DE10334704A1

DE10334704A1 - Durch ein thermisches Spritzverfahren abgeschiedene freitragende dreidimensionale Bauteile

Info

Publication number: DE10334704A1
Application number: DE10334704A
Authority: DE
Inventors: Stefan Grau; Tilmann Dr.Rer.Nat. Haug; Alexander Dr.-Ing. Sagel
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24
Also published as: WO2005014208A1

Abstract

Freitragende dreidimensionale Bauteile aus Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC), oder Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet), die mittels einer thermischen Abscheidung hergestellt sind, wobei die metallische oder keramische disperse Phase einen Anteil oberhalb 25 Vol.-% aufweist und Verfahren zur Herstellung mittels Lichtbogendrahtspritzens (LDS), insbesondere mithilfe verlorener Substrate, wobei zumindest für ide Cermet-Bauteile mindestens ein Fülldraht im LDS-Verfahren Verwendung findet.

Description

Die Erfindung betrifft freitragende dreidimensionale Bauteile, insbesondere Halbzeuge für die Automobilindustrie, aus einem Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC), oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet) und deren Herstellung mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogendrahtspritzens.
Für höchste thermische und tribologische Anwendungen reichen die Eigenschaften bekannter Gebrauchsmetalle oder -legierungen vielfach nicht mehr aus. Häufig lässt sich hier Abhilfe schaffen, indem metallische Bauteile an den besonders exponierten Stellen mit thermischen oder tribologischen Schutzschichten aus Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC), oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet) versehen werden. Im allgemeinen besitzt hierbei die disperse Phase aus Metall oder Keramik eine gegenüber der Metallmatrix deutlich erhöhte thermische und/oder mechanische Beständigkeit.
Des weiteren wird auch der Ansatz verfolgt Schmier- oder Gleitstoffe (selbstschmierende Stoffe) als disperse Phase in die Metallmatrix zu integrieren.
Für viele Anwendungsfelder sind freitragende dreidimensionale Bauteile mit der aus diesen Schichten bekannten hohen thermischen und mechanischen Belastbarkeit wünschenswert. Dabei spielt für diese massiven dreidimensionalen Körper gegenüber den quasi zweidimensionalen Schichten eine homogene Phasenverteilung und ein gleichmäßiger Gefügeaufbau eine wichtige Rolle.
Die aus den Schichtsystemen bekannten Verbundwerkstoffe weisen zum Teil sehr komplexe chemische oder strukturelle Zusammensetzungen auf, die sich durch konventionelle metallverarbeitende Herstellungsverfahren nicht darstellen lassen.
So ist beispielsweise bei der schmelzmetallurgischen Herstellung der Verbundwerkstoffe häufig eine Segregation, ein chemischer Angriff oder eine Auflösung der dispersen Phase in der Schmelze zu beobachten. Ebenso kann auch die Rekristallisation der dispersen Phase während der Herstellung zu unerwünschten Eigenschaftsänderungen des Verbundwerkstoffes führen.

In der EP 090115 A1 wird ein Verfahren aufgezeigt, um Halbzeuge oder Produkte aus einer Fe- oder Ni-basierten Legierung mit geringen Zusätzen an Ti herzustellen. Das Problem der Segregation bzw. der ungleichmäßigen Homogenisierung wird dadurch gelöst, dass die flüssige Metallschmelze mittels eines Gasstromes verdüst und direkt ohne Zwischenschritt als homogener Feststoff auf einem Substrat abgeschieden wird. Gegebenenfalls wird das Substrat kontinuierlich von der Düse wegbewegt, sodass ein längliches Halbzeug entsteht. Das Verfahren ähnelt sehr der Metallpulver-Produktion.

