DE19741019A1 - Material and process for its manufacture - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit aus einem im wesentlichen metallischen Basismaterial und einer Zweitphase, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.The invention relates to a material with high material damping and Tensile strength from an essentially metallic base material and a second phase, and a method for producing such.
Die hohe Beschleunigung mechanisch bewegter Teile verursacht unerwünschte Schwingungen über ein breites Frequenzspektrum. Die hohen Vibrationsbelastungen in den schwingenden Systemen führen zu großen Totzeiten, die durch lange Einschwingvorgänge hervorgerufen werden, und limitieren die Lebensdauer der beanspruchten Bauteile. Ein weiteres Problem liegt in der durch die Schwingungen hervorgerufenen Lärmbelastung.The high acceleration caused by mechanically moving parts unwanted vibrations over a wide frequency range. The high Vibration loads in the vibrating systems lead to large ones Dead times caused by long transients and limit the lifespan of the stressed components. Another Problem lies in the noise pollution caused by the vibrations.
Metalle und Legierungen besitzen aufgrund der hohen Festigkeit, dem geringen Gewicht und den guten Korrosionseigenschaften ein weites Anwendungsfeld. Sie weisen jedoch i. d. R. nur eine geringe Dämpfung auf, weswegen zusätzlich reine Dämpfungsmaterialien eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich meist um Kunststoffe, was bei Temperaturen über deren Schmelzpunkt und bei einer Beschränkung des Platzangebotes zu Einschränkungen der Verwendungsmöglichkeiten führt. Grauguß oder Reinmagnesium zeigen zwar eine höhere Dämpfung, weisen jedoch auf der anderen Seite eine eingeschränkte Festigkeit auf. Due to their high strength, metals and alloys have the low weight and good corrosion properties Field of application. However, i. d. R. only a little damping, which is why pure damping materials are also used. Here it is mostly plastics, which at temperatures above their Melting point and if space is restricted Restrictions on the possible uses. Cast iron or Pure magnesium show a higher damping, but point to the limited strength on the other side.
Aus der Patentschrift US 4,946,647 sind metallische Werkstoffe aus einem Basismaterial und einer Zweitphase aus Graphit bekannt. Allerdings liegt die Zugfestigkeit der angegebenen Werkstoffe mit maximal 190 MPa weit unter der des Basismaterials und die Bruchdehnung höchstens bei 4%, sogar wenn Reinaluminium als Basismaterial verwendet wird. Diese mechanischen Kennwerte zeigen, daß bei diesen Werkstoffen die Materialdämpfung mit einem drastischen Verlust an Festigkeit einhergeht und sie sich deshalb nicht für den Einsatz als Strukturwerkstoff eignen.From the patent US 4,946,647 metallic materials are made of one Base material and a second phase known from graphite. However, that is The tensile strength of the specified materials is below 190 MPa that of the base material and the elongation at break at 4% at most, even if Pure aluminum is used as the base material. This mechanical Characteristic values show that with these materials the material damping with is accompanied by a drastic loss of strength and therefore not suitable for use as a structural material.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstoff aus einem im wesentlichen metallischen Basismaterial und einer Zweitphase anzugeben, der schon bei geringen Schwingungsamplituden eine erhöhte Materialdämpfung aufweist, aber dennoch eine so hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung zeigt, daß er als Strukturwerkstoff verwendet werden kann.The object of the present invention is to produce a material from one to specify essentially metallic base material and a second phase, which increases even with low vibration amplitudes Has material damping, but still so high tensile strength and Elongation at break shows that it can be used as a structural material.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Werkstoff der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die in das Basismaterial eingebrachte Zweitphase metallisch ist und zumindest teilweise ein martensitisches Gefüge aufweist.To solve the problem is a material of the type described above according to the invention characterized in that the in the base material introduced second phase is metallic and at least partially has a martensitic structure.
Der erfindungsgemäße Werkstoff besitzt schon bei geringen Schwingungsamplituden hochdämpfende Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die teilweise martensitisch vorliegende Zweitphase die mechanischen Kennwerte des Basismaterials nicht negativ beeinflußt, so daß der Werkstoff auch als Strukturwerkstoff verwendet werden kann. Es zeigt sich ebenfalls, daß der erfindungsgemäße Werkstoff keinerlei Limitierung an die Auswahl der äußeren Form der Zweitphase stellt, wodurch der Werkstoff an verschiedene Anforderungen leicht angepaßt werden kann.The material according to the invention already has small Vibration amplitudes highly damping properties. Another advantage lies in the fact that the second martensitic phase is the mechanical characteristics of the base material are not adversely affected, so that the material can also be used as a structural material. It shows also that the material according to the invention has no limitation The selection of the outer shape of the second phase represents what the material can be easily adapted to different requirements.
