DE102011121292B4

DE102011121292B4 - Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit Siliziumcarbid-Partikeln und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102011121292B4
Application number: DE102011121292.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lampke; Ihsan Özer
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: DE102011121292A1

Abstract

Verfahren zur Bremsscheibenherstellung aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) von zumindest 40 Vol.-%, umfassend die Schritte:- Bereitstellen einer sprühkompaktierten Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) im Bereich von 12 bis 25 Vol.-% in einer matrixbildenden Aluminiumlegierung (M), und- Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung bis zu einer Solidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) unter Inertgasatmosphäre in einer Schmelzform (5) mit einer zylindrischen Kavität, die einen der Bremsscheibe entsprechenden Durchmesser aufweist, in einer Druckkammer (7), wobei eine Rotationsachse der zylindrischen Kavität vertikal ausgerichtet ist,- Aufbauen eines Gasdrucks in einem Bereich von 1200 bis 2000 bar in der Druckkammer (7),- weiter Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung über eine Liquidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) und Schmelzen der Aluminiumlegierung (M), dabei Beaufschlagen der über die Liquidustemperatur erhitzten Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit dem Gasdruck,- Erzeugen von Vibrationen durch eine Vibrationsquelle (6) und Einleiten der Vibrationen in die Schmelzform (5),- einwirken Lassen der Vibrationen auf die Schmelze der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) über eine bestimmte Zeitdauer, dadurch Reduzieren der Viskosität der Schmelze und mit der Schwerkraft absinken Lassen der Siliziumcarbid-Partikel (P), dabei- Anreichern der Siliziumcarbid-Partikel (P) in einer in Bezug zu der Schmelzform (5) unteren Schicht (S1) der in der Schmelzform (5) vorliegenden Schmelze, dabei Abreichern der über der ersten Schicht (S1) befindlichen zweiten Schicht (S2) an Siliziumcarbid-Partikeln (P),- Abschrecken der Schmelze in der Schmelzform (5) in der Druckkammer (7) unter dem Gasdruck und erstarren Lassen zu einem zylindrischen AMC-Halbzeug (1) mit der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) auf den Anteil von zumindest 40 Vol.-% angereicherten Schicht (S1) und der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) abgereicherten Schicht (S2),- Entformen des AMC-Halbzeugs (1), und- spanabhebend Bearbeiten des AMC-Halbzeugs (1), dabei Entfernen der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) abgereicherten Schicht (S2) und Erhalten der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) angereicherten Schicht (S1) als zylindrisches Bremsscheiben-Halbzeug mit der für die Bremsscheibe vorgesehenen Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) von zumindest 40 Vol.-%, und- Endbearbeiten des Bremsscheiben-Halbzeugs zu der Bremsscheibe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung (AMC) mit Partikeln aus Siliziumcarbid, sowie die Bremsscheibe selbst.
Die Leichtbauweise in der Schienenfahrzeug- und Automobilbranche ist zur Kraftstoff- und Energieeinsparung und damit zur Reduktion von Kohlendioxid- und Schadstoffausstoß bei der Fortbewegung der Fahrzeuge zunehmend von Bedeutung, insbesondere im Bereich der elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuge, sowohl bei reinen Elektro-Fahrzeugen als auch bei Hybrid-Fahrzeugen.
Besonders durch die Reduktion der reifengefederten Massen kann eine deutliche Reduktion des Energieverbrauches sowohl beim Beschleunigen als auch beim Bremsen erzielt werden. Bezogen auf die Masse des Gesamtfahrzeugs werden der Kraftstoffverbrauch und somit auch die Emissionen gesenkt. Gewichtseinsparungen zur Begrenzung der Antriebsenergie, aber auch zur Erhöhung des Fahrkomforts, sind im Bereich des Fahrwerks besonders effizient.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 041 077 A1 beschreibt eine Bremsscheibe aus einem Metallmatrixverbundwerkstoff und deren Herstellungsverfahren. Dabei weist die Bremsscheibe eine Bremsfläche auf. Der Metallmatrixverbundwerkstoff besteht aus einem ersten die Matrix bildenden Metall, einem zweiten Primärkristalle bildenden Metall und keramischen Hartstoffpartikeln. Die Bremsfläche weist eine definierte Oberflächenrauigkeit auf, die durch an der Oberfläche zumindest teilweise freigelegte Hartstoffpartikel und zusätzlich zumindest teilweise freigelegte Primärkristalle bereitgestellt wird. Ferner wird ein Bremssystem, das einen Bremsbelag und eine Bremsscheibe umfasst, offenbart.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2010 008 202 A1 beschreibt ein Herstellungsverfahren für einen Reibring aus einem Verbundwerkstoff, der keramische Hartstoffpartikel in einer Metallmatrix umfasst, die eine höhere Dichte aufweisen als die Metallmatrix. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte des Bereitstellens einer Schmelze aus dem Matrixmetall mit den Hartstoffpartikeln, des Eingießens der Schmelze in eine horizontal ausgerichtete Reibring-Gussform und des erstarren Lassens. Während des Erstarrens erfolgt ein Beaufschlagen der gegossenen Schmelze mit Ultraschall und hierdurch wird ein vertikaler Partikeldichtegradient in dem erstarrten Reibring erzeugt. Ferner wird ein Reibring und eine zwei der Reibringe umfassende Verbundbremsscheibe offenbart.
