DE102016210354A1

DE102016210354A1 - Verfahren zum herstellen von aluminium- oder magnesiumbasierten verbundwerkstoff-motorblöcken oder anderen teilen mit in situ geformten verstärkten phasen durch squeeze-casting oder halbfeste metallumformung und post-wärmebehandlung

Info

Publication number: DE102016210354A1
Application number: DE102016210354.7A
Authority: DE
Inventors: Yucong Wang; Richard J. Osborne; Brian J. McClory
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2016-12-15
Also published as: CN106238699A; US9999921B2; CN106238699B; US20160361764A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Metalllegierungskomponente, worin das Verfahren das Einführen eines Verstärkungsphasenvorläufers in eine Bulklegierung beinhaltet, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Hochentropielegierungen, aluminiumbasierten Legierungen, magnesiumbasierten Legierungen und Kombinationen davon. Der Vorläufer wird in eine Verstärkungsphase umgewandelt, indem Bulklegierung und Vorläufer während einem oder mehreren von einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt, Squeeze-Casting-Umformung oder halbfester Metallumformung einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Verfahren zum Herstellen von leichtgewichtigem Metallmatrixverbundwerkstoffkomponenten durch Squeeze-Casting oder halbfeste Metallumformung (SSM), und insbesondere Herstellen solcher Komponenten aus einem verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoff, wobei die Verstärkungsphase oder -phasen in situ während des Gießens oder Umformungsvorgängen erzeugt werden.
Gießen wurde eine dominante Form von Metallumformungsvorgängen für die Herstellung von wiederholbaren (d. h. großvolumigen) Komponenten (insbesondere derjenigen, bei denen leichtgewichtige Metalllegierungen, wie z. B. Aluminium oder Magnesium, verwendet werden), und beinhaltet zahlreiche Varianten, wie z. B. Druckguss, Kokillenguss, Sandguss, Gipsguss, Feinguss oder dergleichen. Dennoch ist bekannt, dass die mechanischen Eigenschaften von Gusskomponenten oftmals unter ihren geschmiedeten Gegenstücken liegen, was nicht zuletzt an Porosität und zugehörigen Defekten liegt, die bei bekannten Gussprozessen inhärent sind (oder mindestens schwer vermeidbar) sind. Unglücklicherweise können hochvolumige Produktions- und Formkomplexitätsüberlegungen geschmiedete Optionen zu kostspielig, wenn nicht sogar ganz unmöglich machen.
SSM-Formungstechniken haben geholfen, die Lücke durch Bereitstellen von Metalllegierungen zu überbrücken, die Schmiedeeigenschaften mit einem Formungsprozess bereitstellen, der zur Produktion komplexer Formen in großem Umfang in der Lage ist. Insbesondere erleichtert es die schlammige (d. h. die thixotropische) Mikrostruktur dieser SSM-Techniken, das halbfeste Formen durch Gießen, Schmieden oder andere bekannte Formungsprozesse auszuführen. Bei einem herkömmlichen SSM-Formungsprozess wird ein Gussbarren (1) auf eine Temperatur über seiner Rekristallisationstemperatur, doch unter seiner Solidustemperatur erhitzt; (2) in eine im Allgemeinen säulenförmige Form extrudiert; (3) in kürzere Segmente geschnitten; (4) in einen halbfesten Zustand erhitzt; und (5) in einen Hohlraum gequetscht, der in einen Matrizensatz ausgebildet ist, um ein Teil zu formen. Trotz Vorteilen bestehen Probleme bei der Porosität, Mikrostruktur der Außenhaut und zugehörige unvollständige Teilbildung bei herkömmlichem SSM insbesondere bei Gegenständen weiter, die mit komplexen Geometrien mit dünnen oder ansonsten kleinen Merkmalen geformt werden. Darüber hinaus sind die dabei verwendeten Barren und zugehörigen thixotropischen Prozesse eine hoch spezielle (und deshalb teure) Art, um die gewünschte nicht-dendritische (d. h. globulare) Mikrostruktur zu erreichen.
Auf ähnliche Weise wurde Squeeze-Casting als eine Möglichkeit zum Herstellen von Komponenten aus leichtgewichtigen Legierungen untersucht. Der Prozess wird auch mit anderen Namen bezeichnet, wie z. B. Metallschmieden, Flüssiggesenkschmieden, Semi-Solid-Guss und -Formen, Stranggießen, Druckverfestigung und Druckkristallisierung. Ein herkömmlicher Squeeze-Casting-Prozess wird durch die folgenden Schritte definiert: (1) Vorquantifizieren einer Menge an Schmelze, die in einen vorerhitzten Formhohlraum zu gießen ist; (2) Herabfahren eines Stempels in die Nähe des Formhohlraums; (3) Druckbeaufschlagen des geschmolzenen Metalls und es für eine kurze Zeitdauer an dem Ort halten (beispielsweise einige wenige Sekunden), bis der Stempel zurückgezogen wird; und (4) Ausstoßen des Teils von dem Formhohlraum. Somit sind Squeeze-Casting- (und zugehörige Flüssigschmiedeansätze) dahingehend einfacher als SSM-Formen, dass dabei ein zuvor festgelegtes Volumen von geschmolzenem Metall in den Formhohlraum gegossen, und während der Verfestigung unter Druck gequetscht wird, wodurch sich die Legierungsteile in einem einzelnen Vorgang ausbilden. Darüber hinaus ermöglicht Squeeze-Casting das Verwenden von geschmiedeter Aluminium-(oder Magnesium-)Legierung in einem flüssigen Zustand, um komplexe Teile mit komplizierten Merkmalen zu formen. Hoher direkter Schmelzdruck hilft beim Beseitigen von Warmrissen und erzeugt Produkte mit überlegenen mechanischen Eigenschaften und niedriger Porosität. Als solches wird Squeeze-Casting als ein Hybrid aus herkömmlichen Guss- und Formtechniken angesehen, um die Festigkeit und das Vertrauensniveau von Schmieden mit der hochvolumigen Wirtschaftlichkeit und den Formfähigkeiten von Güssen zu erreichen.
