WO2006094325A1 - Method for producing metallic composite materials - Google Patents

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WO2006094325A1
WO2006094325A1 PCT/AT2006/000097 AT2006000097W WO2006094325A1 WO 2006094325 A1 WO2006094325 A1 WO 2006094325A1 AT 2006000097 W AT2006000097 W AT 2006000097W WO 2006094325 A1 WO2006094325 A1 WO 2006094325A1
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deformation
metallic
ductility
composite
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PCT/AT2006/000097
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Reinhard Pippan
Ilchat Sabirov
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Austria Wirtschaftsservice Technologie & Innovation / Tecma
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B21C23/001—Extruding metal; Impact extrusion to improve the material properties, e.g. lateral extrusion
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B21C23/01—Extruding metal; Impact extrusion starting from material of particular form or shape, e.g. mechanically pre-treated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/02—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough
    • B21J1/025—Preliminary treatment of metal stock without particular shaping, e.g. salvaging segregated zones, forging or pressing in the rough affecting grain orientation

Definitions

  • the invention relates to a method for producing massive metallic composite materials with a particle size in the nm range (nanocomposites).
  • Submicron or nanocrystalline materials in particular of metals, alloys or intermetallic compounds, are ideally suited for a wide range of applications and have a wide variety of mechanical and electromagnetic properties. In part, these properties change abruptly with changes in the fine structure, in particular with the grain size of individual components of metallic composite materials.
  • nanocomposites which, for example, can be produced by powder metallurgy. For example, tungsten powder with a 20% or 30% copper content can be produced by mechanical alloying and then cold pressed into shape.
  • the grain size of the W-Cu powder in the starting material is 20 nm to 30 nm.
  • amorphous metal alloys can be prepared by very rapid solidification.
  • nanocomposites can also be produced by different coating methods, but this is also limited to the production of very thin films.
  • the starting elements are mixed as powders with particle sizes of 2 ⁇ m to 250 ⁇ m and subjected to high mechanical forces to achieve a secondary powder with a nanocrystalline structure.
  • the secondary powder is obtained by mixing and cold working the starting powders or by mixing and high energy milling of the starting powders.
  • a disadvantage of such methods is the dust load due to the harmful nanopowder, as well as the considerable effort required to minimize the release of nanoparticles of different, partially toxic metal powders.
  • WO 03/026815 A1 discloses an apparatus and a method for producing finely crystalline materials, in which a starting material is mechanically processed by cyclic deformation until a previously defined fine structure of the material sample is achieved. The individual deformation steps are carried out at temperatures between the ambient temperature and the half-melting temperature of the respective material. By multiple plastic deformation, for example, the strength of recrystallized pure metals can be increased many times without having to accept significant losses in the elongation at break in purchasing. As starting materials, however, only single-phase materials, such as pure metals and, for example, intermetallic Ni 3 Al materials, called.
  • the object of the invention is to propose a method for producing massive metallic composite materials with a particle size in the nm range, which is suitable for as many combinations of different starting materials and which is further technically easy to apply.
  • the inventive method is based on a solid, coarse composite material as starting material, which is at least two-phase and thus consists of at least two non-detachable components.
  • the end product of the process is also present in solid form as a so-called nanocomposite, ie at least one or each of the two components is present in the composite material as nanoparticles with a particle size and a particle distance of a few nanometers.
  • nanocomposite ie at least one or each of the two components is present in the composite material as nanoparticles with a particle size and a particle distance of a few nanometers.
  • known nanocrystalline, single-phase materials have crystallites with a particle size of a few nanometers, they are confined to similar particles so that no nanocomposites are present.
  • the comparative strain according to MISES can be used.
  • the comparative strain or deformation ⁇ is, for example, in the case of high-pressure torsional deformation
  • n is the number of revolutions r is the radius (at which the deformation is measured) and t is the sample thickness. If specified in percent, the ⁇ value must be multiplied by 100. A comparative strain of, for example, 100 thus corresponds to 10,000%.
  • HPT High Pressure Torsion
  • ECA Equal Channel Angular Extrusion
  • CCDC Cyclic Channel Compression
  • ARB Accumulative Roll Bonding
  • the material sample to be deformed is in a cylindrical recess of a pressure-resistant mold and is pressurized with a pressure piston with a cylindrical cross-section.
