DE102011012142B3 - Aluminum matrix composite, semi-finished aluminum matrix composite material and process for its production - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff bereit, der zur Bildung zumindest eines Reibrings einer Bremsscheibe geeignet ist. Der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff weist 20 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 30 Gew.-% Silizium, und gegebenenfalls 2 bis 6 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan, 1 bis 3 Gew.-% Magnesium, sowie 15 bis 25 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel und 15 bis 25 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, auf. Ferner werden ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff und ein Halbzeug aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff offenbart.The present invention provides an aluminum matrix composite material that is suitable for forming at least one friction ring of a brake disc. The aluminum matrix composite has 20 to 40% by weight of aluminum, 10 to 30% by weight of silicon, and optionally 2 to 6% by weight of iron, 1 to 3% by weight of nickel, 1 to 3% by weight of Manganese, 1 to 3 wt .-% magnesium, and 15 to 25 wt .-% silicon carbide particles and 15 to 25 wt .-% aluminum nitride particles, based on a total weight of the aluminum matrix composite material. Furthermore, a method for producing a semifinished product from the aluminum matrix composite and a semifinished product from the aluminum matrix composite are disclosed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff sowie das Halbzeug selbst.The invention relates to an aluminum matrix composite material, to a method for producing a semifinished product from the aluminum matrix composite material and to the semifinished product itself.

Insbesondere auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugherstellung, aber auch in der Schienenfahrzeugbranche gewinnt der Leichbaugedanke vor allem im Bereich elektrisch angetriebener Fahrzeuge, der Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, an Bedeutung. Daher werden anstelle der bislang verwendeten Stahl- oder Graugussmaterialien zunehmend Leichtmetalle bzw. deren Legierungen eingesetzt. Beispielsweise tragen Leichtbau-Bremsscheiben mit der Reduzierung der reifengefederten Massen zu einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauches, bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen damit auch des Kraftstoffverbrauchs und somit auch der Emissionen bei. Herkömmliche Bremsscheiben aus Graugusswerkstoffen weisen hier nachteilig ein erhebliches Gewicht auf.Particularly in the field of motor vehicle manufacturing, but also in the rail vehicle industry, the concept of lightweight construction is gaining in importance, above all in the area of electrically driven vehicles, the electric and hybrid vehicles. Therefore, light metals or their alloys are increasingly being used instead of the steel or gray cast iron materials used hitherto. For example, light-weight brake discs with the reduction of the spring-sprung masses contribute to a significant reduction in energy consumption, and in the case of combustion engine-driven vehicles, fuel consumption and thus also emissions. Conventional brake discs made of cast iron materials have here disadvantageously a considerable weight.

Für Leichtbau-Bremsscheiben kommen beispielsweise hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die so genannten Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe AMC (Aluminium Matrix Composite) in Frage, die als Metallmatrixverbundwerkstoffe keramische Hartpartikel in einer metallischen Legierungsmatrix aufweisen. AMC-Legierungen bieten sehr gute tribologische Eigenschaften, die sie als Werkstoff vor allem für die Reibflächen der Bremsscheiben interessant machen. Es existieren Bremsscheiben, die solche AMC-Legierungen aufweisen, die durch Unterdruck-Infiltration oder Gießen in eine keramische Pre-Form aus verschmolzenen AMC-Ingots hergestellt werden. Die enthaltenen keramischen Hartstoffpartikel, meist aus Siliziumkarbid oder Korund, können in unterschiedlichen Formen und Größen in den Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt werden. Zur Fertigung solcher Bremsscheiben werden häufig Legierungen eingesetzt, die mit bis zu 20% SiC-Hartstoffpartikeln verstärkte AMC-Legierungen sind und die meist in Form von Ingots erhältlich sind.For lightweight brake disks, for example, high-strength aluminum alloys, in particular the so-called aluminum matrix composites AMC (aluminum matrix composite) come into question, which have ceramic hard particles in a metallic alloy matrix as metal matrix composite materials. AMC alloys offer very good tribological properties, which make them interesting as a material, especially for the friction surfaces of brake discs. There are brake discs comprising such AMC alloys that are made by vacuum infiltration or casting into a ceramic preform of fused AMC ingots. The contained ceramic hard material particles, usually of silicon carbide or corundum, can be used in different shapes and sizes in the aluminum-silicon alloys. For the production of such brake discs alloys are often used, which are reinforced with up to 20% SiC hard particles AMC alloys and are usually available in the form of ingots.

