Zur Reduzierung der Bauteilmasse werden derzeit Anstrengungen unternommen, größere Einzelkomponenten aus Leichtmetallen, bspw. aus Aluminium oder Magnesium, im Druckgußverfahren her- zustellen. Dies gilt insbesondere für den Automobilbau, wo zunehmend das Getriebegehäuse und der Motorblock von Kraft- fahrzeugen aus Leichtmetallen gefertigt werden. Jedoch sind bei der Verwendung von Leichtmetallen die Steifigkeit, die Kriechbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit bei me- chanisch belasteten Teilbereichen der Bauteile vor allem in höheren Temperaturbereichen unbefriedigend. Die mechanische Belastbarkeit von derartigen Leichtmetallbauteilen ist somit begrenzt.

Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE 197 10 671 C2 bekannt. Hieraus geht ein Verfahren hervor, bei welchem ein poröser Opferkörper aus einem keramischen Material (Einlege- teil) in ein Gießwerkzeug lagedefiniert eingesetzt und unter Druck mit einer Metallschmelze (Gießmetall) infiltriert wird.

Durch die Infiltration des Einlegeteils mit dem Gießmetall entsteht an der Stelle des Einlegeteils ein Metall-Keramik- Verbundwerkstoff (Verstärkungselement). Anschließend wird das gegossene Bauteil erhitzt, so daß innerhalb des Verstärkungs- elementes eine Reaktion zwischen dem keramischen Material und dem Gießmetall stattfindet, woraus ein Verbundwerkstoff aus keramischen und intermetallischen Materialphasen resultiert, der bezüglich der Verschleißbeständigkeit und Steifigkeit das Verstärkungselement noch übertrifft. Das Erhitzen des Bau- teils ist jedoch insbesondere bei lokalen Verstärkungen nur mit hohem technischen Aufwand und mit hohen Fertigungskosten zu realisieren. Ferner kann es verfahrensbedingt aufgrund von Biegespannungen zu Beschädigungen des Einlegeteils während der Infiltration kommen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Gießwerkzeug und ein weiter verbessertes Verfahren der oben genannten Art bereitzustellen, so daß Leichtmetallbau- teile mit verbesserter mechanischer Belastbarkeit, insbeson- dere verbesserter Kriechbeständigkeit einfach und kostengün- stig herstellbar sind.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung (Gieß- werkzeug) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfah- ren nach Anspruch 10.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß in dem Gießwerkzeug Fixierele- mente angebracht sind, die das Einlegeteil lagedefiniert po- sitionieren. Die Fixierelemente sind so ausgelegt, daß die Biegemomente, die auf das Einlegeteil wirken, minimiert sind.

Dies geschieht erfindungsgemäß so, daß durch die Fixierele- mente auf das Einlegeteil wirkende Kräfte durch kollineare Kräfte ausgeglichen werden. Das heißt, die Kraftlinien entge- gengesetzter Kräfte liegen auf einer Geraden. Zusätzlich zu den erfindungsgemäßen Fixierelementen ist das Einlegeteil in einem Formhohlraum so positioniert, daß es nicht direkt im Ausbreitungsstrom eines Gießmetalls liegt. Um dies zu reali- sieren, werden Abschirmelemente eingesetzt. Im Idealfall sind diese Abschirmelemente Bestandteile der Formhohlraum-Kontur, wie z. B. Kanten oder Wände, die durch die Bauteilgeometrie vorgegeben sind. Es ist jedoch auch möglich, zusätzliche Fi- xierelemente so zu gestalten, daß sie den Fluß des Gießme- talls gegenüber dem Einlegeteil abschirmen. Gemeinsam verhin- dern die Fixierelemente und die Abschirmelemente eine Beschä- digung des keramischen Einlegeteils und verringern somit die Ausschußquote bei einer Serienproduktion von verstärkten Leichtmetallbauteilen (Anspruch 1).