Es ist bekannt, dass erhöhte strukturelle oder mechanische Eigenschaften (wie z. B. Elastizitätsmodul, Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Kriechbeständigkeit oder dergleichen) von Komponenten durch die Einführung von Verstärkungsphasen in die Bulklegierung erreicht werden können. Als solche wurde die Klasse von als Verbundwerkstoffen bekannten Materialien geschaffen, um zu helfen, zunehmend diese und andere anspruchsvolle Engineering-Anforderungen zu erfüllen. Eine der Schwierigkeiten, die mit dem Erzeugen solcher technischen Verbundwerkstoffe in Zusammenhang stehen, sind die Kosten in Zusammenhang mit dem Einführen von unterschiedlichen Materialien, sodass sie die gewünschten strukturellen Vorteile in dem Endprodukt erreichen. Da die Einführung einer diskreten Verstärkungsphase in eine Bulklegierung komplex (und daher unerschwinglich teuer) ist, ist es für Komponentenproduktionstechniken mit hohen Volumina für Motorkomponenten durch eine oder mehrere der herkömmlichen Formen von Metallguss, die oben erwähnt sind, inkompatibel.
Bedeutenderweise haben die aktuellen Erfinder entdeckt, dass traditionelle SSM- oder Squeeze-Casting-Techniken nicht in der Lage waren, alle der mechanischen oder strukturellen Eigenschaften voll auszunutzen, die die Verwendung solcher Materialien ansonsten bieten würde. Insbesondere haben die aktuellen Erfinder ermittelt, dass ein Bedarf zum Entwickeln von kostengünstigen dauerhaften Motorkomponenten durch einen kosteneffizienten Herstellungsansatz für hohe Volumina besteht, bei dem SSM, Squeeze-Casting oder verwandte Herstellungstechniken verwendet werden, um die hohen spezifischen Eigenschaften besser zu nutzen, die durch leichtgewichtige Metallmatrixkomponenten ermöglicht werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Um das oben genannte Bedürfnis zu erfüllen, haben die aktuellen Erfinder ermittelt, dass die in situ-Nukleation und das Wachstum einer Verstärkungsphase in einer leichtgewichtigen metallischen Legierung zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs durch ein Aktivierungsereignis eines zugegebenen Vorläufermaterials ausgelöst werden könnten, das während eines Squeeze-Casting- oder SSM-Formungsansatzes eintritt. Eine bevorzugte Form solch eines Aktivierungsereignisses ist thermischer Art, wobei der Vorläufer einer erhöhten Temperatur während des Komponentenformungsprozesses ausgesetzt wird. Unabhängig von dem Aktivierungsmechanismus, der verwendet wird, um die thermisch basierte in situ-Umwandlung der Vorläufer in die Verstärkungsphasen zu bewirken, die innerhalb der gesamten leichtgewichtigen metallischen Bulklegierung verstreut sind, haben die aktuellen Erfinder entdeckt, dass die verbesserten mechanischen Eigenschaften, die durch die verbundwerkstoffähnliche Art der geformten Komponenten möglich gemacht wurde, in großen Volumina durch SSM-Formen oder Squeeze-Casting auf eine Art hergestellt werden können, die derjenigen von herkömmlichem Druckguss und anderen herkömmlichen Gießansätzen mit hohen Volumina ähnlich ist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffkomponente offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines oder mehrerer Verstärkungsphasenvorläufer (hierin auch als „Nukleationsstandortsvorläufer” oder einfacher als „Vorläufer” bezeichnet) in eine Bulklegierung (d. h. Zufuhr), Umwandeln der Vorläufer in Verstärkungsphasen durch einen Aktivierungsschritt und Formen der Komponente als einen Verbundwerkstoff der Bulklegierung und der Verstärkungsphase oder -phasen unter Verwendung von Squeeze-Casting oder SSM-Formen in Kombination mit optionaler Post-Formungswärmebehandlung, sodass eine lineare Abmessung der Verstärkungsphase in dem Bereich von Nanometern bis Mikrometern liegt. Die Zufuhrlegierung ist aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus aluminiumbasierten Legierungen und sogenannten Hochentropielegierungen, wobei in dem vorliegenden Kontext solche „Hochentropie”-Legierungen diejenigen sind, die aus zahlreichen (typischerweise fünf oder mehr) Metallen in annähernd gleichen Mengen bestehen. Ein solches Beispiel ist eine Kombination aus Aluminium, Lithium, Magnesium, Scandium und Titan. Solche Materialien legen nanokristalline Konfigurationen an den Tag, die hohe spezifische mechanische Eigenschaften besitzen. Darüber hinaus werden innerhalb des vorliegenden Kontexts solche Hochentropielegierungen hierin dahingehend angesehen, dass sie durch den Begriff „aluminiumbasierte Legierungen”, „magnesiumbasierte Legierungen” oder dergleichen eingeschlossen sind, solange das jeweilige Aluminium oder Magnesium einer der vorherrschenden Bestandteile ist (selbst wenn dies nicht der mehrheitliche Bestandteil ist). Bedeutenderweise hilft das Vorhandensein der Verstärkungsphasen, die während der Aktivierung erzeugt werden, der Bulklegierung, verbundwerkstoffähnliche Eigenschaften anzunehmen, sodass Erhöhungen bei bestimmten mechanischen Eigenschaften (wie z. B. dem Elastizitätsmodul) des geformten Verbundwerkstoffs realisiert werden. Anders als bei herkömmlichen Verbundwerkstoffen, bei denen eine Verstärkungsphase in ihrer im Wesentlichen endgültigen Form zugegeben wird, werden die Verstärkungsphasen der hierin offenbarten unterschiedlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung während einem oder mehreren der Flüssig-Fest-Transformation oder nachfolgenden Wärmebehandlung des Materials in situ ausgebildet.
