Formkörper aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung

Beschreibung

[0001] Die auf das Gebiet der Materialwissenschaften bezogene Erfindung beschreibt einen Formkörper aus einem speziellen Verbundwerkstoff. Dieser Werkstoff wird auf Grund seiner vergleichsweise hohen Festigkeitseigenschaften beispielsweise häufig für Bauelemente im Bauwesen verwendet. Der Verbundwerkstoff kann auch auf verschiedenen Gebieten der Technik verwendet werden, im besonderen als Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau, Flugzeugbau, Raketenbau, Schiffbau, Bahnbau, Kraftfahrzeugbau sowie in der pharmazeutischen Industrie und im medizinischen Gerätebau, im Bauwesen und in der Haushaltstechnik. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes.

[0002] Aluminiumlegierungen und aluminiumreiche Legierungen haben zunehmend an wirtschaftlicher und wissenschaftlicher Bedeutung gewonnen.

[0003] Das Einsatzspektrum für Leichtmetall-Komponenten erweitert sich stetig. Insbesondere im Automobilbau, aber auch in vielen anderen Bereichen sind Leichtbauteile - vor allem aus Aluminium, aber auch aus Magnesium oder Titan - inzwischen Standard (Venir, ATZ/MTZ - Sonderausgabe: Werkstoffe im Automobilbau (1998-1999) 54-56; Brungs, H. u.a., ATZ/MTZ - Sonderausgabe: Werkstoffe im Automobilbau (1998-1999) 50-53).

[0004] Die Karosserie gibt mit ihrem Design dem Auto seine Form, bietet den Passagieren Schutz vor Wind und Wetter, und im Falle eines Unfalls wandelt sie dank ihrer ausgeklügelten Struktur gezielt kinetische Energie in Verformungsenergie um. Vor Jahren wäre es fast undenkbar gewesen Stahl durch Aluminium zu ersetzen.

[0005] Der wichtigste Vorteil der Aluminiumlegierungen ist, dass sie neben einem guten Niveau von physikalisch-mechanischen und andere Charakteristiken, eine niedrige Dichte von 2,79 g/cm³ besitzen, sowie eine starke Affinität zu Sauerstoff haben, was der Grund für die allgemein gute Korrosionsbeständigkeit auf Grund der Bildung dichter Deckschichten ist. Darüber hinaus ist der Aluminiumrohstoff in der Natur recht weit verbreitet.

[0006] Das leichte Metall (Al), mit niedrigem spezifischem Gewicht, kommt zwar nur bei wenigen Modellen - die bekanntesten sind sicher der Audi A8, so wie der nicht mehr gebaute A2 - für die Gesamt-Karosserie zum Einsatz. Bei Hauben und Anbauteilen sowie im Bereich des Fahrwerks ist Aluminium mit seinen diversen Legierungen nicht mehr weg zu denken (Materialica 2001).

[0007] BMW, bereits Vorreiter beim Einsatz von Aluminium und aluminiumreichen Legierungen im hoch belasteten Fahrwerksbereich, ging beim seinen Modellen der Fünfer-Baureihe sogar so weit, den gesamten Vorderwagen aus Aluminium zu fertigen.

[0008] Im Aluminium-Motorblock des Porsche Boxster - seit 1996 auf dem Markt - sorgen an Stelle herkömmlicher Grauguss-Büchsen Zylinderlaufflächen aus einem Aluminium-Silizium-Verbund für bessere Anwendungseigenschaften, wie z. B. weitere Massereduzierung und geringeren Ölverbrauch (I. Lenke, u.a., Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim (2001) 383-386; E. Köhler, u.a. VDI-Bericht 1612 VDI Verlag GmbH, Düsseldorf (2001) 35-54).

[0009] Im Fahrwerksbereich erobert Aluminium praktisch bei allen Autoherstellern immer größere Anteile, denn neben der Gewichtsreduzierung bedeutet hier der Aluminiumeinsatz weniger bewegte Massen, ein besseres Ansprechverhalten und damit mehr Komfort.

[0010] Die Entwicklung des Flugzeugbaus wäre ohne Aluminium nicht denkbar gewesen. Wie z.B. in der Boeing 757 beträgt der Aluminiumanteil 78% gegenüber einem Anteil von 12% bei Stahl, 6% bei Titan, 3% und 4% Komposite. In Airbus 320 ergibt sich die folgende Materialverteilung 65.5% Aluminium, 9.3% Stahl, 7.2% Titan, 12.5% Komposite und 5.5% andere Materialien. Damit wird klar, dass in der Flugzeugindustrie Aluminium und aluminiumreiche Legierungen nach wie vor eine sehr wichtige Rolle spielen (Materialica 2001).

