DE102011120540B4

DE102011120540B4 - Herstellung eines Sinterpulvers und Sinterkörper

Info

Publication number: DE102011120540B4
Application number: DE102011120540.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lampke; Ihsan Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: DE102011120540A1

Abstract

Herstellungsverfahren für ein Sinterpulver (1) aus einem Metallmatrixmaterial auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und keramischen Verstärkungspartikeln (2), wobei die Verstärkungspartikel (2) in der Gasphase mit dem Metallmatrixmaterial beschichtet werden, umfassend die Schritte:- Bereitstellen der keramischen Verstärkungspartikel (2) und einer Metalllegierung mit einer Metallmatrix-Zusammensetzung,- Schmelzen der Metalllegierung und Halten der Schmelze (3) bei einer von der Metallmatrix-Zusammensetzung abhängigen Temperatur, bei der Legierungsbestandteile der Metalllegierung homogen in der Schmelze (3) verteilt sind,- Richten eines Gasstrahls auf die Schmelze (3), dabei Erhalten eines gerichteten Schmelzetröpfchen-Strahls (S), der eine erste Geschwindigkeit hat, und Ausgeben der keramischen Verstärkungspartikel (2) als einen gerichteten Partikel-Strahl (S) mit einer zweiten Geschwindigkeit, wobei der Schmelzetröpfchen-Strahl (S) und der Partikel-Strahl (S) so gerichtet sind, dass der Partikel-Strahl (S) in einer Aufprallzone (4) unter einem variierbaren Winkel (α) auf den Schmelzetröpfchen-Strahl (S) trifft,- in der Aufprallzone (4) Mitnehmen von Schmelzetröpfchen (3') des Schmelzetröpfchen-Strahls (S) durch die Partikel (2) des Partikel-Strahls (S), dabei Beschichten der keramischen Partikel (2) mit der Schmelze (3), und- Erhalten des Sinterpulvers (1) aus den mit der Schmelze (3) beschichteten Partikeln (2) beim Erstarren der von den Partikeln (2) mitgenommenen Schmelzetröpfchen (3') und- Auffangen des Sinterpulvers (1) und- Feststellen eines Anteils an unbeschichteten Partikeln (2') in dem Sinterpulver (1), und- Abtrennen der unbeschichteten Partikel (2') aus dem Sinterpulver (1), falls der Anteil unbeschichteter Partikel größer als 10 % in Bezug auf die Gesamtpartikelmenge ist, wobei das Abtrennen durch Filtern des Sinterpulvers (1) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Sinterpulver aus einem Metallmatrixverbundwerkstoff mit einer Metallmatrix auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und keramischen Verstärkungspartikeln. Ferner betrifft die Erfindung das hergestellte Sinterpulver sowie einen daraus geschaffenen Sinterkörper wie insbesondere eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug.
Beim Sintern werden meistens körnige oder pulverige Stoffe vermischt und dann durch Erwärmung miteinander verbunden. Im Gegensatz zur reinen Schmelze, oder Gusslegierungen werden hierbei jedoch keine oder zumindest nicht alle Ausgangsstoffe aufgeschmolzen. Die Ausgangsstoffe werden also, umgangssprachlich formuliert, „zusammengebacken“. Es handelt sich beim Sintern deshalb um ein Urformverfahren.
Bei den herkömmlichen Sinterpulver-Herstellverfahren werden bislang vorwiegend die einzelnen Werkstoffe, die für das Sintermaterial vorgesehen sind, separat als Pulver hergestellt und diese vermischt. Wenn das zu sinternde Bauteil aus einer Metallmatrixverbundlegierung wie einer Aluminiummatrixverbundlegierung (AMC), die Verstärkungspartikel in einer metallischen bzw. Aluminiummatrix enthalten, bestehen soll, werden zunächst die Legierungsbestandteile der Matrix und die Verstärkungspartikel in Pulverform hergestellt und nach der vorgesehenen Zusammensetzung vermischt. Hernach wird das Sinterpulver einem Pressvorgang unterzogen und in einem Ofen gesintert.
Soll als Matrixlegierung eine übereutektische AISi-Legierung mit weiteren Legierungsbestandteilen eingesetzt werden, so gestaltet sich allerdings die prozesssichere homogene Mischung der verschiedenen Pulvermaterialien äußerst schwierig und ist derzeit mit ausreichender Genauigkeit kaum zu realisieren.