Das Verfahren hat für die Herstellung von Verbundwerkstoffen den Nachteil, dass die Komponenten für die disperse Phase des Verbundwerkstoffs für längere Zeit der metallischen Schmelze ausgesetzt sind, was zu chemischen Umwandlungen führen kann und insbesondere eine Segregation zwischen den Komponenten der dispersen Phase und der Schmelze nicht ausgeschlossen ist, so dass sich entsprechende Inhomogenitäten im Verbundwerkstoff bilden.

Aus der DE 40 06 410 C2 ist ein Verfahren bekannt zu Halbzeugen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit dispergierten Kohlenstoffteilchen zu gelangen. Dabei wird vorzugsweise das Verfahren der Sprühkompaktierung eingesetzt. Bei dieser Methode wird eine Schmelze durch einen Gasstrahl in einer geeigneten Düse in Tröpfchen zerlegt und die Tropfen werden auf einer Unterlage wieder zu einem massiven Körper gesammelt. In den Schmelztröpfchenstrahl lassen sich Dispersionspartikel einbringen und auf diese Weise massive Bolzen und Brammen mit dispergierten Teilchen erzeugen. Zur Zerstäubung der Schmelze wird dabei vorzugsweise ein vor Oxidation schützendes Schutzgas oder Gasgemisch verwendet. So werden beispielsweise in einen Schmelztröpfchenstrahl aus kohlenstofffreiem Kupfer mit einem Hilfsgasstrahl Ruß- oder Graphitpartikel eingebracht.

Das vorgestellte Verfahren ist hinsichtlich der Mengenverhältnisse von Hauptstrahl zu Hilfsstrahl auf enge Bereiche eingeschränkt, was zu einer Beschränkung der Volumenverhältnisse von Matrix und disperser Phase im Verbundwerkstoff führt. Die vollständige und homogene Durchmischung der unterschiedlichen Materialstrahlen erweist sich als schwierig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bauteile mit hoher thermischer und mechanischer Belastbarkeit aus Verbundwerkstoffen mit homogener Phasenverteilung und gleichmäßigem Gefügeaufbau bereitzustellen und ein geeignetes kostengünstiges Verfahren zu deren Herstellung aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein freitragendes dreidimensionales Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil aus thermisch gespritztem Verbundwerkstoff aus metallischer Matrix und metallischer oder keramischer disperser Phase aufgebaut ist. Die disperse Phase ist über das Volumen des Bauteils homogen verteilt, wobei ein gleichmäßiges Gefüge vorliegt. Die Partikelgröße in der dispersen Phase beträgt erfindungsgemäß 1 bis 200 μm und bevorzugt 5 bis 75 μm.

Zu den erfindungsgemäßen Bauteilen gehören auch Gradientenwerkstoffe, bei denen sich die Zusammensetzung des Verbundwerkstoffes entlang einer seiner Raumrichtungen kontinuierlich ändert. So kann es von Vorteil sein auf einer im Bauteil vorgesehenen Funktionsfläche gezielt einen hohen Gehalt an disperser Phase zu realisieren, während deren Anteil in Richtung auf die der Funktionsfläche abgewandten Seite kontinuierlich abnimmt.

Erfindungsgemäß unterscheiden sich die äußeren Abmessungen des Bauteils grundsätzlich von den bekannten thermisch abgeschiedenen Schichten, indem sie gegenüber den quasi zweidimensionalen Schichten dreidimensional aufgebaut sind. Während die Schichten typischerweise in Dickenrichtung nur mikroskopische Abmessungen aufweisen, liegen die äußeren Dimensionen der erfindungsgemäßen Körper, beziehungsweise Bauteile im makroskopischen Bereich. Typischerweise liegen die äußeren Abmessungen der Bauteile oberhalb 0,5 cm und bevorzugt oberhalb 1 cm. Neben Kleinteilen, gehören auch Halbzeuge oder Fertigteile mit Abmessungen von mehreren Metern zu den erfindungsgemäßen freitragenden Bauteilen.

Wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Bauteile ist, dass sie homogen aufgebaut und im wesentlichen rissfrei sind. Unter rissfrei ist der nahezu vollständige Ausschluss von makroskopischen, oder den Werkstoff schwächenden Rissen zu verstehen. Dagegen kann der Werkstoff durchaus Mikrorisse aufweisen, die sich typischerweise im Umgebungsbereich der Phasengrenzen zwischen Matrix und disperser Phase befinden. Die Risslänge der Mikrorisse liegt dabei im Gegensatz zu den Makrorissen, die durch den Ausdruck rissfrei erfasst werden, im Größenordnungsbereich der Partikel- oder Korngröße der dispersen Phase, typischerweise unterhalb ca. 100-200 μm. Unter homogenem Aufbau ist zu verstehen, dass sich der Gefügeaufbau und die Phasenverteilung nicht sprunghaft über das Volumen des Bauteils ändern.

Die rissfrei, beziehungsweise frei von Makrorissen, zusammenhängenden Gefügebereiche der erfindungsgemäßen Körper oder Bauteile liegt in der Regel oberhalb 1 bis mehrerer cm. Besonders bevorzugt weist das gesamte Bauteil keine makroskopischen Risse auf.

In einer der bevorzugten erfinderischen Ausgestaltungen besteht das thermisch abgeschiedene Bauteil aus einem Materialverbund mit metallischer Matrix und einem sehr hohen Gehalt an metallischer oder keramischer disperser Phase. Der Gehalt der dispersen Phase liegt typischerweise oberhalb 25 Vol%, bezogen auf den Materialverbund. Bevorzugt liegt der Volumenanteil der dispersen Phase oberhalb 30 Vol% und besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 50 Vol%.

Insbesondere weisen die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe der Bauteile eine chemische Phasenverteilung auf, die durch alternative Herstellungsverfahren, insbesondere schmelz-, oder pulvermetallurgische Verfahren, kaum einstellbar ist.

Die Komponenten der dispersen Phase besitzen im erfindungsgemäßen Materialverbund eine begrenzte Löslichkeit in der Schmelz- und Festphase der metallischen Matrix. Dies bedeutet insbesondere, dass sich die Komponenten der dispersen Phase, zumindest bei dem durch die Gesamt-Zusammensetzung des Verbundwerkstoffs gegebenen Mengenverhältnis der einzelnen Komponenten nicht vollständig in den Komponenten der Matrixphase lösen können. Im chemischen System tritt somit eine Mischungslücke auf.

Bevorzugt liegt die Löslichkeit der dispersen Phase, beziehungsweise der sie bildenden chemischen Elemente, innerhalb der Matrix unterhalb 90 Gew% und besonders bevorzugt unterhalb 50 Gew%.

In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die disperse Phase durch Hartstoffe und verschleißfeste Stoffe gebildet, Sie sind bevorzugt die Oxide, Nitride, Carbide, Boride oder Silizide mindestens eines Vertreters der Gruppe B, Al, Si, Ti, Zr, Cr, Mo, W, Nb oder Ta und besonders bevorzugt keramische Partikel aus Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, BN, Si₃N₄, Titanborid, SiC, WC, TiC, Chromcarbid, MoSi₂ und/oder Titansilizid.

In einer bevorzugten Materialkombination des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs treten Leichtmetalle als Matrix und Carbide, Nitride oder Silizide als disperse Phase auf. Typische Kombinationen sind beispielsweise Al-Legierung/SiC, Al-Legierung/BN, Al-Legierung/TiC, oder Al-Legierung/B₄C. Zu den Al-Legierungen sind hierbei insbesondere auch die Titanaluminide zu zählen.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Bauteils besteht aus einer Matrixphase aus einer Leichtmetall-Legierung auf der Basis von Al und/oder Ti, mit einem Mengenanteil im Bereich von 40 bis 60 Vol% und einer dispersen Phase aus Al₂O₃, MoSi₂, BN, Si₃N₄ und/oder SiC in einem Anteil von 40 bis 60 Vol%.

