DE4212558A1 - Verstaerktes leichtmetallerzeugnis und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein verstärktes Leichtmetallerzeug­ nis und sein Herstellungsverfahren.

Die Verwendung von Leichtmetallen, z. B. Aluminium oder Magnesium und ihrer Legierungen, wird bei der Produktion von Teilen, bei denen eine Gewichtsersparnis von Bedeutung ist, oft als wünschenswerte Alternative zu Eisenmetallen angesehen. Zum Beispiel werden bestimmte Automobilteile, als Alternative zu Stahl oder Gußeisen, aus Aluminiumle­ gierung hergestellt; insbesondere Scheibenbremssättel in Hochleistungsrennwagen werden zu dem ausdrücklichen Zweck eine Gewichtsreduzierung zu erreichen, aus Aluminium hergestellt.

Erzeugnisse, wie Bremssättel sind Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen ausgesetzt, denen ein Gußteil aus Alu­ miniumlegierung im allgemeinen nicht standhalten kann, ohne zu verziehen oder zu kriechen. Solche Erzeugnisse werden durch spanende Bearbeitung eines Rohlings aus Alu­ miniumlegierung gefertigt, aber dies ist ein extrem kostenaufwendiges Verfahren, und das mechanisch bearbeite­ te Erzeugnis ist immer noch durch die hohen Betriebstempe­ raturen den gleichen Problemen ausgesetzt, wie die als Gußteile hergestellten Erzeugnisse.

Es ist bekannt, daß Verstärkungen in Leichtmetallegierun­ gen entweder an ausgewählten Positionen innerhalb des fertigen Erzeugnisses oder gleichmäßig verteilt über das Erzeugnis in einem Metallmatrixverbundwerkstoff verwendet werden. Zum Beispiel sind partikel- oder faserförmige keramische Verstärkungen zur Verbesserung der Eigenschaf­ ten von Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungs­ motoren vorgeschlagen worden, aber solche Verstärkungen sind im allgemeinen mit einer relativ einfachen Formgebung ausgeführt worden, wie z. B. eine zylindrische Einlage aus diesem verstärkten Werkstoff.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Erzeug­ nis aus verstärktem Leichtmetall sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, wobei die Verstärkung eine relativ komplexe Formgebung besitzen kann, kostengünstig zu produzieren und problemlos in die Metallegierung zu integrieren ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Erzeugnis aus Leichtmetallegierungsguß vorgeschlagen, das ein oder mehrere Verstärkungselemente aus Porenkeramik enthält, die innerhalb der Metallmatrix an einer oder mehreren vorbe­ stimmten Positionen integriert sind, an denen eine Ver­ stärkung zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Metallegierung erforderlich ist.

Ebenfalls gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Her­ stellung eines Erzeugnisses aus Leichtmetallegierungsguß bereitgestellt, bei dem eine geschmolzene Leichtmetalle­ gierung in eine Gießform vergossen wird, die eine oder mehrere Verstärkungselemente aus Porenkeramik an vorbe­ stimmten Positionen innerhalb der Gießform enthält, welche den Positionen entsprechen, an denen eine Verstärkung zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des fertigen Gußerzeugnisses erforderlich ist, wobei ermöglicht wird, daß die Schmelze in die Zwischenräume der genannten ein oder mehreren Verstärkungselemente aus Porenkeramik ein­ dringt und sie ausfüllt.

Das genannte Gußerzeugnis kann mit Hilfe von Gießverfah­ ren, wie dem Nieder- oder Hochdruckgießen oder dem Flüssigpressen hergestellt werden. Im allgemeinen wäre insbesondere das Flüssigpreßverfahren in solchen Fällen geeigneter, bei denen das fertige Erzeugnis eine relativ komplexe Formgebung aufweisen soll und die Porenkeramik­ verstärkung eine relativ hohe Dichte hat. Die genannte Porenkeramikverstärkung kann eine Dichte im Bereich von 10 Poren pro Zoll (deren Zwischenräume selbst bei Nieder­ druckgießen leicht durchdrungen und gefüllt werden können) bis 100 Poren pro Zoll oder mehr aufweisen, obwohl es sich versteht, daß mit steigender Porendichte auch der Druck während des Gießvorgangs größer werden muß, damit die Metallschmelze vollständig in die Zwischenräume der Porenkeramik eindringen und sie ausfüllen kann.

