DE112011103352T5

DE112011103352T5 - Legierungsverfahren für Aluminiummetallpulver

Info

Publication number: DE112011103352T5
Application number: DE112011103352T
Authority: DE
Inventors: Donald P. Bishop; Richard L. Hexemer; Ian W. Donaldson; Randy William Cooke
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2011-10-04
Publication date: 2013-08-29
Also published as: JP2013544961A; CA2811754A1; US20130183189A1; JP5881188B2; WO2012047868A2; CN103140313B; WO2012047868A3; US9533351B2; CA2811754C; CN103140313A

Abstract

Es werden ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver und ein Verfahren zur Herstellung dieses Metallpulvers offenbart. Das Herstellungsverfahren umfasst das Ausbilden einer Aluminium-Zirconium-Schmelze, wobei ein Zirconium-Gehalt der Aluminium-Zirconium-Schmelze kleiner als 2,0 Gewichtsprozent ist. Die Aluminium-Zirconium-Schmelze wird dann pulverisiert, um ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver auszubilden. Die Pulverisierung kann beispielsweise durch Luftzerstäubung erfolgen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Pulvermetallurgie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Metallpulverzusammensetzungen für die Pulvermetallurgie.
Die Pulvermetallurgie stellt eine Alternative zu herkömmlichen Metallumformungsverfahren wie beispielsweise dem Gießen dar. Mit Hilfe der Pulvermetallurgie lassen sich Teile mit komplexer Geometrie herstellen, mit Abmessungen, die den im endgültigen Teil gewünschten Abmessungen sehr nahe kommen. Durch diese Maßgenauigkeit lässt ich erheblicher Aufwand hinsichtlich der mechanischen Bearbeitung oder Nachbearbeitung sparen, insbesondere bei Teilen mit großen Stückzahlen.
Pulvermetallurgisch hergestellte Teile werden in der Regel in folgender Weise ausgebildet. Zunächst wird eine Zusammensetzung, die ein oder mehrere Metallpulver und ein Schmiermittel enthält, in einem Werkzeug- und Formensatz unter Druck verdichtet, um einen Pulvermetall-(PM)Presskörper auszubilden. Dieser PM-Presskörper wird dann erhitzt, um das Schmiermittel zu entfernen und um die einzelnen Partikel des Metallpulvers über einen diffusionsbasierten Massetransport zu versintern. Das Sintern erfolgt typischerweise durch Erwärmen des Metallpulvermaterials auf eine Temperatur, die entweder geringfügig unterhalb oder oberhalb der Solidustemperatur liegt. Wenn die Temperatur unterhalb der Solidustemperatur gehalten wird, erfolgt das Sintern in Abwesenheit einer flüssigen Phase. Dies wird üblicherweise als Festkörpersintern bezeichnet. Wenn die Temperatur oberhalb der Solidustemperatur gehalten wird, wird ein kontrollierter Anteil einer flüssigen Phase gebildet. Das Sintern in dieser Weise wird als Flüssigphasensintern bezeichnet. Unabhängig von der verwendeten Sintertemperatur entspricht die Form des gesinterten Teils sehr genau dem ursprünglichen Presskörper.
Während des Sinterprozesses unterliegen die Teile üblicherweise einem Schrumpfen bezüglich ihrer Abmessungen. Sobald eine Diffusion auftritt, verzahnen sich benachbarte Partikel miteinander und werden dauerhaft miteinander verbunden und beginnen etwaig vorhandene Hohlräume zwischen den Partikeln auszufüllen. Durch diese Verdichtung werden Poren geschlossen und/oder deren Größe verringert sich, und die Gesamtgröße des gesinterten Teils verringert sich im Vergleich zu dem Presskörper. Selbst bei langen Sinterzeiten bleiben jedoch einige Hohlräume in dem Sinterteil bestehen. Leider ist bei Sinterteilen, die nicht ganz vollständig dicht sind, die mechanische Festigkeit dieser Sinterteile in der Regel auch etwas geringer als bei einem geschmiedeten Teil.
Zudem kann bei vielen Sinterteilen die Schrumpfung aus einer Reihe von Gründen in den verschiedenen Richtungen unterschiedlich sein. Durch diese Art einer anisotropen Schrumpfung kann sich die Maßgenauigkeit des gesinterten endgültigen Teils verändern, und in einigen Fällen kann es erforderlich sein, dass Teile nach dem Sintern nachbearbeitet werden.