[0011] Zurzeit sind Aluminiumlegierungen mit einen hohem Niveau an mechanischen Eigenschaften bekannt, die auf verschiedenen Gebieten der Technik, beispielsweise in Form von Konstruktionswerkstoffen, verwendet werden, welche geringe und mittlere Belastungen aushalten.

[0012] Es sind eine Reihe von Aluminiumlegierungen bekannt, wie beispielsweise Legierungen der folgenden Typen:

• Aluminium-Silizium
• Aluminium-Magnesium
• Aluminium-Silizium- Magnesium
• Aluminium-Kupfer-Magnesium
• Aluminium-Kupfer-Silizium-Magnesium
• Aluminium-Kupfer-Mangan-Silizium
• Aluminium-Kupfer-Magnesium-Zink-Zirkonium

[0013] In manche Fällen wird zu einer Aluminiumlegierung Titan, Chrom, Eisen, Nickel, Kobalt, Vanadin, Wolfram, Molybdän, Niob, Bor, Blei, Zinn, Lithium, Yttrium zugegeben. Die mechanischen Eigenschaften der erwähnten Legierungen besitzen Werte wie:

• Härte nach Vickers: 163-400 HV
• Zugfestigkeit: 410-550 MPa (bei 20°C) und 120-220 MPa (bei 300°C)

(The 4^th International Conference on Aluminum Alloys; Atlanta, Georgia USA 1994).

[0014] In den letzten Jahren hat es an Legierungen mit metastabilen Strukturen großes Interesse gegeben mit dem Ziel, die jeweiligen Anforderungen an das Material hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften zu erfüllen. So ist eine metastabile Phase, die γ - Phase Mg₁₇Al₁₂, mit ihrer hexagonalen Kristallstruktur als Grundbestandteil in den meist verwendeten kommerziellen Legierungen enthalten. (G. Nussbaum, u.a., Scripta Matell., 23(1989) 1079-1084; C. F. Chag, u.a., Light Metalalter (1989) p.12).

[0015] Die Motivation für den Einsatz von Leichtmetallen (wie z. B. Aluminium) besteht in der Gewichtsreduzierung, der Senkung des Treibstoff- und Energieverbrauchs, der Reduzierung der Schadstoffemission, der Verbesserung des Fahrkomforts und der Erhöhung der Lebensdauer und Sicherheit.

[0016] Nachteile der bekannten Legierungen sind, dass insbesondere ihre Festigkeit und Duktilität für viele zukünftige Anwendungen noch nicht ausreichend ist.

[0017] Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Formkörpers aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff, welcher gleichzeitig eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweist und ein einfaches und preiswertes Verfahren zu seiner Herstellung

[0018] Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0019] Der erfindungsgemäße Formkörper aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix aus Partikeln aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung mit darin fein verteilten Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung mit einer hexagonalen Kristallstruktur (hcp).

[0020] Vorteilhafterweise sind in der Matrix 5 bis 80 Vol. % Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten und noch vorteilhafterweise sind in der Matrix 45 bis 55 Vol.-% Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung enthalten.

[0021] Weiterhin vorteilhafterweise enthält die Aluminiumlegierung als Legierungselemente Mg, Mn, Si, Li oder Zn.

[0022] Ebenfalls vorteilhafterweise bestehen die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Mg₁₇Al₁₂.

[0023] Und auch vorteilhafterweise bestehen die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Al_xMg_100-x, mit x= 40 bis 60.

[0024] Von Vorteil ist es auch, wenn die Partikel der γ - Phase einer AlMg -Verbindung aus Al₆₀Mg₄₀ bestehen.

[0025] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Partikel aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1µm bis 100µm aufweisen.

[0026] Und auch von Vorteil ist es, wenn die Partikel der γ - Phase einer AlMg -Verbindung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 µm bis 100µm aufweisen.

[0027] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers wird aus kristallinem Al- und Mg-Pulver auf pulvermetallurgischem Wege die γ - Phase einer AIMg-Verbindung hergestellt und diese mit kristallinem Al-Pulver und/oder ein Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial gemischt und wiederum durch pulvermetallurgische Verfahren zu einer aluminiumhaltigen Verbindung verarbeitet und diese nachfolgend zu einem Formkörper verdichtet.

