EP2147985B1 - Gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoff - Google Patents

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EP2147985B1
EP2147985B1 EP20090009342 EP09009342A EP2147985B1 EP 2147985 B1 EP2147985 B1 EP 2147985B1 EP 20090009342 EP20090009342 EP 20090009342 EP 09009342 A EP09009342 A EP 09009342A EP 2147985 B1 EP2147985 B1 EP 2147985B1
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EP
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graphite
proportion
carbide
sintering
metal
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EP20090009342
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EP2147985A1 (de
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Thomas Dipl.-Ing Hutsch
Bernd Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Kieback
Thomas Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Weissgärber
Jürgen Dr. rer.nat. Dipl.-Chem. Schmidt
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials
    • G10K11/165—Particles in a matrix
    • 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
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/23—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces involving a self-propagating high-temperature synthesis or reaction sintering step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C22C1/053—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor with in situ formation of hard compounds
    • C22C1/055—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor with in situ formation of hard compounds using carbon
    • 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
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing sintered sound and vibration damping materials as well as materials produced by the method, which have the property to damp unwanted noise and vibration. This mechanical energy is absorbed and released in the form of heat in their environment.
  • Undesirable oscillations / vibrations which can have a large frequency spectrum, arise in many industrial sectors through mechanical movements of assemblies.
  • the high vibration load in oscillating systems leads to shortened lifetimes and unwanted downtime or downtime of the claimed components.
  • Significant problems also arise due to the noise due to vibrations.
  • a reinforcing component graphite or lead or magnesium
  • the consolidation of the mixture includes molding, capsule molding, subsequent deformation (eg rolling) and heat treatment of the plastic deformed capsule with contents.
  • the heat treatment temperature must be kept above the recrystallization temperature of the matrix.
  • the aim here is that the matrix recrystallizes and aggregates the reinforcing component in the form of spindles at the grain boundaries or in the matrix grains. This procedure is very complicated and expensive, but at the same time this method is limited to reinforcing components which are spindle-shaped.
  • a metal / metal composite is described.
  • an aluminum alloy is preferable.
  • the metallic second phase has a partially martensitic structure.
  • mainly alloys with nickel and titanium are used.
  • additives that stabilize martensite can be used
  • a heat transfer composite material and a manufacturing method thereof are known.
  • parts of pyrolytic graphite should be contained in a matrix of a non-carbonaceous material as a compacted mass, and a good thermal conductivity can be achieved.
  • the EP 1 168 438 A2 discloses a thermally highly conductive composite material and method for its production.
  • the material is formed with graphite, silver and / or copper and at least one metal with which a carbide layer can be formed on the surface of the graphite.
  • the object of the invention is to provide a material which is formed with a metal or a metal alloy as the base material and a second phase, with which an increased damping is achievable and additionally has a strength that it can be used as a construction material.
  • this object is achieved by a method which has the features of claim 1.
  • the claim 6 relates to materials produced by the method.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.
  • the material according to the invention produced by targeted sintering is formed at least with a metal or a metal alloy and carbon in the form of graphite.
  • the proportion of graphite is kept at least 50 vol .-%.
  • the metal or metal alloy is selected so that carbide formation can be possible by chemical reaction.
  • the proportion of carbide in the finished material is below the graphite content. It can be adjusted by influencing the sintering leading to heat treatment, with small portions are preferred. It should be at least less than 35% by volume, preferably less than 30% by volume.
  • the damping properties can be improved.
  • the material according to the invention has a higher modulus of elasticity than was expected. It can be greater than 50 GPa in at least one axial direction. Values of at least 70 GPa and very particularly preferably values above 130 GPa for the modulus of elasticity are preferred.
  • graphite is used as a second phase in order to significantly improve the damping properties of the base material.
  • the properties of modulus of elasticity and damping factor can be adapted to the conditions of use.
  • iron As a suitable metal or a suitable metal alloy iron, tungsten, molybdenum, vanadium or tantalum and their alloys are used.
  • carbide-forming metal should be higher.
  • Aluminum or copper should not or only with very small proportions if necessary be included as an alloying ingredient. This also applies to silicon.
