EP2128281A1 - Formed body composed of a compound material containing aluminium and method for production of same - Google Patents

Formed body composed of a compound material containing aluminium and method for production of same Download PDF

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EP2128281A1
EP2128281A1 EP09160462A EP09160462A EP2128281A1 EP 2128281 A1 EP2128281 A1 EP 2128281A1 EP 09160462 A EP09160462 A EP 09160462A EP 09160462 A EP09160462 A EP 09160462A EP 2128281 A1 EP2128281 A1 EP 2128281A1
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EP
European Patent Office
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aluminum
compound
phase
particles
powder
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09160462A
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German (de)
French (fr)
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Miroslava Sakaliyska
Sergio Scudino
Kumar-Babu Surreddi
Jürgen Eckert
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Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
Original Assignee
Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
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Filing date
Publication date
Application filed by Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev filed Critical Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden Ev
Publication of EP2128281A1 publication Critical patent/EP2128281A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F1/06—Metallic powder characterised by the shape of the particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F2009/041—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from solid material, e.g. by crushing, grinding or milling by mechanical alloying, e.g. blending, milling

Definitions

  • the invention related to the field of materials science describes a molded article of a special composite material.
  • this material is often used for building components.
  • the composite can also be used in various fields of engineering, in particular as a construction material in mechanical engineering, aircraft construction, rocket construction, shipbuilding, railway construction, motor vehicle construction as well as in the pharmaceutical industry and in medical device construction, in construction and in household technology.
  • the invention relates to a method for producing such a composite material.
  • Aluminum alloys and aluminum-rich alloys have gained increasing economic and scientific importance.
  • the body's design gives the car its shape, offering passengers protection against wind and weather, and in the event of an accident, thanks to its ingenious structure, it converts kinetic energy into deformation energy. Years ago, it would have been almost unthinkable to replace steel with aluminum.
  • BMW already a pioneer in the use of aluminum and aluminum-rich alloys in heavy-duty chassis, even went so far in its models of the five-series to make the entire front end of aluminum.
  • aluminum alloys having a high level of mechanical properties are known which are used in various fields of technology, for example in the form of construction materials which withstand low and medium loads.
  • light metals such as aluminum
  • the object of the invention is to specify a shaped body made of an aluminum-containing composite material which simultaneously has high strength and ductility and a simple and inexpensive process for its production
  • the shaped body according to the invention made of an aluminum-containing composite material consists of a matrix of particles of aluminum and / or a Aluminum alloy with finely divided particles of the ⁇ - phase of an AIMg compound with a hexagonal crystal structure (hcp).
  • the matrix contains from 5 to 80% by volume of particles of the ⁇ -phase of an AIMg compound, and even more advantageously 45 to 55% by volume of particles of the ⁇ -phase of an AlMg compound are contained in the matrix.
  • the aluminum alloy contains Mg, Mn, Si, Li or Zn as alloying elements.
  • the particles of the ⁇ phase of an AlMg compound consist of Mg 17 Al 12 .
  • the particles of the ⁇ phase of an AlMg compound consist of Al 60 Mg 40 .
  • the particles of aluminum or of an aluminum alloy have an average particle size in the range of 0.1 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the particles of the ⁇ phase of an AlMg compound have an average particle size in the range from 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the ⁇ -phase of an AIMg compound is prepared from crystalline Al and Mg powder by powder metallurgy and mixed with crystalline Al powder and / or an aluminum alloy powder as matrix material and in turn by powder metallurgy method processed an aluminum-containing compound and this subsequently compacted into a shaped body.
  • an aluminum alloy powder with Mg, Mn, Si, Li or Zn is used as alloying elements.
  • the aluminum alloys are produced by mechanical alloying.
  • the powder metallurgical production of the ⁇ -phase of an AlMg compound and / or the aluminum-containing compound is carried out by mechanical alloying, whereby advantageously the mechanical alloying is carried out by grinding with a grinding time of 20 to 300 hours.
  • the mixture of crystalline Al powder or an aluminum alloy powder is carried out as a matrix material with particles of the ⁇ -phase of an AIMg compound by means of grinding.
  • the aluminum-containing compound is processed by hot pressing or extrusion or extrusion to form a shaped body.
  • the solution according to the invention makes it possible for the first time to introduce metastable structures into a composite material. This is done by powder metallurgy, this applies both to the production of the ⁇ - phase of the AlMg compound as well as for the aluminum-containing composite material, which is processed into the moldings of the invention.
  • the powder metallurgical production takes place by mechanical alloying.
  • the strength of the molded article is significantly increased while increasing ductility for such composites.
  • a ⁇ phase of the AIMg compound is prepared.
  • This ⁇ phase is a metastable intermetallic phase that is hard and brittle and has a relatively large 58 atom unit cell and a hexagonal crystal structure (hcp).
  • the generated ⁇ phase is nanocrystalline.
  • This ⁇ -phase of the AIMg compound is then mixed with Al powder or powder of an Al alloy as a matrix material and processed into a composite material by powder metallurgy methods. Due to the nanocrystallinity of the ⁇ phase of the AIMg compound, it can be distributed very finely in the matrix material. From this composite material then a molded body is produced.
  • the alloy according to the invention can find application in various fields of technology. It has high operating characteristics and has high parameters of mechanical properties at normal temperature.
  • the preparation of the ⁇ phase of the compound Mg 17 Al 12 was carried out by mechanical alloying.
  • a powder mixture of 50% by weight of crystalline aluminum powder and 50% by weight of crystalline magnesium powder, each having a particle size of 1-5 ⁇ m and having a purity of 99.95%, is produced.
  • the powder mixture is mixed under a high purity argon atmosphere (less than 1 ppm O 2 and H 2 O) in a grinding bowl and ground in a planetary ball mill (Retsch PM400).
  • the speed of the planetary ball mill is 150 rpm.
  • the mechanical alloying takes place at room temperature for a period of 300 h.
  • a secondary powder consisting entirely of supersaturated Al (Mg) mixed crystals is present. This secondary powder is nanocrystalline, which is advantageous for the later high strength.
  • the secondary powder is heated to 430 ° C. At this temperature, a phase transformation takes place, whereby the metastable ⁇ - phase of the compound Mg 17 Al 12 forms in powder form.
  • this metastable ⁇ -phase powder of the compound Mg 17 Al 12 are subsequently mixed again with 50% by weight of pure aluminum powder under a high-purity argon atmosphere in a grinding bowl and ground in a planetary ball mill under the abovementioned conditions. After a grinding time of 1 h, the powder is well mixed and the nanocrystalline metastable ⁇ phase of the compound Mg 17 Al 12 is finely distributed in the matrix of aluminum. Thereafter, the powder is hot pressed at 100 ° C and compressed under 50 MPa pressure, and extruded by means of extruding with 4 mm diameter.

