EP1438150B1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung feinkristalliner werkstoffe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung feinkristalliner werkstoffe Download PDF

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EP1438150B1
EP1438150B1 EP02799373A EP02799373A EP1438150B1 EP 1438150 B1 EP1438150 B1 EP 1438150B1 EP 02799373 A EP02799373 A EP 02799373A EP 02799373 A EP02799373 A EP 02799373A EP 1438150 B1 EP1438150 B1 EP 1438150B1
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Innovationsagentur GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D7/00—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation
    • C21D7/02—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working
    • C21D7/10—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/001—Extruding metal; Impact extrusion to improve the material properties, e.g. lateral extrusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C23/00—Extruding metal; Impact extrusion
    • B21C23/01—Extruding metal; Impact extrusion starting from material of particular form or shape, e.g. mechanically pre-treated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/02—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough
    • B21J1/025—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough affecting grain orientation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00—Treatment for obtaining particular effects
    • C21D2201/03—Amorphous or microcrystalline structure

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for producing submicron or nanocrystalline materials by multiple plastic deformation of a material sample, wherein the outer shape of the material sample after the first deformation essentially corresponds to that after the last deformation (see 2.B. US-A -4,721,537).
  • Submicron or nanocrystalline materials in particular of metals, alloys, or intermetallic compounds, are ideally suited for a wide range of applications and in particular have a very high strength. Such materials have been used since the 1980's, e.g. manufactured by powder metallurgical way. However, metallic materials produced in such a way unfortunately have a relatively low ductility.
  • the material sample 1 to be deformed is located in a cylindrical recess of a pressure-resistant mold 2 and is pressurized with a pressure piston 3 with a cylindrical cross-section.
  • an angled channel is formed in a pressure-resistant mold 2, through which the material sample 1 is pressed by means of a punch 3. After removal of the material sample from the angled channel this is again - as indicated by dashed lines - introduced on the side of the plunger 3 in the mold 2, which can be carried out to achieve the desired fine structure more similar deformation steps.
  • the material sample essentially retains its outer shape, that is, the outer shape of the material sample after the first deformation substantially corresponds to that after the last deformation, although many Such deformation steps are performed sequentially.
  • Fig. 3 the CEC method is sketched, in which the pressure-resistant mold 2 has a cylindrical channel with a taper.
  • the material sample 1 is pressed by means of a first plunger 3 through the cylindrical taper of the channel against the pressure of a second plunger 3, wherein the sample is subjected to a compression followed by extrusion. Thereafter, the direction of movement of the two plunger 3 is reversed and the sample of material 1 is again pressed through the cylindrical taper.
  • the outer shape of the material sample remains essentially unchanged and the cyclic deformation can be repeated until the desired fine structure is achieved.
  • a disadvantage of the two methods according to FIGS. 2 and 3 is the inhomogeneous deformation in the two end regions of the material sample 1, as well as the relatively large force required to overcome the frictional forces between the shape and the material sample.
  • the starting material in contrast to the present invention, is not a solid, homogeneous material sample, but a mass M of particulate material which is pressure sintered by applying first, second and third compressive forces in directions normal to each other to form a final product.
  • Means for heating the mass M suitable for supplying a sintering heat, e.g. an induction heating unit with a coil surrounding the mass M or an electric heating unit with opposite current-conducting electrodes.
  • a sintering heat e.g. an induction heating unit with a coil surrounding the mass M or an electric heating unit with opposite current-conducting electrodes.
  • JP 08-188838 A discloses a device with which a homogeneous particle distribution in particle-reinforced aluminum alloys is to be achieved.
  • a variant of the ECA method is described in a first embodiment, in which two angled channels are combined in the form of a cross channel, but here - as in all ECA method - the sample by more or less formed edges (change in direction by 90 °) must be pressed, whereby large frictional forces arise.
  • JP 08-188838 A two opposing plunger are used in each case, which are guided by their conical shape in the pairwise movement to each other sliding and change the volume and shape of the interior.
  • the high frictional forces of the pressure pistons guided against one another must be mentioned.
  • Object of the present invention is to propose a device or a method for producing finely crystalline, preferably submicron or nanocrystalline materials by multiple plastic deformation of a material sample, with homogeneous, submicron or nanocrystalline materials are to arise at relatively low energy consumption.
