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Bauteile aus Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Kombination von direktem Drucksintern und Thixoschmieden
Thomas Schubert1, Andreas Storz2,Christoph Seyboldt3, Kim Rouven Riedmüller3,
Thomas Hutsch1, Thomas Weißgärber1
1 Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Dresden2Sigma Materials GmbH
3 Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik
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Konzept - Verbundwerkstoff
Hartmetall (z.B. WC-Co)
Gleit- und Reibwerkstoffe
(Cu-, Fe-Basis)
Kontaktwerkstoffe
(z.B. Ag/MeO/Gr)
Leichtmetall-MMCs
(Al-, Mg-, Ti-Basis)
Wendeplatten, Bohrer(www.ceratizit.com)
Scheibenbremsbeläge für Hochgeschwindig-keitszüge
SiC-faserverstärkte Titanlegierungen(www.dlr.de)
Kontaktwerkstoffe für dieNiederspannungs-Energietechnik(www.umicore.com)
Al/SiC/p
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Die wesentlichsten Zielorientierungen bei der Entwicklung von Leichtmetall-Verbundwerkstoffen sind:
- die Verbesserung der spezifischen Festigkeit,
- des spezifischen E-Moduls,
- der Verschleißbeständigkeit,
- der Warmfestigkeit und
- die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Dieser Forschungsanspruch kommt nur zum Tragen, wenn bei entsprechenden Herstellungstechnologien Teilprozessstufen bzw. Prozessstufen eingespart werden können oder Technologien kosteneffizienter werden.
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Interessante Anwendungen sind:
- im Fahrzeugbau (Bremsen, Antriebswellen, Zylinderlaufbuchse),
- im Maschinenbau (Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungsmaschinen, Roboter),
- im Anlagenbau (Brennerdüsen, Hydraulikverteiler, Wärmesenken),
- in der Elektrotechnik (Kühlkörper, Kontakte, Boards, Überlandleitungen),
- im Freizeitbereich (Fahrradrahmen, Golfschläger),
- in der Militärtechnik (Fahrzeugteile, Antriebe)
- in der Raumfahrt (Antriebe, Fahrzeugteile, Seitenruder)
Bremstrommel
Bremsscheibe
Zylinderlaufbuchse
Dieselkolben
Wärmesenken/-spreizer
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MMC - Technologien
Stir
Stapeln
Strangpr. Strangpr.
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• Partikelgehalt >35%
• flexible Wahl der Matrixlegierung
• keine Restporositäten
• homogene Partikelverteilung ohne Agglomeratbildung
• endformnahe Herstellung komplexer Bauteilgeometrien
• wenig Prozessstufen
• geringe Fertigungskosten
Zielstellung der Entwicklung
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Neue Prozesskette
Verdüsung / Mischen Direktes Drucksintern Thixo-Schmieden
FertigteilHalbzeugPulvermischung
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+
-
RezipientPulver
Matrize
Press-stempel
Strom-versorgung
AlSi20FeNi/SiC/25p- 99,3% th.D., - Erhalt der feinen Mikrostruktur, - homogene Partikelverteilung
Direktes DrucksinternDie direkte Heizung von Press-werkzeug und Sintergut erlaubt hohe Heizraten (bis >300K/min) und kurze Prozesszeiten im Bereich von Sekunden/Minuten.
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Technische Parameter
Bauteil : 10 … 300 mm
Höhe: 1 … 80 mm
Max Presskraft: 2500 kN
Max. Strom: 60 000 A
Spannung: 10 V
Atmosphäre: N2, Ar
Vakuum: 5·10-2 mbar
Direktes Drucksintern am IFAM
HP D250 von FCT Systeme GmbH
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Elektrische Leitfähigkeit der Pulver
AlSi7Mg
AlSi7Mg + 35 SiC
Drastische Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit der Pulver durch Partikelverstärkung.