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Abstract

The mold body made of aluminum containing composite material, consists of a matrix from particles of aluminum and/or aluminum alloy with particles of gamma phase of aluminum magnesium component (Al 60Mg 40) finely distributed in the matrix with a hexagonal crystal structure. Particles of gamma phase of aluminum magnesium alloy of 45-55vol.% are contained in the matrix. The particles of gamma phase of aluminum magnesium component have a particle size of 0.1-100 mu m. An independent claim is included for a method for the production of mold body.

Description

Die auf das Gebiet der Materialwissenschaften bezogene Erfindung beschreibt einen Formkörper aus einem speziellen Verbundwerkstoff. Dieser Werkstoff wird auf Grund seiner vergleichsweise hohen Festigkeitseigenschaften beispielsweise häufig für Bauelemente im Bauwesen verwendet. Der Verbundwerkstoff kann auch auf verschiedenen Gebieten der Technik verwendet werden, im besonderen als Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau, Flugzeugbau, Raketenbau, Schiffbau, Bahnbau, Kraftfahrzeugbau sowie in der pharmazeutischen Industrie und im medizinischen Gerätebau, im Bauwesen und in der Haushaltstechnik. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes.The invention related to the field of materials science describes a molded article of a special composite material. For example, because of its relatively high strength properties, this material is often used for building components. The composite can also be used in various fields of engineering, in particular as a construction material in mechanical engineering, aircraft construction, rocket construction, shipbuilding, railway construction, motor vehicle construction as well as in the pharmaceutical industry and in medical device construction, in construction and in household technology. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a composite material.

Aluminiumlegierungen und aluminiumreiche Legierungen haben zunehmend an wirtschaftlicher und wissenschaftlicher Bedeutung gewonnen.Aluminum alloys and aluminum-rich alloys have gained increasing economic and scientific importance.