  • the device according to the invention has a pressure-resistant form with a substantially parallelepiped or cube-shaped interior, wherein at least one of the interior wall bounding surfaces is designed as movable in the direction of the interior plunger, after the pressurization, the material sample is substantially normal to Pressure direction in a free area of the pressure-resistant mold expands.
  • the strength of recrystallized pure copper from about 60 MPa can be increased to 500 MPa, without significant losses in the elongation at break.
  • Intermetallic Ni 3 Al materials are relatively brittle. Such treatment can give them considerable ductility.
  • Recrystallized pure chromium has a brittle-transition temperature of about 300 ° C. In a submicron crystalline pure chromium produced by multiple plastic deformation, the brittle transition temperature is below room temperature.
  • step b a compression deformation of the material sample along a third of three substantially normal mutually adjoining spatial directions, wherein after a free expansion of the sample in at least one of the other two spatial directions boundaries are set.
  • a deformation path of more than 30%, preferably 50 to 60%, of the thickness of the material sample in the direction of deformation is carried out.
  • 8 to 10 deformation steps are necessary. With increasing number of cycles, the grain size decreases further and the misorientation (tilting) of the neighboring grains increases.
  • At least one pressure stamp is used to deform the material sample, which alternately acts on different boundary surfaces of the material sample, which boundary surfaces enclose an angle of substantially 90 °.
  • FIGS. 4a to 4c The simplest embodiment of the device according to the invention is shown in FIGS. 4a to 4c.
  • the material sample 1 which essentially corresponds to a cuboid, has mutually parallel cover surfaces A, B and C, and is arranged in a substantially parallelepiped or cube-shaped interior of a pressure-resistant mold 2.
  • the individual wall surfaces of the pressure-resistant mold 2 are labeled 4 (bottom surface), 5 (top surface) and 6 (side surfaces).
  • one of the wall surfaces 4 to 6, namely the top surface 5 is designed as a pressure stamp 3 which is movable in the direction of the interior and has a rectangular or square cross-section.
  • the material sample 1 is first of all inserted into the pressure-resistant mold 2, as shown in FIG. 4 a, with the top surface A of the sample resting against the pressure ram 3. Thereafter, as shown in FIG. 4b, a compression deformation of the sample, wherein the plunger 3 in the example shown a Deformation path of about 50% of the thickness or height of the material sample travels in the deformation direction.
  • the sample expands normal to the printing direction into the free area 7 of the pressure-resistant mold 2 until the expansion is limited by the side surfaces 6. This results again in a material sample of the same or very similar outer shape as in Fig. 4a with the boundary surfaces A to C.
  • the sample is rotated and used for the next deformation of FIG. 4c in the mold 2.
  • two or three plungers 3 are used whose axes are normal to one another.
  • one of the two pressure pistons 3 can be held in each case, and thus form part of the pressure-resistant mold 2, while the other pressure piston 3 deforms the material sample 1.
  • the manipulation effort is thereby reduced since the material sample 1 does not have to be removed from the mold 2 after each deformation, rotated and replaced.
  • two or three mutually adjoining wall surfaces are designed as pressure stamps 3 which can be actuated alternately.
  • the guide elements for the three pressure pistons 3 are indicated only by dashed lines, the material sample is concealed by the cyclically actuable pressure pistons 3.
  • At least one of the wall surfaces bounding the interior space may be made removable or slidable.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung submikro- oder nanokristalliner Werkstoffe durch mehrfache plastische Verformung einer Werkstoffprobe, wobei die äußere Form der Werkstoffprobe nach der ersten Verformung im Wesentlichen jener nach der letzten Verformung entspricht, (siehe 2.B. US-A-4 721 537).
  • Submikro- oder nanokristalline Werkstoffe, insbesondere aus Metallen, Legierungen, bzw. intermetallischen Verbindungen, sind für ein breites Anwendungsgebiet bestens geeignet und weisen insbesondere eine sehr hohe Festigkeit auf. Solche Werkstoffe werden seit den 80-er Jahren z.B. auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt. Metallische Werkstoffe, die auf solche Art hergestellt werden, weisen jedoch leider eine relativ geringe Duktilität auf.