  • a rotational movement of the mold or the plunger about the common axis there is a high-pressure torsional deformation of the sample, which reaches the desired degree of deformation in certain radial regions.
  • an angled channel is provided in a pressure-resistant form, through which the material sample is pressed through with the aid of a punch. After removal of the material sample from the angled channel this is again introduced into the channel and the process continues until the desired fine structure is achieved.
  • the starting material is deformed by frequent folding and rolling.
  • the component with the higher ductility can form a matrix in which the component with the lower ductility is embedded. If the two metals in a metal-metal composite have different strength properties and different ductility, it is possible to severely break up the brittle and solid phase at a high deformation rate. For example, in the W-Cu tungsten system, the much firmer and much more brittle partner at room temperature is copper, the softer and more ductile partner.
  • the yield stress or the ductility of one of the two metallic documents should be at least twice as large as that of the second metallic component.
  • biphasic Pb / Fe, Cu / Fe, Ag / Fe or Cu / Cr composite material is used as starting material.
  • the at least two individual components can also be alloys that are not soluble in each other.
  • the deformation according to point b) can be carried out at temperatures between room temperature (20 0 C) and 200 0 C, but also at low temperatures, for example at liquid nitrogen temperature.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
  • Fig. 1 is a micrograph of the starting material in an enlarged view, as well
  • FIGS 2, 3, 4, 5 and 6 micrographs of nanocomposites produced by the method according to the invention in different process stages and particle sizes.
  • the starting material used is a coarse-grained W-25% Cu composite, which according to FIG. 1 shows an inhomogeneous distribution of the W particles which have a size of between 2 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the proportion of W grains in the Cu matrix is relatively large, so that in the subsequent high-pressure torsional deformation, the individual W particles do not "float" in the matrix but are pressed or rubbed against each other so that the particles break up and larger ones Deformation values massive particle size reduction is observable.
  • HPT high-pressure torsion deformation
  • the starting material is used in the form of a disk-shaped sample with a diameter of 5 mm to 10 mm and a thickness of 0.5 mm to 2 mm.
  • the plate has a diameter of 8 mm and a thickness t of 0.8 mm, so that according to formula (1) with a radius r of 3 mm and the corresponding selection of revolutions n different deformation values ⁇ can be achieved.
  • the deformation takes place in the example shown at room temperature, at a pressure between 5 GPa and 10 GPa, preferably at 8 GPa.

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Abstract

The invention relates to a method for producing massive metallic composite material having a particle size in the nm-range (nanocomposites). Said method is characterised by the following steps a) a solid, coarse-grained composite is prepared as a starting material, which comprises at least two non-soluble within each other, metallic components having different ductility or yield stress b) the starting material is deformed by means of severe plastic deformation, whereby a comparative expansion in the region of 10.000 % or greater is obtained, such that at least one of the metallic components has a particle size of < 100 nm, preferably, a particle size between 100 nm and 10 nm, is present in the produced nanocomposite.

Description

Verfahren zur Herstellung metallischer VerbundwerkstoffeProcess for producing metallic composite materials
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung massiver metallischer Verbundwerkstoffe mit einer Partikelgröße im nm-Bereich (Nanocomposites).The invention relates to a method for producing massive metallic composite materials with a particle size in the nm range (nanocomposites).
