DE102022109070A1 - Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, hergestellt aus einer Pulvermischung mit Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95,0 % und mit Trennmittel und mit hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur, mit bis zu 2 Gewichts-% des Trennmittels und bis zu 5 Gewichts-% der hexagonalen Partikel.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das technische Verbessern eines auf Magnesiumbasis hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstoffs aus einer Pulvermischung mit einer Zusammensetzung mit
    • - Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95,0 % und
    • - Partikeln mit hexagonaler Struktur und
    • - Trennmittel
    sowie eines Verfahrens zur Herstellung dieses Metallmatrix-Verbundwerkstoffs.
  • Metallmatrix-Verbundwerkstoffe werden im angelsächsischen Sprachraum Metal-Matrix-Composites (MMC) genannt. Vorliegend mit Magnesium als Metallbestandteil, kann er als Magnesium-Matrix-Verbundwerkstoff bezeichnet werden.
  • Von Natur aus besitzt Magnesium eine gute Korrosionsbeständigkeit, aber für den technischen Einsatz unzureichende mechanische Eigenschaften. Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, wird Magnesium mit unterschiedlichen Legierungselementen, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Mangan, Nickel, Silizium und/oder Zink legiert. Eine vollständigere Aufzählung der Legierungselemente ist in „DIN 17007-4:2012-12 Werkstoffnummern - Teil 4: Systematik der Hauptgruppen 2 und 3: Nichteisenmetalle“ zu finden. Das Legieren erlaubt die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, reduziert aber automatisch die Korrosionsbeständigkeit.
  • Ein sehr gutes Beispiel für diesen Zusammenhang stellen die am häufigsten genutzten Magnesiumdruckgusslegierungen AZ91 (Zugfestigkeit: 200-260MPa, Bruchrechnung: 1-6%) und AM50 (Zugfestigkeit: 180-230MPa, Bruchdehnung: 5-15%) dar. Die Festigkeitssteigerung wird bei AZ91 mit dem Zulegieren von 8,5-9,1% Aluminium und bei AM50 mit 5,7-6,3% Aluminium erreicht. Mit steigendem Aluminiumgehalt wird die Korrosionsbeständigkeit aber signifikant reduziert.
  • Eine weitere Gruppe von Magnesiumbasiswerkstoffen, mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften, stellen die mit Metallen der Seltenen Erden (Seltene Erdelemente, SEE; englisch: Rare Earth Elements, REE) legierten Magnesiumlegierungen dar.
  • Als Beispiel können hier zwei Patentanmeldungen angeführt werden, die jeweils mit der Zugabe von SEE die mechanischen Eigenschaften wie die Streckgrenze Rp 0,2, aber auch die Kriechbeständigkeit, verbessert haben:
    • DE102009038449B4 betrifft einen Magnesiumwerkstoff in Form einer mit SEE legierten Magnesiumlegierung, mit einer Streckgrenze Rp 0,2 von mindestens 140 MPa.
    • DE102008039683A1 betrifft eine kriechbeständige Magnesiumlegierung auf Basis eines Mehrkomponentensystems mit zulegierten SEE.
  • Beide Beispiele sind für technische Anwendungen ausgelegt. Für medizinische Anwendungen werden Magnesiumbasis-Werkstoffe eingesetzt, die eine sehr gute Biokompatibilität haben und biologisch absorbierbar sein müssen.
  • Beispielhaft werden hier die Anmeldungen DE102018120093A1 und DE102011082210 A1 aufgeführt.
  • Die mechanischen Eigenschaften werden durch die Zugaben von SEE verbessert.
  • Die Gewinnung von Metallen der seltenen Erden (SEE) stellen ein Nachhaltigkeitsproblem dar. Da SEE nur in geringen Konzentrationen in Lagerstätten vorkommen, ist für die Förderung in industriell relevanten Mengen die Bewegung von sehr großen Volumen an Erdmaterial erforderlich. Diesem folgt eine Aufbereitung mit zum Teil ätzenden und hochgiftigen Substanzen, um die SEE in metallischer Form aus dem Trägermaterial zu gewinnen. Dies führt zu einer erheblichen Umweltbelastung.