Daher besteht ein Bedarf an verbesserten Metallpulvern. Insbesondere besteht dauerhaft ein Bedarf an Metallpulvern, die, wenn sie gesintert werden, eine mechanische Festigkeit aufweisen, die der von geschmiedeten Gegenstücken nahekommt, und bei denen keine anisotrope Schrumpfung auftritt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden ein verbessertes Aluminiummetallpulver und ein damit im Zusammenhang stehendes Verfahren zur Herstellung des Metallpulvers offenbart, durch die Verzerrungen eines aus dem Metallpulver hergestellten Teils während des Sinterns reduziert werden. Durch das Aluminiummetallpulver wird das Ausmaß der Verzerrungen zumindest teilweise reduziert, indem das Aluminiummetallpulver in relativ homogener Weise im gesamten Metallpulver mit Zirconium dotiert wird. Ferner wird eine Formulierung dieser Metallpulverzusammensetzung offenbart, die einen Anteil an Zinn enthält, wodurch ein verbesserter Elastizitätsmodul bereitgestellt wird, der überraschend und unerwarteterweise dem Elastizitätsmodul eines durch Gießen oder dergleichen hergestellten, vollständig dichten Materials nahekommt.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Metallpulvers zur Herstellung eines Pulvermetallteils offenbart. Das Verfahren umfasst das Ausbilden einer Aluminium-Zirconium-Schmelze, wobei ein Zirconiumgehalt der Aluminium-Zirconium-Schmelze kleiner als 2,0 Gewichtsprozent ist. Die Aluminium-Zirconium-Schmelze wird pulverisiert, um ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver auszubilden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens kann der Schritt des Pulverisierens das Luftzerstäuben der Aluminium-Zirconium-Schmelze umfassen. Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Pulverisieren der Aluminium-Zirconium-Schmelze zum Ausbilden eines mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulvers ein Zerstäuben mit anderen Gasen als Luft (wie beispielsweise etwa Stickstoff, Argon oder Helium), Zerkleinern, Mahlen, eine chemische Reaktion und/oder galvanische Abscheidung umfassen.
Aus dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver lässt sich ein Pulvermetallteil ausbilden. Die Menge an Zirconium in dem Pulvermetallteil kann dabei im Wesentlichen gleich der Menge an Zirconium sein, die in dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver vorhanden ist, das zum Ausbilden des Pulvermetallteils verwendet wird, was bedeutet, dass wenig oder gar kein Zirconium als elementares Pulver oder als Teil einer Masterlegierung zugesetzt wird. Durch das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver können Verzerrungen des Pulvermetallteils während des zum Ausbilden des Pulvermetallteils genutzten Sinterprozesses verhindert werden. Das Pulvermetallteil kann Zirconium in einer Menge von weniger als 2,0 Gewichtsprozent umfassen.
Das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver kann mit anderen Metallpulvern gemischt werden, um mindestens ein weiteres Legierungselement bereitzustellen. Durch Mischen des mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulvers mit einem weiteren Metallpulver wird ein Metallpulvergemisch gebildet, das dann zum Ausbilden des Pulvermetallteils genutzt werden kann.
Bei einer Ausführungsform kann das weitere Pulvermetall Zinn als einen Legierungsbestandteil umfassen. Dieses Zinn kann dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver als elementares Pulver zugesetzt werden oder kann als Bestandteil einer Masterlegierung vorlegiert werden. Das Zinn kann etwa 0,2 Gewichtsprozent des Metallpulvergemisches ausmachen. Es hat sich gezeigt, dass ein aus dem Metallpulvergemisch mit ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Zinn hergestelltes Pulvermetallteil einen Elastizitätsmodul von mehr als 70 GPa und nahezu 80 GPa aufweist. Ein solcher Wert des Elastizitätsmoduls ist vergleichbar mit dem eines vollständig dichten Teils, das durch herkömmliche Metallumformprozesse wie beispielsweise Gießen hergestellt wird.