Vorzugsweise umfaßt die Zweitphase eine Legierung. Vorteilhaften Einfluß auf die Materialdämpfung hat der Einsatz einer Legierung aus Nickel und Titan, wenn diese Legierungsbestandteile in einem Bereich von 48 bis 52 Atom-% gemischt werden, insbesondere wenn die Legierung 49,9 Atom-% Nickel und 50,1 Atom-% Titan enthält. Diese Bestandteile der Legierung sind nur als bevorzugte Werte anzusehen, nicht jedoch als eine Beschränkung der Erfindung.The second phase preferably comprises an alloy. Beneficial influence on the material damping has the use of an alloy of nickel and Titanium when these alloy components range from 48 to 52 Atomic% are mixed, especially when the alloy is 49.9 atomic% Contains nickel and 50.1 atomic% titanium. These components of the alloy are only to be regarded as preferred values, but not as a limitation the invention.
Eine weitere Erhöhung der Materialdämpfung wird erzielt, indem die Zweitphase zur Stabilisierung der martensitischen Phase und zur Anpassung an die Betriebsbedingungen bevorzugt Zusätze in einem Bereich bis zu 25 Atom-% enthält. Auch diese bevorzugten Bereichsgrenzen sind nicht als Beschränkung zu sehen, ebensowenig wie die Auswahl an Zusätzen, bei denen es sich vorteilhaft um Zirkon, Hafnium, Kupfer, Niob, Mangan, Palladium, Platin und Eisen handelt. Die Stabilisierung der martensitischen Phase kann auch durch eine Vorbehandlung der Zweitphase verstärkt werden, indem z. B. eine Deformierung der Zweitphase oder eine Homogenisierung der Legierungsbestandteile durchgeführt wird.A further increase in material damping is achieved by the Second phase to stabilize the martensitic phase and to adapt to the operating conditions, additives in a range up to 25 are preferred Contains atomic%. These preferred range limits are also not as See restriction, just as little as the choice of additives at which are advantageously zirconium, hafnium, copper, niobium, manganese, Palladium, platinum and iron. Stabilizing the martensitic Phase can also be strengthened by pretreating the second phase, by z. B. a deformation of the second phase or a homogenization the alloy components is carried out.
Die Zweiphase kann die Form von Partikeln, Drähten, Kurzfasern haben und als Lage im Basismaterial vorliegen, so daß hiermit vorzugsweise der Werkstoff an die von außen vorgegebenen Anforderungen maximal angepaßt werden kann. Dies geschieht auch dadurch, daß der Anteil der Zweitphase am Gesamtwerkstoff je nach gewünschten Eigenschaften bevorzugt zwischen 5 und 60 Volumen-% variiert. Auch hier handelt es sich nicht um eine Beschränkung der Erfindung.The two phase can take the form of particles, wires, short fibers and are present as a layer in the base material, so that the Material adapted to the external requirements can be. This also happens because the share of the second phase on Overall material, depending on the desired properties, preferably between 5 and 60% by volume varies. Again, this is not one Limitation of the invention.
Um bei der Dämpfung den notwendigen Lastübertrag vom Basismaterial auf die Zweitphase besser gewährleisten zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Zweitphase an der Grenzfläche zum Basismaterial mit diesem eine Verbindung ausbildet.In order to dampen the necessary load transfer from the base material To better guarantee the second phase, it is advantageous if the Second phase at the interface with the base material with this one Forms connection.
