DE102008034257B4 - Sintered sound and vibration damping material and method for its production - Google Patents

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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.Sintered sound and vibration damping material, which consists of at least one metal or a metal alloy selected from iron, tungsten, molybdenum, vanadium and tantalum, with at least one carbide of these metals and with carbon in the form of graphite, the proportion of graphite being at least 50 Vol .-% and the material has a modulus of elasticity of at least 50 GPa and the product of the modulus of elasticity with a geometry-independent damping factor in at least one axial direction has a value of at least 0.4 GPa.

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.The invention relates to sintered sound and vibration damping materials, which have the property to damp unwanted noise and vibration. This mechanical energy is absorbed and released in the form of heat in their environment.

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.Unwanted oscillations / vibrations, which can have a large frequency spectrum, occur in many industrial sectors due to mechanical movements of assemblies. The high vibration load in oscillating systems leads to shortened lifetimes and unwanted downtime or downtime of the claimed components. Significant problems also arise due to the noise due to vibrations.

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.The absorption or reduction of unwanted vibrational energy involves the transformation of this energy form into another, in the majority of cases into heat. From a molecular point of view, the most important difference between thermal energy and vibrational energy lies in the randomness of the direction vector for the deflection of the atoms around their equilibrium position. The vibrational energy is strongly related to the collective motion of the atoms at the same time and in the same direction. By contrast, thermal energy can have the same or a greater energy value than the self-propagating vibrational energy. The big difference, however, is that the motion of the atoms around their equilibrium position is random and at the same time the mean deflection is almost zero.

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.In principle, two possibilities are known with the aid of which the uniform directional vector of the atoms in a material can be changed, while energy in the form of vibrations is transported through the material.

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.Out US 5 400 296 A It is known to use two or more different reinforcing particles in a matrix to promote random reflections at the interfaces between reinforcing particles and matrix material. It is generally accepted that defects in the microstructure have a decisive influence on the damping behavior of materials. Based on these considerations, a variety of metal-matrix composites (MMCs) have been developed. The enhanced damping properties are achieved by introducing gain components which themselves have high intrinsic damping or greatly alter the microstructure of the matrix. The reinforcing particles used are primarily SiC, Al 2 O 3 and graphite. By RK Everett, RJ Arsenault, Metal Matrix Composite Processing and Interfaces, Academic Press, Boston, MA, 1991, and PK Rohatgi et al. and SG Fishman et al., was proposed in "Cast Reinforced Metal Composite", ASM, Materials Park, Ohio, 1988, page 375, to manufacture MMCs predominantly with aluminum or aluminum alloy as a matrix by pressure infiltration. For aluminum alloys, it should be noted that the incorporation of graphite particles improves the damping behavior. However, the modulus of elasticity decreases with increasing graphite content.

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-%.In US 4,946,647 A describes metallic composites with aluminum matrix and graphite particles as reinforcing component. The gain in damping properties compared to pure aluminum is offset by a drastic loss of strength values. As a result, the materials that can be produced in this way are unsuitable as a construction material in most cases. Remedy the restriction of the graphite content to a maximum of 10% by mass.

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 the US Pat. No. 4,236,925 It is proposed to produce a composite material with increased damping properties. In this case, a reinforcing component (graphite or lead or magnesium) are mixed with the matrix metal powder. These may be iron, copper or aluminum or their alloys. The consolidation of the mixture includes molding, capsule molding, subsequent deformation (eg rolling) and heat treatment of the plastically deformed capsule and its contents. The heat treatment temperature must be kept above the recrystallization temperature of the matrix. The aim here is that the matrix recrystallizes and aggregates the reinforcing component in the form of spindles at the grain boundaries or in the matrix grains. This procedure is very complicated and expensive, but at the same time this method is limited to reinforcing components which are spindle-shaped.

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.In US Pat. No. 6,346,132 a metal / metal composite is described. As the matrix, an aluminum alloy is preferable. The metallic second phase has a partially martensitic structure. For this purpose, mainly alloys with nickel and titanium are used. In addition, additives that stabilize martensite can be used.

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. So is in DE 44 09 377 A1 a heat-resistant and wear-resistant material described in which in addition to various carbides and silicides also 5 to 20% copper and additionally supplementary carbon should be included.

