EP4577364A1 - Aluminiumkompositwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Aluminiumkompositwerkstoff und verfahren zu dessen herstellung

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EP4577364A1
EP4577364A1 EP23776560.7A EP23776560A EP4577364A1 EP 4577364 A1 EP4577364 A1 EP 4577364A1 EP 23776560 A EP23776560 A EP 23776560A EP 4577364 A1 EP4577364 A1 EP 4577364A1
Authority
EP
European Patent Office
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aluminum
composite material
aluminum oxide
zones
aluminum composite
Prior art date
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Pending
Application number
EP23776560.7A
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English (en)
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Inventor
Rene Saal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Isel Automation GmbH and Co KG
Original Assignee
Isel Automation GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Isel Automation GmbH and Co KG filed Critical Isel Automation GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • C22C32/0015—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with only oxides with only single oxides as main non-metallic constituents
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    • B22F2009/086—Cooling after atomisation
    • B22F2009/0876—Cooling after atomisation by gas

Definitions

  • the invention relates to an aluminum composite material with advantageous mechanical properties and high electrical conductivity and a method for its production.
  • the object of the invention is to provide an aluminum-based material with advantageous mechanical and electrical properties that can be produced cost-effectively and without the use of alloying elements that are difficult to obtain.
  • an aluminum metallic phase is also understood to mean an aluminum with a higher proportion of accompanying elements or an aluminum alloy with alloying elements such as silicon, magnesium, manganese, copper and zinc.
  • the aluminum oxide phase is formed by aluminum oxide particles. These are in particular particles with a predominant proportion of AI2O3.
  • the aluminum oxide particles are not homogeneously distributed over the volume of the aluminum composite material, but have areas of higher concentration, which thus form a support structure.
  • the support structure is understood to mean linear or preferably flat zones in which there is a higher concentration of aluminum oxide particles than in other zones.
  • the aluminum oxide particles have high strength and are embedded in the metal grid of the aluminum. Due to their size, which is preferably in the micrometer range, they create bodies of higher strength in the surrounding metal grid, which counteract deformation and thus increase the strength of the aluminum grain positive material compared to aluminum without an aluminum oxide phase. This is further supported by the relative proximity of the aluminum oxide particles to one another in the areas of higher concentration.
  • the aluminum oxide particles are incorporated as macroscopic bodies of high strength in the aluminum, which in this respect forms a matrix material.
  • the aluminum oxide particles therefore do not form closed areas. Rather, the metal grid of aluminum penetrates the spaces between the aluminum particles without causing grid defects that are necessary for strength.
  • the increase in strength is therefore advantageously based not primarily on solid solution solidification, but primarily on the mechanical properties of the aluminum oxide particles in their mutual support.
  • the aluminum composite material according to the invention provides a particular advantage as a material whose conductivity is only slightly reduced compared to pure aluminum. It was found that both by leaving zones with a low concentration of aluminum oxide particles and by embedding the aluminum oxide particles in the metal grid of aluminum in the area of the support structures, the metal grid structure is only insignificantly affected.
  • the aluminum composite material therefore has a very high level of conductivity while simultaneously having a high level of strength, which is not achieved with aluminum alloys of comparable strength.
  • the aluminum composite material is therefore particularly suitable for providing conductor wires. Conductor wires provided in this way can particularly preferably be used in the automotive or aviation sectors because, in addition to the advantageous electrical and mechanical properties, they also have a low weight. Their use is particularly advantageous in the area of electromobility.
  • the aluminum composite material is both chemically very stable and very temperature stable. Even at temperatures of more than 300 degrees Celsius, the strength is essentially retained.
  • the aluminum composite material is characterized in that the support structure is designed as surface zones which surround spatial zones as walls, the surface zones having a higher mass proportion of aluminum oxide particles than the spatial zones.
  • the surface zones can be designed in the manner of walls similar to a spatial honeycomb structure.
  • the surfaces preferably surround areas in which no or only small amounts of aluminum oxide particles are embedded in the aluminum.
  • surface zones and spatial zones differ by definition in that the surface zones have a higher mass proportion of aluminum oxide particles than the spatial zones.
  • the mass fraction in the surface zones is at least ten times the mass fraction in the spatial zones.
  • the aluminum composite material is characterized in that the aluminum oxide phase has a mass fraction of 0.1% to 3%.
  • the mass information according to this development refers to the total mass without any differentiation between zones of higher and lower concentration, such as surface zones and spatial zones.
  • a wire of this diameter also based on aluminum with a purity of 99.7%, has a typical elongation at break of 3% and a typical tensile strength of 125 Pa according to EN AW-1070A with a material condition of H18.
