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Verweis auf verwandte Anmeldung
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Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile des Anmeldedatums der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
63/222,240 mit dem Titel „Powder Metal Composition with aluminum nitride MMC“, die am 15. Juli 2021 eingereicht wurde und die hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke einbezogen wird, als ob sie hier in ihrer Gesamtheit aufgeführt wäre.
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Erklärung zu staatlich geförderter Forschung oder Entwicklung
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Nicht zutreffend.
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Gebiet der Erfindung
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Diese Offenbarung bezieht sich auf pulvermetallurgische Zusammensetzungen und daraus hergestellte gesinterte Komponenten. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf eine Aluminiumlegierungspulverzusammensetzung mit Aluminiumnitrid (AIN) als Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (metal-matrix composite - MMC) Additiv.
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Hintergrund
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Die Aluminiumlegierung 6061 ist eine ausscheidungsgehärtete Aluminiumlegierung, die Magnesium (Mg) und Silizium (Si) als Hauptlegierungselemente umfasst. Sie weist gute mechanische Eigenschaften und Schweißbarkeit sowie eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund dieser Kombination von Eigenschaften ist es eine der am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen. Aluminium 6061 hat ein breites Anwendungsspektrum, unter anderem in der Automobil- und Schifffahrtsbranche. Die hier verwendete Zusammensetzung der Aluminiumlegierung 6061 umfasst in Gewichtsprozenten zwischen 95,85 % und 98,56 % Aluminium, 0,8 % bis 1,2 % Magnesium, 0,40 % bis 0,8 % Silizium, 0,0 % bis 0,7 % Eisen, 0,15 % bis 0,40 % Kupfer, 0,04 % bis 0,35 % Chrom, 0,0 % bis 0,25 % Zink, 0,0 % bis 0,25 % Titan und 0,0 % bis 0,15 % Mangan, wobei der Rest je Element nicht mehr als 0,05 % und insgesamt nicht mehr als 0,15 % beträgt.
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Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Metallteile zu formen, und Metallpulver- oder „PM“- (powder metal) Prozesse stellen eine Klasse von Produktionstechniken zur Formung von Metallteilen dar. Die Pulvermetallurgie umfasst im Allgemeinen die Herstellung oder Gewinnung eines pulverförmigen Metallmaterials, die Verdichtung dieses Metallpulvermaterials in einem Werkzeug- und Matrizensatz, um einen Grünling oder eine Vorform mit einer Geometrie zu bilden, die dem gewünschten Endprodukt nahe kommt, und das anschließende Sintern des Grünlings, damit die Metallpulverpartikel ineinander diffundieren und sich zu einem mechanisch wesentlich festeren Körper verdichten. Die Pulvermetallurgie eignet sich gut für die Herstellung von Teilen in großen Mengen und bietet die Vorteile niedriger Ausschusskosten und der Möglichkeit, Bauteile herzustellen, die nach der Formgebung keine weitere Bearbeitung erfordern.
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Obwohl es sich hier nur um einen allgemeinen Überblick über die Verfahren zur Verarbeitung von Metallpulver handelt, ist aus dieser Beschreibung ersichtlich, dass ein Großteil der Verfahren zur Verarbeitung von Metallpulver typischerweise in festem Zustand oder mit nur einer begrenzten Menge an Flüssigkeit, die während des Sinterprozesses gebildet wird, ablaufen kann. Dies verdeutlicht jedoch auch einige der Herausforderungen bei der Anwendung von Metallpulververfahren, da das Sintern ein diffusionsabhängiger Prozess ist und das resultierende Mikrogefüge und die Porosität von der Pulverrezeptur und den Verarbeitungsbedingungen abhängen. Der Versuch, eine Gusslegierung in eine Metallpulverzusammensetzung umzuwandeln, kann daher eine Herausforderung darstellen, wenn es darum geht, ein vergleichbares Mikrogefüge und vergleichbare mechanische Eigenschaften zu erzielen.
