DE10013406A1 - Verbundwerkstoff zur Herstellung von Formköpern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff zur Herstellung von Formkörpern aus mindestens zwei Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichen materialspezifischen Eigenschaften. Der Verbundwerkstoff besteht aus einer ersten und zweiten Funktionskomponente, die eine erste positive Netzstruktur und eine zweite dazu negative Netzstruktur ausbilden. Der Verbundwerkstoff ist durch Durchlässe in Gestalt von Poren durch kugelförmig ausgebildete Funktionselemente und durch weitere Durchlässe in den Zwischenräumen zwischen den Außenseiten der kugelförmigen Funktionselemente gekennzeichnet. Die erste positive Netzstruktur bildet mit der zweiten negativen Netzstruktur ein Durchdringungsgefüge mit der jeweils anderen Netzstruktur.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff zur Herstellung von Formkörpern aus mindestens zwei Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichen materialspezifischen Eigen­ schaften mit den Merkmalen der in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Bei der Herstellung von Bauteilen im Leichtbau ist es Stand der Technik beispielsweise in der Gießtechnik dünnwandige Bauteile herzustellen, in die dann ein Kern zur Gewichtsreduzierung eingesetzt wird, sodass trotz der Dünnwandigkeit der Bauteile hoch feste Bauteile aus Verbundwerkstoff mit minimalem Gewicht hergestellt werden können. Zur Füllung des Hohlraumprofils der dünnwandiger Bauteile sind verschiedene Verfahren bekannt. Aus der DE 195 01 508 C1 ist es vorbekannt, Kerne aus Aluminiumschaum in das Hohlraumprofil des Bauteils einzubringen und dort zu belassen. Dazu wird vorgeformtes Aluminiumschaummaterial verwendet. Der Aluminiumschaum besteht aus einer Mischung von Aluminiumpulver mit einem Treibmittel. Diese Pulvermischung wird in eine Form entsprechend der Kernkontur eingebracht und auf etwa 800°C erhitzt. Bei diesen hohen Temperaturen setzt das Treibmittel eingeschlossenes Gas aus, sodass es ähnlich wie beim Polyurethanschaum wirksam ist und das Aluminiumpulver aufschäumt. Gleichzeitig werden Aluminiumkörner zusammengebacken, sodass eine schaumige Masse die Kontur der Kernform ausfüllt. Die schaumige Masse weist eine geschlossene Porosität auf. Der in dem dünnwandigen Bauteil verbleibende Kern aus aufgeschäumtem Aluminium ist druckfest und weist ein geringes Gewicht auf.

Aus der EP 0 300 543 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen oder keramischen im wesentlichen kugelförmigen Hohlkörpern mit dichter oder mikroporöser Schale hoher Festigkeit vorbekannt. Zur Herstellung dieser metallischen oder keramischen Hohlkugeln wird eine Feststoffschicht auf ein im wesentlichen kugelförmiges Teilchen aus­ geschäumtem Polymer aufgebracht. Die Teilchen aus geschäumtem Polymer, beispielsweise expandiertes Polystyrol, werden unter Bewegung mit einer wässrigen Suspension behandelt, wobei die wässrige Suspension ein gelöstes oder suspendiertes Bindemittel und metallische und/oder keramische Pulverteile enthält. Die beschichteten kugelförmigen Teilchen werden getrocknet und dann anschließend bei einer Temperatur von 400-500°C unter Bewegung einer Wärmebehandlung zum Zwecke des Pyrolysierens unterzogen. Dabei werden die per Erwärmung flüchtigen Teilchen aus geschäumtem Polymer entfernt und auch ein Großteil der in der Regel organischen Bindemittel bis auf einen Restbinderanteil zersetzt, wobei der Restbinder für den Zusammenhalt der pulverförmigen Teilchen aus Metall oder Keramik in der ursprünglichen Gestalt der kugelförmigen Teilchen sorgt. Anschließend werden die beschichteten und pyrolysierten Hüllschichten bei Temperaturen von 1000-1500°C gesintert und so kugelförmige Teilchen erhalten die beispielsweise als Füllung für einen Formkörper dienen.

Durch den Gegenstand der EP 119 913 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von porösen Hohlkörpern vorbekannt. Dazu wird ein kugelförmiger Trägerstoff beispielsweise aus thermoplastischen Polymer mit Metallpulverteilen oder Keramikpulverteilen und Bindemitteln mit einer Hüllschicht überzogen. Die beschichteten Trägerstoffe werden mit ihrer Hüllschicht zu einem Formkörper kalt verdichtet und der erhaltene Formkörper wird dann einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei zunächst die Bindemittel bis auf Binde­ mittelreste und danach der Trägerstoff durch die zwischen den Metallpulverteilen oder Keramikpulverteilen gebildeten Poren flüchtig werden. Danach wird der Formkörper einem Sinterprozeß unterworfen und damit der End- bzw. Fertigzustand des Formkörpers aus porösen Hohlkugeln erzeugt. Der Auftrag der Hüllschicht auf den kugelförmigen Trägerstoff erfolgt beispielsweise mit einer wässrigen Lösung oder Suspension, in der die Bindemittel und die metallischen oder keramischen Pulverteile vermischt enthalten sind und werden nach dem Auftrag der Hüllschicht getrocknet und dann der Kaltverformung zu einem Formkörper zugeführt.