Eine elektrische Mindestleitfähigkeit von ca. 1000 S/m macht die Verwendung von Verbundpulvernerforderlich.
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Formgebung von Werkstoffen im fest-flüssig Bereich, TS < TProzess < TL,
Drastische Abnahme der Viskosität bei Scherbeanspruchung erhöht deutlich das Umformvermögen des Werkstoffes
Globulitischer Festphasenanteil durch Partikel-/Faserverstärkung
Komplexe Geometrien in einem Prozessschritt
Geringe Schrumpfung, nahezu poren-/lunkerfrei
Kurze Prozesszeiten reduzieren unerwünschtes Kornwachstum
T [°C]
Thixoschmieden
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Technische Parameter
Pressgeschwindigkeit:max. 800 mm/s
Prozess:frei wählbares Weg-Geschwindigkeits-Profil
Presskraft: max. 5000 kN
Nutzfläche: 850 x 800 mm
N2
Öl
Oil
Ölspeicher
Hydraulik-zylinder
Stempel
Stickstoff-speicher
5000kN-Hochgeschwindigkeitspresse
Thixoschmieden am IFU
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Matrix VerstärkungsphasePressdruck
[MPa]Temperatur
[°C]Haltezeit
[s]
AlSi20Fe5Ni2 25%/35% SiC F600 100 500 120-300
AlSi7Mg0,625% Granatsand
25% C-Kurzfasern35% SiC F600
100 500 120-300
AlSi20Fe5Ni2: Verbundpulver, Teilchengröße < 150 µmAlSi7Mg0,6: gasverdüst, sphärisch, < ca. 63 µmSiC: schwarz, 10 µmGranatsand: 30 - 45 μmC-Kurzfasern: 100 - 400 μm lang / 5 - 8 µm dick
Direktes Drucksintern
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100 mm
10 mm
Thixoschmieden
Matrix Verstärkungs-phaseTemperatur
[°C]
AlSi20Fe5Ni2 25%/35% SiC F600 685
AlSi7Mg0,625% Granatsand
25% C-Kurzfasern35% SiC/F600
585
Thixo-geschmiedete Demonstratoren
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Matrix Verstärkungs-
phase
Rel. Dichtenach SPS
[%]
Rel. Dichte nach Thixoschmieden
[%]
Härte
HV30
AlSi20Fe5Ni2 25% SiC/F600 98 100 230
AlSi20Fe5Ni2 35% SiC/F600 96 100 260
AlSi7Mg0,625%
Granatsand99,5 100 140 (T6)
AlSi7Mg0,625%
C-Kurzfasern94 98 120 (T6)
AlSi7Mg0,6 35% SiC/F600 97 100 250
Dichte und Härte
unverstärkt - AlSi7Mg0,6: HV30 = 90 (T6) AlSi20FeNi: HV30 = 105
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50 µm
AlSi20Fe5Ni2/SiC/35p
40 µm
Gefüge von AlSi20Fe5Ni2, Kokillenguss
Gefüge nach Thixoschmieden
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AlSi7Mg0,6/C/25sf
Gefüge nach Thixoschmieden
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Lokales Auspressen der Flüssigphase beim Thixoschmieden von AlSi20Fe5Ni2/SiC/25p
Defekte nach Thixoschmieden
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• Nachweis der prinzipiellen Machbarkeit der vorgeschlagene Verfahrenskombination aus Drucksintern und Thixoschmieden
• Herstellung mechanisch stabiler Halbzeuge durch schnelles Drucksintern mit direkter Stromerwärmung von Verbundpulvern
• Verarbeitung von AlMCs im teilflüssigen Materialzustand mittels Thixo-Schmieden zu komplexen, endkonturnahen Bauteilen mit hohen Werkstoffdichten
• Offene Fragen hinsichtlich einer verbesserten Pulveraufbereitung, der Optimierung der Prozessparameter in beiden Prozessstufen, dem Werkzeugverschleiß
Zusammenfassung