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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1, und von einem zugehörigen Verfahren zur Herstellung einer solchen Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug.
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Leichtmetallfelgen für ein Fahrzeug sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Leichtmetallfelgen werden in Fahrzeugen aus vielerlei Gründen eingebaut. Einerseits aus technischen Gründen, um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren, um eine Verbesserung der Straßenlage des Fahrzeugs zu erreichen und damit besseren Fahrkomfort zu erzielen und andererseits aus Designgründen. Gleichzeitig sind die Leichtmetallfelgen eines Fahrzeugs bei hohen Beschleunigungen oder Verzögerungen sowie bei Kurvenfahrten und bei extremen Bremsmanövern erheblichen Belastungen ausgesetzt und müssen daher entsprechend Kräfte auf die Fahrbahn übertragen bzw. von der Fahrbahn aufnehmen. Insbesondere die durch Bremsmanöver auf die Leichtmetallfelgen eingeleiteten Belastungen strapazieren besonders stark auch das Bremssystem des jeweiligen Rades des Fahrzeugs. Üblicherweise werden als Bremssystem Radbremsen eingesetzt, die auf Reibung basieren. Die Radbremsen erzeugen während des Bremsvorgangs Drehmomente und setzen die kinetische Energie durch Reibung in Wärme um. Dafür werden zwei Arten von Bremsen benutzt, zum einen Trommelbremsen als Radialbremsen und zum anderen Scheibenbremsen als Axialbremsen.
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Aus der
DE 26 24 610 A1 ist eine Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug bekannt. Die Leichtmetallfelge wird aus einer Aluminiumlegierung in einer einteiligen Ausführung bzw. einstückig in einem Druckgussverfahren hergestellt. Diese druckgegossene Leichtmetallfelge umfasst eine senkrecht zu einer Rotationsachse verlaufende Felgenscheibe, an die sich ein parallel zu der Rotationsachse erstreckender Felgenring mit zwei seitlichen Felgenflanken anschließt, die in einem Rolliervorgang verfestigt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Leichtmetallfelge mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass ein Bremsbelag in den Felgenring und/oder in die Felgenscheibe integriert ist. In vorteilhafter Weise kann dadurch im Rad eines Fahrzeugs das Bremssystem deutlich vereinfacht werden, weil der erfindungsgemäß integrierte Bremsbelag in der Leichtmetallfelge die Funktion der Trommelbremse bzw. der Bremsscheibe übernehmen kann. Die Integration von Teilen der Trommelbremse in die Leichtmetallfelge hat zur Folge, dass diese Teile der Trommelbremse nicht mehr notwendig sind und dadurch wegfallen können, was zu einer Gewichtseinsparung im Fahrzeug führt. Weiterhin ist besonders vorteilhaft, dass eine Verbesserung des Bremssystems eine Erhöhung der Lebensdauer von Radbremsen im Fahrzeug bedeutet und dadurch eine deutliche Reduzierung von Verschleißteilen bzw. Ersatzteilen im Bremssystem erreicht wird. Ferner bedeutet eine Kombination des Bremsbelags mit der Leichtmetallfelge eine Versteifung bzw. Verbesserung der Stabilität eines Rades. Der in der Leichtmetallfelge zur Verfügung stehende Raum wird im Wesentlichen auf einfache Weise mit einer sinnvollen Bremsfunktion kombiniert und ist für eine eventuelle Wartung oder Reparatur des Bremssystems besonders leicht zugänglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer einteiligen Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug weist mehrere Schritte auf. In einem ersten Schritt wird eine poröse Keramik-Preform oder ein Element aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff in eine Gießform der Felge eingelegt, und in einem zweiten Schritt wird das Leichtmetall in die Gießform eingebracht. In vorteilhafter Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Leichtmetallfelge aus zwei verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das Einlegeteil als poröse Keramik-Preform oder als ein Element aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff kann dem jeweiligen Anwendungsfall leicht angepasst werden. Zum einen kann die Geometrie des Einlegeteils schnell und kostengünstig oder die Werkstoffeigenschaften des Einlegeteils angepasst werden, wobei die Legierungszusätze der Keramik-Preform und/oder die Zusammensetzung der Metallschmelze in einer Druckgussform variiert werden können. Somit können die Eigenschaften einer Bremsscheibe als Einlegeteil in vorteilhafter Weise an unterschiedliche Betriebsbedingungen oder Herstellbedingungen und Reibungspartner angepasst werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug und des im unabhängigen Patentanspruch 4 angegebenen Verfahrens zur Herstellung einer Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug möglich.