DE19750600A1 - Metallverstärktes Konstruktionselement - Google Patents
Metallverstärktes KonstruktionselementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein metallverstärktes Konstruktionselement, ein
Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung.
Verstärkte Konstruktionskomponenten spielen in der Technik eine zuneh
mende Rolle, wenn mit herkömmlichen Werkstoffen gewünschte Eigen
schaften nicht oder nicht in ausreichendem Maß erhalten werden können.
Beispielsweise gewinnen Konstruktionskomponenten aus Leichtmetallen wie
etwa Magnesium oder dessen Legierungen an Bedeutung in technischen
Bereichen, bei denen Gewicht eingespart werden muß, um am Ende die
Energiekosten zu senken, wie etwa im Fahrzeugbau, dem Motorenbau und
anderen technischen Bereichen, bei denen es sich um bewegte Teile
handelt. Unverstärkte Leichtmetallkomponenten weisen jedoch im
allgemeinen nicht die erforderlichen Festigkeiten bzw. nicht die mit
herkömmlichen Werkstoffen zu erreichenden Festigkeiten auf. Ein Ziel bei
der Entwicklung verstärkter Konstruktionselemente ist es somit, das
Gewicht zu minimieren, ohne dabei an Festigkeit zu verlieren. Weiterhin
sollten gleichzeitig auch die Kosten gleichgehalten oder gegenüber
herkömmlichen Werkstoffen wie Stahl sogar reduziert werden.
Eine Verbesserung der Festigkeiten ist in vielen Fällen durch besondere
Legierungsentwicklung geschehen, aber auch durch Einbau von Verstär
kungselementen wie etwa Fasern in eine metallische Matrix. Man hat sich
dabei in zahlreichen Untersuchungen und Entwicklungen im wesentlichen
auf keramische Fasern (z. B. SiC, Al2O3) konzentriert, weil die meisten
metallischen Verstärkungselemente sich bei der Herstellung von
Konstruktionselementen etwa in Gußverfahren zu schnell in den flüssigen
Metallen oder Legierungen (z. B. Al, Mg) auflösen [Int. Mater. Ref. 39 (1994)
1]. In keinem dieser Fälle kam es jedoch zu einem industriellen Durchbruch,
außer bei partikelverstärkten Al-Legierungen, in denen entweder SiC oder
Al2O3-Teilchen eingebaut wurden [Key-Engineering Materials Vols. 127-131
(1997) 81]. Die Festigkeit dieser Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) ist
gegenüber den unverstärkten Metallen zwar erheblich verbessert, jedoch
überwiegen die typischen nachteiligen metallischen Eigenschaften, d. h.
geringe Hochtemperaturfestigkeit, schnelles Kriechen etc.
Aus diesem Grund ist man dazu übergegangen Verbundwerkstoffe dahin
gehend zu entwickeln, daß auch die keramische Matrix durchgängig ist.
Derartige Verbundwerkstoffe sind beispielsweise in der DE 44 47 130 A1
und der darin zitierten Literatur sowie in den Anmeldungen DE 196 05 858
und DE 197 23 929 beschrieben. Diese Werkstoffe, die zwei
interpenetrierende Matrizes besitzen, erweisen sich nun wiederum als relativ
spröde, so daß auch bei diesen Werkstoffen kaum Bruchzähigkeiten von
über 8 MPa √m erreichbar sind [Mat. Sci. and Eng. A 197 (1995) 19].
Ähnliche Aussagen treffen auch zu für Magnesiumverbundwerkstoffe,
obwohl hier noch sehr wenige Ergebnisse vorliegen (Magnesium Alloys and
their Applications, DGM, Oberursel, 1992, 415). Auch ein durch
Gasdruckinfiltration hergestellter Werkstoff aus Spinell und Magnesium
weist nur eine geringe Bruchzähigkeit auf.
Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Konstruktionselement bereitzustellen,
das die Nachteile der bekannten Konstruktionselemente nicht oder nur in
wesentlich geringerem Umfang aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Konstruktions
element, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen offenporigen
Vorkörper, umfassend metallische Verstärkungselemente, dessen Poren von
einer Metallkomponente ausgewählt aus Mg, dessen intermetallischen
Verbindungen und Legierungen durchdrungen sind, umfaßt.