Solche Porenkeramik kann Aluminiumsilikat-, Tonerde-, Zirkonerde- oder Mullitwerkstoff umfassen. Die vorher festgelegte gewünschte Formgebung geschieht problemlos, indem zuerst ein verlorenes Kunststoffmodell (z. B. aus Polystyrol) in der gewünschten Gestalt hergestellt wird, wobei dieses Kunststoffmodell durch Eintauchen in eine Aufschlämmung aus Keramikwerkstoff getränkt wird und an­ schließend der Keramikwerkstoff getrocknet und der verlo­ rene Kunststoff weggebrannt wird, so daß eine Porenkeramik der gewünschten Form zurückbleibt.

Porenkeramiken, die im wesentlichen nach dem obigen Ver­ fahren hergestellt werden, sind bekannt und werden als Filter für Metallschmelzen benutzt, wobei sie im allgemei­ nen nach einmaliger Verwendung weggeworfen werden. Bei einer solchen Verwendung werden an diese Porenkeramiken keine besonderen Ansprüche hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften wie z. B. Festigkeit und Verschleißfestigkeit gestellt, und sie haben allgemein eine relativ geringe Dichte, wobei die zu filternde Metallschmelze leicht durch die Poren hindurchfließen kann, indem sie einfach über den Filter gegossen wird.

Dagegen ermöglichen erfindungsgemäß hergestellte Gußer­ zeugnisse, daß solche Porenkeramikwerkstoffe für Zwecke verwendet werden können, die weit von ihrem ursprünglichen Anwendungszweck entfernt liegen. Solche Porenkeramikwerk­ stoffe ermöglichen verbesserte Steifigkeitseigenschaften in gegossenen Leichtmetallegierungen, und solchen Werk­ stoffen kann jede gewünschte Gestalt gegeben werden, um sie in einem Gußteil zu integrieren. Auf diese Weise kön­ nen z. B. vorgeformte gestaltete Verstärkungselemente aus Porenkeramik an solchen Stellen eines Leichtmetallbrems­ sattels integriert werden, an denen eine hohe Beanspru­ chung auftritt, die, ohne einen durch die erfindungsgemäße Anwendung verbesserten Elastizitätsmodul und somit ohne eine verbesserte Steifigkeit, unter den Hochtemperatur­ betriebsbedingungen, denen solche Bremssättel bei Anwen­ dungen in Hochleistungsfahrzeugen ausgesetzt sind, zum Verziehen und Kriechen führen könnte. Insbesondere können Verstärkungselemente aus Porenkeramik vorgeformt werden, um sie in den Jochen solcher Bremssättel zu integrieren, damit die Bremssättel Kräfte aufnehmen können, die sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung relativ zur zu bremsenden Scheibe auf sie wirken.

Es versteht sich, daß es für erfindungsgemäße Erzeugnisse aus Leichtmetallguß viele verschiedene Anwendungen außer der als Scheibenbremssattel gibt. Die Verstärkungselemente aus Porenkeramik verbessern, wie oben erwähnt, die Stei­ figkeit und verändern daneben auch den Gesamtwärmeausdeh­ nungskoeffizienten eines Gußerzeugnisses, das solche Ele­ mente aufweist, und sie können auch dazu benutzt werden, die Verschleißfestigkeit einer Oberfläche von Leichtme­ tallerzeugnissen mit solchen darin enthaltenen Elementen zu erhöhen.

Andere Eigenschaften der Erfindung werden durch die fol­ gende Beschreibung offenbar, die ausschließlich exempla­ rischen Charakter hat mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei

Fig. 1 eine Mikrophotographie eines Schnitts durch eine im Labor hergestellte Probe einer flüssiggepreß­ ten Lichtmetallegierung in 7-facher Vergrößerung zeigt, in die ein Verstärkungselement aus Poren­ keramik mit einer Dichte von 60 Poren pro Zoll integriert ist,

Fig. 2 eine eher systematische Aufsicht auf einen Brems­ sattel ist, in den erfindungsgemäße Verstärkungs­ elemente aus Porenkeramik integriert sind, und

Fig. 3 einen Querschnitt längs der Schnittlinie A-A der Fig. 2 zeigt.