Submikro- oder nanokristalline Werkstoffe, insbesondere aus Metallen, Legierungen bzw. intermetallischen Verbindungen, sind für ein breites Anwendungsgebiet bestens geeignet und weisen unterschiedlichste mechanische und elektromagnetische Eigenschaften auf. Zum Teil ändern sich diese Eigenschaften sprunghaft bei Änderungen der Feinstruktur, insbesondere mit der Korngröße einzelner Komponenten metallischer Verbundwerkstoffe. Bei Verbundwerkstoffen, bei welchen Korngrößen < lOOnm erreicht werden, spricht man von sogenannten Nanocomposites, welche beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt werden können. Beispielweise kann Wolframpulver mit einem 20%igen oder 30%igen Kupferanteil durch mechanisches Legieren (Mechanical Alloying) hergestellt und dann kalt in Form gepresst werden. Die Korngröße des W-Cu-Pulvers liegt im Ausgangsmaterial bei 20 nm bis 30 nm. Durch anschließendes Festkörper-Sintern bei Temperaturen von 10500C bzw. Flüssigphase-Sintern bei Temperaturen zwischen 1.1000C und 1.3000C erhöhte sich jedoch die W-Korngröße im ersten Fall auf 200 nm, im zweiten Fall sogar auf 800 bis 1.000 nm. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Herstellung von Nanopulver ein sehr aufwendiger und gesundheitsschädlicher Prozess ist.Submicron or nanocrystalline materials, in particular of metals, alloys or intermetallic compounds, are ideally suited for a wide range of applications and have a wide variety of mechanical and electromagnetic properties. In part, these properties change abruptly with changes in the fine structure, in particular with the grain size of individual components of metallic composite materials. In the case of composite materials in which particle sizes <100 nm are achieved, this is referred to as so-called nanocomposites, which, for example, can be produced by powder metallurgy. For example, tungsten powder with a 20% or 30% copper content can be produced by mechanical alloying and then cold pressed into shape. The grain size of the W-Cu powder in the starting material is 20 nm to 30 nm. Subsequent solid-state sintering at temperatures of 1050 ° C. or liquid-phase sintering at temperatures between 1100 ° C. and 1300 ° C., however, increased the Grain size in the first case to 200 nm, in the second case even to 800 to 1,000 nm. Another disadvantage is that the production of nanopowders is a very complex and harmful process.
Für die Herstellung sehr dünner Bauteile aus einem Nanocomposite-Material können amorphe Metalllegierungen durch sehr rasches Erstarren hergestellt werden. Weiters können mit unterschiedlichen Beschichtungsverfahren ebenfalls Nanocomposites hergestellt werden, dies ist jedoch ebenfalls auf die Herstellung sehr dünner Filme beschränkt.For the production of very thin components from a nanocomposite material amorphous metal alloys can be prepared by very rapid solidification. Furthermore, nanocomposites can also be produced by different coating methods, but this is also limited to the production of very thin films.
Im Artikel ZHU et al. "Performance and applications of nanostructured materials produced by severe plastic deformation", Scripta Materialia, Band 51, Seiten 825-830, October 2004; ISSN 1359-6462 werden Materialeigenschaften und Anwendungen für nanokristalline Werkstoffe beschrieben, welche mittels "Severe Plastic Deformation" (SPD) aus Reinmetallen (beispielsweise Cu, AI, Ti) und Legierungen hergestellt werden. Als SPD-Verfahren werden insbesondere HPT (High Pressure Tortion), ECAP (Equal-Channel Angular Pressing) und ARB (Accumula- tive Role-Bonding) genannt und die Eigenschaften, sowie bevorzugten Anwendungen der mit den jeweiligen SPD-Verfahren hergestellten, nanokristallinen Werkstoffe beschrieben. In der DE 37 14 239 Al wird eine Verfahren zur Herstellung von Pulvern und Formkörpern mit einen Gefüge nanokristalliner Struktur beschrieben. Es handelt sich dabei um ein pulvermetallurgisches Verfahren, bei welchem die Ausgangselemente als Pulver mit Teilchengrößen von 2 μm bis 250 μm gemischt und zum Erreichen eines Sekundärpulvers mit nanokristalliner Struktur hohen mechanischen Kräften ausgesetzt werden. Beispielsweise wird das Sekundärpulver durch Mischen und Kaltverformen der Ausgangspulver gewonnen, bzw. durch Mischen und Hochenergiemahlen der Ausgangspulver hergestellt. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist die Staubbelastung durch die gesundheitsschädlichen Nanopul- ver, sowie der beträchtliche Aufwand, um die Freisetzung von Nanopartikel unterschiedlicher, teilweise toxischer Metallpulver gering zu halten.In the article ZHU et al. "Performance and applications of nanostructured materials produced by severe plastic deformation", Scripta Materialia, Volume 51, pages 825-830, October 2004; ISSN 1359-6462 describes material properties and applications for nanocrystalline materials produced by Severe Plastic Deformation (SPD) from pure metals (eg, Cu, Al, Ti) and alloys. In particular, HPT (High Pressure Tortion), ECAP (Equal Channel Angular Pressing) and ARB (Accumulative Role-Bonding) are mentioned as SPD processes and the properties and preferred applications of the nanocrystalline materials produced using the respective SPD processes described. In DE 37 14 239 Al a process for the preparation of powders and moldings is described with a structure of nanocrystalline structure. It is a powder metallurgical process in which the starting elements are mixed as powders with particle sizes of 2 μm to 250 μm and subjected to high mechanical forces to achieve a secondary powder with a nanocrystalline structure. For example, the secondary powder is obtained by mixing and cold working the starting powders or by mixing and high energy milling of the starting powders. A disadvantage of such methods is the dust load due to the harmful nanopowder, as well as the considerable effort required to minimize the release of nanoparticles of different, partially toxic metal powders.
