe und dergleichen Bauteile möglich.
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Ausführungsbeispiel II:
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Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Optimierung von metallischen Körpern, die als elektrische Leiter verwendet werden. Das Gefüge wird bei diesem Anwendungsfall für die Weiterleitung eines elektrischen Signals durch den gezielten Krafteinfluss verbessert.
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Drähte zum Beispiel werden regelmäßig durch ein Drahtziehen mit anschließendem Drahtglühen hergestellt. Das Drahtglühen kann entweder über eine Widerstandserwärmung nach dem Joul'schen Prinzip mittels einer Gleichspannung oder mittels Induktion durch ein hochfrequent schwingendes elektromagnetisches Feld in dem Draht erreicht werden. Diese Verfahren entsprechen jedoch nicht in der Signalstärke und der Signalform einer späteren Belastung und dienen auch nicht dem Effekt einer optimierten Übertragung von hochkomplexen Frequenzgemischen, wie sie in einem Musiksignal vorliegen. Diese herkömmlichen Verfahren haben den Hintergrund eines mechanischen Spannungsabbaus an der Oberfläche des Drahtes.
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Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zum Beispiel bei einem Kupferleiter, kann ein für akustische Signale optimiertes Halbzeug erstellt werden. Hierbei wird der Leiter bis zu einem definierten Prozentsatz der Schmelztemperatur erwärmt, bei dieser Temperatur gehalten und wieder abgekühlt. Zeitgleich wird ein elektroakustisches Signal in den Kupferleiter eingespeist, welches beispielhaft über einen Frequenzgenerator erzeugt, über einen Verstärker intensiviert und durch das vorhandene Halbzeug geleitet wird.
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Als Signal empfiehlt sich ein weißes Rauschen, welches die Frequenzen von 20–20.000 Hz in gleicher Intensität enthält und damit eine für alle Frequenzen und Frequenzgemische optimale Gefügestruktur erreichen lässt.
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In umfangreichen Hörtests mit verschiedenen Musikrichtungen, mehreren Testpersonen und grundsätzlich als sogenannte Blindtests ausgelegt, konnte eine eindeutig wahrnehmbare Verbesserung der Musikübertragungsqualität bestätigt werden. Verglichen wurde hier ein jeweils unbehandelter und zwei behandelte Leiter als verbin-dendes Element zwischen dem Verstärker und dem Lautsprecher, wobei der eine Leiter nur bei einer bestimmten Temperatur erwärmt und der dritte zeitgleich mit einem der oben beschriebenen elektrisch schwingenden Signale durchflossen wurde.
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Ausführungsbeispiel III:
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Besonders effektiv zeigt sich die Verwendung dieses Verfahrens zur Optimierung vollständig gefertigter Bauelemente auf die vorher ein Umformungsschritt gewirkt hat, wie zum Beispiel einer Spule. Eine Spule ist in der Elektrotechnik ein Bauelement, welches ein Magnetfeld erzeugt oder detektiert und sich durch aufgewickelten Draht oder Folie kennzeichnet. Dieser Draht oder diese Folie wird durch einen Wicklungsprozess plastisch verformt, staut Versetzungen an und ändert somit deutlich die Gefügestruktur. Ein erneuter Glühprozess nach dem erfindungsgemäßen Verfahren homogenisiert die Gefügestruktur, baut Versetzungen ab und richtet die Kristallite optimal für eine spätere Kraftbelastung aus.
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Auch hier wird nach angemessener Erwärmung als elektrisch schwingendes Signal ein definiertes elektroakustisches Signal nach üblicher Verstärkung in den Kupferleiter eingespeist und zeitweilig begrenzt gehalten. Spulen können einerseits als frequenzabhängiger Widerstand in vielen elektrotechnischen Anwendungen Gebrauch finden oder auch als Schwingspulen oder Tauspulen in elektrodynamischen Schallwandlern wie Lautsprechern oder Mikrofonen verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006062189 B4 [0002]
- DE 10349980 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.tu-braunschweig.de/ifw/forschung/phymessvf/trafokin/Kalorimetrie/rekristallisation/simulation [0006]