Das Einsatzspektrum für Leichtmetall-Komponenten erweitert sich stetig. Insbesondere im Automobilbau, aber auch in vielen anderen Bereichen sind Leichtbauteile - vor allem aus Aluminium, aber auch aus Magnesium oder Titan - inzwischen Standard ( Venir, ATZ/MTZ - Sonderausgabe: Werkstoffe im Automobilbau (1998-1999) 54-56 ; Brungs, H. u.a., ATZ/MTZ - Sonderausgabe: Werkstoffe im Automobilbau (1998-1999) 50-53 ).The range of applications for light metal components is constantly expanding. Particularly in the automotive industry, but also in many other areas are lightweight components - especially of aluminum, but also of magnesium or titanium - now standard ( Venir, ATZ / MTZ - Special Edition: Automotive Materials (1998-1999) 54-56 ; Brungs, H. et al., ATZ / MTZ - Special Edition: Materials in Automotive Engineering (1998-1999) 50-53 ).

Die Karosserie gibt mit ihrem Design dem Auto seine Form, bietet den Passagieren Schutz vor Wind und Wetter, und im Falle eines Unfalls wandelt sie dank ihrer ausgeklügelten Struktur gezielt kinetische Energie in Verformungsenergie um. Vor Jahren wäre es fast undenkbar gewesen Stahl durch Aluminium zu ersetzen.The body's design gives the car its shape, offering passengers protection against wind and weather, and in the event of an accident, thanks to its ingenious structure, it converts kinetic energy into deformation energy. Years ago, it would have been almost unthinkable to replace steel with aluminum.

Der wichtigste Vorteil der Aluminiumlegierungen ist, dass sie neben einem guten Niveau von physikalisch-mechanischen und andere Charakteristiken, eine niedrige Dichte von 2,79 g/cm3 besitzen, sowie eine starke Affinität zu Sauerstoff haben, was der Grund für die allgemein gute Korrosionsbeständigkeit auf Grund der Bildung dichter Deckschichten ist. Darüber hinaus ist der Aluminiumrohstoff in der Natur recht weit verbreitet.The most important advantage of aluminum alloys that they have not only a good level of physical-mechanical and other characteristics, a low density of 2.79 g / cm 3 have, as well as a strong affinity for oxygen, which is the reason for the generally good corrosion resistance due to the formation of dense cover layers. In addition, the aluminum raw material is quite widespread in nature.

Das leichte Metall (Al), mit niedrigem spezifischem Gewicht, kommt zwar nur bei wenigen Modellen - die bekanntesten sind sicher der Audi A8, so wie der nicht mehr gebaute A2 - für die Gesamt-Karosserie zum Einsatz. Bei Hauben und Anbauteilen sowie im Bereich des Fahrwerks ist Aluminium mit seinen diversen Legierungen nicht mehr weg zu denken (Materialica 2001).The lightweight metal (Al), with a low specific weight, is only available on a few models - the most well-known are certainly the Audi A8, as well as the no longer built A2 - used for the overall body. With hoods and add-on parts as well as in the area of the chassis, it is impossible to imagine aluminum with its various alloys (Materialica 2001).

BMW, bereits Vorreiter beim Einsatz von Aluminium und aluminiumreichen Legierungen im hoch belasteten Fahrwerksbereich, ging beim seinen Modellen der Fünfer-Baureihe sogar so weit, den gesamten Vorderwagen aus Aluminium zu fertigen.BMW, already a pioneer in the use of aluminum and aluminum-rich alloys in heavy-duty chassis, even went so far in its models of the five-series to make the entire front end of aluminum.

Im Aluminium-Motorblock des Porsche Boxster - seit 1996 auf dem Markt - sorgen an Stelle herkömmlicher Grauguss-Büchsen Zylinderlaufflächen aus einem Aluminium-Silizium-Verbund für bessere Anwendungseigenschaften, wie z. B. weitere Massereduzierung und geringeren Ölverbrauch (I. Lenke, u.a., Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim (2001) 383-386 ; E. Köhler, u.a. VDI-Bericht 1612 VDI Verlag GmbH, Düsseldorf (2001) 35-54 ).In the aluminum engine block of the Porsche Boxster - on the market since 1996 - instead of conventional gray cast iron bushes, cylinder running surfaces provide one thing Aluminum-silicon composite for better application properties, such. B. more Massereduzierung and lower oil consumption (I. Lenke, et al., Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim (2001) 383-386 ; E. Köhler, inter alia, VDI report 1612 VDI Verlag GmbH, Dusseldorf (2001) 35-54 ).

Im Fahrwerksbereich erobert Aluminium praktisch bei allen Autoherstellern immer größere Anteile, denn neben der Gewichtsreduzierung bedeutet hier der Aluminiumeinsatz weniger bewegte Massen, ein besseres Ansprechverhalten und damit mehr Komfort.In the chassis sector, aluminum is conquering ever greater proportions in virtually all automakers, because in addition to weight reduction, the aluminum insert means less moving masses, better response and thus more comfort.