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Um nun auf die Aluminiumlegierung 6061 zurückzukommen: Die Metallpulverzusammensetzung, die dem 6061 vergleichbar ist, ist im Handel erhältlich, zum Beispiel als Alumix® 321, das von ECKA Granules (Fürth, Deutschland) bezogen werden kann. Eine beispielhafte chemische Zusammensetzung von Alumix® 321 kann 1,31 Gew.-% Mg, 0,5 Gew.-% Si, 0,32 Gew.-% Cu, 0,10 Gew.-% Fe, 0,01 Gew.-% Bi, 0,03 Gew.-% Sn und 0,01 Gew.-% V enthalten, wobei der Rest Aluminium ist. Obwohl es nicht ganz der Spezifikation von 6061 entspricht, kann man feststellen, dass diese Pulverzusammensetzung in etwa vergleichbar ist. Wie bei der Aluminiumlegierung 6061 sind die Hauptlegierungselemente in diesem System Magnesium und Silizium, und diese beiden Elemente bilden die Grundlage für die Wärmebehandlung dieses Systems. Sie bilden eine intermetallische Phase aus Mg2Si, die die mechanischen Eigenschaften verbessert. Kupfer ist ebenfalls für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verantwortlich. Eisen kommt als Verunreinigung vor und bildet verschiedene intermetallische Phasen, die die Korrosion und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen können, während Sn, V und Bi hinzugefügt wurden, um das Sinterverhalten des Pulvers zu verbessern.
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Zusammenfassung
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Hier wird eine verbesserte Metallpulverzusammensetzung vorgestellt, die mit einer 6061-Aluminiumlegierung vergleichbar ist und darüber hinaus ein MMC-Additiv aus Aluminiumnitrid (AIN) anstelle von MMC-Zusätzen wie Al2O3 oder SiC enthält, die vergleichsweise traditioneller sind. Durch die Änderung der Eigenschaften und der Morphologie der Metallpulverzusammensetzung und die Einbeziehung von AIN als MMC-Zusatzstoff wird eine Zusammensetzung bereitgestellt, die eine gute Korrosionsbeständigkeit, eine mittlere bis hohe Festigkeit, eine hohe Duktilität und gute elektrische und thermische Eigenschaften aufweisen kann. Sie kann auch eine verbesserte Verschleißfestigkeit bieten und es wird angenommen, dass sie im Vergleich zu anderen vergleichbaren Zusammensetzungen mit MMC-Additiven wie Al2O3 oder SiC nur einen minimalen Werkzeugverschleiß beim Verdichten und Kalibrieren erzeugt.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst ein Metallpulver ein Aluminium (Al)-Metallpulver, ein Aluminium-Kupfer (AI-Cu)-Metallpulver, ein Magnesium (Mg)-Metallpulver, ein Zinn (Sn)-Metallpulver, ein Aluminium-Silizium (Al-Si)-Metallpulver und Aluminiumnitrid (AIN) als Metall-Matrix-Verbundwerkstoff Additiv.
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In einigen Ausgestaltungen kann zumindest ein Anteil des Aluminium (Al)-Metallpulvers ein feines Aluminium-Metallpulver sein. Zum Beispiel kann der Anteil des Aluminium (Al)-Metallpulvers, bei dem es sich um das feine Aluminium (Al)-Metallpulver handelt, 10 Gew.-% des gesamten elementaren Aluminium (Al)-Metallpulvers betragen. In anderen Formen kann die Menge an feinem Aluminiumpulver jedoch in einem Bereich von 5 bis 15 Gew.-% des gesamten elementaren Aluminium (Al)-Metallpulvers oder allgemeiner 5 bis 30 Gew.-% des gesamten elementaren Aluminium (Al)-Metallpulvers liegen. In einigen Formen kann der größte Teil des Aluminium-(Al)-Metallpulvers ein ECKA-Bahrain-Aluminium-Metallpulver oder vergleichbares Aluminium-Metallpulver mit einer Maschenweite von +60/-250 sein und das feine Aluminium-Metallpulver kann ein ECKA AI EF2 / feines EEG-Aluminium-Pulver oder vergleichbares Pulver sein.