Zu den weiteren bevorzugten Materialkombinationen zählen Metalllegierung als Matrix und Metalloxid als disperse Phase, beispielsweise die Kombinationen (Al-Legierung)/Al₂O₃, (Cu-Legierung)/TiO₂, (Fe-Legierung) / (Al₂O₃ oder ZrO₂).

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die disperse Phase Gleitstoffe (selbstschmierende Stoffe). Zu den bevorzugten Vertretern dieser Gleitstoffe gehören MoS₂, hex-BN, TiO₂, MgO, oder C (Graphit). Die Gleitstoffe können als einzige disperse Phase oder zusammen mit den Hartstoffen auftreten. Bevorzugt liegt der Volumenanteil der durch Gleitstoff gebildeten dispersen Phase oberhalb 15 Vol% und besonders bevorzugt im Bereich von 25 bis 50 Vol%.

Durch das erfindungsgemäße thermische Spritzen der Komponenten des Verbundwerkstoffes wird insbesondere eine lange Kontaktzeit zwischen metallischer Schmelze und dispergierten Partikeln verhindert. Hierdurch lassen sich insbesondere auch Ungleichgewichts-Phasen erhalten, wie sie beispielsweise durch eine schmelzmetallurgische Herstellung kaum erhältlich sind, da hier eine lange Kontaktzeit zwischen den Komponenten der dispersen Phase und der Schmelze der Matrix besteht, in der sich das Phasengleichgewicht (thermodynamisches Gleichgewicht) einstellen kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Bauteile aus einem Verbundwerkstoff aufgebaut, deren einzelne Phasen in starkem Ungleichgewicht zueinander stehen. Hierzu zählen insbesondere Metall/Metall-Verbundwerkstoffe, bei denen die disperse Metallphase zumindest teilweise in der Metallphase der Matrix löslich ist. Hierzu gehören beispielsweise die Kombinationen Matrix/disperse Phase:

– (Stahl oder Edelstahl)/( Metall oder Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Si, Ti, Cr, Co, Ni, Mo, W, Nb, Ta)
– oder (Cu, Bronze oder Messing)/(Metall oder Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Zn, Ni, Sn, Si, Ti)
– oder (Co-Basislegierung)/( Metall oder Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Ni, Mo, Cu, Cr, Mn)
– oder (Al-Legierung)/( Metall oder Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Cu, Cr, Mn).

Der Gehalt an metallischer disperser Phase liegt hierbei erfindungsgemäß oberhalb 5 Vol% und bevorzugt im Bereich von 5 bis 35 Vol%.

Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung eines erfindungsgemäßen Bauteils wird durch eine Matrixphase aus einer Fe-Legierung, insbesondere Stahl, oder Edelstahl mit einem Mengenanteil im Bereich von 40 bis 60 Vol% und einer dispersen Phase aus Metall- oder Legierung der Elemente Mo, Cr oder Cu in einem Anteil von 40 bis 60 Vol% gebildet.

Der Begriff der metallischen Legierungen bezieht insbesondere auch die Gruppe der intermetallischen Verbindungen mit ein.

Eine der vorteilhaften Verwendungen der erfindungsgemäßen Bauteile sind Halbzeuge für den Kraftfahrzeugbau. Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe finden insbesondere im Antriebsstrang von Automobilen Verwendung. Beispielsweise sind die mit keramischer Phase verstärken Leichtmetalle für Motorkomponenten von Interesse. Die Verbundwerkstoffe mit Matrix aus Co-Basislegierungen sind beispielsweise im Bereich der Ventile von Kfz-Motoren von Interesse.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Herstellungsverfahren der freitragenden Bauteile mittels thermischer Spritzverfahren.

