EP3063103A2 - Werkstoff mit mehrphasigem gefüge - Google Patents

Werkstoff mit mehrphasigem gefüge

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EP3063103A2
EP3063103A2 EP14812120.5A EP14812120A EP3063103A2 EP 3063103 A2 EP3063103 A2 EP 3063103A2 EP 14812120 A EP14812120 A EP 14812120A EP 3063103 A2 EP3063103 A2 EP 3063103A2
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EP
European Patent Office
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phase
article
component
material according
mpa
Prior art date
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Pending
Application number
EP14812120.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Neubauer
Michael KITZMANTEL
Gottfried KLADLER
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • C04B2235/9646—Optical properties
    • C04B2235/9661—Colour

Definitions

  • the invention relates to a material with a multi-phase structure comprising at least a first solid phase and at least one second solid phase, wherein the individual phases are characterized in that they are present in a macrostructure and are distinguishable from the naked eye.
  • the invention further relates to a method for producing this material and the use of the material.
  • components having a macrostructure e.g., watch cases, rings, pendants, etc.
  • These components are characterized by a visually striking and appealing, two- or multi-colored pattern.
  • the pattern is formed by an arrangement of two or more different metals in a periodic or irregular manner, wherein a plurality of process steps is required.
  • the process is limited to the use of ductile metals, i. on materials that can be reshaped especially at room temperature without the application of temperature.
  • the individual process steps of the above-mentioned method can basically be described as follows. First, (1) metal foils of two or more metals are stacked alternately and then together via a taking place under pressure and temperature (2) diffusion process to a multilayer semi-finished product connected. For example, one (3) rod is cut out of the multi-layer semifinished product and this one
  • the invention therefore aims to provide a material with a multi-phase structure and to provide a production method with which the abovementioned disadvantages can be avoided.
  • the invention is an extended material variety and allow a significant reduction of the process steps.
  • the invention provides a material with a multiphase structure comprising at least a first solid phase and at least one second solid phase,
  • first phase and the second phase are each a metal, a metal alloy, a ceramic material or combinations thereof in the form of a composite material
  • phase of the microstructure are macroscopically distinguishable from each other
  • multiphase microstructure is formed as an interstitial structure or as a three-dimensional interpenetration microstructure
  • the storage structure comprises the first phase and in three spatial dimensions continuously occurring matrix phase and the second phase as a discontinuous, randomly distributed interstitial phase, and - wherein the first phase is prepared from powders producible in the course of the process ⁇ by sintering.
  • the at least two phases are macroscopic, ie as far as visible to the naked eye, sharply delimited from one another. Only at the microscopic level can reaction products and intermediate phases of reactions at the interfaces between the phases be present in the interface region between two phases. Furthermore, reaction products of reactions of the phases with oxygen, carbon and / or nitrogen may be included. Based on the total volume of the workpiece, the described reaction products and intermediate phases are preferred but only in an amount of less than 10 vol. -% available.
  • the multiphase structure according to the invention is designed either as a bedding structure or as a penetration structure.
  • An intercalation structure is present if at least one phase (intercalation phase) is intermittently incorporated into at least one other, continuous phase (matrix phase).
  • the matrix phase occurs continuously in three spatial dimensions, and the particles of the intercalation phase are arranged distributed in three spatial dimensions in the matrix phase.
  • the embedded phase may well be present in higher concentration than the matrix phase.
  • a preferred orientation of the individual phases in one or two spatial directions may occur.
  • Penetration structures are given when all the phases represented in the material occur continuously. This is generally the case when the phases in the form of sponge-like three-dimensional network structures penetrate through ⁇ .
  • the phases of the microstructure are macroscopically, ie, recognizable with the naked eye, distinguishable from each other. This means that the microstructure is limited to the structures visible to the naked eye.
  • the second phase has discontinuous areas, each having an area of at least 0.2 mm 2, preferably at least 1 mm 2 in the projection. Towards the top, the discontinuous regions of the second phase are limited to a diameter of, for example, 10 mm.
  • the phases of the material can each be composed of atoms of a single chemical element, so that there is a pure phase. However, the phases can also exist as alloy or composite material (mixed phase). If a composite material is used for the first phase and / or the second phase, then this preferably consists of a matrix of a first substance into which fillers having a particle size of ⁇ 100 m are introduced. This substructure can not be resolved with the naked eye without the aid of optical aids.
  • the invention allows the use of a variety of different materials.
  • the first phase is preferably formed from a metal, a metal alloy, a metallic composite material, a ceramic material, a metal-ceramic composite material or a ceramic composite material.
  • the second phase is preferably of a metal, a metal alloy, a metallic composite material, a ceramic material, a metal-ceramic composite fabric, a ceramic composite material, plastic or a plastic composite material formed.
  • the material of the first phase and the material of the second phase during the manufacturing process do not form an alloy, but form separate, sharply demarcated phases. In each case, only similar particles agglomerate with each other to form the individual phases.
  • the microstructure of the material preferably results from a random arrangement or mixture of the powder, powder granular or particulate starting components "in situ" during its production. The large number of usable materials is made possible by the fact that the first phase is produced according to the invention by sintering.
  • a pulverulent or powder-granular component is used, which is sintered in a compression operation under temperature and pressure.
  • the compression process process parameters are preferably used here, which on the one hand prevent a significant diffusion / reaction for the respective material combination
  • the process must take long enough or the temperatures should be so high that, in the case of the use of powder granules, these become a dense body internally and there is a positive connection of the individual components, ideally with a very well controlled, low diffusion zone.
  • composition there is no limitation of the composition to metals with high ductility at room temperature or with good forming behavior at elevated temperature, or the production technology used does not require intermediate annealing in order to allow further forming steps.
  • the material according to the invention is produced by means of a compression process, in contrast to the repeated repetition of forming steps in the prior art.
  • the composites produced can be made using appropriate combinations of the starting powders and process engineering to be made with a random (non-deterministic) macrostructure.
  • the composite materials produced allow phases with very high hardness and wear resistance if the individual phases are made up of a substructure, ie a matrix in which hard-material particles in the micro-scale region are introduced.
  • the first phase is made of a material with a lower sintering or deformation temperature than the second phase.
  • a material with a lower sintering or deformation temperature than the second phase.
  • the sintering temperature is meant here the temperature at which the powdery starting components grow together via diffusion processes to form a solid. Depending on the material, this temperature is about 0.5-0.95% of the melting point (measured in Kelvin) of the starting component.
  • the forming temperature or deformation temperature is a temperature at which the material starts to flow when using pressure and temperature, or plastic deformation occurs.
  • the second phase can also be formed by sintering.
  • the second phase may be prepared by incorporating particles in the initial phase in their initial powdered state.
  • the storage takes place, for example, in that a mixture of the powder or powder granules of the first component with the particles of the second component is produced. Thereafter, the mixture is subjected to a densification process whereby the first phase is sintered and the particles of the second component are sintered in the sintered first phase, respectively be included.
  • the particles of the second component may be subjected to a forming process.
  • the particles have a length to diameter ratio of 1: 1 to 3: 1.
  • the particles are formed, for example, as spheres, ellipsoids, flakes, platelets, chips, sheets, pieces of sheet metal, wires, fragments or the like.
  • a preferred development further provides that the particles have a mean volume equivalent ball diameter of 0.3-lOmm, preferably 0, 5-3mm.
  • the particles of the second phase can be either identically oriented or randomly oriented.
  • both the first phase and the second phase is a metal.
  • the first and second phases are each a noble metal or a noble metal alloy, e.g. is a platinum group element or alloy.
  • ceramic particles may form the second phase, which are randomly distributed in a sintered metal phase.
  • the first phase consists of a material having a thermal conductivity of> 150 W / mK, such as Ag, Cu or Al, and the second phase of a material having a thermal expansion of ⁇ 8 ppm / K, such as W, Mo , TiB 2 , Zr (Wo 4 ) 2 ⁇
  • the first and / or the second phase is a composite material which has a continuous matrix in which at least one particulate filler is introduced.
  • the volume fraction of the first phase is preferably 10-95%, preferably 30-70%, preferably 40-60%.
  • the volume fraction of the second, in particular produced by sintering phase is 10-95%, preferably 30-70%, preferably 40-60%.
  • the second phase is not formed by sintering but by particles
  • a preferred development provides that the volume fraction of the second phase produced by incorporation of particles into the first phase is 10-60%, preferably 20-50%, preferably 30-50%. 40%.
  • the embedded particles with a size of preferably at least 300 ⁇ are present.
  • the invention relates to a method for producing the above-described material from at least one first powdered or powdered granular component and at least one second component, comprising the following steps:
  • the procedure is such that the second component is used in powder form or as powder granules and is sintered in the compacting step to form a second phase of the multiphase structure.
  • the powder of the first phase and possibly the second phase preferably has a particle size of ⁇ 300 pm, preferably ⁇ , preferably ⁇ 100 ⁇ m, preferably ⁇ 50 ⁇ m.
  • the densification step is designed as hot pressing, hot isostatic pressing, direct hot pressing, spark plasma sintering, pressing and sintering or extrusion, and their modified forms.
  • the densification step preferably comprises the application of pressure at a rate of> 0.001 MPa / s, preferably> 0.1 MPa / s and more preferably> 10 MPa / s.
  • the pressure application rate is preferably at most 10 6 MPa / s.
  • the densification step may include a heat input at a heating rate of> 10 K / min, preferably> 100 K / min, more preferably> 1000 K / min.
  • the densification step preferably comprises, after the application of pressure and the introduction of heat, a holding step in which the temperature and the pressure are maintained for a period of ⁇ 6 hours, preferably ⁇ 1 hour, more preferably 1-60 seconds.
  • the pressure during the holding step is preferably> 1 MPa, preferably> 10 MPa, particularly preferably> 100 MPa.
  • the compression step can be carried out in protective gas, vacuum or in air. According to another embodiment of the invention, the manufacturing process is carried out as follows.
  • Step 1 involves the preparation of the starting components.
  • the following starting components can be used:
  • the first component is in particular a powder of sinterable metallic or ceramic particles. These powders may have particle sizes of less than 300 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m, particularly preferably less than 45 ⁇ m.
  • the first component can also consist of powder granules. These arise from the fact that sinterable metal or ceramic powder with water or by solvent addition (eg via spray drying, freeze drying ⁇ or the like.), Or with granulation aids (such as binder components, polymers, waxes) in granules having a size of 0.5 - 10mm preferably 1 to 5 mm transferred.
