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WO2013041305A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen aus mmc's (metallmatrix-verbundwerkstoffen) mit overspraypulver - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen aus mmc's (metallmatrix-verbundwerkstoffen) mit overspraypulver Download PDF

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WO2013041305A1
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Bernd Commandeur
Dirk Krogmann
Gero Sinha
Ralf PELMER
Claudia NAGEL
Andreas Storz
Holger Weiss
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Peak-Werkstoff Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing components using an overspray with integrated hard materials, in particular from MMCs (metal matrix composite materials) and a component produced by the method.
  • MMCs metal matrix composite materials
  • the invention is therefore based on the object to provide a method by which a component is produced in which the MMC particles are firmly and homogeneously bound in the generated globular powder particles
  • This object is achieved according to the invention in that the molten and atomized metal, in particular aluminum, then MMC - particles are added. Subsequent atomization produces metal (in particular Al) MMC agglomerates in which the MMC particles are bound firmly and homogeneously in the globular powder particles produced. The powder particles are then compacted and compacted to produce a component by means of a PLC process, in particular at high speed.
  • the MMC distribution is also very homogeneous in the component produced therefrom, which has a very positive effect essentially on the mechanical properties of this component.
  • the above-mentioned metal or Al content, to which the MMC particles are supplied, consists essentially of a hypereutectic aluminum alloy having a silicon content of 15 to 25 wt. Percent, an iron content of 2 to 10 wt. Percent and a nickel content of 2 to 5 percent by weight, the rest is aluminum.
  • the globular MMC or hard particles advantageously have a size of 5 to 30 pm.
  • the powder particles produced have a size smaller than 250 pm.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unter Verwendung eines Oversprays mit integrierten Hartstoffen, insbesondere aus MMC's (Metallmatrix–Verbundwerkstoffen) werden dem geschmolzenen und verdüsten Metall, insbesondere Aluminium, anschließend MMC-Partikel beigegeben. Durch eine nachfolgende Verdüsung werden Metall- (insbesondere Al-) MMC-Agglomerate erzeugt, in welchen die MMC-Partikel fest und homogen in den erzeugten globularen Pulverpartikeln gebunden sind. Danach werden die Pulverpartikel zur Erzeugung eines Bauteilsmittels eines SPS-Verfahrens verdichtet und kompaktiert, insbesondere mit hoher Geschwindigkeit. Mit dem Verfahren lassen sich hochbelastbare Bauteile, insbesondere Bremsscheiben, herstellen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus MMC's (Metallmatrix -
Verbundwerkstoffen) mit Overspraypulver
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteilung von Bauteilen unter Verwendung eines Oversprays mit integrierten Hartstoffen, insbesondere aus MMC's (Metallmatrix - Verbundwerkstoffen) und ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil.
Es ist bekannt, Bauteile aus Metallen wie Aluminium (AI) durch Sprühkompaktieren herzustellen. Beim Sprühkompaktieren werden Schmelzen in einer Inertgasatrnosphäre (z.B. Stickstoff) verdüst und auf ein Target gesputtert. Vorteile dieses Verfahrens sind die extrem hohen Abkühlraten und die Möglichkeit auch hypereutektische Legierungen herzustellen. Derartige Verfahren sind beispielweise in der EP 0198613, der EP 0200349, der EP 0574458 und der EP 0517882 beschrieben.
Bei diesen Verfahren ist es ebenso bekannt, zur Verstärkung keramische Partikel wie Siliziumkarbid (SiC) zuzufügen, um so ein Bauteil aus MMC zu fertigen. Dabei werden in bereitgestelltes Metallpulver MMC-Partikel eingemischt. In dem damit erzeugten Gemisch liegen die Partikel der Komponenten (z. B. SiC und AI) einzeln vor. Alternativ werden die MMC-Partikel erst während des Gießens des Gußkörpers in die flüssige AI- Schmelze eingebracht
Beim ebenfalls bekannten SPS (Spark-Plasma-Sintern)-Verfahren werden Pulver mit hoher Geschwindigkeit verdichtet, wodurch sich eine für den Anwendungszweck optimierte Packungsdichte der Partikel im erzeugten Werkstück oder Halbzeug erzeugen lässt. Auf einen weiteren nachfolgenden Konsolidierungsprozeß kann hierbei verzichtet werden.
Nachteilig beim Stand der Technik ist einerseits die nicht vollständige Verbindung zwischen MMC und AI, andererseits die nicht gewährleistete vollständige Homogenität des Gemisches. Beides wirkt sich nachteilig auf die mechanische Beanspruchbarkeit des mit dem Gemisch erzeugten Gußbauteiles, beispielweise einer Bremsscheibe, aus. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem ein Bauteil hergestellt wird, bei dem die MMC-Partikel fest und homogen in den erzeugten globularen Pulverpartikeln gebunden sind
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass dem geschmolzenen und verdüsten Metall, insbesondere Aluminium, anschließend MMC - Partikel beigegeben werden. Durch eine nachfolgende Verdüsung werden Metall- (insbesondere AI-) MMC- Agglomerate erzeugt, in welchen die MMC-Partikel fest und homogen in den erzeugten globularen Pulverpartikeln gebunden sind. Danach werden die Pulverpartikei zur Erzeugung eines Bauteils mittels eines SPS - Verfahrens verdichtet und kompaktiert, insbesondere mit hoher Geschwindigkeit.
Dadurch bedingt ist ebenfalls in dem daraus erzeugten Bauteil die MMC-Verteilung sehr homogen, was sich sehr positiv im Wesentlichen auf die mechanischen Eigenschaften dieses Bauteiles auswirkt.
Dies wird erfindungsgemäß durch den dem Sprühen nachfolgenden SPS-Prozess, welcher eine hohe Packungsdichte bei gleichzeitig sehr geringer Korngröße ermöglicht, verstärkt.
Der vorstehend aufgeführte Metall-, bzw. AI-Anteil, welchem die MMC-Partikel zugeführt werden, besteht im wesentlichen aus einer hypereutektischen Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 15 bis 25 Gew. -Prozent, einem Eisenanteil von 2 bis 10 Gew. -Prozent und einem Nickelanteil von 2 bis 5 Gew.- Prozent, der Rest ist Aluminium.
Die globularen MMC-, bzw. Hartstoffpartikel haben vorteilhafterweise eine Größe von 5 bis 30 pm. Die erzeugten Pulverpartikel haben eine Größe kleiner 250 pm.
Die Erfindung betrifft sowohl das Verfahren, wie vorstehend beschrieben, als auch mit dem Verfahren erzeugte Bauteile, insbesondere solche, welche hohe mechanische und oder thermische Beanspruchungen ertragen müssen. Derartige Bauteile sind beispielsweise Bremsscheiben für Fahrzeuge, die sich vorteilhaft mit dem Verfahren nach der Erfindung herstellen lassen. Bei einer solchen Bremsscheibe kann es sich um eine Monoscheibe, eine belüftete Scheibe welche durch Einleger oder Schieber erzeugt wurde oder um eine mehrteilig aufgebaute belüftete Scheibe handeln. Ebenfalls kann eine solche Bremsscheibe in ihrem Gefügeaufbau entsprechend der Beanspruchung axial und/oder radial gradiert sein, d.h. die Zusammensetzung und Korngröße während der Herstellung bleibt über den Bauteilquerschnitt nicht konstant.
Eine Gradierung kann ebenfalls erreicht werden, indem auf einen homogenen Grundkörper zusätzlich ein beanspruchungsgerechtes Pulver durch Sprühen aufkompaktiert wird.

