DE102007012426A1 - Light metal material - Google Patents

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Abstract

Ein Leichtmetallwerkstoff besteht aus einem Basiswerkstoff, insbesondere Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung, die Kohlenstoffnanoröhrchen enthält. Der Leichtmetallwerkstoff weist eine Wärmeleitfähigkeit auf, die weit über der des Basiswerkstoffs liegt.A light metal material consists of a base material, in particular pure aluminum or an aluminum alloy containing carbon nanotubes. The light metal material has a thermal conductivity which is far above that of the base material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einen Aluminiumwerkstoff.The The invention relates to a light metal material, in particular an aluminum material.

Temperaturbeaufschlagte Aluminium-Gussbauteile- und -halbzeuge sollen einerseits über eine hohe Wärmeleitfähigkeit und andererseits eine hohe Festigkeit und Warmfestigkeit verfügen.Temperaturbeaufschlagte Aluminum cast components and semi-finished products should have a high thermal conductivity and on the other hand have high strength and heat resistance.

Die Wärmeleitfähigkeit von Reinaluminium mit etwa 230 W/mK ist zwar relativ hoch. Jedoch ist für die erforderliche Festigkeit einerseits eine Mischkristallhärtung und andererseits eine Ausscheidungshärtung durch aushärtende Phasen, wie Al2Cu, Mg2Si oder ZnMg2 notwendig. Durch den Gehalt der verwendeten Legierungskomponenten nimmt jedoch die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ab.The thermal conductivity of pure aluminum with about 230 W / mK is relatively high. However, solid solution hardening on the one hand and precipitation hardening by hardening phases such as Al 2 Cu, Mg 2 Si or ZnMg 2 is necessary for the required strength on the one hand. Due to the content of the alloy components used, however, the thermal conductivity of aluminum decreases.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leichtmetallwerkstoff, insbesondere einen Aluminiumwerkstoff bereit zu stellen, der bei hoher Wärmeleitfähigkeit eine hohe Festigkeit und Warmfestigkeit aufweist.task The invention is a light metal material, in particular to provide an aluminum material that is high in thermal conductivity has high strength and heat resistance.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Leichtmetallwerkstoff aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff besteht, der Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes) enthält. Dabei liegt die spezifische Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Leichtmetallwerkstoffs um mindestens 10%, insbesondere mindestens 20 % über der spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Basiswerkstoffs, gemessen beim Raumtemperatur (300°K).This is characterized according to the invention achieved that the light metal material of a light metal base material consists of, the carbon nanotubes (carbon nanotubes) contains. This is the specific thermal conductivity of the light metal material according to the invention by at least 10%, in particular at least 20% above the specific thermal conductivity of the base material, measured at room temperature (300 ° K).

Der Zusatz von Kohlenstoffnanoröhren ist erfindungsgemäß zwar auch bei anderen Leichtmetall-Basiswerkstoffen, wie Magnesium oder Titanwerkstoffen möglich, vorzugsweise wird jedoch Reinaluminium oder niedrig legiertes Aluminium als Leichtmetall-Basiswerkstoff verwendet, also Aluminium mit einer Reinheit von mindestens 99 Gew.% bzw. Aluminium mit einem Gehalt an Legierungskomponenten von maximal 5 Gew.%, wobei die Legierungskomponenten insbesondere durch Silizium und Magnesium gebildet werden. Darüberhinaus ist die Erfindung auch bei höher legiertem Aluminium anwendbar, insbesondere können die herkömmlichen Aluminium-Gusswerkstoffe mit einem Gehalt an Legierungskomponenten von bis zu 25 Gew.%. als Basiswerkstoffe eingesetzt werden, beispielsweise AlSi7Mg, AlMg9, AlSi9Cu3 oder AlSi17Cu4Mg.Of the Addition of carbon nanotubes Although according to the invention also in other light metal base materials, such as magnesium or titanium materials possible, however, preferably pure aluminum or low alloyed aluminum is used used as a light metal base material, ie aluminum with a Purity of at least 99% by weight or aluminum with a content of alloy components of at most 5% by weight, the alloying components in particular be formed by silicon and magnesium. Furthermore the invention is also higher alloyed aluminum applicable, in particular, the conventional aluminum casting materials containing up to 25% by weight of alloying components. when Base materials are used, for example AlSi7Mg, AlMg9, AlSi9Cu3 or AlSi17Cu4Mg.

Der erfindungsgemäße Leichtmetallwerkstoff ist insbesondere als Gusswerkstoff sowie zur Herstellung von Halbzeug geeignet, vor allem wenn als Basiswerkstoffe Legierungen der Halbzeuglegierungsgruppen UNS(Unified Numbering System) A95XXX bis A97XXX eingesetzt werden.Of the Light metal material according to the invention is especially as a casting material and for the production of semi-finished products suitable, especially if as base materials alloys of semi-finished alloy groups UNS (Unified Numbering System) A95XXX to A97XXX.