Herkömmliche Bremsscheiben aus Graugusswerkstoffen mit relativ hohen Dichten weisen ein erhebliches Gewicht auf. Eine Leichtbau-Bremsscheibe führt daher zu einer gewünschten Reduktion der ungefederten Massen.
Gerade unter Leichtbau-Gesichtspunkten ist es vorteilhaft, die Graugusswerkstoffe durch leichtere Werkstoffe zu ersetzen. Hier kommen zunehmend hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die so genannten AMC-Legierungen (Aluminium-Matrix-VerbundLegierungen) in Frage, die für Bremsscheiben im Bereich Personenkraftwagen, Nutz- und Schienenfahrzeuge bereits bekannt sind.
Die AMC-Legierungen enthalten keramische Hartstoffpartikel, die meistens aus Siliziumcarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen bestehen und im Verbund mit der Matrix aus Aluminium-Silizium-Legierungen vorliegen. Häufig vorkommende, meist in Form von AMC-Ingots eingesetzte Legierungen zur Herstellung von Bremsscheiben sind Duralcan®-Legierungen der Firma Alcan, Kanada; sie werden mit bis 20 % SiC-Hartstoffpartikeln verstärkt. Bremsscheiben aus AMC-Legierungen weisen äußerst günstige tribologische Eigenschaften auf, die neben den mechanischen oder thermischen Eigenschaften eine größere Rolle spielen.
Generell kann die Herstellung von Produkten aus AMC-Legierungen durch Unterdruck-Infiltration oder Gießen in eine keramische Pre-Form aus einer AMC-Schmelze erfolgen. Ferner ist die Bildung von Verstärkungsschichten durch Umgießen von metallischen Tragkörpern mit keramischen Schichten und durch thermisches Spritzen bekannt. Jedoch ist bei sämtlichen der vorgenannten Herstellungsverfahren der Anteil der Verstärkungspartikel, deren Art, Anteil, Größe und Form zusammen mit der gewählten Matrixlegierung die mechanischen und thermischen Eigenschaften des AMCs beeinflusst, begrenzt.
Um auch hypereutektische AMC-Legierungen und/oder AMCs mit hohen Partikelgehalten zu realisieren, sind ferner z. B. pulvermetallurgische Herstellungsverfahren bekannt. Auch durch Sprühkompaktieren lassen sich derartige AMCs herstellen, deren Zusammensetzungen und damit auch Eigenschaften von den gießtechnisch herstellbaren abweichen, und so das Einsatzfeld der AMCs erweitern.
So bezieht sich die DE 10 2009 049 875 A1 auf eine Bremsscheibe mit einem ringförmigen Reibkörper, der aus einem mit Hartstoffpartikeln verstärkten Aluminiumwerkstoff besteht und durch Sprühkompaktieren aufgebaut ist. Das Herstellungsverfahren des Reibkörpers umfasst das Aufbringen des Reibkörpers durch Sprühkompaktieren um einen zylinderförmigen Träger, sodass ein Halbzeug in der Form eines Hohlzylinders entsteht, wobei anschließend der Hohlzylinder durch ein Trennverfahren in mehrere ringförmige Reibkörper zerteilt wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den realisierbaren Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln in einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung zu erhöhen, um eine Bremsscheibe mit erhöhter Festigkeit und Verschleißbeständigkeit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Die Aufgabe der Schaffung einer Bremsscheibe mit verbesserten mechanischen und thermischen Eigenschaften wird durch die Bremsscheibe in Anspruch 9 offenbart.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln von zumindest 40 Vol.-%. Dazu wird zunächst eine sprühkompaktierte Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln in einem Bereich von 12 bis 25 Vol.-% in einer matrixbildenden Aluminiumlegierung bereitgestellt.