Aus der DE 32 10 770 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer insbesondere kugelförmiger Leichtkörper und zur Herstellung von Formkörpern mit Einschluß solcher kugelförmiger Leichtkörper bekannt. Die metallischen kugelförmigen Leichtkörper dienen als Füllmaterial zur Bildung von Formkörpern mit geschlossenen oder offenporigen Hohlräumen und insbesondere zur Bildung leichter Form-körper aus metallischem Grundmaterial. Die metallischen kugelförmigen Leichtkörper werden dadurch hergestellt, dass man marktgängiges Kunststoffgranulat insbesondere Polystyrol-Schaumstoff-Granulat metallisiert. Dieses Schaumstoffgranulat kann zunächst stromlos mit einem dünnen Metallfilm beschichtet werden, der anschließend entweder in speziellen stromlos arbeitenden Metallisierungsbädern oder nach den üblichen galvanischen Verfahren weiter verstärkt wird.

Die DE 32 10 770 zeigt auch die Herstellung eines Formkörpers mit zahlreichen miteinander kommunizierenden kugelförmigen Leichtkörpern. In einem durch den Formkörper geleiteten Bad wird die gesamte freie Oberfläche des Kunststoffgranulats mit einem Metallfilm überzogen, während die Kontaktstellen der dicht gepackten etwa kugel­ förmigen Granulatteilchen unbeschichtet bleiben. Es entsteht nach dem Pyrolysieren ein Formkörper von miteinander kommunizierenden Hohlräumen einerseits und Metallfilmen andererseits. Die miteinander kommunizierenden Hohlräume dienen dazu, eine intensive Konvektion in dem oder durch den Formkörper zu erzielen und die Metallfilme gewährleisten eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der DE 32 10 770 zeigt kugelförmige Leichtkörper, die in einem Formkörper mit einem Grundmaterial umgossen sind. Das Grundmaterial kann aus gießfähigen oder schütt-fähigen Stoffen bestehen, die eine Verbindung mit den kugelförmigen Leichtkörpern einzugehen imstande sind. Die kugelförmigen Leichtkörper aus Metall können auch als Füllstoff in säurefesten Sinterwerkstoffen wie Glas, Kohle und Metalloxyden eingebaut werden. Sie werden nach dem Vorsintern aufgrund der mikroporösen Struktur des Sinter-werkstoffes mit Säure herausgelöst, es entstehen damit leichte Sinterkörper von hoher Festigkeit. Bei der Anwendung in Kunstkohle können die kugelförmigen Leichtkörper auch im Sinterwerkstoff verbleiben und dienen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitiger Dichteerniedrigung. Die kugelförmigen Trägerstoffe aus einem Kunststoffgranulat werden nach Bildung des Metallmantels ganz oder teilweise zum Verschwinden gebracht, was durch Erhitzen bis zur Zersetzung des Grundstoffes erfolgt. Der vorangehend geschilderte Stand der Technik soweit er Formkörper mit gesinterten Hohlkugelelementen umfasst, beschreibt Verbundwerkstoffe, die insbesondere bei Bauteilen der Leichtbautechnik oder auch bei der Filtertechnik Anwendung finden. Die beschriebenen Verbundwerkstoffe beziehen sich jeweils auf Spezialfälle und zeigen Einzelanwendungen auf. Die Herstellung der beschriebenen Verbundwerkstoffe ist zersplittert und läßt eine einfache und gezielte Verwendung für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle von Formkörpern bezüglich ihrer materialspezifischen Eigenschaften nur höchst zeit- und arbeitsaufwendig zu.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen, kostengünstigen und für die Massenfertigung geeigneten Verbundwerkstoff zur Herstellung von Formkörpern mit gezielt einstellbaren thermopysikalischen und mechanischen Eigenschaften zu schaffen, der insbesondere einen breiten Bereich der Anwendung und dabei eine weitgehende Veränderung der materialspezifischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes zuläßt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der Verbundwerkstoff nach der Erfindung für den jeweiligen Formkörper aus einer ersten und einer zweiten Funktionskomponente aus mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgestatteten Werkstoffen besteht. Die erste Funktionskomponente besteht aus miteinander konstant verbundenen Funktionselementen, wobei die Funktionselemente aus einer Hohlkugel bestehen, die überall auf der Hüllschicht verteilte Poren besitzt, diese als Hohlkugel ausgebildeten Funktionselemente sind mit einander in einem Formkörper versintert und bilden damit eine erste positive Netzstruktur der ersten Funktionskomponente aus. Diese erste positive Netzstruktur besitzt aufgrund der als Durchlässe wirkenden Poren in den Hüllschichten der Funktionselemente in deren Innenhohlräume ein die ganze positive Netzstruktur und damit die erste Funktionskomponente durchziehendes Netzwerk von Porenöffnungen. Gleichzeitig besitzt die erste positive Netzstruktur noch weitere den gesamten Verbundwerkstoff bzw. die Netzstruktur durchziehende dreidimensionale Durchlässe, die aus den Zwischenräumen zwischen den Aussenseiten der Hüllschichten der Funktionselemente bestehen. Die zweite Funktionskomponente des Verbundwerkstoffes wird dadurch gebildet, dass der Werkstoff der zweiten Funktionskomponente in geschmolzenem Zustand in die Innenhohlräume der Funktionselemente und gleichzeitig in die Zwischenräume zwischen den Hüllschichten der Funktionselemente infitriert wird. Nach der Infiltrierung erstarrt der flüssige Werkstoff der zweiten Funktionskomponente und bildet damit eine negative und spiegelbildliche zweite dreidimensionale Netzstruktur aus.