Schließlich ist aus der WO 03/026815 Al eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung feinkristalliner Werkstoffe bekannt geworden, bei welchem ein Ausgangswerkstoff durch zyklische Verformung mechanisch bearbeitet wird, bis eine vorher festgelegte Feinstruktur der Werkstoffprobe erreicht wird. Die einzelnen Verformungsschritte werden bei Temperaturen zwischen der Umgebungstemperatur und der halben Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffes durchgeführt. Durch mehrfache plastische Verformung kann beispielsweise die Festigkeit von rekristallisierten Reinmetallen um ein Vielfaches gesteigert werden, ohne deutliche Einbußen bei der Bruchdehnung in Kauf nehmen zu müssen. Als Ausgangsstoffe werden jedoch ausschließlich einphasige Materialien, wie Reinmetalle sowie beispielsweise intermetallische Ni3AI-Werkstoffe, genannt.Finally, WO 03/026815 A1 discloses an apparatus and a method for producing finely crystalline materials, in which a starting material is mechanically processed by cyclic deformation until a previously defined fine structure of the material sample is achieved. The individual deformation steps are carried out at temperatures between the ambient temperature and the half-melting temperature of the respective material. By multiple plastic deformation, for example, the strength of recrystallized pure metals can be increased many times without having to accept significant losses in the elongation at break in purchasing. As starting materials, however, only single-phase materials, such as pure metals and, for example, intermetallic Ni 3 Al materials, called.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung massiver metallischer Verbundwerkstoffe mit einer Partikelgröße im nm-Bereich vorzuschlagen, welches für möglichst viele Kombinationen unterschiedlicher Ausgangsstoffe geeignet ist und welches weiters technisch einfach anwendbar ist.The object of the invention is to propose a method for producing massive metallic composite materials with a particle size in the nm range, which is suitable for as many combinations of different starting materials and which is further technically easy to apply.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:This object has been achieved according to the invention by the following steps:
Bereitstellung eines festen, grobkörnigen Composites als Ausgangsmaterial, welches zumindest zwei ineinander nicht lösbare, metallische Komponenten unterschiedlicher Duktilität oder Fließspannung aufweist;Providing a solid, coarse-grained composite as a starting material which has at least two metallic components of different ductility or yield stress which are not soluble in each other;
Verformung des Ausgangsmaterials durch Severe Plastic Deformation, wobei eine Vergleichsdehnung im Bereich von 10.000% oder größer erzielt wird, so dass im entstehenden Nanocomposite zumindest eine der metallischen Komponenten in Partikelgrößen < 100 nm, vorzugsweise in Partikelgrößen zwischen 100 nm und 10 nm, vorliegt.Deformation of the starting material by Severe Plastic Deformation, wherein a comparative strain in the range of 10,000% or greater is achieved, so that in the resulting nanocomposite at least one of the metallic components in particle sizes <100 nm, preferably in particle sizes between 100 nm and 10 nm.