  • granulation aids such as binder components, polymers, waxes
  • the second component may consist of another powder of a sinterable metallic or ceramic particle. These powders may have particle sizes of less than 300 m, preferably less than ⁇ , more preferably less than 45 ⁇ ⁇ . Likewise, the second component may be made from powder granules (such as the first component). Another embodiment includes the possibility that the second component may be formed of particles having a one-dimensionally or two-dimensionally directed shape, such as wire pieces or wires having a diameter of 0.3 mm to 5 mm, preferably 0.5 mm to 2 mm or fibers with a diameter of 0.3mm to 5mm, preferably 0.5mm to 2mm, or flakes, flakes, chips, sheets or pieces of sheet metal.
  • the particles have characteristic dimensions with a length which is greater than the thickness, wherein the thickness of the particles is in a range of 0.1 mm to 5 mm, preferably 0.5 mm to 1 mm.
  • the particles must be distinguished by having ductile properties at room temperature and / or when applying pressure and temperature.
  • the second component may also be formed by particles having a regular (e.g., spheres) or irregular shape (e.g., fragments, chips ). These fillers may have an average diameter of 0.3 mm to 10 mm, preferably between 1 mm and 5 mm.
  • the particles of this type may, for example, be easily deformable bulk materials with the possibility of deformation under the action of pressure and temperature.
  • Step 2 may also be non-deformable or difficultly deformable materials which are substantially inert in a matrix: here, in particular ceramic fillers or carbon-based fillers, in particular diamond, which are not easy even when using very high temperatures and pressures could be deformed.
  • the shaping takes place.
  • the mixture is poured into a suitable mold and compressed at room temperature by applying pressure, so that a stable, handleable "green part" is produced.
  • a particular embodiment in this context includes the layer-by-layer filling of a mold, wherein layers of different concentrations of the individual phases are combined here.
  • a gradient material, a sandwich or multilayer material can be produced. It is likewise possible to selectively introduce the multiphase material locally or to press it directly onto a carrier body.
  • the mixture can also be filled directly into the mold and then subjected to the compression process at temperature and pressure.
  • the green compact - After the presence of the green body of this - if it contains a high proportion of plastic binder - in one optional debinding step to be freed from the binder. Subsequently, the green compact - provided with a release agent - used in a suitable mold and compacted using pressure and temperature to form a compact component.
  • the additional shaping step described here can also be dispensed with - depending on the compression method - and the compression of the starting material can be carried out directly in the mold.
  • the multiphase material of layers of different composition of the individual phases can be placed as a gradient material, in a sandwich design or else as an insert in a targeted manner. At the same time can be pressed directly onto a body.
  • process parameters are used which, on the one hand, prevent a significant diffusion / reaction between the individual components for the respective material combination, which would lead to an extinction of the desired multi-phase structure.
  • the process must take long enough or the temperatures should be so high that, in the case of the use of powder granules, these sinter into a dense body and there is a positive connection of the individual components, ideally with a very well controlled, low diffusion zone.
  • Step 5 in the process taking place in the air, in the course of production, in addition, a rapid ⁇ breckreckvorgang done and possibly also the reactions with the atmosphere can be exploited.
  • a rapid compaction process makes it possible to retain very fine-grained microstructures of the sintered phases, which has an advantageous effect on the material properties of the end product.
  • an additional heat treatment can optionally be used, in particular when very rapid compaction processes are used. This can be used for the controlled formation of a diffusion zone, or to relax tension in the material.
  • a forming process can optionally take place, which makes it possible, for example, to convert semifinished products into other geometries and also to produce a certain preferred orientation thereof.
  • Prerequisite for this forming Steps is the appropriate ductility of the materials.
  • Possible processes are forming processes, such as rolling, drawing, hammering, rolling, extruding, Severe Plastic Deformation.
  • processes such as turning, milling, grinding, wire eroding, die sinking, laser machining or the like. are used to influence the geometry of the semifinished product or to perform a surface finish.
  • ⁇ v / ground optional additional process for the surface treatment can be made ⁇ v / ground. These may have the task of changing the color of the component or influencing the material properties such as hardness or wear resistance.
  • the methods of surface treatment may include the following methods:
  • Thermodiffiffusion treatment The component is provided with powdery or paste-like sizes. By a heat treatment e s comes to the reaction of the
  • the heat treatment can lead to the formation of reactions that lead to a different visual appearance or change the functional properties of the component (s).
  • Oxygen and / or nitrogen, used to form reaction products on the surface of the component generate, for example, nitrides or oxides.
  • the heat treatment can also take place in air.
  • a chemical treatment using current / voltage can be used, for example, to anodize surfaces. It can be influenced by the selection of electrolytes and the voltage / current characteristic, the layer thicknesses of generated nitrides / oxides, etc.
  • a transparent wear resistant layer e.g. with diamond, DLC or lacquer / plastic layers.
  • Step 1 Preparation of the .usga ngsko m pon duck n
  • Step 2 Weigh in and mix the components
  • Step 3 Forming by pressure assist process (making a "green”) alternatively directly to step 4
  • Step 4 Compress the components by exposure to pressure and / or temperature (e.g., by hot pressing, spark plasma sintering, etc.).
  • Step 5 Optional: Heat Treatment
  • Step 6 Optional: Forming process (e.g., rolling, extruding, hammering, etc.)
  • Step 7 Finishing the over-aged texture
  • Step 8 Optional: Surface finish such as hardening, coating or etching
  • the invention makes it possible to produce objects whose multiphase structure gives a unique and individual macrostructure which can be used, for example, as an authentication feature or security element. Since the macrostructure obtained according to the invention is not reproducible, it can not be copied.
  • the inventive or inventively producible material is particularly suitable for the production of jewelry, luxury items and technical functional materials.
  • the non-determined macrostructure Of particular use, in particular in the jewelery and luxury goods sector, is the non-determined macrostructure. This gives the products uniqueness due to their aesthetic appearance, especially when it comes to precious metals or elements of the platinum group and their alloys, and also represents a security element at the same time.
  • the surface of an article having the macrostructure simultaneously has a copy protection function, since it is difficult to reproduce the non-deterministic macrostructure without a considerable effort.
  • the macro structure can be used with the possibility of unique identification to produce high-quality investment objects such as coins, medals and bars. This is particularly advantageous when materials are used with ductility, as they can be subsequently stamped. Also here is a combination with other materials possible, so for example bi-metal coins are made, which consist of a metal edge in which an insert of the composite material is embedded with macrostructure in the center or vice versa.
  • Security features based on numbers, image codes or holograms, such as those used in software, are only of limited use in the jewelry and luxury goods sector because they change the external appearance.
  • holograms and security features made of plastic with relief structure are used or pigments with special properties.
  • the present invention provides a solution by using the non-deterministic macrostructure characterized by bi- or multicolor.
  • these materials are visually appealing and can therefore be used for luxury items and jewelry, especially if they are composed of precious metals or elements of the platinum group and their alloys.
  • the two- or multi-color macrostructure not only satisfies the aesthetic appearance requirement, but at the same time makes it possible to use this hard-copy macro pattern as a security element.
  • a picture Identification software can be generated from the optical differences, for example, in terms of color or reflectance, emissivity or the like, a unique code.
  • a semifinished product consisting of two or more phases, which differ in their visual appearance, for example, in terms of color or reflectance, by processes of forming or mechanical processing, eg by milling, turning or the like.
  • a component transferred the following in the Schuck, luxury and premium product range is used, such as watch cases, rings, mobile phone cases, etc.
  • the procedure can be such that the manufacturer of a product consisting of the material or containing it creates an image of the macrostructure on the surface, wherein the image detail covers the entire product or only a defined area thereof. This image is uniquely assigned to the product as an authentication feature. If possible copies appear on the market, then the characteristic pattern can be determined via the image recognition and compared with the database of the manufacturer.
  • the macrostructure of the product can be converted into a binary pattern by means of image recognition and a numerical code can be generated by means of an algorithm. This number code can be used as a second security feature.
  • dendritic copper powder As the first component dendritic copper powder is used with a particle size ⁇ 45 ⁇ . This powder is added with the addition of a dissolved in alcohol granulation binder
  • the body is debindered in an oven at a temperature of 450 ° C, so that the wax components are removed.
  • the green compact is placed in a heated to 750 0 C mold and compressed by applying 100 MPa pressure in 30 seconds in air and then expelled from the mold.
  • the material can be quenched directly in water or oil. After compaction, the ring blank is turned and then finely polished. The relative density is 99.9% of the theoretically calculated density.
  • the blank is shown in FIG. 5 is shown.
  • Example 1 A similar procedure is chosen as in Example 1. Instead of copper, titanium powder with a particle size ⁇ 45 m is used. The powder granule mixture is in a Graphitpressform filled with a diameter of 38mm and compacted by means of directly heated hot presses at 50 MPa at 830 ° C and with a holding time of 3 minutes. The relative density achieved is 99.8% of the theoretically calculated density.
  • the blank is shown in FIG. 1, in which case a heat treatment has already been carried out as a test. The blank is transferred by milling in a watch case and polished. Subsequently, a heat treatment at 600 ° C in air, whereby only the titanium areas change color. The watch case is photographed and a binary image is generated, which clearly identifies the watch case due to the special macro structure. This is characterized by the fact that unidirectional application of the pressing force results in different macrostructures in the pressing direction and transversely thereto.
  • Silver powder with a particle size ⁇ 45 ⁇ is mixed with particles of boron carbide (B4C) in an etchant, wherein the proportion of B4C particles at 5 vol. -% is and the particles have a particle size below 10 ⁇ .
  • the composite powder of Ag and B4C is mixed with brass chips (in a ratio of 50:50 vol.%) Which have a size of about -6 mm in length and about 0, 5-lm in width and about. Have depth, the mixture in a mold (diameter 30mm) filled and compacted at 150 MPa.
  • the resulting green compact is placed in a permanently heated mold at 680 ° C and compacted at 120 MPa for 60 seconds. Thereafter, the blank is processed into a ring.
  • Silver powder granules as in Example 1 and gold chips with a length of about 3-5 mm and a thickness / width of about 0.5-2 mm are mixed (in the ratio 55:45 vol .-%) and the mixture is in a graphite form with a Dimension of about 27mm x 40mm filled.
  • the mixture is compressed in a direct hot press at 50 MPa and a temperature of 820 ° C over a period of 5 minutes. This vacuum is used.
  • the resulting blank with a dimension of 40x40x8mm has a relative density of 99.7%. Due to the lower pressing force, the differences in the macrostructure in the pressing direction and across are not so pronounced.
