Bauteile aus Aluminium-Matrix- Verbundwerkstoffen durch Kombination von direktem Drucksintern und Thixoschmieden

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Sylvia Wolf
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1 Bauteile aus Aluminium-Matrix- Verbundwerkstoffen durch Kombination von direktem Drucksintern und Thixoschmieden Thomas Schubert 1, Andreas Storz 2, Christoph Seyboldt 3, Kim Rouven Riedmüller 3, Thomas Hutsch 1, Thomas Weißgärber 1 1 Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Dresden 2 Sigma Materials GmbH 3 Universität Stuttgart, Institut für Umformtechnik

2 Konzept - Verbundwerkstoff Hartm etall (z.b. WC-Co) Gleit- und Reibw erks toffe (Cu-, Fe-Basis) Wendeplatten, Bohrer ( Scheibenbremsbeläge für Hochgeschwindigkeitszüge Kontaktw erks toffe (z.b. Ag/MeO/Gr) Kontaktwerkstoffe für die Niederspannungs-Energietechnik ( Leichtmetall-MMCs (Al-, Mg-, Ti-Basis) Al/SiC/p SiC-faserverstärkte Titanlegierungen ( Fraunhofer IFAM

3 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

(Brennerdüsen, Hydraulikverteiler, Wärmesenken), - in

Überlandleitungen), - im Freizeitbereich

(Fahrzeugteile, Antriebe) - in der Raumfahrt

4 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 Zylinderlaufbuchse Bremsscheibe Dieselkolben Wärmesenken/ -spreizer

5 MMC - Technologien Stapeln Stir Strangpr. Strangpr.

6 Zielstellung der Entwicklung Partikelgehalt >35% flexible Wahl der Matrixlegierung keine Restporositäten homogene Partikelverteilung ohne Agglomeratbildung endformnahe Herstellung komplexer Bauteilgeometrien wenig Prozessstufen geringe Fertigungskosten

7 Neue Prozesskette Pulvermischung Halbzeug Fertigteil Verdüsung / Mischen Direktes Drucksintern Thixo-Schmieden

und kurze Prozesszeiten im Bereich von Sekunden/Minuten.

8 Direktes Drucksintern Matrize Pulver + - Rezipient Stromversorgung Die direkte Heizung von Presswerkzeug und Sintergut erlaubt hohe Heizraten (bis >300K/min) und kurze Prozesszeiten im Bereich von Sekunden/Minuten. Pressstempel AlSi20FeNi/SiC/25p - 99,3% th.d., - Erhalt der feinen Mikrostruktur, - homogene Partikelverteilung

9 Direktes Drucksintern am IFAM HP D250 von FCT Systeme GmbH Technische Parameter Bauteil : Höhe: Max Presskraft: Max. Strom: Spannung: Atmosphäre: Vakuum: mm 1 80 mm 2500 kn A 10 V N 2, Ar mbar

10 Elektrische Leitfähigkeit der Pulver AlSi7Mg AlSi7Mg + 35 SiC Drastische Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit der Pulver durch Partikelverstärkung. Eine elektrische Mindestleitfähigkeit von ca S/m macht die Verwendung von Verbundpulvern erforderlich.

Thixoschmieden Formgebung von Werkstoffen im fest-flüssig Bereich, T S < T Prozess < T L, Drastische Abnahme der Viskosität bei Scherbeanspruchung erhöht deutlich das Umformvermögen des Werkstoffes

11 Thixoschmieden Formgebung von Werkstoffen im fest-flüssig Bereich, T S < T Prozess < T L, 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]

12 Oil Thixoschmieden am IFU 5000kN-Hochgeschwindigkeitspresse N 2 Ölspeicher Öl Technische Parameter Stempel Pressgeschwindigkeit: max. 800 mm/s Prozess: frei wählbares Weg- Geschwindigkeits-Profil Hydraulikzylinder Stickstoffspeicher Presskraft: Nutzfläche: max kn 850 x 800 mm

13 Direktes Drucksintern Matrix Verstärkungsphase Pressdruck [MPa] Temperatur [ C] Haltezeit [s] AlSi20Fe5Ni2 25%/35% SiC F AlSi7Mg0,6 25% Granatsand 25% C-Kurzfasern 35% SiC F AlSi20Fe5Ni2: Verbundpulver, Teilchengröße < 150 µm AlSi7Mg0,6: gasverdüst, sphärisch, < ca. 63 µm SiC: schwarz, 10 µm Granatsand: μm C-Kurzfasern: μm lang / 5-8 µm dick

14 Matrix Thixoschmieden Verstärkungs-phase Temperatur [ C] AlSi20Fe5Ni2 25%/35% SiC F AlSi7Mg0,6 25% Granatsand 25% C-Kurzfasern 35% SiC/F mm Thixogeschmiedete Demonstratoren 100 mm

15 Matrix Verstärkungsphase Rel. Dichte nach SPS [%] Rel. Dichte nach Thixoschmieden [%] Härte HV30 AlSi20Fe5Ni2 25% SiC/F AlSi20Fe5Ni2 35% SiC/F AlSi7Mg0,6 AlSi7Mg0,6 Dichte und Härte 25% Granatsand 25% C-Kurzfasern 99, (T6) (T6) AlSi7Mg0,6 35% SiC/F unverstärkt - AlSi7Mg0,6: HV30 = 90 (T6) AlSi20FeNi: HV30 = 105

16 Gefüge nach Thixoschmieden Gefüge von AlSi20Fe5Ni2, Kokillenguss 40 µm 50 µm AlSi20Fe5Ni2/SiC/35p

17 Gefüge nach Thixoschmieden AlSi7Mg0,6/C/25sf

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

19 Zusammenfassung 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

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