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In einigen Ausgestaltungen kann der Gesamtaluminiumgehalt, der durch das Aluminium (Al)-Metallpulver, das Aluminium-Kupfer (Al-Cu)-Metallpulver und das Aluminium-Silizium (Al-Si)-Metallpulver bereitgestellt wird, 95,2 Gew.-% der Metallpulverzusammensetzung betragen; der Gesamtkupfergehalt, der durch das Aluminium-Kupfer (Al-Cu)-Metallpulver bereitgestellt wird, kann 0,29 Gew.-% betragen; der Gesamtmagnesiumgehalt, der durch das Magnesium (Mg)-Metallpulver bereitgestellt wird, kann 1,07 Gew.-% betragen; der Gesamtzinngehalt, der durch das Zinn (Sn)-Metallpulver bereitgestellt wird, kann 0,49 Gew.-% betragen; und der Gesamtsiliziumgehalt, der durch das Aluminium-Silizium (AI-Si)-Metallpulver bereitgestellt wird, kann 0,49 Gew.-% betragen; das Aluminiumnitrid (AIN) kann 0,98 Gew.-% betragen; die Metallpulverzusammensetzung kann ferner ein Fließhilfsmittel umfassen und das Fließhilfsmittel kann 0,02 Gew.-% betragen; und die Metallpulverzusammensetzung kann ferner ein Schmiermittel umfassen und das Schmiermittel kann 1,46 Gew.-% betragen. Alle diese Gewichtsprozente beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Metallpulverzusammensetzung einschließlich der verschiedenen Metallpulver, des Fließhilfsmittels und des Schmiermittels.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminium (Al)-Metallpulver zu einem größten Teil ein Pulver mit +60/-250 Mesh sein und ein Anteil des Aluminium (Al)-Metallpulvers kann feines Aluminium-Metallpulver sein, das Aluminium-Kupfer (Al-Cu)-Metallpulver kann -325 Mesh sein, das Magnesium (Mg)-Metallpulver kann - 200 Mesh sein, das Zinn (Sn)-Metallpulver kann -325 Mesh sein, und das Aluminium-Silizium (AI-Si)-Metallpulver kann -325 Mesh sein.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminium-Kupfer (Al-Cu)-Metallpulver ein 50Al-50Cu Metallpulver sein. Das 50Al-50Cu-Metallpulver kann zerstäubt und zerkleinert werden.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminium-Silizium (Al-Si)-Metallpulver ein 88Al-12Si Metallpulver sein.
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In einigen Ausgestaltungen kann die Metallpulverzusammensetzung außerdem ein Schmiermittel umfassen, und in einigen Formen kann die Metallpulverzusammensetzung außerdem ein Fließhilfsmittel umfassen, wie z.B. ein pyrogenes SiO2.
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In einigen Ausgestaltungen kann die Metallpulverzusammensetzung eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Pulver aufweisen, was eine gleichmäßige Verteilung des feinen Aluminiumpulvers einschließen kann. Diese gleichmäßige Verteilung kann durch Mischen der Pulver in einem Hochintensitätsmischer erreicht werden.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminiumnitrid eine spezifische Oberfläche von weniger als oder gleich 2,0 m2/g und eine Teilchengrößenverteilung von D 10% zwischen 0,4 und 1,4 µm, D 50% zwischen 6 und 10 µm und D 90% zwischen 17 und 35 µm aufweisen. Dies ist vergleichbar mit einer AT-Aluminiumnitrid-Qualität.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminiumnitrid eine spezifische Oberfläche zwischen 1,8 und 3,8 m2/g und eine Teilchengrößenverteilung von D 10% zwischen 0,2 und 0,6 µm, D 50% zwischen 1 und 3 µm und D 90% zwischen 5 und 10 µm aufweisen. Dies ist vergleichbar mit einer BT-Aluminiumnitrid-Qualität, die im Allgemeinen feiner ist als Aluminiumnitrid der Qualität AT.
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In einigen Ausgestaltungen kann das Aluminiumnitrid eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen und einphasig sein.
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In einigen Ausgestaltungen kann die Metallpulverzusammensetzung eine Fließgeschwindigkeit zwischen 2,8 und 3,0 g/s aufweisen.
