WO2023198836A1 - Leichtmetall-matrixverbundwerkstoff auf magnesiumbasis und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Leichtmetall-matrixverbundwerkstoff auf magnesiumbasis und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2023198836A1
WO2023198836A1 PCT/EP2023/059694 EP2023059694W WO2023198836A1 WO 2023198836 A1 WO2023198836 A1 WO 2023198836A1 EP 2023059694 W EP2023059694 W EP 2023059694W WO 2023198836 A1 WO2023198836 A1 WO 2023198836A1
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powder
matrix composite
particles
metal matrix
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Alla Kasakewitsch
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Soluterials Verwaltungs Und Verwertungs Ug
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    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to the technical improvement of a magnesium-based metal matrix composite material from a powder mixture with a composition
  • Magnesium with a purity of at least 95.0% and particles with a hexagonal structure and release agent and a process for producing this metal matrix composite material Magnesium with a purity of at least 95.0% and particles with a hexagonal structure and release agent and a process for producing this metal matrix composite material.
  • Metal matrix composite materials are called metal matrix composites (MMC) in the English-speaking world. Presented with magnesium as a metal component, it can be referred to as a magnesium matrix composite material.
  • magnesium is alloyed with different alloying elements, such as aluminum, copper, manganese, nickel, silicon and/or zinc.
  • alloying elements such as aluminum, copper, manganese, nickel, silicon and/or zinc.
  • a very good example of this connection is the most frequently used magnesium die-casting alloys AZ91 (tensile strength: 200-260MPa, rupture calculation: 1-6%) and AM50 (tensile strength: 180-230MPa, elongation at break: 5-15%).
  • the increase in strength of AZ 91 is achieved by alloying 8.5-9.1% aluminum and AM50 achieved with 5.7-6.3% aluminum.
  • the corrosion resistance is significantly reduced.
  • magnesium alloys alloyed with rare earth metals are magnesium alloys alloyed with rare earth metals (REE).
  • DE102009038449B4 relates to a magnesium material in the form of a magnesium alloy alloyed with SEE, with a yield strength Rp 0.2 of at least 140 MPa.
  • DE102008039683A1 relates to a creep-resistant magnesium alloy based on a multi-component system with alloyed SEE.
  • Magnesium-based materials are used for medical applications, which have very good biocompatibility and must be bioabsorbable.
  • REE rare earth metals
  • REEs themselves are highly toxic and therefore represent a significant health risk for the personnel involved in extraction and processing.
  • rare earths often occur in combination with radioactive metals, which releases radioactive radiation when they are broken down.
  • REEs have a higher density than magnesium. Scandium has the lowest density at 2.985g/cm 3 and yttrium at 4.472g/cm 3 . Other REEs have a density of up to 9.84g/cm 3 . These values are well above the density of magnesium at 1.738 g/cm 3 , and as a result significantly increase the density of SEE magnesium alloys.
  • the invention is based on the object of creating a light metal matrix composite material based on magnesium for technical and especially for medical applications, which is at least at the level of usual, possibly improved properties such as corrosion resistance, strength, biocompatibility, biological absorption, environmental friendliness and sustainability, in one simplified manufacturing processes using components that are harmless to health.
  • the magnesium-based light metal matrix composite material according to the invention has a composition consisting of magnesium with a degree of purity of more than 95.0%, preferably more than 99.0% (in particular 99.5%) and up to 2 percent by weight of a release agent, in particular metal soap or Stearic acid, as well as hexagonal boron nitride, graphene oxide, molybdenum sulfide and / or other particles with a hexagonal structure (preferably only these components) - and is characterized according to the invention by a proportion of particles with a hexagonal structure (particularly preferably hexagonal boron nitride) of equal to or less than 5 Weight percent.
  • a release agent in particular metal soap or Stearic acid
  • This light metal matrix composite material f is produced according to the invention by adding the magnesium, for example.
  • the mixture is preferably extruded after the mechanical mixing of the components according to the invention, which means that a tensile strength range can be set, from 100 MPa to over 450 MPa, directly after extrusion, even without previous or subsequent heat treatment.
  • Further primary forming processes such as sintering or 3D printing [additive manufacturing] to produce a billet, semi-finished product shape, or a component in the final contour, are processing methods according to the invention of the light metal matrix composite material powder mixture according to the invention, preferably as follows (executed in the process parameters, controls and/or regulated) so that no melting phase occurs and in particular the melting limit, especially of magnesium, is not exceeded.
  • extrusion which is suitable for large-scale production, is particularly preferred after the production process.
  • a forming temperature of at least 450 °C is required after preheating.
  • a subsequent heat treatment takes place to completely densify the composite.
  • no preheating and a significantly lower shaping temperature are sufficient (in particular so that the melting limit is not or only slightly exceeded) in order to be able to achieve an almost one hundred percent final density and final strength. Subsequent heat treatment is not necessary.
  • An extrusion process of powdered metal matrix composite materials and also powdered magnesium matrix composite materials usually takes place using capsules or sleeves that are not the same material.