Überraschender Weise konnte bei der erfindungsgemäßen, extremen Hochverformung eines festen, grobkörnigen Composites als Ausgangsmaterial, beispiels- weise eines W-Cu-Composites, eine Fragmentierung der Wolframpartikel festgestellt werden. Dabei konnten W-Partikelgrößen von 10 nm erzielt werden, wobei die W-Kömer sehr homogen in der Kupfermatrix verteilt waren. Im Unterschied zum Stand der Technik, wo als Ausgangsstoffe Pulver, oder einphasiges Material, wie Reinmetalle, intermetallische Verbindungen oder klassische Legierungen, verwendet werden, geht das erfindungsgemäße Verfahren von einem massiven, grobkörnigen Composite-Material als Ausgangsmaterial aus, welches zumindest zweiphasig ist und somit aus mindestens zwei ineinander nicht lösbaren Komponenten besteht. Auch das Endprodukt des Verfahrens liegt in fester Form als sogenanntes Nanocomposite vor, d.h. zumindest eine oder jede der beiden Komponenten liegt im Verbundwerkstoff als Nanopartikel mit einer Partikelgröße und einem Partikelabstand von wenigen Nanometern vor. Bekannte nanokristalline, einphasige Werkstoffen weisen zwar Kristallite mit einer Korngröße von wenigen Nanometern auf, diese grenzen jedoch an gleichartige Partikel so dass keine Na- nocomposites vorliegen.Surprisingly, in the case of the extreme high deformation of a solid, coarse-grained composite according to the invention as starting material, example of a W-Cu composite, a fragmentation of the tungsten particles are found. It was possible to achieve W particle sizes of 10 nm, with the W grains being distributed very homogeneously in the copper matrix. In contrast to the prior art, where as starting materials powder, or single-phase material, such as pure metals, intermetallic compounds or classical alloys are used, the inventive method is based on a solid, coarse composite material as starting material, which is at least two-phase and thus consists of at least two non-detachable components. The end product of the process is also present in solid form as a so-called nanocomposite, ie at least one or each of the two components is present in the composite material as nanoparticles with a particle size and a particle distance of a few nanometers. Although known nanocrystalline, single-phase materials have crystallites with a particle size of a few nanometers, they are confined to similar particles so that no nanocomposites are present.
Für den Verformungsgrad werden in der Literatur unterschiedliche Maßzahlen angegeben, die ineinander umrechenbar sind. Für die Beschreibung sehr hoher Verformungen kann die Vergleichsdehnung nach MISES herangezogen werden. Die Vergleichsdehnung bzw. Verformung ε beträgt beispielsweise bei der HochdrucktorsionsumformungFor the degree of deformation different measures are given in the literature, which are interconvertible. For the description of very high deformations, the comparative strain according to MISES can be used. The comparative strain or deformation ε is, for example, in the case of high-pressure torsional deformation
2τmr2τmr
wobei n die Zahl der Umdrehungen r der Radius (bei welchem die Verformung gemessen wird) und t die Probendicke ist. Bei einer Angabe in Prozent muss der ε-Wert mit 100 multipliziert werden. Eine Vergleichsdehnung von beispielsweise 100 entspricht somit 10.000%.where n is the number of revolutions r is the radius (at which the deformation is measured) and t is the sample thickness. If specified in percent, the ε value must be multiplied by 100. A comparative strain of, for example, 100 thus corresponds to 10,000%.
Erfindungsgemäß können für die Hochverformung Verfahren angewandt werden, die unter Hochdrucktorsionsumformung (High Pressure Torsion = HPT), Eckpressverfahren (Equal Channel Angular Extrusion = ECA), zyklisches Kanalstauchen (Cyclic Channel Die Compression = CCDC) oder akkumulatives Walzverbinden (Accumulative Roll Bonding = ARB) bekannt geworden sind.According to the present invention, methods of high deformation may be employed which include High Pressure Torsion (HPT), Equal Channel Angular Extrusion (ECA), Cyclic Channel Compression (CCDC), or Accumulative Roll Bonding (ARB). have become known.
Beim HPT-Verfahren befindet sich die zu verformende Werkstoffprobe in einer zylindrischen Ausnehmung einer druckfesten Form und wird mit einem Druckstempel mit zylindrischem Querschnitt mit Druck beaufschlagt. Durch eine Drehbewegung der Form oder des Druckstempels um die gemeinsame Achse kommt es zu einer Hochdrucktorsionsverformung der Probe, welche in bestimmten radialen Bereichen den gewünschten Verformungsgrad erreicht. Beim ECA-Verfahren ist in einer druckfesten Form ein abgewinkelter Kanal vorgesehen, durch welchen die Werkstoffprobe mit Hilfe eines Stempels durchge- presst wird. Nach der Entnahme der Werkstoffprobe aus dem abgewinkelten Kanal wird diese wieder in den Kanal eingebracht und der Vorgang fortgesetzt, bis die gewünschte Feinstruktur erreicht wird.In the HPT process, the material sample to be deformed is in a cylindrical recess of a pressure-resistant mold and is pressurized with a pressure piston with a cylindrical cross-section. By a rotational movement of the mold or the plunger about the common axis, there is a high-pressure torsional deformation of the sample, which reaches the desired degree of deformation in certain radial regions. In the ECA method, an angled channel is provided in a pressure-resistant form, through which the material sample is pressed through with the aid of a punch. After removal of the material sample from the angled channel this is again introduced into the channel and the process continues until the desired fine structure is achieved.