Die Entwicklung des Flugzeugbaus wäre ohne Aluminium nicht denkbar gewesen. Wie z.B. in der Boeing 757 beträgt der Aluminiumanteil 78% gegenüber einem Anteil von 12% bei Stahl, 6% bei Titan, 3% und 4% Komposite. In Airbus 320 ergibt sich die folgende Materialverteilung 65.5% Aluminium, 9.3% Stahl, 7.2% Titan, 12.5% Komposite und 5.5% andere Materialien. Damit wird klar, dass in der Flugzeugindustrie Aluminium und aluminiumreiche Legierungen nach wie vor eine sehr wichtige Rolle spielen (Materialica 2001).The development of aircraft construction would have been inconceivable without aluminum. Such as. in the Boeing 757 the aluminum content is 78% compared to 12% for steel, 6% for titanium, 3% and 4% composites. In Airbus 320, the following material distribution results: 65.5% aluminum, 9.3% steel, 7.2% titanium, 12.5% composites and 5.5% other materials. This makes it clear that aluminum and aluminum-rich alloys continue to play a very important role in the aircraft industry (Materialica 2001).

Zurzeit sind Aluminiumlegierungen mit einen hohem Niveau an mechanischen Eigenschaften bekannt, die auf verschiedenen Gebieten der Technik, beispielsweise in Form von Konstruktionswerkstoffen, verwendet werden, welche geringe und mittlere Belastungen aushalten.At present, aluminum alloys having a high level of mechanical properties are known which are used in various fields of technology, for example in the form of construction materials which withstand low and medium loads.

Es sind eine Reihe von Aluminiumlegierungen bekannt, wie beispielsweise Legierungen der folgenden Typen:

  • Aluminium-Silizium
  • Aluminium-Magnesium
  • Aluminium-Silizium- Magnesium
  • Aluminium-Kupfer-Magnesium
  • Aluminium-Kupfer-Silizium-Magnesium
  • Aluminium-Kupfer-Mangan-Silizium
  • Aluminium-Kupfer-Magnesium-Zink-Zirkonium
A number of aluminum alloys are known, such as alloys of the following types:
  • Aluminum-silicon
  • Aluminum-magnesium
  • Aluminum-silicon-magnesium
  • Aluminum-copper-magnesium
  • Aluminum-copper-silicon-magnesium
  • Aluminum-copper-manganese-silicon
  • Aluminum-copper-magnesium-zinc-zirconium

In manche Fällen wird zu einer Aluminiumlegierung Titan, Chrom, Eisen, Nickel, Kobalt, Vanadin, Wolfram, Molybdän, Niob, Bor, Blei, Zinn, Lithium, Yttrium zugegeben. Die mechanischen Eigenschaften der erwähnten Legierungen besitzen Werte wie:

  • Härte nach Vickers: 163-400 HV
  • Zugfestigkeit: 410-550 MPa (bei 20°C) und 120-220 MPa (bei 300°C)
(The 4th International Conference on Aluminum Alloys; Atlanta, Georgia USA 1994).In some cases, titanium, chromium, iron, nickel, cobalt, vanadium, tungsten, molybdenum, niobium, boron, lead, tin, lithium, yttrium are added to an aluminum alloy. The mechanical properties of the alloys mentioned have values such as:
  • Hardness according to Vickers: 163-400 HV
  • Tensile strength: 410-550 MPa (at 20 ° C) and 120-220 MPa (at 300 ° C)
(The 4 th International Conference on Aluminum Alloys, Atlanta, Georgia USA 1994).

In den letzten Jahren hat es an Legierungen mit metastabilen Strukturen großes Interesse gegeben mit dem Ziel, die jeweiligen Anforderungen an das Material hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. So ist eine metastabile Phase, die γ - Phase Mg17Al12, mit ihrer hexagonalen Kristallstruktur als Grundbestandteil in den meist verwendeten kommerziellen Legierungen enthalten. ( G. Nussbaum, u.a., Scripta Matell., 23(1989) 1079-1084 ; C. F. Chag, u.a., Light Metalalter (1989) p.12 ).In recent years, there has been great interest in alloys with metastable structures with the aim of meeting the respective requirements of the material in terms of mechanical properties. Thus, a metastable phase, the γ - phase Mg 17 Al 12 , with its hexagonal crystal structure as a basic component contained in the most commonly used commercial alloys. ( G. Nussbaum, et al., Scripta Matell., 23 (1989) 1079-1084 ; CF Chag, et al., Light Metalalter (1989) p.12 ).