Auf experimentellem Weg wurde ein erfindungsgemäßes Er­ zeugnis aus einer Leichtmetallegierung durch Flüssigpres­ sen einer geschmolzenen Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legie­ rung um ein Verstärkungselement aus Porenkeramik herum hergestellt, das eine Dichte von 60 Poren pro Zoll auf­ wies. Das Flüssigpreßverfahren umfaßte das Vergießen von flüssigem Metall in einen ersten Teil einer Gießform, in der die Verstärkung aus Porenkeramik positioniert war, das Schließen der Gießform unter Druck, so daß das flüssige Metall den Gießforminnnenraum ohne Lufteinschluß ausfüll­ te, die Aufrechterhaltung des Druckes während der Ver­ festigung des Metalls, um sicherzustellen, daß etwaige durch Schrumpfung entstandene Hohlräume geschlossen und ausgefüllt wurden, sodann die Öffnung der Gießform und die Entnahme des geformten Erzeugnisses. Der auf die Schmelze angewendete Druck betrug zwischen 45 MPa und 100 MPa und wurde für einen Zeitraum von 15 bis 90 Sekunden aufrecht­ erhalten. Während der Aufrechterhaltung des Drucks betrug die typische Temperatur der Schmelze zwischen 700°C und 770°C. Das Verstärkungselement aus Porenkeramik hält ohne Hilfsmittel diesen anhaltenden Temperatur- und Druckbedin­ gungen, denen die Schmelze ausgesetzt ist, stand, ohne Schaden zu nehmen, während flüssiges Metall in die Zwi­ schenräume des Porenelementes eindringt und sie ausfüllt.

Das experimentell hergestellte Erzeugnis aus Aluminium­ legierung, das im vorhergehenden Absatz beschrieben wird, war eine scheibenartig geformte Probe, von dem ein Aus­ schnitt in 7-facher Vergrößerung in einer Mikrophotogra­ phie in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Figur werden die hellen Bereiche durch die Aluminiumlegierung und die dunklen Bereiche durch den Porenkeramikwerkstoff gebildet, wobei zu erkennen ist, daß eine weitgehende Durchdringung der Poren des Keramikwerkstoffs durch die Aluminiumlegie­ rung stattgefunden hat. Die obere festere helle Zone in Fig. 1 wird von einer Haut aus Aluminiumlegierung gebil­ det, die auf der Probe entstanden ist, während unterhalb dieser Haut zu erkennen ist, daß die Aluminiumlegierung als fein verteilte abgegrenzte Metallbereiche vorhanden ist, die vom Keramikwerkstoff getrennt sind.

Die im Labor gefertigte und in Fig. 1 dargestellte Probe hatte eine einfache scheibenförmige Formgebung, die durch Flüssigpressen einer Aluminiumlegierung in einer scheiben­ förmigen Gießform hergestellt wurde, die eine scheibenför­ mige Porenkeramikverstärkung enthielt. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung primär die Herstellung von ver­ stärkten Erzeugnissen aus Leichtmetallegierung mit Poren­ keramikverstärkungen von relativ komplexer Formgebung betrifft. Eine solch komplexe Formgebung des Verstärkungs­ elements kann erreicht werden, indem zuerst ein verlorenes Kunststoffmodell, bespielsweise aus Polystyrol, in der gewünschten Gestalt hergestellt wird. Dieses Modell wird dann in eine Aufschlämmung aus Keramikwerkstoff getaucht und darauffolgend getrocknet, wobei der verlorene Kunst­ stoff weggebrannt wird und die Porenkeramik mit der ge­ wünschten Formgebung zurückbleibt. Diese Porenkeramik kann dann in einem gegossenen Erzeugnis aus Leichtmetallegie­ rung erfindungsgemäß integriert werden, wobei Nieder- oder Hochdruckgießen oder Flüssigpressen als Gießverfahren möglich sind.

