WO2000049192A1 - Verfahren zur herstellung eines metall-matrix-verbundwerkstoffs und eine vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

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WO2000049192A1
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WO
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reinforcing component
extruder
metal
matrix
matrix metal
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PCT/EP2000/001416
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Dierk Hartmann
Andreas Dworog
Erwin BÜRKLE
Hans Wobbe
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Krauss-Maffei Kunststofftechnik Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/20—Accessories: Details
    • B22D17/30—Accessories for supplying molten metal, e.g. in rations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metal-matrix composite and an apparatus for carrying out this method.
  • Light metal components such as Magnesium alloys for the automotive industry are largely manufactured using the die casting process.
  • the alloys used are further developments of materials that have been known for a long time. These materials certainly meet functional requirements, but they show decisive weaknesses when used in structural components subject to higher loads, which significantly limit their use in these areas.
  • the available standard alloys are characterized by comparatively low stiffness as well as inadequate strength and creep resistance in the range of elevated temperatures above 120 ° C.
  • Heat-resistant special alloys that are processed using standard die casting contain silicon or rare earth metals.
  • the calcium alloyed qualities there are clear restrictions with regard to the calcium alloyed qualities. the castability in die casting. For temperature ranges above 150 to 200 ° C, only complex alloys with rare earth metals and / or silver are available. Alloys of the group QE can be used up to 250 ° C, high-performance materials of the group WE up to 300 ° C.
  • Another starting point lies in the particle reinforcement of the alloys, which is preferably achieved here using aluminum-based oxide ceramic or SiC particles.
  • This type of reinforcement is used almost exclusively to increase strength and rigidity. A significant improvement in the creep properties is not achieved. The improvement in creep properties with fiber reinforcement is much more pronounced. This is usually used as a discontinuous reinforcement with carbon or A ⁇ C ⁇ short fibers.
  • Carbon fibers are mainly used because of their density comparable to that of magnesium, although their handling is more difficult.
  • Short fiber reinforcement allows the creep resistance to be watered down to operating temperatures of 200 ° C.
  • the alloy in the AS41 has sufficient creep resistance up to 250 ° C.
  • the strength and rigidity are given by the increases fatigue behavior
  • the object of the present invention is to provide a method with which the metal-matrix composite materials can be produced simply and economically.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the matrix metal is plasticized in a processing unit comprising an extruder and a reinforcing component is fed to the extruder via a side feed device, in which the mixture of plasticized matrix metal and reinforcing component is then homogenized.
  • the key to the method according to the invention is the use of an extruder for processing the metallic material and at the same time the production of a homogeneous mixture of metallic matrix material and the reinforcing component.
  • Components that are manufactured using such a method in particular components made of magnesium and aluminum materials, can compete with sheet steel constructions and parts made of plastics.
  • an extruder with a so-called push screw, in which the front part of the extruder barrel is designed as an accumulation chamber in front of the screw tip, in which the mixture of metallic matrix material and reinforcing component collects and from which it is shot into the heated tool connected to the extruder by a rapid feed movement of the screw.
  • the metallic matrix material is preferably in the form of partially solidified or partially melted material and is processed in a thixotropic globular state or shot into the tool or its mold cavity.
  • the inner structure of the solidified component or molded part shows a structure of globularly formed primary magnesium mixed crystal embedded in an alloy-dependent eutectic matrix.
  • the metal injection molding described above does not require any melt metallurgy or protective gas technology as is known from conventional die casting. One can therefore understand this process as complete, ie as an in situ process.
  • the properties of the components manufactured in this way lie above that of conventionally manufactured pressure castings and, in addition to a lower porosity level and a higher surface quality, have a higher dimensional accuracy and the method according to the invention is also characterized by an improved material yield.
  • a shaping unit separate from the extruder can be used, which on the one hand can also fulfill the function of injecting material into a mold cavity by using a die casting cylinder filled from the extruder, or a shaping unit based on the continuous casting or extrusion technology. So-called semi-finished products are then manufactured, which can be processed in a further step.
  • the premixing of matrix metal and reinforcing materials can take place in a separate, upstream unit or else in the hopper itself.
  • the components matrix metal and reinforcing component can be metered into the hopper at the same time.
  • the matrix metal is preferably premixed in granular, chip or powder form with the reinforcing component.
  • the method according to the invention is carried out in such a way that the matrix metal is plasticized in a preparation unit comprising an extruder and a reinforcing component is fed to the extruder via a side feed device, in which the mixture is then homogenized plasticized matrix metal and reinforcing component.
  • the extruder can be equipped with a pusher screw, as described above, or else a separate shaping unit can be assigned to the extruder, for example, as mentioned above, a conventional die-casting cylinder for the functional separation of processing the composite material and the injection of the same into a mold cavity.
  • a separate shaping unit can be assigned to the extruder, for example, as mentioned above, a conventional die-casting cylinder for the functional separation of processing the composite material and the injection of the same into a mold cavity.
  • semi-finished products can also be produced using the continuous casting or extrusion process.
  • the extruder In both process alternatives, it is advisable to design the extruder as a twin-screw or multi-screw machine, since these machines allow better control over the conveying process than single-screw machines and thus lead to a homogeneous mixture of matrix metal and reinforcing component much more easily.
  • the effect is advantageously exploited that the intermeshing screws transfer plasticized material from one screw to the other and back again and thereby support the mixing process.
  • the problem frequently observed in single-screw extruders that a kind of lubricating film of liquefied and low-viscosity matrix metal forms on the inner cylinder wall, which reduces the mixing performance of the extruder and also its transport performance, is eliminated here.
  • twin-screw or multi-screw machines With the use of twin-screw or multi-screw machines according to the invention, this problem is drastically reduced and, in the course of the very easily controlled conveying of the material, the range of variation in the duration of the treatment of the material in the extruder is minimized, so that very high constancy in the component quality can be achieved.
  • the twin-screw or multi-screw machines to be used according to the invention can on the one hand be used rotating in the same direction. This has the advantage, in particular, in the case of fibrous reinforcement components that they can be incorporated as long fibers and are retained in their original or only slightly reduced length in the course of incorporation with a relatively high proportion.
  • fiber contents of up to 25% by volume, based on the material, are recommended.
  • extruders in the form of twin-screw or multi-screw machines in which the screws are rotating in opposite directions can also be used.