  • the block is milled and subsequently heat treated and transferred in a rolling process over several forming steps, wherein the rolling direction is changed, in a plate with a thickness of 2mm.
  • the density of the plate increases by this process to> 99, 9%.
  • Aluminum powder with a grain size ⁇ 63 ⁇ is converted by addition of a binder in a granulate with a granulate particle size of 3-5mm. Then the granules are mixed with titanium shavings, with a Ratio of aluminum powder to titanium chips of 70:30 vol .-% is used. The mixture is filled into a graphite mold (diameter 30 mm), which is provided with release agent. The compaction takes place in an inductively heated hot press at a temperature of 630 ° C and a pressure of 35 MPa. For the production, a high heating rate of 200 K / min is used and the holding time is 5 minutes. In the final product there are indications of TiAl phases, in particular at the transition zone between the Ti phase and the Al phase.
  • the TiAl phases are in volume with about 5 vo.l .-% before. After production, the material is ground and polished and subsequently surface-modified by glass bead blasting. It turns out that the phases have a different hardness and thus a different surface structure, the colors differ little in color. Only after performing a heat treatment at 550 ° C change the phases, in particular the titanium phase, the color. From the part of a trailer is made.
  • a powder of a titanium alloy (T16AI4V) with a grain size ⁇ 63 ⁇ is converted into a granulate with a granule particle size of 3 -6mm. This is mixed with spheres of glassy carbon with a diameter of 1.5 mm so that the proportion of titanium alloy matrix is 65 vol%.
  • the powder is hot-pressed in a graphite mold with a diameter of 76mm with a height of 8mm. Then rings and pendants are milled out. The rings are subjected to an additional heat treatment under nitrogen at 800 ° C for one hour. This results in a change in the color of the titanium component, with an improvement the surface hardness of more than 25% is accompanied and also increases the wear resistance.
  • ZrC> 2 powder with an 8 mol% Y 2 O 3 stabilization as the first component and ZrÜ 2 with an 8 mol .-% Y 2 O 3 stabilization and an addition of 3 wt .-% C0O 3 as second components are each using Attritor mixed and then transferred by adding binder (2 wt .-%) in two granular materials with a grain size of about 3-5mm. These are mixed and subsequently, at 300 MPa in a steel mold, a 30 mm diameter green compact is produced. After a debinding process at 450 ° C for 1 hour, the green compact is placed in a graphite mold and compacted by inductive hot press at -50 MPa and a temperature of 1350 ° C in less than 15 minutes.
  • a two-color ceramic is present. Due to a reducing environment in the hot pressing by the graphite mold, the component is subsequently oxidized again in air at 1000 ° C at a slow heating rate. This results in a change of colors. After renewed grinding and polishing, the part is fitted with a metal frame and serves as a pendant.
  • Granulated brass powder with a granule size of 4-5mm is mixed with stainless steel 316L powder granules with a granule size of 3-6mm in the ratio 60:40 vol. -% mixed.
  • the granulate mixture is cold pressed in a 39mm x 26mm steel tool at 80 MPa ⁇ and then provided with a release agent.
  • the green part is at 700 ° C and 100 MPa for 2 minutes in a steel mold hot-pressed and then ejected.
  • the component is then cleaned in a blasting process. Due to the low temperature selected, the second component is not sintered and can therefore be removed by blasting.
  • the result is a porous body with a macrostructure, which can be used because of its visual appearance for a jewelry item, such as a key chain or a brooch. Similarly, the 3-dimensional porosity can be highlighted by optical staining. Further fields of application of the body with macroporosity are filter elements in the technical plant sector.
  • Fig. 2 shows a two-phase structure of silver and brass in a ratio of 50:50 vol. -%.
  • Fig. 3 shows a two-phase structure of gold and silver in one. Ratio of 50:50 vol. -%.
  • Fig. Figure 4 shows a section of the macrostructure of a two-phase microstructure serving as an authentication feature for the article made therefrom.
  • the cutout can be converted to a black-and-white image to be better processed in this way, e.g. to be transformed into a binary code.
  • Powder granules as in example 1 are used and mixed with a powder granulate having a composition Cu: Ag of 40:60 vol.% Filled in a mold in the form of layers.
  • the layers of Cu: Ag with 40:60 vol.% Are outdoors and in the center is a layer with 60:40 vol.%.
  • the sandwich structure obtained consists of a 60:40 Cu: Ag 4 mm thick core surrounded by two layers of Cu: Ag of 40:60 vol.% Approximately 1.5 mm thick.
  • Fig. 6 shows a multi-phase material consisting of two layers with different concentrations of the individual phases.
  • Fig. 7 shows a multi-phase material consisting of three layers (sandwich arrangement) with different concentrations.
  • Fig. 8 shows a polyphase material consisting of a gradient structure.
  • Fig. 9 shows a multi-phase material which is pressed directly onto a carrier material.
  • Fig. 10 shows a combination of a multi-phase material with a carrier body.
  • FIG. 11 shows a multiphase material introduced locally into a carrier body.

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Abstract

Der Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge umfassend wenigstens eine erste feste Phase und wenigstens eine zweite feste Phase, zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Phase und die zweite Phase jeweils ein Metall, eine Metalllegierung, ein keramisches Material oder Kombinationen hiervon in Form eines Verbundwerkstoffs sind, die Phasen des Gefüges makroskopisch voneinander unterscheidbar sind, das mehrphasige Gefüge als Einlagerungsgefüge oder als dreidimensionales Durchdringungsgefüge ausgebildet ist, wobei das Einlagerungsgefüge die erste Phase als in drei Raumdimensionen kontinuierlich auftretende Matrixphase und die zweite Phase als diskontinuierliche, statistisch verteilte Einlagerungsphase aufweist, und wobei die erste Phase durch Sintern hergestellt ist.

Description

Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge umfassend wenigstens eine erste feste Phase und wenigstens eine zweite feste Phase, wobei die einzelnen Phasen sich dadurch auszeichnen, dass sie in einer Makrostruktur vorliegen und mit freiem Auge voneinander unterscheidbar sind. Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung dieses Werkstoffs und die Verwendung des Werkstoffs .
Für Schmuck, Luxusartikel und andere Gegenstände werden Bauteile mit einer Makrostruktur eingesetzt (z.B. Uhrengehäuse, Ringe, Anhänger, etc.), die über Mehrfachumformung von Stapeln aus Metallfolien hergestellt werden. Diese Bauteile zeichnen sich durch ein optisch markantes und ansprechendes, zwei- oder mehrfarbiges Muster aus. Das Muster entsteht dabei durch eine Anordnung von zwei oder mehr verschiedenen Metallen in periodischer oder unregelmäßiger Weise, wobei eine Vielzahl von Prozessschritten erforderlich ist. Zudem ist das Verfahren auf den Einsatz von duktilen Metallen beschränkt, d.h. auf Materialien, die insbesondere bei Raumtemperatur ohne Anwendung von Temperatur umgeformt werden können.
Die einzelnen Prozessschritte des oben angeführten Verfahrens können grundsätzlich wie folgt beschrieben werden. Es werden zunächst (1) Metallfolien aus zwei oder mehreren Metallen alternierend gestapelt und anschließend über einen unter Druck und Temperatur stattfindenden (2) Diffusionsprozess miteinander zu einem Mehrlagenhalbzeug verbunden. Äus dem Mehrlagenhalbzeug wird anschließend beispielsweise ein (3) Stab herausgeschnitten und dieser
(4) verdreht, verformt oder mechanisch bearbeitet. Abhängig vom Grad der Verformung ist zwischen den Umformschritten in manchen Fällen ein (5) Zwischenglühen erforderlich, damit das Halbzeug neuerlich verformt werden kann. Eine Verformung ist in der Regel mit einer Aufhärtung des Materials verbunden. Nach dem Glühen wird das Halbzeug ebenso über (6) weitere mechanische Bearbeitungsprozesse
(Hämmern, Schmieden, Walzen etc.) in die gewünschte Endkontur übergeführt (z.B. ein Ring) und anschließend über zerspanende Prozesse oder Schleifprozesse in das (7) Endprodukt übergeführt.
Diese beschriebene Technik hat mehrere Nachteile:
a) sie ist beschränkt auf Metalle, die sehr duktil sind und einen hohen Umformgrad erlauben. Die Anforderung an die Duktilität führt vielfach zum Nachteil, dass die erzielbare Oberflächenhärte limitiert ist. Beispielsweise können Kombinationen aus sehr duktilen Metallen, wie z.B. Silber und Gold, mit anderen Metallen, wie z.B. Kupfer, verformt werden, aber die Härte dieser Werkstoffe ist limitiert;
b) sie ist beschränkt auf Metalle, die in geeigneter Ausgangsform (z.B. Folien) verfügbar sind;
c) zahlreiche Prozessschritte müssen in Handarbeit vorgenommen werden, wodurch eine Einschränkung hinsichtlich Automatisierung oder großtechnischer Fertigung gegeben d) keramische Werkstoffe oder Mischungen aus Metallen und Keramiken können mit dieser Technologie nicht hergestellt werden. Die Erfindung zielt daher darauf ab, einen Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge zu schaffen sowie ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit welchem die oben genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die Erfindung eine erweiterte Werkstoff ielfalt und eine deutliche Reduktion der Prozessschritte ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt einen Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge vor, umfassend wenigstens eine erste feste Phase und wenigstens eine zweite feste Phase,
wobei die erste Phase und die zweite Phase jeweils ein Metall, eine Metalllegierung, ein keramisches Material oder Kombinationen hiervon in Form eines Verbund- Werkstoffs sind,
wobei die Phasen des Gefüges makroskopisch voneinander unterscheidbar sind,
wobei das mehrphasige Gefüge als Einlagerungsgefüge oder als dreidimensionales Durchdringungsgefüge ausge- bildet ist,
wobei das Einlagerungsgefüge die erste Phase als in drei Raumdimensionen kontinuierlich auftretende Matrixphase und die zweite Phase als diskontinuierliche, statistisch verteilte Einlagerungsphase aufweist, und - wobei die erste Phase aus Pulvern im Zuge des Herstell¬ prozesses durch Sintern hergestellt ist .
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf ein mehrphasiges Gefüge Bezug genommen wird, so ist darunter ein Gefüge aus zwei oder mehreren Phasen zu verstehen.