Wie ansonsten erwähnt, kann die Wahl des Verwendens von Squeeze-Casting oder SSM-Formen von der hergestellten Komponente sowie der Wahl der verwendeten Bulklegierung abhängig sein. In Situationen, in denen SSM-Formen verwendet wird, sind zwei zusätzliche Optionen möglich, wovon eine erste das Bereitstellen von Bulklegierung in Partikel-, (d. h. fest, wovon Beispiele granulare, pulverförmige oder ähnliche beinhalten) Formen beinhaltet, und wovon eine zweite das Bereitstellen der Bulklegierung in einer im Wesentlichen flüssigen (d. h. geschmolzenen) Form beinhaltet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffkomponente das Einführen von einem oder mehreren Verstärkungsphasenvorläufern in eine Bulklegierung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Hochentropielegierungen, aluminiumbasierten Legierungen oder magnesiumbasierten Legierungen, die den Verstärkungsphasenvorläufer (oder die -vorläufer) derart katalysieren, dass sich eine Verstärkungsphase ausbildet und vor dem Formen der Komponente als ein Verbundwerkstoff von der Bulklegierung und der einen oder mehreren Verstärkungsphasen wächst oder als Teil der Formung davon. Das Formen beinhaltet das Erhitzen der Mischung von Bulklegierung und Vorläufern, bis sie sich in einer mindestens teilweise geschmolzenen Form befindet, Positionieren derselben in einem Formhohlraum und Aufbringen eines erhöhten Drucks auf den Verbundwerkstoff, bis sich eine Form der Komponente, die durch den Formhohlraum definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat. Wie bei dem vorangegangenen Aspekt wird beim Formen ein SSM-Formungs- oder Squeeze-Casting-Vorgang verwendet, während die Bulklegierung entweder in dem Partikel- oder geschmolzenen Zustand vorliegen kann, und mehr als ein Formhohlraum (beispielsweise ein vorläufiger Formhohlraum und ein endgültiger Formhohlraum) verwendet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Metallmatrixverbundwerkstoffkomponente offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Einführen von einem oder mehreren Verstärkungsphasenvorläufern in eine Bulklegierung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Hochentropielegierungen, aluminiumbasierten Legierungen oder magnesiumbasierten Legierungen, und dann Formen der Komponente als ein Verbundwerkstoff von der Bulklegierung und einer Verstärkungsphase, die durch Aktivieren des Verstärkungsphasenvorläufers geformt wird. Das Formen wird entweder durch Squeeze-Casting oder SSM-Formen erreicht und beinhaltet das Erhitzen des Verbundwerkstoffs, bis er sich in einer mindestens teilweise geschmolzenen Form befindet, Positionieren des mindestens teilweise geschmolzenen Verbundwerkstoffs in einen Formhohlraum und Aufbringen eines erhöhten Drucks auf den Verbundwerkstoff, bis sich eine Form der Komponente, die durch den Formhohlraum definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat. Bei einer optionalen Form wird das Wachstum der Verstärkungsphasen teilweise (oder in einigen Fällen im Wesentlichen) durch einen oder mehrere nachfolgende Wärmebehandlungsschritte erreicht, sodass auf eine in der Bulklegierung erfolgende katalytische Reaktion die Verstärkungsphasen aus den Vorläuferstandorten herauswachsen. Auf diese Weise wird das Verhandensein der Verstärkungsphasen auf eine Art erreicht, die sich von der herkömmlichen Zugabe und dem nachfolgenden Mischen diskreter Verstärkungsphasenpartikel in die Bulklegierung unterscheidet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, worin gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, und wobei:
1 ein fiktives Druckgusssystem darstellt, das mit der vorliegenden Erfindung verwendbar ist;
2 ein Ablaufdiagramm der Verwendung von Squeeze-Casting mit dem System von 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein Ablaufdiagramm der Verwendung von SSM mit dem System von 1 gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 eine isometrische Ansicht eines fiktiven Motorblocks darstellt, der gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung geformt sein kann.