  • Zum anderen sind einige SEE selbst hochgiftig und stellen damit ein erhebliches Gesundheitsrisiko für das Personal in der Förderung und Verarbeitung dar. Darüber hinaus treten Seltene Erden häufig in Kombination mit radioaktiven Metallen auf, wodurch beim Abbau radioaktive Strahlung freigesetzt wird.
  • Technisch haben die SEE eine höhere Dichte als Magnesium. Die niedrigste Dichte besitzen Scandium mit 2,985g/cm3 und Yttrium mit 4,472g/cm3. Andere SEE haben eine Dichte von bis zu 9,84g/cm3. Diese Werte liegen weit über der Dichte vom Magnesium mit 1,738 g/cm3, und erhöhen in Folge die Dichte von SEE-Magnesiumlegierungen deutlich.
  • Weltweit steigt der Bedarf nach SEE-Rohstoffen deutlich, da diese in fast allen High-Tech-Produkten der Unterhaltungselektronik, Bauteilen grüner Technologien, sowie Beschichtungen und Lacken enthalten sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis für technische und besonders für medizinische Anwendungen zu schaffen, der mindestens auf dem Niveau üblicher, möglicherweise verbesserter Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Biokompatibilität, biologischer Absorption, Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit, in einem vereinfachten Herstellungsverfahren unter Verwendung von gesundheitsunbedenklichen Komponenten hergestellt werden kann.
  • Vorstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Patentanspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis hat eine Zusammensetzung bestehend aus
    • - Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mehr als 95,0 %, vorzugsweise mehr als 99,0 % (insbesondere 99,5 %) und
    • - bis zu 2 Gewichtsprozent eines Trennmittels, insbesondere Metallseife oder Stearinsäure, sowie
    • - hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur (und zwar vorzugsweise nur diese Bestandteile) - und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Anteil von Partikeln mit hexagonaler Struktur (besonders bevorzugt hexagonales Bornitrid) von gleich oder weniger als 5 Gewichtsprozent.
  • Dieser Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff wird erfindungsgemäß hergestellt, indem das Magnesium, mittels z.B. Wasserverdüsung oder Gas-Atomisierung, insbesondere ohne vorherige Fraktionierung, Partikelgrößenunabhängig (Partikelgröße von 0 bis 1mm) oder, besonders bevorzugt, mechanisch, zerkleinert aus dem Magnesium in Form von Granulat mit einer Ausgangangsgranulatgröße von 0 bis 5mm und mit den übrigen Bestandteilen, gemischt wird.
  • Die Mischung wird im erfindungsgemäßen Verfahren nach dem erfindungsgemäßen mechanischen Zusammenmischen der Komponenten vorzugsweise stranggepresst, womit sich einen Zugfestigkeitsbereich einstellen lässt, von 100 MPa bis über 450 MPa, und zwar unmittelbar nach dem Strangpressen sogar ohne vorherige oder nachfolgende Wärmebehandlung. Weitere Urformverfahren, wie Sintern oder 3d-Druck [Additive Manufacturing] zu einer Barren-, Halbzeugform, oder einem Bauteil in Endkontur, sind erfindungsgemäße Verarbeitungsverfahren der erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff-Pulvermischung, und zwar vorzugsweise so (in den Verfahrensparametern ausgeführt, gesteuert und/oder geregelt), dass dabei keine Schmelzphase entsteht und insbesondere die Schmelzgrenze, insbesondere des Magnesiums, nicht überschritten wird.