  • the aluminum composite material is characterized in that the aluminum oxide phase has a mass proportion of 10% to 90% in the surface zones and a mass proportion of less than 1% in the spatial zones.
  • a low mass fraction based on the total mass can be achieved and at the same time high strength and high electrical conductivity can be provided.
  • the aluminum composite material is characterized in that the spatial zones have a spatial diagonal extent of 10 to 500 micrometers.
  • the spatial diagonal extension is to be understood as the designation for the largest diameter of the spatial zones in order to describe their size. It was found that spatial zones of this size particularly advantageously support the high electrical conductivity without significantly reducing the increase in strength achieved by means of the support structures.
  • the aluminum composite material is anisotropic. For this purpose, it is characterized in particular by the fact that the average extent of the spatial zones in a longitudinal axis is more than 1.5 times the average extent of the spatial zones in a plane transverse to the longitudinal axis.
  • the longitudinal axis refers to the axis of the aluminum composite material in which there is greater strength than in another axis. This is achieved by the spatial zones with the surface zones surrounding them having a greater longitudinal extent than transverse extent.
  • the arrangement of the support structures therefore also has a greater longitudinal extent than transverse extent.
  • a conductor wire has a particularly high tensile strength in its longitudinal direction, which corresponds to the longitudinal axis, but at the same time is easy to bend and has only a low tendency to break when bent.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing such an aluminum composite material.
  • Such a method for producing an aluminum composite material has the following process steps: a) producing an aluminum grit, which has an aluminum metal body and an aluminum oxide jacket, by spraying, blowing, stirring or spilling an aluminum melt in an oxygen-containing atmosphere, b) pressure molding the aluminum grit, with shattering of the Aluminum oxide jacket to aluminum oxide particles while producing a material cohesion between the aluminum metal bodies while embedding the aluminum oxide particles to form the aluminum composite material.
  • the contents of the description of the aluminum composite material according to the invention apply to the method according to the invention in a corresponding manner, taking into account the following aspects.
  • an aluminum grit is produced.
  • Aluminum grit and its production are known from the prior art, so that aluminum grit is inexpensive and commercially available.
  • aluminum grit is understood to mean granular bodies with a size of preferably 0.3 to 3 mm, hereinafter also referred to as grit bodies. They have an aluminum metal body that is surrounded by an aluminum oxide jacket. The aluminum metal body provides the aluminum metallic phase for the aluminum composite material to be produced. The aluminum oxide particles of the aluminum oxide phase of the aluminum composite material to be produced are formed from the aluminum oxide jacket.
  • liquid aluminum is first provided and then sprayed, blown, atomized, stirred or shaken to form the grit bodies.
  • the aluminum grit can have different shapes and different size fractions.
  • the shapes and size fractions of the bodies influence the properties of the aluminum composite material to be produced and can be determined during the production of the aluminum grit and, if necessary, by sieving curves.
  • By blowing or atomizing needle-like geometries are obtained and by stirring and shaking, more spherical geometries of the semolina bodies are obtained.
  • Process step a) is further characterized in particular by the fact that the grit body formation takes place in an oxygen-containing atmosphere.
  • the aluminum reacts on the hot surface with the oxygen, in particular to form AI2O3.
  • AI2O3 the oxygen oxide jacket of the semolina bodies of the aluminum semolina is thus produced.
  • the conversion rate of aluminum to aluminum oxide and thus the thickness of the aluminum oxide jacket and, as a result, the mass fraction of the aluminum oxide particles in the aluminum composite material to be produced can be advantageously adjusted in a simple manner, so that its properties can be influenced in a targeted manner.
  • An aluminum oxide jacket in the sense of the present invention is also understood to mean that, in addition to the Al2O3, other compounds or substances are contained in the jacket. This can be due to contamination, for example.
  • targeted admixtures can also be made in the oxygen-containing atmosphere.
  • process step b) the aluminum powder obtained in process step a) is transformed into the aluminum composite material by means of pressure forming.
  • the semolina bodies are pressed against each other and thereby deformed. While the aluminum metal body forms plastically due to its good flowability, the aluminum oxide shell is broken up and shattered due to the low ductility of the aluminum oxide, with the resulting fragments of the aluminum oxide shell forming the aluminum oxide particles.
  • the aluminum oxide particles are irregularly shaped and also warp as a result of the movements during pressure forming. The aluminum oxide particles therefore do not form a closed plane between the adjacent aluminum metal bodies of the grit bodies; Rather, there are passage points in which the aluminum of the aluminum metal bodies of adjacent aluminum metal bodies directly meet one another and form a material cohesion there, producing a lattice structure.
  • the aluminum oxide particles are surrounded by the aluminum of the aluminum metal bodies.
