DE19741019A1

DE19741019A1 - Werkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE19741019A1
Application number: DE19741019A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Huber; Rainer Dr Rauh; Eduard Prof Arzt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2017-09-19
Also published as: ITMI981992A0; GB2329395A; CA2247654A1; ITMI981992A1; FR2768436A1; GB2329395B; DE19741019C2; JPH11158570A; IT1303678B1; GB9819651D0; FR2768436B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit aus einem im wesentlichen metallischen Basismaterial und einer Zweitphase, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.

Die hohe Beschleunigung mechanisch bewegter Teile verursacht unerwünschte Schwingungen über ein breites Frequenzspektrum. Die hohen Vibrationsbelastungen in den schwingenden Systemen führen zu großen Totzeiten, die durch lange Einschwingvorgänge hervorgerufen werden, und limitieren die Lebensdauer der beanspruchten Bauteile. Ein weiteres Problem liegt in der durch die Schwingungen hervorgerufenen Lärmbelastung.

Metalle und Legierungen besitzen aufgrund der hohen Festigkeit, dem geringen Gewicht und den guten Korrosionseigenschaften ein weites Anwendungsfeld. Sie weisen jedoch i. d. R. nur eine geringe Dämpfung auf, weswegen zusätzlich reine Dämpfungsmaterialien eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich meist um Kunststoffe, was bei Temperaturen über deren Schmelzpunkt und bei einer Beschränkung des Platzangebotes zu Einschränkungen der Verwendungsmöglichkeiten führt. Grauguß oder Reinmagnesium zeigen zwar eine höhere Dämpfung, weisen jedoch auf der anderen Seite eine eingeschränkte Festigkeit auf.

Aus der Patentschrift US 4,946,647 sind metallische Werkstoffe aus einem Basismaterial und einer Zweitphase aus Graphit bekannt. Allerdings liegt die Zugfestigkeit der angegebenen Werkstoffe mit maximal 190 MPa weit unter der des Basismaterials und die Bruchdehnung höchstens bei 4%, sogar wenn Reinaluminium als Basismaterial verwendet wird. Diese mechanischen Kennwerte zeigen, daß bei diesen Werkstoffen die Materialdämpfung mit einem drastischen Verlust an Festigkeit einhergeht und sie sich deshalb nicht für den Einsatz als Strukturwerkstoff eignen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstoff aus einem im wesentlichen metallischen Basismaterial und einer Zweitphase anzugeben, der schon bei geringen Schwingungsamplituden eine erhöhte Materialdämpfung aufweist, aber dennoch eine so hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung zeigt, daß er als Strukturwerkstoff verwendet werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Werkstoff der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die in das Basismaterial eingebrachte Zweitphase metallisch ist und zumindest teilweise ein martensitisches Gefüge aufweist.

Der erfindungsgemäße Werkstoff besitzt schon bei geringen Schwingungsamplituden hochdämpfende Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die teilweise martensitisch vorliegende Zweitphase die mechanischen Kennwerte des Basismaterials nicht negativ beeinflußt, so daß der Werkstoff auch als Strukturwerkstoff verwendet werden kann. Es zeigt sich ebenfalls, daß der erfindungsgemäße Werkstoff keinerlei Limitierung an die Auswahl der äußeren Form der Zweitphase stellt, wodurch der Werkstoff an verschiedene Anforderungen leicht angepaßt werden kann.

Vorzugsweise umfaßt die Zweitphase eine Legierung. Vorteilhaften Einfluß auf die Materialdämpfung hat der Einsatz einer Legierung aus Nickel und Titan, wenn diese Legierungsbestandteile in einem Bereich von 48 bis 52 Atom-% gemischt werden, insbesondere wenn die Legierung 49,9 Atom-% Nickel und 50,1 Atom-% Titan enthält. Diese Bestandteile der Legierung sind nur als bevorzugte Werte anzusehen, nicht jedoch als eine Beschränkung der Erfindung.

Eine weitere Erhöhung der Materialdämpfung wird erzielt, indem die Zweitphase zur Stabilisierung der martensitischen Phase und zur Anpassung an die Betriebsbedingungen bevorzugt Zusätze in einem Bereich bis zu 25 Atom-% enthält. Auch diese bevorzugten Bereichsgrenzen sind nicht als Beschränkung zu sehen, ebensowenig wie die Auswahl an Zusätzen, bei denen es sich vorteilhaft um Zirkon, Hafnium, Kupfer, Niob, Mangan, Palladium, Platin und Eisen handelt. Die Stabilisierung der martensitischen Phase kann auch durch eine Vorbehandlung der Zweitphase verstärkt werden, indem z. B. eine Deformierung der Zweitphase oder eine Homogenisierung der Legierungsbestandteile durchgeführt wird.