Im Prinzip sind als thermische Spritzverfahren viele der bekannten Verfahren zum thermischen Abscheiden von Schichtmaterialien aus Composite-Werkstoffen geeignet. Wesentlich ist hierbei jedoch, dass das Verfahren hohe Abscheideraten und eine große Materialvielfalt zulässt, wobei sehr homogene Schichten gebildet werden.

Zu den erfindungsgemäß besonders bevorzugten thermischen Spritzverfahren zur Herstellung von freitragenden dreidimensionalen Bauteilen aus einem Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC), oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet) mit metallischer Matrix und einer metallischen oder keramischen dispersen Phase zählt das Lichtbogendraht-Spritzverfahren (LDS). Durch dieses Verfahren sind eine hohe Abscheiderate und eine sehr große Materialvielfalt gewährleistet. Insbesondere werden hierbei sehr homogene Schichten gebildet, die sich je nach Materialauswahl auch rissfrei bis zu nahezu beliebige Schichtdicke abscheiden lassen.

Erfindungsgemäß unterscheiden sich die äußeren Abmessungen der thermisch abgeschiedenen Bauteile, insbesondere der mittels LDS abgeschiedenen Bauteile, grundsätzlich von den bekannten thermisch abgeschiedenen Schichten, indem sie gegenüber den quasi zweidimensionalen Schichten dreidimensional aufgebaut sind. Dies lässt sich durch das Aspektverhältnis (A) darstellen, das als Verhältnis von der Länge (l) zum Durchmesser (d) eines Körpers definiert ist. Bei den thermisch abgeschiedenen Schichten ist der Durchmesser (d) dabei die maximale laterale Ausdehnung in der Schichtebene und die Länge (l) ist durch die Dicke oder Höhe (h) der abgeschiedenen Schicht gegeben. Für die dreidimensionalen Körper wird der Durchmesser in analoger Weise durch die maximale laterale Ausdehnung der Grundschicht definiert, die in der Regel durch die Fläche des zur thermischen Abscheidung benötigten Substrates vorgegeben ist.

Die erfindungsgemäßen Körper weisen ein Aspektverhältnis oberhalb 0,1 auf. Bevorzugt liegt das Aspektverhältnis oberhalb 1. Besonders bevorzugt weisen die erfindungsgemäßen Bauteile ein Aspektverhältnis im Bereich von 1 bis 10 auf. Das erfindungsgemäße Verfahren führt typischerweise zu Bauteilen mit Dicken, das heißt Längen (l), oberhalb 1 cm. Die hierbei gebildeten homogenen, sowie rissfrei zusammenhängenden Gefügebereiche liegen dabei im allgemeinen oberhalb 1 cm, bevorzugt oberhalb mehrerer cm und besonders bevorzugt in der Größe von (l) und/oder (d).

Die Abscheidung des Bauteils beginnt ebenso wie dies für die Schichten üblich ist auf einem Substrat. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Substrat um ein sogenanntes verlorenes Substrat. Hierunter ist ein Substrat zu verstehen, das nach dem Abscheidevorgang des Bauteils entfernt wird. Das Substrat wird hierbei im allgemeinen zerstört.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit die folgenden wesentlichen Verfahrensschritte.

– Abscheidung eines Materialverbundes aus mindestens einer Spritzdüse auf oder in einem verlorenen Substrat
– Entfernen des verlorenen Substrates.

Im Gegensatz zu den Schichten weisen die erfindungsgemäßen Bauteile keinen das thermisch abgeschiedene Material stützenden Grundwerkstoff oder Substrat auf. Durch die Entfernung des Substrates entsteht ein freitragendes dreidimensionales Bauteil.

Bei dem verlorenen Substrat handelt es sich um ein thermisch beständiges Material, das sich nach der thermischen Abscheidung in einfacher Weise vom gebildeten Bauteil ablösen lässt. Insbesondere sind als Substratmaterial Oxidkeramik, Salze, Leichtmetalle oder Kupfer geeignet.