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In einigen Formen kann die Metallpulverzusammensetzung eine Schüttdichte von 1,21 g/cm3 aufweisen.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung kann ein Grünling aus der Metallpulverzusammensetzung (gemäß einer der oben oder hierin beschriebenen Ausgestaltungen) durch Verdichtung der Metallpulverzusammensetzung, beispielsweise in einem Werkzeug- und Matrizensatz unter Verwendung einer uniaxialen Verdichtung, gebildet werden. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein gesintertes Metallpulverbauteil aus diesem Grünling durch Sintern des Grünlings gebildet.
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Diese und noch weitere Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den Figuren ersichtlich sein. Im Folgenden werden lediglich einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Um den vollen Umfang der Erfindung zu beurteilen, sollten die Ansprüche herangezogen werden, da diese bevorzugten Ausführungsformen nicht die einzigen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Ansprüche sein sollen.
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Detaillierte Beschreibung
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Hier wird eine Metallpulverzusammensetzung offenbart, die mit derjenigen einer 6061er Aluminiumlegierung vergleichbar ist. Nachfolgend wird eine spezifische beispielhafte Metallpulverzusammensetzung offenbart und einige Variationen dieses Metallpulver werden diskutiert.
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Gemäß einer spezifischen Zusammensetzungsformulierung ist die Metallpulverzusammensetzung wie in Tabelle I unten dargestellt: Tabelle I
| Rohmaterial | Element | Gew.-% (nominal) |
| Al (ECKA-Bahrain, +60/-250 Mesh) | Al (90%) | 84.27% |
| Al (ECKA Al EF2, feines EEG Al-Pulver) | Al (10%) | 9,36% |
| 50Al-50Cu (ECKA-Velden, fein -325 Mesh, zerstäubt und zermahlen) | Cu | 0,30% |
| Al | 0,30% |
| Mg (-200 Mesh, gaszerstäubt) | Mg | 1,10% |
| Sn (-325 Mesh) | Sn | 0.,50% |
| 88Al-12Si (ECKA-Veldon, fein -325 Mesh) | Si | 0,50% |
| Al | 3,67% |
| Gesamt (Nur Metallpulver) | | 100% |
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Tabelle I veranschaulicht die Prozentsätze nur der metallischen Komponente dieser Metallpulverzusammensetzung, während Tabelle II darüber hinaus die Zugabe von nichtmetallischen Metallpulverzusätzen einschließlich Aluminiumnitrid (AIN) als Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC)-Additiv, Fließhilfsmittel und Schmiermittel umfasst. Die Zusammensetzung in Tabelle I spiegelt eher die Legierungszusammensetzung der metallischen Zusammensetzung wider, während die Daten in Tabelle II normalisiert sind, um weitere Zusätze in Höhe von etwa 2,5 Gew.-% zu berücksichtigen, die sich nur geringfügig auf die Gesamtgewichtsprozente der tatsächlichen Metallpulverzusammensetzung auswirken. Tabelle II
| Rohmaterial | Element | Gew.-% (normalisiert) |
| AI (ECKA-Bahrain, +60/-250) | Al (90%) | 82,20% |
| AI (ECKA AI EF2, feines EEG Al-Pulver) | Al (10%) | 9,13% |
| 50Al-50Cu (ECKA-Velden, feines -325 Mesh, zerstäubt und zermahlen) | Cu | 0,29% |
| Al | 0,29% |
| Mg (-200 Mesh, Gas zerstäubt) | Mg | 1,07% |
| Sn (-325 Mesh) | Sn | 0,49% |
| 88Al-12Si (ECKA-Veldon, fein -325 Mesh) | Si | 0,49% |
| Al | 3,58% |
| AIN Powder (BT Qualität) | AIN | 0,98% |
| Fließhilfsmittel | | 0,02% |
| Schmiermittel | | 1,46% |
| Gesamt (Metallpulver + MMC + Fließhilfsmittel + Schmiermittel) | | 100% |
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Es ist bemerkenswert, dass die Aluminiumzusammensetzung nicht nur aus einer einzigen Art von Aluminiumpulver besteht, sondern eine Zusammensetzung aufweist, die etwa 10 Gew.-% des elementaren Aluminium-Metallpulveranteils an feinem Aluminium-Metallpulver enthält. Es ist jedoch denkbar, dass dies ein anderer Prozentsatz an feinem ist, z. B. zwischen 5 und 15 Gew.-% oder 5 bis 30 Gew.-% des Aluminium-Metallpulvers. Als weiterer Punkt der Varianz wird in Betracht gezogen, dass der Prozentsatz des Aluminiums, der aus dem ECKA AI EF2, feinem EEG AI Pulver stammt, stattdessen durch eine gleichmäßige Erhöhung der Menge an ECKA-Bahrain, +60/-250, bereitgestellt werden könnte. Zum Beispiel könnte die ECKA-Bahrain, +60/-250 93,63 Gew.-% betragen (normalisiert, was 82,2 % plus 9,13 % aus den separaten Pulvern entspricht).
