DE102006051200A1

DE102006051200A1 - Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102006051200A1
Application number: DE200610051200
Authority: DE
Inventors: Gert Lindemann; Matthias Leonhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-08
Also published as: RU2009120387A; EP2086707A1; US20100009163A1; WO2008052834A1; JP2010508153A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, aufweisend die folgenden Schritte: a) Herstellen eines keramischen Vorkörpers durch Sintern unter Verwendung eines Ausgangspulvers, das keramische Partikel mit einem Aspektverhältnis von 1-10 sowie einen enthält, dergestalt, dass er erhaltene Vorkörper eine poröse Struktur mit Porendurchmessern von 0,5-10 µm sowie einer Gesamtporosität von 15-60% aufweist (Sinterschritt) sowie b) Einbringen einer Metallschmelze aus einem Reinmetall oder einer Legierung in den so hergestellten keramischen Vorkörper mit poröser Struktur (Infiltrationsschritt).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Bremssättel und andere hochbelastete Bauteile, insbesondere im Fahrzeugbau, werden häufig aus Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG) hergestellt. Hierbei werden die Anforderungen an die Steifigkeit des Bauteils durch den relativ hohen E-Modul von GGG erfüllt (
= 170 GPa). Nachteilig wirkt sich jedoch die hohe Dichte von Gusseisen aus, die zu Bauteilen mit großer Masse führt.
Demgegenüber werden derzeit Leichtbauteile für die genannten Anwendungsfelder z.B. aus der Aluminiumlegierung AISi7Mg mit einer Dichte von lediglich 2,6 g/cm³ hergestellt. Als nachteilig stellt sich allerdings bei diesem Material der geringe E-Modul der Aluminiumlegierung dar (E_Alsi7Mg = 72 GPa). Der niedrige E-Modul des Werkstoffes erzwingt, dass die besonders beanspruchten Bereiche der Bauteile für die genannten Anwendungsfelder – so z.B. die Brücke bei Bremssätteln – von größerer Dicke gefertigt werden muss. Diesen Möglichkeiten zur Realisierung einer ausreichenden Steifigkeit sind häufig allerdings durch die baulichen Gegebenheiten enge Grenzen gesetzt.
Durch eine lokale Versteifung der besonders beanspruchten Bereiche der genannten Bauteile mit einem Material höheren E-Moduls kann die Baugröße verringert werden, was eine Erhöhung der Designfreiheit zur besseren Ausnutzung des beschränkten Bauraumes zur Folge hat.
Im Zusammenhang mit Bremssätteln ist z.B. aus der WO 2004018718 ein Insert aus gewobenen, kontinuierlichen Al₂O₃-Fasern bekannt, das mittels Gasdruck mit AlCu₂ infiltriert und mit einer Ni/Ag Beschichtung versehen wird. Anschließend wird das Insert aus Verbundwerkstoff in einer Gussform im Brückenbereich positioniert und mittels Press-Guss (Squeeze Casting) der aus einer Aluminiumlegierung bestehende Bremssattel gegossen.
Die US 6719104 offenbart die lokale Verstärkung von Leichtbaubremssätteln mittels Inserts aus kontinuierlichen Al₂O₃-Fasern, Stahl oder Molybdän.
Die US 5433300 offenbart die lokale Verstärkung von Leichtbaubremssätteln durch Inserts, die mittels einem „lost foam"-Prozess hergestellt wurden (Negativabformung von Polyurethan-Schäumen).
All diese Verfahren sind sehr aufwändig und verursachen daher hohe Kosten.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur lokalen Versteifung oder Verstärkung von Leichtbauteilen mittels Inserts bereit zu stellen, das weniger aufwändig ist als die genannten Verfahren und überdies eine bessere Verbindung zwischen dem Insert und dem Leichtbauteil gewährleistet. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Demgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Herstellen eines keramischen Vorkörpers durch Sintern unter Verwendung eines Ausgangspulvers, das keramische Partikel mit einem Aspektverhältnis von 1–10 enthält, dergestalt, dass der erhaltene Vorköper eine poröse Struktur mit Porendurchmessern von 0,5–10 μm sowie einer Gesamtporosität von 15–60% aufweist (Sinterschritt); und
b) Einbringen einer Metallschmelze aus einem Reinmetall oder einer Legierung, bevorzugt Leichtmetall, in den so hergestellten keramischen Vorkörper mit poröser Struktur (Infiltrationsschritt).

Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Metallschmelze um eine Leichtmetall-Legierung, insbesondere eine Al-Legierung, handelt. Besonders bevorzugt sind aushärtbare Al-Legierungen wie z.B. AlSi7Mg. Bei den keramischen Partikeln handelt es sich bevorzugt um Oxide, wie z.B. Al₂O₃, TiO₂, Carbide, wie z.B. SiC, oder Nitride, wie z.B. Si₃N₄, AlN. Vorhandene Fremdatome im obigen Sinne sind dabei z.B. die Mg-Atome in einer AlSiMg-Legierung.