Durch die metallische Zweitphase mit zumindest teilweise martensitischem Gefüge innerhalb des Basismaterials gelingt es, die Anförderungen die von Seiten der Dämpfung an den Werkstoff gestellt werden, allein durch die Zweitphase zu erfüllen, während die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung vor allem durch das Basismaterials bestimmt werden. Aus diesem Grund kann das Basismaterial zu jeder Anforderung als Strukturwerkstoff gewählt werden. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist das Basismaterial aber vorteilhaft ein Leichtmetall oder eine Leichtmetallegierung, wobei hier insbesondere die Al-Legierung EN AW-6061, gemäß DIN EN 573, bevorzugt wird. Es können aber auch Umstände vorliegen, die höhere Festigkeiten notwendig machen, wodurch Basismaterialien zum Einsatz kommen, die verschiedene Gefüge aufweisen oder die als Verbundwerkstoff mindestens eine weitere Drittphase zur Verstärkung besitzen. Eine auf das Basismaterial abgestimmte thermomechanische Behandlung führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Erhöhung der Festigkeit des Basismaterials. Due to the metallic second phase with at least partially martensitic Structure within the base material succeeds in promoting the Side of the damping are placed on the material, solely by the Second phase to be met while maintaining tensile strength and elongation at break all be determined by the base material. Because of this, can the base material is chosen as the structural material for every requirement become. Due to the mechanical properties, the base material is advantageously a light metal or a light metal alloy, whereby here in particular the Al alloy EN AW-6061, according to DIN EN 573, is preferred. However, there may also be circumstances that are higher Make strengths necessary, thereby using base materials come that have different structures or that as a composite have at least one additional third phase for reinforcement. One on that Base material coordinated thermomechanical treatment also leads to an advantageous increase in the strength of the base material.
Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf den verfahrenstechnischen Teil zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes.The following part of the description refers to the procedural part for producing an inventive Material.
Durch Verfahren nach US 4,236,925 werden Werkstoffe mit einer Zweitphase aus Graphit, Blei oder Magnesium hergestellt, die eine erhöhte Materialdämpfung aufweisen. Hierbei muß das Herstellverfahren allerdings so geführt werden, daß die Zweitphase nach einem zusätzlichen Verfahrensschritt, in dem der Werkstoff einer plastischen Verformung unterworfen wird, in Spindelform vorliegt und der Werkstoff in einem weiteren Schrift über die Rekristallisationstemperatur des Basismaterials erhitzt wird.By methods according to US 4,236,925 materials with a Second phase made from graphite, lead or magnesium, which is an increased Have material damping. Here, however, the manufacturing process must so that the second phase after an additional Process step in which the material undergoes plastic deformation is subject, is in spindle form and the material in one another document about the recrystallization temperature of the base material is heated.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll weiterhin sein, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Festigkeit zu schaffen, das ohne zusätzliche komplexe Verfahrensschritte auskommt.The object of the present invention should also be a method for the production of a material with high material damping and To create strength that without additional complex process steps gets along.
Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, indem ein Gemisch aus in Pulverform vorliegendem Basismaterial und Zweitphase durch Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 400°C bis 700°C und bei einem Druck von 1000 bar bis 3000 bar konsolidiert wird.The object is achieved according to the invention by a Mixture of powdered base material and second phase by heat treatment in a temperature range from 400 ° C to 700 ° C and consolidated at a pressure of 1000 bar to 3000 bar.
Dabei kann die Auslagerungsdauer zwischen 1 Stunde und 6 Stunden betragen. Eine Durchführung der Konsolidierung bei 540°C, 2000 bar und 2 Stunden Auslagerungsdauer erzielt jedoch die besten Ergebnisse. Dies trifft auch für die Wahl der Beschaffenheit der Ausgangsstadien für Basismaterial und Zweitphase zu, wenn das Basismaterial als in Inertgas verdüstes Material eingesetzt wird. Sofern die Wahl der äußeren Form der Zweitphase es zuläßt, liegt die Zweitphase auch in dieser Verarbeitungsform vor. Ein vorteilhafter Verfahrensschritt liegt in der Entgasung des Gemisches aus Basismaterial und Zweitphase, bevor dieses konsolidiert wird. Diese Konsolidierung kann durch Heiß-Isostatisches-Pressen, Sintern, Strangpressen oder Schmieden geschehen.The outsourcing period can be between 1 hour and 6 hours be. Carrying out the consolidation at 540 ° C, 2000 bar and 2 However, hours of exposure lasts the best. This is true also for the choice of the nature of the initial stages for base material and second phase when the base material is atomized as an inert gas is used. If the choice of the external form of the second phase allows, the second phase is also available in this form of processing. An advantageous one The process step is the degassing of the mixture of base material and second phase before it is consolidated. This consolidation can by hot isostatic pressing, sintering, extrusion or forging happen.
Nach einer weiteren Lösung ist die Herstellung des Werkstoffes erfindungsgemäß auch möglich, indem die Zweitphase dem in flüssiger Form vorliegenden Basismaterial zugeführt wird.Another solution is to manufacture the material according to the invention also possible by the second phase in liquid form existing base material is supplied.