  • the zones of the former aluminum oxide jackets there is a higher concentration and thus a higher mass.
  • the greater the degree of deformation and the flow of the material during pressure forming the more the shapes of the zones with a high concentration of aluminum oxide particles deviate from the shapes of the aluminum oxide shells of the grit bodies present before pressure forming.
  • Pressure forming in the sense of this process step means all processes that fall under the generic term of pressure forming, such as in particular pressing, drop forging and rolling. Pressure forming is particularly preferably carried out in the form of extrusion, extrusion and tapering.
  • the process can be used particularly advantageously to obtain an aluminum composite material, the properties of which are referred to in the description of the aluminum composite material in claims 1 to 6. Furthermore, a particular advantage of the method is its simplicity. Surprisingly, a method was found that can be provided by a slight modification and a combination of existing methods.
  • the method for producing an aluminum composite material is characterized in that after method step a) a method step a1) is carried out, that in method step a1) the aluminum grit is tempered to a temperature of 200 to 500 degrees Celsius and that process step b) is carried out with the aluminum powder tempered according to process step a1).
  • the method for producing an aluminum composite material is characterized in that in method step b) the pressure forming is carried out by means of extrusion.
  • FIG. 2 Schematic sectional view with aluminum oxide particles in surface zones explained in more detail.
  • Fig. 1 shows a micrograph of a micrograph of the aluminum composite material obtained by the process at 300x magnification. What can be seen here is the inhomogeneous distribution of the aluminum oxide particles 21. Furthermore, the anisotropic design in this exemplary embodiment can be seen. The distribution of the aluminum oxide particles 21 has a significantly larger extent in a longitudinal axis 5 running between the top left and the bottom right.
  • Fig. 2 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment in which a high concentration of aluminum oxide particles 21 is present in surface zones 4, which adjoin the spatial zones 3, which are produced by method step b) from the aluminum metal body of the semolina body of the aluminum semolina. have gone.
  • the section runs horizontally to the surface zones 4.
  • the surface zones 4 are partially connected to one another and thus spatially enclose the spatial zones 3.
  • the arrows using the example of a spatial zone 3 in the middle of the figure show that the extension here is along the longitudinal axis 5 is considerably larger than in a transverse plane 6 to the longitudinal axis 6.
  • the aluminum powder from process step a) was pressure-formed using an extrusion press.
  • a sleeve diameter of 50 mm was chosen and a wire of 1.0 mm was produced at a pressing force of 2.2 MN with a die with a diameter of 1.0 mm and a temperature of 330 degrees Celsius.
  • the aluminum oxide shell of the aluminum grit was shattered into aluminum particles and the aluminum composite material was created.
  • the wire produced in this way achieved an elongation at break of 15.4% and a tensile strength of 151 Pa.
  • pressure forming was also carried out with a sleeve diameter of 50 mm using a die of 0.8 mm and a slightly higher temperature of 360 degrees Celsius and the applied pressing force of 1.7 MN. A wire of 0.8 mm was obtained. Reference symbols used

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aluminiumkompositwerkstoff, aufweisend eine aluminiummetallische Phase 1 und eine aluminiumoxidische Phase 2, wobei die aluminiummetallische Phase 1 Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweist, wobei die aluminiumoxidische Phase 2 Aluminiumoxid-Partikel 21, diese aufweisend AI2O3, aufweist und wobei die Aluminiumoxid-Partikel 21 eine Stützstruktur ausbilden. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aluminiumkompositwerkstoffs.

Description

Aluminiumkompositwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Aluminiumkompositwerkstoff mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften und hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus dem Stand der Technik sind Aluminiumwerkstoffe aus Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie mit verschiedenen Zusätzen bekannt.
Insbesondere ist es bekannt, Aluminium zu Aluminiumblöcken zu gießen und hieraus beispielsweise Drähte zu ziehen oder Profile, beispielsweise als Strangpressprofile zu pressen. Reines Aluminium ist sehr weich und muss daher zur Erzielung der in der Regel gewünschten mechanischen Eigenschaften mit weiteren Stoffen wie insbesondere Silizium, Mangan oder Magnesium legiert werden. Nachteilig sind hierbei die hohen Kosten einiger Legierungselemente sowie die begrenzte Verfügbarkeit einiger der Legierungselemente sowie der kostenseitige und technische Aufwand für die Herstellung solcher Legierungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen aluminiumbasierten Werkstoff mit vorteilhaften mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufzuzeigen, der kostengünstig und unter Verzicht auf schwer verfügbare Legierungselemente herstellbar ist.