Unter Porosität soll das Verhältnis des Volumens aller Hohlräume eines porösen Festkörpers zu dessen äußerem Volumen verstanden werden. Es handelt sich also um ein Maß dafür, wie viel Raum der eigentliche Feststoff innerhalb eines bestimmten Volumens ausfüllt bzw. welche Hohlräume er in diesem hinterlässt. Die Poren sind dabei in der Regel mit Luft gefüllt. Durch die Porosität des Vorkörpers werden daher in der Regel bereits die später zu erwartenden Volumenanteile der Keramik- und der Metallkomponente des Verbundwerkstoffs festgelegt.
Unter dem Begriff "Aspektverhältnis" soll das Länge-Breite-Verhältnis der verwendeten Keramikpartikel verstanden werden. Wie bereits erwähnt kann das Aspektverhältnis der verwendeten keramischen Partikel im bereich von 1 bis 10 liegen; die Partikeln können also durchaus eine längliche Form haben. Allerdings handelt es sich bei Partikeln dieser Dimensionierung noch nicht um Fasern. Das Aspektverhältnis liegt bevorzugt im Bereich von 1–5.
Besonders bevorzugt beträgt der Porendurchmesser 1–5 μm, während die Porosität bevorzugt 25–50% beträgt.
Die auf diese Weise hergestellten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe weisen einerseits geringe spezifische Gewichte bei hohen E-Moduln auf und lassen sich andererseits innig mit den zu verstärkenden Leichtbauteilen verbinden
Überdies sind sie schnell und kostengünstig herstellbar, da Bauteilguss und Infiltration der Insert-Vorkörper im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik in einem Prozessschritt erfolgen. Zusätzliche erhebliche Kosteneinsparungen ergeben sich aus der Verwendung von kostengünstigen Partikeln, die gegenüber den extrem teuren Keramikfasern sehr kostengünstig sind.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass dem Ausgangspulver, das keramische Partikel enthält, Porenbildner beigefügt sind. Hierbei handelt es sich in der Regel um längliche, leicht ausbrennbare Stoffe, die während des Sinterns verbrennen und so ein Netzwerk von Kanälen und Poren erzeugen, das die anschließende Infiltration der Metallschmelze erleichtert und eine innige Verbindung zwischen dem Vorkörper und dem erstarrenden Metall ermöglicht. Die auf diese Weise erzeugten Kanäle können Breiten von 2–50 μm, bevorzugt 5–30 μm aufweisen. Durch die die Kanäle im fertigen Körper ausfüllenden Metallkanäle wird die Festigkeit und Zähigkeit der Körper weiter erhöht.
Die Porenbildner haben – neben den eingestellten Sinterparametern – einen wesentlichen Einfluss auf die Einstellung einer bestimmten Porosität. Porenbildner können aber auch inbesondere bei der Herstellung keramischer Vorkörper verwendet werden, um ein Netzwerk von Porenkanälen zu erzeugen, die eine bessere Infiltrierbarkeit des Vorkörpers zur Folge haben; die Porenkanäle fungieren hier als Infiltrationskanäle. Zudem werden durch die so entstandenen Metallkanäle Festigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes erhöht.
Besonderes bevorzugt werden hier Zelluloseplättchen oder -fasern mit einem Volumenanteil von 1–30%, bevorzugt 2–20% verwendet. Weiterhin sind als Porenbildner z.B. auch Russpartikel, Reisstärke oder organische Makromoleküle, wie z.B. Fullerene oder Nanotubes denkbar. Im Wesentlichen eignen sich als Porenbildner all solche Materialien, die während des Sinterns verbrennen, zerfallen oder ausgasen und auf diese Weise Hohlräume in dem Material erzeugen.
Im Übrigen sind auch Stoffe denkbar, die beim Sintern Gas freisetzen und so eine Porenbildung hervorrufen. Hier käme z.B. NaHCO₃ in Frage, das unter Hitze CO₂ freisetzt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Körper aus einem gemäß einem der vorherigen Verfahren hergestellten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff vorgesehen.
Überdies ist gemäß der Erfindung die Verwendung eines gemäß einem der vorherigen Verfahren hergestellten Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff als Insert zur Versteifung von Leichtbauteilen vorgesehen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau.
