DE102008034257B4 - Gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoff, der aus mindestens einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgewählt aus Eisen, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Tantal, mit mindestens einem Carbid dieser Metalle und mit Kohlenstoff in Form von Graphit besteht, wobei der Anteil an Graphit mindestens 50 Vol.-% beträgt und der Werkstoff einen E-Modul von mindestens 50 GPa und das Produkt des E-Moduls mit einem geometrieunabhängigen Dämpfungsfaktor in mindestens eine Achsrichtung einen Wert von mindestens 0,4 GPa aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft gesinterte schall- und schwingungsdämpfende Werkstoffe, die die Eigenschaft aufweisen, unerwünschte Geräusche und Vibrationen zu dämpfen. Dabei wird mechanische Energie absorbiert und in Form von Wärme in ihre Umgebung abgegeben.
• Unerwünschte Schwingungen/Vibrationen, die ein großes Frequenzspektrum aufweisen können, entstehen in vielen Industriebereichen durch mechanische Bewegungen von Baugruppen. Die hohe Vibrationsbelastung in schwingenden Systemen führt zu verkürzten Lebensdauern und unerwünschten Ausfallzeiten bzw. Stillstandzeiten der beanspruchten Bauteile. Erhebliche Probleme entstehen auch durch die Lärmentwicklung aufgrund von Schwingungen.
• Die Aufnahme oder Minderung unerwünschter Schwingungsenergie beinhaltet die Umwandlung dieser Energieform in eine andere, in der Mehrzahl der Fälle in Wärme. Aus molekularer Sicht besteht der wichtigste Unterschied zwischen Wärmeenergie und Schwingungsenergie in der Zufälligkeit des Richtungsvektors für die Auslenkung der Atome um ihre Gleichgewichtslage. Die Schwingungsenergie ist sehr stark mit der Kollektivbewegung der Atome zur selben Zeit und in dieselbe Richtung verbunden. Wärmeenergie hingegen kann denselben oder einen größeren Energiewert aufweisen als die sich selbst fortpflanzende Schwingungsenergie. Der große Unterschied besteht jedoch darin, dass die Bewegung der Atome um ihre Gleichgewichtslage zufällig ist und gleichzeitig die mittlere Auslenkung nahezu den Wert Null aufweist.
• Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten bekannt, mit deren Hilfe der einheitliche Richtungsvektor der Atome in einem Material verändert werden kann, während Energie in Form von Schwingungen durch das Material hindurchtransportiert wird.
• Aus US 5 400 296 A ist es bekannt zwei oder mehrere verschiedene Verstärkungspartikel in einer Matrix einzusetzen, um zufällige Reflexionen an den Grenzflächen zwischen Verstärkungspartikel und Matrixmaterial zu fördern. Allgemein anerkannt ist, dass Defekte der Mikrostruktur einen entscheidenden Einfluss auf das Dämpfungsverhalten von Materialien aufweisen. Aus diesen Überlegungen heraus wurde eine Vielzahl an Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen (MMCs) entwickelt. Die gesteigerten Dämpfungseigenschaften werden durch Einbringen von Verstärkungskomponenten erzielt, die selbst eine hohe intrinsische Dämpfung aufweisen oder die Mikrostruktur der Matrix stark verändern. Als Verstärkungspartikel werden vorrangig SiC, Al₂O₃ und Graphit eingesetzt. Von R. K. Everett, R. J. Arsenault, Metal Matrix Composite Processing and Interfaces, Academic Press, Boston, MA, 1991 und P. K. Rohatgi et al. und S. G. Fishman et al., wurde in „Cast Reinforced Metal Composite”, ASM, Materials Park, Ohio, 1988, Seite 375 vorgeschlagen, durch Druckinfiltration MMCs vorrangig mit Aluminium bzw. Aluminiumlegierung als Matrix herzustellen. Für Aluminiumlegierungen ist dabei festzustellen, dass die Einlagerung von Graphitpartikeln das Dämpfungsverhalten verbessert. Der E-Modul nimmt jedoch mit steigendem Graphitgehalt ab.
• In US 4 946 647 A werden metallische Verbundwerkstoffe mit Aluminiummatrix und Graphitpartikeln als Verstärkungskomponente beschrieben. Dem Zugewinn an Dämpfungseigenschaften gegenüber reinem Aluminium steht eine drastische Einbuße an Festigkeitswerten gegenüber. Dadurch sind die auf diesem Wege herstellbaren Werkstoffe als Konstruktionswerkstoff in den meisten Fällen ungeeignet. Abhilfe schafft die Beschränkung des Graphitanteils auf maximal 10 Masse-%.
