Entwicklung dämpfender Sinterwerkstoffe und Untersuchung ihrer akustischen Eigenschaften

Abstract

Die moderne Technik zielt in den meisten Bereichen darauf ab, das alltägliche Leben für den Menschen praktikabler und komfortabler zu gestallten. Ein Aspekt, der bei der Entwicklung neuer Produkte und Materialien häufig vernachlässigt wird, ist das Problem von unerwünschtem Lärm und Schwingungen.<br />Diese sind nicht nur verantwortlich für eine Beeinträchtigung der Erholung, Gesundheit und Umwelt, sondern wirken sich auch nachteilig auf die Lebensdauer von Bauteilen aus.<br />In den vergangenen Jahren wurde die Pulvermetallurgie (PM) zur führenden Technologie in der Herstellung hochbeanspruchter Serienteile mit komplexer Geometrie und strengen Anforderungen an die Genauigkeit.<br />Das Vorhaben dieser Arbeit war es, einen Vorteil aus den PM-spezifischen Gefügetypen und den entsprechenden Materialeigenschaften zu ziehen und damit eine Reduktion der Geräuschemissionen zu erzielen.<br />Zuallererst war der Erwerb von Fachwissen über das Verhalten und die Fortpflanzung von Vibrationen und die Entwicklung geeigneter Messmethoden notwendig.<br />Darauf basierend wurden Experimente zur Herstellung und Untersuchung von Sinterstählen mit verbesserten Dämpfungseigenschaften durchgeführt.<br />Mittels experimenteller Modalanalyse wurden Eisenbasis-Proben einfacher Geometrie untersucht und analysiert.<br />Das akustische Verhalten dieser pulvermetallurgischen Proben wurde mit Proben gleicher Dimensionen aus gängigen Konstruktionsmaterialien verglichen. Dabei hat sich gezeigt, dass pulvermetallurgische Proben gegenüber den Vergleichsmaterialien eine bessere Dämpfung aufweisen.<br />Um den Einfluss der Materialdämpfung zu untersuchen, wurden Serien zweier Legierungen, die erhöhtes Dämpfungsvermögen aufweisen, hergestellt. Diese Legierungen bedienen sich zweier unterschiedlicher Mechanismen, um die Dämpfung zu erhöhen: Fe-Cr-Mo der Magnetostriktion und Fe-Mn der martensitischen Phasenumwandlung.<br />Bei der Messung der akustischen Eigenschaften erzielten diese Legierungen die höchsten Dämpfungswerte unter allen gemessenen Stählen.<br />Die Herstellung und Zusammensetzung dieser Legierungen wurde über einen weiten Bereich variiert und das Dämpfungsverhalten untersucht.<br />Dadurch konnten die Legierungszusammensetzungen aufgefunden werden, bei denen die Dämpfung ein Maximum erreicht.<br />Zusätzlich wurden Einflussgrößen wie Oberflächenbearbeitung, Infiltration und Wärmebehandlung studiert.<br />Unterstützend wurde das finit-element Simulationsprogramm ANSYS 8.1 eingesetzt, um den Verlauf von Resonanzüberhöhungen und Materialdämpfung bei sich ändernden Probenmerkmalen zu zeigen.<br />Durch die Simulation wurden einerseits Auswertung und Planung der praktischen Versuche unterstützt, als auch andererseits Beobachtungen im akustischen Verhalten auf Modellebene nachvollzogen.<br />Insgesamt zeigte sich, dass bei gesinterten Eisenbasiswerkstoffen durch optimale Kombination von Matrixmaterial und Porosität interessante Dämpfungseigenschaften erzielt werden können.<br />

Modern technology aims in most of its regions to improve the practicability and comfort of everyday life. One aspect that is often neglected in the development of new products and materials is the problem of udesirable noise and vibration.<br />These phenomena are not only responsible for a disturbance of recreation, health and environment, but also have negative effect on the durability of components.<br />In recent years Powder Metallurgy (PM) became the leading technology for the large scale production of highly stressed parts with complex geometry and strict requirements on accuracy.<br />The intention of this work was to take advantage of the PM-specific structure and resulting material properties and benefit in form of a reduction of noise emission.<br />First of all the aquisition of knowledge on the behavior and propagation of vibrations and the development of appropriate measurement methods was essential. Based on this, the research and development of sintered steels with improved damping properties took place.<br />Using experimental modal analysis, iron based specimens of simple geometry were investigated and analysed.<br />The acoustical behavior of these powder metallurgical specimens was compared with specimens of identical dimensions made from standard engineering materials. Theese examinations showed that powder metallurgical specimens exhibit an increased damping to compareable materials.<br />To investigate the influence of material damping, series of two special alloys were prepared that show increased damping capacity. These alloys make use of two different effects to increase damping: Fe-Cr-Mo usues magnetostriction and Fe-Mn martensitic phase transformation. By measuring the acoustic behavior it was shown that these alloys achieved the highest damping values among all measured steels.<br />The production and compostion of these alloys was varied in a wide range and the damping behavior was investigated. Thus the composition of alloying elements at which damping achieves a maximum could be identified.<br />In addition, factors such as surface treatment and machining, infiltration and heat treatment were studied.<br />As a support the finite element simulation programm ANSYS 8.1 was applied to show the progression of eigenvalue peaks and material damping with changing specimen characteristics.<br />On the one hand simulation assisted analysis and design of practical experiment, on the other hand observations on the acoustical behavior were comprehended on mathematical model.<br />Conclusively it can be stated that in sintered ferrous materials, attractive damping behavior can be attained by suitable combination of matrix material and porosity.