  • extruders in the form of twin-screw or multi-screw machines in which the screws are rotating in opposite directions can also be used.
  • the materials to be mixed are inevitably conveyed here, so that an exact time control for the treatment time of the materials to be mixed can be obtained.
  • considerably larger shear forces act on fibrous reinforcing components here, so that long fibers can be broken down into short fibers to a greater extent.
  • Non-ferrous metals are particularly suitable as matrix metals for the process according to the invention, i.e. in particular aluminum, magnesium and zinc or their alloys.
  • the reinforcement components can be fibrous, but also particulate, for example powdery, spherical or platelet-shaped.
  • fibers made of oxide ceramic, carbides and / or carbon are particularly preferred.
  • fibers are used as continuous fibers, which are cut into long or short fibers when fed to the extruder. This simplifies the handling of the fibers and in particular also their separation and ultimately homogeneous mixing with the matrix metal.
  • the fibers in question as reinforcing components are often provided with binders and sizes from their production in order to improve their handling.
  • these treatment agents are more of a hindrance because, on the one hand, they introduce foreign substances into the composite, which are undesirable per se and which also degrade in the course of processing the mixture of matrix material and fibers in the extruder, and so on Part uncontrolled influence the composition of the composite.
  • the binder and size that may be present on the fibers are preferably removed before metering into the extruder.
  • the removal of binder and size preferably takes place thermally at temperatures of approximately 400 ° C. or more, for example by passing the long or short fibers (which are preferably obtained directly from an endless fiber material) through an oven and then directly to a feed device of the extruder be fed.
  • This can prevent the binder-free and size-free long or short fibers from clumping together, making it more difficult or even impossible to homogenize the reinforcement component in the metal matrix and to make these reinforcement components accumulate. components in parts of the matrix material can lead undesirably.
  • the heat sources are preferably arranged in the interior of the furnace.
  • Preferred heat sources are infrared radiators.
  • the reinforcing component is preferably first wetted with the matrix metal, attention being paid here to a strong separation of the reinforcing component, in particular if it is used in fiber form, and in a subsequent step Homogenization with the matrix metal as a whole is carried out.
  • the reinforcing component is preferably metered into the extruder via a side feed device at a point in time at which the matrix metal has already been heated to a temperature above the solidus temperature. This facilitates rapid wetting of the added reinforcing component with matrix metal and subsequent rapid homogenization of the mixture.
  • the reinforcement component For wetting the reinforcement component with matrix metal, it can be advantageous, in particular with certain reinforcement components, to work at or just above the liquidus temperature, ie the reinforcement component is metered into the extruder at a time when the matrix material is added. for example, in a temperature range from about 5 to about 10 ° C above the liquidus temperature. This temperature is still close enough to the liquidus temperature to avoid adverse effects on the structure in the finished component or molded part or semi-finished product, and on the other hand this temperature range avoids the presence of solidified components, which are then difficult or require more time to homogenize Matrix metal and reinforcement components can be included.
  • the measure serves to further improve the mixing in of the reinforcing component, in particular also its wetting by the matrix metal, by preheating the reinforcing component before it is metered into the processing unit, in particular via the side feed devices.
  • the homogenization of the reinforcing component and matrix metal is made easier if the reinforcing component comprising fibers is separated before being mixed with the matrix metal or before being metered into the matrix metal.
  • the invention further relates to a metal-matrix composite material which is produced by a method according to the invention, as described above.
  • the invention relates in particular to molded parts which have been produced from the metal composite material as described above.
  • the invention further relates to semi-finished products which are made of the metal composite material as described above.
  • the advantages of the molded parts and semi-finished products made of metal composite material produced by the method according to the invention lie in particular in the fact that an extremely high homogeneity in the distribution of the reinforcement component in the metal matrix can be ensured and that the entire process can be carried out, so to speak, as an in situ process.
  • the method according to the invention ensures a homogeneous distribution of the reinforcement component in the metal matrix even with reinforcement components that are difficult to process.
  • the process according to the invention in the process products can ensure that undesired accumulations of reinforcing components in the metal matrix are avoided, in particular agglomeration of reinforcing fibers or agglomeration of particulate or granular reinforcing materials.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention, which device is characterized in that it comprises a mixing device for mixing the matrix metal with a reinforcing component, in each case in a solid state, and in that the device comprises a single-screw, two-screw or multi-screw machine , with the help of which the mixture of matrix metal and reinforcing component can be plasticized and homogenized.
  • the device for carrying out the method according to the invention can be designed such that it comprises an extruder with which the matrix metal can be plasticized and that the extruder comprises side feed devices via which the reinforcing component can be metered into the matrix metal, in particular the already plasticized matrix metal.
  • the device is followed by a molding unit with which the material supplied from the extruder can be molded directly into semi-finished or molded parts.
  • a molding unit with which the material supplied from the extruder can be molded directly into semi-finished or molded parts.
  • the process was carried out, so to speak, as an in-situ process, which in particular largely makes the complex protective gas technology that is otherwise necessary when processing light metals superfluous.
  • the molding unit will preferably be designed as a continuous casting or extrusion unit when it comes to the production of semi-finished products. Molded parts are preferably produced with a molding unit in the form of a die casting unit, the extruder directly filling the shot cylinder of the die casting unit and this then shooting the mixture of matrix metal and reinforcing component into a mold cavity.
  • the extruder adjacent to its outlet via which the shaping unit is operated, comprises a degassing unit, via which gaseous by-products which may arise in the extruder, for example due to the introduction of binder or sizing agent components, can be removed.
  • the drawing shows a schematic representation of an extruder 10 of the type of a twin-screw extruder, in the extruder barrel 12 of which two screws are mounted, of which only the front screw 14 can be seen in the area shown broken away.
  • the profile of the screw 14 engages in the profile of the neighboring screw behind it.
  • the top surface 16 of the screw flights of the one screw 14 adjoins the core surface 18 of the (not visible) neighboring screw.
  • the distance from the head diameter K j of one screw to the core diameter K 2 of the neighboring screw and the distance from Helix flanks with respect to one another are to be selected such that, on the one hand, a desired shear stress can be generated in the case of a metallic material with dendritic properties, but on the other hand the liquefied phase of the metallic material, due to its lower viscosity, is not uncontrolled by the gaps between the helical flanks, the top faces 16 and the core surfaces 18 and the top surfaces 16 and the inner wall 20 of the extruder barrel 12 can flow.