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Außerdem stammt das gesamte Aluminium aus einer Vielzahl von Quellen. Abgesehen von den elementaren Aluminium-Metallpulvern wird Aluminium als Teil des 50Al-50Cu-Metallpulvers und als Teil des 88Al-12Si-Metallpulvers bereitgestellt (insgesamt werden auf diese Weise etwa weitere 4 Gew.-% Aluminium hinzugefügt), das auch einige der Legierungselemente liefert. Die Legierung und Morphologie in diesen Fällen kann jedoch dazu dienen, die endgültige gewünschte Mikrostruktur zu erhalten und eine Chemie zu schaffen, die dem Sintern in der gewünschten Weise förderlich ist. Das heißt, elementares Kupfer und Silizium haben viel höhere Schmelz- und effektive Sintertemperaturen als Aluminium, und durch die Legierung dieser Elemente mit Aluminium haben die Ausgangspulver eine andere Struktur mit einem gewissen Anteil an Kupfer und Silizium, die bereits mit dem Aluminium legiert sind.
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Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die jeweiligen Maschenweiten und die Pulvermorphologie die Sinterfähigkeit und das endgültige Mikrogefüge und die Eigenschaften des aus dieser Metallpulverzusammensetzung stammenden Sinterteils beeinflussen können. Daher sollten die Maschenweiten und die Pulvermorphologie so gewählt werden, dass sie geeignete Eigenschaften und Dichten ergeben. Während die offengelegten Pulver verarbeitbar sind, können einige Variationen der Pulver auch verarbeitbar sein, ohne vom Umfang und Geist der offengelegten Formulierung/Zusammensetzung abzuweichen.
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Zum Beispiel könnten einige der Legierungselemente in etwas anderen Formen als den in den obigen Tabellen angegebenen bereitgestellt werden. Ebenso kann die Legierungszusammensetzung etwas anders sein als die Angegebene. im Falle von Zinn wird z.B. ein Zinngehalt von 0,5 Gew.-% als besonders geeignet angesehen, aber es wird angenommen, dass ein Bereich von 0,1 Gew.% bis 1,0 Gew.-% Zinn eine verbesserte Verdichtung während des Sinterns bietet. Es wird auch in Betracht gezogen, dass andere Elemente der obigen Beispielzusammensetzung variiert werden können. So könnte beispielsweise die Menge an Silizium im Bereich von 0,40 bis 0,8 Gewichtsprozent der gesamten Metallpulverzusammensetzung und die Menge an Magnesium im Bereich von 0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent der gesamten Metallpulverzusammensetzung liegen, da dies in etwa mit den Mengen an Silizium und Magnesium in einer 6061-Zusammensetzung vergleichbar ist. In ähnlicher Weise könnte auch ein gewisser Mengenbereich von Kupfer (0,04 bis 0,35 Gew.-%) in der Pulverzusammensetzung verarbeitbar sein, und die 0,30 Gew.-% Kupfer der beispielhaften Zusammensetzung fallen in diesen Bereich.
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Bei dem Schmiermittel kann es sich um ein Wachs wie Licowax® (erhältlich bei Clariant in Muttenz, Schweiz) handeln, das dazu beitragen kann, den verdichtete Grünling zusammenzuhalten, indem es die Pulverteilchen zusammenhält, und das außerdem beim Entfernen des Grünlings während des Auswerfens aus dem Werkzeug- und Matrizensatz nach der Verdichtung helfen kann. Das Schmiermittel wird normalerweise während des Sinterprozesses in der Vorwärmzone verbrannt.