Die Aufgabe wird in Bezug auf den Aluminiumkompositwerkstoff durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale und in Bezug auf das Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs durch die in Patentanspruch 7 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Aluminiumkompositwerkstoff wird insbesondere durch eine aluminiummetallische Phase und eine aluminiumoxidische Phase gebildet. Das Zusammenwirken dieser beiden Phasen ist maßgeblich für die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoffs.
Die aluminiummetallische Phase wird vorzugsweise durch Aluminium ohne Zusätze von Legierungselementen gebildet. Bevorzugt handelt es sich um 99,5 % - Aluminium, nachfolgend auch Reinaluminium genannt. Solches Reinaluminium ist das marktüblich verfügbare Basismaterial für Aluminiumlegierungen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird als aluminiummetallische Phase ferner auch ein Aluminium mit einem höheren Anteil an Begleitelementen oder auch eine Aluminiumlegierung mit Legierungselementen wie beispielsweise Silizium, Magnesium, Mangan, Kuper und Zink verstanden.
Nachfolgend werden zur Vereinfachung sowohl ein Reinaluminium, ein Aluminium mit einem höheren Anteil an Begleitelementen als auch Aluminiumlegierung zusammengefasst als Aluminium bezeichnet, sofern nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Aluminiumkompositwerkstoff ist insbesondere durch eine aluminiumoxidische Phase gekennzeichnet.
Die aluminiumoxidische Phase wird erfindungsgemäß durch Aluminiumoxid-Partikel gebildet. Hierbei handelt es sich insbesondere um Partikel mit einem überwiegenden Anteil aus AI2O3.
Die Aluminiumoxid-Partikel sind nicht homogen über das Volumen des Aluminiumkompositwerkstoffs verteilt, sondern weisen Bereiche einer höheren Konzentration auf, die somit eine Stützstruktur ausbilden. Als Stützstruktur werden linienförmige oder vorzugsweise flächige Zonen verstanden, in denen eine höhere Konzentration an Aluminiumoxid-Partikeln vorliegt als in anderen Zonen. Die Aluminiumoxid-Partikel weisen eine hohe Festigkeit auf und sind in dem Metallgitter des Aluminiums eingebettet. Durch ihre bevorzugt im Mikrometerbereich liegende Größe schaffen sie Körper höherer Festigkeit in dem umgebenden Metallgitter, die einer Verformung entgegenwirken und so die Festigkeit des Aluminiumkorn positwerkstoffs gegenüber einem Aluminium ohne eine aluminiumoxidische Phase erhöhen. Dies wird zusätzlich unterstützt durch die relative Nähe der Aluminiumoxid-Partikel in den Bereichen höherer Konzentration zueinander. Hierdurch sind die Aluminiumoxid-Partikel als makroskopische Körper hoher Festigkeit in dem Aluminium, das insoweit ein Matrix-Material bildet, eingebaut. Die Aluminiumoxid- Partikel bilden somit keine geschlossenen Bereiche. Vielmehr durchdringt das Metallgitter des Aluminiums die Zwischenräume zwischen den Aluminiumpartikeln ohne festigkeitsnotwendige Gitterdefekte. Die Erhöhung der Festigkeit beruht damit vorteilhaft nicht primär auf einer Mischkristallverfestigung, sondern vor allem auf den mechanischen Eigenschaften der Aluminiumoxid-Partikel in ihrer gegenseitigen Abstützung.
Obwohl Aluminiumoxid eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, wird mit dem erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoff als besonderer Vorteil ein Werkstoff bereitgestellt, dessen Leitfähigkeit gegenüber dem Reinaluminium nur geringfügig reduziert ist. Es wurde gefunden dass sowohl durch das Belassen von Zonen mit geringer Konzentration von Aluminiumoxid-Partikeln als auch durch die Einbettung der Aluminiumoxid-Partikel in dem Metallgitter des Aluminiums im Bereich der Stützstrukturen die Metallgitterstruktur nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Somit weist der Aluminiumkompositwerkstoff bei gleichzeitig höher Festigkeit eine sehr hohe Leitfähigkeit auf, wie sie bei Aluminiumlegierungen vergleichbarer Festigkeit nicht erreicht wird. Der Aluminiumkompositwerkstoff eignet sich somit vorteilhaft insbesondere zur Bereitstellung von Leiterdrähten. Besonders bevorzugt können so bereitgestellte Leiterdrähte im Automotive- oder Luftfahrtbereich Verwendung finden, da sie neben den vorteilhaften elektrischen und mechanischen Eigenschaften auch ein geringes Gewicht aufweisen. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität ist deren Einsatz besonders vorteilhaft. Als weiterer Vorteil ist der Aluminiumkompositwerkstoff sowohl chemisch sehr stabil als auch sehr temperaturstabil. Auch bei Temperaturen von mehr als 300 Grad Celsius bleibt die Festigkeit im Wesentlichen erhalten.