  • Zur Herstellung und dabei insbesondere auch schon der Formgebung des erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoffs auf Magnesiumbasis ist ein den Herstellungsprozess insbesondere bereits abschließendes großserientaugliches Strangpressen besonders bevorzugt. Für die meisten gängigen stranggepressten Magnesium-Matrix-Verbundwerkstoffe wird nach einer Vorwärmung eine Umformtemperatur von mindestens 450 °C benötigt. Üblicherweise findet, zur vollständigen Verdichtung des Verbundes, eine nachfolgende Wärmebehandlung statt. Für die Formgebung des erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis ist keine Vorwärmung und eine wesentlich niedrigere Formgebungstemperatur ausreichend (insbesondere so, dass die Schmelzgrenze nicht oder nur geringfügig überschritten wird), um eine nahezu einhundertprozentige Enddichte und Endfestigkeit erreichen zu können. Eine nachfolgende Wärmebehandlung ist nicht erforderlich.
  • Üblicherweise findet ein Strangpressprozess von pulverförmigen Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen und auch pulverförmigen Magnesium-Matrix-Verbundwerkstoffen unter Verwendung von eigenmaterialfremden Kapseln oder Hülsen statt. Für den erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis wird das nachfolgende besonders bevorzugte Pulverstrangpressen mit Kapseln oder Hülsen aus Eigenmaterial oder sogar ohne den Einsatz von Kapseln oder Hülsen stattfinden.
  • Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoffs auf Magnesiumbasis werden reines Magnesium vorzugsweise in 99,5 % Reinheit und insbesondere ausschließlich physiologisch unbedenkliche Materialien verwendet.
  • Der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis ist vollständig und ohne Einschränkungen recyclingfähig. Ein weiterer wichtiger Vorteil stellt die erfindungsgemäße mögliche Verwendung des mechanischen Zerkleinerns von Reinmagnesium-Granulaten zu Mg-Pulver für die erfindungsgemäße Mischung des Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis dar. Die Erfindung ermöglicht eine nachhaltige Verwendung von Rohstoffen, Ressourcen-Effizienz und Umweltfreundlichkeit. Da der Verbundwerkstoff aus insbesondere bis zu 99,95 % reinem Magnesium (mögliche Reinheit des erfindungsgemäßen Mg-Pulver-Bestandteils) besteht, ist die Rückführung, in den Sekundärmarkt durch Recycling, höchst vorteilhaft ohne Qualitätsverlust gegeben. Im Herstellungsprozess werden keine SEE, keine krebserzeugenden Nano-Partikel und keine Nanotubes verwendet. Es wird ausschließlich mit für den menschlichen Körper unbedenklichen und ebenso umweltfreundlichen Bestandteilen gearbeitet. Auch die Magnesiumgewinnung aus Salzwasser, sei es aus Meerwasser oder Salzlacken, zum Beispiel auch als Nebenprodukt der Meerwasserentsalzung, etwa im Rahmen der Trinkwassergewinnung, spielt auch erfindungsgemäß eine mögliche vorteilhafte Rolle: als auch erfindungsgemäß mögliche umweltfreundliche, nachhaltige und lokale Rohstoffquelle für das erfindungsgemäß verwendete Magnesium.
  • Für technische, insbesondere medizinische Anwendungen ist der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis mit seiner dreifach höheren Festigkeit gegenüber Reinmagnesium, seiner hohen Kriechbeständigkeit, sowie seiner besonders für die Medizintechnik vorteilhaften sehr hohen Reinheit und damit sehr guten Korrosionsbeständigkeit hervorragend geeignet.