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Das Fließhilfsmittel kann zur Verbesserung der Füllung und der Partikelpackung zugesetzt werden. In der beispielhaften Zusammensetzung ist das Fließhilfsmittel eine pyrogene Kieselsäure (SiO2).
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In Bezug auf die Aluminiumnitrid (AlN)-MMC-Additive ist es denkbar, dass es sich bei den Aluminiumnitrid-Additiven beispielsweise um Aluminiumnitrid der Qualität AT (ein agglomeriertes Pulver mit breiterer Teilchengrößenverteilung) oder Aluminiumnitrid der Qualität BT (das eine vergleichsweise feine Teilchengröße aufweist und ein deagglomeriertes Pulver ist) handelt. Beide Sorten können in der offengelegten Metallpulverzusammensetzung verwendet werden, wobei der Unterschied in der Verarbeitung und den Eigenschaften liegt.
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Die beiden Aluminiumnitridqualitäten AT und BT haben eine hexagonale Kristallstruktur und sind einphasig. Um diese Aluminiumnitridadditive chemisch zu charakterisieren, haben sowohl die Qualität AT als auch BT als Massenanteil ein Minimum von 32,0 % N, ein Maximum von 0,15 % C und ein Maximum von 0,05 % Fe. Die Qualität AT hat jedoch maximal 1,3 % O, während die Qualität BT maximal 1,5 % O aufweist. Die Qualität AT hat eine spezifische Oberfläche von höchstens 2,0 m
2/g, während die Qualität BT zwischen 1,8 und 3,8 m
2/g aufweist. Die Partikelgrößenverteilung der beiden verschiedenen Qualitäten ist in Tabelle III dargestellt: Tabelle III
| Partikelgößenverteilung | Qualität AT | Qualität BT |
| D 10% | 0,4 - 1,4 µm | 0,2 - 0,6 µm |
| D 50% | 6 - 10 µm | 1 - 3 µm |
| D 90% | 17 - 35 µm | 5 - 10 µm |
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Aluminiumnitrid als MMC-Additiv kann die Verschleiß-, Duktilitäts- und Wärmeleitfähigkeit-Eigenschaften der Metallpulverzusammensetzung verbessern. im Vergleich zu herkömmlichen MMC-Additiven wie Al2O3 oder SiC ist der Werkzeugverschleiß minimal.
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Die verschiedenen Metallpulver, das Aluminiumnitrid, das Fließhilfsmittel und das Schmiermittel werden während der Pulveraufbereitung miteinander vermischt, vorzugsweise in einem Hochleistungsmischer, um eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Teilchen, insbesondere der feinen Teilchen, in der gesamten Metallpulvermischung zu erreichen und eine Entmischung zu vermeiden.
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Was das Verhalten des Pulvers vor der Verdichtung betrifft, so wurde die Fließgeschwindigkeit dieses Pulvers mit durchschnittlich 2,9 g/s und die scheinbare Dichte mit durchschnittlich 1,21 g/cm3 gemessen.
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Diese Metallpulverzusammensetzung wurde zu Stangen mit einer Dichte von 2,50 g/cm3 verdichtet. Die Grünfestigkeit der verdichteten grünen Stäbe betrug im Durchschnitt 8.382 kPa. Was das Sinterverhalten betrifft, so nahm die durchschnittliche Masse der Stäbe über einen Satz von drei Stäben um 1,41 % ab (was in etwa dem Schmiermittelverlust während des Sinterns entspricht), die durchschnittliche gesinterte Dichte betrug 2,69 g/cm3, und was die aus der Verdichtung resultierende Dimensionsschrumpfung betrifft, so betrug die durchschnittliche Dimensionsänderung in der Höhe eine Abnahme von 3,93 %, in der Breite eine Abnahme von 2,65 % und in der Länge eine Abnahme von 2,11 %. Die durchschnittliche T1-Härte, die aus 18 verschiedenen Messungen ermittelt wurde, betrug 58,1 HRE (wobei alle Datenpunkte zwischen 55,4 HRE und 60,1 HRE lagen) und die durchschnittliche Laser-Flash-Analyse der Temperaturleitfähigkeit betrug 72,3 (aufgezeichnet bei Raumtemperatur).