Je nach chemischer Zusammensetzung von Substrat und oder Bauteilen kann das verlorene Substrat durch Auflösen, chemisches Ätzen oder durch spanabhebende Verfahren vom Bauteil entfernt werden. Unter den Oxidkeramiken sind diejenigen bevorzugt, welche als Gussformen für den metallischen Feinguss bekannt sind, beispielsweise Keramiken auf der Basis von Al-Oxid, Silikaten oder Zirkon.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bedeckt das verlorene Substrat direkt nach der Abscheidung mindestens 35% der Bauteiloberfläche.

In einer weiteren Ausgestaltung sind mindestens 65% der Oberfläche des verlorenen Substrats vom Bauteil umschlossen. Bei diesen Ausgestaltungen bildet das verlorene Substrat bevorzugt eine Formschale oder einen Formkern. Die Vorgehensweise mit verlorenem Substrat in Form von Formschale oder Formkerne hat den Vorteil, dass sich in einfacher Weise auch sehr komplexe Strukturen, insbesondere komplex und fein ausgestaltete Oberflächenstrukturen, der Bauteile darstellen lassen.

Das erfindungsgemäße LDS-Verfahren wird bevorzugt mit hohen Auftragsraten und hohen Sprühstrahlgeschwindigkeiten durchgeführt.

Dies äußert sich in hohen Abscheideraten. Mit den üblichen LDS-Spritzaggregaten werden für die erfindungsgemäßen Bauteile bevorzugt Abscheideraten oberhalb 10 kg/h eingestellt. Je nach Materialauswahl, Drahtbeschaffenheit, sowie Leistung der Spritzanlage liegt die optimale Abscheiderate auch bei 20 kg/h und darüber. Mit dicken Drähten hoher Leitfähigkeit sind auch Abscheideraten oberhalb 200 kg/h möglich.

Die hohen Abscheideraten bewirken eine schnelle Abkühlung der Sprühpartikel und dass die Verweilzeit der die disperse Phase bildenden Partikel in der Schmelzphase gering ist. Somit werden chemische Reaktionen und strukturelle Umwandlungen dieser Partikel auf ein Minimum reduziert.

Zur Abscheidung können auch mehrere Spritzdüsen gleichzeitig verwendet werden.

Materialvielfalt und Homogenität der Verbundwerkstoffe der erfindungsgemäßen Bauteile werden insbesondere dadurch erreicht, dass bei dem LDS-Verfahren mindestens zwei Drähte verwendet werden, von denen mindestens einer ein Composite- oder Fülldrahtdraht ist.

Besonders bevorzugt umfasst der mindestens ein Composite- oder Fülldrahtdraht einen Metallmantel oder eine durchgängige Metallphase mit einem Anteil von 20 bis 80 Vol% des Drahtes. Der Metallmantel oder die durchgängige Metallphase (Matrix eines Compositedrahtes) geben dem Draht dabei typischerweise die benötigte mechanische Stabilität. Bevorzugt umschließt der Metallmantel oder die durchgängige Metallphase alle der wesentlichen Komponenten der dispersen Phase des abzuscheidenden Materialverbundes nahezu vollständig.

Der Mantel oder die durchgängige Metallphase sind bevorzugt im wesentlichen aus den die spätere Matrix des Verbundwerkstoffs bildenden Komponenten aufgebaut. Bevorzugt ist der Mantel oder die durchgängige Metallphase aus Metall oder Legierung eines der Elemente Al, Ti, Cr, Fe, Co, Mo, W, Nb, Ta, Cu und/oder Sn aufgebaut; besonders bevorzugt aus Al-Legierung, Stahl, Edelstahl, Co-Basislegierung, Cu-Legierung, Messing oder Bronze.

Die Komponenten der dispersen Phase werden typischerweise durch Partikel oder Pulver gebildet, die vom Mantel des Fülldrahtes oder der Matrix des Compositedrahtes umschlossen sind.