• Im US 4 236 925 A wird vorgeschlagen einen Verbundwerkstoff mit gesteigerten Dämpfungseigenschaften herzustellen. Dabei sollen eine Verstärkungskomponente (Graphit oder Blei oder Magnesium) mit dem Matrixmetallpulver vermischt werden. Dieses können Eisen, Kupfer oder Aluminium bzw. deren Legierungen sein. Die Konsolidierung der Mischung beinhaltet Formpressen, Kapseln des Formkörpers, darauf folgende Verformung (z. B. Walzen) und Wärmebehandlung der plastisch verformten Kapsel samt Inhalt. Die Wärmebehandlungstemperatur muss dabei oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Matrix gehalten sein. Ziel ist es dabei, dass die Matrix rekristallisiert und die Verstärkungskomponente in Form von Spindeln an den Korngrenzen bzw. in den Matrixkörnern aggregiert. Dieses Vorgehen ist sehr kompliziert und kostenintensiv, gleichzeitig ist diese Methode auf Verstärkungskomponenten beschränkt, die spindelförmig sind.
• In US 6 346 132 A wird ein Metall/Metall-Verbundwerkstoff beschrieben. Als Matrix wird eine Aluminiumlegierung bevorzugt. Die metallische Zweitphase weist ein teilweise martensitisches Gefüge auf. Dazu werden hauptsächlich Legierungen mit Nickel und Titan eingesetzt. Zusätzlich können Additive eingesetzt werden, die Martensit stabilisieren.
• So ist in DE 44 09 377 A1 ein wärmebeständiges und verschleißfestes Material beschrieben, in dem neben verschiedenen Carbiden und Siliziden auch 5 bis 20% Kupfer und zusätzlich ergänzend Kohlenstoff enthalten sein soll.
• US 6,162,497 B1 betrifft die Herstellung von Partikeln, wobei unter anderem Partikel aus Kohlenstoff mit mindestens einem Metall beschichtet und die beschichteten Partikel danach gesintert werden sollen. Unter anderem kann dabei Wolfram eingesetzt werden.
• Der in WO/2007/101282 A1 beschriebene Verbundwerkstoff aus Matrixmetall, Kohlenstoff und einem Carbidbildenden Element nutzt eine Kupfermatrix mit einem niedrigen Elastizitätsmodul. Bei der Verwendung von Diamant als Verstärkungskomponente wird eine gesteigerte Wärmeleitfähigkeit über die gezielte Ausbildung einer Carbidschicht an der Grenzfläche Metall/Diamant erreicht. Die hohen Volumenanteile an Diamant von bis zu 65 Vol.-% verschlechtern die mechanische Bearbeitbarkeit dramatisch. Im Fall der Verwendung von Graphit als Kohlenstoffkomponente kann die Wärmeleitfähigkeit ebenfalls nur durch Graphitgehalte größer 40 Vol.-% gesteigert werden. Die Kupfermatrix kann aber nur sehr eingeschränkt die sehr starke thermische Ausdehnung des Graphits in die kristallographische c-Richtung kompensieren. Dies führt zu einem stark anisotropen thermischen Ausdehnungsverhalten des Verbundwerkstoffes.
• Aus GB 1 496 857 A ist ein Wärme absorbierendes Material bekannt, bei dem neben Carbiden und Boriden mit Kohlenstoff ebenfalls Kupfer enthalten sein sollen.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff, der mit einem Metall oder einer Metalllegierung als Basismaterial und einer Zweitphase gebildet ist, zur Verfügung zu stellen, mit dem eine erhöhte Dämpfung erreichbar ist und der zusätzlich eine Festigkeit aufweist, dass er als Konstruktionswerkstoff eingesetzt werden kann.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Werkstoff, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Er kann mit einem Verfahren nach Anspruch 5 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
• Der durch ein gezieltes Sintern hergestellte erfindungsgemäße Werkstoff ist dabei mindestens mit einem Metall oder einer Metalllegierung und Kohlenstoff in Form von Graphit gebildet. Der Anteil an Graphit ist bei mindestens 50 Vol.-% gehalten. Das Metall oder die Metalllegierung sind so ausgewählt, dass durch chemische Reaktion eine Carbidbildung möglich werden kann. Der Anteil an Carbid im fertig hergestellten Werkstoff liegt aber unterhalb des Graphitanteils. Er kann durch Beeinflussung bei der zur Sinterung führenden Wärmebehandlung eingestellt werden, wobei kleine Anteile bevorzugt sind. Er sollte zumindest kleiner 35 Vol.-%, bevorzugt kleiner 30 Vol.-% sein.