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T1-Zugtests ergaben für eine Gruppe von fünf Tests einen durchschnittlichen Elastizitätsmodul von 83,2 GPA, eine durchschnittliche Streckgrenze von 83 MPa, eine durchschnittliche maximale Zugfestigkeit (ultimate tensile strength - UTS) von 193 MPa und eine durchschnittliche Dehnung von 13,9 %. Von diesen vorläufigen Zugdaten ist es erwähnenswert, dass es eine ziemlich große Variation in den Elastizitätsmodul-Ergebnissen gab, wobei diese Ergebnisse von 54,2 GPa bis 135 GPa reichten, während die durchschnittliche Streckgrenze innerhalb von etwa 5 MPa der minimalen und maximalen gemessenen Werte lag, die durchschnittliche UTS innerhalb von etwa 3 MPa der minimalen und maximalen gemessenen Werte lag und die durchschnittliche Dehnung innerhalb von etwa 2 % der minimalen und maximalen gemessenen Werte lag.
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Im Vergleich dazu würde geschmiedetes 6061 mit einem T1-Behandlungsprofil eine UTS von 210 MPa, eine Streckgrenze von 110 MPa und eine Dehnung von 16 % aufweisen. Obwohl es sich um ein gesintertes Metallpulver handelt, weist die hier beschriebene Metallpulverzusammensetzung also nahezu Kneteigenschaften auf.
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Eine weitere Bewertung eines Metallpulvers mit einer ähnlichen Zusammensetzung wurde an Proben durchgeführt, die einer T8-Wärmebehandlung (weiter unten detailliert beschrieben) unterzogen wurden, und zwar mit und ohne weiteren Einbeziehung von 2 Vol.-% AlN (gezielt). Diese Zusammensetzung wurde aus Metallpulvern mit der in Tabelle IV angegebenen chemischen Zusammensetzung hergestellt. Tabelle IV
| Pulver | Menge |
| Ecka Al (-250/+60 Mikrometer) | 936,3 g |
| Ecka Al-12Si (-45 Mikrometer) | 41,7 g |
| Elementares Mg (China) | 11,0 g |
| Ecka Elementares Sn (-20 Mikrometer) | 5,0 g |
| Ecka AI-50Cu Masterlegierung | 6,0 g |
| Lico Wax C | 15,2 g |
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Proben, die aus dieser Pulverzusammensetzung hergestellt wurden, werden in den folgenden Beispielen als „PM6061“ oder „PM6061-AIN“ bezeichnet, wobei die Bezeichnung „-AIN“ verwendet wird, um Proben zu kennzeichnen, die aus dieser Zusammensetzung hergestellt wurden, jedoch mit gezielten Zusätzen von 2 Volumenprozent Aluminiumnitrid-MMC. Es wird deutlich, dass diese Zusammensetzungen nicht notwendigerweise der Spezifikation für 6061 entsprechen, sondern vielmehr darauf abzielen, Metallpulverzusammensetzungen zu sein, die eine vergleichbare Leistung wie die Knetlegierung 6061 aufweisen.
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Für PM6061 und PM6061-AIN wurden jeweils fünfzig TRS-Stäbe (transverse rupture strength - Querzugfestigkeit), fünf Charpys und fünf Falex-Pucks (50 mm Außendurchmesser OD x 12 mm Gesamtlänge OAL) aus jeder Mischung mit dem Ziel einer Rohdichte von 2,50 g/cm3 verdichtet und anschließend gesintert. Zunächst wurden fünfzehn TRS-Stäbe aus jeder Zusammensetzung mit verschiedenen thermischen Profilen gesintert und die Maßänderung, Massenänderung, durchschnittliche Härte und Sinterdichte aller TRS-Stäbe ermittelt, um die geeignetsten Bedingungen zu bestimmen (da die optimalen Bedingungen von Ofen zu Ofen variieren können). Alle verbleibenden TRS-Stäbe sowie die Charpys und Falex-Pucks wurden dann unter Bedingungen gesintert, die sich bei den ersten Sinterläufen und Probenprüfungen der fünfzehn TRS-Stäbe als am geeignetsten erwiesen.