Das heißt, dass die jeweils aus einem eigenen durchgängigen dreidimensionalen Netzwerk bestehende erste positive Netzstruktur und die dazu spiegelbildliche zweite negative Netz­ struktur infolge der Poren in den Funktionselementen und den Zwischenräumen zwischen den zusammengesinterten Funktionselementen zusammen ein Durchdringungsgefüge mit der jeweils anderen Netzstruktur ausbilden. Dadurch entsteht eine der wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung dadurch, dass durch das mechanische Durch­ dringungsgefüge der beiden Funktionskomponenten aus unterschiedlichem Material inner­ halb des Verbundwerkstoffes eine Kombination der unterschiedlichen und zum Teil gegen­ sätzlich ausgewählten materialspezifischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe der ersten und zweiten Netzstruktur entsteht.

Der Werkstoff der ersten Funktionskomponente zur Bildung der ersten Netzstruktur wird so ausgewählt, dass der Werkstoff der ersten Funktionskomponente beim Infiltrieren durch den flüssigen Werkstoff der zweiten Funktionskomponente einen weit höheren Schmelzpunkt besitzt, sodass beim Infiltrieren des flüssigen Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente in die erste Netzstruktur der Werkstoff der ersten Funktionskomponente völlig starr bleibt und auch nicht in den Bereich der Erweichung aufgrund der Schmelztemperatur des Werkstoffs der zweiten Funktionskomponente gelangt. Dadurch ergibt sich ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes. Dadurch, dass die Dimensionierung der Formgestalt der völlig starren ersten Netzstruktur und auch eine Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten völlig starren Netzstruktur der ersten Funktionskomponente jeweils die Formgestalt und die aus der Formgestalt resultierenden Eigenschaften der zweiten Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente exakt bestimmt und definiert festschreibt. Dass die erste Funktionskomponente aus den miteinander innerhalb des Verbundwerkstoffes des Formkörpers starr verbundenen und kugelförmig ausgebildeten Funktionselementen aufgrund ihrer geometrischen Anordnung und ihrer materialspezifischen Eigenschaften in Form der Auswahl des Werkstoffes beispielsweise den Werkstoffparameter thermischer Ausdehnungskoifizient definiert festlegt, wird anschließend durch Auswahl des Werkstoffes der zweiten Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente mit Hilfe der Durchdringung der zweiten Netzstruktur durch Infiltrieren des flüssigen Werkstoffes in die erste Netzstruktur beispielsweise der Parameter Wärmeleitfähigkeit des damit aus diesen beiden ausgewählten Werkstoffen für die erste und zweite Netzstruktur entstandenen Formkörpers bestimmt, womit dargelegt ist, dass durch das mechanische Durchdringungsgefüge zweier unterschiedlicher Werkstoffe mit frei auswählbaren Eigenschaften, die unterschiedliche und zum Teil gegensätzlich ausgewählte materialspezifische Eigenschaften besitzen, eine Kombination der Eigenschaften des Verbundwerkstoffes mit dem thermischen Ausdehnungskoifizient des Werkstoffs der ersten Netzstruktur mit der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs der zweiten Netzstruktur mit dem so geschaffenen Verbundwerkstoff jederzeit erzielt werden kann.