Ein anderer Ansatz zur Herstellung eines Sinterpulvers verfolgt die Beschichtung von Pulvermaterial. Dazu beschreibt etwa die DE 103 06 887 A1 ein Verfahren zur Beschichtung von Pulvermaterial aus Kunststoff, Metall und/oder Keramik mit einem aktivierbaren Klebemittel, wobei das erzeugte beschichtete Pulvermaterial zur schwindungsarmen Herstellung der Sinterkörpern geeignet ist. Dabei wird das Klebemittel aus einer Lösung auf die Partikel des Pulvermaterials abgeschieden, wobei die zu beschichtenden Partikel in einer Gasphase fluidisiert vorliegen und die Partikel ionisierten Teilchen ausgesetzt werden. Zusätzlich zum Klebemittel können polymere, metallische oder keramische Nanopartikel und/oder Mikropartikel auf die Oberfläche des Pulvermaterials abgeschieden werden. Dabei werden diese zu dem Klebemittel zugesetzten Nanopartikel und/oder Mikropartikel vorzugsweise passend zu dem Pulvermaterial ausgewählt, d. h. es werden chemisch kompatible, vorzugsweise chemisch eng verwandte Materialien verwendet.
Die US 2011/0030440 A1 beschreibt ein gesintertes Material, das aus beschichteten Partikeln in einer Matrix besteht, wobei die beschichteten Partikel ein Kernmaterial und zumindest eine Zwischenschicht auf dem Kernmaterial aufweisen. Das Kernmaterial kann unter anderem aus SiC sein, während die Zwischenschicht aus einem sich von dem Kernmaterial unterscheidenden Material mit höherer Bruchzähigkeit ist, wie W, WC, W₂C, Ti(C, N), TiC, TiN, optional mit Kobalt legiert oder vermischt. Die Zwischenschicht wird auf den Partikeln durch chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung, Plasmaabscheidung, Laserauftragungs- oder -abscheidungsprozesse, Plasmaauftragung, Magnetplasmaabscheidung, elektrochemische Abscheidung, stromlose Abscheidung, Sputtern, Festphasensynthese oder chemische Abscheidungsprozesse aus Lösungen erzeugt. Das dort beschriebene Verfahren umfasst das Mischen der beschichteten Partikel mit einem Matrixpulver, das eine Mischung oder Legierung mit W und/oder WC und Co umfasst.
In der wissenschaftlichen Publikation der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen zusammen mit der Universität Bremen von Volker Uhlenwinkel et al.: „New Approach to generate Composite Particles. In: International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials, Florida, June 27-30, 2010, 1 - 11." ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundpulvers bestehend aus einer Metallmatrix und keramischen Partikeln bekannt. Dabei werden die Verbundbestandteile (Metallmatrix und Keramikpartikel) bereitgestellt, die Metallmatrixlegierung aufgeschmolzen und die Temperatur der Schmelze je nach Legierungszusammensetzung eingestellt. Danach wird die Metallschmelze unter Gaszufuhr mit einer bestimmten Geschwindigkeit zerstäubt und die Keramikpartikel mit einer bestimmten Geschwindigkeit in den Strahl bzw. die Schmelztröpfchen injiziert ,wobei die Verbundpartikel in dem Zerstäubungsgas entstehen und nach dem Erstarren in einem Kollektor aufgefangen werden.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 529 993 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiummatrix-Verbundpulvers, bei dem eine geeignete Menge keramischer Teilchen äußerst einheitlich dispergiert ist. Dabei wird versucht ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiummatrix-Verbundpulvers zur Verfügung zu stellen, das ein Produkt liefern kann, welches verbesserte mechanische Eigenschaften, einschließlich Festigkeit, Elastizitätsmodul, Leitfähigkeit und Abriebsbeständigkeit aufweist.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 059 806 A1 beschreibt eine Verbundbremsscheibe umfassend eine mit Lüftungskanälen durchsetzte Innenscheibe und zwei mit dieser gießtechnisch fest verbundenen Reibringen, wobei die Reibringe aus einer mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumlegierung, oder auch Aluminium-MMC bestehen und die Innenscheibe aus einer Aluminium-Gusslegierung.
Die wissenschaftliche Publikation „Schatt, W., Wieters, K., Kieback, B. : Pulvermetallurgie - Technologien und Werkstoffe, Springer Verlag, 2007, S. 71-73“ beschreibt das Verhalten eines Pulverhaufwerkes bei seiner Verarbeitung zu einem kompakten Werkstoff, wobei es von einer Vielzahl von Parametern bestimmt wird. Zudem werden die Teilchengrößenbestimmungen und Trennverfahren zur Filterung nach Teilchengröße beschrieben.