Das Einlegeteil wird bevorzugt in einer bezüglich einer Gieß- maschine festen Seite des Gießwerkzeuges positioniert, da es so keine Bewegung beim Schließen des Gießwerkzeuges erfährt, durch die es in seiner Lage verschoben werden könnte. Wenn die Geometrie des Bauteils und/oder die Geometrie des Gieß- werkzeuges es erfordern, ist es möglich, das Einlegeteil in einer beweglichen Seite des Gießwerkzeuges oder auf einem Schieber zu positionieren. Des weiteren ist es möglich mehre- re Einlegeteile in dem Gießwerkzeug zu positionieren, die sich in der festen Seite und/oder der beweglichen Seite und/oder auf einem Schieber befinden können (Anspruch 2).

Zur Minimierung der Biegemomente, die auf das Einlegeteil wirken, ist es sinnvoll, das Einlegeteil an einer Wand des Formhohlraums zu positionieren. Dabei ist es wichtig, daß das Einlegeteil paßgenau die Oberfläche der Gießwerkzeugwand aus- füllt. Im Idealfall handelt es sich bei der Gießwerkzeugwand um eine ebene Fläche (Anspruch 3).

Die endgültige Fixierung des Einlegeteils erfolgt beim Schließen des Gießwerkzeugs. Hierfür sind Nasen, Stifte, Kan- ten und/oder Abschirmelemente (Fixierelemente) in der dem Einlegeteil gegenüberliegenden Werkzeugseite (bewegliche Sei- te, falls das Einlegeteil in der festen Seite positioniert ist) oder auf Schiebern einsetzbar. (Anspruch 4).

Bei der paßgenauen Positionierung des Einlegeteil an einer Wand des Formhohlraums, ist es von Bedeutung, daß kein Gieß- metall zwischen das Einlegeteil und der Formhohlraumwand ge- rät. Dies hätte ein Anheben des Einlegeteils zur Folge und würde zusammen mit der Krafteinwirkung der Fixierelemente zu Biegemomenten führen, die eine Zerstörung des Einlegeteils zur Folge hätte. Dies kann verhindert werden, wenn z. B. durch Kanten der gegenüberliegenden Werkzeugseite die Berüh- rungsfläche zwischen dem Einlegeteil und der Formhohlraumwand abgedichtet wird (Anspruch 5).

Bei verschiedenen Bauteilen ist es erforderlich, daß das Ein- legeteil frei im Raum des Formhohlraums positioniert ist. Die Fixierung erfolgt hier ebenfalls durch Fixierelemente. Die Infiltration des Einlegeteils erfolgt nach vollständiger Be- füllung des Formhohlraums gleichmäßig von allen Seiten, das heißt isostatisch. Eine isostatische Infiltration hat den Vorteil, daß die Biegemomente, die auf das Einlegeteil wirken auf ein Minimum reduziert sind (Anspruch 6).

Alternativ und/oder zur Unterstützung der von außen wirkenden Fixierelemente ist es möglich, das Einlegeteil mit Bohrungen zu versehen und auf Stifte, die sich auf der festen Seite oder der beweglichen Seite oder auf einem Schieber befinden paßgenau zu positionieren. Dies ist von Vorteil, wenn die Konstruktion des herzustellenden Bauteils lokal keine Fi- xierelemente im Formhohlraum erlaubt, die im Bauteil als Hohlräume abgebildet werden (Anspruch 7).

Der Querschnitt eines Gießkolbens, der das Gießmetall beför- dert, ist in der Regel größer als der Querschnitt der Öffnung des Formhohlraums (Anschnitt). Hieraus resultiert eine Be- schleunigung des Gießmetalls bei Eintritt in den Formhohlraum bei konstanter Geschwindigkeit des Gießkolbens. Zum Schutz des Einlegeteils gegenüber dem Gießmetall ist es ergänzend zu den Abschirmelementen zweckmäßig, die Geschwindigkeit des Gießmetalls gering zu halten. So hat sich in der Praxis her- ausgestellt, daß die Geschwindigkeit des Gießmetalls im Be- reich des Einlegeteils nicht größer sein sollte als das Acht- fache der maximalen Gießkolbengeschwindigkeit. Daher sollte der Querschnitt des Anschnittes nicht weniger als etwa ein Achtel des Querschnittes des Gießkolbens betragen (Anspruch 8).