  • the intermeshing screws form, in the event that they are driven in opposite directions, progressively closed chambers in which the material is forcibly transported.
  • the drive unit 24 for the screws 14 is located after the area of the filling funnel 22 for feeding the extruder 10 with metallic material, for example in granulate, chip or powder form. Between the drive unit 24 and the cylinder 12 and the screw 14 there are heat decouplings (not shown) arranged.
  • feed devices 26 to 29 Following the filling funnel 22 there are a number of feed devices 26 to 29 through which additional materials can be fed into the extruder 10 at the process and temperature stages, which are suitable for the respective input material. Thermal energy is introduced into the extruder 10 from the outside via heating sleeves 30 each shown in half section.
  • the feed devices 26 to 29 can optionally have insertion funnels, dosing screws, stuffing devices, belt or tube vingzufarschreibungen, extruders (including the twin screw extruder according to the invention) or injection units for liquids.
  • the feed device 27 is directly coupled to a device which pulls the continuous fibers 32 from a roll 34 and feeds them to a cutting unit 36 in which the continuous fibers are cut into long or short fibers 38.
  • the long or short fibers go directly from the cutting unit 36 into an oven 40, in which the fibers 38 are thermally removed from the binder and size. It is also conceivable to thermally remove binder and size from the continuous fibers in an oven and only then feed them to a cutting unit.
  • the fibers thus prepared and preheated at the same time then pass through the side feed device 27 into the extruder 10, where they are drawn in by the screw system and mixed with the matrix metal.
  • the feed devices 26 to 29 are preferably supplied with an inert gas as a protective gas.
  • the screw 14 is shown purely schematically and of course can have a varying configuration over its length.
  • the corresponding screw sections will be adapted to the respective function of the screw 14.
  • a piston 46 is arranged reversibly in the die-casting cylinder 44.
  • the die-casting cylinder 44 is followed by a second heated channel 48 leading to a mold cavity (not shown), which can be closed with an actively controllable closure nozzle 50.
  • the piston 46 is displaceably displaceable via a hydraulic piston-cylinder unit 52 of a hydraulic system 54.
  • the thixotropic or else liquid metallic material produced in the extruder 10 which can be mixed with the reinforcing material and possibly various other additional materials, is passed via the first heated channel 42 into the die-casting cylinder 44, the outlet of which is blocked by the closure nozzle 50.
  • the hydraulic piston / cylinder unit 52 is controlled for the filling process of the die casting cylinder 44 in such a way that the piston 46 can be pushed back in a controlled manner and is stopped when the required filling quantity is reached.
  • the filling process takes place at the low pressure level (for example 5 to 120 bar) generated by the extruder 10.
  • the piston 46 is advanced by the hydraulic piston-cylinder unit 52 and brought to the injection pressure (for example 1500-2000 bar) in the pressure casting cylinder by means of a pressure increase.
  • the thixotropic or optionally liquid metallic material reaches the mold cavity via the opened closure valve 50 and the second heated channel 48.

Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Matrix-Verbundstoffes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen, mit dem Metall-Matrix-Verbundstoffe einfach und wirtschaftlich hergestellt werden können, wird vorgeschlagen, dass das Matrix-Metall und eine in die Matrix einzuarbeitende Verstärkungskomponente in fester Form vorgemischt und als Mischung einem Aufbereitungsaggregat zugeführt werden, wobei das Aufbereitungsaggregat einen Extruder umfasst, in welchem das Matrix-Metall plastifiziert und die Mischung von Matrix-Metall und Verstärkungskomponente homogenisiert wird.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES METALL-MÄTRIX-VERBUNDWERKSTOFFS UND EINE VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens .
Bauteile aus Leichtmetallen wie z.B. Magnesiumlegierungen für die Fahrzeugindustrie werden zum größten Teil im Druckgießverfahren gefertigt. Die dabei verwendeten Legierungen sind Weiterentwicklungen von bereits seit langem bekannten Werkstoffen. Diese Werkstoffe erfüllen durchaus funktionale Anforderungen, zeigen jedoch einsatzspezifisch bei der Verwendung in höher beanspruchten Strukturbauteilen entscheidende Schwächen, die den Einsatz in diesen Bereichen deutlich beschränken. Vergleichsweise niedrige Steifigkeiten sowie unzureichende Festigkeiten und Kriechbeständigkeit im Bereich erhöhter Temperaturen oberhalb von 120 °C kennzeichnen die verfügbaren Standardlegierungen.
Warmfeste Sonderlegierungen, die über das Standarddruckgießen verarbeitet werden, enthalten Silicium bzw. Seltenerdmetalle.
Zur Zeit wird auch Legierungen wieder Beachtung geschenkt, die bei reduziertem Aluminium- und erhöhtem Zinkgehalt mit Calcium legiert sind und für Temperaturen bis 150°C eingesetzt werden können. Allerdings sind bei den Calcium legierten Qualitäten deutliche Einschränkungen bzgl . der Gießbarkeit im Druckgießen im Kauf zu nehmen. Für Temperaturbereiche oberhalb von 150 bis 200°C stehen nur noch komplexe Legierungen mit Seltenerdmetallen und/oder Silber zur Verfügung. Legierungen der Gruppe QE können bis zu 250°C eingesetzt werden, Hochleistungswerkstoffe der Gruppe WE bis hin zu 300°C.
Allerdings sind bei diesen Werkstoffen sehr hohe Kosten von mehr als DM 50 pro kg anzusetzen. Sie finden nahezu ausschließlich als Sandguss- oder Schmiedelegierungen in der Luft- und Raumfahrttechnik Anwendung.
Schwerpunkte in der Entwicklung von hochfesten, kriechbeständigen Magnesiumwerkstoffen für Einsatztemperaturen oberhalb von 200°C liegen auf dem Gebiet der Ausscheidungshärtung mit Legierungselementen wie Scandium, Yttrium und Gadolinium. Aufgrund der extrem hohen Kosten für diese Legierungselemente ist die wirtschaftliche Anwendbarkeit in der Massenteilfertigung jedoch nicht absehbar.