Beim Einbringen der Zweitphase in das flüssige Basismaterial ist es zum Schutz der Zweitphase von Vorteil, diese gegebenenfalls mit einem Überzug zu versehen, um eine zu heftige Reaktion mit dem Basismaterial zu verhindern.When the second phase is introduced into the liquid base material, it is Protection of the second phase is an advantage, if necessary with a coating to provide a too violent reaction with the base material prevent.
Bei beiden erfindungsgemäßen Herstellverfahren kann die Zweitphase in verschiedenen Formen eingebracht werden. Vorteilhaft liegt sie in beiden Verfahren aber als Partikel, Draht, Kurzfaser oder Lage vor. In einem bevorzugten Schritt wird die Zweitphase vor der Konsolidierung vorbehandelt, um die martensitische Phase zu stabilisieren. Hierbei kann es sich um Deformieren der Zweitphase oder um Homogenisieren der Bestandteile der Zweitphase in dieser handeln. In both production processes according to the invention, the second phase can be in different shapes can be introduced. It is advantageous in both Processes however as particles, wire, short fiber or layer. In one preferred step will be the second phase before consolidation pretreated to stabilize the martensitic phase. Here it can deforming the second phase or homogenizing the Act components of the second phase in this.
Die Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes machen keine kritischen Verfahrensschritte notwendig, in denen die Zweitphase auf eine bestimmte äußere Gestalt gebracht werden muß. Um eine hohe Materialdämpfung aufzuweisen braucht der Werkstoff des weiteren nicht in einem zusätzlichen Schritt über die Rekristallisationstemperatur des Basismaterials erwärmt zu werden.The processes for manufacturing the material do not make any critical ones Procedural steps necessary in which the second phase to a certain external shape must be brought. For high material damping the material does not need to have an additional one Step heated above the recrystallization temperature of the base material become.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment described, from which there are further details, features and advantages surrender.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs wird in Argon verdüstes Pulver aus der Al-Legierung EN AW-6061, gemäß DIN EN 573, mit einer Partikelgröße kleiner als 45 µm und auf dieselbe Weise hergestelltes NiTi-Pulver mit einer Partikelgröße kleiner als 180 µm und einer Zusammensetzung von 49,9 Atom-% Nickel und 50,1 Atom-% Titan verwendet. Die in Kapseln gefüllte Pulvermischung enthält 10 Volumen-% NiTi-Pulver mit dem Rest Pulver der Al-Legierung EN AW-6061. Zur Vermeidung von gashaltigen Poren wird das Gemisch bei Raumtemperatur entgast und die Kapsel gasdicht verschlossen. Die Konsolidierung des Werkstoffs erfolgt durch Heiß-Isostatisches-Pressen für zwei Stunden bei einem Druck von 2000 bar und einer Temperatur von 540°C.In one embodiment of the method according to the invention for producing the The material is atomized powder made of aluminum alloy in argon EN AW-6061, according to DIN EN 573, with a particle size smaller than 45 µm and NiTi powder with particle size produced in the same manner smaller than 180 µm and a composition of 49.9 atom% nickel and 50.1 atomic% titanium is used. The powder mixture filled in capsules contains 10% by volume NiTi powder with the rest powder of the Al alloy EN AW-6061. To avoid gas-containing pores, the mixture is added Degassed room temperature and sealed the capsule gas-tight. The The material is consolidated by hot isostatic pressing for two hours at a pressure of 2000 bar and a temperature of 540 ° C.
In einem nach diesem Verfahren hergestellten Werkstoff liegen die NiTi- Partikel homogen verteilt in der Al-Legierung EN AW-6061 vor. Die Zugfestigkeit dieses Werkstoffs entspricht derjenigen eines durch Heiß- Isostatisches-Pressen hergestellten und nur aus der Al-Legierung EN AW-6061 bestehenden Materials. Zudem weist der Werkstoff eine Bruchdehnung größer als 10% auf, wodurch ein Einsatz als Strukturwerkstoff möglich ist.The NiTi- Particles distributed homogeneously in the Al alloy EN AW-6061. The The tensile strength of this material corresponds to that of a hot Isostatic pressing manufactured and only from the Al alloy EN AW-6061 existing material. The material also has a Elongation at break greater than 10%, which means that it can be used as a structural material is possible.
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