  • Seit einiger Zeit sind neue Verfahren bekannt, bei welchen eine Werkstoffprobe einer mehrfachen plastischen Verformung unterzogen wird, wodurch submikrokristalline bzw. nanokristalline Werkstoffe erzeugt werden können. Diese Werkstoffe weisen zusätzlich folgende Vorteile auf:
    • relativ gute Duktilität
    • superplastische Umformbarkeit bei relativ tiefen Temperaturen
    • Absenkung der spröd-duktil Übergangstemperatur
  • Aus der Literatur sind dazu im wesentlichen drei Herstellungsverfahren bekannt:
    1. 1.) High Pressure Torsion HPT
    2. 2.) Equal Channel Angle Extrusion ECA
    3. 3.) Cyclic Extrusion Compression Method CEC
  • Eine Übersicht über die ersten beiden Verfahren ist in den Artikeln von V. M. SEGAL, Material Science and Engineering, A271, 322-333, 1999 und V. M. SEGAL, Material Science and Engineering, A197, 157-164, 1995 zu finden. Die dritte Methode wurde durch J. RICHERT, M. RICHERT , Aluminium 62, 604, 1986, beschrieben. Die bekannten Verfahren werden anhand der schematischen Abbildungen in den Figuren 1 bis 3 näher beschrieben.
  • Beim HPT-Verfahren gemäß Fig. 1 befindet sich die zu verformende Werkstoffprobe 1 in einer zylindrischen Ausnehmung einer druckfesten Form 2 und wird mit einem Druckstempel 3 mit zylindrischem Querschnitt mit Druck beaufschlagt.
  • Durch eine Drehbewegung der Form 2 oder des Druckstempels 3 um die gemeinsame Achse kommt es zu einer Hochdrucktorsionsverformung der Probe 1, welche allerdings sehr inhomogen verläuft, da im Bereich der Drehachse eine geringere Verformung als im Umfangsbereich aufgebracht wird.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten ECA-Verfahren ist in einer druckfesten Form 2 ein abgewinkelter Kanal ausgeformt, durch welchen die Werkstoffprobe 1 mit Hilfe eines Stempels 3 durchgepresst wird. Nach der Entnahme der Werkstoffprobe aus dem abgewinkelten Kanal wird diese wieder - wie strichliert angedeutet - an der Seite des Druckstempels 3 in die Form 2 eingebracht, wobei bis zum Erreichen der gewünschten Feinstruktur weitere gleichartige Verformungsschritte durchgeführt werden können. Im Unterschied zu anderen plastischen Verformungsschritten, wie Walzen oder Schmieden behält bei dieser Art der Verformung die Werkstoffprobe ihre äußere Form im Wesentlichen bei, das heißt, die äußere Form der Werkstoffprobe nach der ersten Verformung entspricht im Wesentlichen jener nach der letzten Verformung, auch wenn viele derartige Verformungsschritte nacheinander durchgeführt werden.
  • Unterschiedliche Ausführungsvarianten des ECA-Verfahrens sind beispielsweise in der US 6,209,379 B1 der US 5,513,512 A und der US 5,850,755 A geoffenbart. Die an erster Stelle genannte US 6,209,379 B1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung plastisch verformter Teile beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Wie insbesondere aus den Abbildungen, Fig. 5a bis 5c ersichtlich, wird ein ECA-Verfahren (Equal Channel Angle Extrusion) angewandt, bei welchem in einer druckfesten Form ein im rechten Winkel abgewinkelter Kanal mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgeformt ist, durch welchen die Werkstoffprobe mit Hilfe eines Stempels durchgepresst wird. Nach der Entnahme der Werkstoffprobe aus dem abgewinkelten Kanal wird diese wieder, wie in Fig. 5b angedeutet, in die druckfeste Form eingebracht, wobei bis zum Erreichen der gewünschten Feinstruktur weitere gleichartige Verformungsschritte durchgeführt werden können. Als Nachteil des ECA-Verfahrens sind die relativ großen Reibkräfte zwischen Form und Werkstoffprobe anzuführen.
  • In Fig. 3 wird das CEC-Verfahren skizziert, bei welchem die druckfeste Form 2 einen zylindrischen Kanal mit einer Verjüngung aufweist. Die Werkstoffprobe 1 wird mit Hilfe eines ersten Druckstempels 3 durch die zylindrische Verjüngung des Kanals gegen den Druck eines zweiten Druckstempels 3 durchgepresst, wobei die Probe einer Kompression mit anschließender Extrusion unterworfen wird. Danach wird die Bewegungsrichtung der beiden Druckstempel 3 umgekehrt und die Werkstoffprobe 1 wieder durch die zylindrische Verjüngung durchgepresst. Auch hier bleibt die äußere Form der Werkstoffprobe im Wesentlichen unverändert und die zyklische Verformung kann bis zur Erreichung der gewünschten Feinstruktur wiederholt werden.