Bei Versuchen der Anmelderin betreffend die Reaktionsinfiltration von
Magnesium in einem Grünkörper aus Ilmenit, der durch ein Stahl
drahtgewebe stabilisiert worden war, wurde überraschenderweise
festgestellt, daß dieses Drahtgewebe nicht wie erwartet aufgelöst wurde,
sondern zum großen Teil erhalten blieb.
Die Metallkomponente ist ausgewählt aus Mg sowie dessen interme
tallischen Verbindungen und Legierungen. Dabei können weitere, in
intermetallischen Verbindungen oder/und Legierungen übliche Elemente und
Legierungszusätze vorhanden sein. Legierungselemente liegen in Mg zumeist
gelöst oder in der Form von Ausscheidungen vor. Bis zu 20 Gew.-% des Mg
kann durch Al ersetzt sein.
Der Anteil der metallischen Verstärkungselemente richtet sich nach den
gewünschten Materialeigenschaften und er beträgt im allgemeinen 5 bis 60
Vol.-% und vorzugsweise 10 bis 30 Vol.-% des Konstruktionselements.
Im allgemeinen umfassen die metallischen Verstärkungselemente Al, Cu, Cr,
Fe, Ni, Co, Si, Ti, Nb, Hf, Mo, V, W, Zr sowie Legierungen davon oder/und
intermetallische Verbindungen davon. Herkömmliche, kommerziell erhältliche
Produkte sind geeignet. In einer Ausführungsform bestehen die metallischen
Verstärkungselemente beispielsweise aus Stahl, der gegebenenfalls
aushärtbar ist. In einer anderen Ausführungsform bestehen die metallischen
Verstärkungselemente aus Al oder gegebenenfalls aushärtbarer
Al-Legierung.
Die metallischen Verstärkungselemente umfassen Ligamente mit einer
länglichen, faserartigen bzw. drahtartigen Struktur. Die Längenabmessungen
sind dabei relativ unkritisch und reichen von etwa Kurzfasern bis zu
Drähten, deren Länge bei entsprechender Wicklung oder Faltung ein
Mehrfaches des Konstruktionselements ausmachen kann. Die Durchmesser
der Verstärkungselemente hängen im wesentlichen ab von den
Verfahrensbedingungen, unter denen das Konstruktionselement hergestellt
wird, insbesondere der Temperatur der Metallkomponente in Verbindung mit
der Infiltrationsdauer. Im allgemeinen wird davon ausgegangen, daß
metallische Verstärkungselemente mit einem Durchmesser im Bereich von
5 bis 3000 µm geeignet sind. Martensitisch ausgehärtete Stahldrähte, die
für höchste Festigkeiten eingesetzt werden, sind beispielsweise in
Durchmessern zwischen 10 und 3000 µm kommerziell erhältlich. Bevorzugt
beträgt der Durchmesser der metallischen Verstärkungselemente 50 bis
500 µm.
Der Vorkörper gemäß dem erfindungsgemäßen Konstruktionselement ist
offenporig, so daß die die Poren durchdringende Metallmatrix durchgängig
(penetrierend) ist. Die Größe der Porenräume wird als nicht sonderlich
kritisch angesehen und im allgemeinen sind Porenräume mit einer Größe im
Bereich von 10 bis 5000 µm und vorzugsweise von 100 bis 2000 µm
geeignet. Auch poröse Strukturen aus schmelzextrahierten Metallfasern, die
nach dem Dresdner IFAM-Verfahren hergestellt werden, stellen geeignete
Vorkörper dar, zumal mit diesen Verfahren auch Fasern auf Basis von FeAl
und NiAl und anderen intermetallischen Werkstoffen hergestellt werden
können. Solche faserigen Vorformen haben Porositäten zwischen 80 und
97% und Porengrößen im Bereich von 5 bis 200 µm.
In einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist der
offenporige Vorkörper aus zwei- oder dreidimensionaler Drahtwicklung oder
Drahtrovings oder Drahtgewebe, -gewerke, -gestricke oder -matten oder
Laminaten daraus oder drahtartiger Wolle oder filterartigen, gegebenenfalls
gesinterten Metallgebilden gebildet.