Die Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung wird bis zu einer Solidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung unter Inertgasatmosphäre in einer Schmelzform mit einer zylindrischen Kavität, die einen der Bremsscheibe entsprechenden Durchmesser aufweist, in einer Druckkammer erwärmt, wobei eine Rotationsachse/Längsachse der zylindrischen Kavität vertikal ausgerichtet ist. Mit dem Erreichen der Solidustemperatur wird in der Druckkammer ein Gasdruck in einem Bereich von 1200 bis 2000 bar aufgebaut und sodann die Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung weiter über eine Liquidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung erwärmt, sodass die Aluminiumlegierung schmilzt, wobei die über die Liquidustemperatur erhitzte Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit dem Gasdruck beaufschlagt wird. Aufgrund des Dichteunterschieds zwischen der Siliziumcarbid-Partikel und der Aluminiumlegierung beginnen die Siliziumcarbid-Partikel sich der Schwerkraft folgend abzusetzen. Nun werden durch eine Vibrationsquelle Vibrationen erzeugt, die in die Schmelzform eingeleitet und auf die Schmelze der matrixbildenden Aluminiumlegierung über eine bestimmte Zeitdauer einwirken gelassen. Durch die Vibrationen wird die Viskosität der Schmelze reduziert, so dass das Absinken der Siliziumcarbid-Partikel im Schwerkraftfeld unterstützt wird. Auf diese Weise reichern sich die Siliziumcarbid-Partikel in einer ersten, in Bezug zu der Schmelzform unteren Schicht der in der Schmelzform vorliegenden Schmelze an, während sie sich entsprechend in der über der ersten Schicht befindlichen zweiten Schicht abreichern.
Die vorbestimmte Zeitdauer dieser Behandlung bestimmt den in der unteren Schicht geschaffenen erhöhten Anteil an SiC-Partikeln bzw. die erzeugte Schichtdicke.
Nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer, um die gewünschte Schichtdicke und -zusammensetzung zu erreichen, wird die Schmelze in der Schmelzform in der Druckkammer unter dem Gasdruck schnell abgekühlt, also abgeschreckt, und zu einem zylindrischen AMC-Halbzeug erstarren gelassen, das die an Siliziumcarbid-Partikel auf den Anteil von zumindest 40 Vol.-% angereicherte Schicht und die entsprechend an Siliziumcarbid-Partikel abgereicherte Schicht aufweist. Dieses AMC-Halbzeug wird entformt und sodann spanabhebend bearbeitet, wobei die an Siliziumcarbid-Partikeln abgereicherte Schicht entfernt wird, so dass die an Siliziumcarbid-Partikeln angereicherte Schicht als zylindrisches Bremsscheiben-Halbzeug mit der für die Bremsscheibe vorgesehenen Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln von zumindest 40 Vol.-% erhalten wird. Dieses Bremsscheiben-Halbzeug kann dann zu der Bremsscheibe endbearbeitet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt ein prozesssicheres und reproduzierbares Herstellverfahren für eine hochfeste AMC-Legierung dar. Durch die Schmelzbehandlung sinken die SiC-Partikel nach unten ab, so dass sich der SiC-Anteil in der unteren Schicht erhöht. So kann der anders nur unter sehr hohem technischen Aufwand erreichbare hohe Anteil der SiC-Verstärkung über 40 Vol.-% in einem relativ einfachen Verfahren realisiert werden.
Zur Endbearbeitung des Bremsscheiben-Halbzeugs ist in einer Ausführungsform denkbar, dass das Bremsscheiben-Halbzeug in Abhängigkeit seiner Dicke in zwei oder auch mehr Bremsscheiben getrennt wird. Generell kann das Bremsscheiben-Halbzeug aber auch lediglich die für eine Bremsscheibe vorgesehene Dicke aufweisen. In beiden Fällen kann die Endbearbeitung des Bremsscheiben-Halbzeugs eine Wärmebehandlung zur Duktilitätssteigerung umfassen, wobei es sich bevorzugt um eine T6-Wärmebehandlung handeln kann, die Lösungsglühen und Warmauslagern umfasst.
Die für die Herstellung einer Bremsscheibe eingesetzte Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung kann eine Zusammensetzung aus
12 bis 20 Vol.-% Si, bevorzugt zumindest 13 Vol.-%,
3,0 bis 8,0 Vol.-% Fe,
2,0 bis 5,0 Vol.-% Ni,
0,5 bis 3,0 Vol.-% Mn,
0,5 bis 2,0 Vol.-% Mg,
0,3 bis 2,0 Vol.-% Cr,
12,0 bis 25,0 Vol.-% SiC-Partikel, bevorzugt 20 Vol.-% SiC-Partikel, und einen die 100 Vol.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren aufweisen.
Vorzugsweise kann das Verfahren durch Variation der Behandlungsdauer auch einen Anteil an Siliziumcarbid-Partikel in der ersten Schicht von zumindest 45 Vol.-% erreichen.
Neben der Anreicherung der SiC-Partikel in der ersten Schicht werden während der Behandlung der Schmelze beim einwirken Lassen der Vibrationen auf die Schmelze die matrixbildende Aluminiumlegierung in der ersten Schicht aus AlSi13 neugebildet und intermetallische Phasen aus Al und Fe, Ni, Mn, Mg und Cr erzeugt. Die intermetallischen Phasen umfassen FeNiAl, AlSiMn, AlSiMnMg, AlSiFeNiCr, Al₃Si₂Fe und/oder Al₄SiFeNi. Die Bildung der intermetallischen Phasen kann durch die bestimmte Temperatursteuerung während der Schmelzebehandlung erreicht werden. Durch die intermetallischen Phasen wird die Festigkeit der Aluminium-Matrix deutlich erhöht.