[0028] Vorteilhafterweise wird ein Aluminiumlegierungspulver mit Mg, Mn, Si, Li oder Zn als Legierungselementen eingesetzt.

[0029] Ebenfalls vorteilhafterweise werden die Aluminiumlegierungen durch mechanisches Legieren hergestellt.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die pulvermetallurgischen Herstellung der γ - Phase einer AlMg - Verbindung und/oder der aluminiumhaltigen Verbindung durch mechanisches Legieren durchgeführt, wobei noch vorteilhafterweise das mechanische Legieren durch Mahlung mit einer Mahldauer von 20 bis 300 Stunden durchgeführt wird.

[0030] Vorteilhaft ist es auch, wenn die Mischung aus kristallinem Al-Pulver oder einem Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial mit Partikeln der γ -Phase einer AIMg-Verbindung mittels Mahlen durchgeführt wird.

[0031] Und auch vorteilhaft ist es, wenn die aluminiumhaltige Verbindung durch Heißpressen oder Strangpressen oder Extrudieren zu einem Formkörper verarbeitet wird.

[0032] Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, metastabile Strukturen in einen Verbundwerkstoff einzubringen. Dies erfolgt auf pulvermetallurgischem Wege, wobei dies sowohl für die Herstellung der γ - Phase der AlMg-Verbindung als auch für den aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff gilt, der zu den erfindungsgemäßen Formkörpern verarbeitet wird. Vorteilhafterweise erfolgt die pulvermetallurgische Herstellung durch mechanisches Legieren.

[0033] Durch den Einbau der metastabilen Strukturen in den Verbundwerkstoff werden die Festigkeiten des Formkörpers deutlich erhöht und gleichzeitig die Duktilität für derartige Verbundwerkstoffe erhöht.

[0034] Zuerst wird eine γ - Phase der AIMg - Verbindung hergestellt. Diese γ - Phase ist eine metastabile intermetallische Phase, die hart und spröde ist und eine relativ große Elementarzelle mit 58 Atomen und eine hexagonale Kristallstruktur (hcp) aufweist. Die erzeugte γ - Phase ist nanokristallin.

[0035] Diese γ - Phase der AIMg - Verbindung wird dann mit Al-Pulver oder Pulver einer Al - Legierung als Matrixmaterial vermischt und durch pulvermetallurgische Verfahren zu einem Verbundwerkstoff verarbeitet. Aufgrund der Nanokristallinität der γ - Phase der AIMg - Verbindung kann diese sehr fein im Matrixmaterial verteilt werden.
Aus diesem Verbundwerkstoff wird dann ein Formkörper hergestellt.

[0036] Durch die Anwendung von pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren braucht das aufwändige Schleudergussverfahren nach dem Stand der Technik nicht angewandt werden, was das Herstellungsverfahren deutlich vereinfacht.

[0037] Die erfindungsgemäße Legierung kann auf den verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung finden. Sie weist hohe Betriebseigenschaften auf und besitzt hohe Parameter der mechanischen Eigenschaften bei normaler Temperatur.

[0038] Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel:

[0039] Die Herstellung der γ - Phase der Verbindung Mg₁₇Al₁₂ erfolgte durch mechanisches Legieren. Dazu wird eine Pulvermischung aus 50 Gew.-% kristallinem Aluminiumpulver und 50 Gew.-% kristallinem Magnesiumpulver jeweils mit einer Teilchengröße von 1 - 5 µm und mit einer Reinheit von 99.95 % hergestellt. Die Pulvermischung wird unter einer hochreinen Argon-Atmosphäre (weniger als 1 ppm O₂ and H₂O) in einem Mahlbecher gemischt und in einer Planetenkugelmühle (Retsch PM400) gemahlen. Der Mahlvorgang erfolgt unter der Verwendung von Stahlkugeln (∅=10 mm) und das Massenverhältnis zwischen Kugeln und Pulver entspricht 10:1 d.h. im Fall von 300 g Stahlmahlkugeln werden 30 g Pulvermischung verwendet. Die Geschwindigkeit der Planetenkugelmühle beträgt 150 U/min. Das mechanische Legieren erfolgt bei Raumtemperatur für die Dauer von 300 h. Am Ende des Mahlvorgangs liegt ein Sekundärpulver vollständig bestehend aus übersättigten Al(Mg)-Mischkristallen vor. Dieses Sekundärpulver ist nanokristallin, was vorteilhaft für die spätere hohe Festigkeit ist.