Gegebenenfalls enthält das Konstruktionselement zusätzlich zu den
metallischen Verstärkungselementen eine Keramikphase oder/und deren
Reaktionsprodukte mit der Metallkomponente. Hierzu kann in der Praxis ein
zwei- oder dreidimensionaler drahtnetzwerkartiger Vorkörper, wie
vorstehend erwähnt, gebildet werden und vor Infiltration mit der
Metallkomponente mit Keramikpulver angefüllt und gegebenenfalls gesintert
werden. Bei der nachfolgenden Druckinfiltration der Metallkomponente in
den Vorkörper werden die Keramikpartikel mindestens teilweise in der
Metallmatrix dispergiert, so daß im Konstruktionselement eine im
wesentlichen homogene Dispersion von Keramikteilchen in der Matrix
vorliegt.
Gegebenenfalls kann ein Keramikanteil auch resultieren aus der
Herstellungsart des Vorkörpers, soweit dieser erhalten wurde durch Bilden
eines Gemisches der metallischen Verstärkungselemente in Form von
Kurzfasern und einem Keramikpulver, und anschließend Bilden eines
offenporigen Vorkörpers aus dem Gemisch.
Als Keramikpulver wird dabei zweckmäßig ein Pulver aus kugeligen und/oder
irregulären Partikeln, Fasern oder/und Plättchen mit Abmessungen im
Bereich zwischen 0,1 und 1000 µm und vorzugsweise zwischen 10 und
500 µm verwendet.
Die eingesetzte Menge der Keramikphase hängt von den weiteren
Komponenten, also den metallischen Verstärkungselementen sowie der
Metallkomponente ab sowie vom vorgesehenen Verwendungszweck des
Konstruktionselements. Im allgemeinen haben sich Mengen im Bereich von
0 bis 60 Vol.-% und vorzugsweise von 15 bis 30 Vol.-% des Konstruktions
elements als geeignet herausgestellt.
Die Art der Keramikphase richtet sich ebenfalls nach den weiteren
Komponenten sowie dem vorgesehenen Verwendungszweck. Im allge
meinen sind Keramikpulver auf Basis von Carbiden, Nitriden, Oxiden,
Siliciden, Boriden, sowie Gemische davon geeignet. Dementsprechend sind
in dem endgültigen Konstruktionselement die entsprechenden Substanzen
bzw. deren Reaktionsprodukte mit der Metallkomponente vorhanden.
Beispiele bevorzugter Verbindungen, die in der Keramikphase vorhanden
sein können, sind etwa SiC, B4C, Fe3C2, AlN, Si3N4, Al2O3, MgO und
Mg-Spinell. Beispiele von Verbindungen, die bei der Infiltration eine Reaktion mit
der Mg-Komponente eingehen können, und deren Reaktionsprodukte mit Mg
demnach im erfindungsgemäßen Konstruktionselement vorhanden sein
können, sind etwa CaO, Cr2O3, CuO, Cu2O, CoO, Co2O3, FeO, Fe2O3, Fe3O4,
HfO21 Li2O, MnO, MoO3, Na2O, Nb2O, Nb2O5, NiO, SiO2, TiO, TiO2, V2O5,
WO3, Y2O3, ZrO2, Mullite, Spinelle, Zirkonate, Titanate sowie Fe-, Ti-, Co-,
Ni-, Zr-, Si-, Nb-haltige Erze, insbesondere Zirkon (ZrSiO4) oder Ilmenit
(FeTiO3). Bei Verwendung von weniger exotherm reagierenden Substanzen,
wie z. B. TiO2 oder Nb2O5 können auch exotherm stärker aktive Oxide, wie
FeO, Fe2O3, Fe3O4, NiO, MoO3, etc. zugesetzt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Konstruktionselements, umfassend die Schritte
- (a) Bilden eines offenporigen, metallische Verstärkungselemente umfassenden Vorkörpers,
- (b) Einpressen einer Metallkomponente ausgewählt aus Mg, dessen intermetallischen Verbindungen und Legierungen in flüssiger Form in den offenporigen Vorkörper in einer Gußform unter Bedingungen, bei denen die metallischen Verstärkungselemente des Vorkörpers mindestens teilweise erhalten bleiben.