  • the proportion of these chemical elements should be less than 2% by mass.
  • a homogeneous powder mixture can be prepared so that the second phase particles are completely enveloped by the base material powder.
  • the powder mixture used to make the material there should be no carbide or at least no carbide of the carbide-forming metal or metal alloy used.
  • the carbide contained in the finished material can be formed exclusively by a chemical reaction of the metal powder used with the carbon in the heat treatment.
  • Suitable methods for this purpose are, for example, inductively or conductively heated hot pressing and modified methods.
  • Spark Plasma Sintering (SPS) and Field Assisted Sintering (FAST) are considered as particularly suitable examples.
  • a corresponding amount of the powder mixture can be filled into a die (for example made of graphite) or a capsule and optionally precompressed with a pressure of a few MPa.
  • the filled matrix can be placed in a corresponding hot press and then evacuated.
  • the proportion of carbide contained in the finished material can be increased by lower heating rates, longer retention time and lower cooling rate. Carbide formation is prevented or reduced if high heating and high cooling rates and / or shorter holding times of the maximum temperature during sintering are selected.
  • the maximum temperature also has an influence on the formation of carbide. At higher maximum temperatures, a higher proportion may have been formed.
  • the heating rate should be at least 20 K / min. As already mentioned, compliance can be achieved a smaller carbide content also significantly higher heating rates can be used, which can be above 100 K / min.
  • the maximum temperature is essentially determined by the metal used or a metal alloy and its sintering behavior.
  • the average particle size d 50 should preferably be less than 5 ⁇ m for metal smaller than 10 ⁇ m.
  • the mean flake size of the graphite used should be kept in the range from 30 to 900 .mu.m, preferably in the range from 60 to 120 .mu.m.
  • a material according to the invention has a theoretical density of at least 80%, preferably at least 90%, after sintering.
  • the material of the invention is characterized not only by its good damping properties but also by its mechanical properties, such as strength and rigidity. These are significantly better than comparable materials that are formed with copper or aluminum and graphite.
  • 400.5 g of iron powder having an average particle diameter of less than 5 ⁇ m and 152.68 g of graphite having an average flake size of 80 ⁇ m were intimately mixed with one another.
  • 70 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Subsequently, the pressing pressure was increased to 20 MPa and heated at a heating rate of 300 K / min up to 1050 ° C. After a holding time of 10 s, the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min.
  • 400.5 g of iron powder having an average particle diameter of less than 5 ⁇ m and 152.68 g of graphite having an average flake size of 80 ⁇ m were intimately mixed with one another.
  • 70 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Subsequently, the pressing pressure was increased to 20 MPa and heated to a temperature of 1050 ° C at a heating rate of 300 K / min. After a holding time of 20 minutes, the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min.
  • the mechanical pressure was reduced to 0 MPa and the vacuum chamber was vented at a temperature of about 100 ° C.
  • the proportion of graphite in the range of 50 to 60 vol .-%, the proportion of iron carbide was less than 20 vol .-% and the remainder was made of iron.
  • 220.73 g of tungsten powder having an average particle diameter of less than 3 ⁇ m and 55.81 g of graphite having an average flake size of 80 ⁇ m were intimately mixed with one another.
  • 90 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Thereafter, the pressure was increased to 20 MPa and heated at a heating rate of 100 K / min up to 900 ° C and then held for 5 min. The mixture was then heated to 1995 ° C. in 4 minutes under a mechanical pressure of 40 MPa.
  • the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min. Thereafter, the mechanical pressure was reduced to 0 MPa and the vacuum chamber was vented at a temperature of about 100 ° C.
  • the proportion of graphite was greater than 68 vol .-%
  • the proportion of tungsten carbide was about 20 vol .-% and the rest was made of tungsten.
  • Example 1 The materials produced in Examples 1 to 3 were in terms of density, geometry-independent Damping factor Q -1 and elastic modulus E characterized (Table 1).
  • the attenuation factor Q -1 and E modulus E were determined by means of the impulse excitation method with an RFDA System 23 RFDF-Mf measuring instrument from IMCE NV.