Die wenigstens zwei Phasen sind makroskopisch, d.h. soweit mit bloßem Auge sichtbar, scharf voneinander abgegrenzt. Lediglich im mikroskopischen Bereich können im Grenzflächenbereich zwischen zwei Phasen allenfalls Reaktionsprodukte und intermediäre Phasen aus Reaktionen an den Grenzflächen zwischen den Phasen vorhanden sein. Weiters können Reaktionsprodukte aus Reaktionen der Phasen mit Sauerstoff, Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthalten sein. Bezogen auf das Gesamtvolumen des Werkstücks sind die beschriebenen Reaktionsprodukte und intermediären Phasen bevorzugt aber lediglich in einer Menge von weniger als 10 Vol . -% vorhanden.
Das erfindungsgemäße Mehrphasengefüge ist entweder als Einlagerungsgefüge oder als Durchdringungsgefüge ausgebildet. Ein Einlagerungsgefüge liegt vor, wenn mindestens eine Phase (Einlagerungsphase) diskontinuierlich in mindestens eine andere, kontinuierliche Phase (Matrixphase) eingelagert ist. Die Matrixphase tritt dabei erfindungsgemäß in drei Raumdimensionen kontinuierlich auf und die Partikel der Einlagerungsphase sind in drei Raumdimensionen verteilt in der Matrixphase angeordnet. Dabei kann die eingelagerte Phase durchaus in höherer Konzentration vorliegen als die Matrixphase.
Abhängig vom Herstellprozess kann es zu einer bevorzugten Ausrichtung der einzelnen Phasen in einer oder zwei Raumrichtungen kommen.
Durchdringungsgefüge sind dann gegeben, wenn alle im Werkstoff vertretenen Phasen kontinuierlich auftreten . Dies ist ganz allgemein dann der Fall, wenn sich die Phasen in Form von schwammähnlichen Netzstrukturen dreidimensional durch¬ dringen . Im Rahmen der Erfindung ist von Bedeutung, dass die Phasen des Gefüges makroskopisch, d.h., mit freiem Auge erkennbar, voneinander unterscheidbar sind. Dies bedeutet, dass sich die Gefügestruktur auf die mit bloßem Auge sichtbaren Strukturen beschränkt. Im Falle eines Einlagerungsgefüges bedeutet dies beispielsweise, dass die zweite Phase diskontinuierliche Bereiche aufweist, die in der Projektion jeweils eine Fläche von mindestens 0,2 mm2, bevorzugt mindestens 1mm2 aufweist. Nach oben hin sind die diskontinuierlichen Bereiche der zweiten Phase auf einen Durchmesser von beispielsweise 10mm begrenzt.
Die Phasen des Werkstoffs können jeweils aus Atomen eines einzigen chemischen Elements aufgebaut sein, sodass eine reine Phase vorliegt . Die Phasen können aber auch als Legierung oder Verbundmaterial, bestehen (Mischphase) . Wenn für die erste Phase und/oder die zweite Phase ein Verbundwerkstoff zum Einsatz gelangt, so besteht dieser bevorzugt aus einer Matrix eines ersten Stoffs, in die Füllstoffe mit einer Partikelgröße von < lOO m eingebracht sind . Diese Substruktur ist ohne Zuhilfenahme von optischen Hilfsmitteln mit dem freien Auge nicht auflösbar .
Die Erfindung erlaubt die Verwendung einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien . Die erste Phase ist bevorzugt von einem Metall, einer Meta1.1legierung, einem metallischen Verbundwerkstoff, einem keramischen Material, einem Metall-Keramik Verbundwerkstoff oder einem Keramik Verbundwerkstoff gebildet .
Die zweite Phase ist bevorzugt von einem Metall, einer Metalllegierung, einem metallischen Verbundwerkstoff, einem keramischen Material , einem Metall-Keramik Verbundwerk- stoff, einem Keramik Verbundwerkstoff, Kunststoff oder einem Kunststoff-Verbundwerkstoff gebildet.
Wesentlich ist, dass das Material der ersten Phase und das Material der zweiten Phase während des Herstellungsprozesses keine Legierung bilden, sondern gesonderte, scharf gegeneinander abgegrenzte Phasen ausbilden. Dabei agglomerieren jeweils nur gleichartige Partikel miteinander zur Ausbildung der einzelnen Phasen. Das Gefüge des Werkstoffes entsteht bevorzugt aus einer zufälligen Anordnung bzw. Mischung der pulver-, pulvergranulat- oder partikelförmigen Ausgangskomponenten „in situ" bei seiner Herstellung . Die große Anzahl an einsetzbaren Stoffen wird dadurch ermöglicht, dass die erste Phase erfindungsgemäß durch Sintern hergestellt ist . Es kommt somit eine pulver- oder pulvergranulatförmigen Komponente zum Einsatz, die in einem Verdichtungs organg unter Temperatur und Druckeinwirkung gesintert wird . Für den Verdichtungsprozess werden hierbei bevorzugt Prozessparameter angewendet, die es für die jeweilige Werkstoffkombination einerseits verhindern, dass es zu einer signifikanten Diffusion/Reaktion zwischen den einzelnen Komponenten kommt , was zu einer Auslöschung der gewünschten Mehrphasen-Struktur führen würde . Gleichzeitig muss der Vorgang lange genug dauern bzw. die Temperaturen so hoch sein, dass im Fall des Einsatzes von Pulvergranulaten diese zu einem dichten Körper sintern und es zu einer formschlüssigen Verbindung der einzelnen Komponenten kommt, idealerweise mit einer sehr gut kontrollierten, geringen Diffusionszone . Zusammengefasst bietet die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile:
a) Erweiterung der Werkstoffkombinationen auf Keramik- Keramik; Metall-Keramik, Metalle/Legierungen-Metal- le/Legierungen, inklusive deren Kombinationen sowie deren Verbundwerkstoffe. Dadurch erweitern sich die erzielbaren Eigenschaftskombinationen, die sich aus den Verbundwerkstoffen mit Makrostruktur ergeben.
b) Durch Einsatz von Pulvern für die Herstellung einer oder mehrerer Komponenten des erfindungsgemäßen Werkstoffes gibt es wenige Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit von geeigneten Ausgangsmaterialien bzw. sind diese Rohstoffe deutlich kostengünstiger im Vergleich zum Ausgangsmaterial einer Metallfolie die beim Stand der Technik zum Einsatz kommt.
c) Es gibt keine Einschränkung der Zusammensetzung auf Metalle mit hoher Duktilität bei Raumtemperatur bzw. mit gutem Umformverhalten bei erhöhter Temperatur bzw. erfordert die eingesetzte Herstelltechnologie kein Zwischenglühen, um weitere Umformschritte zu ermöglichen . Der erfindungsgemäße Werkstoff wird mittels eines Verdichtungsprozesses hergestellt, im Gegensatz zum mehrmaligen Wiederholen von Umformschritten beim Stand der Technik.
d) Die zur Herstellung verwendeten Technologien sind automatisierbar und skalierbar.
e) Die erzeugten Verbundwerkstoffe können beim Anwenden entsprechender Kombinationen der Ausgangspulver und Prozesstechnik so hergestellt werden, dass sie mit einer zufälligen (nicht determinierten) Makrostruktur hergestellt werden.
f) Die erzeugten Verbundwerkstoffe ermöglichen es Phasen mit sehr hoher Härte und Verschleißbeständigkeit herzustellen, wenn die einzelnen Phasen aus einer Substruktur aufgebaut sind, d.h. einer Matrix, in die Hartstoffpartikel im mikroskaligen Bereich eingebracht sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass die erste Phase aus einem Material mit niedrigerer Sinter- oder Verformungstemperatur hergestellt ist als die zweite Phase. Dies stellt sicher, dass während der Herstellung, d.h. während des Verdichtungs- bzw. Sinterprozesses, zuerst die erste, pulver- oder pulvergranulatförmige Komponente zu einer kontinuierlichen Phase geformt wird. Unter der Sintertemperatur versteht man hierbei jene Temperatur, bei der die pulverförmigen Ausgangs komponenten über Diffusionsprozesse zu einem Festkörper zusammenwachsen . Diese Temperatur liegt - materialabhängig - bei etwa 0,5 - 0,95% des Schmelzpunktes (gemessen in Kelvin) der Ausgangskomponente . Die Umformtemperatur- oder Verformungstemperatur ist j ene Temperatur, bei der das Material bei Anwendung von Druck und Temperatur zu fließen beginnt bzw. plastische Verformung auftritt .
Die zweite Phase kann ebenfalls durch Sintern gebildet werden . Alternativ kann die zweite Phase durch Einlagern von Partikeln in die e rs te Phase in deren pulverförmigem Ausgangszustand hergestellt sein. Das Einlagern erfolgt dabei beispielsweise dadurch, dass eine Mischung aus dem Pulver oder Pulvergranulat der ersten Komponente mit den Partikeln der zweiten Komponente hergestellt wird. Danach wird die Mischung einem VerdichtungsVorgang unterworfen, wodurch die erste Phase gesintert und die Partikel der zweiten Komponente jeweils in der gesinterten ersten Phase eingeschlossen werden. Dabei können die Partikel der zweiten Komponente einem Umformvorgang unterworfen sein.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Partikel ein Länge zu Durchmesser Verhältnis von 1:1 - 3:1 aufweisen. Die Partikel sind beispielsweise als Kugeln, Ellipsoide, Flakes, Plättchen, Späne, Bleche, Blechstücke, Drähte, Bruchstücke oder dgl. ausgebildet. Eine bevorzugte Weiterbildung sieht weiters vor, dass die Partikel einen mittleren volumenäquivalenten Kugeldurchmesser von 0,3-lOmm, bevorzugt 0 , 5-3mm aufweisen.
Die Partikel der zweiten Phase können entweder gleich- orientiert oder zufällig orientiert vorliegen.
Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung nahezu beliebige Materialkombinationen denkbar. Bevorzugt ist sowohl die erste Phase als auch die zweite Phase ein Metall. Besonders bevorzugt ist eine Ausbildung, bei der die erste und die zweite Phase jeweils ein Edelmetall oder eine Edelmetalllegierung, wie z.B. ein Element oder eine Legierung der Platingruppe ist. Alternativ können keramische Partikel die zweite Phase ausbilden, die in einer gesinterten Metallphase zufällig verteilt angeordnet sind.
Bevorzugt besteht die erste Phase aus einem Material mit eine thermischen Leitfähigkeit von > 150 W/mK, wie z.B. Ag, Cu oder AI, und die zweite Phase aus einem Material mit einer thermischen Ausdehnung von < 8 ppm/K, wie z.B. W, Mo, TiB2, Zr (Wo4) 2 · Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Phase ein Verbundwerkstoff ist, der eine kontinuierliche Matrix aufweist, in die wenigstens ein partikelförmiger Füllstoff eingebracht ist.