Da Reinaluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit von ca. 230 W/mK aufweist und die Wärmeleitfähigkeit der Nanoröhren etwa 6000 W/mK beträgt, weist der erfindungsgemäße Aluminiumwerkstoff eine außerordentlich hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs liegt dabei weit über der nach der Mischungsregel aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Reinaluminiums und der Nanoröhren zu erwartenden Wärmeleitfähigkeit. Das heißt, es ist ein erheblicher überadditiver Effekt festgestellt worden. Er ist daher für Bauteile, die eine konzentrierte Wärmeabfuhr erfordern, beispielsweise Zylinderköpfe und andere Bauteile von Verbrennungsmotoren hervorragend geeignet. Ebenso können daraus Werkzeuge und Maschinenteile gefertigt werden, z. B. Kokillen. Desgleichen ist der erfindungsgemäße Leichtmetallwerkstoff hervorragend zur Herstellung von Halbzeug geeignet.There Pure aluminum a high thermal conductivity of about 230 W / mK and the thermal conductivity of the nanotubes approximately 6000 W / mK, has the aluminum material according to the invention an extraordinary high thermal conductivity. The thermal conductivity the material is far above according to the mixing rule due to the thermal conductivity of pure aluminum and the nanotubes expected thermal conductivity. This means, it is a considerable overadditive Effect has been detected. He is therefore for components that concentrate one heat dissipation require, for example, cylinder heads and other components of internal combustion engines excellent. Likewise From these tools and machine parts are made, for. B. molds. Likewise, the light metal material according to the invention is excellent for Production of semi-finished suitable.

Da eine Dispersionshärtung, d. h. ein Versetzungsaufstau an den eingebrachten Nanopartikeln erfolgt, wird zudem eine erhebliche Festigkeitssteigerung erreicht, die außerdem keiner Alterung unterliegt. Auch weist der erfindungsgemäße Werkstoff eine gute Gießbarkeit auf.There a dispersion hardening, d. H. there is a dislocation buildup on the introduced nanoparticles, In addition, a significant increase in strength is achieved, which also no Aging subject. Also, the material of the invention has a good castability on.

Der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren beträgt 0,1 bis 20,0, insbesondere 0,5 bis 5 Vol.%, bezogen auf den Leichmetallwerkstoff. Dabei wird eine räumlich vernetzte Verteilung der Nanoröhren in dem Werkstoff angestrebt.Of the Proportion of carbon nanotubes is 0.1 to 20.0, in particular 0.5 to 5 vol.%, Based on the Leichmetallwerkstoff. This is a spatially crosslinked distribution of nanotubes sought in the material.

Es können handelsübliche Nanoröhren zum Einsatz kommen, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 1 bis 50, insbesondere 10 bis 40 Nanometer. Die Kohlenstoffnanoröhren können ein- oder mehrwandig ausgebildet sein, vorzugsweise werden Röhren mit geöffneten Enden verwendet, die mit dem Leichtmetallwerkstoff gefüllt werden können. Die Länge der Nanoröhren beträgt vorzugsweise 0,1 bis 20 mm.It can commercial nanotubes are used, preferably with a diameter of 1 to 50, in particular 10 to 40 nanometers. The carbon nanotubes can be single or multiwalled be formed, preferably tubes are used with open ends, the can be filled with the light metal material. The length of the nanotubes is preferably 0.1 to 20 mm.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtmetallwerkstoffs kann beispielsweise auf pulvermetallurgischem Weg oder durch Infiltration der Nanoröhren mit dem geschmolzenen Leichtmetall eine Vorlegierung mit einem Gehalt an Nanoröhren von 2 bis 50, insbesondere 10 bis 40 Vol.% hergestellt werden, die dann dem geschmolzenen Basisleichtmetallwerkstoff, also beispielsweise Reinaluminium oder niedrig legiertem Aluminium zugegeben wird.to Production of the light metal material according to the invention For example, by powder metallurgy or by infiltration the nanotubes with the molten light alloy a master alloy with a content on nanotubes of 2 to 50, especially 10 to 40 vol.% Are produced, then the molten base metal material, so for example Pure aluminum or low alloyed aluminum is added.

Claims (8)

Leichtmetallwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Basiswerkstoff besteht, der Kohlenstoffnanoröhren enthält, und die Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetallwerkstoffs mindestens 10% über der Wärmeleitfähigkeit des Basiswerkstoffs liegt.Light metal material, characterized in that it consists of a base material containing carbon nanotubes, and the thermal conductivity of the light metal material at least 10% above the thermal conductivity of the base material lies. Leichtmetallwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine Wärmeleitfähigkeit mindestens 20 % über der Wärmeleitfähigkeit des Basiswerkstoffs liegt.Light metal material according to claim 1, characterized that its thermal conductivity at least 20% over the thermal conductivity of the Base material is located. Leichtmetallwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswerkstoff durch Reinaluminium oder niedrig legiertes Aluminium gebildet wird.Light metal material according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the base material by pure aluminum or low alloyed aluminum is formed. Leichtmetallwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Kohlenstoffnanoröhren 0,1 bis 20 Vol.% des Leichtmetallwerkstoffs beträgt.Light metal material according to one of claims 1 to 3, characterized in that the proportion of carbon nanotubes 0.1 to 20 vol.% Of the light metal material. Leichtmetallwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren eine Länge von 0,1 bis 20 Millimeter aufweisen.Light metal material according to one of the preceding Claims, characterized in that the carbon nanotubes a length of 0.1 to 20 millimeters. Leichtmetallwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren einen Durchmesser von 1 bis 50 Nanometer aufweisen.Light metal material according to one of the preceding Claims, characterized in that the carbon nanotubes a Have diameters of 1 to 50 nanometers. Leichtmetallwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffnanoröhren eine räumlich vernetzte Struktur aufweisen.Light metal material according to one of the preceding Claims, characterized in that the carbon nanotubes a spatial have crosslinked structure. Verwendung des Werkstoffs nach einem der vorstehenden Ansprüche als Gusswerkstoff oder zur Herstellung von Halbzeug.Use of the material according to one of the preceding claims as casting material or for the production of semi-finished products.
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