DE10135358A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Metall-Kermaik-Verbundwerkstoff und umfasst folgende Shritte: DOLLAR A - Einbringen eines keramischen Rohmaterials in mindestens einen Formeinsatz, der sich außerhalb eines Gießwerkzeuges befindet, DOLLAR A - Verfestigen des keramischen Rohmaterials in mindestens einem Formeinsatz zu einer Preform, DOLLAR A - Einsetzen des mindestens einen Formeinsatzes in das Gießwerkzeug, DOLLAR A - Infiltration der Preform mit flüssigem Gießmetall unter erhöhtem Druck, DOLLAR A - Entformen des Bauteils.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach dem Oberbegriff der Patentanspruchs 1.
• Aus der DE 197 50 599 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs bekannt, wobei eine poröse keramische Preform in ein Druckgießwerkzeug eingelegt und im Druckgießverfahren mit flüssigem Aluminium infiltriert wird. In diesem Verfahren muss jedoch in aufwendiger Weise die keramische Preform hergestellt, bearbeitet und in ein Druckgießwerkzeug eingelegt werden. Hierbei kann es zu Biegespannungen in der Preform kommen, wenn die geometrische Anpassung zwischen dem Druckgießwerkzeug und der Preform unzureichend ist. Diese Biegespannungen können bei der Infiltration der Preform während des Druckgießvorgangs zum Bruch der Preform und zum Ausschuss des Bauteils führen.
• Die EP 739 668 A2 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das lokal durch ein Metall-Keramik- Verbundwerkstoff verstärkt ist. Auch hier wird eine poröse Preform in ein Gießwerkzeug eingelegt und mit flüssigem Metall infiltriert. Dieses Verfahren weist die selben, bereits erwähnten Nachteile auf, da die Preformen durch Biegespannungen während der Infiltration leicht zerstört werden können.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art bereitzustellen, wodurch die Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs vereinfacht wird und die Prozesssicherheit erhöht wird.
• Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Das Verfähren nach Patentanspruch 1 umfaßt folgende Schritte:
  