Die Zweiphase kann die Form von Partikeln, Drähten, Kurzfasern haben und als Lage im Basismaterial vorliegen, so daß hiermit vorzugsweise der Werkstoff an die von außen vorgegebenen Anforderungen maximal angepaßt werden kann. Dies geschieht auch dadurch, daß der Anteil der Zweitphase am Gesamtwerkstoff je nach gewünschten Eigenschaften bevorzugt zwischen 5 und 60 Volumen-% variiert. Auch hier handelt es sich nicht um eine Beschränkung der Erfindung.

Um bei der Dämpfung den notwendigen Lastübertrag vom Basismaterial auf die Zweitphase besser gewährleisten zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Zweitphase an der Grenzfläche zum Basismaterial mit diesem eine Verbindung ausbildet.

Durch die metallische Zweitphase mit zumindest teilweise martensitischem Gefüge innerhalb des Basismaterials gelingt es, die Anförderungen die von Seiten der Dämpfung an den Werkstoff gestellt werden, allein durch die Zweitphase zu erfüllen, während die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung vor allem durch das Basismaterials bestimmt werden. Aus diesem Grund kann das Basismaterial zu jeder Anforderung als Strukturwerkstoff gewählt werden. Aufgrund der mechanischen Eigenschaften ist das Basismaterial aber vorteilhaft ein Leichtmetall oder eine Leichtmetallegierung, wobei hier insbesondere die Al-Legierung EN AW-6061, gemäß DIN EN 573, bevorzugt wird. Es können aber auch Umstände vorliegen, die höhere Festigkeiten notwendig machen, wodurch Basismaterialien zum Einsatz kommen, die verschiedene Gefüge aufweisen oder die als Verbundwerkstoff mindestens eine weitere Drittphase zur Verstärkung besitzen. Eine auf das Basismaterial abgestimmte thermomechanische Behandlung führt ebenfalls zu einer vorteilhaften Erhöhung der Festigkeit des Basismaterials.

Der folgende Teil der Beschreibung bezieht sich auf den verfahrenstechnischen Teil zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes.

Durch Verfahren nach US 4,236,925 werden Werkstoffe mit einer Zweitphase aus Graphit, Blei oder Magnesium hergestellt, die eine erhöhte Materialdämpfung aufweisen. Hierbei muß das Herstellverfahren allerdings so geführt werden, daß die Zweitphase nach einem zusätzlichen Verfahrensschritt, in dem der Werkstoff einer plastischen Verformung unterworfen wird, in Spindelform vorliegt und der Werkstoff in einem weiteren Schrift über die Rekristallisationstemperatur des Basismaterials erhitzt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll weiterhin sein, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit hoher Materialdämpfung und Festigkeit zu schaffen, das ohne zusätzliche komplexe Verfahrensschritte auskommt.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, indem ein Gemisch aus in Pulverform vorliegendem Basismaterial und Zweitphase durch Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 400°C bis 700°C und bei einem Druck von 1000 bar bis 3000 bar konsolidiert wird.

Dabei kann die Auslagerungsdauer zwischen 1 Stunde und 6 Stunden betragen. Eine Durchführung der Konsolidierung bei 540°C, 2000 bar und 2 Stunden Auslagerungsdauer erzielt jedoch die besten Ergebnisse. Dies trifft auch für die Wahl der Beschaffenheit der Ausgangsstadien für Basismaterial und Zweitphase zu, wenn das Basismaterial als in Inertgas verdüstes Material eingesetzt wird. Sofern die Wahl der äußeren Form der Zweitphase es zuläßt, liegt die Zweitphase auch in dieser Verarbeitungsform vor. Ein vorteilhafter Verfahrensschritt liegt in der Entgasung des Gemisches aus Basismaterial und Zweitphase, bevor dieses konsolidiert wird. Diese Konsolidierung kann durch Heiß-Isostatisches-Pressen, Sintern, Strangpressen oder Schmieden geschehen.

Nach einer weiteren Lösung ist die Herstellung des Werkstoffes erfindungsgemäß auch möglich, indem die Zweitphase dem in flüssiger Form vorliegenden Basismaterial zugeführt wird.

Beim Einbringen der Zweitphase in das flüssige Basismaterial ist es zum Schutz der Zweitphase von Vorteil, diese gegebenenfalls mit einem Überzug zu versehen, um eine zu heftige Reaktion mit dem Basismaterial zu verhindern.