Um die Vibrationseinleitung in die Schmelze zu optimieren, wird die Vibrationsquelle, die beispielsweise ein Druckluft-Vibrator oder ein Ultraschallgeber sein kann, proximal zu der Kavität der Schmelzform angeordnet.
Die sprühkompaktierte Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung kann, ehe sie den Schmelzbehandlungsschritten, beginnend mit dem Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung, unterzogen wird, verdichtet werden, insbesondere durch Hippen, Warmschmieden, Strangpressen und/oder Warmwalzen. Hiernach kann die Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung gegebenenfalls mechanisch, bevorzugt spanabhebend bearbeitet werden nach für die Bremsscheibe und/oder die Schmelzform vorgegebenen Maßen.
Um eine gewünschte Zusammensetzung der ersten Schicht einzustellen, kann erfindungsgemäß die Druck- und/oder Temperaturbeaufschlagungszeitdauer, die zumindest 25 Minuten beträgt und bevorzugt in einem Zeitfenster von 30 bis 120 Minuten liegt, eingestellt werden. Ein weiterer Einstellungsparameter zur Variation der Schichtzusammensetzung liegt in der Behandlungstemperatur, die, abhängig von der Liquidustemperatur der eingesetzten matrixbildenden Aluminiumlegierung in einem Bereich von 580 und 700 °C, bevorzugt von 600 und 680 °C, besonders bevorzugt von 640 °C liegt.
So kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit Siliziumcarbid-Partikeln in einer matrixbildenden Aluminiumlegierung geschaffen werden, wobei der Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln zumindest 40 Vol.-% beträgt. Die matrixbildende Aluminiumlegierung besteht aus AlSi13 und intermetallischen Phasen aus Aluminium und Si, Fe, Ni, Mn, Mg und Cr, wobei die intermetallischen Phasen FeNiAl, AlSiMn, AlSiMnMg, AlSiFeNiCr, Al₃Si₂Fe und/oder Al₄SiFeNi umfassen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der andernfalls technisch nur sehr aufwändig realisierbare hohe Anteil der SiC-Verstärkung von über 40 Vol.- % erreicht werden, und die bislang unzureichende Aluminium-Matrix-Festigkeit durch intermetallische Phasen deutlich erhöht werden.
Der hohe Anteil an keramischen SiC-Partikeln von über 40 Vol.-% führt zu einer sehr hohen Festigkeit, bzw. einem sehr hohen E-Modul von über 175 GPa. Die Bremsscheibe ist äußerst verschleißbeständig und weist eine hohe Wärmebeanspruchbarkeit, bzw. Wärmeschockbeständigkeit auf.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht der Druckkammer mit der Schmelzform und angeordneter Vibrationsquelle,
2 in einer vergrößerten Schnittansicht einen Querschnitt durch das flächige Halbzeug bei der Nachbehandlung mit Vibrationseinleitung,
3 Gefügeaufnahmen a) der SiC-AMC-Legierung vor der Schmelzbehandlung und b) der SiC angereicherten Schicht der SiC-AMC-Legierung nach der Schmelzbehandlung,
4 vergrößerte Gefügeaufnahmen a) der SiC-AMC-Legierung vor der Schmelzbehandlung und b) der SiC angereicherten Schicht der SiC-AMC-Legierung nach der Schmelzbehandlung mit den gebildeten intermetallischen Phasen, 5 eine Gefügeaufnahme der SiC-AMC-Legierung mit der SiC abgereicherten Schicht links und der SiC angereicherten Schicht rechts und einer dazwischenliegenden Übergangszone,
6 eine Gefügeaufnahme der SiC angereicherten Schicht der SiC-AMC-Legierung mit den in der hypereutektischen AlSi-Legierung eingebetteten intermetallischen Phasen und SiC-Partikeln.

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung einer AMC-Legierung mit in einer eutektischen Aluminium-Matrix eingebetteten SiC-Partikeln und intermetallischen Phasen für Bremsscheibenanwendungen. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt ein schmelztechnisches Nachbehandlungs- bzw. Aufschmelzverfahren, das auf einen Ausgangswerkstoff angewendet wird, der eine hypereutektische AMC-Legierung mit Siliziumcarbid-Verstärkung ist. So kann ein Bremsscheiben-Halbzeug hergestellt werden, das einen im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöhten Anteil an SiC-Partikeln von mehr als 40 Vol.-%, insbesondere mehr als 45 Vol.-% hat.