Zwei- oder dreidimensionale drahtnetzwerkartige Vorkörper werden gebildet
aus Drahtwicklung oder Drahtrovings oder Drahtgewebe, -gewerken,
-gestricken oder -matten oder Laminaten daraus oder drahtartiger Wolle oder
filterartigen Vorformen, die beispielsweise durch Sintern hergestellt wurden.
Geeignete Verfahren hierzu sind gängige Verfahren der Wickel-, Wirk-,
Webe-, Strick- oder Prepreg-Technik oder Sieb-, Schweiß-, Klebe- oder
Sintertechnik.
Nach dem Bilden eines derartigen Vorkörpers kann, sofern die Gegenwart
einer Keramikphase im endgültigen Konstruktionselement erwünscht ist,
dieser Vorkörper mit Keramikpulver angefüllt werden. Dies kann sowohl
durch Einrütteln oder Einpressen der trockenen keramischen Pulver als auch
durch Schlickerinfiltration oder Schlickerpressen erfolgen.
Alternativ kann der Vorkörper erhalten werden durch Vermischen
metallischer Verstärkungselemente in Form von Kurzfasern mit
Keramikpulver und Formen des Vorkörpers aus dem Gemisch.
Gegebenenfalls wird dem Keramikpulver ein Bindemittel zugesetzt um den
Zusammenhalt zu erhöhen. Hierzu geeignete Bindemittel sind dem
Fachmann bekannt. Der Zusatz eines Bindemittels wird insbesondere dann
bevorzugt sein, wenn es darum geht einen offenporigen Vorkörper aus
metallischen Kurzfasern und Keramikpulver zu bilden.
Nach Erhalt des mit Keramikpulver angefüllten Vorkörpers wird dieser
gegebenenfalls vorgesintert. Wenn der offenporige Vorkörper als
Keramikanteil lediglich Oxide enthält, ist eine Sinterung an Luft sinnvoll und
bevorzugt. Sofern der Vorkörper oder/und der Keramikanteil unter
Sinterungsbedingungen gegenüber Oxidation anfällig sind, kann das
Vorsintern in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt werden. Es ist jedoch
ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß derartige mit
z. B. Drahtnetzwerken verstärkte Grünkörper im Vergleich zu herkömmlichen
besser zu handhaben und weniger bruchanfällig sind, womit ein Vorsintern
entfallen kann.
Das Einpressen der niedrig schmelzenden Metallkomponente erfolgt mittels
Gasdruck, Preßguß (squeeze casting) oder Druckguß (die pressure casting),
wobei Druckguß im allgemeinen bevorzugt sein wird. Die Druckinfiltration
der niedrig schmelzenden Metallkomponente in einem der vorstehenden
Verfahren wird im allgemeinen bei einem Druck im Bereich von 1 bis 150
MPa (10 bis 1500 at) durchgeführt werden.
Die Temperatur der einzupressenden Metallkomponente liegt oberhalb des
Schmelzpunkts der besonderen verwendeten Metallkomponente und liegt
im allgemeinen in einem Bereich von etwa 550 bis 900°C.
Die metallischen Verstärkungselemente werden beim Einpressen der
Metallkomponente nicht oder nur unwesentlich oberflächlich angelöst (was
die Haftung nur verbessern kann), so daß sie in der Lage sind, das
endgültige Konstruktionselement bruchzäher und fester zu machen. Bei
entsprechend kurzen Druckgußzeiten können sogar Aluminiumdrähte und
insbesondere hochfeste Al-Legierungsdrähte mindestens zum Teil erhalten
bleiben und wesentlich zur Verstärkung beitragen. Beim konventionellen
Preßdruck (squeeze casting) oder bei der Gasdruckinfiltration, die längere
Infiltrationsdauern bei Temperaturen über dem Al-Schmelzpunkt bedeuten,
werden derartig niedrig schmelzende Drähte im allgemeinen ganz oder
teilweise aufgelöst. Bevorzugt wird die niedrig schmelzende
Metallkomponente in einem Zeitraum ≦ 20 Minuten eingepreßt. Beim
Druckgußverfahren werden kürzere Infiltrationszeiten angewandt, bevorzugt
≦ 60 Sekunden und stärker bevorzugt ≦ 5 Sekunden, bis hin zu einem
Zeitraum von einer tausendstel Sekunde bis 1 Sekunde.