Außerdem wird ein durch das oben genannte Verfahren hergestellte Metallpulver offenbart. Das Metallpulver stellt ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver dar, bei dem das Zirconium in dem gesamten mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver homogen verteilt ist und bei dem ferner das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver weniger als 2,0 Gewichtsprozent Zirconium enthält.
Bei einigen Ausführungsformen des Metallpulvers kann das Metallpulver etwa 0,2 Gewichtsprozent Zinn als elementares Pulver oder vorlegiert enthalten.
Außerdem kann das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver durch Luftzerstäubung oder durch andere Formen des Pulverisierens, die noch beschrieben werden, ausgebildet werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Metallpulver einen Prozentsatz an Feinanteilen enthalten, die eine weitere Verbesserung der Dimensionsstabilität eines aus dem Metallpulver hergestellten Teils bewirken. Bei einer Ausführungsform kann der prozentuale Gewichtsanteil von Feinanteilen 10 Gewichtsprozent des Metallpulvers übersteigen.
Diese und noch weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen deutlich werden. Es folgt nun eine Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Zur Bestimmung des vollen Schutzumfangs der Erfindung sollten die Ansprüche herangezogen werden, da die bevorzugten Ausführungsformen nicht als die einzig möglichen Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche zu betrachten sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Spanne der Maßänderung für eine Reihe von gesinterten Proben zeigt, die aus unterschiedlichen Pulverzusammensetzungen einer Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Legierung bei verschiedenen Verdichtungsdrücken hergestellt wurden;
2 zeigt ein Diagramm, in dem die Maßänderungen und die Masseänderungen während des Sinterns von Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Proben verglichen werden, die (1) aus Al-Zr (50/50) Masterlegierungspulver versetzt mit Aluminiumpulver; und (2) einem mit Zirconium dotierten Aluminiumpulver bei einem Verdichtungsdruck von 200 MPa hergestellt wurden;
3 zeigt ein Diagramm analog dem aus 2, bei dem aber die Proben bei einem Verdichtungsdruck von 400 MPa verdichtet wurden; die
4 bis 7 sind graphische Darstellungen, in denen die Zugfestigkeit (UTS), die Dehnung und der Elastizitätsmodul von Teilen verglichen werden, die aus Al-2,3Cu-1,6Mg-Metallpulvern hergestellt wurden, die reines Aluminium sowie Aluminium dotiert mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium mit verschiedenen Zinnzusammensetzungen enthielten;
8 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme von Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn, erzeugt unter Verwendung von reinem Aluminium als Basispulver und ohne vorlegiertes Zirconium;
9 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme von Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-0,2Zr, erzeugt unter Verwendung von Aluminiumpulver vollständig vorlegiert mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium;
10 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme von Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-0,2Zr, erzeugt mit Zirconium, das einem Aluminium-Zirconium (50-50) Masterlegierungspulver zugesetzt wurde; die
11 bis 14 sind graphische Darstellungen, welche die Wirkung von Feinanteilen in dem Metallpulver auf die prozentuale Maßänderung darstellen, und zwar für reines Aluminium, für Aluminium dotiert mit 0,05 Gewichtsprozent Zirconium, Aluminium dotiert mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium und für Aluminium dotiert mit 0,5 Gewichtsprozent Zirconium; und
15 ist eine graphische Darstellung, welche die Spanne der prozentuale Maßänderung für jede der in den 11 bis 14 gezeigten Metallpulverzusammensetzungen mit verschiedenen Feinanteilen zeigt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zu Vergleichszwecken wurde eine Reihe von Metallpulverproben mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen hergestellt. Als Basissystem für den Vergleich wurde eine mit A36 bezeichnete Mischung genutzt. Die Zusammensetzung der Mischung A36 ist in der nachstehenden Tabelle I angegeben. Tabelle I