  • the subsequent particularly preferred powder extrusion will take place with capsules or sleeves made of proprietary material or even without the use of capsules or sleeves.
  • the light metal matrix composite material according to the invention based on magnesium pure magnesium is preferably used in 99.5% purity and in particular only physiologically harmless materials are used.
  • the magnesium-based light metal matrix composite material according to the invention is completely recyclable without restrictions. Another important advantage is the possible use according to the invention of the mechanical comminution of pure magnesium granules into Mg powder for the mixture according to the invention of the light metal matrix composite material based on magnesium.
  • the invention enables sustainable use of raw materials, resource efficiency and environmental friendliness. Since the composite material consists in particular of up to 99.95% pure magnesium (possible purity of the Mg powder component according to the invention), the return to the secondary market through recycling is highly advantageous without loss of quality.
  • the magnesium-based light metal matrix composite material according to the invention is ideal for technical, in particular medical, applications with its three times higher strength than pure magnesium, its high creep resistance, and its very high purity, which is particularly advantageous for medical technology, and therefore very good corrosion resistance.
  • Magnesium can therefore - according to the invention - be produced as a material with the help, in particular, of hexagonal boron nitride and release agents. Handling and dealing with the material magnesium is technologically different than with other lightweight materials.
  • metals such as aluminum.
  • magnesium is many times more reactive compared to aluminum.
  • the entire process chain according to the invention is therefore particularly preferably to be designed in terms of safety, for example with regard to the risk of explosion.
  • aluminum can be made very cost-effectively from recycled aluminum, this is not preferred with magnesium.
  • Magnesium, on the other hand, especially for medical use is particularly preferred to be kept free of any contamination, from the raw material to the final material, throughout the entire process chain. The purity of the product is particularly important here.
  • hexagonal boron nitride Similar to hexagonal boron nitride, other hexagonal particles such as graphene oxide (GO) or molybdenum sulfide can be used according to the invention. However, the graphene compounds pose a corrosion problem. Particles such as molybdenum sulfide can be technically interesting in their function according to the invention, but they are toxic. Biocompatibility and biological absorbability would therefore be impaired.
  • hexagonal boron nitride for the production of magnesium-based light metal matrix composite material is particularly advantageous for technical and especially medical applications.
  • compositions have proven particularly useful as a mixture (in particular only with these three components) for subsequent, and in particular final, extrusion:
  • Release agent powder preferably metal soap or stearic acid, at most 2%, preferably at most 1%, particularly preferably at most 0.1%, in particular 0.01%.
  • composite materials are usually mechanically alloyed with the highest possible energy in a high-energy ball mill.
  • Ball mills severely limit the production quantity.
  • Very small grinding jars with a volume of up to 500 ml are filled with a maximum of 20% of the powdery material. This method only allows laboratory testing. For large-scale production applications, this method can only be implemented at very high costs.
  • Mg granules with a widely distributed grain size of around 0 to 5mm are considered a standard product.
  • a wide range of applications can be found in smelting metallurgy and organic chemistry.
  • Magnesium is used, for example, as an additive, reducing agent, alloying element or reactant.
  • the possible avoidance of energy-intensive remelting processes according to the invention generates additional savings effects.
  • This waiver applies to both the final shaping and the typical ingot remelting as a subsequent step in the electrolytic production of pure magnesium.
  • Hexagonal boron nitride and release agent powder, especially metal soap powder, are also materials that are cheaply available in large quantities.
  • High-energy planetary ball mills are particularly suitable for smaller throughputs as a grinding system for powder production and mixing.
  • high-energy vibration mills especially eccentric vibration mills, represent suitable devices according to the invention.
  • Mg granules with a grain size of 0 to 5 mm, for example
  • Mg granules with all components can be processed in a high-energy vibration mill, especially in an eccentric vibration mill, in one process step to form the end product (light metal matrix composite material based on magnesium).
  • comminution and mechanical alloying are combined.
  • shaping processes in particular for the powder processing according to the invention non-porous material structure - porous systems are suitable, for example, as filter materials in a variety of ways. They can basically be divided into methods with a melting phase (e.g. casting, selective laser melting, powder welding, electron beam welding, deposition welding) or without a melting phase (extrusion (especially at high temperatures: hot extrusion), sintering processes (Hot Isostatic Pressing - HIP), roll compacting ( P/M), Powder Injection Molding (PIM), Spark Plasma Sintering (SPS), Selective Laser Sintering (SLS), Jet Printing).
  • a melting phase e.g. casting, selective laser melting, powder welding, electron beam welding, deposition welding
  • a melting phase e.g. casting, selective laser melting, powder welding, electron beam welding, deposition welding
  • extrusion especially at high temperatures: hot extrusion
  • sintering processes Hot Isostatic Pressing - HIP
  • roll compacting P/M
  • P/M
  • Sintering processes usually consist of a pre-compaction phase, the sintering process and post-compaction to reduce porosity.
  • the powder compaction takes place in one operation in the recipient using the press ram.
  • the subsequent thermomechanical bonding can be created by the applied pressing pressure in combination with the temperature (particularly preferably below the material melting point) within the die and, according to the invention, can be used to shape a largely pore-free molded part (bar, semi-finished product or even finished component).