Als einzupressende Metallkomponente sind Magnesium sowie dessen
intermetallische Verbindungen und Legierungen geeignet.
Ein nochmals weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein durch ein
vorstehendes Verfahren erhältliches Konstruktionselement.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde ein Magnesium
matrixverbundwerkstoff, der eine homogene Dispersion von Al2O3-Teilchen
enthielt und von einem Drahtnetz durchzogen war, hergestellt durch
Druckschlicker-Infiltration von Drahtgewebe mit Al2O3-Schlicker,
anschließendem Trocknen und Druckinfiltration mit einer
Mg-Legierung innerhalb von weniger als 1 Sekunde bei einem Druck von
140 MPa bei 750°C. Hierbei wurde ein verstärkter Verbundwerkstoff
erhalten, welcher ein überwiegend duktiles Verhalten aufwies, so daß
Bruchzähigkeiten nicht mit der sonst üblichen Vickers-Eindruckmethode
gemessen werden konnten (eine Rißbildung trat nicht auf).
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Konstruktionselemente, die durch
Druckguß eines leicht schmelzenden Metalls wie Magnesium in metallische
Verstärkungselemente und gegebenenfalls Keramikpartikel umfassende
Vorkörper erhalten werden, werden erachtet wie nachstehend:
- 1. höhere spezifische Festigkeit als die hochfester, ausgehärteter Mg-Legierungen.
- 2. Hochfeste Stahldrähte, Klaviersaite (ca. 2000 MPa) könnten ohne wesentliche Gefügeänderung eingebaut werden, dasselbe gilt für hochfeste Aluminiumlegierungsdrähte.
- 3. Eine oberflächliche Anlösung der Metalldrähte (von wenigen µm) stellt eine gute mechanische Anbindung an die Matrix bereit.
- 4. Bei Verwendung einer Keramikphase hätten Keramikvorkörper, die durch ein dreidimensionales Drahtnetzwerk gestützt werden, eine höhere Grünfestigkeit, wodurch sie besser gehandhabt und ohne Beschädigung in Druckgußformen plaziert werden können. Eine Vorsinterung kann sich damit erübrigen.
- 5. Auch bei Keramikanteilen von im allgemeinen bis zu etwa 30 Vol.-% kann von einem duktilen mechanischen Verhalten ausgegangen werden.
Ein nochmals weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein
Bauteil, welches ein wie vorstehend beschriebenes verstärktes
Konstruktionselement umfaßt. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, ist
es für die Erfindung nicht wesentlich, daß sich der Vorkörper durch das
gesamte Bauteil hindurchzieht, sondern es ist möglich, das Verstärkungs
element aus Drahtnetzwerk/Keramik gezielt in denjenigen Bereichen
einzusetzen, die bei der vorgesehenen Verwendung hohen Belastungen
ausgesetzt sind.
Ein nochmals weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die
Verwendung eines erfindungsgemäßen Konstruktionselements oder eines
das Konstruktionselement enthaltenden Bauteils in Anwendungen, bei denen
das Element besonderen Belastungen oder Beanspruchungen, insbesondere
hohen mechanischen Belastungen oder/und Friktionsbelastungen ausgesetzt
ist. Typische Anwendungsgebiete dafür finden sich im Maschinen-, Motoren-
oder Apparatebau. Besonders wichtige technische Anwendungen für das
erfindungsgemäße Konstruktionselement werden derzeit gesehen in
Bremselementen, insbesondere Scheibenbremsen, Zylinderköpfen, Motor-
und Getriebegehäuse, Kolben, Pleuel, Nockenwellen, Lagerkomponenten,
Schwungrädern, Turbinen, Felgen und Rotoren.