  • Magnesium kann also - erfindungsgemäß - als Werkstoff mit Hilfe insbesondere von hexagonalem Bornitrid und Trennmittel hergestellt werden. Handhabung und Umgang mit dem Werkstoff Magnesium sind technologisch anders als mit anderen Leichtmetallen wie zum Beispiel Aluminium. Zum Beispiel ist Magnesium im Vergleich mit Aluminium um ein Vielfaches reaktiver. Die gesamte erfindungsgemäße Prozesskette ist deshalb besonders bevorzugt zum Beispiel in Hinsicht auf Explosionsgefahr sicherheitstechnisch zu gestalten. Während Aluminium sehr kostengünstig aus Recycling-Aluminium hergestellt werden kann, ist dies mit Magnesium nicht bevorzugt. Denn bei Aluminium führen leichte Verunreinigungen zu einer leichten - aber hinnehmbaren - Beeinträchtigung der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit. Magnesium dagegen, insbesondere für die medizinische Anwendung, ist besonders bevorzugt vom Rohstoff bis zum Endwerkstoff, in der gesamten Prozesskette, von jeglicher Verunreinigung freizuhalten. Die Reinheit des Produktes hat hier besondere Bedeutung.
  • Ähnlich zum hexagonalen Bornitrid können andere hexagonale Partikeln wie zum Beispiel Graphenoxid (GO) oder Molybdänsulfid erfindungsgemäß verwendet werden. Allerdings stellen die Graphen-Verbindungen ein Korrosionsproblem dar. Partikel wie Molybdänsulfid können in ihrer erfindungsgemäßen Funktion zwar technisch interessant sein, sind aber giftig. Somit wären Biokompatibilität und biologische Absorbierbarkeit beeinträchtigt.
  • Daher ist die Verwendung vom hexagonalen Bornitrid für die Herstellung vom Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis für technische und besonders für medizinische Anwendungen besonders vorteilhaft.
  • Folgende beispielhafte Zusammensetzungen haben sich als Mischung (insbesondere nur mit diesen drei Bestandteilen) insbesondere für anschließendes, und insbesondere auch abschließendes, Strangpressen besonders bewährt:
    • - Mechanisch zerkleinertes Magnesium-Granulat mit einer Reinheit von über 95 %, vorzugsweise über 99 %, besonders bevorzugt über 99,5 %, insbesondere 99,7 %, in zerklüfteter Kornform und Oberfläche, mit einem mittleren Korndurchmesser von höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, besonders bevorzugt höchstens 500 um, insbesondere 0 bis 100 um;
    • - hexagonales Bornitrid-Pulver höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 2 %, besonders bevorzugt höchstens 0,2 %, insbesondere 0,05 %, des Gewichts der Zusammensetzung mit einer Reinheit von mindestens 95 %, vorzugsweise mindestens 97 %, besonders bevorzugt mindestens 98 %, insbesondere 98,5 %, bei einer mittleren Partikelgröße von höchstens 50 um, vorzugsweise höchstens 10 um, besonders bevorzugt höchstens 5 um, insbesondere 2 um und
    • - Trennmittelpulver, vorzugsweise Metallseife oder Stearinsäure, und zwar höchstens 2 %, vorzugsweise höchstens 1 %, besonders bevorzugt höchstens 0,1 %, insbesondere 0,01 %.
  • Als Stand der Technik werden Verbundwerkstoffe üblicherweise mit möglichst hoher Energie in einer hochenergetischen Kugelmühle mechanisch legiert. Dabei limitieren Kugelmühlen die Herstellungsmenge sehr stark. Sehr kleine Mahlbecher mit einem Volumen bis zu 500 ml werden maximal zu 20% mit dem pulverförmigen Material befüllt. Diese Methode erlaubt lediglich eine labormäßige Erprobung. Für großtechnische Produktionseinsätze ist diese Methode nur unter sehr hohen Kosten realisierbar.