  • Table 1 Properties of the embodiments 1 to 3 example 1
  • Example 2 Example 3 Density [g / cm 3 ] 4.5 4.6 8.0 Damping factor Q -1 0,007 0.005 0,007 Young's modulus E [GPa] 80 82 170 E * Q -1 0.56 0.41 1.19
  • the austenitic stainless steel powder 316L had a composition of 2 mass% Mn, 0.045 mass% P, 16.5 mass% to 18.5 mass% Cr, 2 mass% to 2.5 mass% Mo, 10 mass% % to 13 mass% Ni with a residual iron.
  • the proportion of Si was below 1 mass%.
  • the material thus produced had a thermal conductivity in at least one axial direction of 170 W / mK, a thermal expansion in at least one axial direction of 12.3 ppm / K, an E-modulus of 80 GPa, a physical density of 4.57 g / cm 3 and a factor of modulus and geoemetry-independent damping factor of 0.4 GPa.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoffe sowie mit dem Verfahren hergestellte Werkstoffe, die die Eigenschaft aufweisen, unerwünschte Geräusche und Vibrationen zu dämpfen. Dabei wird mechanische Energie absorbiert und in Form von Wärme in ihre Umgebung abgegeben.
  • Unerwünschte Schwingungen/ Vibrationen, die ein gro-ßes Frequenzspektrum aufweisen können, entstehen in vielen Industriebereichen durch mechanische Bewegungen von Baugruppen. Die hohe Vibrationsbelastung in schwingenden Systemen führt zu verkürzten Lebensdauern und unerwünschten Ausfallzeiten bzw. Stillstandzeiten der beanspruchten Bauteile. Erhebliche Probleme entstehen auch durch die Lärmentwicklung aufgrund von Schwingungen.
  • Die Aufnahme oder Minderung unerwünschter Schwingungsenergie beinhaltet die Umwandlung dieser Energieform in eine andere, in der Mehrzahl der Fälle in Wärme. Aus molekularer Sicht besteht der wichtigste Unterschied zwischen Wärmeenergie und Schwingungsenergie in der Zufälligkeit des Richtungsvektors für die Auslenkung der Atome um ihre Gleichgewichtslage. Die Schwingungsenergie ist sehr stark mit der Kollektivbewegung der Atome zur selben Zeit und in dieselbe Richtung verbunden. Wärmeenergie hingegen kann denselben oder einen größeren Energiewert aufweisen als die sich selbst fortpflanzende Schwingungsenergie. Der große Unterschied besteht jedoch darin, dass die Bewegung der Atome um ihre Gleichgewichtslage zufällig ist und gleichzeitig die mittlere Auslenkung nahezu den Wert Null aufweist.
  • Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten bekannt, mit deren Hilfe der einheitliche Richtungsvektor der Atome in einem Material verändert werden kann, während Energie in Form von Schwingungen durch das Material hindurchtransportiert wird.
  • Aus US 5,400,296 ist es bekannt zwei oder mehrere verschiedene Verstärkungspartikel in einer Matrix einzusetzen, um zufällige Reflexionen an den Grenzflächen zwischen Verstärkungspartikel und Matrixmaterial zu fördern. Allgemein anerkannt ist, dass Defekte der Mikrostruktur einen entscheidenden Einfluss auf das Dämpfungsverhalten von Materialien aufweisen. Aus diesen Überlegungen heraus wurde eine Vielzahl an Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (MMCs) entwickelt. Die gesteigerten Dämpfungseigenschaften werden durch Einbringen von Verstärkungskomponenten erzielt, die selbst eine hohe intrinsische Dämpfung aufweisen oder die Mikrostruktur der Matrix stark verändern. Als Verstärkungspartikel werden vorrangig SiC, Al2O3 und Graphit eingesetzt. Von R.K.Everett, R.J.Arsenault, Metal Matrix Composite Processing and Interfaces, Academic Press, Boston, MA, 1991 und P.K.Rohatgi et al. und S.G. Fishman et al., wurde in "Cast Reinforced Metal Composite", ASM, Materials Park, Ohio, 1988, Seite 375 vorgeschlagen, durch Druckinfiltration MMCs vorrangig mit Aluminium bzw. Aluminiumlegierung als Matrix herzustellen. Für Aluminiumlegierungen ist dabei festzustellen, dass die Einlagerung von Graphitpartikeln das Dämpfungsverhalten verbessert. Der E-Modul nimmt jedoch mit steigendem Graphitgehalt ab.