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Für die unter den geeignetsten Sinterbedingungen hergestellten Proben wurden dann die Maßänderung im gesinterten Zustand, die Massenänderung, die durchschnittliche Härte und die gesinterte Dichte von jeweils fünf TRS-Stäben aus PM6061 und PM6061-AIN gemessen.
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Die Ergebnisse für die Änderung der gesinterten Abmessungen, die Massenänderung, die durchschnittliche Härte und die Sinterdichte sind in den nachstehenden Tabellen V und VI zusammen mit der vergleichenden T8-Härte aufgeführt: Tabelle V
| Pulver-Zusammensetzung | Masse-Veränderung | Gesinterte Dichte | Gesamtlängenänderung | Breitenänderung | Längenänderung |
| | (%) | (g/cm3) | (%) | (%) | (%) |
| PM 6061 | -1,46 | 2,70 | -4,41 | -2,21 | -1,67 |
| PM 6061-AIN | -1,38 | 2,70 | -3,77 | -2,54 | -2,04 |
Tabelle VI
| Pulver-Zusammensetzung | T1 Härte (HRE) | T8 Härte (HRE) |
| PM 6061 | 56,2 | 96,6 |
| PM 6061-AIN | 54,1 | 96,9 |
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Alle verbleibenden Proben wurden einer T8-Wärmebehandlung unterzogen (Zielwert 2-3% RIH), wobei die T8-Wärmebehandlung ein Lösungsglühen bei 530 °C (zwei Stunden bei dieser Temperatur), Abschrecken, Kalibrierung mit 2%iger Reduzierung von AOL und eine Alterung bei 160 °C für 18 Stunden umfasste. Für die T8-Proben in Tabelle VI oben ist die durchschnittliche Härte für Proben angegeben, die dieser T8-Wärmebehandlung unterzogen wurden.
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Aus den Charpys wurden Gewindeendstücke hergestellt und anschließend die Streckgrenze, die Zugfestigkeit, der Elastizitätsmodul und die Gesamtbruchdehnung von fünf Proben für PM 6061 und PM6061-AIN gemessen, die in der nachstehenden Tabelle VII aufgeführt sind: Tabelle VII
| Pulver-Zusammensetzung | E-Modul (GPa) | Streckgrenze (MPa) | UTS (MPa) | Dehnung (%) |
| PM 6061 | 66,8 | 300 | 341 | 7,0 |
| PM 6061-AIN | 66,7 | 303 | 335 | 3,7 |
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Auch hier handelt es sich um mechanische Eigenschaften von Proben, die aus der Pulverzusammensetzung hergestellt und der Wärmebehandlung T8 unterzogen wurden.
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Proben jeder T8-Zusammensetzung wurden auch einer 3-Punkt-Biege-Ermüdungstreppe unterzogen; die Ergebnisse sind in Tabelle VIII unten aufgeführt: Tabelle VIII
| | Biegewechselfestigkeit |
| PulverZusammensetzung | σa,10 (MPa) | σa,50 (MPa) | σa,90 (MPa) |
| PM 6061 | 147,7 | 141,7 | 135,7 |
| PM 6061-AIN | 151,3 | 140 | 128,7 |
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Zusätzlich wurde die Temperaturleitfähigkeit bei Raumtemperatur mittels Laser-Flash-Analyse an jedem der beiden Proben gemessen, die aus T8 TRS-Stäben hergestellt worden waren. Diese Ergebnisse sind unten in Tabelle IX aufgeführt: Tabelle IX
| PulverZusammensetzung | Thermische Diffusivität (mm 2 /s) |
| PM 6061 | 76,0 |
| PM 6061-AIN | 79,3 |
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Es sollte anerkannt werden, dass verschiedene andere Modifikationen und Variationen der bevorzugten Ausgestaltungen im Rahmen des Geistes und des Anwendungsbereichs der Erfindung möglich sind. Daher sollte die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausgestaltungen beschränkt werden. Um den vollen Umfang der Erfindung zu erfassen, sollte auf die folgenden Ansprüche Bezug genommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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