Pulver Gewichtsprozent

Al 84,8

Al-Cu (50-50) Masterlegierung 5,9

zerstäubtes Mg 1,5

Sn 0,6

AlN 5,8

Licowax C 1,5
Licowax C ist ein Schmiermittel und dampft während des Erwärmens ab. Somit ist die Gesamtmasse des Pulvers für eine Charge von 1 kg tatsächlich größer als 1 kg, wegen der zusätzlichen Masse des Bestandteils Licowax C.
Außerdem wurde eine modifizierte Form der Pulverzusammensetzung A36 hergestellt, die in der vorliegenden Anmeldung als E36-Zr bezeichnet wird. Die Pulverzusammensetzung E36-Zr entspricht der Mischung A36, außer dass das Aluminiumpulver durch ein luftzerstäubtes, mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium ersetzt ist. Die Zusammensetzung für die Mischung E36-Zr ist in der nachstehenden Tabelle II angegeben. Tabelle II

Pulver Gewichtsprozent

Al-0,2 Zr 84,8

Al-Cu (50-50) Masterlegierung 5,9

zerstäubtes Mg 1,5

Sn 0,6

AlN 5,8

Licowax C 1,5
Wie zu erkennen ist, umfasst die Pulvermischung E36-Zr ein mit Zirconium dotiertes Aluminiumpulver mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium. Wenn Legierungselemente wie beispielsweise Zirconium einer Pulvermischung zugesetzt werden, werden diese Legierungselemente herkömmlicherweise entweder als Teil eines elementaren Pulvers (d. h. als ein reines Pulvers, das nur das Legierungselement umfasst) oder als eine Masterlegierung zugesetzt, die eine große Menge an sowohl dem Basismaterial, das im vorliegenden Fall Aluminium ist, und dem Legierungselement enthält. Wenn eine Masterlegierung genutzt wird, wird dann, um die gewünschte Menge des Legierungselements in den endgültigen Teil zu erhalten, die Masterlegierung mit einem elementaren Pulver aus dem Basismaterial ”verschnitten”. Dieses Verschneidungsverfahren wird beispielsweise genutzt, um die gewünschte Menge an Kupfer in jedem der A36-Pulver zu erhalten, bei dem die Masterlegierung Al-Cu (50-50) und elementares Aluminiumpulver genutzt wird.
Im Gegensatz dazu wird das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver durch Zerstäuben einer Aluminium-Zirconium-Schmelze mittels Luft oder Gas, welche die gewünschte endgültige Zusammensetzung mit Zirconium enthält, erhalten. Die Luftzerstäubung des Pulvers wird bei höheren Zirconiumkonzentrationen problematisch, und somit ist es möglicherweise nicht möglich, mit Zirconium dotierte Pulver zu zerstäuben, die hohe Gewichtsanteile an Zirconium aufweisen (derzeit wird angenommen, dass dies für mehr als 2 Gewichtsprozent Zirconium der Fall ist, aber dieser Wert kann bis zu 5 Gewichtsprozent Zirconium betragen).
Der Zusatz an Zirconium führt zur Bildung von intermetallischen Phasen wie beispielsweise Al₃Zr, welche die Legierung verstärken und über einen Temperaturbereich hin stabil bleiben. Würde man das Zirconium als elementares Pulver oder als Bestandteil einer Masterlegierung zusetzen, würde sich die intermetallische Phase bevorzugt entlang der Korngrenzen ausbilden und wäre grobkörnig, da eine relativ langsame Diffusionskinetik eine gleichmäßige Verteilung des Zirconiums in der gesinterten Mikrostruktur verhindert. Unter diesen Bedingungen bewirkt die intermetallische Phase nur eine begrenzte Verbesserung der Eigenschaften des fertigen Teils.
Durch Dotierung des Aluminiumpulvers mit Zirconium anstatt der Zugabe von Zirconium in Form eines elementaren Pulvers oder als Teil einer Masterlegierung wird das Zirconium gleichmäßiger und homogener in dem gesamten Metallpulver verteilt, wie durch einen Vergleich von 9 (Zr vollständig vorlegiert) und 10 (Zr in einer Masterlegierung) veranschaulicht wird. Somit ist in der endgültigen Morphologie eines mit Zirconium dotierten Teils das Zirconium in dem gesamten Aluminium verteilt, und die intermetallischen Phasen sind nicht auf eine Anordnung hauptsächlich entlang der Korngrenzen begrenzt oder eingeschränkt, an denen sie nur begrenzt wirksam sind.