  • In US 4,946,647 werden metallische Verbundwerkstoffe mit Aluminiummatrix und Graphitpartikeln als Verstärkungskomponente beschrieben. Dem Zugewinn an Dämpfungseigenschaften gegenüber reinem Aluminium steht eine drastische Einbuße an Festigkeitswerten gegenüber. Dadurch sind die auf diesem Wege herstellbaren Werkstoffe als Konstruktionswerkstoff in den meisten Fällen ungeeignet. Abhilfe schafft die Beschränkung des Graphitanteils auf maximal 10 Masse-%.
  • Im US 4,236,925 wird vorgeschlagen einen Verbundwerkstoff mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften herzustellen. Dabei sollen eine Verstärkungskomponente (Graphit oder Blei oder Magnesium) mit dem Matrixme-tallpulver vermischt werden. Dieses können Eisen, Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen sein. Die Konsolidierung der Mischung beinhaltet Formpressen, Kapseln des Formkörpers, darauf folgende Verformung (z.B. Walzen) und Wärmebehandlung der plastisch verformten Kapsel samt Inhalt. Die Wärmebehandlungstemperatur muss dabei oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Matrix gehalten sein. Ziel ist es dabei, dass die Matrix rekristallisiert und die Verstärkungskomponente in Form von Spindeln an den Korngrenzen bzw. in den Matrixkörnern aggregiert. Dieses Vorgehen ist sehr kompliziert und kostenintensiv, gleichzeitig ist diese Methode auf Verstärkungskomponenten beschränkt, die spindelförmig sind.
  • In US 6,346,132 wird ein Metall/Metall-Verbundwerkstoff beschrieben. Als Matrix wird eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Die metallische Zweitphase weist ein teilweise martensitisches Gefüge auf. Dazu werden hauptsächlich Legierungen mit Nickel und Titan eingesetzt. Zusätzlich können Additive eingesetzt werden, die Martensit stabilisieren
  • Aus DE 10 2006 056 988 A1 sind ein Wärmeübertragungs-Kompositmaterial und ein Herstellungsverfahren dafür bekannt. Dabei sollen Teile aus pyrolytischem Graphit in einer Matrix eines nicht kohlenstoffhaltigen Materials als verdichtete Masse enthalten sein, und eine gute thermische Leitfähigkeit erreicht werden.
  • Die EP 1 168 438 A2 offenbart ein thermisch gut leitfähiges Kompositmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung. Das Material ist mit Graphit, Silber und/oder Kupfer sowie mindesten einem Metall, mit dem auf der Oberfläche des Graphits eine Carbidschicht ausgebildet werden kann, gebildet.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff, der mit einem Metall oder einer Metalllegierung als Basismaterial und einer Zweitphase gebildet ist, zur Verfügung zu stellen, mit dem eine erhöhte Dämpfung erreichbar ist und der zusätzlich eine Festigkeit aufweist, dass er als Konstruktionswerkstoff eingesetzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem verfah-ren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 6 betrifft mit dem Verfahren hergestellte Werkstoffe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
  • Der durch ein gezieltes Sintern hergestellte erfindungsgemäße Werkstoff ist dabei mindestens mit einem Metall oder einer Metalllegierung und Kohlenstoff in Form von Graphit gebildet. Der Anteil an Graphit ist bei mindestens 50 Vol.-% gehalten. Das Metall oder die Metalllegierung sind so ausgewählt, dass durch chemische Reaktion eine Carbidbildung möglich werden kann. Der Anteil an Carbid im fertig hergestellten Werkstoff liegt aber unterhalb des Graphitanteils. Er kann durch Beeinflussung bei der zur Sinterung führenden Wärmebehandlung eingestellt werden,wobei kleine Anteile bevorzugt sind. Er sollte zumindest kleiner 35 Vol.-%, bevorzugt kleiner 30 Vol.-% sein.