Mit diesem erfindungsgemäßen schmelztechnischen Nachbehandlungs-Verfahren können hochfeste Aluminium-Matrix-Verbundlegierungen (AMC) hergestellt werden. Vorliegend wird als Verstärkungspartikel ein SiC-Pulver eingesetzt. Eine mit SiC-Partikeln verstärkte AMC-Legierung hier weist eine hohe Festigkeit, Verschleiß- und Wärmebeständigkeit auf und ist damit für die Bremsscheibenanwendung bestens geeignet. Als Ausgangswerkstoff wird eine sogenannte sprühkompaktierte AMC-Legierung eingesetzt.
Das Sprühkompaktier-Verfahren ist eine zwischen der Schmelzmetallurgie und Pulvermetallurgie anzusiedelnde Verfahrenstechnologie zur Herstellung hochwertiger Aluminiumlegierungen. Ein flüssiger Metallstrom wird mit Hilfe eines inerten Gases, beispielsweise Stickstoff durch eine Düse versprüht; die feinen Metalltropfen werden mit hoher Sprühgeschwindigkeit auf einen Drehteller geschleudert, wo sie abgefangen werden und zu einem zylindrischen Körper, häufig Bolzen genannt, kompaktieren. Die von Sprühparametern abhängige Mikroporosität im Bolzen wird durch Verdichten des sprühkompaktierten Bolzens, in der Regel durch Strangpressen oder heiß isostatisches Pressen (Hippen) beseitigt, so dass ein verdichtetes Material erhalten wird.
Zur Herstellung einer Bremsscheibe wird eine Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit folgender Zusammensetzung als Ausgangswerkstoff eingesetzt:
12 bis 20 Vol.-% Si, bevorzugt zumindest 13 Vol.-%,
3,0 bis 8,0 Vol.-% Fe,
2,0 bis 5,0 Vol.-% Ni,
0,5 bis 3,0 Vol.-% Mn,
0,5 bis 2,0 Vol.-% Mg,
0,3 bis 2,0 Vol.-% Cr,
12,0 bis 25,0 Vol.-% SiC-Partikel, bevorzugt 20 Vol.-% SiC-Partikel, und einen die 100 Vol.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren.
Die SiC-Partikel können eine mittlere Korngröße in einem Bereich von 10 bis 30 µm, bevorzugt von 15 bis 25 µm aufweisen.
Eine Methode zur Bestimmung des Volumenanteils im Werkstoffkörper ist die Mikroskopie des Schliffbildes, wobei angenommen wird, dass der Flächenanteil, welcher sich im Schliffbild auslesen lässt, auch dem Volumenanteil entspricht.
Zunächst wird ein AMC-Bolzen mit der obigen Zusammensetzung mittels Sprühkompaktieren hergestellt. Dieser wird auf herkömmliche Weise verdichtet, beispielsweise durch Hippen, Warmschmieden, Strangpressen, Warmwalzen, etc. In Folge kann der verdichtete AMC-Bolzen mechanisch (spanabhebend) nach bestimmten Maßen bearbeitet werden, und dann für die Nachbehandlung in eine Schmelzform gelegt werden.
In 1 ist eine Schmelzform 5 skizziert, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Druckkammer 7 angeordnet ist. Die Schmelzform 5 kann z. B. aus Stahl gefertigt sein. Die Druckkammer 7 kann beheizt und evakuiert werden. Nach dem Einlegen des sprühkompaktierten AMC-Bolzens in die Schmelzform 5 wird die Luft aus der Kammer 7 evakuiert, wonach die Kammer 7 mit einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon oder einem anderen Edelgas gefüllt wird. Nach Befüllung der Kammer 7 mit dem Inertgas, beginnt das Erwärmen des AMC-Bolzens, beispielsweise durch Beheizung des Gases in der Kammer 7.
Um das Nachbehandlungsverfahren durchzuführen, sollte die Erwärmung ziemlich rasch erfolgen, um die Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung sehr schnell über ihre Schmelztemperatur zu bringen. Sobald die Solidustemperatur der AMC-Legierung erreicht ist, wird in der Kammer 7 Druck aufgebaut. Die Solidustemperatur der beschriebenen AMC-Legierung liegt etwa bei 550°C. Der in der Kammer 7 aufzubauende Druck liegt zumindest bei 1200 bar und kann bis 2000 bar betragen.
Zwischen der Solidus- und Liquidustemperatur der beschriebenen AMC-Legierung ist eine zusätzliche Beheizungsleistung erforderlich, die etwa vierfach höher ist als die zum Erreichen der Solidustemperatur erforderliche Leistung.
Damit wird der werkstofftechnisch kritische Übergangsbereich ca. zwischen 560 und 640°C sehr rasch überschritten. Nach dem Erreichen der Liquidustemperatur von vorliegend ca. 640°C ist die gesamte Basis-AMC-Legierung in der Schmelzform durchgehend aufgeschmolzen.