  • pre-compacting and densification can be achieved according to the invention via the structure and composition of the printing powder and/or a laser-based joining technology (in particular without a melting phase).
  • Possible techniques differ in their work steps.
  • On the one hand there are pure green compact manufacturing approaches (binder jetting), which only sinter a product separately after shaping, and on the other hand, there are manufacturing approaches in which the sintering process is initiated locally by the laser directly when the powder is applied.
  • the latter process variant has a lower porosity compared to the former, but usually at the price of higher porosity Production requirements and lower production output.
  • shaping by extrusion at high temperatures represents a particularly suitable method for large-scale powder processing.
  • the material throughput rates are comparable to standard mass production processes in the metal industry.
  • devices for this are designed, for example, as follows.
  • extrusion in conventional extrusion systems for solid material forming, preferably provides a handling aid for powder systems according to the invention in order to transfer the compression energy applied by the press ram to the powder material.
  • possible methods include, for example, sintering the powder material into an extrusion billet or the use of powder-filled metal sleeves based on the powder matrix material (e.g. Mg powder in Mg sleeve). Both variants close the die side of the recipient (and thus prevent the powder material from blowing out through the die) and allow continuous degassing while the press ram compresses the system and transfers the pressing pressure into the material for shaping.
  • the sleeve variant can be more flexible compared to the sintered bolt, while at the same time requiring less work and lower costs.
  • the sleeve system can produce a layer of sleeve material on the outer shell of the pressed profile, which requires subsequent removal by mechanical processing.
  • the sleeve can, for example, be designed without weld seams between its bottom and sides.
  • weld seams which are mostly are softer than the sleeve itself and deform during the actual extrusion process.
  • Both cover sides can be closed mechanically and hold the powder in the sleeve during extrusion.
  • An opening in the sleeve allows the powder to outgas.
  • a further design of the sleeve according to the invention is the use of its own powder material (here light metal matrix composite material based on magnesium) as the main material of the sleeve. In this case, subsequent mechanical processing to remove the sleeve is not necessary. This represents a cost-effective technology for large-scale industrial processes in which case-free powder processing is not implemented.
  • the following figure shows a diagram of properties of the following composition as an exemplary embodiment of the invention (“Mg + BN”) in comparison to pure magnesium (“pMg”) from the prior art:
  • the figure shows a stress/strain diagram.
  • the significantly higher voltage curve of the magnesium-based one according to the invention is shown Metal matrix composite material with peak values for tensile strength (at 100 ° C) in the range of over 450 MPa, compared to the known pure magnesium with maximum values in the range of around 150 MPa.

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Abstract

Erfindungsgemäß ist ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, hergestellt aus einer Pulvermischung mit Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95, 0 % und mit Trennmittel und mit hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur, mit bis zu 2 Gewichts-% des Trennmittels und bis zu 5 Gewichts-% der hexagonalen Partikel.

Description

Leichtmetall-Matrixyerbundwerkstoff auf Magnesiumbasis und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Verbessern eines auf Magnesiumbasis hergestellten Metallmatrix- Verbundwerkstof f s aus einer Pulvermischung mit einer Zusammensetzung mit
Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95 , 0 % und Partikeln mit hexagonaler Struktur und Trennmittel sowie eines Verfahrens zur Herstellung dieses Metallmatrix- Verbundwerkstof f s .
Metallmatrix-Verbundwerkstof fe werden im angelsächsischen Sprachraum Metal-Matrix-Composites (MMC) genannt . Vorliegend mit Magnesium als Metallbestandteil , kann er als Magnesium- Matrix-Verbundwerkstof f bezeichnet werden .
Von Natur aus besitzt Magnesium eine gute Korrosionsbeständigkeit, aber für den technischen Einsatz unzureichende mechanische Eigenschaften . Um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern, wird Magnesium mit unterschiedlichen Legierungselementen, wie zum Beispiel Aluminium, Kupfer, Mangan, Nickel , Silizium und/oder Zink legiert . Eine vollständigere Aufzählung der Legierungselemente ist in „DIN 17007-4 : 2012-12 Werkstof fnummern - Teil 4 : Systematik der Hauptgruppen 2 und 3 : Nichteisenmetalle" zu finden . Das Legieren erlaubt die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, reduziert aber automatisch die Korrosionsbeständigkeit .
Ein sehr gutes Beispiel für diesen Zusammenhang stellen die am häufigsten genutzten Magnesiumdruckgusslegierungen AZ91 ( Zugfestigkeit : 200-260MPa, Bruchrechnung : 1-6% ) und AM50 ( Zugfestigkeit : 180-230MPa, Bruchdehnung : 5-15% ) dar . Die Festigkeitssteigerung wird bei AZ 91 mit dem Zulegieren von 8 , 5-9 , 1% Aluminium und bei AM50 mit 5 , 7-6 , 3% Aluminium erreicht . Mit steigendem Aluminiumgehalt wird die Korrosionsbeständigkeit aber signifikant reduziert .
