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Wirtschafts- und Betriebswissenschaften

Reinhard FRITZ (2013)

QM Junior

" Oxidstabilisierte nanokristalline Metalle " (Masterarbeit)


Oxidstabilisierte, nanokristalline Metalle entstehen durch die Konsolidierung und Hochdrucktorsionsverformung (HPT) von pulverförmigen Ausgangsmaterialien. Dabei wird die natürliche Oxidschicht auf der Oberfläche der Pulverkörner als Zweitphase genutzt, um die Matrix des nanokristallinen Materials zu stabilisieren. Im HPT-Prozess werden die spröden Oxide durch die hohen Umformgrade aufgebrochen und verbleiben als Partikel in der Größenordnung weniger Nanometer an der Korngrenze. Dadurch können Korngrenzen festgehalten werden und die Materialien erreichen exzellente Festigkeiten bei geringer Duktilität sowie eine gute thermische Stabilität.

Es besteht nun die Idee, durch einen Glühvorgang die Oxidteilchen in das Korninnere zu bringen. Dadurch wird angenommen, dass eine noch höhere Festigkeit und eine verbesserte Duktilität erzielt werden kann. Ein Problem bei der Verarbeitung sowie beim Einsatz von pulverkonsolidierten und oxidstabilisierten Metallen besteht in der Bildung von Poren und Rissen durch unvollständige Kompaktierung oder durch den Glühvorgang nach der Verformung. Verantwortlich dafür kann Feuchtigkeit an der Pulveroberfläche sein, die durch Lagerung des Ausgangspulvers in Luftatmosphäre entsteht.

Ziel der Arbeit war es, Prozessschritte und Prozesse zu evaluieren, die Riss- beziehungsweise Porenbildung verhindern können und das bestmögliche Ergebnis liefern. Dazu wurde ein Versuchsplan aufgestellt und eine statistische Versuchsplanung mit Hilfe einer vollfaktoriellen Versuchsreihe durchgeführt. Es wurden verschiedene Prozessschritte mit Nickelpulver mit natürlicher Oxidschicht durchgeführt und deren Ergebnisse aufgezeichnet und miteinander verglichen. Das Pulver wurde vakuumgeglüht, in Vakuum und bei erhöhten Temperaturen verpresst sowie bei erhöhten Temperaturen in der HPT-Anlage umgeformt. Anschließend wurden die Proben unter Druck geglüht. Mit Hilfe des Qualitätsmanagementansatzes der vollfaktoriellen Versuchsplanung konnte eine geschickte Kombination der Versuche ausgewählt werden, die nun nur mehr zu einer geringen Restporosität führt. Das Ergebnis der Untersuchungen zeigt, dass ein Vakuumglühen des Pulvers mit anschließender HPT-Umformung sowie darauf folgender Druckglühung in der HPT-Anlage die Proben mit geringster Porosität liefert. Um die Prozessoptimierung nicht nur für Nickelpulver anwenden zu können, wurde Aluminiumpulver mit natürlicher Oxidschicht sowie Nickelpulver mit künstlich erzeugter, dickerer Oxidschicht ebenso auf dessen thermische Stabilität geprüft. Die Versuche zeigen, dass die Porenbildung zu höheren Temperaturen verschoben werden konnte. Des Weiteren konnte der starke Härteabfall bei höheren Glühtemperaturen verringert werden.

 


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