Zu diesem Zeitpunkt wird die Schmelze M+P mit Vibrationen V durch eine Vibrationsquelle 6 beaufschlagt. Bei der Vibrationsquelle 6 kann es sich beispielsweise um einen mechanischen Druckluft-Vibrator oder einen Ultraschallgeber handeln. Die Vibrationsquelle 6 wird vorzugsweise so nahe wie möglich an der Schmelze M+P montiert.
Je nach Höhe des gewünschten SiC-Anteils in der Bremsscheibenlegierung kann die Behandlungsdauer der Schmelze unter Druck, Temperatur und Vibrationen variieren, Um einen SiC-Anteil von mehr als 40 Vol.-% zu erreichen, ist eine Behandlungsdauer von mindestens 25 Minuten erforderlich.
Während der Behandlung sinken die in der Schmelze ursprünglich homogen verteilten SiC-Partikel der Schwerkraft folgend nach unten ab. Der Grund dafür ist der Dichte-Unterschied zwischen der Aluminiumschmelze (2,85g/cm³) und den SiC-Partikeln (3,25g/cm³). Durch die Vibrationsbeaufschlagung wird die Viskosität der Schmelze gesenkt, so dass der „Absetzvorgang“ der SiC-Partikel im Schwerkraftfeld unterstützt wird. So wird an der Bodenfläche 2 der in der Schmelzform 5 vorliegenden Legierungsschmelze eine Schicht S₁ gebildet (vgl. 2), die einen deutlich höheren Anteil an SiC-Partikeln P aufweist, als die darüber liegende Schicht S₂, aus der die Siliziumcarbid-Partikel P nach unten, wie durch Pfeil a angedeutet, absinken.
3 zeigt Mikrogefügeaufnahmen von der Basis-AMC-Legierung a) und der mit SiC-Partikeln angereicherten Schicht b). Nach der Schmelzebehandlung ist der SiC-Anteil mit ca. 45 Vol.-% deutlich im Vergleich zu dem Ausgangsmaterial mit 20 Vol.-% erhöht.
Die Vibrationen werden über eine bestimmte Zeitdauer einwirken gelassen, die von der gewünschten Legierungszusammensetzung abhängig ist und die in der Regel zwischen 25 und 120 Minuten liegt.
Abhängig von der Zusammensetzung der Ausgangslegierung und abhängig von den Behandlungsparametern Temperatur und Einwirkzeit der Vibrationen und abhängig von der Dicke der in der Schmelzform 5 vorliegenden Legierungsschmelze kann die Zusammensetzung und die Dicke der Schicht S₁ mit dem erhöhten SiC-Anteil variieren.
Dank der Zusammensetzung der eingesetzten sprühkompaktierten AMC-Legierung mit zumindest 13 Vol.-% Si und zumindest 3 Vol.-% Fe kann die normalerweise unerwünschte chemische Reaktion zwischen Aluminium- und keramischen Bestandteilen bei den gegebenen hohen Temperaturen ausgeschlossen werden. Diese unerwünschten chemischen Reaktionen, die in der Regel bei den hohen Behandlungstemperaturen und -zeiten in der Schmelze der mit SiC-Partikeln verstärkten AMC-Legierung zu erwarten sind, sind 4AI + 3SiC → Al₄C₃ + 3Si oder 4Al + 4SiC → Al₄SiC₄ + 3Si. Diese unerwünschten Reaktionsprodukte, die das Material sehr spröde und gegen Wasserstoffkorrosion sehr empfindlich machen, können so mit der beschriebenen Zusammensetzung vermieden werden.
Ferner gestattet die beschriebene Zusammensetzung, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem beschriebenen Prozessbereich intermetallische Phasen aus den Legierungsbestandteilen AI, Si, Fe, Ni, Mn, Mg und Cr gebildet werden. Diese umfassen z. B. FeNiAl, AlSiMn, AISiMnMg, AlSiFeNiCr, Al₃Si₂Fe und Al₄SiFeNi. Die intermetallischen Phasen erhöhen die Matrix- und Verschleißfestigkeit der hergestellten AMC-Legierung. Die Bildung der intermetallischen Phasen wird aus den vergleichenden Gefügeaufnahmen aus 4 deutlich. 4a) zeigt das Gefüge der Basis-AMC-Legierung vor der Schmelzbehandlung und b) zeigt das Gefüge mit den in der Schmelzbehandlung gebildeten intermetallischen Phasen. 6 zeigt dazu mit A markiert die dunkelgrauen Si-Primärkristalle, die eine Härte von ca. 1100 HV aufweisen und mit B markiert die feinkörnige Matrix in einer AISi13 eutektischen Phase mit einer Härte von ca. 70 HV. Die grauen mit C markierten Flächen sind Al₃Si₂Fe-Phasen (ca. 700 HV) und die sehr dunkelgrauen, fast schwarzen Flächen D bezeichnen die SiC-Partikel (ca. 2500 HV). Al₄SiFeNi-Phasen sind in den hellgrauen Flächen E zu erkennen (600 HV).