Bei beiden erfindungsgemäßen Herstellverfahren kann die Zweitphase in verschiedenen Formen eingebracht werden. Vorteilhaft liegt sie in beiden Verfahren aber als Partikel, Draht, Kurzfaser oder Lage vor. In einem bevorzugten Schritt wird die Zweitphase vor der Konsolidierung vorbehandelt, um die martensitische Phase zu stabilisieren. Hierbei kann es sich um Deformieren der Zweitphase oder um Homogenisieren der Bestandteile der Zweitphase in dieser handeln.

Die Verfahren zur Herstellung des Werkstoffes machen keine kritischen Verfahrensschritte notwendig, in denen die Zweitphase auf eine bestimmte äußere Gestalt gebracht werden muß. Um eine hohe Materialdämpfung aufzuweisen braucht der Werkstoff des weiteren nicht in einem zusätzlichen Schritt über die Rekristallisationstemperatur des Basismaterials erwärmt zu werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs wird in Argon verdüstes Pulver aus der Al-Legierung EN AW-6061, gemäß DIN EN 573, mit einer Partikelgröße kleiner als 45 µm und auf dieselbe Weise hergestelltes NiTi-Pulver mit einer Partikelgröße kleiner als 180 µm und einer Zusammensetzung von 49,9 Atom-% Nickel und 50,1 Atom-% Titan verwendet. Die in Kapseln gefüllte Pulvermischung enthält 10 Volumen-% NiTi-Pulver mit dem Rest Pulver der Al-Legierung EN AW-6061. Zur Vermeidung von gashaltigen Poren wird das Gemisch bei Raumtemperatur entgast und die Kapsel gasdicht verschlossen. Die Konsolidierung des Werkstoffs erfolgt durch Heiß-Isostatisches-Pressen für zwei Stunden bei einem Druck von 2000 bar und einer Temperatur von 540°C.

In einem nach diesem Verfahren hergestellten Werkstoff liegen die NiTi- Partikel homogen verteilt in der Al-Legierung EN AW-6061 vor. Die Zugfestigkeit dieses Werkstoffs entspricht derjenigen eines durch Heiß- Isostatisches-Pressen hergestellten und nur aus der Al-Legierung EN AW-6061 bestehenden Materials. Zudem weist der Werkstoff eine Bruchdehnung größer als 10% auf, wodurch ein Einsatz als Strukturwerkstoff möglich ist.

Claims

1. Werkstoff mit hoher Materialdämpfung und Zugfestigkeit aus einem im wesentlichen metallischen Basismaterial und einer Zweitphase, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase metallisch ist und zumindest teilweise ein martensitisches Gefüge aufweist.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase eine Legierung umfaßt.

3. Werkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Nickel und Titan in einem Bereich von 48-52 Atom-%, bevorzugt 49,9 Atom-% Nickel und 50,1 Atom-% Titan, enthält.

4. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase Zusätze bis zu 25 Atom-% enthält.

5. Werkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Zusätzen um Zirkon und/oder Hafnium und/oder Kupfer und/oder Niob und/oder Mangan und/oder Palladium und/oder Platin und/oder Eisen handelt.

6. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase in Form von Partikeln und/oder Drähten und/oder Kurzfasern und/oder lagenweise vorliegt.

7. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Zweitphase am Gesamtwerkstoff 5-60 Volumen-% beträgt.

8. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial ein Leichtmetall oder eine Leichtmetallegierung ist.

9. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial die Al-Legierung EN AW-6061, gemäß DIN EN 573, ist.

10. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial verschiedene Gefüge aufweist.

11. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial ein Verbundwerkstoff mit mindestens einer Drittphase ist.

12. Werkstoff nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase an der Grenzfläche zum Basismaterial eine Verbindung mit diesem ausbildet.

13. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus in Pulverform vorliegendem Basismaterial und Zweitphase durch Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 400-700°C und bei einem Druck von 1000-3000 bar konsolidiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial und, soweit es die äußere Form der Zweitphase zuläßt, auch diese als in Inertgas verdüstes Material vorliegen.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Basismaterial und Zweitphase vor der Konsolidierung kalt und/oder warm entgast wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Wärmebehandlung um Heiß-Isostatisch-Pressen, sog. HIPpen, und/oder Sintern und/oder Strangpressen und/oder Schmieden handelt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase dem in flüssiger Form vorliegenden Basismaterial zugeführt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase mit einem Überzug versehen ist.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase als Partikel und/oder Drähte und/oder Kurzfasern und/oder als Lagen eingebracht wird.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweitphase vor der Verarbeitung vorbehandelt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Vorbehandlung um Deformieren und/oder um Homogenisieren handelt.