• - Ein keramisches Rohmaterial wird in einen Formeinsatz eingebracht. Der Formeinsatz befindet sich dabei außerhalb eines Gießwerkzeuges. Als Formeinsatz wird hierbei ein zumeist metallisches Formteil - das gegebenenfalls keramische Verstärkungen und/oder Beschichtungen enthalten kann - bezeichnet. Der Formeinsatz bildet in einem Gießwerkzeug im geschlossenen Zustand einen Formhohlraum, in dem das Bauteil durch gießen abgebildet wird. Unter einem Gießwerkzeug wird ein Werkzeug verstanden, das in der Regel zweiteilig ausgestaltet ist und jeweils einen Rahmen einen Gießlauf und mindestens einen Formeinsatz umfasst. Das erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Formeinsatz dem Gießwerkzeug innerhalb von Taktzeiten eines Gießprozesses mit geringem Aufwand entnehmbar ist.
• - Das keramische Rohmaterial wird im Formeinsatz unter Beibehaltung einer offenen Porosität verfestigt. Hierbei wird unter keramischen Rohmaterial keramische Verbindungen, die vorzugsweise in Pulverform vorliegen, verstanden. Das keramische Rohmaterial kann zur verbesserten Verfestigung organische und/oder anorganische Bindemittel enthalten. Bevorzugt hat das keramische Rohmaterial eine trockene Konsistenz, kann aber auch einen Flüssigkeitsanteil bis zu 50% aufweisen. Flüssigkeitsanteil und/oder Bindemittel werden dem Rohmaterial bevorzugt vor dem Gießen entzogen, was wiederum bevorzugt durch eine Wärmebehandlung erfolgt. Das verfestigte Rohmaterial wird als Preform bezeichnet.
• - Der Formeinsatz mit der Preform wird in das Gießwerkzeug eingesetzt. Das Gießwerkzeug besteht bevorzugt aus zwei Teilwerkzeugen, die zum Gießen in der Gießmaschine geschlossen werden, zum entformen eines Bauteils wird das Gießwerkzeug geöffnet. Jedes Teilwerkzeug kann einen oder mehrere Formeinsätze enthalten, in denen sich eine oder mehrere Preformen befinden können. Mehrere separate Preformen in verschiedenen Formeinsätzen und Teilwerkzeugen können bei bestimmten Bauteilbeschaffenheiten zweckmäßig sein.
• - Das Gießwerkzeug wird unter erhöhtem Druck mit einem flüssigen Gießmetall befüllt. Dabei infiltriert das Gießmetall die Preform, die eine offene Porosität aufweist. Die infiltrierte Preform wird als Metall-Keramik- Verbundwerkstoff bezeichnet.
• - Nach der Infiltration wird das Gießwerkzeug geöffnet und ein Bauteil, das zumindest teilweise aus dem Verbundwerkstoff besteht, wird entformt. Der Formeinsatz wird dem Gießwerkzeug entnommen und erneut mit keramischen Rohmaterial befüllt. Vorzugsweise stehen mehrere Formeinsätze zur Verfügung, um die Taktzeit zu verkürzen.
• Die Verfestigung des keramischen Rohmaterials kann unter Verwendung eines Pressstempels erfolgen. Hierzu wird der befüllte Formeinsatz unter einer Presse angeordnet. Diese Verfestigungsmethode erfordert einen geringen Aufwand bezüglich Investitionsgüter und ist deshalb besonders kostengünstig (Anspruch 2).
• Der Pressstempel kann an seiner Oberflächen Konturen enthalten, die die gewünschte Geometrie der entstehenden Preformoberfläche abbildet. So können eine Vielzahl von Geometrieanforderungen der Preform erfüllt werden (Anspruch 3).
• Eine weitere vorteilhafte Methode zur Verfestigung des keramischen Rohpulvers besteht in der Verwendung eines gasförmigen Druckmediums. Derartige Verfahren werden üblicherweise beim Kernschießen von Gießereikernen angewendet.
• Dem Rohpulver werden hierbei zur besseren Verfestigung die beim Kernschießen üblichen Bindemittel zugesetzt. Die Verfestigung erfolgt hierbei bei der Befüllung des Formeinsatzes mit Rohmaterial. Es wird ein Verfahrensschritt eingespart, was sich günstig auf die Prozesskosten auswirkt (Anspruch 4).
• Zur Herstellung eines metallischen Bauteils ist es zweckmäßig, dieses lokal mit dem Verbundwerkstoff zu verstärken. Hierzu wird der Formeinsatz teilweise mit der Preform versehen. Die Bereiche des Formhohlraums, die im geschlossenen Zustand des Gießwerkzeugs preformfrei sind, werden durch das Gießmetall ausgefüllt, die Bereiche, die mit der Preform versehen sind, werden als Verbundwerkstoff dargestellt. Die lokale Verstärkung des Bauteils ist vor allen an tribologisch oder mechanisch belasteten Bauteilbereichen vorteilhaft (Anspruch 5).
• Viele Bauteile enthalten Hohlräume, die nicht durch die Oberflächengestaltung der Formeinsätze oder durch Schieberelemente des Gießwerkzeuges dargestellt werden können. In diesen Fällen ist es zweckmäßig, Gießkerne einzusetzen. Die Gießkerne können auch teilweise durch die Preform umschlossen sein. Der oder die Kerne werden nach dem Gießen als sogenannte verlorene Kerne aus dem Bauteil entfernt, nachdem ihre Struktur zerstört wurde. So bleibt ein von außen zugänglicher Hohlraum im Bauteil bestehen (Anspruch 6).
• Besonders geeignet für die Verwendung von hohen Drücken sind Salzkerne. Derartige Kerne bieten eine hohe Festigkeit und eine dichte Oberfläche, die durch das flüssige Metall nicht infiltriert wird.
• Erfindungsgemäße Bauteile bestehen bevorzugt aus Metallen, die im Druckguss oder im Squeeze-Casting vergossen werden können, insbesondere Magnesium oder Aluminium oder Legierungen dieser Metalle. Der Verbundwerkstoff ist demnach bevorzugt ein Aluminium- oder Magnesium-Keramik-Verbundwerkstoff (Anspruch 8).