Die Erzielung einer homogen gemischten Metallmatrix basierend auf einer übereutektischen AISi-Legierung, in der Verstärkungspartikel homogen verteilt sind, bleibt jedoch weiterhin eine Herausforderung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein unaufwändiges und relativ kostengünstiges Herstellungsverfahren für ein Sinterpulver zu schaffen, mit dem auch ein Metallmatrixmaterial bzw. -verbundwerkstoff auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung unter Verringerung der Inhomogenität prozesssicher erzeugt und ein sehr feinkörniges Gefüge des gesinterten Materials erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren lässt sich ein Sinterpulver aus einer Metallmatrix auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und keramischen Verstärkungspartikeln unter Beschichten der Verstärkungspartikel in der Gasphase herstellen. Zunächst werden die keramischen Verstärkungspartikel und eine Metalllegierung mit einer für die Metallmatrix vorgesehenen Zusammensetzung bereit gestellt. Die Metalllegierung wird aufgeschmolzen und die Schmelze bei einer von der Metallmatrix-Zusammensetzung abhängigen Temperatur gehalten, bei die Legierungsbestandteile der Metalllegierung homogen in der Schmelze verteilt sind.
Mit einem auf die Schmelze gerichteten Gasstrahl wird ein gerichteter Schmelzetröpfchen-Strahl erhalten, der eine bestimmte Geschwindigkeit hat, indem Tröpfchen der Schmelze mitgerissen werden. Auch die keramischen Partikel werden als Strahl ausgegeben, indem ein gerichteter Partikel-Strahl, der ebenfalls eine bestimmte Geschwindigkeit hat, erzeugt wird. Dabei sind der Schmelzetröpfchen-Strahl und der Partikel-Strahl so gerichtet, dass der Partikel-Strahl in einer Aufprallzone unter einem variierbaren Winkel auf den Schmelzetröpfchen-Strahl trifft. Dort nehmen die Partikel des Partikel-Strahls Schmelzetröpfchen aus dem Schmelzetröpfchen-Strahl mit, wodurch die Beschichtung der keramischen Partikel mit der Schmelze erfolgt. So wird das Sinterpulver aus den mit der Schmelze beschichteten Partikeln beim Erstarren der von den Partikeln mitgenommenen Schmelzetröpfchen erhalten und kann aufgefangen werden.
Dieses Sinterpulver ist zur weiteren Verarbeitung mit einem herkömmlichen Sinterverfahren mit Formgebung, Einpressung, Wärme- und Nachbehandlung geeignet, um einen Sinterkörper herzustellen, der homogen ist und der ein feinkörniges Gefüge aufweist und aus einer AMC-Legierung besteht, die aus einer übereutektischen AISi-Legierung erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit die Herstellung eines Sinterpulvers, mit dem ein Sinterprozess günstiger und mit deutlich weniger Aufwand durchgeführt werden kann, da der Vorbereitungsaufwand zum Mischen von unterschiedlichen Pulvermaterialen entfällt.
Für das vorgesehene, auf einer übereutektischen AISi-Legierung basierenden Metallmatrixmaterial liegt die Temperatur, bei der Legierungsbestandteile der Metalllegierung homogen in der Schmelze verteilt sind, in einem Bereich von 600 bis 700 °C, genauer, in einem Bereich von 620 bis 680 °C.
Vorteilhaft kann der Anteil der keramischen Verstärkung in einem erfindungsgemäßen Sinterkörper aus der AMC-Legierung mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren für das Sinterpulver deutlich erhöht werden.