In den Fig. 2 und 3 wird ein im Flüssigpressverfahren hergestellter Bremssattel 10 dargestellt, in den erfin­ dungsgemäße Verstärkungselemente aus Porenkeramik inte­ griert sind. Der Sattel nimmt vier Bremsbeläge auf, die in gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, wobei jedes Bremsbelägepaar so betätigt wird, daß es auf gegenüberlie­ gende Flächen einer zu bremsenden Scheibe drückt. In Fig. 2 wird die Rotationsachse der Scheibe durch die Strich­ punktlinie 20 dargestellt, während die Rotationsebene der Scheibe durch die Strichpunktlinie 22 dargestellt ist. In Fig. 3 ist erkennbar, daß der Sattel zwei Durchgangsboh­ rungen 24, 26 an jeder Seite des Sattels aufweist, in denen bewegliche hydraulisch betätigte Kolben (nicht dar­ gestellt) eingebaut sind, um die jeweiligen Bremsbeläge zum Bremsen auf die Scheibe zu drücken. Im Betrieb gehören die Joche 28, 30, die um den Umfang der Scheibe verlaufen, und die Joche 32, 34, die axial dazu von einer Seite zur anderen verlaufen, zu den am stärksten beanspruchten Teilen des Sattels 10. Und genau an diesen Jochpositionen ist es wichtig, die Verstärkungselemente 36, 38 aus Porenkeramik erfindungsgemäß vorzusehen. Die Integration solcher Verstärkungen verbessert den E-Modul des Gußme­ tallsattels und versteift ihn auf diese Weise gegen Bie­ gekräfte in den zuvor erwähnten Jochbereichen.

Obwohl eine Ausführung der Erfindung hier mit Bezug auf einen im Flüssigpressverfahren hergestellten Bremssattel aus Aluminiumlegierung beschrieben wird, versteht es sich, daß die Erfindung auf viele andere Leichtmetallerzeugnisse anwendbar ist, die mit dem gleichen oder einem alternative Gießverfahren hergestellt werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen oder den beiliegenden Zeichnungen angegebenen Merkmale, die entweder in ihrer spezifischen Form oder in Form eines Mittels zur Durchführung der genannten Funktion oder aber in Form einer Methode oder eines Verfahrens zur Erreichung des angegebenen Resultats ausgedrückt werden, können, je nach Sachlage, einzeln oder in jeder beliebigen Merkmalkombination zur Realisierung der Erfindung in ver­ schiedenen Ausführungen benutzt werden.

Claims (9)

1. Ein Erzeugnis aus Leichtmetallegierungsguß, in dessen Metallmatrix ein oder mehrere Verstärkungselemente integriert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Verstärkungselement aus Porenkera­ mikwerkstoff gebildet wird und an einer oder mehreren vorbestimmten Positionen in der Metallmatrix inte­ griert ist, an denen eine Verstärkung zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Metallegierung erforderlich ist.

2. Erzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Verstärkungselement aus Porenkera­ mik eine Dichte zwischen 10 Poren pro Zoll und 100 Poren pro Zoll aufweist.

3. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Verstärkungselement aus Porenkera­ mik aus der Werkstoffgruppe gewählt wird, die Alumi­ niumsilikat, Tonerde, Zirkonerde oder Mullit umfaßt.

4. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des oder jedes Verstärkungselemen­ tes aus Porenkeramik die Fertigung eines verlorenen Kunststoffmodells in der gewünschten Gestalt, das Eintauchen dieses Modells in eine schaumige Aufschläm­ mung aus Keramikwerkstoff und das anschließende Ab­ brennen des verlorenen Kunststoffmaterials umfaßt, um ein solches Verstärkungselement in der gewünschten Gestalt zu schaffen.

5. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis ein Bremssattel (10) für eine Schei­ benbremse ist, in dem Verstärkungselemente (36, 38) aus Porenkeramik in die Metallmatrix an den Positionen (28, 30, 32, 34) des Sattels integriert sind, die im Betrieb großen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

6. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugnis durch ein Flüssigpreßverfahren hergestellt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Leichtmetallegierungsguß mit in der Matallmatrix inte­ grierten Verstärkungselementen, bei dem die geschmol­ zene Leichtmetallegierung in eine Gießform vergossen wird, die eine oder mehrere der genannten Verstär­ kungselemente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungselemente aus porösem Keramikwerk­ stoff bestehen, die an vorbestimmten Positionen inner­ halb der Gießform angeordnet sind; diese Positionen entsprechen den Stellen, an denen eine Verstärkung zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des fertigen Gußerzeugnisses erforderlich ist, wobei das flüssige Metall in die Zwischenräume dieses einen oder mehrerer Verstärkungselemente aus Porenkeramik ein­ dringen und sie ausfüllen kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Verstärkungselement aus Porenkera­ mik eine Dichte im Bereich von 10 Poren pro Zoll und 100 Poren pro Zoll aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oder jedes Verstärkungselement aus Porenkera­ mik aus einer Werkstoffgruppe stammt, die Aluminium­ silikat, Tonerde, Zirkonerde oder Mullit umfaßt.