Aus den Pulvern A36 und E36-Zr wurden Teststangen gefertigt. Die Pulver wurden jeweils bei verschiedenen Verdichtungsdrücken (entweder 200 MPa oder 400 MPa) zu Teststangen-Proben verdichtet, gesintert und danach einer T6-Temperbehandlung unterzogen. Nach der Wärmebehandlung wurden die verschiedenen mechanischen Eigenschaften geprüft und miteinander verglichen. In der nachstehenden Tabelle III sind die Ergebnisse der verschiedenen Tests zusammengefasst. Tabelle III

Pulvermischung	Verdichtungsdruck (MPa)	mittlere Streckgrenze (MPa)	mittlere Zugfestigkeit (MPa)	mittlere Dehnung (%)	mittlerer Elastizitätsmodul (GPa)
A36	200	285	288	0,72	57
A36	400	293	295	0,65	62
E36-Zr	200	312	346	2,01	64
E36-Zr	400	322	357	2,24	65

Wie aus der vorstehenden Tabelle III zu ersehen ist, wurden durch die Zirconiumdotierung von 0,2 Gewichtsprozent die mittlere Streckgrenze, die mittlere Zugfestigkeit, die mittlere Dehnung und der mittlere Elastizitätsmodul der Testproben verbessert. Beachtenswert ist, dass die beobachtete Dehnung bei den mit Zirconium dotierten Aluminiumproben viel größer war und vergleichbar war mit der Duktilität von Kontrollproben, die bei typischen durch T1-Tempern wärmebehandelten Proben beobachtet wurde. Weiterhin verbesserten sich auch die Streckgrenze und die Zugfestigkeit mit der zusätzlichen Zirconiumdotierung merklich.

Die Änderungen in den verschiedenen physikalischen Eigenschaften wurden außerdem zwischen den Proben im verdichteten Zustand und den wärmebehandelten Proben gemessen. In der nachstehenden Tabelle IV sind die mittleren Masseänderungen, die mittlere Sinterdichte, die mittlere Änderung der verschiedenen Abmessungen der Probe und die mittlere T6-Härte angegeben. Tabelle IV

Pulvermischung	Verdichtungsdruck (MPa)	Masseänderung (%)	Sinterdichte (g/cm³)	Maßänderung (%)			T6-Härte (HRB)
Pulvermischung	Verdichtungsdruck (MPa)	Masseänderung (%)	Sinterdichte (g/cm³)	Länge	Breite	Gesamtlänge	T6-Härte (HRB)
A36	200	–1,33	2,721	–1,64	–2,42	–3,18	67,2
A36	400	–1,32	2,723	–0,73	–1,29	–1,91	71,3
E36-Zr	200	–1,38	2,751	–2,48	–3,06	–4,24	72,9
E36-Zr	400	–1,40	2,745	–1,27	–1,66	–2,25	73,3