Eine weitere Gruppe von Magnesiumbasiswerkstoffen, mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften, stellen die mit Metallen der Seltenen Erden ( Seltene Erdelemente, SEE; englisch : Rare Earth Elements , REE) legierten Magnesiumlegierungen dar .
Als Beispiel können hier zwei Patentanmeldungen angeführt werden, die j eweils mit der Zugabe von SEE die mechanischen Eigenschaften wie die Streckgrenze Rp 0 , 2 , aber auch die Kriechbeständigkeit, verbessert haben :
DE102009038449B4 betrifft einen Magnesiumwerkstoff in Form einer mit SEE legierten Magnesiumlegierung, mit einer Streckgrenze Rp 0 , 2 von mindestens 140 MPa .
DE102008039683A1 betrifft eine kriechbeständige Magnesiumlegierung auf Basis eines Mehrkomponentensystems mit zulegierten SEE .
Beide Beispiele sind für technische Anwendungen ausgelegt .
Für medizinische Anwendungen werden Magnesiumbasis-Werkstoffe eingesetzt, die eine sehr gute Biokompatibilität haben und biologisch absorbierbar sein müssen .
Beispielhaft werden hier die Anmeldungen DE102018120093A1 und DE102011082210 Al aufgeführt .
Die mechanischen Eigenschaften werden durch die Zugaben von SEE verbessert .
Die Gewinnung von Metallen der seltenen Erden ( SEE) stellen ein Nachhaltigkeitsproblem dar . Da SEE nur in geringen Konzentrationen in Lagerstätten vorkommen, ist für die Förderung in industriell relevanten Mengen die Bewegung von sehr großen Volumen an Erdmaterial erforderlich . Diesem folgt eine Aufbereitung mit zum Teil ätzenden und hochgiftigen Substanzen, um die SEE in metallischer Form aus dem Trägermaterial zu gewinnen . Dies führt zu einer erheblichen Umweltbelastung .
Zum anderen sind einige SEE selbst hochgiftig und stellen damit ein erhebliches Gesundheitsrisiko für das Personal in der Förderung und Verarbeitung dar . Darüber hinaus treten Seltene Erden häufig in Kombination mit radioaktiven Metallen auf , wodurch beim Abbau radioaktive Strahlung freigesetzt wird .
Technisch haben die SEE eine höhere Dichte als Magnesium . Die niedrigste Dichte besitzen Scandium mit 2 , 985g/cm3 und Yttrium mit 4 , 472g/cm3. Andere SEE haben eine Dichte von bis zu 9 , 84g/cm3. Diese Werte liegen weit über der Dichte vom Magnesium mit 1 , 738 g/cm3, und erhöhen in Folge die Dichte von SEE-Magnesiumlegierungen deutlich .
Weltweit steigt der Bedarf nach SEE-Rohstof fen deutlich, da diese in fast allen High-Tech-Produkten der Unterhaltungselektronik, Bauteilen grüner Technologien, sowie Beschichtungen und Lacken enthalten sind .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , einen Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis für technische und besonders für medizinische Anwendungen zu schaffen, der mindestens auf dem Niveau üblicher, möglicherweise verbesserter Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Biokompatibilität, biologischer Absorption, Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit, in einem vereinfachten Herstellungsverfahren unter Verwendung von gesundheitsunbedenklichen Komponenten hergestellt werden kann .
Vorstehende Aufgabe wird gelöst durch einen Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis gemäß Patentanspruch 1 sowie einem Verfahren zu dessen Herstellung gemäß Patentanspruch 4 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben .
Der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis hat eine Zusammensetzung bestehend aus Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mehr als 95 , 0 % , vorzugsweise mehr als 99, 0 % (insbesondere 99 , 5 % ) und bis zu 2 Gewichtsprozent eines Trennmittels , insbesondere Metallseife oder Stearinsäure, sowie hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur (und zwar vorzugsweise nur diese Bestandteile) - und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Anteil von Partikeln mit hexagonaler Struktur (besonders bevorzugt hexagonales Bornitrid) von gleich oder weniger als 5 Gewichtsprozent .
Dieser Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f wird erfindungsgemäß hergestellt, indem das Magnesium, mittels z . B . Wasserver- düsung oder Gas-Atomisierung, insbesondere ohne vorherige Fraktionierung, Partikelgrößenunabhängig (Partikelgröße von 0 bis 1mm) oder, besonders bevorzugt, mechanisch, zerkleinert aus dem Magnesium in Form von Granulat mit einer Ausgangangs- granulatgröße von 0 bis 5mm und mit den übrigen Bestandteilen, gemischt wird .