Das Infiltrieren von keramischen Pre-Formen, auch etwa durch Druck- oder Pressgießen, ist allerdings ein teueres und kompliziertes Verfahren mit mehreren Prozessschritten und damit großen Herstellungstakten. Andere Ansätze befassen sich mit dem Umgießen von metallischen Tragkörpern mit keramischen Schichten, was allerdings mit einer geringen Prozesssicherheit verbunden ist. Weitere bekannte Maßnahmen zur Aufbringung von Verschleißschutzbeschichtungen sind beispielsweise das thermische Spritzen, hierbei kann es aber für Bremsscheibenanwendungen zu unzureichenden mechanischen und thermischen Eigenschaften kommen. Hingegen können die im Kokillen-, Sand- oder Druckgussverfahren hergestellten AMC-Bremsscheiben unzureichende tribologische Eigenschaften aufweisen. Generell ist bei sämtlichen vorgenannten Verbundbremsscheiben bzw. deren Herstellungsverfahren der Anteil keramischer Verstärkungspartikel begrenzt und die verwendeten AMC-Legierungen weisen eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist aber erforderlich, um die beim Bremsen an der Bremsscheibenoberfläche erzeugte Wärme in den Bremsscheibenkörper abzuleiten.However, the infiltration of ceramic pre-forms, also about by pressure or compression molding, however, is an expensive and complicated process with several process steps and thus large production cycles. Other approaches are concerned with the encapsulation of metallic support bodies with ceramic layers, which, however, is associated with a low process reliability. Other known measures for applying wear protection coatings, for example, the thermal spraying, but this can lead to insufficient mechanical and thermal properties for brake disc applications. On the other hand, the AMC brake discs produced using the mold, sand or die-casting process can have insufficient tribological properties. In general, the proportion of ceramic reinforcing particles is limited in all the aforementioned composite brake discs or their production method and the AMC alloys used have a relatively low thermal conductivity. However, a high thermal conductivity is required to dissipate the heat generated during braking on the brake disc surface in the brake disc body.

Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die thermischen Eigenschaften eines Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs werden durch die Art, den Anteil, die Größe und die Form der verwendeten Hartstoffpartikel und durch die Eigenschaften der Aluminium-Matrixlegierung beeinflusst.Both the mechanical properties and the thermal properties of an aluminum matrix composite material are influenced by the nature, the proportion, the size and the shape of the hard material particles used and by the properties of the aluminum matrix alloy.

Die mechanischen Eigenschaften umfassen das Elastizitätsmodul, die Härte, die Streckgrenze und die Betriebs- und Dauerfestigkeit; die thermischen Eigenschaften beziehen sich auf die Solidustemperatur, die Thermoschockbeständigkeit, die Wärmespeicherkapazität sowie den Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und Wärmekonvektions-Koeffizienten.The mechanical properties include elastic modulus, hardness, yield strength, and fatigue strength; the thermal properties relate to the solidus temperature, the thermal shock resistance, the heat storage capacity as well as the heat conduction, thermal expansion, heat radiation and heat convection coefficients.

Während das homogene Gießen von AMC im Vergleich zu herkömmlichen Eisen- und Aluminiumlegierungen teuer ist und darüber hinaus die Gussstücke aufgrund der Partikelverstärkung schwierig zu bearbeiten sind, weisen die Verbundbremsscheiben, die aus Komponenten unterschiedlicher Materialien bestehen, häufig die Nachteile der Geräuschentwicklung beim Bremsen auf und haben eine vor allem geringere thermische Leitfähigkeit von der Reibscheibe zu dem mittleren Rotorabschnitt, was zu erhöhten Bremstemperaturen führt.While the homogeneous casting of AMC is expensive compared to conventional ferrous and aluminum alloys and, moreover, the castings are difficult to machine due to particle reinforcement, the composite brake disks, which are composed of components of different materials, often have and suffer from the disadvantages of noise during braking a particularly lower thermal conductivity of the friction disc to the central rotor section, which leads to increased brake temperatures.