Die Aufprallhäufigkeit der Partikel auf die Schmelzetröpfchen wird durch Variieren des Winkels durch Ändern der Richtung des Schmelzetröpfchen-Strahls und/oder durch Ändern der Richtung des Partikel-Strahls sowie alternativ oder zusätzlich durch Variieren der Geschwindigkeiten von Schmelzetröpfchen-Strahl und Partikel-Strahl eingestellt werden. Auf die gleiche Weise kann auch die Teilchengröße des entstehenden Sinterpulvers bzw. die Beschichtungsdicke der Schmelze um die Partikel eingestellt werden. Damit die keramischen Partikel die Schmelzetröpfchen mitnehmen und nicht umgekehrt wird die Strahlgeschwindigkeit und damit die Strahlenergie des Partikel-Strahls größer als die Geschwindigkeit des Schmelzetröpfchen-Strahls eingestellt. Dennoch wird sich die Richtung des Partikel-Strahls in der Aufprallzone nach Mitnahme der Schmelzetröpfchen ändern. Die Schmelzetröpfchen, die nicht von den Partikeln des Partikel-Strahls mitgenommen wurden, können als Overspray aufgefangen und wiederverwendet werden. Vorteilhaft materialsparend kann das Overspray in die Schmelze der Metalllegierung rückgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zur Herstellung des Sinterpulvers umfassen, dass der Anteil der Partikel, die nicht beschichtet wurden, in dem Sinterpulver festgestellt wird. Bis zu einem Anteil von ca. 10 % des gesamten Sinterpulvers spielen die unbeschichteten Partikel keine Rolle, das Sinterpulver kann dennoch zur Herstellung eines Sinterkörpers verwendet werden. Übersteigt jedoch der Anteil unbeschichteter Partikel in dem Sinterpulver 10 % in Bezug auf die Gesamtpartikelmenge, so ist das Abtrennen der unbeschichteten Partikel aus dem Sinterpulver sinnvoll, um für die nachfolgende Herstellung eines Sinterkörpers eine ausreichende Menge an Matrixlegierung sicherzustellen. Das Abtrennen der unbeschichteten Partikel von den beschichteten Partikeln kann aufgrund der unterschiedlichen Partikelgröße erfolgen; die beschichteten Partikel sind deutlich größer als die unbeschichteten. Vorzugsweise kann die Trennung durch Filtration erfolgen, aber auch durch andere Trennverfahren wie etwa Sieben oder Sichten und weitere.
Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Beschichtung der keramischen Partikel in der Gasphase erfolgt, kann vorzugsweise in einer sauerstoffarmen, bevorzugt sauerstofffreien Atmosphäre stattfinden. Besonders bevorzugt wird eine Inertgasatmosphäre, etwa aus Stickstoff oder Argon. Ferner wird aus zur Erzeugung des Schmelzetröpfchen-Strahls und/oder des Partikel-Strahls Inertgas, ausgewählt aus Stickstoff und Argon, eingesetzt, wobei vorzugsweise Feingasdüsen zur Erzeugung des Schmelzetröpfchen-Strahls und/ oder des Partikel-Strahls eingesetzt werden. Das Inertgas verhindert insbesondere die Oxidation der schmelzflüssigen Matrixlegierung vor, während und nach dem Beschichtungsvorgang.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der Metalllegierung für das Metallmatrixmaterial des AMC-Werkstoffs weist

13 bis 25 Gew.-% Si,
4 bis 8 Gew.-% Fe,
1 bis 3 Gew.-% Ni,
0,5 bis 1,5 Gew.-% Cr,
1 bis 3 Gew.-% Mn,
0,5 bis 3 Gew.-% Mg und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren auf.

Mit einem Anteil an keramischen Partikeln von 30 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 35 bis 45 Gew.-% an der Gesamtzusammensetzung des AMC-Werkstoffs wird ein Sinterpulver geschaffen, das besonders zur Herstellung einer Bremsscheibe geeignet ist. Für diese Anwendung können die keramischen Partikel aus SiC, Si₃ N₄ und/oder AIN bestehen.
Die Partikel können eine mittlere Korngröße von 10 bis 20 µm, bevorzugt von 13 bis 15 µm haben, während das nach der Beschichtung der Partikel mit der Matrixschmelze erzeugte Sinterpulver Teilchen mit einer mittleren Korngröße von zumindest 40 µm aufweist.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sinterpulver kann vorteilhaft zur Herstellung eines Sinterkörpers durch einen herkömmlichen Sinterprozess, der Formgebung, Einpressung, Wärme- und Nachbehandlung umfasst, eingesetzt werden, so dass ein homogener Sinterkörper mit feinkörnigem Gefüge aus einem Metallmatrixverbundwerkstoff mit einer Metallmatrix auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und keramischen Verstärkungspartikeln geschaffen werden kann.
Die Zusammensetzung des Metallmatrixverbundwerkstoffs des Sinterpulvers umfasst dabei 30 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 35 bis 45 Gew.-% keramische Partikel aus SiC, Si₃ N₄ und/oder AIN in der Metalllegierung, die sich aus

13 bis 25 Gew.-% Si,
4 bis 8 Gew.-% Fe,
1 bis 3 Gew.-% Ni,
0,5 bis 1,5 Gew.-% Cr,
1 bis 3 Gew.-% Mn,
0,5 bis 3 Gew.-% Mg und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren zusammensetzt. Die keramischen Partikel haben eine mittlere Korngröße von 10 bis 20 µm, bevorzugt von 13 bis 15 µm, während die beschichteten Partikel des Sinterpulvers eine mittlere Korngröße von zumindest 40 µm aufweisen.