Gemäß einem anderen Entwicklungsansatz zur Erhöhung der Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit von Magnesiumlegierungen unter weitestgehender Beibehaltung des niedrigen spezifischen Gewichtes sind Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe. Werkstoffseitig werden Kurz- und Langfaserverstärkung vielfach untersucht. Die mit diesen neuen Werkstoffentwicklungen verbundenen Eigenschaftsverbesserungen sind vielversprechend und entscheidende, grundlegende Zusammenhänge bzgl. Werkstoffverhalten und Werkstoff- versagen konnten bereits aufgefunden werden.
Ein weiterer Ansatzpunkt liegt in der Partikelverstärkung der Legierungen, die hier vorzugsweise über Aluminium basierte oxidkeramische oder SiC-Partikel erreicht wird. Diese Art der Verstärkung wird nahezu ausschließlich zur Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit eingesetzt. Eine signifikante Verbesserung der Kriecheigenschaften wird nicht erreicht. Wesentlich ausgeprägter ist die Verbesserung der Kriecheigenschaften bei Faserverstärkung. Diese wird in der Regel als diskontinuierliche Verstärkung mit Kohlenstoff- oder A^C^-Kurzfa- sern eingesetzt.
Kohlefasern werden vor allem aufgrund ihrer mit dem Magnesium vergleichbaren Dichte eingesetzt, wobei allerdings ihre Handhabung schwieriger ist .
Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Verwendung von A^Og-Fasern interessant. So konnte für die Legierung AZ91 mit einer AI2O3-
KurzfaserverStärkung eine Ver ässerung der Kriechfestigkeit bis zu Einsatztemperaturen von 200 °C erzielt werden, bei der Legierung im AS41 findet man eine ausreichende Kriechbeständigkeit bis 250°C. Die Festigkeit und Steifigkeit werden durch die
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erhöht, das Ermüdungsverhalten bei
Dauerbelastung verbessert .
Deutliche Eigenschaftsverbesserungen wurden auch bei Verwendung von SiC-Whiskern in der AZ91-Legierung gefunden. Allerdings ist mit den herkömmlichen Verfahren die Verwendung von Whiskern in großtechnischem Maßstab kaum realisierbar, da die Verarbeitung der Whisker aufgrund der Cancerogenität der stabilen Kurzfasern Probleme bereitet.
Die bislang bekannten Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Verbundwerkstoffe und deren Verarbeitung sind jedoch aufwendig bzw. beschränken sich auf einige wenige sehr spezielle Anwendungen.
Aufgrund des häufig anzutreffenden Falles von deutlich unterschiedlichen Dichten von Matrix-Metall und Verstärkungsstoffen kämpfen herkömmliche Technologien mit Seigerungsproblemen. Die Folge davon sind ungleichmäßige Verteilungen der Verstärkungsstoffe in der Metallmatrix.
In aller Regel werden sogenannte Preforms aus dem entsprechenden Fasertypus hergestellt und anschließend mittels Squeeze Casting mit Magnesiumschmelze getränkt. Auf diese Weise sollen sogenannte Inserts für späteres Umgießen oder vollständig verstärkte Bauteile (z.B. Kolben für Verbrennungsmotoren) hergestellt werden. Anschaulich ist diese Verfahrensweise beispielsweise von O. Öttinger, R.F. Singer, Z. Metallkd. 84 (1993), 12 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben, mit dem die Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe einfach und wirtschaftlich hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem Verfahren der Eingangs genannten Art gelöst, wobei das Matrixmetall und eine in die Matrix einzuarbeitende Verstärkungskomponente in fester Form vorgemischt und als Mischung einem Aufbereitungsaggregat zugeführt werden, welches einen Extruder umfasst, in welchem das Matrix-Metall plastifiziert und die Mischung von Matrix-Metall und Verstärkungskomponente homogenisiert wird.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass das Matrix-Metall in einem einen Extruder umfassenden Aufbereitungsaggregat plastifiziert wird und eine Verstärkungskomponente über eine Seiteneinspeiseeinrichtung dem Extruder zugeführt wird, in welchem dann eine Homogenisierung der Mischung von plastifiziertem Matrix-Metall und Verstärkungskomponente erfolgt .
Schlüssel zu dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Verwendung eines Extruders zur Aufbereitung des metallischen Materials und gleichzeitig der Herstellung einer homogenen Mischung von metallischem Matrixmaterial und der Verstärkungskomponente.
Bauteile, die nach einem solchen Verfahren hergestellt sind, insbesondere Bauteile aus Magnesium- und Aluminiumwerkstoffen, können mit Stahlblechkonstruktionen sowie Teilen aus Kunststoffen konkurrieren.
Mit der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Technologie lassen sich feste Verstärkungsstoffanteile bis max. 50 Vol.% verarbeiten.
Will man das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Formteilen verwenden, empfiehlt es sich einen Extruder mit einer sogenannten Schubschnecke zu verwenden, bei der der vordere Teil des Extruderzylinders als eine Akkumulationskammer vor der Schneckenspitze ausgebildet wird, in der sich die Mischung aus metallischem Matrixmaterial und Verstärkungskomponente sammelt und aus der es durch eine schnelle Vorschubbewegung der Schnek- ke in das an den Extruder angeschlossene beheizte Werkzeug geschossen wird. Bevorzugt liegt das metallische Matrixmaterial als teilerstarrtes bzw. teilerschmolzenes Material vor und wird in einem thixotropen globulären Zustand verarbeitet bzw. in das Werkzeug bzw. dessen Formkavität geschossen.
Bei der Verarbeitung von Magnesiumlegierungen zeigt die innere Struktur des erstarrten Bauteiles bzw. Formteiles ein Gefüge aus globulitisch ausgebildetem primärem Magnesiummischkristall eingelagert in eine legierungsabhängige eutektische Matrix. Das zuvor beschriebene Metallspritzgießen erfordert keine Schmelzmetallurgie und keine Schutzgastechnologie wie es vom herkömmlichen Druckgießen her bekannt ist. Man kann diesen Vorgang deshalb als vollständig abgeschlossen, d.h. als in situ-Prozess verstehen. Die so gefertigten Bauteile liegen bzgl. ihres Eigenschaftsprofils über dem von herkömmlich hergestellten Druck- gussteilen und weisen neben einem niedrigeren Porositätsniveau und einer höheren Oberflächengüte eine höhere Maßgenauigkeit auf und das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich zudem durch ein verbessertes Materialausbringen aus.