• Als keramische Pulver eignen sich besonders gut oxidische, karbidische oder silikatische Keramiken, wie Titanoxid, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Titancarbid, Borcarbid, Aluminiumsilikate, Spinelle oder Mischungen hieraus (Anspruch 9).
• Typische Bauteile, die durch das erfindungsgemäße Verfahren in zweckmäßiger Weise dargestellt werden sind Bremsscheiben, Kühlkörper und Bauteile von Verbrennungsmotoren, wie Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe, Lagerstühle, Getriebegehäuse oder mechanische Lader.
• In den folgenden Beispielen wird das erfindungsgemäße Verfahren in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen beschrieben.
• Es zeigen:
• Fig. 1 schematisch die einzelnen Verfahrensschritte nach Beispiel 1 und
• Fig. 2 einen Formeinsatz, gefüllt mit keramischen Rohmaterial und einem Salzkern nach Beispiel 2.
Beispiel 1
• Ein Formeinsatz 1 mit einer Hohlraumstruktur 2 wird durch eine Befüllvorrichtung 3 mit keramischen Rohmaterial 4 (Titandioxid) befüllt (Fig. 1a). Anschließend wird das Rohmaterial 4, das sich in der Hohlraumstruktur 2 des Formeinsatzes 1 befindet mit einem Pressstempel 5 verdichtet (Fig. 1b). Der Pressstempel 5 weist eine Struktur 7 auf, die nach dem Verdichten in eine Preform 11 abgebildet wird. Die Struktur 7 des Pressstempels 5 ist erforderlich, wenn die Preform 11 eine strukturierte Oberfläche aufweisen muss.
• Der Formeinsatz 2, der die Preform 11 enthält, wir nun in ein Teilgießwerkzeugen 8 eingesetzt. Ein weiteres Teilgießwerkzeug 9 enthält ebenfalls einen Formeinsatz 12, der gegebenenfalls eine weitere Preform enthält. Beide Teilgießwerkzeuge 8 und 9 sind an einer nicht näher dargestellten Gießmaschine befestigt (Fig. 1c).
• Die Teilgießwerkzeuge 8 und 9 werden durch die Gießmaschine zusammengefahren und somit geschlossen. Strukturen 2 der Formeinsätze 1 und 12 bilden im geschlossen Zustand einen Formhohlraum 13. Durch einen Gießlauf 10 wird flüssiges Aluminium 15 (Legierung AlSi12Cu3) als Gießmetall unter Druck (800 bar) in den Formhohlraum 13 gefüllt. Das flüssige Aluminium füllt freie Volumina des Formhohlraums 13 und infiltriert Poren der Preform 4, wodurch ein Metall-Keramik- Verbundwerkstoff 19 gebildet wird (Fig. 1d).
• Die beiden Teilgießwerkzeuge 8 und 9 werden durch die Gießmaschine geöffnet und ein Bauteil 17 entformt (Fig. 1e). Das Bauteil 17 enthält in Teilbereichen erstarrtes Gießmetall 15 und eine lokale Verstärkung durch den Verbundwerkstoff 19. Anschließend kann der Formeinsatz 1 wieder dem Teilgießwerkzeug 8 entnommen werden und ein weiteres Bauteil analog dem vorgenannten Verfahren hergestellt werden.
Beispiel 2
• Das Verfahren nach Beispiel 2 erfolgt analog dem Beispiel 1, der Formeinsatz 2 enthält jedoch einen Salzkern 21, der eine geschlossene Oberfläche aufweist. Im Gegensatz zur Preform 11 wird der Salzkern 21 nicht durch das Aluminium infiltriert.
• Nach dem Verfahren analog dem Beispiel 1 wird der Salzkern 21 aus dem Bauteil 17 durch Wasser herausgelöst. Die Konstruktion des Bauteils ist dabei so ausgelegt, dass der Salzkern teilweise an einer Oberfläche des Bauteils 17 frei liegt und durch das Wasser erreicht werden kann.
Beispiel 3
• Analog den Beispielen 1 oder 2 wird jedoch das keramische Rohmaterial mit einem Bindemittel auf Polyethylenbasis versetzt. Das Bindemittel führt zu einer besseren Verdichtung. Das Bindemittel wird jedoch in einem zusätzlichen Prozessschritt vor dem Gießen bei einer Temperatur von 250°C unter Luft ausgebrannt. Dieser Prozessschritt erfolgt in einem gasbeheizten Tunnelofen.
Beispiel 4
• Analog dem Beispiel 1, 2 oder 3, das keramische Rohmaterial wird jedoch durch eine Kernschießmaschine in den Formeinsatz geschossen und somit verdichtet.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Metall- Keramik-Verbundwerkstoff, umfassend folgende Schritte:

- Einbringen eines keramisches Rohmaterials in mindestens einen Formeinsatz, der sich außerhalb eines Gießwerkzeuges befindet,

- verfestigen des keramischen Rohmaterials in dem mindestens einem Formeinsatz zu einer Preform,

- einsetzen des mindestens einen Formeinsatzes in das Gießwerkzeug,

- Infiltration der Preform mit flüssigem Gießmetall unter erhöhtem Druck,

- entformen des Bauteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Rohmaterial mit einem Pressstempel in dem mindestens einem Formeinsatz verfestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Pressstempel Konturen in die Oberfläche der Preform eingebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Rohmaterial durch ein gasförmiges Druckmedium in dem mindestens einen Formeinsatz verfestigt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform den Formeinsatz mindestens teilweise ausfüllt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass preformfreie Bereiche des Formeinsatzes mindestens teilweise durch einen oder mehrer Gießkerne ausgefüllt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießkern aus Salzen hergestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gießmetall aus Aluminium, Magnesium oder Legierungen hieraus besteht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Rohpulver aus oxidischen, karbidischen oder silikatischen Keramiken besteht.