Claims

Patentansprüche
1 .
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen unter Verwendung eines Oversprays mit integrierten Hartstoffen, insbesondere aus MMC's (Metallmatrix - Verbundwerkstoffen), dadurch gekennzeichnet dass
dem geschmolzenen und verdüsten Metall, insbesondere Aluminium, anschließend MMC - Partikel beigegeben werden, durch eine nachfolgende Verdüsung Metall- (insbesondere AI-) MMC-Agglomerate erzeugt werden, in welchen die MMC-Partikel fest und homogen in den erzeugten giobularen Pulverpartikeln gebunden sind, und . danach die Pulverpartikel zur Erzeugung eines Bauteils mittels eines SPS - Verfahrens verdichtet und kompaktiert werden, insbesondere mit hoher Geschwindigkeit.
2.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-, bzw. AI-Anteil, welchem die MMC-Partikel zugeführt werden, im wesentlichen aus einer hypereutektischen Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von 15 bis 25 Gew.- Prozent, einem Eisenanteil von 2 bis 10 Gew. -Prozent und einem Nickelanteil von 2 bis 5 Gew. -Prozent besteht, wobei der Rest ist Aluminium ist.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die giobularen MMC-, bzw. Hartstoffpartikel eine Größe von 5 bis 30 pm haben und die erzeugten Pulverpartikel eine Größe kleiner 250 μιη aufweisen.
4.
Bauteil, insbesondere Bremsscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wurde.
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