Die Motivation für den Einsatz von Leichtmetallen (wie z. B. Aluminium) besteht in der Gewichtsreduzierung, der Senkung des Treibstoff- und Energieverbrauchs, der Reduzierung der Schadstoffemission, der Verbesserung des Fahrkomforts und der Erhöhung der Lebensdauer und Sicherheit.The motivation behind the use of light metals (such as aluminum) is to reduce weight, reduce fuel and energy consumption, reduce pollutant emissions, improve ride comfort and increase durability and safety.

Nachteile der bekannten Legierungen sind, dass insbesondere ihre Festigkeit und Duktilität für viele zukünftige Anwendungen noch nicht ausreichend ist.Disadvantages of the known alloys are that, in particular, their strength and ductility are not yet sufficient for many future applications.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Formkörpers aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff, welcher gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweist und ein einfaches und preiswertes Verfahren zu seiner HerstellungThe object of the invention is to specify a shaped body made of an aluminum-containing composite material which simultaneously has high strength and ductility and a simple and inexpensive process for its production

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Formkörper aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix aus Partikeln aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung mit darin fein verteilten Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung mit einer hexagonalen Kristallstruktur (hcp).The shaped body according to the invention made of an aluminum-containing composite material consists of a matrix of particles of aluminum and / or a Aluminum alloy with finely divided particles of the γ - phase of an AIMg compound with a hexagonal crystal structure (hcp).

Vorteilhafterweise sind in der Matrix 5 bis 80 Vol. % Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten und noch vorteilhafterweise sind in der Matrix 45 bis 55 Vol.-% Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung enthalten.Advantageously, the matrix contains from 5 to 80% by volume of particles of the γ-phase of an AIMg compound, and even more advantageously 45 to 55% by volume of particles of the γ-phase of an AlMg compound are contained in the matrix.

Weiterhin vorteilhafterweise enthält die Aluminiumlegierung als Legierungselemente Mg, Mn, Si, Li oder Zn.Further advantageously, the aluminum alloy contains Mg, Mn, Si, Li or Zn as alloying elements.

Ebenfalls vorteilhafterweise bestehen die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Mg17Al12.Also advantageously, the particles of the γ phase of an AlMg compound consist of Mg 17 Al 12 .

Und auch vorteilhafterweise bestehen die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus AlxMg100-x, mit x= 40 bis 60.And also advantageously, the particles of the γ-phase of an AlMg compound consist of Al x Mg 100-x , with x = 40 to 60.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Partikel der γ - Phase einer AlMg -Verbindung aus Al60Mg40 bestehen.It is also advantageous if the particles of the γ phase of an AlMg compound consist of Al 60 Mg 40 .

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Partikel aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1µm bis 100µm aufweisen.It is also advantageous if the particles of aluminum or of an aluminum alloy have an average particle size in the range of 0.1 .mu.m to 100 .mu.m.

Und auch von Vorteil ist es, wenn die Partikel der γ - Phase einer AlMg -Verbindung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 µm bis 100µm aufweisen.It is also advantageous if the particles of the γ phase of an AlMg compound have an average particle size in the range from 0.1 μm to 100 μm.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers wird aus kristallinem Al- und Mg-Pulver auf pulvermetallurgischem Wege die γ - Phase einer AIMg-Verbindung hergestellt und diese mit kristallinem Al-Pulver und/oder ein Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial gemischt und wiederum durch pulvermetallurgische Verfahren zu einer aluminiumhaltigen Verbindung verarbeitet und diese nachfolgend zu einem Formkörper verdichtet.In the inventive method for producing a shaped body, the γ-phase of an AIMg compound is prepared from crystalline Al and Mg powder by powder metallurgy and mixed with crystalline Al powder and / or an aluminum alloy powder as matrix material and in turn by powder metallurgy method processed an aluminum-containing compound and this subsequently compacted into a shaped body.

Vorteilhafterweise wird ein Aluminiumlegierungspulver mit Mg, Mn, Si, Li oder Zn als Legierungselementen eingesetzt.Advantageously, an aluminum alloy powder with Mg, Mn, Si, Li or Zn is used as alloying elements.

