DE4418600A1

DE4418600A1 - Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstoffen, insbesondere Kupfer und Silber

Info

Publication number: DE4418600A1
Application number: DE4418600A
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof Dr Ing Kieback; Heidrun Dr Rer Nat Kubsch; Gerd Dr Ing Lotze; Christa Dr Ing Sauer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1995-11-30
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: DE4418600C2

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstoffen, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Werkstoffe mit höheren Festigkeiten, insbesondere mit hohen Härte- und Warmhärtewerten werden auf der Basis der gut leitfähigen Metalle, Kupfer und Silber durch Dispersionsver stärkung mit keramischen Partikeln hergestellt. Die Festigkeit eines verstärkten Werkstoffes hängt dabei vom mittleren Abstand der Dispersionspartikel ab. Eine hohe Festigkeitssteige rung ist dabei durch einen kleinen Abstand zwischen den eingelagerten Partikeln erreich bar. Der mittlere Partikelabstand kann durch Erhöhung der Teilchenzahl verringert werden, eine damit verbundene, gleichzeitige Zunahme des Volumenanteils der Verstärkungsphase führt aber bei leitfähigen Matrixmaterialien zu einer stärkeren Verminderung der Leitfähig keit. Eine Möglichkeit, die Verminderung der Leitfähigkeit zu begrenzen, ist die Verringe rung der Teilchengröße, womit die gleiche Teilchenanzahl bei geringeren Volumenanteilen erreicht wird. Damit die notwendigen Festigkeitssteigerungen erreicht werden, jedoch die Teilchengröße gering bleibt, sind bei Volumengehalten von etwa 3% Partikelgrößen im Nanometerbereich (um 20 nm) erforderlich. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um derartige Werkstoffe mit Verstärkungspartikel im Nanometerbereich herzustellen.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstof fen ist das mechanische Legieren. Dabei werden vorhandene Partikel feindispers in ein Matrixmetall eingemahlen, wobei diese schon in der erforderlichen Endgröße (z. B. 20 nm) vorliegen müssen. Eine andere Möglichkeit der Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstoffen ist das Reaktionsmahlen, das zum Entstehen von neuen Phasen beim Mahlvorgang führt, die dann feindispers im Matrixmetall verteilt sind. Die Umsetzung hängt dabei von der Konzentration der eingesetzten Werkstoffe ab. Je höher die Menge der einzulagernden Partikel ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer dispersoiden Phase bei kürzeren Mahldauern. Kleinere Volumenanteile der Verstärkungspartikel erfordern deshalb sehr lange Mahldauern (bis zu 100 h), was energie- und zeitaufwendig ist. Es wurde verschiedentlich versucht, einen dispersionsverstärkten metallischen Werkstoff durch reines Erzeugen der Verstärkungsphase in nanokristalliner Struktur und anschließendem Vermahlen bzw. Vermischen mit dem Matrixmaterial herzu stellen. Dabei neigen jedoch die Verstärkungspartikel zu Agglomerationen und ergeben dadurch Partikelgrößen im Bereich von Mikrometern. Außerdem werden beim Einmahlen oder auch Einmischen die Verstärkungspartikel durch das relativ weiche Matrixmetall ein gehüllt, was deren weitere Zerkleinerung behindert. Dadurch entstehen dispersionsverstärk te metallische Werkstoffe mit Nestern aus Verstärkungspartikeln. Eine homogene Verteilung ist damit schwer zu erreichen.