  • Handelsübliches verdüstes sphärisches Mg-Pulver mit einer streng definierten Partikelgröße und -form ist für großtechnische Anwendungen zwar geeignet, aber relativ teuer - und von nicht unbedingt erforderlicher hoher Formqualität. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass zwar eine möglichst hohe Reinheit des Magnesiumausgangsmaterials besonders vorteilhaft ist, die Kornform und Partikelgröße aber nur eine geringere Rolle spielt. Dies bedeutet, dass auf die aufwendigen und Ressourcen-intensiv hergestellten wasserverdüsten oder gas-atomisierten Pulver zugunsten einfacher mechanisch zerkleinerter Pulver verzichtet werden kann. Zum einen ermöglicht dieser Ansatz ein wirtschaftliches und ressourcenschonendes Endprodukt, und zum anderen ist die Rohmaterialversorgung auch in großem Umfang sichergestellt. Mg-Granulate mit einer breit verteilten Korngröße von etwa 0 bis 5mm gelten als Standardprodukt. Vielfältige Einsatzgebiete finden sich in der Schmelzmetallurgie sowie organischen Chemie. Dabei wird Magnesium beispielsweise als Zuschlag, Reduktionsmittel, Legierungselement oder Reaktionspartner verwendet. Der erfindungsgemäße mögliche Verzicht auf energieintensive Umschmelzprozesse generiert zusätzliche Einspareffekte. Dieser Verzicht gilt sowohl für die finale Formgebung, sowie der typischen Barrenumschmelze als Folgeschritt der schmelzelektrolytischen Reinmagnesiumgewinnung. Auch hexagonales Bornitrid und Trennmittel-, insbesondere Metallseifen-Pulver sind Materialien, die in großen Quantitäten günstig verfügbar sind.
  • Für die Pulverherstellung und Mischung sind als Mahlsystem hochenergetische Planetenkugelmühlen besonders für kleinere Durchsätze geeignet. Für eine großtechnische Herstellung von Magnesium-Matrixverbundwerkstoffen stellen hochenergetische Schwingmühlen, besonders Exzenterschwingmühlen erfindungsgemäß geeignete Vorrichtungen dar.
  • Im schon erwähnten Herstellungsprozess kann in einer hochenergetischen Schwingmühle, besonderes in einer Exzenterschwingmühle, Mg-Granulat (mit einer Korngröße von zum Beispiel 0 bis 5 mm) mit allen Bestandteilen zu dem Endprodukt (Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis) in einem Prozessschritt verarbeitet werden. Erfindungsgemäß werden hierbei Zerkleinerung und mechanisches Legieren kombiniert.
  • Betreffend die erfindungsgemäße Pulververarbeitung sind Formgebungsverfahren (insbesondere für die erfindungsgemäße nicht-poröse Werkstoffstruktur - poröse Systeme eignen sich zum Beispiel als Filterwerkstoff) vielfältig. Sie lassen sich grundsätzlich einteilen in Methoden mit Schmelzphase (zum Beispiel Gießen, Selective Laser Melting, Pulverschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Auftragsschweißen) oder ohne Schmelzphase (Strangpressen (insbesondere bei hohen Temperaturen: Hot Extrusion), Sinterprozesse (Hot Isostatic Pressing - HIP), Walzenkompaktieren (P/M), Powder Injection Molding (PIM), Spark Plasma Sintering (SPS), Selektive Laser Sintering (SLS), Jet Printing).
  • Sinterprozesse bestehen zumeist aus einer Vorverdichtungsphase, dem Sinterprozess und einer Nachverdichtung zur Porositätsverringerung. Beim erfindungsgemäß besonders bevorzugten Strangpressen bei hohen Temperaturen (Hot Extrusion) erfolgt die Pulverkompaktierung in einem Arbeitsgang im Rezipienten durch den Pressstempel. Die anschließende thermomechanische Bindung (Reibverschweißung und Verbindung der einzelnen Partikel des MMC), kann durch den aufgebrachten Pressdruck in Kombination mit der Temperatur (besonders bevorzugt unterhalb des Materialschmelzpunkts) innerhalb der Matrize entstehen und erfindungsgemäß zur Formgebung eines weitgehend porenfreien Formteils (Barrens, Halbzeugs oder sogar fertigen Bauteils) führen.