Zur lokalen Verstärkung von Leichtmetallbauteilen unter Ver- wendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eignen sich insbe- sondere Bauteile von Verbrennungsmotoren und Getriebe. Hier treten sehr hohe Anforderungen an die Eigenschaften der ver- wendeten Materialien auf. Es sei hierbei die Biegefestigkeit, der E-Modul, der Ausdehnungskoeffizient und die Verschleißbe- ständigkeit genannt. Besondere Anwendung finden lokale Ver- stärkungen etwa bei im Zylinderkurbelgehäuse eingestzten Zy- linderlaufbuchsen. Bei Zylinderlaufbuchsen ist zum einen die Verschleißbeständigkeit von Bedeutung, zum anderen die Stei- figkeit der Laufbuchse. Dies ist besonders wichtig bei gerin- gen Zylinderabständen das heißt schmaler Stegbreite, da es hier ohne Verstärkung zu einer unerwünschten Aufwölbung der Laufbuchse kommt, die zu einem Spalt zwischen Zylinder und Laufbuchse führt, durch den Kraftstoff unverbrannt entweichen kann (blow-by-Effekt). Eine weitere Anwendung lokaler Ver- starkungen sind Grundlagerbereiche einer Kurbelwelle (z. B. im Zylinderkurbelgehäuse und/oder im Kurbelgehåuseunterteil und/oder im Lagerdeckel) sowie Lagerbereiche im Getriebege- häusen. Hierbei kann die erhöhte Steifigkeit des Verstär- kungselementes und der geringere Ausdehnungskoeffizient sowie die höhere Kriechbeständigkeit gegenüber dem unverstärkten Leichtmetall ausgenutzt werden. Aufgrund der guten Ver- schleißbeständigkeit der Verstärkungselemente ist es denkbar, daß diese auch die Lagerschalen im Lagerstuhl ersetzen könn- ten.

Weitere mechanisch belastete Bauteile oder Funktionselemente, die durch Verstärkungselemente verstärkt werden können, sind beispielsweise Pleuel, Turboladerschaufeln oder Gleitsteine auf einer Getriebeschaltgabel. Ferner können Bremsscheiben im Bereich des Reibringes verstärkt werden, wobei die gegenüber dem Leichtmetall erhöhte Verschleißbeständigkeit des Verstär- kungselementes ausgenutzt wird.

Des weiteren kann durch gezielte Wahl der Ausgangszusammen- setzung des Einlegeteils durch Anwendung der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung ein Bauteil in Form eines Kühlkörpers mit ge- ringem Ausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Wärme- leitfähigkeit hergestellt werden (Anspruch 9).

Die im Standard-Druckguß übliche Einteilung des Gießvorganges in drei Phasen, Vorlauf, Füllhub und Nachverdichten, wird im erfindungsgemäßen Verfahren nach Patentanspruch 10 in verän- derter Form angewendet. Die drei Phasen werden durch die Ge- schwindigkeit des Gießkolbens in Abhängigkeit des Füllgrades des Gießwerkzeugs mit dem Gießmetall definiert. Für den Stan- dard-Druckguß ist es charakteristisch, den Gießkolben langsam zu bewegen, bis das Gießmetall den Formhohlraum erreicht (Vorlauf) und anschließend den Gießkolben zu beschleunigen (Füllhub). Befindet sich jedoch ein poröses Einlegeteil im Formhohlraum, dann ist es von Vorteil, den Gießkolben erst dann zu beschleunigen, wenn das Einlegeteil bereits mit dem Gießmetall umgeben ist. Hierdurch wird eine Beschädigung des Einlegeteils vermieden und die Ausschußquote gesenkt. Der Füllgrad des Formhohlraums bei Einsetzen des Füllhubs ist von der Lage des Einlegeteils im Bauteil abhängig und kann zwi- schen 10 % und 90 % betragen, in der Praxis hat sich ein Füllgrad des Formhohlraums zu Beginn des Füllhubs zwischen 50 % und 80 % besonders bewährt.