Ebenfalls vorteilhafterweise werden die Aluminiumlegierungen durch mechanisches Legieren hergestellt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die pulvermetallurgischen Herstellung der γ - Phase einer AlMg - Verbindung und/oder der aluminiumhaltigen Verbindung durch mechanisches Legieren durchgeführt, wobei noch vorteilhafterweise das mechanische Legieren durch Mahlung mit einer Mahldauer von 20 bis 300 Stunden durchgeführt wird.Also advantageously, the aluminum alloys are produced by mechanical alloying.
Further advantageously, the powder metallurgical production of the γ-phase of an AlMg compound and / or the aluminum-containing compound is carried out by mechanical alloying, whereby advantageously the mechanical alloying is carried out by grinding with a grinding time of 20 to 300 hours.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Mischung aus kristallinem Al-Pulver oder einem Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial mit Partikeln der γ -Phase einer AIMg-Verbindung mittels Mahlen durchgeführt wird.It is also advantageous if the mixture of crystalline Al powder or an aluminum alloy powder is carried out as a matrix material with particles of the γ-phase of an AIMg compound by means of grinding.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die aluminiumhaltige Verbindung durch Heißpressen oder Strangpressen oder Extrudieren zu einem Formkörper verarbeitet wird.And it is also advantageous if the aluminum-containing compound is processed by hot pressing or extrusion or extrusion to form a shaped body.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, metastabile Strukturen in einen Verbundwerkstoff einzubringen. Dies erfolgt auf pulvermetallurgischem Wege, wobei dies sowohl für die Herstellung der γ - Phase der AlMg-Verbindung als auch für den aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff gilt, der zu den erfindungsgemäßen Formkörpern verarbeitet wird. Vorteilhafterweise erfolgt die pulvermetallurgische Herstellung durch mechanisches Legieren.The solution according to the invention makes it possible for the first time to introduce metastable structures into a composite material. This is done by powder metallurgy, this applies both to the production of the γ - phase of the AlMg compound as well as for the aluminum-containing composite material, which is processed into the moldings of the invention. Advantageously, the powder metallurgical production takes place by mechanical alloying.

Durch den Einbau der metastabilen Strukturen in den Verbundwerkstoff werden die Festigkeiten des Formkörpers deutlich erhöht und gleichzeitig die Duktilität für derartige Verbundwerkstoffe erhöht.By incorporating the metastable structures into the composite, the strength of the molded article is significantly increased while increasing ductility for such composites.

Zuerst wird eine γ - Phase der AIMg - Verbindung hergestellt. Diese γ - Phase ist eine metastabile intermetallische Phase, die hart und spröde ist und eine relativ große Elementarzelle mit 58 Atomen und eine hexagonale Kristallstruktur (hcp) aufweist. Die erzeugte γ - Phase ist nanokristallin.First, a γ phase of the AIMg compound is prepared. This γ phase is a metastable intermetallic phase that is hard and brittle and has a relatively large 58 atom unit cell and a hexagonal crystal structure (hcp). The generated γ phase is nanocrystalline.

Diese γ - Phase der AIMg - Verbindung wird dann mit Al-Pulver oder Pulver einer Al - Legierung als Matrixmaterial vermischt und durch pulvermetallurgische Verfahren zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet. Aufgrund der Nanokristallinität der γ - Phase der AIMg - Verbindung kann diese sehr fein im Matrixmaterial verteilt werden.
Aus diesem Verbundwerkstoff wird dann ein Formkörper hergestellt.This γ-phase of the AIMg compound is then mixed with Al powder or powder of an Al alloy as a matrix material and processed into a composite material by powder metallurgy methods. Due to the nanocrystallinity of the γ phase of the AIMg compound, it can be distributed very finely in the matrix material.
From this composite material then a molded body is produced.

Durch die Anwendung von pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren braucht das aufwändige Schleudergussverfahren nach dem Stand der Technik nicht angewandt werden, was das Herstellungsverfahren deutlich vereinfacht.The use of powder metallurgical production processes does not require the elaborate centrifugal casting process according to the prior art, which considerably simplifies the production process.

Die erfindungsgemäße Legierung kann auf den verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung finden. Sie weist hohe Betriebseigenschaften auf und besitzt hohe Parameter der mechanischen Eigenschaften bei normaler Temperatur.The alloy according to the invention can find application in various fields of technology. It has high operating characteristics and has high parameters of mechanical properties at normal temperature.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.