Beim CCDC-Verfahren erfolgt eine Druckverformung der Werkstoffprobe entlang aufeinander normal stehenden Raumrichtungen, bis eine vorher festgelegte Feinstruktur der Werkstoffprobe erreicht wird.In the CCDC method, a compression deformation of the material sample along mutually normal spatial directions occurs until a predetermined fine structure of the material sample is achieved.
Schließlich wird beim ARB-Verfahren der Ausgangswerkstoff durch oftmaliges Zusammenfalten und Walzen verformt.Finally, in the ARB process, the starting material is deformed by frequent folding and rolling.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Komponente mit der höheren Duktili- tät eine Matrix bilden kann, in welche die Komponente mit der geringeren Dukti- lität eingebettet ist. Weisen nämlich die beiden Metalle in einem Metall-Metall- Composite unterschiedliche Festigkeitseigenschaften und unterschiedliche Dukti- lität auf, so ist es möglich, bei hoher Verformungsrate die spröde und feste Phase stark zu zerkleinern. So ist beispielsweise im System W-Cu Wolfram der deutlich festere und bei Raumtemperatur wesentlich sprödere Partner, Kupfer der weichere und duktilere Partner.According to the invention, it is provided that the component with the higher ductility can form a matrix in which the component with the lower ductility is embedded. If the two metals in a metal-metal composite have different strength properties and different ductility, it is possible to severely break up the brittle and solid phase at a high deformation rate. For example, in the W-Cu tungsten system, the much firmer and much more brittle partner at room temperature is copper, the softer and more ductile partner.
Erfindungsgemäß sollte die Fließspannung oder die Duktilität einer der beiden metallischen Dokumenten zumindest doppelt so groß sein, wie jene der zweiten metallischen Komponente.According to the invention, the yield stress or the ductility of one of the two metallic documents should be at least twice as large as that of the second metallic component.
Mögliche Einsatzbereiche für W-Cu-Nanocomposites sind als Kontaktmaterial in der Mikroelektronik, oder als Heat-sink Material mit verbesserten Ermüdungseigenschaften am Interface denkbar. Wirklich von großer Bedeutung ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bei magnetischen und magnetisierbaren Materialien, da sich im Bereich zwischen 10 nm und 100 nm verschiedene magnetische Eigenschaften über mehrere 10-er-Potenzen ändern. Die Herstellung von derartigen Magnetwerkstoffen ist ein wichtiger Wirtschaftszweig.Possible areas of application for W-Cu nanocomposites are conceivable as contact material in microelectronics or as a heat sink material with improved fatigue properties at the interface. Really of great importance is the production method according to the invention in the case of magnetic and magnetizable materials, since in the range between 10 nm and 100 nm different magnetic properties change over several powers of ten. The production of such magnetic materials is an important industry.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich wenn als Ausgangsmaterial ein zweiphasiges Pb/Fe, Cu/Fe, Ag/Fe oder Cu/Cr Verbundmaterial verwendet wird. Die zumindest zwei Einzelkomponenten können auch ineinander nicht lösbare Legierungen sein.Further possible applications arise when a biphasic Pb / Fe, Cu / Fe, Ag / Fe or Cu / Cr composite material is used as starting material. The at least two individual components can also be alloys that are not soluble in each other.
Die Verformung gemäß Punkt b) kann bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur (200C) und 2000C, aber auch bei tiefen Temperaturen, beispielsweise bei Flüssigstickstofftemperatur, durchgeführt werden. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The deformation according to point b) can be carried out at temperatures between room temperature (20 0 C) and 200 0 C, but also at low temperatures, for example at liquid nitrogen temperature. The invention will be explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
Fig. 1 ein Schliffbild des Ausgangsmaterials in vergrößerter Darstellung, sowieFig. 1 is a micrograph of the starting material in an enlarged view, as well
die Figuren 2, 3, 4, 5 und 6 Schliffbilder von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Nanocomposites in unterschiedlichen Verfahrensstadien und Partikelgrößen.Figures 2, 3, 4, 5 and 6 micrographs of nanocomposites produced by the method according to the invention in different process stages and particle sizes.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Herstellung eines W-Cu-Nano- composites näher erläutert.The process of the invention will be explained in more detail with reference to the preparation of a W-Cu nanocomposite.