So ist in der WO 2005/069972 A2 ein Verbundscheibenbremsenrotor beschrieben, der ein verbessertes thermisches und akustisches Verhalten haben soll und der dazu einen Rotor mit einem Paar ringförmiger Außenflächen aus einer Aluminiumlegierung und ein Paar ringförmige Reibscheiben aus einem auf Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoff mit Hartstoffpartikeln aus Siliziumkarbid aufweist, die jeweils auf einer der Außenflächen des Rotors angeordnet werden. Eine Bindungsschicht aus einer Metalllegierung, deren Schmelzpunkt niedriger als die Schmelzpunkte der Aluminiumlegierung und des Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoffs liegt, verbindet die Reibscheiben mit den Außenflächen des Rotors. US Patent Nr. 5,183,632A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundscheibenrotors auf Aluminiumbasis, das in einem ersten Schritt die Herstellung eines grobgeformten Scheibenrotors aus einer Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver mit oder ohne Verstärkungspartikel aufweist. Dann folgen das Aufbringen einer Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver mit Verstärkungspartikeln auf festgelegten Positionen des grobgeformten Scheibenrotors, die den Reibflächen entsprechen, das Erhitzen der Mischung auf zumindest eine Halbschmelztemperatur und das Formpressen der Mischung unter Druck.So is in the WO 2005/069972 A2 discloses a compound disc brake rotor intended to have improved thermal and acoustic performance and which includes a rotor having a pair of annular aluminum alloy outer surfaces and a pair of annular friction discs of an aluminum based metal matrix composite having silicon carbide hard particles each on one of the outer surfaces of the silicon carbide Rotor can be arranged. A metal alloy bonding layer whose melting point is lower than the melting points of the aluminum alloy and the aluminum-based metal matrix composite bonds the friction plates to the outer surfaces of the rotor. U.S. Patent No. 5,183,632A discloses a method for producing an aluminum-based composite disk rotor comprising, in a first step, the production of a coarse-formed disk rotor made of a mixture of aluminum powder or Aluminum alloy powder with or without reinforcing particles. Then, applying a mixture of aluminum powder or aluminum alloy powder with reinforcing particles at predetermined positions of the coarse-formed disc rotor corresponding to the friction surfaces, heating the mixture to at least a half-melt temperature and compression molding the mixture under pressure.

In der DE 4208930 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrotors aus einem Verbundwerkstoff auf Aluminiumbasis offenbart. Dabei wird eine Mischung aus Aluminiumpulver mit Verstärkungsteilchen auf einen rohgeformten Scheibenrotor aufgebracht und erhitzt bis eine breiige Konsistenz erreicht wird.In the DE 4208930 A1 For example, there is disclosed a method of making an aluminum-based composite disc rotor. In this case, a mixture of aluminum powder with reinforcing particles is applied to a rough-shaped disc rotor and heated until a pulpy consistency is achieved.

Die DE 69223194 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von MMC-Körpern aus einer Aluminiummatrix, enthaltend dispergierte Keramikteilchen und Teilchen von intermetallischen Verbindungen. Das Herstellungsverfahren sieht vor, eine Legierungsschmelze mit den dispergierten Teilchen zu zerstäuben um MMC Pulver zu erhalten. Die MMC-Körper werden darauf durch Warmformen oder durch Pulverschmieden des MMC-Pulvers hergestellt.The DE 69223194 T2 discloses a process for producing MMC bodies from an aluminum matrix containing dispersed ceramic particles and particles of intermetallic compounds. The manufacturing method is to atomize an alloy melt with the dispersed particles to obtain MMC powder. The MMC bodies are made thereon by thermoforming or by powder forging the MMC powder.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff zu schaffen, der hinsichtlich seiner tribologischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften für die Bildung eines Reibrings einer Bremsscheibe geeignet ist. Insbesondere soll der Reibringwerkstoff eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweisen.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide an aluminum matrix composite, which is suitable in terms of its tribological, mechanical and thermal properties for the formation of a friction ring of a brake disc. In particular, the friction material should have improved thermal conductivity.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zur Bildung eines Reibrings einer Bremsscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen der Gegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.This object is achieved by the use of an aluminum matrix composite material for forming a friction ring of a brake disc with the features of claim 1. Further developments of the objects are carried out in the respective subclaims.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, der zur Bildung zumindest eines Reibrings einer Bremsscheibe geeignet ist und der aus einer Aluminiumlegierung mit einer Kombination aus unterschiedlichen keramischen Zusatzstoffen bzw. keramischen Partikeln gebildet ist. Die Aluminiumlegierung ist bevorzugt eine Aluminium-Siliziumlegierung mit 10 bis 30 Gew.-% Silizium. Die keramischen Zusatzstoffe bestehen aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid, welche jeweils einen Anteil von 10 bis 25 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs aufweisen.A first embodiment of the invention relates to an aluminum matrix composite material which is suitable for forming at least one friction ring of a brake disk and which is formed from an aluminum alloy with a combination of different ceramic additives or ceramic particles. The aluminum alloy is preferably an aluminum-silicon alloy containing 10 to 30% by weight of silicon. The ceramic additives consist of silicon carbide and aluminum nitride, which each have a proportion of 10 to 25 wt .-% based on the total weight of the aluminum matrix composite material.