  • Durch Einlagerung von Graphit in zwei- bzw. dreidimensionaler Verzeilung können die Dämpfungseigenschaften verbessert werden. Gleichzeitig weist der erfindungsgemäße Werkstoff einen höheren Elastizitätsmodul als zu erwarten war auf. Er kann dabei größer 50 GPa in mindestens einer Achsrichtung sein. Bevorzugt sind Werte von mindestens 70 GPa und ganz besonders bevorzugt Werte oberhalb 130 GPa für den E-Modul.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Graphit als Zweitphase genutzt, um die Dämpfungseigenschaften des Basismaterials deutlich zu verbessern. Durch die Variation des Graphitgehaltes im erfindungsgemäßen Werkstoff können die Eigenschaften Elastizitätsmodul und Dämpfungsfaktor an die Einsatzbedingungen angepasst werden.
  • Als geeignetes Metall oder eine geeignete Metalllegierung werden Eisen, Wolfram, Molybdän, Vanadium oder Tantal sowie deren Legierungen eingesetzt.
  • Es können aber weitere Metalle, Metalllegierungen, Verstärkungskomponenten oder andere Zusatzstoffe zusätzlich enthalten sein. Dabei sollt der Anteil an Carbid bildendem Metall jedoch höher sein. Aluminium oder auch Kupfer sollten dabei nicht oder nur mit sehr kleinen Anteilen ggf. als Legierungsbestandteil enthalten sein. Dies trifft auch auf Silicium zu. Der Anteil dieser chemischen Elemente soll dabei kleiner 2 Masse-% sein.
  • Durch inniges Mischen von metallischem Basismaterial und Graphit als Zweitphase kann eine homogene Pulvermischung hergestellt werden, so dass die Zweitphasenpartikel vollständig von dem Basismaterialpulver umhüllt sind. In der Pulvermischung, die zur Herstellung des Werkstoffs eingesetzt wird, sollte kein Carbid zumindest jedoch kein Carbid des eingesetzten carbidbildenden Metalls oder einer solchen Metalllegierung enthalten sein. Das im fertig hergestellten Werkstoff enthaltene Carbid kann ausschließlich durch eine chemische Reaktion des eingesetzten Metallpulvers mit dem Kohlenstoff bei der Wärmebehandlung gebildet werden.
  • Zur Konsolidierung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes sind Verfahren, die in kurzer Zeit und somit auch kostengünstig eingesetzt werden können, zu bevorzugen. Hierfür geeignete Verfahren sind beispielsweise induktiv- oder konduktiv beheiztes Heißpressen und abgewandelte Verfahren. An dieser Stelle seien das Spark Plasma Sintern (SPS) und das Field Assisted Sintering (FAST) als besonders geeignete Beispiele angeführt. Eine entsprechende Menge der Pulvermischung kann in eine Matrize (beispielsweise aus Graphit) oder eine Kapsel gefüllt und gegebenenfalls mit einem Druck von einigen MPa vorverdichtet werden. Die befüllte Matrize kann in eine entsprechende Heisspresse eingesetzt und anschließend evakuiert werden. Durch Variation von Heiz- und Abkühlraten in Verbindung mit kurzen Sinterzeiten und definierten Pressdrücken gelingt es einerseits das matrixbildende Pulver zu sintern und gleichzeitig den Gehalt und die Ausprägung des Carbidnetzwerkes zu steuern. Ggf. nach einer Haltezeit bei der gewünschten Sintertemperatur kann eine Abkühlung durchgeführt, die Kammer belüftet und die Matrize samt Probe entnommen werden. Anschließend wird die Probe aus erfindungsgemäßem Werkstoff ausgeformt.