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst mit Bezug auf 1 und 4 stellt ein repräsentativer Gießansatz ähnlich dem Hochdruckguss eine Pfanne 10 dar, die zum Gießen eines geschmolzenen Metalls 20 in ein Gießbecken 30 und einen Anguss hinunter verwendet wird, der in einem Schacht 40 endet. Eine Gießbuchse 50 nimmt geschmolzenes Metall auf, und führt es unter erhöhtem Druck (wie z. B. durch einen Stößel (nicht dargestellt)) einer Reihe von Gates 60 zu, die eine trennbare Kuppel 70 und einen Unterkasten 80 beinhalten, die als Gehäuse für einen Formhohlraum darin dienen, der die repräsentative Form der Komponente definiert, wie z. B. einen Motorblock 100, der insbesondere in 4 dargestellt ist. Komplizierte Merkmale, die unter Anderem ein Kurbelgehäuse 110, Kurbelwellenlager 120, Nockenwellenlager 130 (bei Motoren mit hängenden Ventilen und Pushrods), Wasserkühlmänteln 140, Schwungradgehäuse 150 und Zylinderbohrungen 160 beinhalten, können durch den Hohlraum definiert sein. Ein Steigrohr (auch Zuführung genannt) 90 ist ebenfalls in der Kuppel 70 enthalten, um das Gießen zu versorgen, um Schrumpfungen zu kompensieren, die während der Komponentenabkühlung und -verfestigung auftreten können. Obwohl nicht dargestellt, kann ein vergleichbares läuferbasiertes System für andere Formen von Kokillen-(oder Halb-Kokillen-)Guss verwendet werden. In einem solchen System wird der im Allgemeinen horizontale Läufer anstatt der druckbeaufschlagten Gießbuchse 50 des oben genannten Gießsystems verwendet, wobei jedes der Systeme mit der vorliegenden Erfindung kompatibel ist. Da beispielsweise SSM-Formen und Squeeze-Casting Füllzeiten verwenden, die bedeutend langsamer als typische HPDC-Prozesse sind, kann die Verwendung einer läuferbasierten Versorgung in dem vorliegenden Kontext besonders nützlich sein.
Als Nächstes mit Bezug auf 2 und 3 werden Ablaufdiagramme dargestellt, die Schritte darstellen, die beim Formen der Komponente unter Squeeze-Casting verwendet werden (2) und SSM (3). Beide Ansätze sind zum Formen von Gegenständen mit einer feinkörnigen Mikrostruktur aufgrund von Aufbringen eines hohen Drucks auf mindestens teilweise geschmolzenes Metall während der Verfestigung in der Lage. Unter besonderer Bezugnahme auf Squeeze-Casting werden durch die langsamen Anschnittgeschwindigkeiten der geschmolzenen Legierung Turbulenzen und Gaseinschluss vermieden, sodass während dem Einfrierzyklus (d. h. Verfestigung) hochdichte und im Wesentlichen porositätsfreie Komponenten produziert werden können. In dem vorliegenden Kontext wiegen die Verwendung von Modifikatoren, wie z. B. „erhöht”, „angehoben” oder „hoch” in Verbindung mit Drücken, die in einem oder beiden von dem vorläufigen und endgültigen Formhohlraum verwendet werden, genügend, um das notwendige Squeeze-Casting oder Flüssigschmieden zu erreichen; wobei solche Zahlen vorzugsweise zwischen etwa 50 und 140 MPa für den ersteren und etwa 40 bis 100 MPa für den letzteren betragen.
Wie oben erwähnt, weisen SSM-basierte Mikrostrukturen überlegende Fließmerkmale im Vergleich zu denjenigen mit dendritischer Mikrostruktur auf, da die gleichachsige Mikrostruktur des Barrenausgangsstoffs auf den halbfesten Temperaturbereich erhitzt werden kann, um die feinkörnige Barrenmikrostruktur in die globulitische Mikrostruktur umzuwandeln, was ein relativ frei fließendes (aber immer noch viskoses) Fluidverhalten zulässt. Dies ermöglicht wiederum höhere Metallflussgeschwindigkeiten ohne die damit einhergehenden Turbulenzprobleme, die wiederum Komponentenproduktionsraten bedeutend verbessern. Zusätzlich dazu, dass das SSM-Formen keine Turbulenz während dem Füllen erzeugt, wird dabei auch eine niedrigere Temperatur des ankommenden Metalls verwendet, sodass es einen geringeren thermischen Schock für die Werkzeuge gibt, werden kürzere Zykluszeiten aufgrund der niedrigeren Temperatur des ankommenden Metalls verwendet, und es ist keine Handhabung von flüssigem Metall beteiligt, und es werden feine Mikrostrukturen mit niedriger oder keiner Porosität und hohen mechanischen Eigenschaften erzeugt. Squeeze-Casting bietet ähnliche Vorteile, einschließlich der Tatsache, dass es folgende Vorteile bringt: Erzeugen eines guten Oberflächen-Finishs (das zu einer reduzierten Fertigbearbeitung nach dem Guss beiträgt), Erzeugen nahezu endkonturnaher Teile mit nahezu keinem Materialabfall, Ermöglichen des Schmelzens vor Ort von Restmaterial als eine Möglichkeit zum Reduzieren von Abfall, und lässt die resultierenden Komponenten mit feiner Mikrostruktur, niedriger oder keiner Porosität und hohen mechanischen Eigenschaften.