Als Leichtbauteile kommen insbesondere Scheibenbremssättel in Frage, aber auch jedwede andere Bauteile, die in Leichtmetall ausgeführt werden und die lokal hohe Steifigkeitsanforderungen aufweisen, insbesondere im Automobil-, Motorrad-, Flugzeug- und Schiffsbau.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das für die Leichtbauteile und das für die Metallschmelze der Inserts verwendete Material weitgehend identisch sind. Unter dem Begriff „weitgehend identisch" soll im Folgenden verstanden werden, dass die Metalle bzw. Legierungen für die Leichtbauteile und die Inserts mindestens aus den jeweils gleichen Hauptbestandteilen bestehen.
So ist z.B. denkbar, dass AlSi7Mg für das Leichtbauteil und AlCu4MgSi für das Insert verwendet wird. Hier ist insbesondere an Leichtmetalllegierungen gedacht, so z.B. Al-Legierungen. Die Wahl der weitgehend identischen Materialien ermöglicht eine innige Verbindung zwischen dem Leichtbauteil und dem Insert.
Mithilfe der genannten Inserts gelingt es, die genannten Leichtbauteile in den Bereichen ihrer höchsten Belastung gezielt zu versteifen, und gleichzeitg das Gewicht und die Dimensionierung des Leichtbauteils in engen Grenzen zu halten. Auf diese Weise werden leichte Bauteile herstellbar, die gleichwohl in den Bereichen, in denen es erforderlich ist, höchste E-Moduln aufweisen.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Einbringung eines Inserts aus erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen in ein Leichtbauteil vorgesehen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mit oder anschließend an den Infiltrationsschritt ein Guss-Schritt zur Herstellung des Leichtbauteils erfolgt. Dabei wird das Insert in die Gussform eingebracht, und das Leichtbauteil wird anschließend um das Insert herumgegossen.
Die Oberfläche des zu umgießenden Inserts aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff sollte dergestalt modifiziert sein, dass eine Verbesserung der Anbindung des Leichtbauteil-Umgusses resultiert. Dies kann durch mechanische Oberflächenbearbeitung, z.B. Aufrauhen, oder durch Aufbringen einer Beschichtung (z.B. Zn, AlSi12, Cu, NiCrAl, NiAg) erfolgen. Die Beschichtung kann z.B. durch Flammspritzen, galvanisch oder stromlos aufgebracht werden.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das für die Leichtbauteile und das für die Metallschmelze der Inserts verwendete Material weitgehend identisch sind. Hier ist insbesondere an Leichtmetalllegierungen gedacht, so z.B. Al-Legierungen. Die Wahl der weitgehend identischen Materialien ermöglicht eine innige Verbindung zwischen dem Leichtbauteil und dem Insert.
Das Gussverfahren muss in diesem Fall nicht zwingend ein druckunterstütztes Gussverfahren sein.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Infiltrationsschritt und Guss-Schritt zu einem Prozessschritt vereint sind, dergestalt, dass der Vorkörper zusammen mit dem Guss des Leichtbauteils druckunterstützt infiltriert wird.
Dieses Verfahren wird auch als „integrierte Preforminfiltration" bezeichnet. Hierbei kommen Gießverfahren zum Einsatz, die i.d.R. druckunterstützt sein müssen, um eine Metall-Infiltration des Keramik-Vorkörpers realisieren zu können. Hier kommt besonders bevorzugt ein druckunterstütztes Einbringen der Metallschmelze in die Gussform in Frage („Squeeze casting"). Ohne Druck wäre bei diesem Verfahren wegen der schlechten Benetzungseigenschaften zwischen Metall und Keramik eine integrierte Preforminfiltration bei den meisten Metall-Keramik Kombinationen kaum möglich.
Mit Hilfe dieses Verfahrens wird eine innige Verbindung zwischen dem Leichtbauteil und dem Insert erzielt. Letzteres wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Infiltration des Vorkörpers zur Herstellung des im Bauteil eingebrachten Inserts und Guss des umgebenden Bauteils in einem Schritt mittels druckunterstützten Gießverfahren durchgeführt wird. Hieraus ergibt sich eine sehr gute Grenzflächenanbindung zwischen Insert und Bauteilumguss.
Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der keramische Vorkörper an der zu verstärkenden Stelle in der Gussform positioniert wird. Auf diese Weise kann das Insert in der Form des herzustellenden Leichtbauteils bereits lage- und ortsrichtig angeordnet werden. So wird der Fertigungsaufwand reduziert und die Fertigungsdauer verkürzt, und gleichzeitig eine genaue Anordnung des Inserts im Leichtbauteil sowie eine besonders innige Verbindung zwischen Leichtbauteil und Insert ermöglicht.