Ein aus dem Sinterpulver durch einen herkömmlichen Sinterprozess herstellbaren Sinterkörper aus dem Metallmatrixverbundwerkstoff weist eine homogene Metallmatrix auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und homogen verteilte keramische Verstärkungspartikeln sowie ein feinkörniges Gefüge auf. Der herkömmliche Sinterprozess kann Formgebung, Einpressung, Wärme- und Nachbehandlung umfassen.
War bislang Sintern aufgrund des aufwändigen Mischens ohne dabei optimale Ergebnisse zu erhalten zur Großserienfertigung, insbesondere von größeren Sinterkörpern ungeeignet, gestattet das erfindungsgemäße Sinterpulver hingegen nun, dass Sintern als großserientaugliches Herstellverfahren auch für relative große Bauteile kostengünstig eingesetzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Sinterkörper um eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug handeln.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Gegenstände oder Teile von Gegenständen, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:

1 verschiedene Prozessstufen eines herkömmlichen Sinterverfahrens zur Herstellung einer SiC-verstärkten AMC-Legierung,
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Sinterpulver-Herstellung,
3 eine Detailansicht der Aufprallzone, in der der Partikel-Strahl mit den keramischen Partikeln auf den Schmelzetröpfchen-Strahl trifft.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung eines Sinterpulvers, das sich zur Herstellung einer Bremsscheibe aus einem Aluminiummatrixverbundwerkstoff (AMC) eignet. Hierzu sollen AMC-Legierungen eingesetzt werden, die auf einer übereutektischen AISi-Legierung basieren, d. h. die einen Anteil an Si in der Matrixlegierung haben, der zumindest 13 Gew.-% beträgt. Ferner soll die AMC-Bremsscheibe zumindest 30 Gew.-% keramische Verstärkungspartikel aufweisen.
Ein für die Anwendung als Bremsscheibe geeigneter AMC-Werkstoff weist eine Metallmatrixlegierung mit einer Zusammensetzung aus

13 bis 25 Gew.-% Si,
4 bis 8 Gew.-% Fe,
1 bis 3 Gew.-% Ni,
0,5 bis 1,5 Gew.-% Cr,
1 bis 3 Gew.-% Mn,
0,5 bis 3 Gew.-% Mg und mit einem die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren und weiter mit 30 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 35 bis 45 Gew.-% keramischen Partikeln, vorzugsweise aus SiC, Si₃ N₄ und/oder AIN auf. Die mittlere Korngröße der Partikel kann im Bereich von 10 bis 20 µm, bevorzugt von 13 bis 15 µm liegen.

Mit einer derartigen AMC-Legierung kann ein hohes E-Modul (>145 GPa), eine hohe Zugfestigkeit (>320 MPa) und eine hohe Festigkeit der Aluminiummatrix durch die intermetallischen Phasen mit Fe, Ni, Mg und Mn erreicht werden. Ferner werden die keramischen Verstärkungspartikel mit hoher Festigkeit in die Matrix eingebettet, die Aluminiummatrix weist eine Härte von 150 HV30 auf. Durch den hohen Anteil an keramischen Verstärkungspartikeln von über 30, bevorzugt über 35 Gew.-%, wird eine hohe Verschleißbeständigkeit und aus den übereutektischen AlSi-Phasen eine hohe Wärme- und Thermoschockbeständigkeit erzielt. Insgesamt weist damit die AMC-Legierung beste Voraussetzungen zum Einsatz als Bremsscheibe auf.