Es ist ganz offensichtlich, dass es einfach und kostengünstig ist, durch eine Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur, wie Hohlkugelgröße, Hüll­ schichtdicke, Hüllschichtdurchmesser, Ausführung und Anzahl der Poren, der Größe und Güte der Kontakte zwischen den Funktionselementen und der freien Auswahl des für den jeweiligen Anwendungsfall gewünschten Werkstoffes, womit jeweils die Formgestalt und damit die resultierenden Eigenschaften der zweiten Netzstruktur und damit insgesamt die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes festgelegt werden, durch diese einfache Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Formstruktur eine ganze Skala von Ver­ bundwerkstoffen zu schaffen, die unterschiedlichsten Eigenschaften je nach Wahl und Dimensionierung der beiden Funktionskomponenten der Werbundwerkstoffe aufweisen. Damit wird es durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff mit den beiden Funktions­ komponenten möglich, einen universel einsetzbaren Verbundwerkstoff zu schaffen, der mit minimalem Aufwand systematisch einen weiten Werkstoffanwendungsbereich durch geringe Variationen seiner Zusammensetzung abzudecken vermag.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Der Verbundwerkstoff nach der Erfindung besteht aus wenigstens zwei Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichen materialspezifischen Eigenschaften des einzelnen Werkstoffs. Der Werkstoff der ersten Funktionskomponente besteht dabei aus einem Metallmaterial und/oder Keramikmaterial. Es können auch Legierungen von zwei oder mehreren Metall­ werkstoffen oder Legierungen von zwei oder mehreren Keramikmerkstoffen verwendet werden. Der Werkstoff der zweiten Funktionskomponente besteht aus Metall und/oder aus Legierungen von zwei oder mehreren Metallen. Aus dem Werkstoff für die erste Funktions­ komponente des Verbundwerkstoffes werden zunächst Funktionselemente erzeugt. Funktionselemente werden dadurch hergestellt, dass auf kugelförmig ausgebildete bei Er­ wärmung flüchtige Trägerstoffe wenigstens eine Hüllschicht aus Metallpulverteilen und/oder Keramikpulverteilen zusammen mit Bindemitteln aufgebracht werden. Als Träger­ stoff für die Funktionselemente werden als Kugeln ausgebildete Styrol-Trägerstoffe, Styropor-Trägerstoffe oder aus jedem anderen bei Erwärmung flüchtigen Trägermaterial hergestellte Kugeln verwendet. Die Bindemittel bestehen in der Regel aus einem oder mehreren organischen Bindern. Bindemittel und Metall- und/oder Keramikpulverteile werden zusammen beispielsweise in einer Flüssigkeit vermischt in Form einer Lösung oder einer Suspension auf die kugelförmigen Trägerstoffe aufgebracht. Die auf die kugelförmigen Trägerstoffe aufgebrachte Hüllschicht wird zusammen mit dem Bindemittel zunächst getrocknet und durch Verfüllung in eine Form zu einem Formkörper verarbeitet. Die Hüllschicht auf dem Trägerstoff ist dabei in ihrer Dicke variierbar, indem entweder mehrere einzelne Hüllschichten übereinander aufgebracht werden oder konstant durch längeren Auftrag eine einzige dicke Hüllschicht erzeugt wird. Da die Hüllschicht aus Metall­ pulverteilen oder Keramikpulverteilen erzeugt wird, weist die auf dem Trägerstoff aufgebrachte Hüllschicht stets überall auf der Hüllschicht verteilte Porenöffnungen auf. Als Beschichtungsmittel zum Aufbringen von Bindemitteln und Metall- und/oder Keramik­ pulverteilen wird beispielsweise eine Flüssigkeit aus Wasser, Alkohol oder dergleichen ver­ wendet.

Nach dem Trocknen der kugelförmigen Funktionselementgrünlinge und ihrer Ausformung beispielsweise unter Druck in einer Form werden auf diese Weise entstandenen Formkörper anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Während der Zeitdauer des Sintervorganges werden mit steigender Erwärmung zuerst das Bindemittel bis auf Bindemittelreste und danach der Trägerstoff flüchtig, wobei der Trägerstoff durch die poröse Hüllschicht der Funktionselemente in Kugelform entweicht. Während der Sinterung des Formkörpers werden die Funktionselemente auch untereinander miteinander versintert. Dabei werden die bereits während der Formgebung der kugelförmigen Funktionselemente zu einem Formkörper hergestellten Punkt- und teilweise auch Flächenkontakte dahingehend verstärkt, dass durch die stärkere Versinterung der aneinander liegenden Funktionselemente größere Kräfte durch den dadurch gebildeten Formkörper übertragen werden können. Wobei die Größe und die Güte der Sinterkontakte zwischen den kugelförmigen Funktionselementen durch die Art der Sinterung, die Größe bzw. den Durchmesser der Funktionselemente und durch eine eventuelle Druckausübung bei der Herstellung des Formkörpers aus den kugelförmigen Funktionselementen veränderbar ausführbar ist. Jedes auf die geschilderte Weise hergestellte kugelförmige Funktionselement weist also nach dem Sintern durch Flüchtigwerden des Trägerstoffes während der Erwärmung und durch die Verwendung von Metallpulverteilen sowohl einen Innenhohlraum auf wie auch zu dem Innenhohlraum jeweils führende über die gesamte Hüllschicht verteilte Poren auf. Die Porendurchmesser werden durch die Wahl der ent­ sprechend groß ausgewählten Metallpulverteile oder auch Keramikpulverteile pro kugel­ förmigen Funktionselement groß gehalten, um die später noch geschilderte Durchdringung durch den zweiten Werkstoff der zweiten Funktionskomponente in den Innenhohlraum der Funktionselemente zu ermöglichen. Es ist dabei für den Durchmesser jeder Pore ein Mindestdurchmesser in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Werk­ stoffes der zweiten Funktionskomponente insbesondere ihre Fließeigenschaften einzuhalten, der nicht unterschritten werden darf.