Vorteilhaft ist auch die sehr einfache Herstellbarkeit, wobei hierzu auf die Beschreibungsinhalte zu dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwiesen wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass für die Herstellung keine teuren und teilweise nur sehr beschränkt verfügbaren Legierungselemente benötigt werden.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur als Flächenzonen ausgebildet ist, die als Wände Raumzonen umgeben, wobei die Flächenzonen einen höheren Masseanteil an Aluminiumoxid-Partikeln aufweisen als die Raumzonen.
Die Flächenzonen können hierbei ähnlich einer räumlichen Wabenstruktur in der Art von Wandungen ausgebildet sein. Die Flächen umgeben dabei vorzugsweise Bereiche, in denen in dem Aluminium keine oder lediglich in geringen Mengen Alu- miniumoxid-Partikel eingebettet sind. Flächenzonen und Raumzonen unterscheiden sich im Sinne dieser Weiterbildung definitionsgemäß dadurch, dass die Flächenzonen einen höheren Masseanteil an Aluminiumoxid-Partikeln aufweisen als die Raumzonen. Vorzugsweise beträgt der Masseanteil in den Flächenzonen mindestens das Zehnfache des Masseanteils in den Raumzonen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase einen Masseanteil von 0,1 % bis 3 % aufweist. Die Masseangabe gemäß dieser Weiterbildung bezieht sich auf die Gesamtmasse ohne eine Differenzierung nach Zonen höherer und geringerer Konzentration, wie beispielsweise Flächenzonen und Raumzonen.
Es wurde gefunden, dass bei einem solchen Masseanteil einerseits eine signifikante Erhöhung der Bruchdehnung und der Festigkeit erreicht werden kann, und andererseits die elektrische Leitfähigkeit gegenüber dem Aluminium oder Reinaluminium nur geringfügig reduziert ist.
Beispielsweise wurde bei einem mit dem erfindungsgemäße Aluminiumkomposit- werkstoff hergestellten Draht mit einem Durchmesser von ca. 1 mm eine Bruchdehnung von 15,4 % und eine Zugfestigkeit von 151 Pa erreicht. Als Ausgangsmaterial wurde hierbei Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,7% verwandt.
Als Vergleichswert liegt bei einem Draht dieses Durchmessers, ebenfalls auf der Basis von Aluminium von 99,7 % Reinheitsgrad, nach EN AW-1070A bei einem Werkstoffzustand H18 eine typische Bruchdehnung von 3 % und eine typische Zugfestigkeit von 125 Pa vor.
Nach einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerk- stoff dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase in den Flächenzonen einen Masseanteil von 10 % bis 90 % und in den Raumzonen einen Masseanteil von weniger als 1 % aufweist.
Vorteilhaft kann durch eine stark unterschiedliche Konzentration der Aluminium- oxid-Partikel in den Bereichsangaben gemäß dieser Weiterbildung ein geringer Masseanteil bezogen auf die Gesamtmasse erzielt und zugleich eine hohe Festigkeit und hohe elektrische Leitfähigkeit bereitgestellt werden.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Aluminiumkompo- sitwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass die Raumzonen eine raumdiagonale Erstreckung von 10 bis 500 Mikrometer aufweisen.
Die raumdiagonale Erstreckung ist als Bezeichnung für den jeweils größten Durchmesser der Raumzonen zu verstehen, um so deren Größe zu beschreiben. Es wurde gefunden, dass Raumzonen dieser Größe die hohe elektrische Leitfähigkeit besonders vorteilhaft unterstützen, ohne die erzielte Festigkeitserhöhung mittels der Stützstrukturen erheblich zu reduzieren. In einer besonderen Weiterbildung ist der Aluminiumkompositwerkstoff anisotropisch ausgebildet. Hierfür ist dieser insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Erstreckung der Raumzonen in einer Longitudinalachse mehr als das 1 ,5 fache der durchschnittlichen Erstreckung der Raumzonen in einer Querebene zu der Longitudinalachse aufweist. Die Longitudinalachse bezeichnet die Achse des Aluminiumkompositwerkstoffs, in der eine höhere Festigkeit vorliegt als in einer anderen Achse. Dies wird erreicht, indem die Raumzonen mit den sie umgebenden Flächenzonen eine größere Längserstreckung als Quererstreckung aufweisen. Die Anordnung der Stützstrukturen weist somit ebenfalls eine größere Längserstreckung als Quererstreckung auf. Dies bedeutet dass beispielsweise ein Leiterdraht in seiner Längsrichtung, die der Longitudinalachse entspricht, eine besonders hohe Zugfestigkeit aufweist, aber zugleich leicht zu biegen ist und bei einem Biegen nur eine geringe Bruchneigung aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aluminiumkompositwerkstoffs.
Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs weist die folgenden Verfahrensschritte auf: a) Herstellen eines Aluminiumgrießes, dieser aufweisend einen Aluminiummetallkörper und einen Aluminiumoxidmantel, mittels Versprühens, Verblasens, Ausrührens oder Verschütteis einer Aluminiumschmelze in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, b) Druckformen des Aluminiumgrießes, unter Zertrümmerung des Aluminiumoxidmantels zu Aluminiumoxidpartikeln unter Herstellung eines Stoffzusammenhalts zwischen den Aluminiummetallkörpern unter Einbettung der Aluminiumoxidpartikel zu dem Aluminium-Kompositwerkstoff. Die Beschreibungsinhalte zu dem erfindungsgemäßen Aluminiumkompositwerkstoff gelten für das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechender Weise unter Einbeziehung der nachfolgenden Aspekte.
In dem Verfahrensschritt a) erfolgt die Herstellung eines Aluminiumgrießes. Aluminiumgrieß sowie dessen Herstellung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt, so dass Aluminiumgrieß kostengünstig und marktüblich verfügbar ist. Als Aluminiumgrieß in Sinne des vorliegenden Verfahrens werden körnige Körper mit einer Größe von bevorzugt 0,3 bis 3 mm, nachfolgend auch als Grießkörper bezeichnet, verstanden. Sie weisen einen Aluminiummetallkörper auf, der von einem Aluminiumoxidmantel umschlossen ist. Der Aluminiummetallkörper stellt für den herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoff die aluminiummetallische Phase bereit. Aus dem Aluminiumoxidmantel werden die Aluminiumoxid-Partikel der aluminiumoxidischen Phase des herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoffs gebildet.
Zur Herstellung des Aluminiumgrießes wird zunächst flüssiges Aluminium bereitgestellt und dann zur Grießkörperbildung versprüht, Verblasen, verdüst, ausgerührt oder verschüttelt. Der Aluminiumgrieß kann unterschiedliche Formen und unterschiedlichen Größenfraktionen aufweisen. Die Formen und die Größenfraktionen der Körper beeinflussen die Eigenschaften des herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoffs und können bei der Herstellung des Aluminiumgrießes sowie gegebenenfalls durch Sieblinien bestimmt werden. Durch Verblasen oder Verdüsen werden eher nadelige Geometrien und durch Ausrühren und Verschütteln eher kugelige Geometrien der Grießkörper erhalten.
Der Verfahrensschritt a) ist ferner insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Grießkörperbildung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgt. Hierbei reagiert das Aluminium an der heißen Oberfläche mit dem Sauerstoff insbesondere zu AI2O3. Damit wird erfindungsgemäß der Aluminiumoxidmantel der Grießkörper des Aluminiumgrießes erzeugt. Insbesondere durch den Sauerstoffgehalt der bereitzustellenden sauerstoffhaltigen Atmosphäre lässt sich die Umsetzungsrate von Aluminium zu Aluminiumoxid und damit die Dicke des Aluminiumoxidmantel sowie im Ergebnis der Masseanteil der Aluminiumoxidpartikel in dem herzustellenden Aluminiumkompositwerkstoff vorteilhaft in einfacher Weise einstellen, so dass dessen Eigenschaften zielgerichtet beeinflusst werden können.
Als Aluminiumoxidmantel im Sinne der vorliegenden Erfindung wird es auch verstanden, sofern neben dem AI2O3 noch weitere Verbindungen oder Stoffe in dem Mantel enthalten sind. Dies kann beispielsweise auf Verunreinigungen beruhen. Hierfür können in vorteilhaften Weiterbildungen aber auch zielgerichtete Zumischungen in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre erfolgen.
In dem Verfahrensschritt b) wird der durch den Verfahrensschritt a) erhaltene Aluminiumgrieß mittels Druckumformens zu dem Aluminiumkompositwerkstoff umgebildet.