Die erfindungsgemäße Verwendung von AlN neben SiC als keramische Zusatzstoffe des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs führt neben guten tribologischen Eigenschaften auch zu einer deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit.The inventive use of AlN in addition to SiC as ceramic additives of the aluminum matrix composite material leads not only good tribological properties but also to a significantly improved thermal conductivity.

Die Aluminiumlegierung weist als weitere Legierungsbestandteile bevorzugt 2 bis 6 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan und 1 bis 3 Gew.-% Magnesium auf. Gegebenenfalls sind noch Spuren weiterer Elemente oder unvermeidliche Aluminiumlegierungsbegleiter vorhanden.The aluminum alloy preferably has 2 to 6% by weight of iron, 1 to 3% by weight of nickel, 1 to 3% by weight of manganese and 1 to 3% by weight of magnesium as further alloy constituents. If necessary, there are still traces of other elements or unavoidable aluminum alloy companions.

Besonders bevorzugt ist eine Zusammensetzung aus 20 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 30 Gew.-% Silizium, 2 bis 6 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan, 1 bis 3 Gew.-% Magnesium, 15 bis 25 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel und 15 bis 25 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs.Particularly preferred is a composition of 20 to 40 wt .-% aluminum, 10 to 30 wt .-% silicon, 2 to 6 wt .-% iron, 1 to 3 wt .-% nickel, 1 to 3 wt .-% manganese , 1 to 3 wt .-% magnesium, 15 to 25 wt .-% silicon carbide and 15 to 25 wt .-% aluminum nitride particles, based on a total weight of the aluminum matrix composite.

Die offenbarte Zusammensetzung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs ist in Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit, Matrixfestigkeit und Reibverhältnis im Hinblick auf eine Anwendung als Bremsscheibenwerkstoff optimiert und ausgelegt.The disclosed composition of the aluminum matrix composite is optimized and designed for thermal conductivity, matrix strength, and friction ratio for use as a brake disk material.

Die keramischen Partikel weisen bevorzugt eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 60 μm auf. Besonders bevorzugt haben die Siliziumkarbidpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 μm und die Aluminiumnitridpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 10 bis 60 μm.The ceramic particles preferably have an average particle size in the range from 5 to 60 μm. Particularly preferably, the silicon carbide particles have an average particle size in the range of 5 to 30 microns and the aluminum nitride particles have an average particle size in the range of 10 to 60 microns.

Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs weist 30 Gew.-% Aluminium, 20 Gew.-% Silizium, 4 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Magnesium, 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel, 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel sowie Spuren, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, auf. Diese Zusammensetzung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs weist besonders gute, zur Verwendung als Bremsscheibenwerkstoff optimierte mechanische, thermische und tribologische Eigenschaften auf.A particularly preferred composition of the aluminum matrix composite material comprises 30% by weight of aluminum, 20% by weight of silicon, 4% by weight of iron, 2% by weight of nickel, 2% by weight of manganese, 2% by weight of magnesium , 20 wt .-% silicon carbide, 20 wt .-% aluminum nitride particles and traces, based on the total weight of the aluminum matrix composite material, on. This composition of the aluminum matrix composite material has particularly good mechanical, thermal and tribological properties optimized for use as a brake disk material.