Mit besonderem Hinweis auf 2 sind unterschiedliche, beim Squeeze-Casting 200 verwendete Schritte nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Schritte beinhalten das Schmelzen von Bulklegierung 210, Zugeben von Vorläufern zu der Schmelze, sodass nach dem Erreichen einer passend erhöhten Temperatur die Verstärkungsphasen in situ 220 ausgebildet werden, Laden der flüssigen Mischung der Bulklegierung und Vorläufer (hierin auch als angereicherte Legierung bezeichnet) in eine Gießbuchse 230, Verwenden der Gießbuchse (wie z. B. Gießbuchse 50 von 1) zum Drücken der angereicherten flüssigen Legierung in einen im Wesentlichen endgültig geformten Formhohlraum 240, Aufbringen und Halten eines erhöhten Drucks auf die Legierung innerhalb des Hohlraums, bis sich die Komponente verfestigt 250, Entfernen (wie z. B. durch Ausstoßen) des festen Teils 260 und dann Ausführen der optionalen Post-Ausstoß-Wärmebehandlung 270. In einer Form kann das Erhitzen der Verstärkungsphasenvorläufer durch Induktionserwärmung erfolgen. Darüber hinaus wird von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, obwohl der Rest der Offenbarung bevorzugt die Verwendung horizontaler Gießbuchsen und damit in Zusammenhang stehender Läufer und Schächte darstellt, mit denen die Versorgung der Schächte bereitgestellt wird, dass vertikale oder andere nicht-horizontale Versorgungsschemen auch verwendet werden können, und dennoch als sich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung befindend angesehen werden. In einer am meisten bevorzugten Form können Motorblöcke und andere Automobilkomponenten durch Kombinieren der in situ-Erzeugung von einer oder mehreren Verstärkungsphasen in der Bulklegierung entweder durch Squeeze-Casting- oder SSM-Formungsprozesse hergestellt werden. Die resultierenden partikelverstärkten Verbundwerkstoffe mit hoher Steifigkeit legen überlegene Steifigkeit im Vergleich zu ihren nicht verstärkten Gegenstücken an den Tag, wobei jedoch die Kosten und Komplexität herkömmlicher verbundwerkstoffformender Ansätze vermieden werden.
Mit besonderem Hinweis auf 3 sind unterschiedliche, beim SSM-Formen 300 verwendete Schritte nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der Tat sind zwei parallele Pfade 300A, 300B in Abhängigkeit davon möglich, ob es vorteilhaft ist, mit der Bulklegierung in Pulver-/Partikelform oder in geschmolzener Form zu starten. Beide dieser Pfade werden erklärt. Für Situationen, in denen die Bulklegierung in Partikel-, Pulver- oder verwandter fester Form vorliegt, beinhalten die Schritte von Pfad 300A das Bereitstellen der Bulklegierung 310A, Mischen von Partikelvorläufern in die Bulklegierung 320A, Einführen der Kombination oder Mischung der Bulklegierung und Verstärkungsphasenvorläufer in eine vorläufig geformte Form 330A, Erhitzen (zusammen mit Druck) zum Verfestigen des vorläufig geformten Teils 340A. Auf ähnliche Weise beinhalten für Situationen, in denen die Bulklegierung vor dem Einführen der Verstärkungsphasenvorläufer in geschmolzener Form vorliegen muss, die Schritte von Pfad 300B das Schmelzen der Bulklegierung 310B, Zugeben von Vorläufern zu der Schmelze zum Fördern der in situ-Bildung der Verstärkungsphasen 320B, Gießen der flüssigen Legierungsmischung in die vorläufig geformte Form 330B, und dann Pressen zum Verfestigen des vorläufig geformten Teils 340B.
Unabhängig davon, welcher der zwei parallelen Pfade 300A, 300B verwendet wird, beinhalten nachfolgende Schritte das Übertragen des festen, vorläufig geformten Teils zu einer endgültig geformten Form 350, Erhitzen des endgültig geformten Teils und der Form zum teilweisen Schmelzen des Teils 360, Aufbringen von erhöhtem Druck auf das teilweise geschmolzene Teil 370, um zu helfen, es in eine im Wesentlichen endgültige Form 380 zu verfestigen, Ausstoßen des verfestigten Teils 390 und Ausführen von einer beliebigen Post-Ausstoß-Wärmebehandlung 400. Bei einer bevorzugten Form kann die Post-Ausstoß-Wärmebehandlung 400 helfen, die gewünschten Mikrostrukturen weiter zu entwickeln, einschließlich gleichmäßig verteilter Verstärkungsphasen von unterschiedlichen Größen, die im Bereich von Nanometern zu Mikrometern liegen. Mit der geeigneten Auswahl der Vorläufer zum Säen der Nukleationsstandorte sind die Partikel der Verstärkungsphase im Elastizitätsmodul höher als die Bulklegierung, wodurch sie dem resultierenden Verbundwerkstoffteil zusätzliche Steifigkeit bereitstellen. In einer bevorzugten Form war der Vorläufer in der Legierung bei einer Temperatur besser löslich, bei der die Legierung fest ist, sodass eine katalysierende Aktivierung, die aus der Erhöhung von Temperatur, Druck oder anderen Energiequellen entsteht (wie z. B. Ultraschall, Vibration oder Elektromagnetismus) die Ausbildung der Nukleationsstandorte fördert, sodass die Partikel der