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. US 6,162,497 B1 relates to the production of particles, wherein, inter alia, particles of carbon coated with at least one metal and the coated particles are then sintered. Among other things, tungsten can be used.

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.The in WO / 2007/101282 A1 The composite of matrix metal, carbon and a carbide-forming element described utilizes a copper matrix with a low modulus of elasticity. When using diamond as the reinforcing component, an increased thermal conductivity is achieved by the targeted formation of a carbide layer at the metal / diamond interface. The high volume fractions of diamond of up to 65% by volume dramatically degrade mechanical workability. In the case of using graphite as a carbon component, the thermal conductivity can also be increased only by graphite contents greater than 40 vol .-%. However, the copper matrix can only very partially compensate for the very high thermal expansion of the graphite in the crystallographic c-direction. This leads to a strongly anisotropic thermal expansion behavior of the composite material.

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.Out GB 1 496 857 A For example, a heat-absorbing material is known in which, in addition to carbides and borides with carbon, copper should also be present.

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.The object of the invention is to provide a material which is formed with a metal or a metal alloy as a base material and a second phase, with which an increased damping can be achieved and which additionally has a strength that it can be used as a construction material can.

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.According to the invention, this object is achieved with a material having the features of claim 1. It can be produced by a method according to claim 5. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be achieved with features described in the subordinate claims.

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.The material according to the invention produced by targeted sintering is formed at least with a metal or a metal alloy and carbon in the form of graphite. The proportion of graphite is kept at least 50 vol .-%. The metal or metal alloy is selected so that carbide formation can be possible by chemical reaction. However, the proportion of carbide in the finished material is below the graphite content. It can be adjusted by influencing the sintering leading to heat treatment, with small portions are preferred. It should be at least less than 35% by volume, preferably less than 30% by volume.

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.By incorporating graphite in two- or three-dimensional distribution, the damping properties can be improved. At the same time, the material according to the invention has a higher modulus of elasticity than was expected. It is greater than 50 GPa in at least one axial direction. Values of at least 70 GPa and very particularly preferably values above 130 GPa are preferred.

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.According to the present invention, graphite is used as a second phase in order to significantly improve the damping properties of the base material. By varying the graphite content in the material according to the invention, the properties of modulus of elasticity and damping factor can be adapted to the conditions of use.

Als Metall oder eine geeignete Metalllegierung werden Eisen, Wolfram oder Molybdän sowie auch Vanadium oder Tantal eingesetzt.Iron, tungsten or molybdenum as well as vanadium or tantalum are used as the metal or a suitable metal alloy.

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.However, other metals, metal alloys, reinforcing components or other additives may additionally be included. However, the proportion of carbide-forming metal should be higher. Aluminum or copper should not or only with very small proportions if necessary be included as an alloying ingredient. This also applies to silicon.

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.By intimately mixing metallic base material and graphite as a second phase, a homogeneous powder mixture can be prepared so that the second phase particles are completely enveloped by the base material powder.

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. To consolidate a material according to the invention, processes which can be used in a short time and thus also cost-effectively are to be preferred. For this purpose, suitable methods are, for example, inductively or conductively heated hot pressing and modified methods. At this point, Spark Plasma Sintering (SPS) and Field Assisted Sintering (FAST) are given as particularly suitable examples. A corresponding amount of the powder mixture can be filled into a die (for example made of graphite) or a capsule and optionally precompressed with a pressure of a few MPa. The filled matrix can be placed in a corresponding hot press and then evacuated. By varying heating and cooling rates in conjunction with short sintering times and defined pressing pressures, it is possible on the one hand to sinter the matrix-forming powder and at the same time to control the content and the extent of the carbide network. Possibly. After a holding time at the desired sintering temperature, a cooling can be carried out, the chamber is ventilated and the matrix and sample are removed. Subsequently, the sample is formed from material according to the invention.

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.The proportion of carbide contained in the finished material can be increased by lower heating rates, longer holding time and lower cooling rate. Carbide formation is prevented or reduced if high heating and high cooling rates and / or shorter holding times of the maximum temperature during sintering are selected. The maximum temperature also influences the formation of carbide. At higher maximum temperatures, a higher proportion may have been formed.