• Durch Einlagerung von Graphit in zwei- bzw. dreidimensionaler Verteilung können die Dämpfungseigenschaften verbessert werden. Gleichzeitig weist der erfindungsgemäße Werkstoff einen höheren Elastizitätsmodul auf, als zu erwarten war auf. Er ist dabei größer 50 GPa in mindestens einer Achsrichtung. Bevorzugt sind Werte von mindestens 70 GPa und ganz besonders bevorzugt Werte oberhalb 130 GPa.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Graphit als Zweitphase genutzt, um die Dämpfungseigenschaften des Basismaterials deutlich zu verbessern. Durch die Variation des Graphitgehaltes im erfindungsgemäßen Werkstoff können die Eigenschaften Elastizitätsmodul und Dämpfungsfaktor an die Einsatzbedingungen angepasst werden.
• Als Metall oder eine geeignete Metalllegierung werden Eisen, Wolfram oder Molybdän sowie auch Vanadium oder Tantal eingesetzt.
• Es können aber weitere Metalle, Metalllegierungen, Verstärkungskomponenten oder andere Zusatzstoffe zusätzlich enthalten sein. Dabei sollte der Anteil an Carbid bildendem Metall jedoch höher sein. Aluminium oder auch Kupfer sollen dabei nicht oder nur mit sehr kleinen Anteilen ggf. als Legierungsbestandteil enthalten sein. Dies trifft auch auf Silicium zu.
• Durch inniges Mischen von metallischem Basismaterial und Graphit als Zweitphase kann eine homogene Pulvermischung hergestellt werden, so dass die Zweitphasenpartikel vollständig von dem Basismaterialpulver umhüllt sind.
• Zur Konsolidierung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes sind Verfahren, die in kurzer Zeit und somit auch kostengünstig eingesetzt werden können, zu bevorzugen. Hierfür geeignete Verfahren sind beispielsweise induktiv oder konduktiv beheiztes Heißpressen und abgewandelte Verfahren. An dieser Stelle seien das Spark Plasma Sintern (SPS) und das Field Assisted Sintering (FAST) als besonders geeignete Beispiele angeführt. Eine entsprechende Menge der Pulvermischung kann in eine Matrize (beispielsweise aus Graphit) oder eine Kapsel gefüllt und gegebenenfalls mit einem Druck von einigen MPa vorverdichtet werden. Die befüllte Matrize kann in eine entsprechende Heisspresse eingesetzt und anschließend evakuiert werden. Durch Variation von Heiz- und Abkühlraten in Verbindung mit kurzen Sinterzeiten und definierten Pressdrücken gelingt es einerseits das matrixbildende Pulver zu sintern und gleichzeitig den Gehalt und die Ausprägung des Carbidnetzwerkes zu steuern. Ggf. nach einer Haltezeit bei der gewünschten Sintertemperatur kann eine Abkühlung durchgeführt, die Kammer belüftet und die Matrize samt Probe entnommen werden. Anschließend wird die Probe aus erfindungsgemäßem Werkstoff ausgeformt.
• Der Anteil an im fertigen Werkstoff enthaltenen Carbid kann durch geringere Heizraten, längere Haltezeit und kleinere Kühlrate erhöht werden. Die Carbidbildung wird dabei verhindert bzw. reduziert, wenn hohe Heiz- und hohe Kühlraten und/oder kürzere Haltezeiten der maximalen Temperatur beim Sintern gewählt werden. Auch die maximale Temperatur hat Einfluss auf eine Bildung von Carbid. Bei höheren maximalen Temperaturen kann ein höherer Anteil gebildet worden sein.
• Die mittlere Partikelgröße d₅₀ sollte bei Metall kleiner 10 μm bevorzugt kleiner 5 μm sein. Die mittlere Flockengöße des eingesetzten Graphits sollte im Bereich 30 bis 900 μm, bevorzugt im Bereich 60 bis 120 μm gehalten sein.
• Bei der Herstellung sollte so vorgegangen werden und Ausgangspulver eingesetzt werden, dass ein erfindungsgemäßer Werkstoff eine Dichte von mindestens 80% der Dichte der Theorie (theoretische Dichte), bevorzugt mindestens 90% nach dem Sintern aufweist.
• An Materialien können die tatsächlichen Dichten experimentell bestimmt werden, dazu ist die Bestimmung von Volumen und Masse notwendig. Das Volumen kann dabei experimentell mittels Tauchverfahren oder geometrisch und die Masse durch wiegen ermittelt werden. Es gilt rho_Exp = m / V wobei