  • In 3D-Druck-Systemen (insbesondere Sinterphasensystemen) kann die Vorkompaktierung und Verdichtung erfindungsgemäß über die Struktur und Zusammensetzung des Druckpulvers und/oder eine laserbasierte Fügetechnik (insbesondere ohne Schmelzphase) erreicht werden. Dabei unterscheiden sich mögliche Techniken in ihren Arbeitsschritten. Zum einen existieren reine Grünling-Fertigungsansätze (Binder-Jeting), welche ein Produkt erst nach der Formgebung separat sintern, zum anderen gibt es Fertigungsansätze, in denen der Sinterprozess direkt beim Pulverauftrag lokal durch den Laser initialisiert wird. Letztere Prozessvariante besitzt im Vergleich zur ersteren eine geringere Porosität, allerdings zumeist erkauft mit höheren Produktionsanforderungen und einer geringeren Produktionsleistung.
  • Die Formgebung durch Strangpressen bei hohen Temperaturen stellt erfindungsgemäß ein besonders geeignetes Verfahren zur großtechnischen Pulververarbeitung dar. Die Materialdurchsatzraten sind dabei von vergleichbarer Leistungsfähigkeit zu üblichen Massenproduktionsverfahren der Metallindustrie.
  • Vorrichtungen dafür sind erfindungsgemäß zum Beispiel folgendermaßen ausgeführt.
  • Das Strangpressen, in konventionellen Strangpresssystemen für die Vollmaterialumformung, erhält erfindungsgemäß vorzugsweise eine Handhabungshilfe für erfindungsgemäße Pulversysteme, um die, durch den Pressstempel aufgebrachte, Verdichtungsenergie auf den Pulverwerkstoff zu übertragen. Mögliche Methoden sind neben dem unmittelbaren Pulverstrangpressen zum Beispiel das Sintern des Pulvermaterials zu einem Strangpressbolzen oder der Einsatz von pulvergefüllten Metallhülsen auf Basis des Pulvermatrixwerkstoffs (zum Beispiel Mg-Pulver in Mg-Hülse). Beide Varianten verschließen die Matrizenseite des Rezipienten (und verhindern so ein Ausblasen des Pulvermaterials durch die Matrize) und erlauben eine fortlaufende Entgasung, während der Pressstempel das System komprimiert und den Pressdruck zur Formgebung in das Material überträgt.
  • Die Hülsenvariante kann im Vergleich zum Sinterbolzen flexibler sein, bei gleichzeitig geringerem Arbeitsaufwand und geringeren Kosten. Das Hülsensystem kann auf der Außenhülle des Pressprofils eine Schicht aus einem Hülsenmaterial produzieren, die einer nachträglichen Entfernung durch mechanische Bearbeitung bedarf.
  • Die Hülse kann zum Beispiel ohne Schweißnähte zwischen ihrem Boden und Seiten ausgestaltet sein. Zum Beispiel wird so erfindungsgemäß vermieden, dass die Schweißnähte, die zumeist weicher sind als die Hülse selbst, sich beim eigentlichen Strangpressen verformen.
  • Beide Deckseiten können mechanisch verschlossen werden und halten während des Strangpressens das Pulver in der Hülse. Dabei erlaubt eine Öffnung in der Hülse das Ausgasen des Pulvers. Durch die Verwendung zum Beispiel eines solchen Hülsensystems kann die erfindungsgemäße Verarbeitung im Übrigen einem üblichen Strangpressprozess in üblichen Maschinen oder Anlagen entsprechen.
  • Eine weitere erfindungsgemäße Gestaltung der Hülse ist die Verwendung von Pulver-Eigenmaterial (hier Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis) als Hauptmaterial der Hülse. In diesem Fall ist eine nachträgliche mechanische Bearbeitung zwecks Entfernung der Hülse nicht notwendig. Dies stellt eine kostengünstige Technik für großindustrielle Prozesse dar, in denen eine hülsenfreie Pulververarbeitung nicht umgesetzt wird.