Die Mischung wird im erfindungsgemäßen Verfahren nach dem erfindungsgemäßen mechanischen Zusammenmischen der Komponenten vorzugsweise stranggepresst, womit sich einen Zugfestigkeitsbereich einstellen lässt, von 100 MPa bis über 450 MPa, und zwar unmittelbar nach dem Strangpressen sogar ohne vorherige oder nachfolgende Wärmebehandlung . Weitere Urformverfahren, wie Sintern oder 3d-Druck [Additive Manufacturing] zu einer Barren-, Halbzeugform, oder einem Bauteil in Endkontur, sind erfindungsgemäße Verarbeitungsverfahren der erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f-Pulvermischung, und zwar vorzugsweise so (in den Verfahrensparametern ausgeführt, ge- steuert und/oder geregelt) , dass dabei keine Schmelzphase entsteht und insbesondere die Schmelzgrenze, insbesondere des Magnesiums , nicht überschritten wird .
Zur Herstellung und dabei insbesondere auch schon der Formgebung des erfindungsgemäßen Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f s auf Magnesiumbasis ist ein den Herstellungsprozess insbesondere bereits abschließendes großserientaugliches Strangpressen besonders bevorzugt . Für die meisten gängigen stranggepressten Magnesium-Matrix- Verbundwerkstof fe wird nach einer Vorwärmung eine Umformtemperatur von mindestens 450 °C benötigt . Üblicherweise findet, zur vollständigen Verdichtung des Verbundes , eine nachfolgende Wärmebehandlung statt . Für die Formgebung des erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis ist keine Vorwärmung und eine wesentlich niedrigere Formgebungstemperatur ausreichend ( insbesondere so, dass die Schmelzgrenze nicht oder nur geringfügig überschritten wird) , um eine nahezu einhundertprozentige Enddichte und Endfestigkeit erreichen zu können . Eine nachfolgende Wärmebehandlung ist nicht erforderlich .
Üblicherweise findet ein Strangpressprozess von pulverförmigen Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen und auch pulverförmigen Magnesium-Matrix-Verbundwerkstoffen unter Verwendung von eigenmaterialfremden Kapseln oder Hülsen statt . Für den erfindungsgemäßen Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis wird das nachfolgende besonders bevorzugte Pulverstrangpressen mit Kapseln oder Hülsen aus Eigenmaterial oder sogar ohne den Einsatz von Kapseln oder Hülsen stattfinden .
Für die Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f s auf Magnesiumbasis werden reines Magnesium vorzugsweise in 99 , 5 % Reinheit und insbesondere ausschließlich physiologisch unbedenkliche Materialien verwendet . Der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis ist vollständig und ohne Einschränkungen recyclingfähig . Ein weiterer wichtiger Vorteil stellt die erfindungsgemäße mögliche Verwendung des mechanischen Zerkleinerns von Reinmagnesium-Granulaten zu Mg-Pulver für die erfindungsgemäße Mischung des Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis dar . Die Erfindung ermöglicht eine nachhaltige Verwendung von Rohstoffen, Ressourcen-Effizienz und Umweltfreundlichkeit . Da der Verbundwerkstoff aus insbesondere bis zu 99 , 95 % reinem Magnesium (mögliche Reinheit des erfindungsgemäßen Mg-Pulver- Bestandteils ) besteht, ist die Rückführung, in den Sekundärmarkt durch Recycling, höchst vorteilhaft ohne Qualitätsverlust gegeben . Im Herstellungsprozess werden keine SEE, keine krebserzeugenden Nano-Partikel und keine Nanotubes verwendet . Es wird ausschließlich mit für den menschlichen Körper unbedenklichen und ebenso umweltfreundlichen Bestandteilen gearbeitet . Auch die Magnesiumgewinnung aus Salzwasser, sei es aus Meerwasser oder Salzlacken, zum Beispiel auch als Nebenprodukt der Meerwasserentsalzung, etwa im Rahmen der Trinkwassergewinnung, spielt auch erfindungsgemäß eine mögliche vorteilhafte Rolle : als auch erfindungsgemäß mögliche umweltfreundliche, nachhaltige und lokale Rohstoffquelle für das erfindungsgemäß verwendete Magnesium .
Für technische, insbesondere medizinische Anwendungen ist der erfindungsgemäße Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis mit seiner dreifach höheren Festigkeit gegenüber Reinmagnesium, seiner hohen Kriechbeständigkeit, sowie seiner besonders für die Medizintechnik vorteilhaften sehr hohen Reinheit und damit sehr guten Korrosionsbeständigkeit hervorragend geeignet .
Magnesium kann also - erfindungsgemäß - als Werkstoff mit Hilfe insbesondere von hexagonalem Bornitrid und Trennmittel hergestellt werden . Handhabung und Umgang mit dem Werkstoff Magnesium sind technologisch anders als mit anderen Leichtme- tallen wie zum Beispiel Aluminium . Zum Beispiel ist Magnesium im Vergleich mit Aluminium um ein Vielfaches reaktiver . Die gesamte erfindungsgemäße Prozesskette ist deshalb besonders bevorzugt zum Beispiel in Hinsicht auf Explosionsgefahr sicherheitstechnisch zu gestalten . Während Aluminium sehr kostengünstig aus Recycling-Aluminium hergestellt werden kann, ist dies mit Magnesium nicht bevorzugt . Denn bei Aluminium führen leichte Verunreinigungen zu einer leichten - aber hinnehmbaren - Beeinträchtigung der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit . Magnesium dagegen, insbesondere für die medizinische Anwendung, ist besonders bevorzugt vom Rohstoff bis zum Endwerkstoff , in der gesamten Prozesskette, von j eglicher Verunreinigung freizuhalten . Die Reinheit des Produktes hat hier besondere Bedeutung .