Es wird davon ausgegangen, daß die erfindungsgemäßen Konstruktions
elemente auf Magnesiumbasis ohne Keramikanteil im allgemeinen für
Anwendungen geeignet sind, bei denen thermische Belastungen bis zu etwa
200°C auftreten. In einzelnen Fällen und in Abhängigkeit insbesondere von
der bestimmten verwendeten Metallkomponente werden auch höhere
thermische Belastbarkeiten erhalten. Erfindungsgemäße Konstruktions
elemente, die zusätzlich Keramik-verstärkt sind, sind im allgemeinen für
einen Betrieb bei höheren Temperaturen geeignet.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter erläutert.
Ein Stahldrahtgewebe mit einem Drahtdurchmesser (d) von 200 µm und
einer Maschenweite (w) von 500 µm wurde zu einem Zylinder gerollt und
anschließend mit drei Lagen eines 200 µm dicken Al-Drahtes umwickelt.
Danach wurde eine zweite Lage eines Drahtgewebes mit diesmal d = 300
µm und w = 1000 µm darübergerollt und anschließend nochmal mit
mehreren Lagen eines 100 µm dicken Kupferdrahtes umwickelt. Dieser
Drahtwickelkörper, der etwa einen Porenraum von 60 Vol.-% besaß, wurde
anschließend in einer Gasrückinfiltrationsanlage bei 700°C mit Ar und einem
Infiltrationsdruck von 12 MPa während 1 Minute mit reinem Magnesium
druckinfiltriert. Ein Schliffbild zeigte, daß im Bereich dieses Drahtvorkörpers
auch ein großer Teil des 200 µm Aluminiumdrahtes sowie des Kupferdrahtes
in der Magnesiummatrix erhalten waren. Dies zeigt, daß trotz der relativ
langen Infiltrationszeit niedrig schmelzende metallische
Verstärkungselemente wie etwa Aluminiumdraht nicht aufgelöst werden.
Ein "Gekuplat" der Firma GKD, Düren, bestehend aus zwei ineinander
versinterten Drahtgeweben (Bezeichnung 150 mesh/10 mesh) mit 1. d =
560 µm und w = 2 mm sowie d = 63 µm und w = 100 µm wurde zu
Zylindern mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 15 mm
gerollt und anschließend mit SiC-Teilchen (6 µm, SIKA, Norwegen) versetzt
und wie in Beispiel 1 druckinfiltriert. Sowohl das Gekuplat wie auch die
SiC-Teilchen waren anschließend unbeschädigt im Verbundwerkstoff im Bereich
des Vorkörpers enthalten.
Claims (37)
1. Konstruktionselement,
dadurch gekennzeichnet,
daß es einen offenporigen Vorkörper, umfassend metallische
Verstärkungselemente, dessen Poren von einer Matrix einer
Metallkomponente ausgewählt aus Mg, dessen intermetallischen
Verbindungen und Legierungen durchdrungen sind, umfaßt.
2. Konstruktionselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente 5 bis 60 Vol-% des
Konstruktionselements ausmachen.
3. Konstruktionselement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente 10 bis 30 Vol-% des
Konstruktionselements ausmachen.
4. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente Al, Cu, Cr, Fe, Ni, Co, Si,
Ti, Nb, Hf, Mo, V, W, Zr, Legierungen davon oder/und
intermetallische Verbindungen davon umfassen.
5. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente aus gegebenenfalls
aushärtbarem Stahl bestehen.
6. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente aus Al oder
gegebenenfalls aushärtbarer Al-Legierung bestehen.
7. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente einen Durchmesser im
Bereich von 5 bis 3000 µm aufweisen.
8. Konstruktionselement nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Verstärkungselemente einen Durchmesser im
Bereich von 50 bis 500 µm aufweisen.
9. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offenporige Vorkörper Porenräume im Bereich von 10 bis
5000 µm aufweist.
10. Konstruktionselement nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offenporige Vorkörper Porenräume im Bereich von 100 bis
2000 µm aufweist.
11. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offenporige Vorkörper aus zwei- oder dreidimensionaler
Drahtwicklung oder Drahtrovings oder Drahtgewebe, -gewerken,
-gestricken oder -matten oder Laminaten daraus oder drahtartiger
Wolle oder filterartigen, gegebenenfalls gesinterten Metallgebilden
gebildet ist.
12. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Keramikphase oder/und deren Reaktionsprodukte mit der
niedrig schmelzenden Metallkomponente umfaßt.