Beispiel:Example:

Die Herstellung der γ - Phase der Verbindung Mg17Al12 erfolgte durch mechanisches Legieren. Dazu wird eine Pulvermischung aus 50 Gew.-% kristallinem Aluminiumpulver und 50 Gew.-% kristallinem Magnesiumpulver jeweils mit einer Teilchengröße von 1 - 5 µm und mit einer Reinheit von 99.95 % hergestellt. Die Pulvermischung wird unter einer hochreinen Argon-Atmosphäre (weniger als 1 ppm O2 and H2O) in einem Mahlbecher gemischt und in einer Planetenkugelmühle (Retsch PM400) gemahlen. Der Mahlvorgang erfolgt unter der Verwendung von Stahlkugeln (∅=10 mm) und das Massenverhältnis zwischen Kugeln und Pulver entspricht 10:1 d.h. im Fall von 300 g Stahlmahlkugeln werden 30 g Pulvermischung verwendet. Die Geschwindigkeit der Planetenkugelmühle beträgt 150 U/min. Das mechanische Legieren erfolgt bei Raumtemperatur für die Dauer von 300 h. Am Ende des Mahlvorgangs liegt ein Sekundärpulver vollständig bestehend aus übersättigten Al(Mg)-Mischkristallen vor. Dieses Sekundärpulver ist nanokristallin, was vorteilhaft für die spätere hohe Festigkeit ist.The preparation of the γ phase of the compound Mg 17 Al 12 was carried out by mechanical alloying. For this purpose, a powder mixture of 50% by weight of crystalline aluminum powder and 50% by weight of crystalline magnesium powder, each having a particle size of 1-5 μm and having a purity of 99.95%, is produced. The powder mixture is mixed under a high purity argon atmosphere (less than 1 ppm O 2 and H 2 O) in a grinding bowl and ground in a planetary ball mill (Retsch PM400). The grinding process is carried out using steel balls (∅ = 10 mm) and the mass ratio between balls and powder corresponds to 10: 1, ie in the case of 300 g of steel grinding balls, 30 g of powder mixture are used. The speed of the planetary ball mill is 150 rpm. The mechanical alloying takes place at room temperature for a period of 300 h. At the end of the grinding process, a secondary powder consisting entirely of supersaturated Al (Mg) mixed crystals is present. This secondary powder is nanocrystalline, which is advantageous for the later high strength.

Nachfolgend wird das Sekundärpulver auf 430 °C erwärmt. Bei dieser Temperatur findet eine Phasenumwandlung statt, wodurch sich die metastabile γ - Phase der Verbindung Mg17Al12 in Pulverform ausbildet.Subsequently, the secondary powder is heated to 430 ° C. At this temperature, a phase transformation takes place, whereby the metastable γ - phase of the compound Mg 17 Al 12 forms in powder form.

50 Gew.-% dieses Pulvers aus der metastabile γ - Phase der Verbindung Mg17Al12 werden nachfolgend mit 50 Gew.-% reinem Aluminiumpulver wieder unter hochreiner Argon-Atmosphäre in einem Mahlbecher vermischt und in einer Planetenkugelmühle unter den o.g. Bedingungen gemahlen. Nach 1 h Mahldauer ist das Pulver gut vermischt und die nanokristalline metastabile γ - Phase der Verbindung Mg17Al12 liegt fein verteilt in der Matrix aus Aluminium vor. Danach wird das Pulver bei 100 °C heißgepresst und unter 50 MPa Pressdruck verdichtet, sowie mittels Strangpressen mit 4 mm Durchmesser extrudiert.50% by weight of this metastable γ-phase powder of the compound Mg 17 Al 12 are subsequently mixed again with 50% by weight of pure aluminum powder under a high-purity argon atmosphere in a grinding bowl and ground in a planetary ball mill under the abovementioned conditions. After a grinding time of 1 h, the powder is well mixed and the nanocrystalline metastable γ phase of the compound Mg 17 Al 12 is finely distributed in the matrix of aluminum. Thereafter, the powder is hot pressed at 100 ° C and compressed under 50 MPa pressure, and extruded by means of extruding with 4 mm diameter.

Die Porosität der erhaltenen Probe ist relativ hoch, die Dichte liegt bei 97,5 %.
Es konnte festgestellt werden, dass während des Strangpressens die metastabile γ - Phase der Verbindung Mg17Al12γ in die Aluminiummatrix diffundiert und sich gut verteilt.
Die γ - Phase dient dabei als Verstärkung der Al - Matrix, was sich eindeutig durch die nachfolgenden Ergebnisse nachweisen lässt.
Die Probe, aus dem hergestellten Material, hat folgende Eigenschaften gezeigt:

  • Festigkeit bei Raumtemperatur in Höhe von 250 MPa, relative Dehnung (Maß für die Duktilität) von 2%, Härte nach Vickers 250 HV und Dichte bei 98,5 %.
The porosity of the obtained sample is relatively high, the density is 97.5%.
It was found that during extrusion the metastable γ - phase of the compound Mg 17 Al 12 γ diffuses into the aluminum matrix and spreads well.
The γ phase serves as a reinforcement of the Al matrix, which can be clearly demonstrated by the following results.
The sample, made from the material produced, has shown the following properties:
  • Room temperature strength of 250 MPa, relative elongation (ductility) of 2%, Vickers hardness 250 HV and density of 98.5%.