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Leichtmetallfelge ist die zu der Rotationsachse weisende Innenseite des Felgenrings zumindest teilweise mit dem Bremsbelag versehen. In vorteilhafter Weise werden zwei unterschiedliche Werkstoffe bauraumsparend und stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Leichtmetallfelge dient erfindungsgemäß als Aufnahmekörper für den ringförmigen Bremsbelag, der sich beim Bremsvorgang gegen die Innenfläche des Felgenrings der Leichtmetallfelge abstützen kann und somit die auf ihn einwirkenden Kräfte gut aufnehmen kann. Die beim Bremsvorgang wirkenden Kräfte werden somit direkt über den Bremsbelag auf die Räder übertragen, wodurch der Bremsvorgang ebenfalls verbessert wird. Ferner wird durch die Verbindung des Bremsbelages mit dem Felgenring eine Vergrößerung des Querschnitts erzielt, die der Leichtmetallfelge eine besonders große Verwindungssteifigkeit und Stabilität verleiht, wodurch diese im Betrieb Stöße und einwirkende Kräfte besser aufnehmen kann.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Bremsbelag aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff besteht. In vorteilhafter Weise weist der preformbasierte Metall-Keramik-Verbundwerkstoff eine sehr hohe Lebensdauer auf und verbessert damit wesentlich die Wirtschaftlichkeit eines Produkts. Wird der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff, der einen sehr geringen mechanischen Verschleiß aufweist, als Reibungspartner für die Bremsbacken eingesetzt, entfällt ein Wechsel des Felgen-Trommel-Bremssystems. Die Lebensdauer im Vergleich zu einer herkömmlichen Bremsscheibe aus Metall ist um ein Vielfaches höher. Je nach Fahrweise erlaubt dies auch den Einsatz einer Scheibe über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs. Besonders günstig ist die keramische Komponente des preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs, die eine besonders hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs bewirkt. Auch bei hoher Beanspruchung gibt es keine Schwankungen im Reibkoeffizienten, der bei Bremsscheiben aus Metall als sogenannter Fading-Effekt bekannt ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff der Bremsscheibe außerordentlich korrosionsbeständig und damit unempfindlich gegenüber Streusalzwirkung im Winter. Ferner ist die Masse der Bremsscheibe im Vergleich zu einer Bremsscheibe aus Metall ca. 40% geringer. Das bedeutet wegen der deutlich geringeren ungefederten Massen der Räder einen verbesserten Fahrkomfort und gleichzeitig ist eine bessere Haftung der Räder möglich, da das jeweilige Rad der Kontur des Bodens leichter folgen kann. Damit eignet sich der preformbasierte Metall-Keramik-Verbundwerkstoff für Bremsscheiben ideal als Werkstoffpartner einer korrosionsbeständigen Leichtmetallfelge, wodurch in vorteilhafter Weise ein extrem leichtes Bauteil ganz im Sinne eines Leichtbaugedankens konzipierbar ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die poröse Keramik-Preform mittels Squeeze-Cast-Technologie oder Gasdruckinfiltration mit schmelzflüssigem Metall in der Gießform infiltriert. Dies hat den Vorteil, dass ein Porenraum der Keramik-Preform mit einer Metallschmelze bei niedrigen Infiltrationstemperaturen schnell gefüllt werden kann, wodurch kurze Zykluszeiten erreicht werden und somit die Herstellkosten gering gehalten werden können. Zudem ist die thermische Belastung des Gießformwerkzeugs und der Keramik-Preform gering. Ein weiterer Vorteil der Infiltration der porösen Keramik-Preform besteht in der freien Wahlmöglichkeit des schmelzflüssigen Metalls und damit in der Bestimmung der Eigenschaften bevor weitere Verarbeitungsschritte erfolgen und dadurch eine Wahl des schmelzflüssigen Metalls nicht mehr möglich ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Element aus dem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff in der Gießform umgossen. In vorteilhafter Weise wird durch die Verwendung einer bereits mit Metallschmelze infiltrierten porösen Keramik-Preform die Zykluszeit des Herstellprozesses einer Leichtmetallfelge reduziert. Zudem wird durch das Gießverfahren eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Element aus dem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff und der metallischen Komponente hergestellt, die in besonders hohem Grade belastbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als keramische Komponenten Oxide, Nitride und/oder Carbide vorgesehen. Bevorzugt werden diese reaktiven Komponenten mit Werkstoffen wie beispielsweise Aluminiumoxid vermischt, um die Schmelztemperatur bei der Herstellung zu senken, die Verarbeitung zu erleichtern oder die Eigenschaften des Endprodukts zu verbessern. In vorteilhafter Weise verbessert das erfindungsgemäße Verfahren damit wesentlich die Wirtschaftlichkeit eines Produkts und ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung einer Leichtmetallfelge.