Bevorzugt beträgt der Volumenanteil der ersten Phase 10- 95%, bevorzugt 30-70%, bevorzugt 40-60%. Der Volumenanteil der zweiten, insbesondere durch Sintern hergestellten Phase beträgt 10-95%, bevorzugt 30-70%, bevorzugt 40-60%.
Wenn die zweite Phase nicht durch Sintern, sondern von Partikeln gebildet ist, sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass der Volumenanteil der zweiten, durch Einlagerung von Partikeln in die erste Phase hergestellten Phase 10- 60%, bevorzugt 20-50%, bevorzugt 30-40% beträgt. In diesem Fall liegen die eingelagerten Partikel mit einer Größe von bevorzugt mindestens 300 μιη vor.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Werkstoffs aus wenigstens einer ersten, pulver- oder pulvergranulat— förmigen Komponente und wenigstens einer zweiten Komponente, umfassend folgende Schritte:
Vermischen der wenigstens einen ersten Komponente mit der wenigstens einen zweiten Komponente,
Verdichten der Komponenten in einer Pressform unter Anwendung von Druck und Temperatur, wodurch die erste Komponente zu einer ersten Phase eines mehrphasigen Gefüges gesintert wird.
Anzumerken ist, dass Merkmale, die oben in Bezug auf den erfindungsgemäßen Werkstoff beschrieben sind, analog im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden können .
Bevorzugt wird so vorgegangen, dass die zweite Komponente in Pulverform oder als Pulvergranulat eingesetzt wird und im Verdichtungsschritt zu einer zweiten Phase des mehrphasigen Gefüges gesintert wird.
Bevorzugt weist das Pulver der ersten Phase und ggf. der zweiten Phase eine Korngröße von < 300pm, bevorzugt < Ιδθμηα, bevorzugt < lOOum, bevorzugt < 50μιη auf.
Eine vorteilhafte Vorgehensweise sieht vor, dass der Verdichtungsschritt als Heißpressen, heißisostatisches Pressen, direktes Heißpressen, Spark Plasma Sintern, Pressen und Sintern oder Extrudieren sowie deren abgewandelte Formen ausgebildet ist.
Der Verdichtungsschritt umfasst bevorzugt das Aufbringen von Druck mit einer Rate von > 0,001 MPa/s, bevorzugt > 0,1 MPa/s und besonders bevorzugt > 10 MPa/s. Bevorzugt beträgt die Druckaufbringungsrate maximal 106 MPa/s. Weiters kann der Verdichtungsschritt eine Wärmeeinbringung mit einer Heizrate von > 10 K/min, bevorzugt > 100 K/min, besonders bevorzugt > 1000 K/min umfassen.
Der Verdichtungsschritt umfasst bevorzugt nach dem Aufbringen von Druck und der Wärmeeinbringung einen Halteschritt, in dem die Temperatur und der Druck über einen Zeitraum von < 6 Stunden, bevorzugt < 1 Stunde, besonders bevorzugt 1-60 Sekunden gehalten werden. Der Druck während dem Halteschritt ist bevorzugt > 1 MPa, bevorzugt > 10 MPa, besonders bevorzugt > 100 MPa . Der Verdichtungsschritt kann in Schutzgas, Vakuum oder an Luft erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Herstellungsverfahren wie folgt durchgeführt.
Sch3111 1 »
Schritt 1 umfasst die Vorbereitung der Ausgangskomponenten. Folgende Ausgangskomponenten können zum Einsatz gelangen:
Die erste Komponente ist insbesondere ein Pulver aus sinterfähigen metallischen oder keramischen Partikeln. Diese Pulver können Korngrößen von kleiner als 300μπι aufweisen, bevorzugt kleiner als lOO m, besonders bevorzugt kleiner als 45μπι.
Die erste Komponente kann aber auch aus Pulvergranulaten bestehen. Diese entstehen dadurch, dass sinterfähiges metallisches oder keramisches Pulver mit Wasser oder durch Lösungsmittelzugabe (z.B. über Sprühtrocknen, Gefrier¬ trocknen oder dgl . ) oder mit Granulierhilfen (z.B. Binderkomponenten, Polymere, Wachse) in Granulate mit einer Größe von 0,5 - 10mm, bevorzugt 1 - 5mm übergeführt werden.
Die zweite Komponente kann ebenso wie die erste Komponente aus einem anderen Pulver eines sinterfähigen metallischen oder keramischen Partikels bestehen. Diese Pulver können Korngrößen von kleiner als 300 m aufweisen, bevorzugt kleiner als ΙΟΟμπι, besonders bevorzugt kleiner als 45μπ\. Ebenso kann die zweite Komponente aus Pulvergranulaten (wie die erste Komponente) hergestellt werden. Eine weitere Ausführungsform beinhaltet die Möglichkeit, dass die zweite Komponente aus Partikeln mit einer eindimensional oder zwei-dimensional gerichteten Form gebildet sein kann, wie z.B. Drahtstücke oder Drähte mit einem Durchmesser von 0,3mm bis 5mm, bevorzugt 0,5mm bis 2mm oder Fasern mit einem Durchmesser von 0,3mm bis 5mm, bevorzugt 0,5mm bis 2mm, oder Flakes, Plättchen, Spänen, Bleche oder Blechstücke. Diese haben charakteristische Dimensionen mit einer Länge, die größer ist als die Dicke, wobei die Dicke der Partikel in einem Bereich von 0,1mm bis 5mm, bevorzugt 0,5mm bis 1mm liegt. Die Partikel müssen sich dadurch auszeichnen, dass sie duktile Eigenschaften bei Raumtemperatur und/oder bei Anwendung von Druck und Temperatur aufweisen .
Die zweite Komponente kann auch von Partikeln mit einer regelmäßigen (z.B. Kugeln) oder unregelmäßigen Form (z.B. Bruchstücke, Splitter ... ) gebildet sein . Diese Füllstoffe können einen mittleren Durchmesser von 0,3mm bis 10mm, bevorzugt zwischen 1mm bis 5mm aufweisen . Bei den Partikeln dieser Art kann es sich beispielsweise um leicht deformierbare Bulkwerkstoffe mit der Möglichkeit zur Deformation unter Einwirkung von Druck und Temperatur handeln .
Es kann sich aber auch um nicht oder schwer deformierbare Werkstoffe handeln, welche im Wesentlichen inert in einer Matrix vorliegen : hier sind insbesondere keramische Füllstoffe zu nennen oder auch Füllstoffe auf Kohlenstoffbasis , insbesondere Diamant, die auch bei Anwendung von sehr hohen Temperaturen und Drücken nicht leicht deformiert werden könne . Schritt 2:
Einwiegen der wenigstens einen ersten Komponente und der wenigstens einen zweiten Komponente und Mischen derselben im gewünschten Verhältnis.
Schritt 3:
Im dritten Schritt erfolgt die Formgebung. Dazu wird die Mischung in eine geeignete Pressform eingefüllt und bei Raumtemperatur durch Anwendung von Druck verdichtet, sodass ein stabiler, hantierbarer "Grünteil" hergestellt wird.
Eine besondere Ausführungsform beinhaltet in diesem Zusammenhang das lagenweise Befüllen einer Pressform, wobei hier Lagen aus unterschiedlichen Konzentrationen der einzelnen Phasen kombiniert werden. Hierbei kann beispielsweise ein Gradientenwerkstoff, ein Sandwich oder Mehrlagenwerkstoff erzeugt werden. Ebenso ist es möglich den Mehrphasenwerkstoff gezielt lokal einzubringen oder auch direkt auf einen Trägerkörper aufzupressen .
Kommt es zur Desintegration des Körpers trotz Anwenden von hohen Presskräften, so kann in den Ausgangsmaterialien zusätzlich vermehrt ein Kunststoffbinder eingesetzt werden, der die Funktion hat einerseits den Formgebungsprozess zu ermöglichen und andererseits das Bauteil zu stabilisieren .
Alternativ kann die Mischung auch direkt in die Pressform gefüllt werden und danach dem Verdichtungsprozess bei Temperatur und Druck unterzogen werden .
Schritt 4 :
Nach Vorliegen des Grünlings kann dieser -· sofern dieser einen hohen Anteil an Kunststoffbinder enthält - in einem optionalen Entbinderungsschritt vom Binder befreit werden. Anschließend wird der Grünling - versehen mit einem Trennmittel - in eine geeignete Pressform eingesetzt und unter Anwendung von Druck und Temperatur zu einem kompakten Bauteil verdichtet.
Der hier beschriebene zusätzliche Formgebungsschritt kann - abhängig von dem Verdichtungsverfahren - auch entfallen und die Verdichtung des Ausgangsmaterials direkt in der Pressform vorgenommen werden.
Ebenso ist es auch hier möglich den Mehrphasenwerkstoff aus Lagen unterschiedlicher Zusammensetzung der einzelnen Phasen, als Gradientenwerkstoff, in einer Sandwichausführung oder auch als Insert gezielt in einem Bereich zu platzieren. Gleichzeitig kann auch direkt auf einen Grundkörper aufgepresst werden.
Für den Verdichtungsprozess werden Prozessparameter ange- wendet, die es für die jeweilige Werkstoffkombination einerseits verhindern, dass es zu einer signifikanten Diffusion/Reaktion zwischen den einzelnen Komponenten kommt , was zu einer Auslöschung der gewünschten Mehr- Phasenstruktur führen würde. Gleichzeitig muss der Vorgang lange genug dauern bzw. die Temperaturen so hoch sein, dass im Fall des Einsatzes von Pulvergranulaten diese zu einem dichten Körper sintern und es zu einer formschlüssigen Verbindung der einzelnen Komponenten kommt, idealerweise mit einer sehr gut kontrollierten, geringen Diffusionszone .