Ähnlich zum hexagonalen Bornitrid können andere hexagonale Partikeln wie zum Beispiel Graphenoxid (GO) oder Molybdänsulfid erfindungsgemäß verwendet werden . Allerdings stellen die Graphen-Verbindungen ein Korrosionsproblem dar . Partikel wie Molybdänsulfid können in ihrer erfindungsgemäßen Funktion zwar technisch interessant sein, sind aber giftig . Somit wären Biokompatibilität und biologische Absorbierbarkeit beeinträchtigt .
Daher ist die Verwendung vom hexagonalen Bornitrid für die Herstellung vom Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis für technische und besonders für medizinische Anwendungen besonders vorteilhaft .
Folgende beispielhafte Zusammensetzungen haben sich als Mischung ( insbesondere nur mit diesen drei Bestandteilen) insbesondere für anschließendes , und insbesondere auch abschließendes , Strangpressen besonders bewährt :
Mechanisch zerkleinertes Magnesium-Granulat mit einer Reinheit von über 95 % , vorzugsweise über 99 % , besonders bevorzugt über 99 , 5 % , insbesondere 99, 7 % , in zer- klüfteter Kornform und Oberfläche, mit einem mittleren Korndurchmesser von höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, besonders bevorzugt höchstens 500 pm, insbesondere 0 bis 100 yim; hexagonales Bornitrid- Pulver höchstens 5 %, vorzugsweise höchstens 2 % , besonders bevorzugt höchstens 0 , 2 % , insbesondere 0 , 05 % , des Gewichts der Zusammensetzung mit einer Reinheit von mindestens 95 % , vorzugsweise mindestens 97 % , besonders bevorzugt mindestens 98 % , insbesondere 98 , 5 % , bei einer mittleren Partikelgröße von höchstens 50 pm, vorzugsweise höchstens 10 pm, besonders bevorzugt höchstens 5 pm, insbesondere 2 pm und
Trennmittelpulver, vorzugsweise Metallseife oder Stearinsäure, und zwar höchstens 2 % , vorzugsweise höchstens 1 % , besonders bevorzugt höchstens 0 , 1 % , insbesondere 0 , 01 % .
Als Stand der Technik werden Verbundwerkstoffe üblicherweise mit möglichst hoher Energie in einer hochenergetischen Kugelmühle mechanisch legiert . Dabei limitieren Kugelmühlen die Herstellungsmenge sehr stark . Sehr kleine Mahlbecher mit einem Volumen bis zu 500 ml werden maximal zu 20% mit dem pulverförmigen Material befüllt . Diese Methode erlaubt lediglich eine labormäßige Erprobung . Für großtechnische Produktionseinsätze ist diese Methode nur unter sehr hohen Kosten realisierbar .
Handelsübliches verdüstes sphärisches Mg-Pulver mit einer streng definierten Partikelgröße und -form ist für großtechnische Anwendungen zwar geeignet, aber relativ teuer - und von nicht unbedingt erforderlicher hoher Formqualität . Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass zwar eine möglichst hohe Reinheit des Magnesiumausgangsmaterials besonders vorteilhaft ist, die Kornform und Partikelgröße aber nur eine geringere Rolle spielt . Dies bedeutet, dass auf die aufwendi- gen und Ressourcen-intensiv hergestellten wasserverdüsten o- der gas-atomisierten Pulver zugunsten einfacher mechanisch zerkleinerter Pulver verzichtet werden kann . Zum einen ermöglicht dieser Ansatz ein wirtschaftliches und ressourcenschonendes Endprodukt, und zum anderen ist die Rohmaterialversorgung auch in großem Umfang sichergestellt . Mg-Granulate mit einer breit verteilten Korngröße von etwa 0 bis 5mm gelten als Standardprodukt . Vielfältige Einsatzgebiete finden sich in der Schmelzmetallurgie sowie organischen Chemie . Dabei wird Magnesium beispielsweise als Zuschlag, Reduktionsmittel , Legierungselement oder Reaktionspartner verwendet . Der erfindungsgemäße mögliche Verzicht auf energieintensive Umschmelzprozesse generiert zusätzliche Einspareffekte . Dieser Verzicht gilt sowohl für die finale Formgebung, sowie der typischen Barrenumschmelze als Folgeschritt der schmelzelektrolytischen Reinmagnesiumgewinnung . Auch hexagonales Bornitrid und Trennmittel- , insbesondere Metallseifen-Pulver sind Materialien, die in großen Quantitäten günstig verfügbar sind .
Für die Pulverherstellung und Mischung sind als Mahlsystem hochenergetische Planetenkugelmühlen besonders für kleinere Durchsätze geeignet . Für eine großtechnische Herstellung von Magnesium-Matrixverbundwerkstof fen stellen hochenergetische Schwingmühlen, besonders Exzenterschwingmühlen erfindungsgemäß geeignete Vorrichtungen dar .