Im Stand der Technik werden für eine derartige AMC-Legierung zunächst, wie in 1 skizziert, sortenreine Pulver der Legierungsbestandteile und der Verstärkungspartikel (SiC) bereitgestellt, die dann in dem dargestellten Beispiel in einer Wälztrommel 10 in der gewünschten Zusammensetzung vermischt werden, und danach in einer Presse 11 einem Pressvorgang unterzogen und in einem Ofen 12 gesintert. Das Herstellen der einzelnen Pulvermaterialen stellt nach heutigem Stand der Technik kein Problem dar. Die homogene Mischung der Einzelbestandteile einer beschriebenen AMC-Legierung jedoch in einer bestimmten Zusammensetzung stellt nach wie vor eine sehr große Herausforderung dar. Mit dem in 1 skizzierten Mischvorgang kann keine ausreichende Homogenität der verschiedenen Pulver erreicht werden.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst, indem die Herstellungsmethode des Pulvers geändert wird, so dass die erforderliche Matrix-Zusammensetzung des Pulvermaterials schon während der Herstellung des Sinterpulvers erreicht wird, das dann bereits die metallische Matrix und eingebettete keramische Partikel beinhaltet, so dass das Erfordernis der Mischung von metallischen und keramischen Pulverteilchen zur Vorbereitung des Sintermaterials entfällt.
Die erfindungsgemäße Herstellung des Sinterpulvers für eine AMC-Legierung ist dabei prozesssicher und relativ kostengünstig. Vorteilhaft werden der metallische Matrixwerkstoff und die keramischen Hartstoffpartikel schon während der Herstellung des Sinterpulvers miteinander zusammengebracht.
2 zeigt einen schematischen Aufbau zur Herstellung des Sinterpulvers. Die Legierungsschmelze 3 der Aluminiummatrix umfasst entsprechend der vorgesehenen Zusammensetzung die unterschiedlichen Legierungsbestandteile, vorliegend Al, Si, Fe, Ni, Cr, Mn und Mg. Indem die Temperatur innerhalb eines Temperaturfensters für die Schmelzbehandlung gehalten wird, wird die Erzeugung von Diffusionsvorgängen ermöglicht, die für eine homogene Verteilung der unterschiedlichen Legierungsbestandteile in der Legierungsschmelze sorgen. Das Temperaturfenster liegt für die Aluminiummatrixlegierung nach einer beschriebenen Zusammensetzung in einem Bereich von 600 und 700 °C, insbesondere von 620 bis 680 °C. Das Vorhalten der Schmelze 3 sollte allerdings auf ca. eine Stunde beschränkt bleiben, um das Auftreten von unerwünschten chemischen Reaktionen wie die Bildung von unerwünschten intermetallischen Phasen zwischen AlSi und Fe zu vermeiden.
Zur Herstellung des Sinterpulvers 1 werden die keramischen Verstärkungspartikel 2 mit einer Metallbeschichtung umhüllt, so dass sie schon hier in der Matrixlegierung eingebettet sind.
Wie 2 zeigt, wird die Matrixlegierung 3 in einem von einer Heizeinrichtung 7 beheizten Schmelztiegel 6 in den schmelzflüssigen Zustand versetzt und in ein Vorhaltegefäß 6' überführt. Von dort wird die Schmelze 3 (nach Passage eines gegebenenfalls eingesetzten Filters 8) als ein Gasstrahl austreten gelassen, der von einer Zerstäubergasdüse 5 mit einer bestimmten Geschwindigkeit in Richtung R₁ erzeugt wird. Durch den Gasstrahl wird die Schmelze 3 zu Schmelzetröpfchen 3' (vgl. 3) „zerstäubt“, die mit dem Gasstrahl mitgerissen werden und den Schmelzetröpfchen-Strahl S₁ bilden. Dieser wird von dem Partikel-Strahl S₂ in der Aufprallzone 4 getroffen. Für den Partikel-Strahl S₂ werden die Verstärkungspartikel 2, die in einem Vorratsgefäß 7' vorliegen, ebenfalls durch eine Gasströmung beschleunigt, so dass ein in Richtung R₂ und Geschwindigkeit bestimmter Partikel-Strahl S₂ mit definierter Partikelbeladung erzeugt wird. Ein weiterer Strahlparameter für Schmelzetröpfchen-Strahl S₁ und Partikel-Strahl S₂ kann die Fokussierung umfassen.
Durch die Realisierung eines relativen Geschwindigkeitsunterschieds zwischen Schmelzetröpfchen-Strahl S₁ und Partikel-Strahl S₂ werden die Verstärkungspartikel 2 in Richtung des Schmelzetröpfchen-Strahls S₁ beschleunigt, um in der Aufprallzone 4 in den einzelnen Schmelzetröpfchen 3' eingebettet zu werden. Sowohl die Aufprallhäufigkeit als auch die entstehende Teilchengröße des Sinterpulvers bzw. die Dicke der um die Partikel 2 erzeugten Matrixmetallbeschichtung kann über die relative Geschwindigkeitsdifferenz eingestellt werden. Ferner bildet der Winkel α, unter dem der Schmelzetröpfchen-Strahl S₁ und der Partikel-Strahl S₂ in der Aufprallzone 4 aufeinander treffen, einen Einstellparameter, mit dem Prozesssicherheit und Qualität beeinflusst werden können. Zur Feineinstellung des Winkels α, können sowohl Schmelzetröpfchen-Strahl S₁ als auch Partikel-Strahl S₂ in ihrer Richtung eingestellt werden.