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.The average particle size d 50 should preferably be less than 5 μm for metal smaller than 10 μm. The mean flake size of the graphite used should be kept in the range from 30 to 900 .mu.m, preferably in the range from 60 to 120 .mu.m.

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.In the preparation, the procedure should be such that starting powders are used so that a material according to the invention has a density of at least 80% of the theoretical density (theoretical density), preferably at least 90% after sintering.

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 rhoExp = m / V wobei

rhoExp
Dichte experimentell bestimmt am Material [g/cm3], geometrisch oder mit Tauchverfahren bestimmt
V
Volumen [cm3] und
m
Masse [g] sind
On materials, the actual densities can be determined experimentally, this requires the determination of volume and mass necessary. The volume can be determined experimentally by dipping method or geometrically and the mass by weighing. It applies rho Exp = m / V in which
rho Exp
Density determined experimentally on the material [g / cm 3 ], geometrically or by dipping
V
Volume [cm 3 ] and
m
Mass [g] are

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.The theoretically possible density of the material can be determined taking into account its composition. Based on the weight used, the volume content of matrix and graphite can be determined without formation of the carbide. In addition, the absence of porosity is required. Vol .-% carbide is zero in this case.

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.If carbide is formed from the starting materials during production on the basis of the selected parameters, such as heating rate, sintering temperature, holding time and pressing pressure, then the theoretically possible density can be determined from the resulting volume fractions of matrix, carbide and graphite. The maximum possible amount of carbide depends on the complete conversion of the graphite portion or the matrix portion.

Dabi ist

Figure 00090001
mit

rhoTD
theoretisch mögliche Dichte des Materials [g/cm3]
Vol.-%Matrix
Volumengehalt an Matrix [%]
rhoMatrix
Dichte Matrix [g/cm3]
Vol.-%Graphit
Volumengehalt an Graphit [%]
rhoGraphit
Dichte Graphit [g/cm3]
Vol.-%Carbid
Volumengehalt an Carbid [%]
rhoCarbid
Dichte Carbid [g/cm3]
Dabi is
Figure 00090001
With
rho TD
theoretically possible density of the material [g / cm 3 ]
Vol .-% matrix
Volume content of matrix [%]
rho matrix
Density matrix [g / cm 3 ]
Vol .-% graphite
Volume content of graphite [%]
rho graphite
Dense graphite [g / cm 3 ]
Vol .-% carbide
Volume content of carbide [%]
rho carbide
Dense carbide [g / cm 3 ]

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.

Figure 00100001

%TD
Prozent der theoretisch möglichen Dichte, [%], Relativwert, der von gewählten Herstellbedingungen abhängig ist,
rhoExp
Dichte experimentell bestimmt am Material [g/cm3], geometrisch oder mit Tauchverfahren bestimmt,
rhoTD
theoretisch mögliche Dichte des Materials [g/cm3].
Due to the selected parameters in the production can be present in the material after molding porosity. A measure of the porosity fraction is the relative percent of the theoretical density% TD. This value is given as a percentage and is independent of the material system. It characterizes what percentage of the theoretically possible density was achieved by the selected parameters in the production.
Figure 00100001
% TD
Percent of theoretically possible density, [%], relative value, which depends on selected manufacturing conditions,
rho Exp
Density determined experimentally on the material [g / cm 3 ], geometrically or by dipping,
rho TD
theoretically possible density of the material [g / cm 3 ].

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Querschliff durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Werkstoffs, der mit Eisen und Graphit mit einem Anteil von 60 Vol.-% gebildet ist und 1 a transverse section through an example of a material according to the invention, which is formed with iron and graphite in a proportion of 60 vol .-% and

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. 2 a diagram illustrating the dependence of the product of modulus and damping factor of graphite contained in the material according to the invention, which is also formed with iron, is illustrated.

Beispiel 1:Example 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.400.5 g of iron powder having an average particle diameter of less than 5 μm and 152.68 g of graphite having an average flake size of 80 μm were intimately mixed with one another. 70 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Subsequently, the pressing pressure was increased to 20 MPa and heated at a heating rate of 300 K / min up to 1050 ° C. After a holding time of 10 s, the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min. Thereafter, the mechanical pressure was reduced to 0 MPa and the vacuum chamber was vented at a temperature of about 100 ° C. In the finished material, the proportion of graphite was greater than 55 vol .-%, the proportion of iron carbide was less than 5 vol .-% and the remainder was iron.