13. Konstruktionselement nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase gebildet ist aus Partikeln, Plättchen oder/und
Fasern mit Abmessungen im Bereich zwischen 0,1 und 1000 µm.
14. Konstruktionselement nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase gebildet ist aus Partikeln, Plättchen oder/und
Fasern mit Abmessungen im Bereich zwischen 10 und 500 µm.
15. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase 0 bis 60 Vol-% des Konstruktionselements
ausmacht.
16. Konstruktionselement nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase 15 bis 30 Vol-% des Konstruktionselements
ausmacht.
17. Konstruktionselement nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase Carbid, Nitrid, Oxid, Gemische davon oder/und
deren Reaktionsprodukte mit der Metallkomponente umfaßt.
18. Konstruktionselement nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikphase SiC, B4C, Fe3C2, AlN, Si3N4, Al2O3, MgO
oder/und Mg-Spinell umfaßt.
19. Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionselements, umfassend
die Schritte
- (a) Bilden eines offenporigen, metallische Verstär kungselemente umfassenden Vorkörpers,
- (b) Einpressen einer Metallkomponente ausgewählt aus Mg, dessen intermetallischen Verbindungen und Legierungen in flüssiger Form in den offenporigen Vorkörper in einer Gußform unter Bedingungen, bei denen die metallischen Verstärkungselemente des Vorkörpers mindestens teilweise erhalten bleiben.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß der offenporige Vorkörper aus zwei- oder dreidimensionaler
Drahtwicklung oder Drahtrovings oder Drahtgewebe, -gewerken,
-gestricken oder -matten oder Laminaten daraus oder drahtartiger
Wolle oder filterartigen, gegebenenfalls gesinterten Metallgebilden
gebildet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 und 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den offenporigen Vorkörper nach gängigen Verfahren der
Wickel-, Wirk-, Webe-, Strick- oder Prepreg-Technik oder Sieb-,
Schweiß-, Klebe- oder Sintertechnik bildet.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 und 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Vorkörper mit Keramikpulver anfüllt.
23. Verfahren nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Vorkörper mittels Schlickerguß oder Druckschlickerguß
mit dem Keramikpulver infiltriert.
24. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den offenporigen Vorkörper erhält durch Vermischen
metallischer Verstärkungselemente in Form von Kurzfasern mit
Keramikpulver und Formen des Vorkörpers aus dem Gemisch.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Keramikpulver ein Bindemittel enthält.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß man den Vorkörper vorsintert.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß man das
Vorsintern in einer Inertgasatmosphäre durchführt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente mittels Gasdruck, Preßguß (squeeze
casting) oder Druckguß (die pressure casting) einpreßt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente bei einem Druck im Bereich von 1 bis
150 MPa einpreßt.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente bei einer Temperatur im Bereich von
550 bis 900°C einpreßt.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente in ≦ 20 Minuten einpreßt.
32. Verfahren nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente beim Druckgußverfahren in ≦ 60
Sekunden einpreßt.
33. Verfahren nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Metallkomponente beim Druckgußverfahren in ≦ 5
Sekunden einpreßt.
34. Konstruktionselement, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der
Ansprüche 19 bis 33.
35. Bauteil, umfassend ein Konstruktionselement nach einem der
Ansprüche 1 bis 18 und 34.
36. Verwendung eines Konstruktionselements nach einem der Ansprüche
1 bis 18 und 34 oder eines Bauteils nach Anspruch 35 im
Maschinen-, Motoren- und Apparatebau.
37. Verwendung eines Konstruktionselements nach einem der Ansprüche
1 bis 18 und 34 oder eines Bauteils nach Anspruch 35 in
Bremselementen, Zylinderköpfen, Motor- und Getriebegehäusen,
Kolben, Pleuel, Nockenwellen, Lagerkomponenten, Schwungrädern,
Turbinen, Felgen und Rotoren.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997150600 DE19750600A1 (de) | 1997-11-14 | 1997-11-14 | Metallverstärktes Konstruktionselement |
PCT/EP1998/006839 WO1999025885A1 (de) | 1997-11-14 | 1998-10-28 | Metallverstärktes konstruktionselement |
Applications Claiming Priority (1)
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