Als besonders vorteilhaft, um sehr hohe Verdichtungen zu erreichen, haben sich Druck unterstützte Heißpress erfahren herausgestellt, insbesondere Verfahren, die sich durch einen sehr raschen Verdichtungsprozess auszeichnen (konventionelles Heißpressen, Spark Plasma Sintern, Direkt beheiztes Heißpressen, Induktives Heißpressen, Kondensator Entladungs-Sintern etc.). Mit diesen Verfahren ist es möglich in wenigen Minuten sinterfähige Werkstoffe zu einem kompakten Werkstoff zu verdichten. Weitere Verfahren, die zur Anwendung kommen können, sind Hochdruck-Hochtemperatur Verfahren sowie auch Verfahren, die an Luft in einer Pressform ein impulsartiges Verdichten (Schmieden) oder Verdichten im Sekunden-Bereich (z.B. Pulver-Schmieden) umfassen. Besonders bei den an Luft stattfindenden Verfahren, kann im Zuge der Herstellung zusätzlich auch ein rascher Äbschreckvorgang erfolgen und ggf. auch die Reaktionen mit der Atmosphäre ausgenutzt werden. Ein rascher Verdichtungsprozess ermöglicht beispielsweise das Behalten von sehr feinkörnigen Mikrostrukturen der durch Sintern entstandenen Phasen, was sich vorteilhaft auf die Materialeigenschaften des Endprodukts auswirkt. Schritt 5:
Nach der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes kann insbesondere bei der Anwendung von sehr rasch arbeitenden Verdichtungsverfahren optional eine zusätzliche Wärmebehandlung angewandt werden. Diese kann zur kontrollierten Ausbildung einer Diffusionszone eingesetzt werden, oder um Verspannungen im Material zu relaxieren .
Schritt 6 :
Nach der Herstellung des erfindungsgemäßen Werkstoffes kann optional ein Umformungsprozess stattfinden, der es beispielsweise ermöglicht Halbzeug in andere Geometrien überzuführen sowie auch eine gewisse bevorzugte Orientierung daraus zu erzeugen. Voraussetzung für diese Umform- schritte ist die entsprechende Duktilität der Materialien. Mögliche Prozesse sind Umformverfahren, wie z.B. Walzen, Ziehen, Hämmern, Rollen, Extrudieren, Severe Plastic Deformation .
Schritt 7 :
Zur Endbearbeitung der Werkstoffe können Prozesse wie Drehen, Fräsen, Schleifen, Drahterodieren, Senkerodieren, Laserbearbeitung oder dgl . zur Anwendung kommen, um die Geometrie des Halbzeugs zu beeinflussen oder um ein Oberflächenfinish durchzuführen.
Schritt 8 :
Abhängig von der Zusammensetzung des Mehrphasengefüges können optional zusätzliche Verfahren zur Oberflächen¬ behandlung vorgenommen v/erden. Diese können die Aufgabe haben, die Farbgebung des Bauteils zu ändern oder die Materialeigenschaften wie z.B. die Härte oder die Verschleißbeständigkeit zu beeinflussen .
Die Verfahren zur Oberflächenbehandlung können folgende Verfahren umfassen :
a) Thermodiffusionsbehandlung : Dabei wird der Bauteil mit pulverförmigen oder pastenförmigen Schlichten versehen . Durch eine Wärmebehandlung kommt e s zur Reaktion des
Bauteils mit der pulverförmigen bzw. pastösen Masse . Die Wärmebehandlung kann zur Ausbildung von Reaktionen führen, die zu einem unterschiedlichem optischen Erscheinungsbild führen bzw. auch die funktionellen Eigenschaften der Komponente (n) verändern .
b) Wärmebehandlung in Gasen: Dabei werden Gase, z.B.
Sauerstoff und/oder Stickstoff, verwendet, um Reaktionsprodukte an der Oberfläche des Bauteils zu erzeugen, z.B. Nitride oder Oxide. Die Wärmebehandlung kann auch an Luft stattfinden.
c) chemische Behandlung: eine chemische Behandlung unter Anwendung von Strom/Spannung kann beispielsweise verwendet werden, um Oberflächen zu anodisieren. Dabei können über die Auswahl des Elektrolyte sowie der Spannung/Strom-Charakteristik die Schichtdicken von erzeugten Nitriden/Oxiden etc. beeinflusst werden.
d) Behandlung mit einem Plasma sowie die Kombinationen eines Plasmas mit Gasen zur selektiven Oberflächenmodifikation.
e) Oberflächenbehandlung durch mechanische Prozesse mittels Bürsten, Kugelperlen, Sandstrahlen, Elektro- polieren, Trovalisieren oder dgl .
f) Ätzen der Oberfläche
g) Beschichtung mit einer transparenten verschleißbeständigen Schicht, wie z.B. mit Diamant, DLC oder Lack/Kunststoffschichten .
Die beschriebenen Schritte 1 bis 8 sind in der nachfolgenden Übersicht nochmals zusammengefasst dargestellt .
Schritt 1: Vorbereitung der .usga ngsko m pon ente n
Erste Komponente Zweite Komponente(n)
1D oder 2D gerichtete Partikel
Sinterfähiges etall-, Keramik■
mit duktilen Eigenschaften
Sinterfähiges Metall-, Keramik oder Verbundwerkstoffpulver
oder Verbundwerkstoffpulver
UN D/ODER UND/ODER UND/ODER
ODER
3D Partikeln mit duktilen
Granulat eines sinterfäh
Eigenschaften oder 3D
Granulat eines sinterfähigen Metall-, Keramik- oder
Füllstoffe aus schwer
Metall-, Keramik- oder Verbundwerkstoffpuivei
deformierbaren Werkstoffen
Verbund Werkstoff pulver
Schritt 2: Einwiegen und Mischen der Komponenten
Schritt 3: Formgebung durch Druck unterstützen Prozess (Herstellung eines„Grünlings") alternativ direkt zu Schritt 4
Schritt 4: Verdichten der Komponenten durch Einwirken von Druck und/oder Temperatur (z.B. durch Heißpressen, Spark Plasma Sintern, etc.
Schritt 5: Optional: Wärmebehandlung
Schritt 6: Optional: Umformprozess (z.B. '.Walzen, Extrudieren, Hämmern etc.)
Schritt 7: Endbearbeitung des ehrphasengefüges
Schritt 8: Optional: Oberflächenfinish wie z.B. -.Härten, Beschichten oder Ätzen
Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Gegenständen, deren Mehrphasengefüge eine einzigartige und individuelle Makrostruktur ergibt, die beispielsweise als Authenti- fizierungsmerkmal oder Sicherheitselement verwendet werden kann. Da die erfindungsgemäß erhaltene Makrostruktur nicht reproduzierbar ist, kann diese nicht kopiert werden.
Der erfindungsgemäße bzw. erfindungsgemäß herstellbare Werkstoff eignet sich besonders für die Herstellung von Schmuckgegenständen, Luxusartikel und technischen Funktionswerkstoffen .
Von besonderem Nutzen insbesondere im Schmuck- und Luxusartikelbereich ist hierbei die nicht determinierte Makrostruktur. Diese verleiht den Produkten Einzigartigkeit aufgrund eines ästhetischen Erscheinungsbildes, insbesondere wenn es sich um Edelmetalle oder Elemente der Platingruppe sowie deren Legierungen handelt und stellt zudem gleichzeitig ein Sicherheitselement dar . Die Oberfläche eines Gegenstands mit der Makrostruktur hat gleichzeitig eine Kopierschut zfunktion, da es schwierig ist , die nicht determinierte Makrostruktur ohne einen erheblichen Aufwand zu reproduzieren .
So können Luxusartikel, wie z.B. Uhren, Schmuck und Ringe, oder auch Gegenstände mit Label, wie z.B. Taschen, sowie auch Premiumprodukte im Consumerbereich (z.B. Handygehäuse) mit einer nicht determinierten Makrostruktur erzeugt werden . Hochwertige Produkte können dadurch geschützt werden ohne dass eine zusätzliche Kennzeichnung erforderlich ist . Ebenso kann die Makrostruktur mit der Möglichkeit zur eindeutigen Identifizierung genutzt werden, um hochwertige Anlageobjekte wie Münzen, Medaillen sowie auch Barren herzustellen. Hierbei ist besonders vorteilhaft, wenn Werkstoffe mit Duktilität verwendet werden, da diese auch nachträglich geprägt werden können. Auch ist hier eine Kombination mit weiteren Werkstoffen möglich, sodass beispielsweise Bi-Metall-Münzen hergestellt werden, die aus einem Metallrand bestehen, in dem im Zentrum ein Insert des Verbundwerkstoffes mit Makrostruktur eingebettet ist oder umgekehrt .
Sicherheitsmerkmale auf Basis von Zahlen, Bildcodes oder Hologramme, wie diese im Bereich von Software zum Einsatz kommen, sind im Schmuck- und Luxusartikelbereich nur bedingt anwendbar, da sie das äußere Erscheinungsbild verändern. Im Dokumentenbereich kommen beispielsweise Hologramme sowie Sicherheitsmerkmale aus Kunststoff mit Reliefstruktur zur Anwendung oder Pigmente mit speziellen Eigenschaften .
Die vorliegende Erfindung liefert hier eine Lösung durch Verwenden der nicht determinierten Makrostruktur, die sich durch eine Zwei- oder Mehrfarbigkeit auszeichnet . Gleichzeitig sind diese Materialien optisch ansprechend und können daher für Luxusartikel und Schmuck eingesetzt werden, insbesondere wenn diese aus Edelmetallen oder Elementen der Platingruppe sowie deren Legierungen aufgebaut sind. Hierbei erfüllt die zwei- oder mehrfärbige Makrostruktur nicht nur die Anforderung hinsichtlich eines ästhetischen Erscheinungsbilds, sondern ermöglicht e s gleichzeitig, dieses schwer kopierbare Makromuster als Sicherheitselement zu verwenden . Mittels einer Bilder- kennungssoftware kann aus den optischen Unterschieden, z.B. hinsichtlich Farbe oder Reflexionsgrad, Emissionsgrad oder dgl., ein einzigartiger Code erzeugt werden. Dazu wird ein Halbzeug bestehend aus zwei oder mehreren Phasen, die sich in ihrem optischen Erscheinungsbild unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich Farbe oder Reflexionsgrad, durch Prozesse der Umformung oder des mechanischen Bearbeitens , z.B. durch Fräsen, Drehen oder dgl., in ein Bauteil übergeführt, das nachfolgend im Schuck, Luxus- und Premiumproduktbereich zur Anwendung kommt, wie z.B. Uhrengehäuse, Ringe, Handygehäuse etc.
Für die Nutzung der Oberfläche des erfindungsgemäßen Werkstoffes als Authentifizierungsmerkmal kann so vorgegangen werden, dass der Hersteller eines aus dem Werkstoff bestehenden oder dieses enthaltenden Produktes eine Bildaufnahme der Makrostruktur an der Oberfläche erstellt, wobei der Bildausschnitt das gesamte Produkt oder nur eine definierten Bereich hiervon erfasst. Dieses Bild wird dem Produkt als Authentifizierungsmerkmal eindeutig zugeordnet. Sofern am Markt mögliche Kopien auftauchen, so kann über die Bilderkennung das charakteristische Muster ermittelt und mit der Datenbank des Herstellers verglichen werden .