Als Ausgangsmaterial wird ein grobkörniges W-25%-Cu-Composite verwendet, welches gemäß Fig. 1 eine inhomogene Verteilung der W-Teilchen zeigt, welche eine Größe zwischen 2 μm und 10 μm aufweisen. Der Anteil der W-Körner in der Cu-Matrix ist relativ groß, sodass bei der nachfolgenden Hochdrucktorsionsum- formung die einzelnen W-Teilchen nicht in der Matrix "schwimmen" sondern derart aneinander gepresst bzw. gerieben werden, dass die Teilchen aufbrechen und bei größeren Verformungswerten eine massive Teilchenzerkleinerung beobachtbar ist. Bei der Hochdrucktorsionsverformung (HPT) wird das Ausgangsmaterial in Form einer scheibenförmigen Probe mit einem Durchmesser von 5 mm bis 10 mm und einer Dicke von 0,5 mm bis 2 mm eingesetzt. Im hier beschriebenen Beispiel hat das Plättchen einen Durchmesser von 8 mm und eine Dicke t von 0,8 mm, so dass gemäß Formel (1) bei einem Radius r von 3 mm und der entsprechenden Auswahl von Umdrehungen n unterschiedliche Verformungswerte ε erzielt werden können. Die Verformung erfolgt im dargestellten Beispiel bei Raumtemperatur, bei einem Druck zwischen 5 GPa und 10 GPa, vorzugsweise bei 8 GPa.The starting material used is a coarse-grained W-25% Cu composite, which according to FIG. 1 shows an inhomogeneous distribution of the W particles which have a size of between 2 μm and 10 μm. The proportion of W grains in the Cu matrix is relatively large, so that in the subsequent high-pressure torsional deformation, the individual W particles do not "float" in the matrix but are pressed or rubbed against each other so that the particles break up and larger ones Deformation values massive particle size reduction is observable. In high-pressure torsion deformation (HPT), the starting material is used in the form of a disk-shaped sample with a diameter of 5 mm to 10 mm and a thickness of 0.5 mm to 2 mm. In the example described here, the plate has a diameter of 8 mm and a thickness t of 0.8 mm, so that according to formula (1) with a radius r of 3 mm and the corresponding selection of revolutions n different deformation values ε can be achieved. The deformation takes place in the example shown at room temperature, at a pressure between 5 GPa and 10 GPa, preferably at 8 GPa.
Die folgenden Schliffbilder wurden nach einer Verformung von ε = 4 (Fig. 2), ε = 16 (Fig. 3), ε = 64 (Fig. 4), ε = 256 (Fig. 5) und ε = 512 (Fig. 6) aufgenommen. Einer Verformungszahl von ε = 256 entspricht eine Verformung von 25.600%. Aus den einzelnen Schliffbildern ist sehr gut erkennbar, dass mit steigender Verformung eine Verkleinerung der W-Partikel sowie eine Bänderstruktur (siehe Fig. 3 und Fig. 4) auftritt, sowie dass schließlich eine homogene Struktur mit einer W-Teilchengröße zwischen 10 nm und 20 nm erreicht werden kann (Fig. 6). The following micrographs were obtained after a deformation of ε = 4 (Figure 2), ε = 16 (Figure 3), ε = 64 (Figure 4), ε = 256 (Figure 5) and ε = 512 (Fig. 6) recorded. A deformation number of ε = 256 corresponds to a deformation of 25,600%. It can be clearly seen from the individual micrographs that with increasing deformation a reduction of the W particles and a band structure (see FIGS. 3 and 4) occur, and finally that a homogeneous structure with a W particle size between 10 nm and 20 nm can be achieved (FIG. 6).