Der geschilderte Aufbau eines Formkörpers aus miteinander versinterten kugelförmigen Funktionselementen, die jeweils in ihren Hüllschichten Poren aufweisen und durch das Ver­ sintern konstant miteinander verbunden sind, stellt eine erste positive Netzstruktur der ersten Funktionskomponente des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes dar. Diese erste positive Netzstruktur der ersten Verbundkomponente wird von zwei Arten von Durchlässen durchzogen, die sich durch den gesamten Verbundwerkstoff und die gesamte erste Struktur ziehen. Die eine Art der Durchlässe sind die als Durchlässe wirkenden Poren in den Hüllschichten der kugelförmigen Funktionselemente, die jeweils in die Innenräume aller Funktionselemente in dem Formkörper führen. Die andere Art der Durchlässe besteht aus die erste Netzstruktur des Verbundwerkstoffes dreidimensional und vollständig durchziehenden Durchlässen zwischen den Funktionselementen in Gestalt der Zwischen­ räume zwischen den Außenseiten der Hüllschichten der Funktionselemente. Die zweite Funktionskomponente des Verbundwerkstoffes nach der Erfindung entsteht durch In­ filtieren des Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente in geschmolzenem Zustand in die Innenräume aller Funktionselemente und in die Zwischenräume zwischen den Hüll­ schichten der miteinander versinterten Funktionselemente. Dort erstarrt die Schmelze des Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente und bildet in erstarrtem Zustand spiegel­ bildlich zu der ersten Netzstruktur die zweite negative und dreidimensionale Netzstruktur aus.

In Folge der vorhandenen Durchlässe durch die Poren in die Innenhohlräume der Funktionselemente und durch die Zwischenräume zwischen den Außenseiten der Hüllschicht der Funktionselemente in der ersten Netzstruktur bilden die jeweils aus einem eigenen durchgängigen dreidimensionalen Netzwerk bestehende erste positive Netzstruktur und die zweite spiegelbildlich negative Netzstruktur zusammen ein Durchdringungsgefüge mit der jeweils anderen Netzstruktur aus. Dieses geschilderte mechanische Durchdringungsgefüge läßt eine Kombination der unterschiedlichen und zum Teil bewußt gegensätzlich ausgewählten materialspezifischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe der ersten und zweiten Netzstruktur der ersten und zweiten Funktionskomponente entstehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff werden also nicht nur teilweise oder stellenweise mit unterschiedlichen materialspezifischen Eigenschaften ausgestattete Werkstoffe verbunden, sondern der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist systematisch und vollständig von den zwei unterschiedlichen Netzstrukturen in all seinen Bereichen aufgebaut. Der Werkstoff der ersten Funktionskomponente wird dabei derart gewählt, dass der Werkstoff der ersten Funktionskomponente bei der Schmelztemperatur des Werkstoffes der zweiten Funktions­ komponente des Verbundwerkstoffes völlig starr verbleibt, das heißt, die Funktionselemente der ersten Netzstruktur bleiben in ihrer räumlichen Position unverändert. Dadurch entsteht die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verbundwerk­ stoffes, dass die Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur die Formgestalt und die aus der Formgestalt resultierenden Eigenschaften der zweiten Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente definiert festlegt. Diese Feststellung gilt auch für die Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur der ersten Funktionskomponente, sodass bei jeder Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur wiederum die Formgestalt und die aus der Formgestalt resultierenden materialspezifischen Eigenschaften der zweiten Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente erneut entsprechend den vorgenommenen Änderungsbeträgen der Dimensionierung bestimmt und festgelegt werden. Die Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur der ersten Funktionskomponente erfolgt durch die Änderung der Parameter der Funktionselemente, wie zum Beispiel durch die Änderung des Durchmessers der als Hohlkugel ausgebildeten Funktionselemente, der Hüllschichtdicke, der Anzahl der Poren in der Hüllschicht, des Porendurchmessers, der Größenausdehnung und der Güte der Sinterkontakte und selbstverständlich durch eine entsprechende Änderung der Zusammensetzung der Materialauswahl der ersten Funktionskomponente oder eine Änderung der Materialauswahl an sich sowohl für die erste Netzstruktur wie auch für die zweite Netzstruktur führt selbstverständlich ebenfalls zu Änderungen der materialspezifischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes in Gestalt eines Formkörpers.