Zusätzlich kann die Makrostruktur des Produkts mittels Bilderkennung in ein binäres Muster umgewandelt und mittels eines Algorithmus ein Zahlencode generiert werden. Dieser Zahlencode kann als zweites Sicherheitsmerkmal eingesetzt werden .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Beispiel 1:
Äls erste Komponente wird dendritisches Kupferpulver mit einer Korngröße < 45μιτι eingesetzt. Dieses Pulver wird unter Zugabe eines in Alkohol aufgelösten Granulierbindemittels
(2 Gew.-%) einem Granulierprozess unterzogen, sodass Granulatkörner mit einer Größe von 3-5mm entstehen, wobei der entstandene Feinanteil mit einer Korngröße von weniger als 1mm über ein Sieb entfernt wird. Als zweite Komponente wird Silberpulver mit einer Korngröße < 20μιη ebenfalls zu einem Granulat verarbeitet, sodass die Granulatkörner eine Größe von etwa 2-3mm aufweisen. Die beiden Granulate werden in einem VolumenVerhältnis von Cu : Ag von 60:40 % gemischt und anschließend bei 150 MPa in einer Ring-Stahlform mit einem Außendurchmesser von 30mm und einem Innendurchmesser von 22mm gepresst. Der daraus entstandene Pulver-Grünling hat eine Dichte von ca. 65%. Anschließend wird der Körper in einem Ofen bei einer Temperatur von 450 °C entbindert, sodass die Wachskomponenten entfernt sind . Nach dem Entbindern wird der Grünling in eine auf 7500C beheizte Pressform eingelegt und durch Aufbringen von 100 MPa Pressdruck in 30 Sekunden an Luft verdichtet und danach aus der Form ausgestoßen . Zur Beeinflussung der Mikrostruktur
(Härte ) kann das Material direkt in Wasser oder Öl abgeschreckt werden . Nach der Verdichtung wird der Ring- Rohling gedreht und anschließend fein poliert . Die relative Dichte liegt bei 99,9% der theoretisch berechneten Dichte . Der Rohling ist in Fig . 5 dargestellt .
Beispiel 2 :
Es wird eine ähnliche Vorgangsweise gewählt wie in Beispiel 1. Anstelle von Kupfer wird Titanpulver mit einer Korngröße < 45 m eingesetzt . Die Pulvergranulat Mischung wird in eine Grafitpressform mit einem Durchmesser von 38mm gefüllt und mittels direkt beheizten Heißpressen bei 50 MPa bei 830°C und mit einer Haltezeit von 3 Minuten verdichtet. Die erreichte relative Dichte liegt bei 99, 8% der theoretisch berechneten Dichte. Der Rohling ist in Fig. 1 gezeigt, wobei hier bereits testweise eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde. Der Rohling wird mittels Fräsen in ein Uhrengehäuse übergeführt und poliert werden. Nachträglich erfolgt eine Wärmebehandlung bei 600 °C an Luft, wodurch sich nur die Titanbereiche farblich verändern. Das Uhrengehäuse wird fotografiert und daraus ein binäres Bild erzeugt, welches das Uhrengehäuse auf Grund der speziellen Makrostruktur eindeutig identifiziert. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sich durch das unidirektionale Aufbringen der Presskraft unterschiedliche Makrostrukturen in Pressrichtung sowie quer dazu ergeben.
Beispiel 3:
Silberpulver mit einer Korngröße < 45μιη wird mit Partikeln aus Borkarbid (B4C) in einem Ättritor gemischt, wobei der Anteil an B4C-Partikeln bei 5 vol . -% liegt und die Partikel eine Korngröße unter 10 μπ aufweisen . Das Verbund-Pulver aus Ag und B4C wird mit Messing Spänen (in einem Verhältnis von 50:50 vol . -% ) gemischt , die eine Größe von etwa -6mm in der Länge und etwa 0 , 5-lmm in der Breite bzw . Tiefe aufweisen, wobei die Mischung in eine Pressform (Durchmesser 30mm) gefüllt und bei 150 MPa verdichtet wird. Der sich daraus ergebende Grünling wird in eine permanent beheizte Pressform bei 680°C eingelegt und bei 120 MPa für 60 Sekunden verdichtet. Danach wird der Rohling zu einem Ring weiterverarbeitet. Bei der Messung der Härte an den Reststücken der einzelnen Phasen konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von B4C in der Silbermatrix die Härte gegenüber der reinen Silbermatrix um 22% erhöht.
Beispiel 4
Silberpulvergranulat wie in Beispiel 1 und Goldspäne mit einer Länge von etwa 3-5 mm und einer Dicke/Breite von etwa 0 , 5-2mm werden gemischt (im Verhältnis 55:45 vol . -% ) und die Mischung wird in eine Grafitform mit einer Abmessung von ca. 27mm x 40mm gefüllt. Die Mischung wird in einer direkten Heißpresse bei 50 MPa und einer Temperatur von 820 °C über einen Zeitraum von 5 Minuten verdichtet. Dabei wird Vakuum verwendet. Der daraus erhaltene Rohling mit einer Abmessung von 40x40x8mm hat eine relative Dichte von 99,7%. Aufgrund der geringeren Presskraft sind die Unterschiede in der Makrostruktur in der Pressrichtung und quer dazu nicht so deutlich ausgeprägt. Danach wird der Block überfräst und nachfolgend wärmebehandelt und in einem Walzprozess über mehrere Umformschritte, wobei die Walzrichtung geändert wird, in eine Platte mit einer Dicke von 2mm übergeführt. Die Dichte der Platte erhöht sich durch diesen Vorgang auf >99 , 9% . Gleichzeitig kommt es zu einer vermehrten Ausrichtung der Goldbereiche in der x-y Richtung . Aus dem Halbzeug werden verschiedene Schmuckgegenstände herausgearbeitet : ein Anhänger in Kreuzform, Einlegeteile, die in Halter für Manschettenknöpfe eingelötet werden, Ringe sowie Anhänger für
Beispiel 5:
Aluminiumpulver mit einer Korngröße < 63μιτι wird durch Zugabe eines Bindemittels in ein Granulat mit einer Granulatpartikelgröße von 3-5mm übergeführt . Anschließend wird das Granulat mit Titanspänen vermischt, wobei ein Verhältnis von Aluminiumpulver zu Titanspänen von 70:30 vol.-% zur Anwendung kommt. Die Mischung wird in eine Grafitform (Durchmesser 30 mm) gefüllt, die mit Trennmittel versehen ist. Die Verdichtung erfolgt in einer induktiv beheizten Heißpresse bei einer Temperatur von 630°C und einem Druck von 35 MPa . Für die Herstellung wird eine hohe Heizrate von 200 K/min verwendet und die Haltezeit beträgt 5 Minuten. Im Endprodukt finden sich Hinweise auf TiAl- Phasen, insbesondere an der Übergangszone zwischen der Ti- Phase und der AI-Phase. Die TiAl-Phasen liegen im Volumen mit etwa 5 vo.l.-% vor. Nach der Herstellung wird das Material geschliffen und poliert und nachträglich noch mittels Glasperlenstrahlen oberflächenmodifiziert. Dabei zeigt sich, dass die Phasen eine unterschiedliche Härte und dadurch eine unterschiedliche Oberflächenstruktur aufweisen, farblich unterscheiden sich die Phasen kaum. Erst nach Durchführen einer Wärmebehandlung bei 550 °C ändern die Phasen, insbesondere die Titan-Phase, die Farbe. Aus dem Teil wird ein Anhänger hergestellt.
Beispiel 6:
Ein Pulver einer Titanlegierung (T16AI4V) mit einer Korngröße < 63μηι wird in ein Granulat mit einer Granulatpartikelgröße von 3 -6mm übergeführt. Dieses wird mit Kugeln eines glasartigen Kohlenstoffs mit einem Durchmesser von 1,5mm gemischt, sodass der Anteil der Titanlegierungsmatrix bei 65 vol.-% liegt. Das Pulver wird in einer Grafitform mit einem Durchmesser von 76mm heißgepresst mit einer Höhe von 8mm. Anschließend werden Ringe und Anhänger herausgefräst. Die Ringe werden einer zusätzlichen Wärmebehandlung unter Stickstoff bei 800°C für eine Stunde unterzogen. Dabei kommt es zu einer Änderung der Farbe der Titankomponente, die mit einer Verbesserung der Oberflächenhärte von mehr als 25 % einhergeht und zudem die Verschleißbeständigkeit erhöht.
Beispiel 7 :
ZrC>2 Pulver mit einer 8 mol-% Y2O3 Stabilisierung als erste Komponente sowie ZrÜ2 mit einer 8 mol.-% Y2O3 Stabilisierung sowie einem Zusatz von 3 Gew.-% C0O3 als zweite Komponenten werden jeweils mittels Attritor gemischt und anschließend durch Zugabe von Binder (2 Gew.-%) in zwei Granulatmaterialien mit einer Körnung von etwa 3-5mm übergeführt. Diese werden gemischt und nachfolgend wird bei 300 MPa in einer Stahlform ein Grünling mit 30mm Durchmesser erzeugt. Nach einem Entbinderungsprozess bei 450°C für 1 Stunde wird der Grünling in ein Grafitwerkzeug eingesetzt und mittels induktiver Heißpresse bei -50 MPa und einer Temperatur von 1350 °C in weniger als 15 Minuten verdichtet. Nach dem Bearbeiten mittels Schleifen und Polieren liegt eine Zweifarbenkeramik vor. Aufgrund einer reduzierenden Umgebung beim Heißpressen durch die Grafitform wird der Bauteil nachträglich nochmals an Luft bei 1.000 °C mit einer langsamen Heizrate oxidiert . Dabei kommt es zu einer Änderung der Farben. Nach neuerlichem Schleifen und Polieren wird der Teil mit einem Metallrahmen emgefasst und dient als Anhänger.