Die Komponenten der dispersen Phase werden bevorzugt aus Partikeln der Oxide, Nitride, Carbide, Boride oder Silizide eines Vertreters der Gruppe B, Al, Si, Ti, Zr, Cr, Mo, W, Nb, Ta gebildet. Besonders bevorzugt sind hierbei Al₂O₃, ZrO₂, SiC, TiC, B₄C, WC und/oder MoSi₂.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Komponenten der dispersen Phase im wesentlichen aus einem Metall oder einer Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Ti, Cr, Co, Mo, W, Nb, Ta, Cu und/oder Sn aufgebaut.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Komponenten der dispersen Phase Molybdänsulfid, hexagonales Bornitrid, Magnesiumoxid und oder Graphit.

Die verwendeten Pulverpartikel weisen typischerweise Größen im Bereich von 0,5 bis 100 μm auf.

Im Falle metallischer Komponenten der dispersen Phase kann es auch von Vorteil sein statt Pulvern Drähte zu verwenden.

Eine bevorzugte Methode, die für das erfindungsgemäße LDS-Verfahren geeigneten Fülldrähte aufzubauen, geht von Metall-Folien, oder Metall-Bändern aus. Das Metall-Band wird mit den pulvrigen Komponenten beaufschlagt, parallel zur Längsachse zusammengerollt, umgekrimmt und zum Fülldraht ausgezogen. In analoger Weise lassen sich auch Metall-Rohre mit den weiteren Komponenten füllen und zu Drähten ausziehen.

Eine weitere Variante sieht vor, die gefüllten Rohre zu Bändern auszuwalzen und diese zu mehr oder weniger abgeflachten Drähten zu zerteilen. Dieses Verfahren führt beispielsweise zu den ausgeführten Compositedrähten.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird mindestens eine Spritzdüse mit einem Compositedraht und einem Massivdraht betrieben, wobei der Massivdraht alle wesentlichen Komponenten der zu bildenden metallischen Phase des Materialverbundes und keine Komponenten der dispersen Phase umfasst.

Das erfindungsgemäße LDS Verfahren führt zu freitragenden dreidimensionalen Bauteilen, die im allgemeinen keine makroskopischen Risse aufweisen. Bevorzugt ist die mittlere Risslänge der hierdurch erhältlichen Bauteile nicht länger als das 10 fache der mittleren Korngröße im Gefüge des Bauteils.

Die prozentualen Angaben aller angegebenen Zusammensetzungen sind gleichwohl nicht auf die exakten Zahlenwerte beschränkt anzusehen, sondern umfassen auch geringe Abweichungen.

Die folgenden Abbildungen zeigen typische Ausgestaltungen der Erfindung.
Dabei zeigen:
1 Schliffbild eines gespritzten Cermet-Lagerbauteils
2 Freitragender dreidimensionaler Körper aus einer Aluminium-Basislegierung mit keramischer disperser Phase (2) und Drehspäne des Bauteils (1)