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung massiver metallischer Verbundwerkstoffe mit einer Partikelgröße im nm-Bereich (Nanocomposites), gekennzeichnet durch folgende Schritte:1. A process for producing massive metallic composite materials with a particle size in the nm range (nanocomposites), characterized by the following steps:
a) Bereitstellung eines festen, grobkörnigen Composites als Ausgangsmaterial, welches zumindest zwei ineinander nicht lösbare metallische Komponenten unterschiedlicher Duktilität oder Fließspannung aufweist;a) providing a solid, coarse-grained composite as starting material, which has at least two non-dissolvable metallic components of different ductility or yield stress;
b) Verformung des Ausgangsmaterials durch Severe Plastic Deformation, wobei eine Vergleichsdehnung im Bereich von 10.000% oder größer erzielt wird, so dass im entstehenden Nanocomposite zumindest eine der metallischen Komponenten in Partikelgrößen < 100 nm, vorzugsweise in Partikelgrößen zwischen 100 nm und 10 nm, vorliegt.b) Deformation of the starting material by Severe Plastic Deformation, wherein a comparative strain in the range of 10,000% or greater is achieved, so that in the resulting nanocomposite at least one of the metallic components in particle sizes <100 nm, preferably in particle sizes between 100 nm and 10 nm ,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente mit der höheren Duktilität eine Matrix bildet, in welche die Komponente mit der geringeren Duktilität eingebettet ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the component with the higher ductility forms a matrix in which the component with the lower ductility is embedded.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente mit der niedrigeren Duktilität im Ausgangsmaterial in einer Körnung > 1 μm, vorzugsweise zwischen 2 μm und 10 μm, vorliegt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the component with the lower ductility in the starting material in a grain size> 1 .mu.m, preferably between 2 .mu.m and 10 .mu.m, is present.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließspannung oder die Duktilität einer der metallischen Komponenten zumindest doppelt so groß ist wie jene der zweiten metallischen Komponente.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the yield stress or the ductility of one of the metallic components is at least twice as large as that of the second metallic component.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Severe Plastic Deformation zumindest ein Verfahren aus der Gruppe Hochdrucktorsionsumformung (High Pressure Torsion), Eckpressverfahren (Equal Channel Angular Extrusion), zyklisches Kanalstauchen (Cyclic Channel Compression) oder akkumulatives Walzverbinden (Accu- mulative Roll Bonding) angewandt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the Severe Plastic deformation at least one method from the group of high pressure torsion (Equal Channel Angular Extrusion), Cyclic Channel Compression or accumulative Roll bonding (accumulative roll bonding) is applied.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Hochdrucktorsionsumformung ein Druck zwischen 5 GPa und 10 GPa auf den Verbundwerkstoff ausgeübt wird.6. The method according to claim 5, characterized in that in the high-pressure torsional deformation a pressure between 5 GPa and 10 GPa is exerted on the composite material.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial in Form einer scheibenförmigen Probe mit einem Durchmes- ser von 5 m bis 10 m und einer Dicke von 0,5 mm bis 2 mm eingesetzt wird.7. The method according to claim 5, characterized in that the starting material in the form of a disk-shaped sample with a diameter from 5 m to 10 m and a thickness of 0.5 mm to 2 mm.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von W-Cu-Nanokomposits ein Ausgangsmaterial mit einem Cu-Anteil von 25% und einer W-Partikelgröße von 2 μm bis 10 μm verwendet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that for the production of W-Cu nanocomposites, a starting material having a Cu content of 25% and a W particle size of 2 microns to 10 microns is used.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein zweiphasiges Pb/Fe, Cu/Fe, Ag/Fe oder Cu/Cr Verbundmaterial verwendet wird.9. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a biphasic Pb / Fe, Cu / Fe, Ag / Fe or Cu / Cr composite material is used as the starting material.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine metallische Komponente des Ausgangsmaterials eine Legierung ist.10. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that at least one metallic component of the starting material is an alloy.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsstoff ein Magnetwerkstoff verwendet wird.11. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a magnetic material is used as the starting material.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung gemäß Punkt b) bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur (200C) und 2000C durchgeführt wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the deformation according to point b) at temperatures between room temperature (20 0 C) and 200 0 C is performed.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung gemäß Punkt b) bei tiefen Temperaturen, beispielsweise bei Flüssigstickstofftemperatur, durchgeführt wird.13. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the deformation according to point b) at low temperatures, for example at liquid nitrogen temperature, is performed.
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