Aus Tabelle IV geht hervor, dass die Proben E36-Zr ein isotroperes Schrumpfen zeigten als die Kontrollproben Ampal A36. Das bedeutet, dass bei den Proben, die unter Verwendung des mit Zirconium dotierten Aluminiums hergestellt wurden, eine geringere Verzerrung auftrat als bei den Proben, die ohne Zirconium hergestellt wurden.
Nehmen wir nun auf 1 Bezug, so wurde die Spanne der Maßänderung für verschiedene Pulverproben bei verschiedenen Verdichtungsdrücken bestimmt. Die Messungen ”Al” beziehen sich auf Proben, die aus reinem Aluminiumpulver hergestellt wurden (d. h. die Zusammensetzung A36); die Messungen ”Al-Zr” beziehen sich auf Proben, die aus mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium dotierten Aluminiumproben hergestellt wurden (d. h. die Zusammensetzung E36-Zr); und die Proben ”Al-Zr(S)” bezeichnen Proben, die unter Verwendung des mit Zirconium dotiertem Aluminiums hergestellt wurden, bei denen aber das mit Zirconium dotierte Aluminium gesiebt wurde, so dass es nur Partikel größer 45 Mikrometer enthielt (Siebgröße von ungefähr 325). 1 veranschaulicht, dass bei allen Verdichtungsdrücken 200 MPa, 400 MPa und 600 MPa die aus mit Zirconium dotiertem Aluminiumpulver ungesiebt hergestellten Proben die einheitlichste Maßänderung der drei Probenpulver aufwiesen.
Nehmen wir nun auf die 2 und 3 Bezug, so sind hier zwei Diagramme angegeben, die einen Vergleich der Maß- und Masseänderungen von zwei unterschiedlichen Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Pulvern mit jeweils 0,2 Gewichtsprozent Zirconium in dem Aluminium zeigen. Eines dieser Pulver wurde hergestellt durch Vermischen eines Masterlegierungspulvers mit einem Basispulver aus reinem Aluminium, um den gewünschten Zirconiumgehalt zu erreichen, und das andere Pulver war das mit Zirconium dotierte Aluminiumpulver, das durch Luftzerstäubung einer Aluminium-Zirconium-Schmelze hergestellt wurde. In 2 sind die Änderungen für die Pulver bei einem Verdichtungsdruck von 200 MPa verglichen, während in 3 die Pulver bei einem Verdichtungsdruck von 400 MPa verglichen sind. In beiden 2 und 3 ist zu erkennen, dass das mit Zirconium dotierte Aluminiumpulver bei allen Abmessungen (d. h. Gesamtlänge, Breite und Länge) eine einheitlichere Schrumpfung zeigt, obwohl die Masseänderung gleich ist. Dies zeigt, dass die mit Zirconium dotiertem Aluminiumpulver hergestellten Teile eine geringere Verzerrung aufweisen als die Teile, die aus dem Pulver mit der Aluminium-Zirconium-Masterlegierung hergestellt wurden.
Darüber hinaus zeigt ein Vergleich der 2 und 3 untereinander, dass die Maßänderung in den Proben umso geringer ist, je größer der Verdichtungsdruck ist. Dies erscheint logisch, da die mit einem höheren Verdichtungsdruck hergestellten Teile eine größere Gründichte aufweisen und daher beim Sintern weniger schrumpfen.
Nehmen wir nun auf die 4 und 5 Bezug, so wurde hier die Zugfestigkeit und die prozentuale Dehnung für Al-2,3Cu-1,6Mg-Pulver aus reinem Aluminiumpulver und aus einem mit Zirconium dotierten Aluminiumpulver mit verschiedenen zugesetzten Mengen an elementarem Zinn gemessen. Bei Auswertung dieser Figuren ist zu erkennen, dass die größte Zugfestigkeit bei einer Zugabe von ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Zinn erhalten wird. Bei 0,2 Gewichtsprozent Zinn zeigt die Zugprüfung, dass das mit Zirconium dotierte Aluminiummaterial eine maximale Zugfestigkeit von ungefähr 260 MPa und eine Dehnung vor dem Bruch von knapp unter 8% aufweist. Wird weniger oder mehr Zinn zugesetzt, nehmen die Zugfestigkeit und die Duktilität des Materials gegenüber diesen Spitzenwerten ab.
Schauen wir uns die 6 und 7 an, so sind in diesen die Dehnung und der Elastizitätsmodul von verschiedenen Al-2,3Cu-1,6Mg-Pulvern bei unterschiedlichen Zusätzen an elementarem Zinn verglichen. Das Zinn wurde als elementares Pulver einer Al-2,3Cu-1,6Mg-Pulverzusammensetzung zugesetzt, die hergestellt wurde aus einem reinem Aluminiumpulver, aus einem mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium dotierten Aluminiumpulver ungesiebt, und aus einem mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium dotierten Aluminiumpulver gesiebt mit Siebgröße +325.
Am bemerkenswertesten ist, dass bei einem Zusatz von 0,2 Gewichtsprozent Zinn zu dem mit 0,2 Gewichtsprozent Zirconium dotierten Aluminiumpulver (gesiebt mit Siebgröße +325) ein Elastizitätsmodul von beinahe 80 GPa beobachtet wurde. Ein Elastizitätsmodul im Bereich von 70 bis 80 GPa ist vergleichbar mit dem einer Schmiedelegierung mit den gleichen Bestandteilen. Für die meisten gesinterten Aluminiumlegierungen liegt der Elastizitätsmodul typischerweise in einen Bereich zwischen 50 und 65 GPa. Dementsprechend war es unerwartet und überraschend, eine Pulverzusammensetzung mit einem Elastizitätsmodul in dieser Größe zu finden.
Wenngleich vorstehend bereits einige Zusammensetzungen detailliert angegeben worden sind, sollte klar sein, dass das mit Zirconium dotierte Aluminiumpulver auch mit zusätzlichen Legierungselementen gemischt werden kann. In den nachfolgenden Tabellen V bis VII sind Pulverzusammensetzungen für ein Pulver 431D-AlN-Zr, ein Pulver 7068-AlN-Zr bzw. ein Pulver 431D-SiC-Zr angegeben. Tabelle V