Alternativ zu der Schubschnecke kann ein vom Extruder gesondertes Ausformaggregat verwendet werden, was zum einen ebenfalls die Funktion des Einschießens von Material in eine Formkavität erfüllen kann indem ein Druckgießzylinder, befüllt aus dem Extruder, verwendet wird, oder aber ein Ausformaggregat in Anlehnung an die Stranggieß- bzw. Strangpresstechnik sein. Hierbei werden dann sogenannte Halbzeuge gefertigt, die in einem weiteren Schritt weiterverarbeitet werden können.
Die Verwendung eines Druckgießzylinders anstelle der Schubschnecke als Einspritzaggregat zum Einschießen der Mischung aus Matrixmetall und Verstärkungskomponente in Formkavitäten hat den Vorteil, dass hier geringere Massen bewegt werden müssen und somit letztendlich größere Schussgeschwindigkeiten und/oder größere Schussmassen verarbeitet werden können.
Die Vormischung von Matrixmetall und Verstärkungsstoffen kann in einem gesonderten, vorgeschalteten Aggregat geschehen oder aber auch im Einfülltrichter selbst. Beispielsweise können die Komponenten Matrixmetall und Verstärkungskomponente gleichzeitig dem Einfülltrichter zudosiert werden.
Bevorzugt wird das Matrixmetall in Granulat-, Span- oder Pulverform mit der Verstärkungskomponente vorgemischt.
Alternativ wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass das Matrixmetall in einem einen Extruder umfassenden Aufbereitungsaggregat plastifiziert wird und eine Verstärkungskomponente über eine Seiteneinspeiseeinrichtung dem Extruder zugeführt wird in welchem dann eine Homogenisierung der Mischung von plastifiziertem Matrixmetall und Verstärkungskomponente erfolgt.
Auch bei diesem Verfahren gilt, dass der Extruder mit einer Schubschnecke ausgerüstet sein kann, wie zuvor beschrieben, oder aber dem Extruder ein gesondertes Ausformaggregat zugeordnet werden kann, beispielsweise wie zuvor erwähnt, ein herkömmlicher Druckgießzylinder zur funktioneilen Trennung von Aufarbeiten des Verbundwerkstoffs und ein Einschießen desselben in eine Formkavität. Auch bei dieser Alternative können Halbzeuge im Stranggieß- oder Strangpressverfahren hergestellt werden.
Bei beiden Verfahrensalternativen empfiehlt es sich den Extruder als eine Doppelschnecken- oder Vielschneckenmaschine auszubilden, da diese Maschinen gegenüber Einschneckenmaschinen eine bessere Kontrolle über den Fördervorgang erlauben und damit wesentlich einfacher zu einer homogenen Mischung von Matrixmetall und Verstärkungskomponente führen. Hier wird mit Vorteil insbesondere bei der Verarbeitung von metallischen Materialien der Effekt ausgenutzt, dass die kämmenden Schnecken plastifiziertes Material von einer auf die andere Schnecke und wieder zurück übertragen und hierdurch den Mischvorgang unterstützen. Insbesondere entfällt hier das bei Einschneckenextrudern häufig beobachtete Problem, dass sich eine Art Schmierfilm aus verflüssigtem und niedrig viskosem Matrixmetall an der inneren Zylinderwandung ausbildet, der die Mischleistung des Extruders herabsetzt und ebenso dessen Transportleistung.
Mit dem erfindungsgemäßen Einsatz von Doppelschnecken- oder Vielschneckenmaschinen wird dieses Problem drastisch vermindert und im Zuge der sehr gut zu kontrollierenden Förderung des Materials die Variationsbreite in der Zeitdauer der Behandlung des Materials im Extruder minimiert, so dass eine sehr hohe Konstanz in der Bauteilqualität erzielbar ist. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Doppelschnecken- oder Vielschneckenmaschinen können zum einem gleichsinnig drehend verwendet werden. Dies hat insbesondere bei faserförmigen Verstärkungskomponenten den Vorteil, dass diese als Langfasern eingearbeitet werden können und im Laufe der Einarbeitung mit einem relativ hohen Anteil in ihrer ursprünglichen oder nur unwesentlich verminderten Länge erhalten bleiben.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung empfehlen sich Fasergehalte bis zu 25 Vol.%, bezogen auf den Werkstoff.
Erfindungsgemäß lassen sich andererseits auch Extruder in Form von Doppelschnecken- oder Vielschneckenmaschinen einsetzen bei welchen die Schnecken gegensinnig drehend sind. Hier gewinnt man den zusätzlichen Vorteil, dass hier in der Tat eine zwangsweise Förderung der zu mischenden Materialien vorgenommen wird, so dass eine exakte Zeitkontrolle für die Behandlungzeit der zu mischenden Materialien erhalten werden kann. Allerdings wirken hier erhebliche größere Scherkräfte auf faserförmige Verstärkungskomponenten, so dass es hier zu einem Abbau von Langfasern zu Kurzfasern in größerem Umfang kommen kann.
Als Matrixmetalle eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere Nichteisen-Metalle, d.h. insbesondere Aluminium, Magnesium und Zink bzw. deren Legierungen.
Die Verstärkungskomponenten können wie zuvor bereits erwähnt faserförmig sein, aber auch partikelförmig, beispielsweise pul- verförmig, kugelförmig oder plättchenförmig.
Bei der Auswahl von Verstärkungskomponenten in Faserform werden insbesondere Fasern aus Oxidkeramik, Karbiden und/oder Kohlenstoff bevorzugt . Bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Fasern als Endlosfasern verwendet, welche beim Zuführen zum Extruder in Lang- oder Kurzfasern geschnitten werden. Dies vereinfacht die Handhabung der Fasern und insbesondere auch deren Vereinzelung und letztendlich homogenen Mischung mit dem Matrixmetall.
Vorstellbar ist auch, die Endlosfasern direkt dem Extruder zuzuleiten und diese über die Scherwirkung der Schnecke in Langoder Kurzfasern zu schneiden.
Die als Verstärkungskomponente in Frage kommenden Fasern sind häufig aus deren Produktion mit Bindemittel und Schlichte versehen, um deren Handhabung dabei zu verbessern. Bei der Einarbeitung der Fasern in die Metallmatrix sind diese Behandlungsmittel jedoch eher hinderlich, weil sie zum einen Fremdstoffe in den Verbundwerkstoff eintragen, die an sich unerwünscht sind und die sich zudem im Verlauf der Aufarbeitung der Mischung von Matrixmaterial und Fasern im Extruder abbauen und so zum Teil unkontrolliert die Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs beeinflussen.