Darüber hinaus ist eine Variation des Beschichtungsergebnisses durch Änderung der weiteren Strahlparameter denkbar.
Die Strahlgeschwindigkeit und -energie des Partikel-Strahls S₂ wird höher eingestellt als die des Schmelzetröpfchen-Strahls S₁ , so dass die an den Schmelzetröpfchen 3' aufgeprallten Partikel 2 die Schmelzetröpfchen 3' mitnehmen, wie in 3 dargestellt. Anders als dargestellt wird sich dabei die Richtung R₂ der Partikel 2 nach Durchtritt der Aufprallzone 4 durch den Impuls der mitgerissenen Schmelzetröpfchen 3' ändern.
Die von den Verstärkungspartikeln 2 mitgenommenen Schmelzetröpfchen 3' bilden die Matrixmetallbeschichtung um die Partikel 2, so dass nach Erstarren der Schmelzetröpfchen 3' das Sinterpulver 1 gebildet wird, das in einem Sinterpulver- Behälter aufgefangen wird (vgl. 2). Die nicht von Verstärkungspartikeln 2 getroffenen Schmelzetröpfchen 3' folgen weiter der Schmelzetröpfchen-Strahlrichtung R₁ und werden als „Overspray“ O in einem anderen Behälter gesammelt. Der Overspray O kann wieder verwendet und in die Legierungsschmelze 3 ohne Ausschuss rückgeführt werden.
Wie 3 weiter zeigt, ist es denkbar, dass nicht jeder Verstärkungspartikel 2 auf ein Schmelzetröpfchen 3' trifft, sondern dass auch mehr als ein Verstärkungspartikel 2' von einem Schmelzetröpfchen 3' umhüllt wird oder auch ein bestimmter Anteil der Verstärkungspartikel 2 auf kein Schmelzetröpfchen 3' trifft. Diese nach Passage der Aufprallzone 4 noch „matrixlosen“ Verstärkungspartikel 2' werden auch in dem Sinterpulver-Behälter gesammelt. Diese nicht in Metallmatrixbeschichtung eingebetteten Verstärkungspartikel 2' stellen bis zu einem gewissen Anteil (<10% des Sinterpulvers 1) kein Problem beim Sintern dar. Wenn der Anteil der „matrixlosen“ Verstärkungspartikel 2' allerdings 10 % übersteigt, ist es vorzuziehen, das erhaltene Pulver zu filtern, um die „matrixlosen“ Verstärkungspartikel 2' aus dem Sinterpulver 1 zu entfernen. Diese Filterung kann sehr einfach nach Teilchengröße durchgeführt werden, da die Partikelgrößen der Verstärkungspartikel mit 10 bis 20 µm deutlich unter der Korngröße des Sinterpulvers 1 liegen, die zumindest 40 µm beträgt.
Die von der metallischen Matrix umhüllten Verstärkungspartikel des erfindungsgemäßen Sinterpulvers 1 stellen für den späteren Sinterprozess Partikel hoher Sinterfähigkeit bereit, so dass ein besonders dichter und homogener Sinterkörper gebildet werden kann.
Die Zerstäubung der Legierungsschmelze 3 und auch die Beschleunigung der Verstärkungspartikel basiert auf der Strömungsmechanik der Gaszuführung aus Feindüsen. Das zur Strahlbildung verwendete Gas sollte zur Verhinderung von Oxidationsvorgängen der Legierungsschmelze ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon sein. Zweckmäßigerweise wird aus Gründen der technischen Einfachheit und aus Kostengründen für den Schmelzetröpfchen-Strahl und den Partikel-Strahl das gleiche Gas eingesetzt.