Beispiel 8 :
Messingpulver in Granulatform mit einer Granulatgröße von 4-5mm wird mit Edelstahl 316L Pulvergranulaten mit einer Granulatgröße von 3-6mm im Verhältnis 60:40 vol . -% gemischt. Die Granulatmischung wird in einem 39mm x 26mm großen Stahlwerkzeug bei 80 MPa kaltgepresst · und anschließend mit einem Trennmittel versehen. Der Grünteil wird bei 700 °C und 100 MPa 2 Minuten in einer Stahlform heißgepresst und anschließend ausgestoßen. Das Bauteil wird anschließend in einem Strahlprozess gereinigt. Aufgrund der niedrig gewählten Temperatur ist die zweite Komponente nicht gesintert und kann daher mittels Strahlvorgang entfernt werden. Es entsteht dadurch ein poröser Körper mit Makrostruktur, der aufgrund seiner optischen Erscheinung für einen Schmuckartikel, wie z.B. einen Schlüsselanhänger oder eine Brosche eingesetzt werden kann. Ebenso kann die 3-dimensionale Porosität durch optische Färbung hervorgehoben werden. Weitere Einsatzbereiche des Körpers mit Makroporosität sind Filterelemente im technischen Anlagenbereich .
Beispiel 9:
Fig. 2 zeigt ein Zweiphasengefüge aus Silber und Messing in einem Verhältnis von 50:50 vol . -% .
Beispiel 10:
Fig. 3 zeigt ein Zweiphasengefüge aus Gold und Silber in einem. Verhältnis von 50:50 vol . -% .
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Fig . 4 zeigt einen Ausschnitt der Makrostruktur eines Zweiphasengefüges , das als Authentifizierungsmerkmal für den daraus hergestellten Gegenstand dient. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Ausschnitt in ein Schwarz-Weiß-Bild übergeführt werden, um auf diese Art und Weise besser verarbeitet , wie z.B. in einen binären Code transformiert werden zu können.
Beispiel 12
Pulvergranulat wie in Beispiel 1 wird verwendet und gemeinsam mit einem Pulvergranulat mit einer Zusammensetzung aus Cu:Ag von 40:60 vol.% in einer Pressform befüllt und zwar in Form von Lagen. Dabei sind die Lagen aus Cu:Ag mit 40:60 vol.% im Außenbereich und im Zentrum ist eine Lage mit 60:40 vol.%. Die erzielte Sandwichstruktur besteht aus einem Kern mit Cu:Ag mit 60:40, der 4mm dick ist, und von zwei Lagen mit Cu:Ag mit 40:60 vol.% umgeben ist, die etwa 1 , 5 mm dick sind .
Beispiele 13 - 18
Fig. 6 zeigt einen Mehrphasen-Werkstoff bestehend aus zwei Lagen mit unterschiedlicher Konzentration der einzelnen Phasen .
Fig. 7 zeigt einen Mehrphasen-Werkstoff bestehend aus drei Lagen (Sandwichanordnung) mit unterschiedlicher Konzentration .
Fig. 8 zeigt einen Mehrphasen-Werkstoff bestehend aus einer Gradientenstruktur .
Fig. 9 zeigt einen Mehrphasen-Werkstoff, der direkt auf ein Trägermaterial aufgepresst ist.
Fig. 10 zeigt eine Kombination aus einem Mehrphasen- Werkstoff mit einem Trägerkörper .
Fig. 11 zeigt einen Mehrphasen-Werkstoff lokal eingebracht in einen Trägerkörper.

Claims

Patentansprüche :
1. Werkstoff mit mehrphasigem Gefüge umfassend wenigstens eine erste feste Phase und wenigstens eine zweite feste Phase,
wobei die erste Phase und die zweite Phase jeweils ein Metall, eine Metalllegierung, ein keramisches Material oder Kombinationen hiervon in Form eines Verbundwerkstoffs sind,
wobei die Phasen des Gefüges makroskopisch voneinander unterscheidbar sind,
wobei das mehrphasige Gefüge als Einlagerungsgefüge oder als dreidimensionales Durchdringungsgefüge ausgebildet ist,
wobei das Einlagerungsgefüge die erste Phase als in drei Raumdimensionen kontinuierlich auftretende Matrixphase und die zweite Phase als diskontinuierliche, statistisch verteilte Einlagerungsphase aufweist, wobei die erste Phase durch Sintern hergestellt ist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase aus einem Material mit niedrigerer Sinter- oder Verformungstemperatur hergestellt ist als die zweite Phase.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase Kunststoff oder ein Kunststoff-Verbundwerkstoff ist .
4. Werkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Phase durch Sintern oder durch Einlagern von Partikeln in die erste Phase in deren pulverförmigem Ausgangszustand hergestellt ist.
5. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel ein Länge zu Durchmesser Verhältnis von 1:1 - 5:1 aufweisen.
6. Werkstoff nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel als Kugeln, Ellipsoide, Flakes, Plättchen, Späne, Bleche, Blechstücke, Drähte, Bruchstücke oder dgl . ausgebildet sind.
7. Werkstoff nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel einen mittleren volumenäquivalenten Kugeldurchmesser von 0,3-lOmm, bevorzugt 0,5- 3mm aufweisen.
8. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Phase jeweils ein Edelmetall (Ag, Au) oder eine Edelmetalllegierung oder ein Platingruppenmetall (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) bzw. eine Legierung der Platingruppe ist.
9. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit von > 150 W/mK, wie z.B. Ag, Cu oder AI, und die zweite Phase aus einem Material mit einer thermischen Ausdehnung von < 8 ppm/K, wie z.B., W, Mo, TiB2, Zr (Wo4) 2, besteht .
10. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Phase ein Verbundwerkstoff ist, der eine kontinuierliche Matrix aufweist, in die wenigstens ein partikel- oder faser- förmiger Füllstoff eingebracht ist und die Größe der Füllstoffe unter 50 μιη, bevorzugt unter 10 μπι liegt.
11. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der ersten Phase 10- 95%, bevorzugt 30-70%, bevorzugt 40-60% beträgt.
12. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der zweiten, insbesondere durch Sintern hergestellten Phase 10-95%, bevorzugt 30-70%, bevorzugt 40-60% beträgt.
13. Werkstoff nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil der zweiten, durch Einlagerung von Partikeln in die erste Phase hergestellten Phase 10-60%, bevorzugt 20-50%, bevorzugt 30-40% beträgt.
14. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff weniger als 10 Vol . -% Reaktionsprodukte und intermediäre Phasen aus Reaktionen an den Grenzflächen zwischen den Phasen und aus Reaktionen der Phasen mit Sauerstoff, Kohlenstoff und/oder Stickstoff enthält .
15. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aus wenigstens einer ersten, pulver- oder pulvergranulatförmigen Komponente und wenigstens einer zweiten Komponente, umfassend folgende Schritte :
Vermischen der wenigstens einen ersten Komponente mit der wenigstens einen zweiten Komponente,
Verdichten der Komponenten in einer Pressform unter Anwendung von Druck und Temperatur, wodurch die e ste Komponente zu einer ersten Phase eines mehrphasigen Gefüges gesintert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente in Pulverform oder als Pulvergranulat eingesetzt wird und im Verdichtungsschritt zu einer zweiten Phase des mehrphasigen Gefüges gesintert wird .
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver der ersten Phase und ggf. der zweiten Phase eine Korngröße von < 300μπ\, bevorzugt < 150μπι, bevorzugt < lOO m, bevorzugt < 50μιτι aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente in Form von Partikeln eingesetzt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungs schritt als Heißpressen, heißisostatisches Pressen, direktes Heißpressen, Spark Plasma Sintern, Pressen und Sintern oder Extrudieren ausgebildet ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsschritt das Aufbringen von Druck mit einer Geschwindigkeit von > 0,001 MPa/s bevorzugt > 0,1 MPa/s besonders bevorzugt > 10 MPa/s umfasst, wobei die Druckrate bevorzugt maximal 106 MPa/s beträgt .
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsschritt eine Wärme- einbringung mit einer Heizrate von > 10 K/min, bevorzugt > 100 K/min, besonders bevorzugt > 1000 K/min umfasst.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsschritt nach dem Aufbringen von Druck und der Wärmeeinbringung einen Halteschritt umfasst, in dem die Temperatur und der Druck über einen Zeitraum von < 6 Stunden, bevorzugt < 1 Stunde, besonders bevorzugt 30-60 sek gehalten werden, wobei der Druck während des Halteschritts bevorzugt > 1 MPa, bevorzugt > 10 MPa, besonders bevorzugt > 100 MPa ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsschritt in einem technischen Gas, in Schutzgas, Vakuum oder an Luft erfolgt.
24. Verwendung der Gefügestruktur eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder eines nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23 hergestellten Werkstoffs als Authentifizierungsmerkmal .
25. Gegenstand hergestellt aus, bestehend aus oder enthaltend einen Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23.
26. Gegenstand nach Anspruch 25, wobei der Gegenstand ein Schmuckstück, insbesondere Armband, Halsband, Anhänger, Fingerring, Fußschmuck, Ohrring, Anstecknadel, Brosche, Knopf, Krawattennadel, Manschettenknopf, Gürtelschnalle oder Uhr ist.
27. Gegenstand nach Anspruch 25, wobei der Gegenstand ein Kühlkörper, eine Wärmesenke oder eine Wärmespreize
beispielsweise eines elektronischen Bauteils ist.
28. Gegenstand nach Anspruch 25, wobei der Gegenstand ein Luxusartikel ist, insbesondere ein Gehäuse für ein Mobiltelefon, Griffe für Essbesteck, Brieföffner, Füllfeder, Kugelschreiber oder Etui.
29. Gegenstand nach Anspruch 25, wobei der Gegenstand ein Anlageobjekt ist, insbesondere eine Münze, Medaille, Barren oder ein Kunstgegenstand.
30. Gegenstand nach einem der Ansprüche 25 bis 29, umfassend einen von einem Grundkörper gebildeten Teilbereich und einen aus dem Werkstoff hergestellten Teilbereich .
31. Gegenstand nach einem der Ansprüche 25 bis 30, umfassend. einen von dem Werkstoff mit einer ersten Gefügestruktur gebildeten Teilbereich und einen aus dem Werkstoff mit einer zweiten Gefügestruktur hergestellten Teilbereich, wobei die erste und die zweite Gefügestruktur hinsichtlich des Materials der ersten und/oder zweiten Phase oder hinsichtlich des Volumenverhältnisses der wenigstens einen ersten zur wenigstens einen zweiten Phase voneinander verschieden sind.
32. Gegenstand nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit einem Volumenverhältnis der wenigstens einen ersten zur wenigstens einen zweiten Phase vorliegt, das über wenigstens eine räumliche Erstreckung des Gegenstands einen Gradienten aufweist.
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