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© Fraunhofer IFAM Dresden

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

© Fraunhofer IFAM

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


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.


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


MMC - Technologien

Stir

Stapeln

Strangpr. Strangpr.


• Partikelgehalt >35%

• flexible Wahl der Matrixlegierung

• keine Restporositäten

• homogene Partikelverteilung ohne Agglomeratbildung

• endformnahe Herstellung komplexer Bauteilgeometrien

• wenig Prozessstufen

• geringe Fertigungskosten

Zielstellung der Entwicklung


Neue Prozesskette

Verdüsung / Mischen Direktes Drucksintern Thixo-Schmieden

FertigteilHalbzeugPulvermischung


+

-

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.


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


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.


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


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


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


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


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


50 µm

AlSi20Fe5Ni2/SiC/35p

40 µm

Gefüge von AlSi20Fe5Ni2, Kokillenguss

Gefüge nach Thixoschmieden


AlSi7Mg0,6/C/25sf

Gefüge nach Thixoschmieden


Lokales Auspressen der Flüssigphase beim Thixoschmieden von AlSi20Fe5Ni2/SiC/25p

Defekte nach Thixoschmieden


• 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

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