Beispiel 2:Example 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.400.5 g of iron powder having an average particle diameter of less than 5 μm and 152.68 g of graphite having an average flake size of 80 μm were intimately mixed with one another. 70 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Subsequently, the pressing pressure was increased to 20 MPa and heated at a heating rate of 300 K / min to a temperature of 1050 ° C. After a holding time of 20 minutes, the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min. Thereafter, the mechanical pressure was reduced to 0 MPa and the vacuum chamber was vented at a temperature of about 100 ° C. In the finished material, the proportion of graphite in the range of 50 to 60 vol .-%, the proportion of iron carbide was less than 20 vol .-% and the remainder was made of iron.

Beispiel 3:Example 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.220.73 g of tungsten powder having an average particle diameter of less than 3 μm and 55.81 g of graphite having an average flake size of 80 μm were intimately mixed with one another. 90 g of the powder mixture were filled into a graphite die having a diameter of 45 mm, inserted into a spark plasma sintering plant and evacuated to a pressure of 10 -2 mbar under a prepressing pressure of 5 MPa. Thereafter, the pressure was increased to 20 MPa and heated at a heating rate of 100 K / min up to 900 ° C and then held for 5 min. The mixture was then heated to 1995 ° C. in 4 minutes under a mechanical pressure of 40 MPa. After a holding time of 10 s, the mixture was cooled to 400 ° C. at an average cooling rate of about 150 K / min. Thereafter, the mechanical pressure was reduced to 0 MPa and the vacuum chamber was vented at a temperature of about 100 ° C. In the finished material, the proportion of graphite was greater than 68% by volume and the remainder was tungsten.

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 The materials produced in Examples 1 to 3 were characterized in terms of density, geometry-independent damping factor Q -1 and elastic modulus E (Table 1). The damping factor Q -1 and E modulus E were determined by the method of impulse excitation. example 1 Example 2 Example 3 Density [g / cm 3 ] 4.5 4.6 8.0 Damping factor Q -1 0,007 0.005 0,007 Young's modulus E [GPa] 80 82 170 E · Q -1 [GPa] 0.56 0.41 1.19 Table 1: Properties of the embodiments 1 to 3

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass ein der vorliegenden Erfindung gemäßer Werkstoff ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften mit einem hohen E-Modul vereint.It can be seen from the table that a material according to the present invention combines excellent damping properties with a high modulus of elasticity.

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.The damping factor was determined using a measuring instrument from IMCE NV from Belgium with the type designation RFDA-MF and the determination is described in the manual of the year 2006 for this device on page 3.

Claims (8)

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.Sintered sound and vibration damping material, which consists of at least one metal or a metal alloy selected from iron, tungsten, molybdenum, vanadium and tantalum, with at least one carbide of these metals and with carbon in the form of graphite, wherein the proportion of graphite is at least 50 Vol .-% and the material has an E-modulus of at least 50 GPa and the product of the modulus of elasticity with a geometry-independent damping factor in at least one axial direction has a value of at least 0.4 GPa. 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.Material according to claim 1, characterized in that the proportion of carbide in the material is below the proportion of graphite and no or a very small proportion of aluminum, copper and silicon is contained. Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an im Werkstoff enthaltenen Carbid kleiner 35 Vol.-% ist.Material according to claim 1, characterized in that the proportion of carbide contained in the material is less than 35 vol .-%. Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Dichte von mindestens 80% der Theorie aufweist.Material according to one of the preceding claims, characterized in that it has a density of at least 80% of theory. 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.A method for producing a material according to any one of the preceding claims, characterized in that a powder mixture formed with graphite and at least one metal or metal alloy according to claim 1 in a die / capsule under pressure force applied in a predetermined shape and sintering at a heating and cooling rate of at least 20 K / min is performed. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in zwei Stufen durchgeführt wird.A method according to claim 5, characterized in that the sintering is carried out in two stages. 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. A method according to claim 5 or 6, characterized in that the sintering in a spark plasma sintering (PLC) or a field assisted sintering system (FAST) is performed. 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.Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that a metal powder having an average particle size of less than 10 microns and graphite having a mean flake size in the range of 30 microns to 900 microns is used.
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