Nach Ablauf der vorgesehenen Behandlungszeit wird die Schmelze in der Schmelzform 5 sehr schnell in der Kammer 7 abgekühlt, um einen „Freezing-Effekt“ im Gefüge zu erreichen, d. h. das mit der Schmelzebehandlung erhaltene Gefüge auch in dem erstarrenden Material zu erhalten.
Während der Abkühlung bleibt die Beaufschlagung mit dem Druck in der Kammer auf das herzustellende Material bestehen. Nach der Erstarrung des so geschaffenen AMC-Materials mit einer an SiC-Partikeln angereicherten und einer abgereicherten Schicht S₁, S₂ wird dieses AMC-Halbzeug (1) aus der Kammer 7 und aus der Schmelzform 5 entnommen.
Das AMC-Halbzeug (1) hat somit zwei unterschiedliche Materialzonen, vgl. 5, die untere, mit SiC-Partikeln angereicherte Schicht S₁, in der 5 rechts zu sehen, und die obere, abgereicherte Schicht S₂, links in der 5 zu sehen. Zwischen diesen beiden Schichten besteht eine inhomogene Übergangszone S_ü, die die angereicherte S₁ von der abgereicherten Schicht S₂ trennt. Diese Übergangszone S_ü wird ermittelt, so dass der „obere Teil“ des AMC-Halbzeugs (1), also die abgereicherte Schicht S₂ bis einschließlich dieser Übergangszone S_ü abgetrennt werden kann. Das abgetragene Material kann dann wiederverwendet werden. Übrig bleibt die mit SiC-Partikeln angereicherte Schicht S₁, die ein Bremsscheiben-Halbzeug darstellt. Dieses Bremsscheiben-Halbzeug, das je nach Dicke der Schicht S₁ einer Bremsscheibe entspricht oder in mehrere Bremsscheiben getrennt werden kann, kann zur Erhöhung der Duktilität einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Hierzu bietet sich eine T6-Wärmebehandlung, umfassend Lösungsglühen und Warmauslagern, an.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der SiC-Anteil auf über 45 Vol.-% erhöht werden, woraus eine hohe Druckfestigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit und ein verbessertes Reibwertverhalten im Hinblick auf die Bremsscheibenanwendung resultiert. Die angereicherte AMC-Legierung weist ein sehr hohes E-Modul von ca. 175 GPa auf. Die SiC-Partikel sind in einer in dem Schmelzbehandlungsverfahren neu gebildeten eutektischen AISi13-Matrix eingebettet, die für eine erhöhte Duktilität und damit verringerte Sprödigkeit des gesamten Bauteils sorgt. Hierbei werden ferner globulare intermetallische Phasen gebildet, die ebenfalls in der eutektischen AISi13-Matrix eingebettet sind und die eine sehr hohe Matrix-Festigkeit und eine höhere Einbettungsfestigkeit für die SiC-Partikel ergeben, ebenfalls von Vorteil für die Bremsscheibenanwendung. Auch weist das hergestellte Material eine hohe Wärmebeanspruchbarkeit bzw. Wärmeschockbeständigkeit auf.
Folgende mechanische Werte wurden für die erzeugte Bremsscheiben-AMC-Legierung ermittelt:

Eigenschaft Wert

R_m MPa >520

R_p0,2 MPa >250

E-Modul GPa >175

Härte HB >500

A5 % 0,2

Claims

Verfahren zur Bremsscheibenherstellung aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) von zumindest 40 Vol.-%, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer sprühkompaktierten Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) im Bereich von 12 bis 25 Vol.-% in einer matrixbildenden Aluminiumlegierung (M), und - Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung bis zu einer Solidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) unter Inertgasatmosphäre in einer Schmelzform (5) mit einer zylindrischen Kavität, die einen der Bremsscheibe entsprechenden Durchmesser aufweist, in einer Druckkammer (7), wobei eine Rotationsachse der zylindrischen Kavität vertikal ausgerichtet ist, - Aufbauen eines Gasdrucks in einem Bereich von 1200 bis 2000 bar in der Druckkammer (7), - weiter Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung über eine Liquidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) und Schmelzen der Aluminiumlegierung (M), dabei Beaufschlagen der über die Liquidustemperatur erhitzten Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit dem Gasdruck, - Erzeugen von Vibrationen durch eine Vibrationsquelle (6) und Einleiten der Vibrationen in die Schmelzform (5), - einwirken Lassen der Vibrationen auf die Schmelze der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) über eine bestimmte Zeitdauer, dadurch Reduzieren der Viskosität der Schmelze und mit der Schwerkraft absinken Lassen der Siliziumcarbid-Partikel (P), dabei - Anreichern der Siliziumcarbid-Partikel (P) in einer in Bezug zu der Schmelzform (5) unteren Schicht (S₁) der in der Schmelzform (5) vorliegenden Schmelze, dabei Abreichern der über der ersten Schicht (S₁) befindlichen zweiten Schicht (S₂) an Siliziumcarbid-Partikeln (P), - Abschrecken der Schmelze in der Schmelzform (5) in der Druckkammer (7) unter dem Gasdruck und erstarren Lassen zu einem zylindrischen AMC-Halbzeug (1) mit der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) auf den Anteil von zumindest 40 Vol.