Infolge der bei dem Druckumformen auf den Aluminiumgrieß wirkenden Kräfte werden die Grießkörper gegeneinander gepresst und hierbei verformt. Während der Aluminiummetallkörper sich wegen seiner guten Fließfähigkeit plastisch formt, wird der Aluminiumoxidmantel aufgrund der geringen Duktilität des Aluminiumoxids aufgebrochen und zertrümmert, wobei die so entstehenden Fragmente des Aluminium- oxidmantels die Aluminiumoxid-Partikel bilden. Die Aluminiumoxidpartikel sind hierbei unregelmäßig geformt und verwerfen sich zudem infolge der Bewegungen bei dem Druckumformen. Somit bilden die Aluminiumoxid-Partikel keine geschlossene Ebene zwischen den aneinander angrenzenden Aluminiummetallkörpern der Grießkörper; vielmehr bestehen Durchtrittsstellen, in denen das Aluminium der Aluminiummetallkörper von aneinander angrenzenden Aluminiummetallkörpern direkt aufeinander trifft und dort unter Herstellung einer Gitterstruktur einen Stoffzusammenhalt ausbildet. Hierdurch werden die Aluminiumoxid-Partikel von dem Aluminium der Aluminiummetallkörper umschlossen. In den Zonen der ehemaligen Alumi- niumoxidmäntel liegt dabei eine höhere Konzentration und somit ein höherer Mas- seanteil an Aluminiumoxid-Partikeln vor als in den Zonen, die aus den Aluminiummetallkörpern hervorgegangen sind. Je stärker der Umformungsgrad und das Fließen des Material bei der Druckumformung ist, um so stärker weichen die Formen der Zonen einer hohen Konzentration von Aluminiumoxid-Partikeln von den Formen der Aluminiumoxid-Mäntel der vor der Druckumformung vorliegenden Grießkörper ab. Zudem liegt eine stärkere Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel in dem Aluminium als dem Matrixmaterial vor.
Als Druckumformen im Sinne dieses Verfahrensschritts werden alle Verfahren verstanden, die dem Oberbegriff des Druckumformens zuzuordnen sind, wie insbesondere das Durchdrücken, Gesenkschmieden und Walzen. Besonders bevorzugt liegt das Druckumformen als Durchdrücken in Form des Strangpressens, Fließpressens und Verjüngens vor.
Besonders vorteilhaft lässt sich durch das Verfahren ein Aluminiumkompositwerk- stoff erhalten, zu dessen Eigenschaften auf die Beschreibung zu dem Aluminium- kompositwerkstoff in den Ansprüchen 1 bis 6 Bezug genommen wird. Weiterhin besteht ein besonderer Vorteil des Verfahrens in dessen Einfachheit. Es wurde überraschend ein Verfahren gefunden, dass durch eine geringfügige Modifikation und eine Kombination an sich bestehender Verfahren bereitstellbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren zur Herstellung eines Alumini- umkompositwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a) ein Verfahrensschritt a1) durchgeführt wird, dass in dem Verfahrensschritt a1) ein Temperieren des Aluminiumgrießes auf eine Temperatur von 200 bis 500 Grad Celsius durchgeführt wird und dass der Verfahrensschritt b) mit dem gemäß Verfahrensschritt a1) temperierten Aluminiumgrieß durchgeführt wird.
Vorteilhaft wird durch das Temperieren die Druckumformung im Verfahrensschritt unterstützt, wobei zum einen die notwendige aufzuwendende Kraft verringert und die Herstellung des Stoffzusammenhalts zwischen den Aluminiummetallkörpern zur Ausbildung der aluminiummetallischen Phase verbessert wird. Besonders bevorzugt erfolgt das Temperieren auf 300 bis 400 Grad Celsius.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Verfahren zur Herstellung eines Alu- miniumkompositwerkstoffs dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt b) das Druckformen mittels Extrudierens durchgeführt wird.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
Fig. 1 Schliffbild in 300-facher Vergrößerung
Fig. 2 Schematische Schnittdarstellung mit Aluminiumoxid-Partikeln in Flächenzonen näher erläutert.
Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes des durch das Verfahren erhaltenen Aluminiumkompositwerkstoffs in 300-facher Vergrößerung. Zu erkennen ist hierbei die inhomogene Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel 21. Ferner ist die in diesem Ausführungsbeispiel anisotrope Ausbildung zu erkennen. Die Verteilung der Aluminiumoxid-Partikel 21 weist eine deutlich größere Erstreckung in einer hier zwischen links oben und rechts unten laufenden Longitudinalachse 5 auf.
Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels, bei dem eine hohe Konzentration von Aluminiumoxidpartikeln 21 in Flächenzonen 4 vorliegt, an die Raumzonen 3 angrenzen, die durch den Verfahrensschritt b) aus den Aluminiummetallkörper der Grießkörper des Aluminiumgrießes hervorge- gangen sind. Der Schnitt verläuft hierzu horizontal zu den Flächenzonen 4. Die Flächenzonen 4 sind teilweise miteinander verbunden und umschließen so räumlich die Raumzonen 3. Ferner ist durch die Pfeile am Beispiel einer Raumzone 3 in der Mitte der Figur dargestellt, dass die Erstreckung hier entlang der Longitudinalachse 5 erheblich größer ist als in einer Querebene 6 zu der Longitudinalachse 6.