Daneben sind weitere Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstoffen bekannt. Beim Sprühkompaktieren (OSPREY-Verfahren) werden z. B. gleich zeitig unter Vakuum oder unter einer kontrollierten Atmosphäre Matrix- und Verstärkungs materialien versprüht, die anschließend auf einem Substrat erstarren. Bei anderen bekann ten Verfahren, z. B. bei In-situ-Methoden entstehen die Verstärkungspartikel während des Prozesses in der metallischen Matrix, z. B. beim GLIDCOP-Verfahren bilden sich durch in nere Oxidation im Basiswerkstoff Kupferteilchen aus Al₂O₃, während das MTX-Verfahren durch Verwirbelung einer Cu-Ti- und einer Cu-B-Schmelze TiB₂-Partikel im Cu erzeugt. Beim XD-Verfahren werden die Ausgangselemente der Verstärkungspartikel mit dem Ma trixmetall in Pulverform vermischt. Steigt die Temperatur der Mischung über die Schmelz temperatur der Matrix an, so entsteht durch eine exotherme Reaktion die dispersoide Phase. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie relativ kompliziert, teuer oder auf ganz bestimmte Werkstoffkombinationen ausgerichtet sind bzw. zu große Dispersoide (größer als 1 µm) erzeugen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von dispersions verstärkten metallischen Werkstoffen anzugeben, welches preiswert und einfach durchführ bar ist und darüber hinaus zu Werkstoffen mit einer homogenen Verteilung der Dispersoide führt.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteran sprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist erreicht, daß dispersionsverfestigte, leitfähige Werkstoffe durch mechanisches Legieren bzw. Reaktionsmahlen mit geringen Gehalten an Dispersoiden hergestellt werden können. Diese Dispersoide können Karbide, Nitride, Boride oder Oxide sein. Dabei wird stets eine gute Homogenität der eingelagerten Teilchen und damit eine hohe Festigkeitssteigerung des hergestellten Werkstoffes erreicht. Dadurch, daß im ersten Schritt des Verfahrens Verstärkungspartikel mit hohen Volumenanteilen in einer metallischen Matrix eingebracht und durch Mahlen zerkleinert werden, und daß in einem zweiten Schritt des Verfahrens das Homogenisieren mit gleichzeitigem Reduzieren des Volumengehaltes der Verstärkungspartikel in einem zweiten Mahlgang erfolgt, kann zum einen für kleine Partikelgehalte die Mahldauer beim Reaktionsmahlen entscheidend verrin gert und zum anderen eine vollständige Umsetzung erreicht werden. Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren wird sowohl die Prozeßzeit als auch Energie gespart sowie die Qualität des hergestellten Produktes erhöht. Im ersten Mahlgang werden die Ausgangselemente der Verstärkungspartikel mit einem hohen Volumenanteil der zu bildenden Verstärkungsphase, z. B. 20-80 Vol.-%, vornehmlich 50 Vol.-%, zusammen mit dem Matrixmetall gemahlen. Da durch entsteht ein Werkstoff, in dem nanokristallinen Zustand (Größenordnung vorliegende Verstärkungspartikel) der in einer metallischen Matrix sehr homogen verteilt ist. In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird dieses nanokristalline Mahlgut mit dem Matrixwerkstoff in den gewünschten Zielzusammensetzungen gemischt und einer nochmaligen Mahlung zur homogenen Vermengung unterzogen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der in diesem Schritt zugegebene Matrixwerkstoff kaltverfestigt ist, wo durch vermieden wird, daß der mit den Dispersoiden versehene Teil der Ausgangskompo nente durch das weiche Metall umhüllt und dessen homogene Verteilung dadurch wesent lich erschwert wird. Wird ein kaltverfestigter Matrixwerkstoff eingesetzt, so werden die Dis persoide gleichmäßig verteilt und damit auch optimale Festigkeiten bei den entsprechenden Anteilen von Verstärkungspartikeln erreicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläu tert:
Es wird ein Elektrolytkupfer mit einer mittleren Teilchengröße von 30 µm mit Titanpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 150 µm und reinem Kohlenstoff in einem derartigen Ver hältnis gemischt, daß sich Titan und Kohlenstoff restlos zu 50 Vol.-% Titankarbid verbinden. In einer Planetenkugelmühle wird das Mahlgut in einem Stahlbehälter mit Stahlkugeln (Verhältnis Kugeln zu Mahlgut 10 : 1) 4 h unter Argon gemahlen. Dabei entsteht in Kupfer eingebettetes Titankarbid (TiC) mit einer röntgenographischen Teilchengröße von 10 nm. Dieses Mahlgut wird mit hartgemahlenem (kaltverfestigtem) Elektrolytkupfer, das ebenfalls in einer Planetenkugelmühle im Stahlbehälter und mit Stahlkugeln (Verhältnis Kugeln zu Mahlgut 10 : 1) 4 h unter Argon gemahlen worden ist, so versetzt, daß in der Cu-Matrix 3 Vol.-% TiC enthalten sind. Nach dem nochmaligen Mahlen unter den gleichen Mahlbedingungen entsteht als Ergebnis ein dispersionsverstärkter Cu-Werkstoff mit einer homogenen Verteilung der TiC-Partikel.

Claims

1.- Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten metallischen Werkstoffen durch Reaktionsmahlen oder mechanisches Legieren, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein metallischer Werkstoff mit einem Verstärkungsparti kelanteil von etwa 20-80 Vol.-% ermahlen wird und in einem zweiten Schritt das Mahlgut unter Zugabe von weiterem Matrixwerkstoff in einer solchen Menge, daß die endgültige Volumenzusammensetzung zwischen dem Matrixwerkstoff und den Verstärkungspartikeln erreicht wird, einem nochmaligen Mahlprozeß unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im zweiten Schritt zu gegebene Matrixwerkstoff kaltverfestigt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenan teil der Verstärkungsphase im ersten Schritt des Verfahrens 50% beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Zusammensetzung des herzustellenden Werkstoffes 0,5 bis 5 Vol.-% der Verstärkungspartikel aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt des Verfahrens die Verstärkungspartikel in einer Größenord nung im Nanometerbereich ermahlen werden.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungspartikel Karbide, Nitride, Boride und/oder Oxide sind.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff Kupfer oder Silber ist.