Verstärkungsphase an den Nukleationsstandorten aufgrund von einer oder mehreren von Struktur, Größe und Zusammensetzung an dem Standort auf Mikrogröße wachsen. Die resultierenden Verstärkungspartikel sind selbst in der Legierung bei einer Temperatur unter der Temperatur unlöslich, bei der sie nukleierten, und können in der Form von Verbindungen einschließlich (jedoch nicht beschränkt auf) Keramik, intermetallischer Elemente oder Dispersoide sowie einer Kombination davon vorliegen. Solche Keramik kann Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Borcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Titancarbid, Titanoxid, Silicium-Aluminium-Oxynitrid, Steatit (Magnesiumsiilicate), Aluminiumoxid (Tonerde) und Zirconium (Zirkonoxid, das chemisch in unterschiedlichen Formen oder in metastabilen Formen stabilisiert werden kann, die Umwandlungsverstärkung wie z. B. das weniger brüchige, teilweise stabilisierte Zirkonoxid aufbringen kann). Auf ähnliche Weise können geeignete intermetallische Elemente FeAl, Fe₃Al, FeAl₃, FeCo, Cu₃Al, NiTi, NiAl, Ni₃Al, Ag₃Sn, Cu₃Sn, TiSi₂, MgCu₂, MgZn₂, MgNi₂, CuZn, Cu₃₁Sn₈, SbSn sowie andere beinhalten, die drei oder mehr Elemente enthalten. Verbindungen von kostengünstigen Seltenerdelementen, wie z. B. Ce und La, können ebenfalls verwendet werden. Die Vorläufer, die zu den Verstärkungspartikeln führen, können separat oder zusammen während des Prozesses je nach Bedarf zugegeben werden. Bedeutenderweise erreicht der Vorläufer zwei Dinge: erstens stellt er Nukleationsstandorte bereit, an denen die Partikel der Verstärkungsphase wachsen können, und zweitens stellt er die Elemente bereit, die das Wachstum der Verstärkungsphase nähren. Als solche können sie (oder können nicht) aus einer einzelnen Zusammensetzung hergestellt sein. Darüber hinaus können sie beschichtet sein (wie nachfolgend abgehandelt), sodass sich die äußere Zusammensetzung von derjenigen des Kerns unterscheidet, die durch das Wachstum der unterschiedlichen Verstärkungsphasen gesteuert wird.

In einer bevorzugten Form beinhaltet die Aktivierung, die im Ausbilden der Verstärkungsphasen an den Nukleationsstandorten resultiert, das Katalysieren des einen oder der mehreren Vorläufer durch Erhöhen der Temperatur der Bulklegierung über ihre Solidustemperatur. Sobald der Vorläufer katalysiert wurde, vermeidet die resultierende Verstärkungsphase die Rückkehr bei Vorhandensein der flüssigen Schmelze dank ihrer relativ hohen Schmelztemperaturen in Verbindung mit ihrer Nukleation, die bei Temperaturen rund um oder über der Liquidustemperatur T_L von gebräuchlichen Aluminium- und Magnesiumdruckgusslegierungen erfolgt. In der Tat können diese Verstärkungsphasen (vorzugsweise in der Form von Partikeln) eigentlich über einen ziemlich großen Temperaturbereich nukleiert werden (z. B. zwischen etwa 200 und 800 °C), je nach Lösung, in der die Nukleation erfolgt, sowie nach Größe der Verstärkungsphase. Es bilden sich beispielsweise Partikel mit kleinerem Radius bei niedrigeren Schmelztemperaturen aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie aus. Die aktuellen Erfinder sind davon überzeugt, dass in Situationen, in denen die Verwendung eines aluminiumbasierten Materials vorgesehen ist, ein Aktivierungstemperaturbereich von etwa 500 °C bis 800 °C ausreichend wäre, während ein Aktivierungstemperaturbereich von etwa 425 °C bis 700 °C für ein magnesiumbasiertes Material passend wäre. Innerhalb des Kontexts der vorliegenden Erfindung wird erwartet, dass die Nukleation um die Liquidustemperatur T_L von typischen Gusslegierungen auftritt, wovon Beispiele in der nachfolgenden Tabelle dargestellt sind.

	Solidustemperaturen		Liquidustemperaturen
Legierung	°C	°F	°C	°F
Al 356.0	557	1035	613	1135
Al 380.0	538	1000	593	1100
Al 2014	507	945	638	1180
Mg AZ91	470	878	595	1100
Mg AM60	545	1010	615	1140

Durch die richtige Auswahl der Verstärkungsphasen wird sichergestellt, dass sie aufgrund ihres hohen Schmelzpunkts selbst in der sehr heißen Bulklegierung fest bleiben. Die Schmelztemperatur von einem der typischen Verstärkungsoxidpartikel, Titandioxid TiO₂, beträgt beispielsweise 1843 °C oder 3350 °F. Wie von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden wird, sind die Liquidustemperatur T_L und Solidustemperatur Ts, wie z. B. die oben in der Tabelle angezeigten, von Materialzusammensetzungen basierend auf Phasendiagrammen abhängig. Somit würde ein guter Solidustemperaturbereich Ts für Aluminium zwischen etwa 500 °C und 700 °C liegen, während ein wünschenswerter Liquidustemperaturbereich T_L zwischen etwa 550 °C und 750 °C liegen würde. Auf ähnliche Weise würde ein Solidustemperaturbereich T_S für Magnesiumlegierungen zwischen etwa 425 °C und 600 °C liegen, wobei ein entsprechender Liquidustemperaturbereich T_L etwa 550 °C bis 700 °C betragen würde.