  • Nachteilig bei den beiden Verfahren gemäß Fig. 2 und 3 ist die inhomogene Verformung in den beiden Endbereichen der Werkstoffprobe 1, sowie der relativ große Kraftaufwand zur Überwindung der Reibkräfte zwischen Form und Werkstoffprobe.
  • Weiters ist aus der DE 29 14 254 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Drucksintern bekannt geworden. Das Ausgangsmaterial ist im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung keine feste, homogene Werkstoffprobe, sondern eine Masse M aus teilchenförmigem Material, welches durch Aufbringen erster, zweiter und dritter Druckkräfte in aufeinander normal stehenden Richtungen zu einem Endprodukt druckgesintert wird. Dazu sind Mittel zum Erhitzen der Masse M notwendig, die sich zum Zuführen einer Sinterhitze eignen, z.B. eine Induktionsheizeinheit mit einer die Masse M umgebenden Spule oder eine elektrische Heizeinheit mit gegenüberliegenden stromleitenden Elektroden. Bei der Herstellung feinkristalliner, vorzugsweise submikro- oder nanokristalliner Werkstoffe, wäre die Wärmezufuhr kontraproduktiv und würde zu einer Vergröberung des Korngefüges führen.
  • Schließlich ist aus der JP 08-188838 A eine Vorrichtung bekannt, mit welcher eine homogene Partikelverteilung in teilchenverstärkten Aluminiumlegierungen erreicht werden soll. Dazu wird in einer ersten Ausführungsvariante eine Variante des ECA-Verfahren beschrieben, bei welcher zwei abgewinkelte Kanäle in Form eines Kreuzkanals kombiniert werden, wobei allerdings auch hier - wie bei allen ECA-Verfahren - die Probe um mehr oder weniger ausgebildete Kanten (Richtungsänderung um 90°) gepresst werden muss, wobei große Reibkräfte entstehen.
  • In einer zweiten Ausführungsvariante der JP 08-188838 A werden jeweils zwei gegenüberliegende Druckstempel verwendet, welche durch ihre konische Form bei der paarweisen Bewegung aneinander gleitend geführt werden und so das Volumen und die Form des Innenraums verändern. Als Nachteil sind neben einer völlig anderen Zielsetzung die hohen Reibkräften der aneinander geführten Druckstempel anzuführen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Herstellung feinkristalliner, vorzugsweise submikro- oder nanokristalliner Werkstoffe durch mehrfache plastische Verformung einer Werkstoffprobe vorzuschlagen, wobei bei relativ geringem Energieaufwand homogene, submikro- oder nanokristalline Werkstoffe entstehen sollen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anpruch 1 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
  • Zur Durchführung des Verfahrens weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine druckfeste Form mit einem im wesentlichen quader- oder würfelförmigen Innenraum auf, wobei zumindest eine der den Innenraum begrenzenden Wandflächen als in Richtung des Innenraumes beweglicher Druckstempel ausgebildet ist, nach dessen Druckbeaufschlagung sich die Werkstoffprobe im Wesentlichen normal zur Druckrichtung in einen freien Bereich der druckfesten Form ausdehnt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen auf der Hand. Es wird jeweils die gesamte Werkstoffprobe in den Verformungsprozess einbezogen, so dass eine äußerst homogene Verformung erzielt werden kann. Weiters kann sich die Probe bei jeder Druckverformung in die auf die Richtung der Druckeinwirkung normal stehenden Raumrichtungen im wesentlichen ungehindert bis zu einer Grenzfläche ausdehnen, so dass Reibungsverluste weitgehend vermieden werden können.
  • Durch mehrfache plastische Verformung kann z.B. die Festigkeit von rekristallisiertem Reinkupfer von ca. 60 MPa auf 500 MPa gesteigert werden, ohne deutliche Einbußen in der Bruchdehnung. Intermetallische Ni3Al-Werkstoffe sind relativ spröde. Durch eine derartige Behandlung können sie eine beachtliche Duktilität erlangen. Rekristallisiertes Reinchrom hat eine Sprödduktil-Übergangstemperatur von etwa 300°C. In einem durch mehrfache plastische Verformung hergestellten submikrokristallinen Reinchrom liegt die Spröd-Übergangstemperatur unter Raumtemperatur.
  • Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass nach dem Schritt b eine Druckverformung der Werkstoffprobe entlang einer dritten von drei im Wesentlichen normal aufeinander stehenden Raumrichtungen erfolgt, wobei nach einer freien Ausdehnung der Probe in zumindest eine der beiden anderen Raumrichtungen Grenzen gesetzt werden.
  • Vom besonderen Vorteil ist es, wenn pro Verformungsschritt ein Verformungsweg von über 30 %, vorzugsweise von 50 bis 60 % der Dicke der Werkstoffprobe in Verformungsrichtung durchgeführt wird. Zur Erzielung eines Gefüges mit Submikrometerkörnung sowie von Großwinkelkorngrenzen > 15° (Verkippung der Nachbarkörner) sind 8 bis 10 Verformungsschritte notwendig. Mit zunehmender Zyklenzahl nimmt die Korngröße weiter ab und die Missorientierung (Verkippung) der Nachbarkörner zu.
  • Erfindungsgemäß wird zur Verformung der Werkstoffprobe zumindest ein Druckstempel verwendet, welcher abwechselnd auf unterschiedliche Begrenzungsflächen der Werkstoffprobe einwirkt, welche Begrenzungsflächen einen Winkel von im Wesentlichen 90° einschließen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen die
    • Fig. 1 bis 3
    bereits eingangs beschriebene Vorrichtungen zur Herstellung feinkristalliner Werkstoffe gemäß Stand der Technik, die
    Fig. 4a bis 4c
    eine erste Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Herstellung feinkristalliner Werkstoffe in den Arbeitsstellungen a bis c sowie die
    Fig. 5 und 6
    Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 4a bis 4c.
  • Die einfachste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in den Fig. 4a bis 4c dargestellt. Die Werkstoffprobe 1, welche im wesentlichen einem Quader entspricht, weist zueinander parallele Deckflächen A, B und C auf, und ist einem im Wesentlichen quader- oder würfelförmigen Innenraum einer druckfesten Form 2 angeordnet. Die einzelnen Wandflächen der druckfesten Form 2 sind mit 4 (Bodenfläche), 5 (Deckfläche) und 6 (Seitenflächen) gekennzeichnet. Im dargestellten Beispiel ist eine der Wandflächen 4 bis 6, nämlich die Deckfläche 5, als in Richtung des Innenraumes beweglicher Druckstempel 3 mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt ausgebildet.
  • Zur Durchführung des Verfahrens wird die Werkstoffprobe 1 zunächst wie in Fig. 4a dargestellt in die druckfeste Form 2 eingesetzt, wobei die Deckfläche A der Probe am Druckstempel 3 anliegt. Danach erfolgt gemäß Fig. 4b eine Druckverformung der Probe, wobei der Druckstempel 3 im dargestellten Beispiel einen Verformungsweg von etwa 50 % der Dicke bzw. Höhe der Werkstoffprobe in Verformungsrichtung zurücklegt. Die Probe dehnt sich normal zur Druckrichtung in den freien Bereich 7 der druckfesten Form 2 aus, bis die Ausdehnung durch die Seitenflächen 6 begrenzt wird. Dadurch entsteht wieder eine Werkstoffprobe gleicher oder sehr ähnlicher äußerer Form wie in Fig. 4a mit den Begrenzungsflächen A bis C. Schließlich wird die Probe gedreht und für die nächste Verformung gemäß Fig. 4c in die Form 2 eingesetzt. Es ist allerdings auch möglich, die Werkstoffprobe in Fig. 4c zusätzlich um die Achse a zu drehen, um den Druckstempel 3 im nächsten Verformungsschritt auf die Fläche C einwirken zu lassen. Das führt zu einer homogeneren Verformung der Werkstoffprobe da in zyklischer Weise nacheinander die Druckeinleitung über die Flächen A, B und C der Werkstoffprobe erfolgt.
  • Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 5 und 6 werden zwei bzw. drei Druckstempel 3 verwendet, deren Achsen aufeinander normal stehen. So kann beispielsweise in der Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 jeweils einer der beiden Druckstempel 3 festgehalten werden, und somit einen Teil der druckfesten Form 2 bilden, während der andere Druckstempel 3 die Werkstoffprobe 1 verformt. Der Manipulationsaufwand wird dadurch verringert, da die Werkstoffprobe 1 nicht nach jeder Verformung aus der Form 2 entnommen, gedreht und wieder eingesetzt werden muss. Bei den Ausführungen gemäß Fig. 5 und 6 sind jeweils zwei bzw. drei aneinander angrenzende Wandflächen als abwechselnd betätigbare Druckstempel 3 ausgebildet. Bei der Ausführung gemäß Fig. 6 sind die Führungselemente für die drei Druckstempel 3 nur strichliert angedeutet, die Werkstoffprobe wird durch die zyklisch betätigbaren Druckstempel 3 verdeckt.
  • Weiters kann zur leichteren Entnahme der Werkstoffprobe nach dem Abschluss der zyklischen Verformung zumindest eine der den Innenraum begrenzenden Wandflächen (z.B. die Bodenfläche 4 in der Ausführung gemäß Fig. 4a bis 4c) entfernbar oder verschiebbar ausgeführt sein.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung submikro- oder nanokristalliner Werkstoffe durch mehrfache plastische Verformung einer Werkstoffprobe, wobei die äußere Form der Werkstoffprobe nach der ersten Verformung im Wesentlichen jener nach der letzten verformung entspricht, gekennzeichnet durch, folgende Schritte:
    a. Druckverformung der Werkstoffprobe entlang einer ersten von drei im Wesentlichen normal aufeinander stehenden Raumrichtungen, wobei nach einer freien Ausdehnung der Probe in zumindest eine der beiden anderen Raumrichtungen Grenzen gesetzt werden,
    b. Druckverformung der Werkstoffprobe entlang einer zweiten von drei im Wesentlichen normal aufeinander stehenden Raumrichtungen, wobei nach einer freien Ausdehnung der Probe in zumindest eine der beiden anderen Raumrichtungen Grenzen gesetzt werden,
    c. Fortfahren mit den Schritten a bis b bis eine vorher festgelegte Feinstruktur der Werkstoffprobe erreicht wird, wobei die einzelnen Verformungsschritte bei Temperaturen Tv zwischen Umgebungstemperatur und 0.5 Ts durchgeführt werden und Ts die Schmelztemperatur des jeweillgen Werkstoffes ist und wobei zur Erzielung von Großwinkelkorngrenzen >15° 8 bis 10 Verformungsschritte durchgeführt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt b eine Druckverformung der Werkstoffprobe entlang einer dritten von drei im Wesentlichen normal aufeinander stehenden Raumrichtungen erfolgt, wobei nach einer freien Ausdehnung der Probe in zumindest eine der beiden anderen Raumrichtungen Grenzen gesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pro Verformungsschritt ein Verformungsweg von über 30%, vorzugsweise von 50% bis 60% der Dicke der Werkstoffprobe in Verformungsrichtung durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei Druckstempel verwendet werden deren Achsen aufeinander normal stehen.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur plastischen Verformung einer Werkstoffprobe (1), welche in einer druckfesten Form (2) vorliegt, mit zumindest einem auf die Werkstoffprobe (1) einwirkenden Duckstempel (3), wobei die druckfeste Form (2) einen im Wesentlichen quaderförmigen Innenraum aufweist, und zumindest eine der den Innenraum begrenzenden Wandflächen (4, 5, 6) als in Richtung des Innenraumes beweglicher Druckstempel (3) ausgebildet ist, nach dessen Druckbeaufschlagung sich die werkstoffprobe (1) im Wesentlichen normal zur Druckrichtung in einen freien Bereich (7) der druckfesten Form (2) ausdehnt, dadurch gekennzeichnet, dass drei jeweils aneinander angrenzende Wandflächen als abwechselnd betätigbare Druckstempel (3) ausgebildet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Entnahme der Werkstoffprobe (1) zumindest eine der den Innenraum begrenzenden, nicht als Druckstempel (3) ausgebildeten Wandflächen (4), entfernbar oder verschiebbar ausgeführt ist.
EP02799373A 2001-09-25 2002-09-19 Vorrichtung und verfahren zur herstellung feinkristalliner werkstoffe Expired - Lifetime EP1438150B1 (de)

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AT (2) AT411027B (de)
DE (1) DE50207219D1 (de)
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