  • Die folgende Figur zeigt in einem Diagramm Eigenschaften der folgenden Zusammensetzung als Ausführungsbeispiel der Erfindung („Mg + BN“) im Vergleich zu Rein-Magnesium („µMg“) aus dem Stand der Technik:
    • - Mechanisch gemahlenes Magnesium-Pulver mit einer Reinheit von 95% [und mittleren Korndurchmessern zwischen 20 und 55 um];
    • - < 3 Gewichts-% hexagonales Bornitrid-Pulver;
    • - < 2 Gewichts-% Trennmittel.
  • Die Figur zeigt ein Spannungs-/Dehnungs-Diagramm.
  • Gemäß der Figur wird die deutlich höher liegende Spannungskurve des erfindungsgemäßen, auf Magnesiumbasis hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstoffs mit Spitzenwerten für die Zugfestigkeit (bei 100°C) im Bereich von über 450 MPa, gegenüber dem bekannten Rein-Magnesium mit Maximalwerten im Bereich von etwa 150 MPa, deutlich.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009038449 B4 [0006]
    • DE 102008039683 A1 [0006]
    • DE 102018120093 A1 [0008]
    • DE 102011082210 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Metallmatrix-Verbundwerkstoff, hergestellt aus einer Pulvermischung mit Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95,0 % und mit Trennmittel und mit hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur, mit bis zu 2 Gewichts-% des Trennmittels und bis zu 5 Gewichts-% der Partikel mit hexagonaler Struktur.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung keinen anderen Materialbestandteil als das Magnesium und die Partikel mit hexagonaler Struktur und das Trennmittel aufweist.
  3. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel Metallseife oder Stearinsäure ist.
  4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung eine Ausgangsgröße von 0 bis 5mm hat.
  5. Verfahren zum Herstellen eines Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoffs auf Magnesiumbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Schritte, a) das Magnesiumgranulat mechanisch zu zerkleinern und b) die Materialbestandteile zu mischen und c) die Mischung durch Urformen oder Strangpressen oder Sintern oder 3d-Drucken zu einem Barren, Halbzeug oder Bauteil zu verarbeiten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Urformens oder Strangpressens oder Sinterns oder 3d-Druckens so durchgeführt wird, dass die Schmelzgrenze des Leichtmetall-Matrixverbundwerkstoff auf Magnesiumbasis nicht überschritten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, die Materialbestandteile zu mischen, gleichzeitig mit oder nach Beginn von Schritt a) durchgeführt wird und/oder die Partikel mit hexagonaler Struktur und das Trennmittel im Wesentlichen gleichzeitig in die Mischung gegeben werden, nämlich um höchstens 5 Minuten oder höchstens 2 Minuten nacheinander und/oder die Schritte umfasst, das Magnesium und die Partikel mit hexagonaler Struktur mechanisch zu legieren und vorher und/oder anschließend zu deagglomerieren.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte, das Magnesiumpulver mechanisch zu zerkleinern, und, die Materialbestandteile in Pulverform zu mischen, in derselben Vorrichtung, in einer Mühle, in einem Arbeitsgang erfolgen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnesiumgranulat zu einer Korngröße von höchstens 500 um oder höchstens 100 um oder höchstens 50 um mechanisch zerkleinert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver der Partikeln mit hexagonaler Struktur in der Zusammensetzung - höchstens 5 % oder höchstens 2 % oder höchstens 0,1 % ihres Gewichts ausmacht und/oder - eine Reinheit von mindestens 95 % oder mindestens 97 % oder mindestens 98 % und/oder - eine mittlere Partikelgröße von höchstens 50 um oder 10 um oder höchstens 5 um aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel in der Zusammensetzung höchstens 2,0 % oder höchstens 1,0 % oder höchstens 0,8 % ihres Gewichts ausmacht.
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