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als keramische Komponenten Aluminiumoxyd (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumcarbid (SiC) und/oder siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid (SiC) vorgesehen Die keramische Komponenten sorgen in vorteilhafter Weise für eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs und werden daher bevorzugt als Reibpartner eingesetzt. Insbesondere die Keramik aus Aluminiumoxid (Al2O3) zeichnet sich durch sehr gute tribologische Eigenschaften bzw. ein sehr gutes Reibungs- und Verschleißverhalten aus. So ist beispielsweise Aluminiumoxid in sehr reinem Zustand gegen fast alle Beanspruchungen beständig. Die Keramik aus Aluminiumnitrid (AlN) weist beispielsweise eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK auf und wird an den Stellen eingesetzt, an dem viel Wärme abgeführt werden muss, wie dies bei Bremsscheiben der Fall ist. Titannitrid (TiN) besitzt gute Reibungseigenschaften und ist daher für Systeme mit besonderen Anforderungen an geringen Verschleiß bestens geeignet, wie beispielsweise als Werkstoffkomponente für Bremsscheiben. Als weitere Komponente für Bremsscheiben eignet sich Siliziumnitrid (Si3N4), das durch die Kombination von hoher Festigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und relativ kleinem Elastizitätsmodul besonders für thermoschockbeanspruchte Bauteile geeignet ist. Sehr reine Varianten des Siliciumcarbids (SiC) gehören zu den korrosionsbeständigsten Werkstoffen. Da die Kohlenstofffasern weitgehend durch die SiC-Matrix vor Oxidation geschützt sind und der Zeitraum, in der die Bremsscheiben Temperaturen von über 500°C nennenswert überschreiten, in der gesamten Lebensdauer eines Fahrzeuges auf wenige Stunden begrenzt ist, spielt die Oxidation des Siliziumcarbid (SiC) bei dieser Anwendung keine wesentliche Rolle.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als metallische Komponenten Aluminium, Eisen, Zinn, Titan, Magnesium und/oder deren Legierungen vorgesehen. Auf Grund der dreidimensionalen Netzwerkstruktur der Gefügebestandteile verfügt das vorgeschlagene Materialkonzept in vorteilhafter Weise über eine hohe Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als weitere Komponenten Schmierstoffe und/oder Abrasivstoffe vorgesehen. In vorteilhafter Weise kann hierdurch ein extrem leichtes Bauteil entstehen, das in Kombination mit diesen Komponenten wesentlich dazu beiträgt, das Gefüge bezüglich Härte und Verschleißbeständigkeit zu verbessern und damit die Lebensdauer bzw. die Standzeit der Werkstoffe zu erhöhen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug mit einer Felgenscheibe und einem sich an die Felgenscheibe anschließenden Felgenring mit zwei seitlichen Felgenflanken, wobei in den Felgenring ein Bremsbelag integriert ist.
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2 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Leichtmetallfelge aus 1 mit dem an einer Innenseite des Felgenrings integrierten Bremsbelag und einem an einer Außenseite des Felgenrings angeordneten Reifen.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines als Ring ausgebildeten Bremsbelags für die erfindungsgemäße Leichtmetallfelge aus 1.
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4 zeigt eine Draufsicht einer schematischen Darstellung einer Leichtmetallfeige für ein Fahrzeug mit dem an der Innenseite des Felgenrings integrierten Bremsbelag und einer in der Leichtmetallfelge angeordneten Bremstrommeleinheit.
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5 zeigt eine Draufsicht einer schematischen Darstellung einer Leichtmetallfelge für ein Fahrzeug mit dem an der Innenseite des Felgenrings integrierten Bremsbelag und einer in der Leichtmetallfelge angeordneten Scheibenbremseinheit.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leichtmetallfelge 10 für ein Fahrzeug in einer einteiligen Ausführung. Die dargestellte Leichtmetallfelge 10 weist eine senkrecht zu einer Rotationsachse 12 verlaufende Felgenscheibe 14 auf, an die sich ein parallel zu der Rotationsachse 12 erstreckender Felgenring 16 mit zwei seitlichen Felgenflanken 18 anschließt. In 2 sind die beiden voneinander beabstandeten Felgenflanken 18 dargestellt, die zwischen sich einen Reifen 24 aufnehmen können.
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Um die Funktionspalette einer Leichtmetallfelge 10 zu erweitern, ist erfindungsgemäß ein Bremsbelag 20 vorgesehen, der in den Felgenring 16 und/oder in die Felgenscheibe 14 integriert ist.