Darüber hinaus verbessert die Aktivierung der Vorläufer durch die hierin abgehandelten Katalysierungsschritte die Benetzbarkeit durch reduzierte Grenzflächenenergie, worin dies wiederum Verbesserungen bei den gewünschten Verstärkungsphasen erzeugt. Somit können die Vorläufer zusätzlich zum Kontrollieren der Größe der Verstärkungsphase mit Metallen beschichtet werden (insbesondere, wenn sie in keramischer Form vorliegen), die im Allgemeinen niedrige Schmelzpunkte aufweisen, oder mit Verbindungspartikeln durch mechanisches Fräsen sowie durch Mischen derselben in einem Lösungsmittel, und dann Trocknen. Das Lösungsmittel oder der Träger (die nach dem Verarbeiten bleiben oder entfernt werden können), können zum Verbessern der Umwandlungsprozesseffizienz oder -effektivität verwendet werden, indem sie helfen, die Grenzflächenenergie zwischen den Oberflächen von Partikeln zu reduzieren, sowie Partikelclusterbildung zu vermeiden. Das Lösungsmittel oder der Träger können organische oder anorganische Chemikalien sein, wie z. B. Alkohol, chlorierte Lösungsmittel oder im Handel erhältliches Industrielösungsmittel sowie Festschmierstoff wie z. B. Bornitridpulver, Molybdendisulfidpulver (MbS₂) oder dergleichen.
Ein bedeutender Vorteil beim Verwenden von Squeeze-Casting oder SSM-Formen bei dem vorliegenden verbundwerkstofferzeugenden Ansatz besteht darin, dass nicht-herkömmliche Zusammensetzungen von Aluminium- oder Magnesiumgusslegierungen verwendet werden können, einschließlich derjenigen mit nicht-eutektischen Zusammensetzungen, die, obgleich sie wertvolle Eigenschaften für Motorblöcke und verwandte Automobilkomponenten besitzen, bis jetzt teilweise aufgrund der Schwierigkeit beim Gießen solcher Legierungen in wiederholbare, qualitativ hochwertige Fertigprodukte vermieden wurden. Auf ähnliche Weise können Legierungen, die herkömmlicherweise mit geschmiedeten Materialien (wie z. B. Aluminium-Kupfer, Aluminium-Magnesium (entweder mit oder ohne zusätzliche legierende Inhaltsstoffe) verbunden sind, mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wodurch der Bereich verwendbarer Materialien auf solche erweitert wird, die bis jetzt als ungeeignet für die Herstellung von kostengünstigen Komponenten mit hohen Volumina angesehen wurden. Die hypereutektische Legierung 390 ist beispielsweise herkömmlicherweise aufgrund der Unfähigkeit schwierig zu verwenden, eine wünschenswerte Mikrostruktur als Möglichkeit zum Kontrollieren der Größe und der Verteilung von primärem Silicium während des Gießprozesses aufrechtzuerhalten. Durch Reduzieren des Einflusses der hohen Fusionshitze in Zusammenhang mit der Ausbildung von primärem Silicium werden mit der Kombination von Squeeze-Casting oder Flüssigschmieden mit der in situ-Verbundwerkstoffausbildung, die hierin abgehandelt werden, lange Zykluszeiten und damit einhergehende verkürzte Werkzeuglebensdauer vermieden, was zuvor die Anwendbarkeit dieser (sowie anderer) Legierungen verhinderte. Die Möglichkeit der Verwendung schwierig zu gießender Legierungen (wie z. B. von der Al/Cu-Klasse von Legierungen) ist insbesondere bei der Ausbildung von Motorblöcken 100 dahingehend wünschenswert, dass die darin definierten Zylinderbohrungen in einer „Nacktbohrungs”-Konfiguration erzeugt werden, ohne dass separate eisenbasierte Zylinderauskleidungen oder andere Einsätze benötigt würden. Darüber hinaus können herkömmliche hypereutektische Legierungen (wie z. B. Legierungen 319 und 356, die jeweils grob 6 bis 7 Prozent Si enthalten), die der Anmelder gegenwärtig für Motorblöcke verwendet, sowie nahezu eutektische Legierungen (wie z. B. Legierung 380 mit grob 9 % Si) mit den hierin offenbarten Verfahren vorteilhaft verwendet werden.
Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „bevorzugt,” „normalerweise,” und „typischerweise” hier nicht zur Einschränkung des erfindungsgemäßen Schutzumfangs verwendet werden oder implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essenziell oder sogar wichtig für die erfindungsgemäße Struktur oder Funktion sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um lediglich die alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können aber nicht müssen. Darüber hinaus wird der Begriff wie „im Wesentlichen” hierin verwendet, um einen inhärenten Grad an Ungewissheit auszudrücken, die jedem quantitativen Vergleich, Wert, jeder Abmessung oder jeder Darstellung innewohnen kann. Als solcher kann er den Grad darstellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion des behandelten Gegenstands zu ändern.