Claims (15)

Formkörper aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Matrix aus Partikeln aus Aluminium und/oder aus einer Aluminiumlegierung mit darin fein verteilten Partikeln der γ - Phase einer AlMg - Verbindung mit einer hexagonalen Kristallstruktur (hcp).Shaped article of an aluminum-containing composite material consisting of a matrix of particles of aluminum and / or of an aluminum alloy with particles of the γ-phase of an AlMg compound having a hexagonal crystal structure (hcp) finely distributed therein. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem in der Matrix 5 bis 80 Vol. % Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten sind.Shaped body according to Claim 1, in which 5 to 80% by volume of particles of the γ phase of an AIMg compound are contained in the matrix. Formkörper nach Anspruch 2, bei dem in der Matrix 45 bis 55 Vol.-% Partikel der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten sind.Shaped body according to Claim 2, in which 45 to 55% by volume of particles of the γ phase of an AIMg compound are contained in the matrix. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Aluminiumlegierung als Legierungselemente Mg, Mn, Si, Li oder Zn enthält.Shaped body according to claim 1, wherein the aluminum alloy contains as alloying elements Mg, Mn, Si, Li or Zn. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Mg17Al12 bestehen.Shaped body according to claim 1, in which the particles of the γ phase of an AlMg compound consist of Mg 17 Al 12 . Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus AlxMg100-x bestehen, mit x= 40 bis 60.Shaped body according to claim 1, in which the particles of the γ-phase of an AlMg compound consist of Al x Mg 100-x , where x = 40 to 60. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Al60Mg40 bestehen.Shaped body according to claim 1, in which the particles of the γ phase of an AlMg compound consist of Al 60 Mg 40 . Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 µm bis 100µm aufweisen.Shaped body according to claim 1, wherein the particles of aluminum or of an aluminum alloy have an average particle size in the range of 0.1 .mu.m to 100 .mu.m. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1µm bis 100µm aufweisen.Shaped body according to claim 1, in which the particles of the γ-phase of an AlMg compound have an average particle size in the range from 0.1 μm to 100 μm. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem aus kristallinem Al- und Mg-Pulver auf pulvermetallurgischem Wege die γ - Phase einer AlMg-Verbindung hergestellt und diese mit kristallinem Al-Pulver und/oder ein Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial gemischt und wiederum durch pulvermetallurgische Verfahren zu einer aluminiumhaltigen Verbindung verarbeitet und diese nachfolgend zu einem Formkörper verdichtet wird.A process for producing a shaped article according to any one of claims 1 to 9, wherein made of crystalline Al and Mg powder by powder metallurgy the γ - phase of an AlMg compound and this with crystalline Al powder and / or an aluminum alloy powder as the matrix material mixed and in turn processed by powder metallurgy process to an aluminum-containing compound and this is subsequently compacted to a shaped body. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Aluminiumlegierungspulver mit Mg, Mn, Si, Li oder Zn als Legierungselementen eingesetzt wird.The method of claim 10, wherein an aluminum alloy powder with Mg, Mn, Si, Li or Zn is used as alloying elements. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Aluminiumlegierungen durch mechanisches Legieren hergestellt werden.The method of claim 10, wherein the aluminum alloys are produced by mechanical alloying. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die pulvermetallurgischen Herstellung der γ - Phase einer AIMg - Verbindung und/oder der aluminiumhaltigen Verbindung durch mechanisches Legieren durchgeführt wird, wobei vorteilhafterweise das mechanische Legieren durch Mahlung mit einer Mahldauer von 20 bis 300 Stunden durchgeführt wird.A method according to claim 10, wherein the powder metallurgical production of the γ-phase of an AIMg compound and / or the aluminum-containing compound is carried out by mechanical alloying, wherein the mechanical alloying is advantageously carried out by grinding with a grinding time of 20 to 300 hours. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Mischung aus kristallinem Al-Pulver oder einem Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial mit Partikeln der γ - Phase einer AlMg-Verbindung mittels Mahlen durchgeführt wird.The method of claim 10, wherein the mixture of crystalline Al powder or an aluminum alloy powder is carried out as a matrix material with particles of the γ - phase of an AlMg compound by means of grinding. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die aluminiumhaltige Verbindung durch Heißpressen oder Strangpressen oder Extrudieren zu einem Formkörper verarbeitet wird.The method of claim 10, wherein the aluminum-containing compound is processed by hot pressing or extrusion or extrusion to form a shaped body.
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