So weist der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff aufgrund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit der eingebetteten Aluminiumnitridpartikel von etwa 220 W m–1 K–1 einen erhöhten Wärmeleitkoeffizienten von ca. 170 W m–1 K–1 in dieser bevorzugten Ausführungsform auf. Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe aus dem Stand der Technik aus einer Aluminiummatrixlegierung 359 ohne AlN und 20% SiC weisen hingegen lediglich einen Wärmeleitkoeffizienten zwischen 132 W m–1 K–1 und 144 W m–1 K–1 auf. Die weniger gute Wärmeleitung führt während des Bremsens zu ungünstig hoher Temperaturbelastung.Thus, due to the very high thermal conductivity of the embedded aluminum nitride particles of about 220 W m -1 K -1 , the aluminum matrix composite according to the invention has an increased heat conduction coefficient of about 170 W m -1 K -1 in this preferred embodiment. On the other hand, aluminum matrix composites of prior art aluminum alloy 359 without AlN and 20% SiC have only a thermal conductivity coefficient between 132 W m -1 K -1 and 144 W m -1 K -1 . The less good heat conduction leads during braking to unfavorably high temperature load.

Für die Härte der Aluminium-Matrixlegierung in der bevorzugten Ausführungsform mit den Legierungsbestandteilen Mangan und Magnesium in Verbindung mit Eisen und Nickel konnte ein Wert von 250 HV-30 bestimmt werden, was auf den positiven Einfluss des Magnesium- und Mangananteils zurückzuführen ist. Die so geschaffene höhere Matrixfestigkeit wiederum verbessert die Einbettungsfestigkeit der keramischen Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid deutlich. Die erreichte höhere Festigkeit der Aluminiummatrix beruht auf den Anteilen an Mangan und Magnesium in Verbindung mit Eisen und Nickel, deren Partikel im Gefüge in einer Form von intermetallischen Phasen vorliegen. For the hardness of the aluminum matrix alloy in the preferred embodiment with the alloying components manganese and magnesium in combination with iron and nickel, a value of 250 HV-30 could be determined, which is due to the positive influence of magnesium and manganese content. The higher matrix strength thus created in turn significantly improves the embedding strength of the ceramic hard material particles of silicon carbide and aluminum nitride. The achieved higher strength of the aluminum matrix is based on the proportions of manganese and magnesium in combination with iron and nickel, whose particles are present in the structure in a form of intermetallic phases.

Durch die fester eingebetteten Hartstoffpartikel werden die tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs für eine Anwendung als Bremsscheibenwerkstoff verbessert, vor allem auch in Bezug auf eine Transferfilmbildung. Dieser sich generell bei Bremsscheiben aus AMC bei den ersten Bremsvorgängen auf den Reibflächen ausbildende schwarze Film ist eine Mischschicht, die durch die metallischen Werkstoffe der Scheibenlegierung und des Bremsbelags entsteht.The more firmly embedded particles of hard material improve the tribological properties of the aluminum matrix composite material for use as a brake disk material, especially with regard to transfer film formation. This black film, which is generally formed on AMC brake disks during the first braking operations on the friction surfaces, is a mixed layer that results from the metallic materials of the disk alloy and the brake pad.

Die verbesserten tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs sind nicht nur auf die erhöhte Einbettungsfestigket der Hartstoffpartikel zurückzuführen, sondern auch dem Einsatz der Aluminiumnitridpartikel zu verdanken. Die AlN-Partikel gehören mit einer Härte von 1230 HV-10 zu den harten Hartstoffkeramiken und tragen daher durch ihre Einbringung in das Gefüge mit dem erhöhten Anteil als zusätzliche keramische Verstärkung in Verbindung mit Siliziumkarbidpartikeln zu den verbesserten tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, bzw. einer daraus gefertigten Bremsscheibe bei.The improved tribological properties of the aluminum matrix composite material are not only due to the increased embedding strength of the hard material particles, but also due to the use of the aluminum nitride particles. The AlN particles are among the hard hard ceramics with a hardness of 1230 HV-10 and therefore contribute to the improved tribological properties of the aluminum matrix composite material, or by their incorporation into the structure with the increased proportion as additional ceramic reinforcement in conjunction with silicon carbide. a brake disc made of it.