In einem nicht durch Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wurde im Verfahrensschritt a) der Aluminiumgrieß auf der Basis eines Reinaluminiums mit einem Reinheitsgrad von 99,7 % hergestellt. Hierbei erfolgte die Erzeugung des Aluminiumgrießes in Luftatmosphäre, so dass der Aluminiumoxidmantel durch den Kontakt mit dem Luftsauerstoff in natürlichen Sauerstoffkonzentration gebildet wurde. Der so in dem Verfahrensschritt a) erzeugte Aluminiumgrieß weist eine Korngröße von 75 bis 125 Mikrometer auf.
Weiterhin wurde im Verfahrensschritt b) der Aluminiumgrieß aus dem Verfahrensschritt a) mittels einer Strangpresse druckgeformt. Es wurde ein Hülsendurchmesser von 50 mm gewählt und bei einer Presskraft von 2,2 MN mit einer Matrize im Durchmesser von 1 ,0 mm und einer Temperatur von 330 Grad Celsium ein Draht von 1 ,0 mm erzeugt. Durch die Druckformung wurde der Aluminiumoxidmantel des Aluminiumgrießes in Aluminiumpartikel zertrümmert und der Aluminiumkomposit- werkstoff erzeugt. Bei dem so erzeugten Draht wurde eine Bruchdehnung von 15,4 % und eine Zugfestigkeit von 151 Pa erreicht.
In einer alternativen Ausführung des Verfahrensschritts b) wurde ebenfalls bei einem Hülsendurchmesser von 50 mm eine Druckformung durch eine Matrize von 0,8 mm und einer etwas höheren Temperatur von 360 Grad Celsius und der hierbei beaufschlagten Presskraft von 1,7 MN durchgeführt. Hierbei wurde ein Draht von 0,8 mm erhalten. Verwendete Bezugszeichen
1 aluminiummetallische Phase
2 aluminiumoxidische Phase
21 Aluminiumoxid-Partikel
3 Raumzonen
4 Flächenzonen
5 Longitudinalachse
6 Querebene

Claims

Patentansprüche
1. Aluminiumkompositwerkstoff, aufweisend eine aluminiummetallische Phase 1 und eine aluminiumoxidische Phase 2, wobei die aluminiummetallische Phase 1 Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweist, wobei die aluminiumoxidische Phase 2 Aluminiumoxid-Partikel 21 , aufweisend AI2O3 aufweist, wobei die Aluminiumoxid-Partikel 21 eine Stützstruktur ausbilden.
2. Aluminiumkompositwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur als Flächenzonen 4 ausgebildet ist, die als Wände Raumzonen 3 umgeben, wobei die Flächenzonen 4 einen höheren Masseanteil an Aluminiumoxid-Partikeln 21 aufweisen als die Raumzonen 3.
3. Aluminiumkompositwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase 2 einen Masseanteil von 0,1 % bis 3 % aufweist.
4. Aluminiumkompositwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aluminiumoxidische Phase 2 in den Flächenzonen einen Masseanteil von 10 % bis 90 % und in den Raumzonen 4 einen Masseanteil von weniger als 1 % aufweist.
5. Aluminiumkompositwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumzonen 2 eine raumdiagonale Erstreckung von 10 bis 500 Mikrometer aufweisen. Aluminiumkompositwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumkompositwerkstoff anisotropisch ausgebildet ist, und dass die durchschnittliche Erstreckung der Raumzonen 3 in einer Logi- tudinalachse 5 mehr als das 1 ,5 fache der durchschnittlichen Erstreckung der Raumzonen 3 in einer Querebene 6 zu der Longitudinalachse 5 aufweist. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Herstellen eines Aluminiumgrießes, dieser aufweisend einen Aluminiummetallkörper und einen Aluminiumoxidmantel, mittels Versprühens, Verblasens, Ausrührens oder Verschütteis einer Aluminiumschmelze in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, b) Druckformen des Aluminiumgrießes, unter Zertrümmerung des Aluminiumoxidmantels zu Alumini- umoxidpartikeln, unter Herstellung eines Stoffzusammenhalts zwischen den Aluminiummetallkörpern, unter Einbettung der Aluminiumoxidpartikel, zu dem Aluminium-Kompositwerkstoff. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt a) ein Verfahrensschritt a1) durchgeführt wird, dass in dem Verfahrensschritt a1) ein Temperieren des Aluminiumgrießes auf eine Temperatur von 200 bis 500 Grad Celsius durchgeführt wird dass der Verfahrensschritt b) mit dem gemäß Verfahrensschritt a1 ) temperierten Aluminiumgrieß durchgeführt wird. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumkompositwerkstoffs nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verfahrensschritt b) das Druckformen mittels Extrudierens durchgeführt wird.
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