Claims

Freitragendes dreidimensionales Bauteil aus einem Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC) oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet) dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem thermisch gespritzten Materialverbund mit metallischer Matrix und einer metallischen oder keramischen dispersen Phase mit einem Anteil oberhalb 25 Vol%, bezogen auf den Materialverbund, gebildet ist, wobei die Komponenten der dispersen Phase nur teilweise in den Komponenten der metallischen Matrix löslich sind.
Freitragendes dreidimensionales nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase im wesentlichen aus metallischen Partikeln aus einem Metall oder einer Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Ti, Cr, Co, Mo, W, Nb, Ta, Cu oder Sn aufgebaut ist.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase im wesentlichen aus keramischen Partikeln der Oxide, Nitride, Carbide, Boride oder Silizide eines Vertreters der Gruppe B, Al, Si, Ti, Zr, Cr, Mo, W, Nb und/oder Ta aufgebaut ist.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel zum überwiegenden Teil aus Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, BN, Si₃N₄, Titanborid, SiC, WC, TiC, Chromcarbid, MoSi₂ oder Titansilizid bestehen.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die disperse Phase MoS₂, hex-BN, TiO₂, MgO und/oder C (Graphit) enthält.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix durch ein Metall oder eine Legierung aus der Gruppe Al, Cr, Fe, Co, Cu, Sn, Zn und/oder Ni aufgebaut ist.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung durch eine Al/Mg-Legierung, Stahl, Edelstahl, Messing oder Bronze gebildet wird.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 1 gekennzeichnet, durch eine Matrixphase aus einer Fe-Legierung, Stahl, oder Edelstahl mit einem Mengenanteil im Bereich von 40 bis 60 Vol% und einer dispersen Phase aus Metall- oder Legierung der Elemente Mo, Cr oder Cu in einem Anteil von 40 bis 60 Vol%.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach Anspruch 1 gekennzeichnet, durch eine Matrixphase aus einer Leichtmetall-Legierung auf der Basis von Al und/oder Ti, mit einem Mengenanteil im Bereich von 40 bis 60 Vol% und einer dispersen Phase aus Al₂O₃, MoSi₂, BN, Si₃N₄ und/oder SiC in einem Anteil von 40 bis 60 Vol%.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel der dispersen Phase eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,5 bis 100 μm aufweisen.
Freitragendes dreidimensionales Bauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es frei von makroskopischen Rissen ist und äußere Abmessungen oberhalb 0,5 cm aufweist.
Verwendung von Bauteilen gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche als Halbzeuge im Kraftfahrzeugbau, insbesondere im Antriebsstrang von Automobilen.
Verfahren zur Herstellung von freitragenden dreidimensionalen Bauteilen aus einem Metall/Metall-Verbundwerkstoff (IMC), oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff (Cermet) mit metallischer Matrix und einer metallischen oder keramischen dispersen Phase dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil über ein Lichtbogendraht-Spritzverfahren (LDS) gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet, durch die Schritte , – Abscheidung eines Verbundwerkstoffs aus mindestens einer Spritzdüse auf oder in einem verlorenen Substrat – Entfernen des verlorenen Substrates.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Drähte, von denen mindestens einer ein Composite- oder Fülldrahtdraht ist, Verwendung finden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abscheidung eines Metall/Metall-Verbundwerkstoffs (IMC) Massivdrähte und keine Composite- oder Fülldrähte verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens ein Composite- oder Fülldrahtdraht einen Metallmantel oder eine durchgängige Metallphase mit einem Anteil von 20 bis 80 Vol% des Drahtes umfasst, der alle wesentlichen Komponenten der dispersen Phase des abzuscheidenden Materialverbundes, zumindest nahezu vollständig, umschließt.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel oder die durchgängige Metallphase aus Metall oder Legierung eines der Elemente Al, Ti, Fe, Cr, Co, Mo, W, Nb, Ta, Cu oder Sn aufgebaut ist.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der dispersen Phase aus Partikeln der Oxide, Nitride, Carbide, Boride oder Silizide eines Vertreters der Gruppe B, Al, Si, Ti, Zr, Cr, Mo, W, Nb, Ta gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der dispersen Phase im wesentlichen aus einem Metall oder einer Legierung mindestens eines Vertreters der Gruppe Ti, Cr, Co, Mo, W, Nb, Ta, Cu und/oder Sn aufgebaut sind.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Substrat Oxidkeramik, Salz, Leichtmetall oder Kupfer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Substrat durch chemisches Ätzen oder durch spanabhebende Verfahren vom Bauteil entfernt wird.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Substrat nach der Abscheidung mindestens 35% der Bauteiloberfläche bedeckt, oder zu mindestens 65% seiner Oberfläche vom Bauteil umschlossen ist.
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Substrat eine Formschale oder einen Formkern bildet.