Der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff verbindet also eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer erhöhten Härte bzw. Festigkeit sowohl der Matrix-Legierung als auch der Keramikpartikel, die ferner eine verbesserte Einbettungsfestigkeit in der Aluminiummatrix aufweisen.The aluminum matrix composite according to the invention thus combines a high thermal conductivity with an increased hardness or strength of both the matrix alloy and the ceramic particles, which also have an improved embedding strength in the aluminum matrix.

Der erfindungsgemäß zusammengesetzte Aluminium-Matrixverbundwerkstoff ist somit für die Verwendung als Bremsscheibenwerkstoff optimiert. Die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs wird durch den keramischen Zusatzwerkstoff Aluminiumnitrid bereitgestellt, der einen deutlich höheren Wärmeleitungskoeffizienten aufweist als herkömmlich verwendete Verstärkungspartikel.The composite aluminum matrix composite material according to the invention is thus optimized for use as a brake disk material. The increase in the thermal conductivity of the aluminum matrix composite material is provided by the ceramic filler aluminum nitride, which has a significantly higher coefficient of thermal conductivity than conventionally used reinforcing particles.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeugs oder auch Bauteils aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff gemäß der Erfindung bezieht sich auf das Bereitstellen einer Aluminium-Matrixlegierung, die durch die Legierungselemente Aluminium, Silizium sowie in bevorzugter Ausgestaltung Eisen, Nickel, Mangan und Magnesium gebildet wird, sowie auf das Bereitstellen der Siliziumkarbidpartikel und Aluminiumnitridpartikel. Die Legierungselemente der Aluminium-Matrixlegierung und die Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid werden dabei entweder entsprechend einer der oben ausgeführten Zusammensetzungen des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs bereitgestellt oder als Aluminiumlegierung und keramischen Hartstoffpartikeln. Damit wird dann ein pulvermetallurgisches, gießtechnisches oder Sprühkompaktier-Fertigungsverfahren durchgeführt, um das Halbzeug zu bilden.An embodiment of the method for producing a semifinished product or component of an aluminum matrix composite material according to the invention relates to the provision of an aluminum matrix alloy which is formed by the alloying elements aluminum, silicon and in a preferred embodiment iron, nickel, manganese and magnesium, as well as providing the silicon carbide particles and aluminum nitride particles. The alloying elements of the aluminum matrix alloy and the hard material particles of silicon carbide and aluminum nitride are provided either according to one of the abovementioned compositions of the aluminum matrix composite material or as aluminum alloy and ceramic hard material particles. Thus, a powder metallurgical, casting or spray compacting manufacturing process is then performed to form the semi-finished product.

Insbesondere für das pulvermetallurgische Fertigungsverfahren liegt die Aluminium-Matrixlegierung, bzw. die Aluminiumlegierung pulverförmig vor, der dann der vorgesehene Hartstoffpartikelanteil zugemischt wird, ehe durch mechanisches Verdichten ein Grünling geformt wird, der anschließend unter Wärmezufuhr gesintert wird. Ferner ist als pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren ein Pulverspritzgießen denkbar, bei dem etwa Metallpulverspritzgießen mit Keramikpulverspritzgießen kombiniert wird. Zum Gießen kann ebenfalls ein pulverförmiges Gemisch aus der Aluminium-Matrixlegierung und den Hartstoffpartikeln als Ausgangsstoffe herangezogen werden, um eine Mischung mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung zu erhalten, die in Form einer Schmelze zur Formgebung des Halbzeugs gegossen wird. Im Sprühkompaktierverfahren können die Hartstoffpartikel in einem Pulverstrahl mit dem Schmelzsprühstrahl der Aluminium-Matrixlegierung zum Aufbau des Halbzeugs eingebracht werden. So kann der hohe Anteil von bis zu 40 Gew.-% Hartstoffpartikel eingestellt werden.In particular for the powder metallurgical production process, the aluminum matrix alloy or the aluminum alloy is present in powder form, to which the intended proportion of hard material particles is then mixed, before a green compact is formed by mechanical compacting, which is subsequently sintered with the introduction of heat. Further, as a powder metallurgical manufacturing method, a powder injection molding is conceivable in which, for example, metal powder injection molding is combined with ceramic powder injection molding. For casting, a powdery mixture of the aluminum matrix alloy and the hard material particles can also be used as starting materials in order to obtain a mixture with composition according to the invention, which is poured in the form of a melt for shaping the semifinished product. In Sprühkompaktierverfahren the hard material particles can be introduced in a powder jet with the melt spray of the aluminum matrix alloy to build the semifinished product. Thus, the high proportion of up to 40 wt .-% hard particles can be adjusted.