Ferner findet der Herstellungsprozess, wie er in 2 skizziert ist, in einer luft- insbesondere sauerstofffreien Umgebung statt, hierzu kann die Anlage in einer Vakuumkammer angeordnet werden, die mit einer Inertgas-, vorzugsweise Stickstoff- oder Argonatmosphäre gefüllt wird. Auch hier wird vorteilhaft das gleiche Inertgas wie zur Strahlerzeugung eingesetzt. Somit können Oxidationsvorgänge aufgrund der Oxidationsneigung der metallischen Werkstoffe während des Sprühens bzw. der Zerstäubung ausgeschlossen werden und somit die ungewünschte Oxidhautbildung an den Korngrenzen des gesprühten Sinterpulvers vermieden werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Sinterpulver kann ein Sinterkörper in einem herkömmlichen Sinterprozess mit Formgebung, Einpressung, Wärme- und Nachbehandlung erzeugt werden. Bei diesem Sinterkörper kann es sich bei der beschriebenen Zusammensetzung der AMC-Legierung insbesondere um eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug handeln.

Claims

Herstellungsverfahren für ein Sinterpulver (1) aus einem Metallmatrixmaterial auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und keramischen Verstärkungspartikeln (2), wobei die Verstärkungspartikel (2) in der Gasphase mit dem Metallmatrixmaterial beschichtet werden, umfassend die Schritte: - Bereitstellen der keramischen Verstärkungspartikel (2) und einer Metalllegierung mit einer Metallmatrix-Zusammensetzung, - Schmelzen der Metalllegierung und Halten der Schmelze (3) bei einer von der Metallmatrix-Zusammensetzung abhängigen Temperatur, bei der Legierungsbestandteile der Metalllegierung homogen in der Schmelze (3) verteilt sind, - Richten eines Gasstrahls auf die Schmelze (3), dabei Erhalten eines gerichteten Schmelzetröpfchen-Strahls (S₁), der eine erste Geschwindigkeit hat, und Ausgeben der keramischen Verstärkungspartikel (2) als einen gerichteten Partikel-Strahl (S₂) mit einer zweiten Geschwindigkeit, wobei der Schmelzetröpfchen-Strahl (S₁) und der Partikel-Strahl (S₂) so gerichtet sind, dass der Partikel-Strahl (S₂) in einer Aufprallzone (4) unter einem variierbaren Winkel (α) auf den Schmelzetröpfchen-Strahl (S₁) trifft, - in der Aufprallzone (4) Mitnehmen von Schmelzetröpfchen (3') des Schmelzetröpfchen-Strahls (S₁) durch die Partikel (2) des Partikel-Strahls (S₂), dabei Beschichten der keramischen Partikel (2) mit der Schmelze (3), und - Erhalten des Sinterpulvers (1) aus den mit der Schmelze (3) beschichteten Partikeln (2) beim Erstarren der von den Partikeln (2) mitgenommenen Schmelzetröpfchen (3') und - Auffangen des Sinterpulvers (1) und - Feststellen eines Anteils an unbeschichteten Partikeln (2') in dem Sinterpulver (1), und - Abtrennen der unbeschichteten Partikel (2') aus dem Sinterpulver (1), falls der Anteil unbeschichteter Partikel größer als 10 % in Bezug auf die Gesamtpartikelmenge ist, wobei das Abtrennen durch Filtern des Sinterpulvers (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen des Schmelzetröpfchen-Strahls (S₁) und/oder des Partikel-Strahls (S₂) mittels Feingasdüsen erfolgt, wobei ein Inertgas, ausgewählt aus Stickstoff und Argon, eingesetzt wird, und wobei die Gasphase sauerstoffarm, bevorzugt sauerstofffrei ist, und besonders bevorzugt aus Inertgas, ausgewählt aus Stickstoff und Argon, besteht.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Metalllegierung eine Zusammensetzung aus 13 bis 25 Gew.-% Si, 4 bis 8 Gew.-% Fe, 1 bis 3 Gew.-% Ni, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Cr, 1 bis 3 Gew.-% Mn, 0,5 bis 3 Gew.-% Mg und einen die 100 Gew.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren aufweist, und wobei die keramischen Partikel (2) aus SiC, Si₃N₄ und/oder AIN bestehen und in einem Anteil von 30 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 35 bis 45 Gew.-% in dem Sinterpulver (1) vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Partikel (2) eine mittlere Korngröße von 10 bis 20 µm, bevorzugt von 13 bis 15 µm aufweisen und das Sinterpulver (1) eine mittlere Korngröße von zumindest 40 µm aufweist.
Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterpulver (1), zur Herstellung von Sinterkörpern als Bremsscheibe verwendet wird..
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrixverbundwerkstoff des Sinterkörpers eine homogene Metallmatrix auf Basis einer übereutektischen AISi-Legierung und homogen verteilte keramische Verstärkungspartikel (2) und ein feinkörniges Gefüge aufweist.