Pulver Gewichtsprozent

Al-0,2Zr 22,5

Al-Zn-Mg-Cu-Sn-Masterlegierung 70,3

AlN 5,7

Licowax C 1,5

Tabelle VI

Pulver Gewichtsprozent

Al-0,2Zr 43,9

Al-Zn-Mg-Cu-Sn-Masterlegierung 43,9

Zn 3,6

zerstäubtes Mg 0,8

Cu 0,7

Sn 0,1

AlN 5,6

Licowax C 1,5

Tabelle VII

Pulver Gewichtsprozent

Al-0,2Zr 22,5

Al-Zn-Mg-Cu-Sn-Masterlegierung 70,4

SiC 5,6

Licowax C 1.5
Die Masterlegierung Al-Zn-Mg-Cu-Sn besteht aus 85,9 Gew.-% Al; 2,64 Gew.-% Cu; 3,48 Gew.-% Mg; 7,74 Gew.-% Zn; und 0,24 Gew.-% Sn.
Bei diesen Zusammensetzungen wird das mit Zirconium dotierte Aluminiumpulver mit weiteren Pulvern vermischt, darunter Masterlegierungen, elementare Pulver und keramische Festigungsmittel, um gezielt spezifische mechanische Eigenschaften zu erhalten. Es sollte jedoch beachtet werden, dass bei allen diesen Mischungen die mit Zirconium dotierte Aluminiumlegierung die primäre Zirconiumquelle darstellt.
Nehmen wir nun auf die 11 bis 15 Bezug, so ist in diesen die Wirkung von Feinanteilen auf die Maßänderung des Metallpulvers dargestellt. Der Prozentsatz an Feinanteilen stellt den Prozentsatz an Material in der Zusammensetzung dar, der feiner als ein gegebenes Sieb ist, welches in diesem Fall einer Maschengröße –325 mit Öffnungen von 44 Mikrometern entspricht. Für den Test wurden Metallpulver mit 0, 5, 10, 12,5, 15, 20 und 30 Prozent an Feinanteilen hergestellt, und zwar aus reinem Aluminium und aus Aluminium dotiert mit 0,05, mit 0,2 sowie mit 0,5 Gewichtsprozent Zirconium, diese wurden mit einem Verdichtungsdruck von 200 MPa zu Testproben verdichtet und danach unter analogen thermischen Bedingungen gesintert. Die Maßänderung zwischen den verdichteten und den gesinterten Teilen wurde hinsichtlich der Gesamtlänge (OAL), der Breite und der Länge gemessen.
Die 11 bis 14 zeigen, dass Testproben, die aus Metallpulvern mit einem höheren Prozentsatz an Feinanteilen hergestellt wurden, prozentuale Maßänderungen zeigen, die bei allen der verschiedenen gemessenen Dimensionen (d. h. Gesamtlänge, Breite und Länge) gegen einen ähnlichen Wert konvergieren. Dies gilt sowohl für die Probe aus reinem Aluminium als auch für die mit Zirconium dotierten Proben, wenngleich die mit Zirconium dotierten Proben eine geringere Spanne der Maßänderungen zwischen den verschiedenen gemessenen Probendimensionen aufweisen. Für die mit Zirconium dotierten Aluminiumproben konvergierten die verschiedenen prozentualen Maßänderungen mit ansteigenden Anteilen an Feinpartikeln gegen ungefähr –2,5%. Obgleich die Maßänderungen auch bei der Probe aus reinem Aluminium aufeinander zu tendierten, war selbst bei 30 Gewichtsprozent Feinanteil die Spanne der Maßänderungen zwischen den verschiedenen gemessenen Dimensionen im Vergleich zu den mit Zirconium dotierten Pulvermetallen vergleichsweise groß (ungefähr 0,5%).
15 bietet eine Zusammenfassung der Spannen zwischen den gemessenen Dimensionen für jedes Metallpulver für die verschiedenen prozentualen Feinanteile. Dieses Diagramm zeigt, dass durch die Dotierung von Aluminium mit Zirconium die Maßstabilität verbessert wird und dass diese Maßstabilität durch erhöhte Feinanteile weiter verbessert werden kann.