Nach der Herstellung der Halbzeuge ist ein heißisostatisches Pressen zur Verdichtung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zumindest an der Oberfläche des Halbzeugs vorgesehen. Dadurch kann zum einen eine konstruktive Bauteilanpassung vorgenommen werden, zum anderen führt die Presstemperatur von 460 bis 510°C unter einem Pressdruck von 150 bis 200 MPa zur Ausscheidungen und Bildung von harten und sehr feinkörnigen primären Siliziumkristallen sowie zur Umhüllung der eingebetteten keramischen Aluminiumnitrid-Hartstoffpartikel durch Siliziumnitride.After the production of the semi-finished products, hot isostatic pressing is provided for compacting the aluminum matrix composite material at least on the surface of the semifinished product. On the one hand, a structural component adaptation can be carried out, on the other hand, the pressing temperature of 460 to 510 ° C under a compacting pressure of 150 to 200 MPa for precipitation and formation of hard and very fine-grained primary silicon crystals and for cladding the embedded ceramic aluminum nitride hard material particles silicon nitrides.

So wird im Vergleich mit bisher bekannten Verfahren eine höhere Flexibilität bei der Auswahl der einzusetzenden metallischen und keramischen Werkstoffe während der Herstellung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs erreicht, so dass ein erfindungsgemäß zusammengesetzter Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, dessen thermischen Eigenschaften im Hinblick auf die Wärmeleitungsfähigkeit verbessert sind, hergestellt werden kann, wobei der Anteil der keramischen Verstärkungspartikel prozesssicher erhöht werden kann, womit die mechanischen und tribologischen Eigenschaften hinsichtlich der Verwendung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs als Bremsscheibenwerkstoff optimiert werden.Thus, in comparison with previously known methods, greater flexibility is achieved in the selection of the metallic and ceramic materials to be used during the production of the aluminum matrix composite material, so that an aluminum composite matrix composite according to the invention, the thermal properties of which are improved in terms of thermal conductivity, produced can be, while the proportion of the ceramic reinforcing particles can be increased process reliability, whereby the mechanical and tribological properties are optimized with respect to the use of the aluminum matrix composite material as a brake disc material.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs bezieht sich auf ein Halbzeug aus einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Aluminium-Matrixverbundwerkstoff. Das Halbzeug kann somit ein pulvermetallurgisch, gießtechnisch oder durch Sprühkompaktieren gefertigtes Halbzeug sein.An embodiment of the semifinished product according to the invention relates to a semifinished product of an aluminum matrix composite material composed according to the invention. The semi-finished product can thus be a semi-finished product produced by powder metallurgy, casting technology or spray compacting.

Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Reibring für eine Bremsscheibe oder eine Bremsscheibe, da der erfindungsgemäß zusammengesetzte Aluminium-Matrixverbundwerkstoff speziell dafür optimierte Eigenschaften aufweist. Es ist allerdings denkbar, dass der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff auch zur Herstellung anderer Halbzeuge und Bauteile eingesetzt wird, die entsprechende Anforderungen an thermische, mechanische und/oder tribologische Werkstoffeigenschaften stellen.This is preferably a friction ring for a brake disk or a brake disk, since the aluminum matrix composite material composed according to the invention has specially optimized properties for this purpose. However, it is conceivable that the aluminum matrix composite according to the invention is also used for the production of other semi-finished products and components which make corresponding demands on thermal, mechanical and / or tribological material properties.

Die durch erfindungsgemäß zur Herstellung des Halbzeugs eingesetzte Aluminium-Matrixverbundwerkstoff mit der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von ca. 170 W m–1 K–1 ermöglicht eine schnellere Wärmeleitung, was insbesondere, wenn das Halbzeug eine Bremsscheibe bzw. deren Reibring ist, während der Bremsvorgänge von Bedeutung ist. Die maximalen Bremstemperaturen können dadurch reduziert werden, eine Bremsscheibe aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff weist also eine verbesserte Wärmebeständigkeit auf.The aluminum matrix composite material used according to the invention for producing the semifinished product with the increased thermal conductivity of about 170 W m -1 K -1 enables faster heat conduction, which is of particular importance when the semifinished product is a brake disk or its friction ring during the braking processes is. The maximum braking temperatures can be reduced thereby, a brake disk of the aluminum matrix composite thus has improved heat resistance.