rho_Exp

Dichte experimentell bestimmt am Material [g/cm³], geometrisch oder mit Tauchverfahren bestimmt

V

Volumen [cm³] und

m

Masse [g] sind

• Die theoretisch mögliche Dichte des Materials kann unter Berücksichtigung seiner Zusammensetzung bestimmt werden. Aufgrund der verwendeten Einwaage kann der Volumengehalt an Matrix und Graphit ohne Bildung des Carbides bestimmt werden. Zusätzlich wird die Abwesenheit von Porosität vorausgesetzt. Vol.-%_Carbid ist in diesem Fall gleich Null.
• Wird während der Herstellung aufgrund der gewählten Parameter, wie Heizrate, Sintertemperatur, Haltezeit und Pressdruck aus den Ausgangsstoffen Carbid gebildet, so kann die theoretisch mögliche Dichte aus den resultierenden Volumenanteilen an Matrix, Carbid und Graphit ermittelt werden. Der maximal mögliche Anteil an Carbid hängt dabei von der vollständigen Umsetzung des Graphitanteils oder des Matrixanteils ab.
• Dabi ist

  

  mit

rho_TD

theoretisch mögliche Dichte des Materials [g/cm³]

Vol.-%_Matrix

Volumengehalt an Matrix [%]

rho_Matrix

Dichte Matrix [g/cm³]

Vol.-%_Graphit

Volumengehalt an Graphit [%]

rho_Graphit

Dichte Graphit [g/cm³]

Vol.-%_Carbid

Volumengehalt an Carbid [%]

rho_Carbid

Dichte Carbid [g/cm³]

• Aufgrund der gewählten Parameter bei der Herstellung kann nach dem Ausformen Porosität im Material vorhanden sein. Ein Maß über den Anteil der Porosität bildet der relative Wert Prozent der theoretischen Dichte %TD. Dieser Wert wird in Prozent angegeben und ist unabhängig vom Werkstoffsystem. Er charakterisiert, welcher Prozentsatz der theoretisch möglichen Dichte durch die gewählten Parameter bei der Herstellung erreicht wurde.

  

%TD

Prozent der theoretisch möglichen Dichte, [%], Relativwert, der von gewählten Herstellbedingungen abhängig ist,

rho_Exp

Dichte experimentell bestimmt am Material [g/cm³], geometrisch oder mit Tauchverfahren bestimmt,

rho_TD

theoretisch mögliche Dichte des Materials [g/cm³].

• Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
• Dabei zeigen:
• 1 einen Querschliff durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Werkstoffs, der mit Eisen und Graphit mit einem Anteil von 60 Vol.-% gebildet ist und
• 2 ein Diagramm, mit dem die Abhängigkeit des Produktes aus E-Modul und Dämpfungsfaktor vom im erfindungsgemäßen Werkstoff enthaltenen Graphit, der außerdem mit Eisen gebildet ist, verdeutlicht ist.
• Beispiel 1:
• 400,5 g Eisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 5 μm und 152,68 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 μm wurden innig miteinander gemischt. Von der Pulvermischung wurden 70 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10^–2 mbar evakuiert. Anschließend wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 300 K/min bis auf 1050°C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 10 s wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400°C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100°C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit größer 55 Vol.-%, der Anteil an Eisencarbid lag bei einem Wert kleiner 5 Vol.-% und der Rest bestand aus Eisen.
• Beispiel 2:
• 400,5 g Eisenpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 5 μm und 152,68 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 μm wurden innig miteinander vermischt. Von der Pulvermischung wurden 70 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10^–2 mbar evakuiert. Anschließend wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 300 K/min bis auf eine Temperatur von 1050°C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 20 min wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400°C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100°C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit im Bereich 50 bis 60 Vol.-%, der Anteil an Eisencarbid war kleiner 20 Vol.-% und der Rest bestand aus Eisen.
• Beispiel 3:
• 220,73 g Wolframpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser kleiner 3 μm und 55,81 g Graphit mit einer mittleren Flockengröße von 80 μm wurden innig miteinander vermischt. Von der Pulvermischung wurden 90 g in eine Graphitmatrize mit einem Durchmesser von 45 mm gefüllt, in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und unter einem Vorpressdruck von 5 MPa bis auf einen Druck von 10^–2 mbar evakuiert. Danach wurde der Pressdruck auf 20 MPa erhöht und mit einer Heizrate von 100 K/min bis auf 900°C aufgeheizt und anschließend 5 min gehalten. Anschließend wurde unter einem mechanischen Druck von 40 MPa in 4 min auf 1995°C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 10 s wurde mit einer mittleren Kühlrate von ca. 150 K/min auf 400°C abgekühlt. Danach wurde der mechanische Druck auf 0 MPa reduziert und die Vakuumkammer bei einer Temperatur von ca. 100°C belüftet. Im fertigen Werkstoff war der Anteil an Graphit größer 68 Vol.-% und der Rest bestand aus Wolfram.
• Die in den Beispielen 1 bis 3 hergestellten Werkstoffe wurden hinsichtlich Dichte, geometrieunabhängigem Dämpfungsfaktor Q^–1 und Elastizitätsmodul E charakterisiert (Tabelle 1). Der Dämpfungsfaktor Q^–1 und E-modul E wurden mittels der Methode der Impulsanregung bestimmt.

  	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
  Dichte [g/cm3]	4,5	4,6	8,0
  Dämpfungsfaktor Q–1	0,007	0,005	0,007
  Elastizitätsmodul E [GPa]	80	82	170
  E·Q–1 [GPa]	0,56	0,41	1,19

  Tabelle 1: Eigenschaften der Ausführungsbeispiele 1 bis 3
• Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass ein der vorliegenden Erfindung gemäßer Werkstoff ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften mit einem hohen E-Modul vereint.
• Der Dämpfungsfaktor wurde mit einem Messgerät der IMCE NV aus Belgien mit der Typbezeichnung RFDA-MF bestimmt und die Bestimmung ist im Manual des Jahres 2006 für dieses Gerät auf Seite 3 beschrieben.

Claims (8)

1. Gesinterter schall- und schwingungsdämpfender Werkstoff, der aus mindestens einem Metall oder einer Metalllegierung, ausgewählt aus Eisen, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Tantal, mit mindestens einem Carbid dieser Metalle und mit Kohlenstoff in Form von Graphit besteht, wobei der Anteil an Graphit mindestens 50 Vol.-% beträgt und der Werkstoff einen E-Modul von mindestens 50 GPa und das Produkt des E-Moduls mit einem geometrieunabhängigen Dämpfungsfaktor in mindestens eine Achsrichtung einen Wert von mindestens 0,4 GPa aufweist.
2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Carbid im Werkstoff unterhalb des Anteils an Graphit liegt und kein oder ein sehr kleiner Anteil an Aluminium, Kupfer und Silicium enthalten ist.
3. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an im Werkstoff enthaltenen Carbid kleiner 35 Vol.-% ist.
4. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte von mindestens 80% der Theorie aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit Graphit und mindestens einem Metall oder Metalllegierung nach Anspruch 1 gebildete Pulvermischung in einer Matrize/Kapsel unter Druckkraftbeaufschlagung in eine vorgegebene Form gebracht und eine Sinterung mit einer Heiz- und Kühlrate von mindestens 20 K/min durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in zwei Stufen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in einer Spark Plasma Sinter- (SPS) oder einer Field Assisted Sintering-Anlage (FAST) durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver mit einer mittleren Partikelgröße kleiner 10 μm und Graphit mit einer mittleren Flockengröße im Bereich von 30 μm bis 900 μm eingesetzt wird.

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