[0040] Nachfolgend wird das Sekundärpulver auf 430 °C erwärmt. Bei dieser Temperatur findet eine Phasenumwandlung statt, wodurch sich die metastabile γ - Phase der Verbindung Mg₁₇Al₁₂ in Pulverform ausbildet.

[0041] 50 Gew.-% dieses Pulvers aus der metastabile γ - Phase der Verbindung Mg₁₇Al₁₂ werden nachfolgend mit 50 Gew.-% reinem Aluminiumpulver wieder unter hochreiner Argon-Atmosphäre in einem Mahlbecher vermischt und in einer Planetenkugelmühle unter den o.g. Bedingungen gemahlen. Nach 1 h Mahldauer ist das Pulver gut vermischt und die nanokristalline metastabile γ - Phase der Verbindung Mg₁₇Al₁₂ liegt fein verteilt in der Matrix aus Aluminium vor. Danach wird das Pulver bei 100 °C heißgepresst und unter 50 MPa Pressdruck verdichtet, sowie mittels Strangpressen mit 4 mm Durchmesser extrudiert.

[0042] Die Porosität der erhaltenen Probe ist relativ hoch, die Dichte liegt bei 97,5 %.
Es konnte festgestellt werden, dass während des Strangpressens die metastabile γ - Phase der Verbindung Mg₁₇Al₁₂γ in die Aluminiummatrix diffundiert und sich gut verteilt.
Die γ - Phase dient dabei als Verstärkung der Al - Matrix, was sich eindeutig durch die nachfolgenden Ergebnisse nachweisen lässt.
Die Probe, aus dem hergestellten Material, hat folgende Eigenschaften gezeigt:

Festigkeit bei Raumtemperatur in Höhe von 250 MPa, relative Dehnung (Maß für die Duktilität) von 2%, Härte nach Vickers 250 HV und Dichte bei 98,5 %.

Ansprüche

1. Formkörper aus einem aluminiumhaltigen Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Matrix aus Partikeln aus Aluminium und/oder aus einer Aluminiumlegierung mit darin fein verteilten Partikeln der γ - Phase einer AlMg - Verbindung mit einer hexagonalen Kristallstruktur (hcp).

2. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem in der Matrix 5 bis 80 Vol. % Partikeln der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten sind.

3. Formkörper nach Anspruch 2, bei dem in der Matrix 45 bis 55 Vol.-% Partikel der γ - Phase einer AIMg - Verbindung enthalten sind.

4. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Aluminiumlegierung als Legierungselemente Mg, Mn, Si, Li oder Zn enthält.

5. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Mg₁₇Al₁₂ bestehen.

6. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Al_xMg_100-x bestehen, mit x= 40 bis 60.

7. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung aus Al₆₀Mg₄₀ bestehen.

8. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 µm bis 100µm aufweisen.

9. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Partikel der γ - Phase einer AlMg - Verbindung eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1µm bis 100µm aufweisen.

10. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem aus kristallinem Al- und Mg-Pulver auf pulvermetallurgischem Wege die γ - Phase einer AlMg-Verbindung hergestellt und diese mit kristallinem Al-Pulver und/oder ein Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial gemischt und wiederum durch pulvermetallurgische Verfahren zu einer aluminiumhaltigen Verbindung verarbeitet und diese nachfolgend zu einem Formkörper verdichtet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Aluminiumlegierungspulver mit Mg, Mn, Si, Li oder Zn als Legierungselementen eingesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Aluminiumlegierungen durch mechanisches Legieren hergestellt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die pulvermetallurgischen Herstellung der γ - Phase einer AIMg - Verbindung und/oder der aluminiumhaltigen Verbindung durch mechanisches Legieren durchgeführt wird, wobei vorteilhafterweise das mechanische Legieren durch Mahlung mit einer Mahldauer von 20 bis 300 Stunden durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Mischung aus kristallinem Al-Pulver oder einem Aluminiumlegierungspulver als Matrixmaterial mit Partikeln der γ - Phase einer AlMg-Verbindung mittels Mahlen durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die aluminiumhaltige Verbindung durch Heißpressen oder Strangpressen oder Extrudieren zu einem Formkörper verarbeitet wird.