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Wie aus 1, 2, 4 und 5 ersichtlich ist, ist die zu der Rotationsachse 12 weisende Innenseite 22 des Felgenrings 16 zumindest teilweise mit dem Bremsbelag 20 versehen. Dies bedeutet, dass der Bremsbelag 20 integral mit dem Felgenring 16 ausgebildet ist und dadurch die Leichtmetallfelge 10 aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen besteht. Im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper der Leichtmetallfelge 10 aus einer Aluminiumlegierung und der erfindungsgemäße Bremsbelag 20 aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff hergestellt. Der preformbasierte Metall-Keramik-Verbundwerkstoff wird dabei als Reibungspartner für Bremsbacken 32, 46 eines in den 4 und 5 näher dargestellten Bremssystems 30, 44 eingesetzt.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bremssystems ist in 4 dargestellten. Die dargestellte Bremseinheit 26 umfasst eine Kombination einer Trommelbremseinheit 30 mit dem erfindungsgemäßen Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10. Dabei sind in der erfindungsgemäßen Leichtmetallfelge 10 zwei in Wirkverbindung zueinander stehende Bremsbacken 32 mit Reibbelägen 34 sich gegenüberliegend gelagert, wobei an den unteren Enden 36 der beiden Bremsbacken 32 ein Zylindereinheit 40 und an den oberen Enden 38 der beiden Bremsbacken 32 eine Federeinheit 42 angeordnet ist. Die Bremsbacken 32 werden über die Zylindereinheit 40 gegen die Rückstellkraft der Federeinheit 42 von innen gegen den Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10 gedrückt. Durch die Reibung zwischen dem Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10 und den Bremsbacken 32 der Trommelbremseinheit 30 wird kinetische Energie umgesetzt.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bremssystems ist 5 dargestellt. Die dargestellte Bremseinheit 28 umfasst eine Kombination einer Scheibenbremseinheit 44 mit dem erfindungsgemäßen Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10. Dabei sind in der erfindungsgemäßen Leichtmetallfelge 10 zwei in Wirkverbindung zueinander stehende Bremsbacken 46 sich gegenüberliegend gelagert, die über eine Zylindereinheit 48 beaufschlagbar sind. Die Bremsbacken 46 werden über die Zylindereinheit 48 von innen gegen den Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10 gedrückt. Durch die Reibung zwischen dem Bremsbelag 20 der Leichtmetallfelge 10 und den Bremsbacken 46 der Scheibenbremseinheit 44 wird kinetische Energie umgesetzt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer einteiligen Leichtmetallfelge 10 für ein Fahrzeug umfasst in einem ersten Schritt das Einlegen einer porösen Keramik-Preform 20 oder eines Elements 20 aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff in eine Gießform der Felge 10 und in einem zweiten Schritt ein Einbringen des Leichtmetalls in die Gießform.
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Wie bereits erwähnt wurde, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine poröse Keramik-Preform 20 als auch ein Element 20 aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff verwendet werden. Bei Verwendung einer porösen Keramik-Preform 20 wird diese bei der Herstellung der Leichtmetallfelge 10 druckunterstützt in der Gießform der Felge 10 mit schmelzflüssigem Metall infiltriert, wobei hierzu vorzugsweise ein Squeeze-Cast-Verfahren oder ein Gasdruckinfiltrationsverfahren verwendet wird. Bei Verwendung eines Elements 20 aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff wird dieses während des Gießprozesses der Leichtmetallfelge 10 in der Gießform umgossen.
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Als keramische Komponenten sind vorzugsweise Oxide, Nitride oder Carbide vorgesehen, bevorzugt werden jedoch Aluminiumoxyd (Al2O3), Titandioxid (TiO2), Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN), Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumcarbid (SiC) und/oder siliziuminfiltriertes Siliziumcarbid (SiC) verarbeitet.
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Als metallische Komponenten werden hochleitfähige Werkstoffe wie Aluminium, Eisen, Zinn, Titan, Magnesium sowie deren Legierungen verarbeitet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden besonders bevorzugt Aluminiumlegierungen eingesetzt.
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Darüber hinaus können je nach Bedarf als weitere Komponenten Schmierstoffe und Abrasivstoffe zugegeben werden. Auf Grund der dreidimensionalen Netzwerkstruktur der Gefügebestandteile verfügt das vorgeschlagene Werkstoffkonzept über eine hohe Verschleißbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
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Die keramische Komponente sorgt für eine hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffs. Wie aus 1, 2, 4 und 5 ersichtlich ist, werden preformbasierte Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe erfindungsgemäß als Teil einer Leichtmetallfelge 10 eingesetzt. Der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff kann während des Gießprozesses der Felge 10 hergestellt werden, wenn eine poröse Keramik-Preform 20 in die Gießform der Felge 10 eingesetzt wird und mit Leichtmetallschmelze infiltriert wird. Alternativ kann ein Element 20 aus einem preformbasierten Metall-Keramik-Verbundwerkstoff eingesetzt werden, das während des Gießprozesses der Felge 10 in der Gießform umgegossen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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