Im schon erwähnten Herstellungsprozess kann in einer hochenergetischen Schwingmühle, besonderes in einer Exzenterschwingmühle, Mg-Granulat (mit einer Korngröße von zum Beispiel 0 bis 5 mm) mit allen Bestandteilen zu dem Endprodukt (Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis ) in einem Prozessschritt verarbeitet werden . Erfindungsgemäß werden hierbei Zerkleinerung und mechanisches Legieren kombiniert .
Betreffend die erfindungsgemäße Pulververarbeitung sind Form- gebungsverfahren ( insbesondere für die erfindungsgemäße nicht-poröse Werkstoff Struktur - poröse Systeme eignen sich zum Beispiel als Filterwerkstoff ) vielfältig . Sie lassen sich grundsätzlich einteilen in Methoden mit Schmelzphase ( zum Beispiel Gießen, Selective Laser Melting, Pulverschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Auftragsschweißen) oder ohne Schmelzphase (Strangpressen (insbesondere bei hohen Temperaturen : Hot Extrusion) , Sinterprozesse (Hot Isostatic Pressing - HIP) , Walzenkompaktieren ( P/M) , Powder Inj ection Molding ( PIM) , Spark Plasma Sintering ( SPS ) , Selektive Laser Sintering ( SLS ) , Jet Printing) .
Sinterprozesse bestehen zumeist aus einer Vorverdichtungsphase , dem Sinterprozess und einer Nachverdichtung zur Porosi- tätsverringerung . Beim erfindungsgemäß besonders bevorzugten Strangpressen bei hohen Temperaturen (Hot Extrusion) erfolgt die Pulverkompaktierung in einem Arbeitsgang im Rezipienten durch den Pressstempel . Die anschließende thermomechanische Bindung (Reibverschweißung und Verbindung der einzelnen Partikel des MMC) , kann durch den aufgebrachten Pressdruck in Kombination mit der Temperatur (besonders bevorzugt unterhalb des Materialschmelzpunkts ) innerhalb der Matrize entstehen und erfindungsgemäß zur Formgebung eines weitgehend porenfreien Formteils (Barrens , Halbzeugs oder sogar fertigen Bauteils ) führen .
In 3D-Druck-Systemen ( insbesondere Sinterphasensystemen) kann die Vorkompaktierung und Verdichtung erfindungsgemäß über die Struktur und Zusammensetzung des Druckpulvers und/oder eine laserbasierte Fügetechnik ( insbesondere ohne Schmelzphase) erreicht werden . Dabei unterscheiden sich mögliche Techniken in ihren Arbeitsschritten . Zum einen existieren reine Grünling-Fertigungsansätze (Binder- Jeting) , welche ein Produkt erst nach der Formgebung separat sintern, zum anderen gibt es Fertigungsansätze, in denen der Sinterprozess direkt beim Pulverauftrag lokal durch den Laser initialisiert wird . Letztere Prozessvariante besitzt im Vergleich zur ersteren eine geringere Porosität, allerdings zumeist erkauft mit höheren Produktionsanforderungen und einer geringeren Produktionsleistung .
Die Formgebung durch Strangpressen bei hohen Temperaturen stellt erfindungsgemäß ein besonders geeignetes Verfahren zur großtechnischen Pulververarbeitung dar . Die Materialdurchsatzraten sind dabei von vergleichbarer Leistungsfähigkeit zu üblichen Massenproduktionsverfahren der Metallindustrie .
Vorrichtungen dafür sind erfindungsgemäß zum Beispiel folgendermaßen ausgeführt .
Das Strangpressen, in konventionellen Strangpresssystemen für die Vollmaterialumformung, erhält erfindungsgemäß vorzugsweise eine Handhabungshilfe für erfindungsgemäße Pulversysteme, um die, durch den Pressstempel aufgebrachte, Verdichtungsenergie auf den Pulverwerkstoff zu übertragen . Mögliche Methoden sind neben dem unmittelbaren Pulverstrangpressen zum Beispiel das Sintern des Pulvermaterials zu einem Strangpressbolzen oder der Einsatz von pulvergefüllten Metallhülsen auf Basis des Pulvermatrixwerkstof f s ( zum Beispiel Mg-Pulver in Mg-Hülse) . Beide Varianten verschließen die Matrizenseite des Rezipienten (und verhindern so ein Ausblasen des Pulvermaterials durch die Matrize) und erlauben eine fortlaufende Entgasung, während der Pressstempel das System komprimiert und den Pressdruck zur Formgebung in das Material überträgt .
Die Hülsenvariante kann im Vergleich zum Sinterbolzen flexibler sein, bei gleichzeitig geringerem Arbeitsaufwand und geringeren Kosten . Das Hülsensystem kann auf der Außenhülle des Pressprofils eine Schicht aus einem Hülsenmaterial produzieren, die einer nachträglichen Entfernung durch mechanische Bearbeitung bedarf .