-% angereicherten Schicht (S₁) und der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) abgereicherten Schicht (S2), - Entformen des AMC-Halbzeugs (1), und - spanabhebend Bearbeiten des AMC-Halbzeugs (1), dabei Entfernen der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) abgereicherten Schicht (S₂) und Erhalten der an Siliziumcarbid-Partikeln (P) angereicherten Schicht (S₁) als zylindrisches Bremsscheiben-Halbzeug mit der für die Bremsscheibe vorgesehenen Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit einem Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) von zumindest 40 Vol.-%, und - Endbearbeiten des Bremsscheiben-Halbzeugs zu der Bremsscheibe.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Endbearbeiten des Bremsscheiben-Halbzeugs umfasst: - Trennen des Bremsscheiben-Halbzeugs in eine Mehrzahl von Bremsscheiben und/oder - Wärmebehandeln des Bremsscheiben-Halbzeugs oder der Bremsscheibe, bevorzugt durch eine T6-Wärmebehandlung mit Lösungsglühen und Warmauslagern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung eine Zusammensetzung aus 12 bis 20 Vol.-% Si, bevorzugt zumindest 13 Vol.-%, 3,0 bis 8,0 Vol.-% Fe, 2,0 bis 5,0 Vol.-% Ni, 0,5 bis 3,0 Vol.-% Mn, 0,5 bis 2,0 Vol.-% Mg, 0,3 bis 2,0 Vol.-% Cr, 12,0 bis 25,0 Vol.-% SiC-Partikel, bevorzugt 20 Vol.-% SiC-Partikel, und einen die 100 Vol.-% ausgleichenden Restanteil an Aluminium mit Verunreinigungsspuren aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anteil der in der ersten Schicht (S₁) angereicherten Siliziumcarbid-Partikel (P) zumindest 45 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend den Schritt: - beim einwirken Lassen der Vibrationen auf die Schmelze Neubilden der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) in der ersten Schicht (S₁) aus AlSi13 und intermetallischen Phasen aus Al und Fe, Ni, Mn, Mg und Cr, wobei die intermetallischen Phasen FeNiAl, AlSiMn, AlSiMnMg, AlSiFeNiCr, Al₃Si₂Fe und/oder Al₄SiFeNi umfassen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vibrationsquelle (6) proximal zu der Kavität der Schmelzform (5) angeordnet ist und bevorzugt ein Druckluft-Vibrator oder ein Ultraschallgeber ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend vor dem Erwärmen der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung zumindest einen der Schritte: - Verdichten der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung, bevorzugt durch Hippen, Warmschmieden, Strangpressen und/oder Warmwalzen, und/oder - mechanisch, bevorzugt spanabhebend Bearbeiten der Basis-Aluminium-Matrix-Verbundlegierung nach für die Bremsscheibe und/oder die Schmelzform (5) vorgegebenen Maßen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend den Schritt: - Einstellen einer gewünschten Zusammensetzung der ersten Schicht (S₁) durch Einstellen einer Druck- und/oder Temperaturbeaufschlagungszeitdauer, die zumindest 25 Minuten beträgt und bevorzugt in einem Zeitfenster von 30 bis 120 Minuten liegt, und/oder durch Einstellen der Temperatur in Abhängigkeit von der Liquidustemperatur der matrixbildenden Aluminiumlegierung (M) in einem Bereich von 580 und 700 °C, bevorzugt von 600 und 680 °C, besonders bevorzugt von 640 °C.
Bremsscheibe aus einer Aluminium-Matrix-Verbundlegierung mit Siliziumcarbid-Partikeln (P) in einer matrixbildenden Aluminiumlegierung (M), dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Siliziumcarbid-Partikeln (P) zumindest 40 Vol.-% beträgt, herstellbar durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die matrixbildende Aluminiumlegierung (M) aus AISi13 und intermetallischen Phasen aus Aluminium und Si, Fe, Ni, Mn, Mg und Cr besteht, wobei die intermetallischen Phasen FeNiAl, AlSiMn, AISiMnMg, AlSiFeNiCr, Al₃Si₂Fe und/oder Al₄SiFeNi umfassen.