  • Der Anteil an im fertigen Werkstoff enthaltenem Carbid kann durch geringere Heizraten, längere Haltezeit und kleinere Kühlrate erhöht werden. Die Carbidbildung wird dabei verhindert bzw. reduziert, wenn hohe Heiz- und hohe Kühlraten und/oder kürzere Haltezeiten der maximalen Temperatur beim Sintern gewählt werden. Auch die maximale Temperatur hat Ein-fluss auf eine Bildung von Carbid. Bei höheren maximalen Temperaturen kann ein höherer Anteil gebildet worden sein. Die Heizrate sollte mindestens 20 K/min betragen. Wie bereits angesprochen können zur Einhaltung eines kleineren Carbidanteils auch deutlich höhere Heizraten genutzt werden, die oberhalb 100 K/min liegen können. Die maximale Temperatur wird im Wesentlichen vom eingesetzten Metall oder einer Metalllegierung und dessen/deren Sinterverhalten bestimmt.
  • Die mittlere Partikelgröße d50 sollte bei Metall kleiner 10 µm bevorzugt kleiner 5 µm sein. Die mittlere Flockengöße des eingesetzten Graphits sollte im Bereich 30 bis 900 µm, bevorzugt im Bereich 60 bis 120 µm gehalten sein.
  • Bei der Herstellung sollte so vorgegangen werden und Ausgangspulver eingesetzt werden, dass ein erfindungsgemäßer Werkstoff eine theoretische Dichte von mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 % nach dem Sintern aufweist.
  • Der erfindungsgemäße Werkstoff zeichnet sich neben seinen guten Dämpfungseigenschaften auch durch seine mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Steifigkeit aus. Diese sind deutlich besser als bei vergleichbaren Werkstoffen, die mit Kupfer oder Aluminium und Graphit gebildet sind.
  • Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1 einen Querschliff durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Werkstoffs, der mit Eisen und Graphit mit einem Anteil von 60 Vol.-% gebildet ist und
    • Figur 2 ein Diagramm, mit dem die Abhängigkeit des Produktes aus E-Modul und Dämpfungsfaktor vom im erfindungsgemäßen Werkstoff enthaltenen Graphit, der außerdem mit Eisen gebildet ist, verdeutlicht ist.
    Beispiel 1:
  • 400,5 g Eisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 5 µm und 152,68 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 µm wurden innig miteinander gemischt. Von der Pulvermischung wurden 70 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10-2 mbar evakuiert. Anschließend wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 300 K/min bis auf 1050 °C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 10 s wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400 °C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf
    0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100 °C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit größer 55 Vol.-%, der Anteil an Eisencarbid lag bei einem Wert kleiner 5 Vol.-% und der Rest bestand aus Eisen.
    • Beispiel 2:
  • 400,5 g Eisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 5 µm und 152,68 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 µm wurden innig miteinander vermischt. Von der Pulvermischung wurden 70 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10-2 mbar evakuiert. Anschließend wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 300 K/min bis auf eine Temperatur von 1050 °C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 20 min wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400 °C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100 °C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit im Bereich 50 bis 60 Vol.-%, der Anteil an Eisencarbid war kleiner 20 Vol.-% und der Rest bestand aus Eisen.
    • Beispiel 3:
  • 220,73 g Wolframpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 3 µm und 55,81 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 µm wurden innig miteinander vermischt. Von der Pulvermischung wurden 90 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10-2 mbar evakuiert. Danach wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 100 K/min bis auf 900 °C aufgeheizt und anschließend 5 min gehalten. Anschließend wurde unter einem mechanischen Druck von 40 MPa in 4 min auf 1995 °C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 10 s wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400 °C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100 °C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit größer 68 Vol.-%, der Anteil an Wolframcarbid lag bei ca. 20 Vol.-% und der Rest bestand aus Wolfram.
  • Die in den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Werkstoffe wurden hinsichtlich Dichte, geometrieunabhängigem Dämpfungsfaktor Q-1 und Elastizitätsmodul E charakterisiert (Tabelle 1). Der Dämpfungsfaktor Q-1 und E-modul E wurden mittels der Methode der Impulsanregung mit einem Messgerät RFDA System 23 RFDF-Mf der Firma IMCE NV bestimmt. Tabelle 1: Eigenschaften der Ausführungsbeispiele 1 bis 3
    Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3
    Dichte [g/cm3] 4,5 4,6 8,0
    Dämpfungsfaktor Q-1 0,007 0,005 0,007
    Elastizitätsmodul E [GPa] 80 82 170
    E*Q-1 0,56 0,41 1,19
  • Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass ein der vorliegenden Erfindung gemäßer Werkstoff ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften mit einem hohen E-Modul vereint.