Handelt es sich bei der Metalllegierung um eine aushärtbare Legierung, wie z.B. bei Leichtbaubremssätteln der Fall, schließt sich an den Gussschrit bevorzugt der folgende Aushärtungsschritt an:
Aushärtung des Leichtbauteils durch Abschrecken bei einer Abkühlrate, die ausreichend hoch ist, um eine metastabile Übersättigung etwaiger vorhandener Fremdatome in der verwendeten Legierung zu gewährleisten, und ausreichend gering ist, um eine Beschädigung des Inserts aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff durch Thermoschock zu verhindern (Aushärtungsschritt).
Als Abkühlungsmedien kommen hierbei z.B. auf Raumtemperatur temperierte Luft, Silikonöl oder Mineralöle in Frage.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden diskutierten Beispiele genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1. Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
Es konnten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aluminiumbasierte Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe hergestellt werden, deren Keramikanteil bis zu 70 Vol.-% betrug. Die Keramikkomponente bestand aus Al₂O₃-Partikeln mit einem Aspektverhältnis von 1 bis 5, während die Metallkomponente aus AlSi7Mg bestand. Die experimentell ermittelten E-Moduln lagen bei diesen Materialien deutlich über 200 GPa.
Am Beispiel eines Bremssattels konnte durch Einbringung solcher Versteifungselemente im Brückenbereich ein Versteifungseffekt von mindestens 20% simulatorisch nachgewiesen werden.
An Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen bestehend aus 70 Vol.-% Al₂O₃ und 30 Vol.-% AlSi7Mg wurde nach Aushärtung (Abschreckmedium: Silikonöl) ein E-Modul von 242 GPa ermittelt.
2. Herstellung eines Bremssattels mit einem Insert
Es wurden zudem Aluminium-Bremssättel in realer Geometrie mittels einer Serien-Squeeze Cast-Maschine gegossen, wobei geometrisch angepasste Vorkörper aus TiO₂- und Al₂O₃-Partikeln mit einer Porosität von > 55 Vol.-% im Brückenbereich positioniert und während des Gussvorganges mit einer AlSi7Mg-Schmelze infiltriert wurden. Die Inserts konnten hierbei vollständig infiltriert werden. Die Güte der Anbindung der Inserts und dem Umguss wurde durch Messung der Grenzflachen-Scherfestigkeit bestimmt und lag aufgrund von Verzahnungseffekten sogar über der Scherfestigkeit der reinen Legierung (107 MPa vs 101 MPa). Eine sehr gute Anbindung des Inserts ist also durch die verwendeten Werkstoffe und den oben beschriebenen Herstellprozess gewährleistet.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, aufweisend die folgenden Schritte: a) Herstellen eines keramischen Vorkörpers durch Sintern unter Verwendung eines Ausgangspulvers, das keramische Partikel mit einem Aspektverhältnis von 1–10 enthält, dergestalt, dass der erhaltene Vorköper eine poröse Struktur mit Porendurchmessern von 0,5–10 μm sowie einer Gesamtporosität von 15–60% aufweist (Sinterschritt); sowie b) Einbringen einer Metallschmelze aus einem Reinmetall oder einer Legierung in den so hergestellten keramischen Vorkörper mit poröser Struktur (Infiltrationsschritt).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Metallschmelze um eine Leichtmetall-Legierung, insbesondere eine Al-Legierung, handelt, und/oder dass es sich bei den keramischen Partikeln um Oxide und/oder Nitride und/oder Carbiden handelt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangspulver, das keramische Partikel enthält, Porenbildner beigefügt sind.
Körper aus einem gemäß einem der vorherigen Verfahren hergestellten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff.
Verwendung eines gemäß einem der vorherigen Verfahren hergestellten Körpers aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff als Insert zur Versteifung von Leichtbauteilen, insbesondere im Kraftfahrzeugbau.
Verfahren zur Einbringung eines gemäß einem der vorherigen Ansprüche hergestellten Inserts aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen in ein Leichtbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich mit oder anschließend an den Infiltrationsschritt ein Guss-Schritt zur Herstellung des Leichtbauteils erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu umgießenden Inserts aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff modifiziert sein, dergestalt, dass eine Verbesserung der Anbindung des Leichtbauteil-Umgusses resultiert.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Infiltrationsschritt und Guss-Schritt zu einem Prozessschritt vereint sind, dergestalt, dass der Vorkörper zusammen mit dem Guss des Leichtbauteils druckunterstützt infiltriert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Vorkörper an der zu verstärkenden Stelle in der Gussform positioniert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Gussschritt der folgende Schritt anschließt: Aushärtung des Leichtbauteils durch Abschrecken bei einer Abkühlrate, die ausreichend hoch ist, um eine metastabile Übersättigung etwaiger vorhandener Fremdatome in der verwendeten Legierung zu gewährleisten, und ausreichend gering ist, um eine Beschädigung des Inserts aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoff durch Thermoschock zu verhindern (Aushärtungsschritt).