Durch die geschilderte Dimensionierung der ersten Netzstruktur der ersten Funktionskomponente und durch die jeweilige unterschiedliche Auswahl mit zumindest teilweise entgegengesetzten materialspezifischen Eigenschaften des Werkstoffes für die erste Netzstruktur und des Werkstoffes für die zweite Netzstruktur lassen sich auf einfachem, kostengünstigem und systematisiertem Wege Formkörper aus Verbundwerkstoff herstellen, die gezielt einstellbare und eben auch kombinierbare thermophysikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Anschließend soll dafür ein Beispiel gegeben werden, das die Kombination von hoher Wärmeleitfähigkeit und von geringer thermischer Ausdehnung eines nach der Erfindung hergestellten Verbundwerkstoffes aufzeigt. Die erste Netzstruktur in Gestalt der kugelförmigen Funktionselemente der ersten Funktionskomponente übernimmt die Funktion, die zu einer niedrigen Wärmeausdehnung des Verbundwerkstoffes führt. Die zweite Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente übernimmt die Aufgabe, eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes zu erreichen, was beispielsweise durch die Wahl des Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente in Form einer Al-Legierung und/oder Cu-Legierung in Gestalt einer infiltierten Metallschmelze erfolgen kann. Dazu werden die kugelförmig ausgebildeten Funktionselemente der ersten Netzstruktur aus Refraktärmetallen wie beispielsweise Molybdän, Wolfram und deren Legierungen hergestellt. Die erzeugten Formkörper können sowohl aus einer Monolage von Funktionselementen oder auch aus einem mehrlagigem Aufbau von Funktionselementen hergestellt sein. Die Wärmeausdehnung des aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff hergestellten Formkörpers wird gezielt dadurch gesteuert, dass die Anzahl der Poren der Hüllschichten der Funktionselemente und der Porendurchmesser für den flüssigen Werkstoff der zweiten Funktionskomponente und die Größe der Zwischenräume zwischen den Außenseiten der Hüllschichten der Funktionselemente festgelegt wird. Darüber hinaus werden auch durch die Änderung der Durchmesser der als Hohlkugel ausgebildeten Funktionselemente die Größe der Durchlässe durch die erste Netzstruktur gesteuert und ferner wird die Güte und die Größenausdehnung der Sinterkontakte zwischen den Funktionselementen eingestellt. Durch Infiltration dieses Formkörpers mit dem Werkstoff der zweiten Funktionskomponente beispeilsweise in Gestalt von flüssigem Kupfer oder Aluminium wird in dem Verbundwerkstoff eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit neben einer geringen Wärmeausdehnung gezielt eingestellt und festgelegt.

Erst das erfindungswesentliche kombinatiorische Zusammenwirken der Merkmale den Verbundwerkstoff aus zwei Funktionskomponenten zusammenzusetzen, von denen die erste Funktionskomponente aus überall auf der Hüllschicht verteilten Poren von kugelförmigen Funktionselementen zusammengefügt ist, ferner das kombinatorische Zusammenwirken der fest miteinander verbundenen Funktionselemente zur Ausbildung einer positiven Netzstruktur, die wiederum aufgrund der Durchlässe auf den gesamten Außenseiten der Hüllschichten aller Funktionselemente und der Zwischenräume zwischen den Außenseiten der Hüllschichten der Funktionselemente sich durchgängig eine zweite negative und spiegelbildliche Netzstruktur ausbilden kann, diese Merkmale führen dazu, dass die erste positive Netzstruktur mit der spiegelbildlichen zweiten Netzstruktur zusammen ein Durchdringungsgefüge bilden und dadurch eine Kombination der unterschiedlichen und zum Teil gegensätzlichen materialspezifischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe entsteht, sodass nur durch diese erfindungsgemäße Kombination der erfindungsgemäßen Merkmale ein universell einsetzbarer Verbundwerkstoff entsteht der systematisch einen breiten Bereich der Werkstoffanwendung für die unterschiedlichsten Voraussetzungen und Verwendungen erfüllt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff lassen sich auch mechanische Eigenschaften, wie Dämpfung, Steifigkeit, Biegefestigkeit und Verschleißbeständigkeit, ver­ bessern. Dazu werden die kugelförmigen Funktionselemente beispielsweise aus einer Eisenlegierung, Wolframlegierung, Molybdänlegierung, Nickellegierung und/oder Werk­ stoffen auf der Basis von oxydischen, nitridischen und carbidischen Hartstoffen mit einem hohen Elastizitätsmodul oder hohem Verschleißwiderstand hergestellt. In Veränderung der Formgestalt der Funktionselemente in Form der Parameter Durchmesser der als Hohlkugel ausgebildeten Funktionselemente, Hüllschichtdicke, Anzahl der Poren in der Hüllschicht, Porendurchmesser, Größenordnung und Güte der Sinterkontakte beeinflussen die Bauteil­ eigenschaften des aus Verbundwerkstoff hergestellten Formkörpers und können spezifisch eingestellt werden, wie bereits erwähnt beispielsweise die Steifigkeit, Dämpfung und/oder der Verschleiß. Die noch fehlenden geplanten Bauteileigenschaften des Verbundwerkstoffes werden dann durch das Vergießen des in flüssigem Zustand befind­ lichen Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente erzeugt, wobei beispielsweise für die Eigenschaften der zweiten Funktionskomponente Magnesium, Aluminium, Kupfer, Titan, Zink, Eisen und/oder die jeweiligen Legierungen der vorstehenden Metalle Verwen­ dung finden.