Deshalb wird bevorzugt das Bindemittel und Schlichte, die auf den Fasern eventuell vorhanden sind, vor dem Zudosieren zum Extruder entfernt. Das Entfernen von Bindemittel und Schlichte geschieht bevorzugt thermisch bei Temperaturen von ca. 400°C oder mehr, beispielsweise in dem die Lang- oder Kurzfasern (die bevorzugt direkt von einem Endlosfasermaterial gewonnen werden) durch einen Ofen geleitet werden und danach direkt einer Einspeiseeinrichtung des Extruders zugeführt werden. Somit kann verhindert werden, dass die bindemittel- und schlichtefreien Lang- oder Kurzfasern zusammenballen und so ein Homogenisieren der Verstärkungskomponente in der Metallmatrix erschweren oder gar unmöglich machen und zu Anhäufungen dieser Verstärkungskom- ponente in Teilen des Matrixmaterials unerwünschterweise führen können.
Als Ofen wird insbesondere ein Drehrohrofen verwendet, da hier ausreichende Verweilzeiten zur vollständigen Entfernung von Bindemittel und Schlichte gewährleistet werden können. Bevorzugt werden die Heizquellen im Inneren des Ofens angeordnet. Bevorzugte Heizquellen sind hierbei Infrarotstrahler.
Um zu einer besonders homogenen Verteilung ohne allzu großen apparativen Aufwand zu kommen, wird bevorzugt die Verstärkungskomponente zunächst mit dem Matrixmetall benetzt, wobei hier bereits auf eine starke Vereinzelung der Verstärkungskomponente, insbesondere wenn sie in Faserform eingesetzt wird, geachtet wird und in einem folgenden Schritt die Homogenisierung mit dem Matrixmetall insgesamt durchgeführt wird.
Bevorzugt wird insbesondere unter Beachtung des vorgenannten Aspektes die Verstärkungskomponente über eine Seiteneinspeiseeinrichtung zu dem Extruder zu einem Zeitpunkt zudosiert, zu dem das Matrixmetall auf eine Temperatur oberhalb der Solidus- temperatur bereits aufgeheizt ist. Dies erleichtert ein schnelles Benetzen der zudosierten Verstärkungskomponente mit Matrixmetall und eine nachfolgende schnelle Homogenisierung der Mischung.
In vielen Anwendungsfällen ist es bevorzugt unterhalb der Liquidustemperatur zu arbeiten, so dass das Matrixmetall in thixotropem bzw. fest-flüssigen Zustand im Extruder vorliegt.
Für das Benetzen der Verstärkungskomponente mit Matrixmetall kann es insbesondere bei bestimmten Verstärkungskomponenten von Vorteil sein, bei oder knapp oberhalb der Liquidustemperatur zu arbeiten, d.h. die Verstärkungskomponente wird zu einem Zeitpunkt zu dem Extruder zudosiert zu dem das Matrixmaterial bei- spielsweise in einem Temperaturbereich von ca. 5 bis ca. 10 °C oberhalb der Liquidustemperatur aufgeheizt ist. Diese Temperatur ist noch nahe genug an der Liquidustemperatur um nachteilige Auswirkungen auf das Gefüge in dem fertigen Bauteil- bzw. Formteil oder Halbzeug zu vermeiden und andererseits vermeidet dieser Temperaturbereich das Vorliegen von erstarrten Anteilen, die dann nur schwierig oder unter erhöhtem Zeitbedarf in die Homogenisierung von Matrixmetall und Verstärkungskomponente mit einbezogen werden können.
Der weiteren Verbesserung der Einmischung der Verstärkungskomponente, insbesondere auch deren Benetzung durch das Matrixmetall, dient die Maßnahme die Verstärkungskomponente vorzuwärmen, bevor sie dem Aufarbeitungsaggregat, insbesondere über die Seiteneinspeiseeinrichtungen, zudosiert wird.
Wie bereits zuvor kurz angesprochen erleichtert es die Homogenisierung von Verstärkungskomponente und Matrixmetall, wenn die Fasern umfassende Verstärkungskomponente vor der Mischung mit dem Matrixmetall bzw. vor dem Zudosieren zu dem Matrixmetall vereinzelt werden.
Die Erfindung betrifft ferner einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, welcher nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wie zuvor beschrieben, hergestellt ist.
Die Efindung betrifft insbesondere Formteile, die aus dem Metallverbundwerkstoff, wie zuvor beschrieben, hergestellt worden sind.
Die Efindung betrifft weiterhin Halbzeuge, die aus dem Metallverbundwerkstoff, wie zuvor beschrieben, hergestellt sind.
Die Vorteile, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formteile und Halbzeuge aus Metallverbundwerkstoff liegen insbesondere darin, dass eine extrem hohe Homogenität in der Verteilung der Verstärkungskomponente in der Metallmatrix sichergestellt werden kann und dass der gesamte Prozess sozusagen als ein in situ-Prozess durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt auch bei schwierig zu verarbeitenden Verstärkungskomponenten eine homogene Verteilung der Verstärkungskomponente in der Metallmatrix sicher.
Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in den Verfahrensprodukten, nämlich den Formteilen und den Halbzeugen, sicherstellen, dass unerwünschte Anhäufungen von Verstärkungskomponente in der Metallmatrix vermieden werden, insbesondere ein Zusammenballen von Verstärkungsfasern oder ein Agglomerieren von partikelförmigen bzw. granulären Verstärkungsstoffen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei sich diese Vorrichtung dadurch auszeichnet, dass sie eine Mischvorrichtung zum Mischen des Matrixmetalls mit einer Verstärkungskomponente, jeweils in festem Zustand, umfasst und dass die Vorrichtung eine Einschnecken-, Zweischnecken- oder Vielschneckenmaschine umfasst, mit deren Hilfe die Mischung aus Matrixmetall und Verstärkungskomponente plastifizierbar und homogenisierbar ist.