Es sollte verstanden werden, dass verschiedene weitere Modifikationen und Varianten der bevorzugten Ausführungsformen im Rahmen der erfinderischen Idee und dem Schutzumfang der Erfindung möglich sind. Daher soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein. Zur Feststellung des vollständigen Schutzumfangs der Erfindung sind die folgenden Ansprüche heranzuziehen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Metallpulvers zur Herstellung eines Pulvermetallteils, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden einer Aluminium-Zirconium-Schmelze, wobei ein Zirconiumgehalt der Aluminium-Zirconium-Schmelze kleiner als 2,0 Gewichtsprozent ist, und Pulverisieren der Aluminium-Zirconium-Schmelze, um ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Pulverisierens ein Zerstäuben der Aluminium-Zirconium-Schmelze mittels Luft umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulverisieren der Aluminium-Zirconium-Schmelze zum Ausbilden eines mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulvers mindestens einen der Prozesse Zerstäuben mit anderen Gasen wie Argon, Stickstoff oder Helium, Zerkleinern, Mahlen, chemische Reaktion oder elektrolytische Abscheidung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner folgende Schritte umfasst: Ausbilden des Pulvermetallteils aus dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver, wobei eine Menge an Zirconium in dem Pulvermetallteil im Wesentlichen gleich einer Menge an Zirconium ist, die in dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver vorhanden ist, das zum Ausbilden des Pulvermetallteils verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver eine Verzerrung des Pulvermetallteils während eines zum Ausbilden des Pulvermetallteils genutzten Sinterprozesses hemmt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Pulvermetallteil Zirconium in einer Menge von weniger als 2,0 Gewichtsprozent enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver mit mindestens einem weiteren Metallpulver gemischt wird, um mindestens ein weiteres Legierungselement bereitzustellen, wodurch ein Metallpulvergemisch gebildet wird, das zum Ausbilden des Pulvermetallteils verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine weitere Legierungselement Zinn umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Zinn dem mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver als elementares Pulver zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Zinn als Vorlegierung in einer Masterlegierung zugesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Zinn etwa 0,2 Gewichtsprozent des Metallpulvergemisches ausmacht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aus dem Metallpulvergemisch hergestellte Pulvermetallteil einen Elastizitätsmodul von über 70 GPa aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver Feinanteile von mehr als 10 Gewichtsprozent umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens ein keramisches Additiv wie SiC oder AlN in bis zu 15 Volumenprozent zugesetzt wird.
Metallpulver, das durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt ist.
Metallpulver, umfassend: ein mit Zirconium dotiertes Aluminiummetallpulver, wobei das Zirconium in dem gesamten mit Zirconium dotierten Aluminiummetallpulver homogen verteilt ist und wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver weniger als 2,0 Gewichtsprozent Zirconium enthält.
Metallpulver nach Anspruch 16, wobei das Metallpulver ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Zinn als elementares Pulver enthält.
Metallpulver nach Anspruch 16, wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver luftzerstäubt ist.
Metallpulver nach Anspruch 16, wobei das mit Zirconium dotierte Aluminiummetallpulver Feinanteile von mehr als 10 Gewichtsprozent umfasst.