Die Hülse kann zum Beispiel ohne Schweißnähte zwischen ihrem Boden und Seiten ausgestaltet sein . Zum Beispiel wird so erfindungsgemäß vermieden, dass die Schweißnähte , die zumeist weicher sind als die Hülse selbst, sich beim eigentlichen Strangpressen verformen .
Beide Deckseiten können mechanisch verschlossen werden und halten während des Strangpressens das Pulver in der Hülse . Dabei erlaubt eine Öffnung in der Hülse das Ausgasen des Pulvers . Durch die Verwendung zum Beispiel eines solchen Hülsensystems kann die erfindungsgemäße Verarbeitung im Übrigen einem üblichen Strangpressprozess in üblichen Maschinen oder Anlagen entsprechen .
Eine weitere erfindungsgemäße Gestaltung der Hülse ist die Verwendung von Pulver-Eigenmaterial (hier Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis ) als Hauptmaterial der Hülse . In diesem Fall ist eine nachträgliche mechanische Bearbeitung zwecks Entfernung der Hülse nicht notwendig . Dies stellt eine kostengünstige Technik für großindustrielle Prozesse dar, in denen eine hülsenfreie Pulververarbeitung nicht umgesetzt wird .
Die folgende Figur zeigt in einem Diagramm Eigenschaften der folgenden Zusammensetzung als Ausführungsbeispiel der Erfindung ( „Mg + BN" ) im Vergleich zu Rein-Magnesium ( „pMg" ) aus dem Stand der Technik :
Mechanisch gemahlenes Magnesium- Pulver mit einer Reinheit von 95% [und mittleren Korndurchmessern zwischen 20 und 55 pm] ;
< 3 Gewichts-% hexagonales Bornitrid- Pulver ;
< 2 Gewichts-% Trennmittel .
Die Figur zeigt ein Spannungs-/Dehnungs-Diagramm .
Gemäß der Figur wird die deutlich höher liegende Spannungskurve des erfindungsgemäßen, auf Magnesiumbasis hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstof f s mit Spitzenwerten für die Zugfestigkeit (bei 100 °C) im Bereich von über 450 MPa, gegenüber dem bekannten Rein-Magnesium mit Maximalwerten im Bereich von etwa 150 MPa, deutlich .

Claims

Ansprüche
1 . Metallmatrix-Verbundwerkstof f , hergestellt aus einer Pulvermischung mit Magnesium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 95 , 0 % und mit Trennmittel und mit hexagonalem Bornitrid, Graphenoxid, Molybdänsulfid und/oder anderen Partikeln mit hexagonaler Struktur, mit bis zu 2 Ge- wichts-% des Trennmittels und bis zu 5 Gewichts-% der Partikel mit hexagonaler Struktur .
2 . Werkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung keinen anderen Materialbestandteil als das Magnesium und die Partikel mit hexagonaler Struktur und das Trennmittel aufweist .
3 . Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel Metallseife oder Stearinsäure ist .
4 . Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung eine Ausgangsgröße von 0 bis 5mm hat .
5 . Verfahren zum Herstellen eines Leichtmetall- Matrixverbundwerkstof f s auf Magnesiumbasis nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Schritte , a) das Magnesiumgranulat mechanisch zu zerkleinern und b) die Materialbestandteile zu mischen und c) die Mischung durch Urformen oder Strangpressen oder Sintern oder 3d-Drucken zu einem Barren, Halbzeug oder Bauteil zu verarbeiten . Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Urformens oder Strangpressens oder Sinterns oder 3d-Druckens so durchgeführt wird, dass die Schmelzgrenze des Leichtmetall-Matrixverbundwerkstof f auf Magnesiumbasis nicht überschritten wird . Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass der Schritt, die Materialbestandteile zu mischen, gleichzeitig mit oder nach Beginn von Schritt a) durchgeführt wird und/oder die Partikel mit hexagonaler Struktur und das Trennmittel im Wesentlichen gleichzeitig in die Mischung gegeben werden, nämlich um höchstens 5 Minuten oder höchstens 2 Minuten nacheinander und/oder die Schritte umfasst, das Magnesium und die Partikel mit hexagonaler Struktur mechanisch zu legieren und vorher und/oder anschließend zu deagglomerieren . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte, das Magnesiumpulver mechanisch zu zerkleinern, und, die Materialbestandteile in Pulverform zu mischen, in derselben Vorrichtung, in einer Mühle , in einem Arbeitsgang erfolgen . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Magnesiumgranulat zu einer Korngröße von höchstens 500 pm oder höchstens 100 pm oder höchstens 50 pm mechanisch zerkleinert wird . . Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver der Partikeln mit hexagonaler Struktur in der Zusammensetzung höchstens 5 % oder höchstens 2 % oder höchstens 0 , 1 % ihres Gewichts ausmacht und/oder eine Reinheit von mindestens 95 % oder mindestens 97 % oder mindestens 98 % und/oder eine mittlere Partikelgröße von höchstens 50 pm oder 10 |im oder höchstens 5 pm aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel in der Zusammensetzung höchstens 2,0 % oder höchstens 1,0 % oder höchstens 0,8 % ihres Gewichts ausmacht.
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