Alternativ kann die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens so ausgelegt sein, dass diese einen Extruder umfasst, mit dem Matrixmetall plastifizierbar ist und dass der Extruder Seiteneinspeiseeinrichtungen umfasst, über die die Verstärkungskomponente dem Matrixmetall, insbesondere dem bereits plastifizierten Matrixmetall zudosierbar ist.
Bevorzugt schließt sich an die Vorrichtung eine Ausformeinheit an, mit der das aus dem Extruder angelieferte Material direkt zu Halbzeug oder Formteilen ausgeformt werden kann. Hier wird dann wie zuvor erwähnt der Prozess sozusagen als in situ-Prozess durchgeführt, was insbesondere die bei der Verarbeitung von Leichtmetallen ansonsten notwendige aufwendige Schutzgastechnologie in großem Umfang überflüssig macht.
Die Ausformeinheit wird bevorzugt als Strangguss- oder Strangpressaggregat ausgelegt sein, wenn es um die Herstellung von Halbzeugen geht. Formteile werden bevorzugt mit einer Ausformeinheit in Form eines Druckgießaggregates hergestellt, wobei der Extruder direkt den Schusszylinder des Druckgießaggregates befüllt und dieses dann die Mischung aus Matrixmetall und Verstärkungskomponente in eine Formkavität einschießt.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass der Extruder benachbart zu seinem Auslass über den die Ausformeinheit bedient wird, eine Entgasungseinheit umfasst, über die gegebenenfalls sich im Extruder, beispielsweise durch eingeschleppte Bindemittel- oder Schlichtemittelanteile entstehende, gasförmige Nebenprodukte abgeführt werden können.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung noch näher erläutert, welche in der einzigen Figur schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen Extruder 10 vom Typ eines Doppelschneckenextruders, in dessen Extruderzylinder 12 zwei Schnecken gelagert sind, von denen in dem aufgebrochen dargestellten Bereich nur die vordere Schnecke 14 zu sehen ist. Die Schnecke 14 greift mit ihrem Profil in das Profil der dahinter liegenden Nachbarschnecke. Dabei schließt die Kopffläche 16 der Schneckengänge der einen Schnecke 14 an die Kernfläche 18 der (nicht sichtbaren) NachbarSchnecke an. Der Abstand vom Kopfdurchmesser Kj der einen Schnecke zum Kern- durchmesser K2 der Nachbarschnecke sowie der Abstand der Schneckenflanken zueinander sind so zu wählen, dass bei einem zu verarbeitenden metallischen Material mit dendritischen Eigenschaften zum einen eine gewünschte Scherbelastung erzeugt werden kann, zum anderen aber die verflüssigte Phase des metallischen Materials aufgrund seiner niedrigeren Viskosität nicht unkontrolliert durch die Spalte zwischen den Schneckenflanken, den Kopfflächen 16 und den Kernflächen 18 sowie den Kopfflächen 16 und der Innenwandung 20 des Extruderzylinders 12 strömen kann. Die kämmenden Schnecken bilden, im Falle, dass diese gegensinnig angetrieben werden, nach vorn fortschreitende abgeschlossene Kammern, in denen das Material zwangsweise transportiert wird.
Mit dem Schervorgang werden zum einen die dendritischen Strukturen der festen Partikel in globulitische Strukturen gewandelt, zum anderen wird damit in gewissem Umfang Reibungswärme freigesetzt.
Anschließend an den Bereich des Fülltrichters 22 zur Beschickung des Extruders 10 mit metallischem Material, beispielsweise in Granulat-, Span- oder Pulverform, befindet sich das Antriebsaggregat 24 für die Schnecken 14. Zwischen dem Antriebsaggregat 24 und dem Zylinder 12 sowie der Schnecke 14 werden Wärmeentkoppelungen (nicht dargestellt) angeordnet.
Anschließend an den Fülltrichter 22 befinden sich eine Reihe von Einspeisevorrichtungen 26 bis 29 durch die Zusatzmaterialien an den Prozeß- und Temperaturstu-fen in den Extruder 10 eingegeben werden können, die für das jeweilige Eingabematerial geeignet sind. Über jeweils im Halbschnitt dargestellte Heizmanschetten 30 wird thermische Energie von außen in den Extruder 10 eingebracht.
Die Einspeisevorrichtungen 26 bis 29 können wahlweise Einführtrichter, Dosierschnecken, Stopfvorrichtungen, Band- oder Ro- vingzuführungen, Extruder (inklusive der erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruder) oder Injektionsaggregate für Flüssigkeiten sein.
Im vorliegenden Fall ist die Einspeisevorrichtung 27 mit einer Vorrichtung direkt gekoppelt, die Endlosfasern 32 von einem Wickel 34 abzieht und einem Schneidwerk 36 zuführt in dem die Endlosfasern zu Lang- oder Kurzfasern 38 geschnitten werden.
Von dem Schneidwerk 36 gelangen die Lang- bzw. Kurzfasern direkt in einen Ofen 40, in dem eine Befreiung der Fasern 38 von Bindemittel und Schlichte thermisch vorgenommen wird. Vorstellbar ist auch, die Endlosfasern in einem Ofen von Bindemittel und Schlichte thermisch zu befreien und diese erst dann einem Schneidwerk zuzuführen. Die so aufbereiteten und gleichzeitig vorgewärmten Fasern gelangen dann über die Seiteneinspeisevorrichtung 27 in den Extruder 10, wo sie von dem Schneckensystem eingezogen und mit dem Matrixmetall vermischt werden.
Bevorzugt werden die Einspeiseeinrichtungen 26 bis 29 mit einem Inertgas als Schutzgas beaufschlagt.
An dieser Stelle sei betont, daß die Schnecke 14 rein schematisch dargestellt ist und über ihre Länge selbstverständlich durchaus eine variierende Konfiguration aufweisen kann. Insbesondere gegenüberliegend zu den Seiteneinspeiseeinrichtungen 26 bis 29 werden die korrespondierenden Schneckenabschnitte an die jeweilige Funktion der Schnecke 14 angepaßt sein.
Das im Extruder 10 erzeugte fest-flüssige, metallische, thixo- trope Material, das mit den verschiedensten weiteren Zusatzmaterialien, auch weiteren Verstärkungsstoffen, gemischt sein kann, wird über einen ersten beheizten Kanal 42 in den Druckgießzylinders 44 geleitet. Im Druckgießzylinder 44 ist ein Kolben 46 reversierbar angeordnet. An den Druckgießzylinder 44 schließt sich ein zweiter, zu einer Formkavität (nicht dargestellt) führender beheizter Kanal 48 an, der mit einer aktiv steuerbaren Verschlußdüse 50 verschließbar ist.