    • Beispiel 4
  • Es wurden 152 g Edelstahlpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 30 µm und 58 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 90 µm innig miteinander vermischt. Das austenitische Edelstahlpulver 316L hatte eine Zusammensetzung 2 Masse-% Mn, 0,045 Masse-% P, 16,5 Masse-% bis 18,5 Masse-% Cr, 2 Masse-% bis 2,5 Masse-% Mo, 10 Masse-% bis 13 Masse-% Ni mit einem Restanteil Eisen. Der Anteil an Si lag unterhalb 1 Masse-%. Von der so vorbereiteten Pulvermischung wurden 70 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, dann in eine Spark-Plasma-Sinter-Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10-2 mbar evakuiert. Im Anschluss wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöhte und mit einer Heizrate von 400 K/min bis auf eine Temperatur von 1150 °C erwärmt. Nach einer Haltezeit von 10 s wurde mit einer mittleren Kühlrate von 150 K/min auf 400 °C abgekühlt. Im Anschluss daran wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die evakuierte Kammer bei einer Temperatur von ca. 100 °C belüftet.
  • Der so hergestellte Werkstoff hatte eine Wärmeleitfähigkeit in mindestens eine Achsrichtung von 170 W/mK, einen thermische Ausdehnung in mindestens eine Achsrichtung von 12,3 ppm/K, einen E-Modul von 80 GPa, eine physikalische Dichte von 4,57 g/cm3 und einen Faktor aus E-Modul und geoemetrieunabhängigem Dämpfungsfaktor von 0,4 GPa.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten schall- und schwingungsdämpfenden Werkstoffs, bei dem eine mit Graphit und mindestens einem Metall, das ausgewählt ist aus Eisen, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Tantal sowie deren Legierungen, gebildete Pulvermischung, in der kein oder nur ein sehr kleiner Anteil unterhalb 2 Masse-% an Aluminium, Kupfer und Silicium enthalten ist, in einer Matrize/Kapsel unter Druckkraftbeaufschlagung in eine vorgegebene Form gebracht und eine Sinterung mit einer Heiz- und Kühlrate von mindestens 20 K/min durchgeführt, dabei mit dem/den Metall(en) durch chemische Reaktion eine Carbidbildung erreicht und ein Anteil an Graphit von mindestens 50 Vol.-% und ein Anteil an Carbid im Werkstoff unterhalb des Anteils an Graphit eingehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulvermischung eingesetzt wird, in der kein Carbid enthalten ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in zwei Stufen durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in einer Spark Plasma Sinter- (SPS) oder einer Field Assisted Sintering-Anlage (FAST) durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver mit einer mittleren Partikelgröße kleiner 10 µm und Graphit mit einer mittleren Flockengröße im Bereich von 30 µm bis 900 µm eingesetzt wird.
  6. Gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoff hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit mindestens einem Metall, das ausgewählt ist aus Eisen, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Tantal sowie deren Legierungen, wobei mit dem Metall oder der Legierung durch chemische Reaktion eine Carbidbildung möglich ist, und mit Kohlenstoff in Form von Graphit gebildet ist, wobei der Anteil an Graphit mindestens 50 Vol.-% beträgt und der Anteil an Carbid im Werkstoff unterhalb des Anteils an Graphit liegt und kein oder ein sehr kleiner Anteil unterhalb 2 Masse-% an Aluminium, Kupfer und Silicium enthalten ist.
  7. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich-net, dass der Anteil an im Werkstoff enthaltenen Carbid kleiner 35 Vol.-% ist.
  8. Werkstoff nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er einen
    E-Modul von mindestens 50 GPa und das Produkt des E-Moduls mit einem geometrieuzabhängigen Dämpfungsfaktor in mindestens eine Achsrichtung einen Wert von mindestens 0,4 GPa aufweist.
  9. Werkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass er eine theoretische Dichte von mindestens 80 % aufweist.
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