Die verbesserten tribologischen Eigenschaften des Halbzeugs, bzw. der Bremsscheibe aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff beruhen auf den oben ausgeführten erhöhten Härten und Festigkeiten, sowie der erhöhten Einbindungsfestigkeit der Hartstoffpartikel, wobei die optimierten tribologischen Eigenschaften insbesondere die erhöhte Einbindungsfestigkeit beim Aufbau des Transferfilmes zum Tragen kommt.The improved tribological properties of the semifinished product or of the brake disc made of the aluminum matrix composite material are based on the above-stated increased hardness and strength, as well as the increased bonding strength of the hard material particles, wherein the optimized tribological properties, in particular the increased bonding strength in the construction of the transfer film comes into play.

Eine aus dem erfindungsgemäßen AMC hergestellte Bremsscheibe, bzw. ein daraus hergestellter Reibring einer Verbundbremsscheibe bildet einen optimiert aufgebauten Transferfilm aus, der im Vergleich mit den Transferfilmen anderer AMC-Scheiben deutlich bessere Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel eine homogenere Ausbildung, eine bessere Haftung, bzw. eine härtere und festere Verbindung zur Reibfläche. Der optimierte Transferfilm verbessert den Schutz der Reibflächen der AMC-Bremsscheiben gegen Verschleiß, so dass die AMC-Bremsscheiben während des Bremsens durch die sehr hohen Affinitäts- und Adhäsionseigenschaften dieses Transferfilms keinen oder nur sehr geringen Verschleiß erfahren. Dies gewährleistet einen konstanten Reibwert, der die Bremsqualität und einen Fahrkomfort positiv beeinflusst.A brake disk produced from the AMC according to the invention, or a friction ring made therefrom of a composite brake disk, forms an optimized transfer film which has significantly better properties in comparison with the transfer films of other AMC disks, for example a more homogeneous design, better adhesion or better adhesion a harder and stronger connection to the friction surface. The optimized transfer film improves the protection of the friction surfaces of the AMC brake discs against wear, so that the AMC brake discs undergo little or no wear during braking due to the very high affinity and adhesion properties of this transfer film. This ensures a constant coefficient of friction, which positively influences the brake quality and driving comfort.

Claims (4)

Verwendung eines Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zur Bildung eines Reibrings einer Bremsscheibe, wobei der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff gebildet ist durch eine Aluminiumlegierung mit 10 bis 30 Gew.-% Silizium und keramischen Zusatzstoffen aus 15 bis 25 Gew.-% Siliziumkarbidpartikeln und Aluminiumnitridpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit 15 bis 25 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel enthält, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs.Use of an aluminum matrix composite material for forming a friction ring of a brake disk, wherein the aluminum matrix composite is formed by an aluminum alloy with 10 to 30 wt .-% silicon and ceramic additives of 15 to 25 wt .-% silicon carbide particles and aluminum nitride particles, characterized in that it contains 15 to 25 wt .-% aluminum nitride particles to improve the thermal conductivity, in each case based on the total weight of the aluminum matrix composite material. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung 2 bis 6 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan und 1 bis 3 Gew.-% Magnesium enthält.Use according to claim 1, characterized in that the aluminum alloy From 2 to 6% by weight of iron, From 1 to 3% by weight of nickel, 1 to 3 wt .-% manganese and 1 to 3 wt .-% magnesium. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumkarbidpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 μm und die Aluminiumnitridpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 10 bis 60 μm aufweisen.Use according to claim 1 or 2, characterized in that the silicon carbide particles have an average particle size in the range of 5 to 30 microns and the aluminum nitride particles have an average particle size in the range of 10 to 60 microns. Verwendung nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Halbzeugs für den Reibring der Bremsscheibe ein pulvermetallurgisches, gießtechnisches oder Sprühkompaktier-Fertigungsverfahren durchgeführt wird.Use according to one of the preceding claims, characterized in that for the formation of the semifinished product for the friction ring of the brake disc, a powder metallurgical, casting or spray-compacting manufacturing process is performed.
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