Der Kolben 46 ist über eine hydraulische Kolben-Zylindereinheit 52 eines Hydrauliksystems 54 reversierender Weise verschiebbar.
Im Betrieb wird das im Extruder 10 erzeugte thixotrope oder auch flüssige metallische Material, das mit dem Verstärkungsstoff und gegebenenfalls verschiedenen weiteren Zusatzmaterialien gemischt sein kann, über den ersten beheizten Kanal 42 in den Druckgießzylinder 44 geleitet, dessen Ausgang durch die Verschlußdüse 50 abgesperrt ist. Die hydraulische Kolben/Zylindereinheit 52 wird für den Füllvorgang des Druckgießzylinders 44 so angesteuert, daß der Kolben 46 kontrolliert zurückgeschoben werden kann und bei Erreichen der erforderlichen Füllmenge gestoppt wird. Der Füllvorgang erfolgt bei dem vom Extruder 10 erzeugten niedrigen Druckniveau (z. B. 5 bis 120 bar).
Beim anschließenden Druckgießvorgang wird der Kolben 46 von der hydraulischen Kolben-Zylindereinheit 52 vorgeschoben und im Druckgießzylinder mittels einer Drucküberhöhung auf Einspritzdruck (z. B. 1500 - 2000 bar) gebracht. Über das geöffnete Verschlußventil 50 und den zweiten beheizten Kanal 48 gelangt das thixotrope oder gegebenenfalls flüssige metallische Material in die Formkavität.
In der Zeichnung ist lediglich ein Druckgießzylinder 44 dargestellt, es können jedoch zwei oder mehrere wechselweise oder parallel zu befüllende Zylinder vorgesehen werden. Diese Zylinder können dabei lediglich über einen verzweigten ersten beheizten Kanal versorgt werden. Die Anordnung von Mehrwege- schaltventilen ist dabei nicht unbedingt erforderlich, da die Befüllung der Druckgießzylinder jeweils über die Ansteuerung der zugehörigen hydraulischen Kolben-Zylindereinheit erfolgt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs, wobei das Matrix-Metall und eine in die Matrix einzuarbeitende Verstärkungskomponente in fester Form vorgemischt und als Mischung einem Aufbereitungsaggregat zugeführt werden, wobei das Aufarbeitungsaggregat einen Extruder umfasst, in welchem das Matrix-Metall plastifiziert und die Mischung von Matrix-Metall und Verstärkungskomponente homogenisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrix-Metall in Granulat-, Span- oder Pulverform mit der Verstärkungskomponente vorgemischt wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs, wobei das Matrix-Metall in einem einen Extruder umfassenden Aufbereitungsaggregat plastifiziert wird und eine Verstärkungskomponente über eine Seiteneinspeiseeinrichtung dem Extruder zugeführt wird, in welchem dann eine Homogenisierung der Mischung von plastifiziertem Matrix-Metall und Verstärkungskomponente erfolgt .
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Extruder eine Doppelschneckenoder VielSchneckenmaschine mit gleichsinnig drehenden Schnecken verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Extruder eine Doppelschnecken- oder Vielschneckenmaschine mit gegensinnig drehenden Schnecken verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrix-Metall ein Nichteisen-Me- tall, insbesondere Aluminium, Magnesium, Zink oder eine von deren Legierungen verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente Fasern umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern Fasern aus Oxidkeramik, Karbiden und/oder Kohlenstoff sind.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern Endlosfasern verwendet werden, welche beim Zuführen in Lang- oder Kurzfasern geschnitten werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern vor dem Zudosieren von Bindemitteln und Schlichte befreit werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen von Bindemittel und Schlichte thermisch durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lang- oder Kurzfasern durch einen Ofen direkt einer Einspeiseeinrichtung zugeführt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung zum Entfernen von Bindemit- tel und Schlichte in einem Drehrohrofen durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehrohrofen mit im Inneren angeordneten Heizquellen, insbesondere Infrarotstrahlern, verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente mit dem Matrix-Metall zunächst imprägniert und in einem folgenden Schritt homogenisiert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente über eine Seiteneinspeiseeinrichtung zu einem Zeitpunkt zudosiert wird, zu dem das Matrix-Metall über die Solidus-Temperatur aufgeheizt ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente zu einem Zeitpunkt zudosiert wird, zu dem das Matrix-Metall auf eine Temperatur unterhalb Liquidus aufgeheizt ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente zu einem Zeitpunkt zudosiert wird, zu dem das Matrix-Metall zirka 5 bis zirka 10° C oberhalb der Liquidus-Temperatur aufgeheizt ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente vorgewärmt wird, bevor sie dem Aufarbeitungsaggregat zudosiert wird.
20. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungskomponente Fasern umfasst, wobei die Fasern vor der Mischung bzw. vor der Zudo- sierung zu dem Matrix-Material vereinzelt werden.
21. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Material und die Verstärkungskomponente bzw. die daraus gebildete Mischung zwangsweise im Extruder gefördert wird.
22. Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21.
23. Formteile aus Metallverbundwerkstoff nach Anspruch 22.
24. Halbzeug aus Metallverbundwerkstoff nach Anspruch 22.
25. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mischvorrichtung zum Mischen des Matrix- Metalls mit einer Verstärkungskomponente umfasst, dass die Vorrichtung eine Einschnecken- , Zweischnecken- oder Viel- schneckenmaschine umfasst, mit deren Hilfe die Mischung aus Matrix-Metall und Verstärkungskomponente plastifizierbar und homogenisierbar ist.
26. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 3 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Extruder umfasst, mit dem das Matrix-Metall plastifizierbar ist, und dass der Extruder Seiteneinspeiseeinrichtungen umfasst, über die die Verstärkungskomponente dem Matrix-Metall zudosierbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Ausformeinheit umfasst, mit der das aus dem Extruder angelieferte Material zu Halbzeug oder Formteilen ausgeformt ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformeinheit ein Strangguss-, Strangpress- oder ein Druckgießaggregat umfaßt.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder benachbart zum Auslass eine Entgasungseinheit umfaßt.
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