Die vorstehend aufgezeigte Flexibilität und Variationsbreite des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes bzw. des daraus hergestellten Formkörpers ermöglicht auch eine parzielle Bauteilverstärkung beispielsweise bei Gußteilen. Das heißt, ein entsprechendes Gußbauteil wird nicht vollständig mit einem aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerk­ stoff hergestellten Formkörper gefüllt, sondern der Formkörper wird nur an den erforder­ lichen Stellen, also ortsabhängig beispielsweise für eine Versteifung positioniert. Dadurch wird das Gußbauteil durch einen Werkstoffverbund charakterisiert, der aus einem monolitischen und dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff besteht.

Eine weitere wesentliche Veränderung der materialspezifischen Eigenschaften über den Querschnitt von Strukturen und Bauteilen in dreidimensionaler Form kann durch den Auf­ bau von gradierten Formkörpern erreicht werden. Darunter ist die gezielte Anordnung von kugelförmig ausgeführten Funktionselementen mit unterschiedlichen Eigenschaften in dem Herstellungsprozeß des Formkörpers zu verstehen, das heißt durch lagespezifische und ortsveränderliche Anordnung zusammen mit einer Änderung der Parameter der Funktions­ elemente. Entsprechend den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalls wird mit Hilfe von unterschiedlich ausgeführten Eigenschaften der Funktionselemente wie beispielsweise der Durchmesser der Hohlkugeln, der Dicke der Hüllschicht, der Anzahl der Poren, der Porendurchmesser und der Größenordnung und Güte der Sinterkontakte an den Funktionselementen die Eigenschaft der kugelförmigen Funktionselemente der ersten Netzstruktur gradiert verändert und es entsteht dadurch ein gradierter Formkörper durch einen gradiert aufgebauten Verbundwerkstoff. Die Infiltration des Formkörpers mit der Metallschmelze der zweiten Funktionskomponente führt zur Herstellung eines gradierten Werkstoffes, der durch ortsveränderliche Eigenschaften charakterisiert ist. Damit lassen sich durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff Formkörperbauteile herstellen, die orts­ abhängig zum Teil konträre Eigenschaften aufweisen, wie hohe Verschleißbeständigkeit an einer Oberfläche kombiniert mit guter Wärmeleitfähigkeit beispielsweise an der gegenüber liegenden Oberfläche.

Claims (17)

1. Verbundwerkstoff zur Herstellung von Formkörpern aus mindestens zwei Werk­ stoffen mit jeweils unterschiedlichen materialspezifischen Eigenschaften des einzelnen Werkstoffes, wobei Funktionselemente erzeugt werden, indem auf kugelförmige bei Erwärmung flüchtige Trägerstoffe wenigstens eine Hüllschicht mit einem zumindest aus Bindemitteln und Metall- und/oder Keramikpulverteilen bestehenden Beschichtungsmittel aufgebracht werden, worauf die kugelförmigen Funktionselemente getrocknet und durch Verfüllung in eine Form ein Formkörper aufgebaut wird, wobei anschließend der Formkörper einer Wärmebehandlung zur Verflüchtigung der Trägerstoffe der Funktionselemente und zur Sinterung des Formkörpers mit den Funktionselementen und der Funktionselemente untereinander unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund­ werkstoff für den jeweiligen Formkörper aus einer ersten und einer zweiten Funktionskomponente aus jeweils unterschiedlichen Werkstoffen zusammengesetzt ist, dass jedes einzelne Funktionselement mit überall auf der Hüllschicht verteilten Poren versehen ist, dass die erste Funktionskomponente aus den miteinander konstant verbundenen Funktionselementen besteht und damit eine erste positive Netzstruktur ausbildet, dass die erste positive Netzstruktur neben den als Durchlässe wirkenden Poren der Hüllschicht in die Innenhohlräume der Funktionselemente weitere den gesamten Verbundwerkstoff dreidimensional und vollständig durchziehende Durchlässe zwischen den Funktionselementen in Gestalt der Zwischenräume zwischen den Aussenseiten der Hüllschichten der Funktionselemente aufweist, dass der Werkstoff der zweiten Funktionskomponente die erste positive Netzstruktur durchdringt und dass dadurch eine zweite negative Netzstruktur entsteht.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funktionskomponente aus den miteinander innerhalb des Verbundwerkstoffes des Formkörpers starr verbundenen und kugelförmig ausgebildeten Funktionselementen besteht und damit die erste positive und dreidimensionale Netzstruktur ausbildet.

3. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die zweite Funktionskomponente durch Infiltrieren des Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente in geschmolzenem Zustand in die Innenhohlräumen aller Funktionselemente und in alle Zwischenräume zwischen den Hüllschichten der Funktionselemente in Form der zweiten negativen und spiegelbildlichen dreidimensionalen Netzstruktur durch Erstarren des Werkstoffes ausgebildet wird.

4. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die jeweils aus einem eigenen durchgängigen dreidimensionalen Netzstruktur bestehende erste positive Netzstruktur und die zweite spiegelbildlich negative Netzstruktur zusammen ein Durchdringungsgefüge mit der jeweils anderen Netzstruktur ausbilden und dass durch das mechanische Durchdringungsgefüge eine Kombination der unterschiedlichen und zum Teil gegensätzlichen materialspezifischen Eigenschaften der beiden Werkstoffe der ersten und zweiten Netzstruktur der ersten und zweiten Funktionskomponente entsteht.

5. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur und dass die Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur der ersten Funktionskomponente jeweils die Formgestalt und die aus der Formgestalt resultierenden Eigenschaften der zweiten Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente bestimmt und festlegt.

6. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Werkstoff der ersten Funktionskomponente derart gewählt wird, dass der Werkstoff der ersten Funktionskomponente bei der Schmelztemperatur des Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente des Verbundwerkstoffes völlig starr bleibt.

7. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Porendurchmesser in der Hüllschicht aus Metall- und/oder Keramikpulverteilen pro kugelförmigem Funktionselement groß gehalten werden.

8. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei dem Durchmesser jeder Pore ein Mindestdurchmesser in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes der zweiten Funktionskomponente nicht unterschritten wird.

9. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass als Beschichtungsmittel zum Aufbringen von Bindemitteln und Metall- und/oder Keramikpulverteilen eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser, Alkohol oder dergleichen Verwendung findet.

10. Verfahren nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Bindemittel aus einem oder mehreren organischen Bindern be­ stehen.

11. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerstoff für das Funktionselement aus als Kugeln ausgebildeten Styrol, Styropor oder aus jedem anderen bei Erwärmung flüchtigen Trägermaterial besteht.

12. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der ersten Funktionskomponente aus einem Metall- und/oder Keramikmaterial und/oder aus Legierungen von zwei oder mehreren Metall- und/oder Keramikwerkstoffen besteht.

13. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der zweiten Funktionskomponente aus Metall und/oder aus Legierungen von zwei oder mehreren Metallen besteht.

14. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper aus dem Verbundwerkstoff als dreidimensional ausgebildeter Teil eines Gußbauteils ortsabhängig zur Veränderung der Eigenschaften des Gußbauteils in das Gußbauteil eingefügt werden.

15. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Dimensionierung der Formgestalt der ersten Netzstruktur der ersten Funktionskomponente durch die Änderung der Para­ meter der Funktionselemente, wie zum Beispiel Durchmesser der als Hohlkugel aus­ gebildeten Funktionselemente, Hüllschichtdicke, Anzahl der Poren in der Hüllschicht, Porendurchmesser, Größenausdehnung und Güte der Sinterkontakte und/oder Materialauswahl erfolgt.

16. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die lagespezifische und ortsveränderliche Anordnung zusammen mit einer Änderung der Parameter der Funktionselemente entsprechend den Erfordernissen des jeweiligen Anwendungsfalles mit Hilfe von unterschiedlich ausgeführten Eigenschaften der Funktionselemente der ersten Netzstruktur gradierte Formkörper durch einen gradiert aufgebauten Verbundwerkstoff ausgebildet werden.

17. Verbundwerkstoff nach einem oder mehrerer Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass einerseits die erste positive Netzstruktur der ersten Funktionskomponente aufgrund ihrer geometrischen Anordnung und ihrer material­ spezifischen Eigenschaften die Parameter thermischer Ausdehnungskoifizient und/oder Steifigkeit und anderseits die zweite negative Netzstruktur der zweiten Funktionskomponente durch ihr Material die Parameter Wärmeleitfähigkeit und/oder Zähigkeit des Verbundwerkstoffes für den Formkörper zusammen mit der ersten Netzstruktur in ihrer Gewichtung und Dimensionierung festlegt.