Nachdem die Erfindung detailliert und mit Bezug zu spezifischen Ausführungen dergleichen beschrieben wurde, wird es offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den angehängten Ansprüchen definiert ist. Genauer ausgedrückt wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist, auch wenn manche Aspekte hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft beschrieben werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer verstärkten Metalllegierungskomponente, worin das Verfahren Folgendes umfasst: Einführen von mindestens einem Verstärkungsphasenvorläufer in eine Bulklegierung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus aluminiumbasierten Legierungen, magnesiumbasierten Legierungen, Hochentropielegierungen und Kombinationen davon; und Ausbilden der Komponente als einen Verbundwerkstoff von der Bulklegierung und mindestens einer Verstärkungsphase, die nach der Aktivierung des mindestens einen Verstärkungsphasenvorläufers durch Verwenden entweder von Squeeze-Casting oder halbfester Metallumformung erzeugt wird, sodass eine lineare Abmessung der mindestens einen Verstärkungsphase in dem Nanometer- bis Mikrometerbereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aktivierung das Katalysieren von mindestens einem Verstärkungsphasenvorläufer durch Erhöhen der Temperatur der Bulklegierung über ihre Solidustemperatur umfasst, worin die Aktivierung weiterhin in mindestens einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin das Formen durch Squeeze-Casting umfasst, dass Bulklegierung zu dem Zeitpunkt in geschmolzener Form vorhanden sein muss, an dem ihr mindestens ein Verstärkungsphasenvorläufer zugegeben wird, worin das Formen weiterhin Folgendes umfasst: Aufrechterhalten des Verbundwerkstoffs in im Wesentlichen geschmolzener Form; Positionieren des Verbundwerkstoffs in im Wesentlichen geschmolzener Form in eine Gießbuchse; Drängen des im Wesentlichen geschmolzenen Verbundwerkstoffs in einen Formhohlraum mit im Wesentlichen endgültiger Form; und Aufrechterhalten eines erhöhten Drucks auf dem im Wesentlichen geschmolzenen Verbundwerkstoff, bis sich eine endgültige Form der Komponente, die von dem Formhohlraum mit endgültiger Form definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat, worin der Formhohlraum mit im Wesentlichen endgültiger Form geformt ist, um eine Automobilkomponente zu definieren; Wärmebehandlung der Komponente, sobald sie sich im Wesentlichen verfestigt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aktivierung das Katalysieren von mindestens einem Verstärkungsphasenvorläufer durch mindestens einen von dem Erhöhen des Drucks auf den Verstärkungsphasenvorläufer, Aufbringen von Ultraschallschwingungen auf den Verstärkungsphasenvorläufer und Aufbringen eines elektromagnetischen Felds auf den Verstärkungsphasenvorläufer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die aluminiumbasierte Bulklegierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus eutektischen Legierungen, nahezu eutektischen Legierungen, hypoeutektischen Legierungen, hypereutektischen Legierungen und geschmiedeten Legierungen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verstärkungsphase ein höheres Elastizitätsmodul als die Bulklegierung definiert.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verstärkungsphase aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Keramik, intermetallischen Elementen, Seltenerdelementen und Dispersoiden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Einführen durch halbfeste Metallumformung das Bereitstellen der Bulklegierung in Partikelform zu dem Zeitpunkt umfasst, an dem mindestens ein Verstärkungsphasenvorläufer in diese eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Formen weiterhin Folgendes umfasst: Einführen des Verbundwerkstoffs in einen Formhohlraum mit im Wesentlichen vorläufiger Form; Bereitstellen einer Kombination aus Hitze und Druck, bis sich eine vorläufige Form der Komponente, die durch die vorläufige Form des Formhohlraums definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat; Übertragen des verfestigten Verbundwerkstoffs in einen Formhohlraum mit im Wesentlichen endgültiger Form; Erhitzen des Formhohlraums mit im Wesentlichen endgültiger Form derart, dass der darin verfestigte Verbundwerkstoff mindestens teilweise geschmolzen wird; Aufbringen von zusätzlichem Druck auf den mindestens teilweise geschmolzenen Verbundwerkstoff, bis sich eine endgültige Form der Komponente, die von dem Formhohlraum mit endgültiger Form definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat, worin der Formhohlraum mit im Wesentlichen endgültiger Form geformt ist, um einen Automobilmotorblock zu definieren; und Wärmebehandlung der Komponente, sobald sie sich im Wesentlichen verfestigt hat.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Formen durch halbfeste Metallumformung weiterhin Folgendes umfasst: Aufrechterhalten des Verbundwerkstoffs in im Wesentlichen geschmolzener Form; Positionieren des im Wesentlichen geschmolzenen Verbundwerkstoffs in einen Formhohlraum mit im Wesentlichen vorläufiger Form; Bereitstellen einer Kombination aus Hitze und Druck, bis sich der im Wesentlichen geschmolzene Verbundwerkstoff, der durch die vorläufige Form des Formhohlraums definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat; Übertragen des verfestigten Verbundwerkstoffs von dem Formhohlraum mit im Wesentlichen vorläufiger Form in einen Formhohlraum mit im Wesentlichen endgültiger Form; Erhitzen des Formhohlraums mit im Wesentlichen endgültiger Form derart, dass der darin verfestigte Verbundwerkstoff mindestens teilweise geschmolzen wird; und Aufbringen von zusätzlichem Druck auf den mindestens teilweise geschmolzenen Verbundwerkstoff, bis sich eine endgültige Form der Komponente, die von dem Formhohlraum mit endgültiger Form definiert ist, im Wesentlichen verfestigt hat.