Bei der Infiltration des porösen keramischen Einlegeteils mit dem Gießmetall entsteht ein Durchdringungsgefüge. Das bedeu- tet, daß die offenen Poren des Einlegeteils, die über Kanäle miteinander verbunden sind durch das Gießmetall ausgefüllt werden. Jede Materialphase bildet demnach ein eigenes dreidi- mensionales Gerüst und beide Gerüste sind so miteinander ver- webt, daß ein dichter Körper entsteht, das Verstärkungsele- ment. Ein Vorteil dieser Art der Verstärkungselemente gegen- über monolithischen Verstärkungselemente, z. B. aus Grauguß, besteht neben der Gewichtsersparnis darin, daß es keine scharfe Trennschicht zwischen dem Material des Bauteils und dem Material des Verstärkungselementes gibt. Vielmehr ist das Metall des Bauteils mit dem Metall des Verstärkungselementes identisch und mit diesem kontinuierlich verknüpft (Anspruch 11).

An die Eigenschaften des Verstärkungselementes werden unter- schiedliche Anforderungen gestellt, somit ist es im Sinne der Erfindung zweckmäßig, für verschiedene Anwendungen verschie- dene keramische Rohpulver als Vorprodukte des Einlegeteils heranzuziehen. Ist z. B. eine hohe Härte oder Verschleißbe- ständigkeit gefordert, dann ist es vorteilhaft, Titankarbid oder Siliziumkarbid als Rohpulver zu verwenden. Im Falle von Bauteilen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen müssen, ist das Siliziumkarbid oder das Aluminiumnitrid ein geeigne- tes keramisches Rohpulver. In vielen Fällen sind die mechani- schen Eigenschaften wie Festigkeit, E-Modul, Kriechbeständig- keit oder Verschleißbeständigkeit unter Berücksichtigung der Rohstoffkosten für die Wirkungsweise des Verstärkungselemen- tes von Bedeutung. Nach diesen Kriterien finden Rohpulver wie Titanoxid, Spinell, Mullit, Aluminiumsilikate oder Tonminera- le Verwendung (Anspruch 12).

Der Einsatz von Fasern in Verbundwerkstoffen bewirkt im All- gemeinen eine Erhöhung der Duktilität eines Verbundmaterials.

Dies rührt daher, daß die Fasern die Energie von Rissen ab- sorbieren und somit das Verbundmaterial einen höheren Bruchwiderstand aufweist. Hierbei ist die Anbindung zwischen der Faser und der Matrix besonders wichtig. Es hat sich her- ausgestellt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Metallfasern insbesondere auf der Basis von Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium besonders hohe Bruchwiderstände erzielt werden. Die günstigste Dicke der Fasern liegt in einem Be- reich zwischen 20 um und 200 um, insbesondere zwischen 35 um und 50 um (Anspruch 13).

Die Geschwindigkeit des Gießkolbens ist in Abhängikeit des Füllgrades des Gießwerkzeuges ein maßgeblicher Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es hat sich herausgestellt, daß die Geschwindigkeit des Gießkolbens während des Vorlaufs zwi- schen 0,1 m/s und 2 m/s von Vorteil ist. In diesem Intervall kann sich die Geschwindigkeit des Gießkolbens während des Vorlaufes erhöhen, wenn dies für den Füllvorgang zweckmäßig ist. Die Geschwindigkeit des Gießkolbens während des Füllhubs beträgt erfindungsgemäß zwischen 1 m/s und 5 m/s, so daß eine niedrige Geschwindigkeit im Vorlauf mit einer niedrigen Ge- schwindigkeit während des Füllhubs verknüpft ist. Die optima- len Geschwindigkeiten hängen jeweils von der Geometrie des Formhohlraums ab und sind demnach gießwerkzeugspezifisch. Im allgemeinen ist darauf zu achten, im Vorlauf die geringstmög- liche Gießkolbengeschwindigkeit des angegebenen Intervalls zu wählen, die eine fehlerfreie Darstellung des Bauteils gewähr- leisten. Der Füllhub sollte mit einer möglichst hohen Ge- schwindigkeit im angegebenen Intervall erfolgen. Die optima- len Geschwindigkeiten in den beschrieben Intervallen müssen für jede Bauteilgeometrie gesondert bestimmt werden (Anspruch 14).

Der Druck des Nachverdichtens resultiert aus der Geschwindig- keit des Gießkolbens während des Füllhubs und aus dem Gieß- kolbenweg während des Füllhubs. Bei Anwendung des erfindungs- gemäßen Verfahrens setzt der Füllhub später ein als im her- kömmlichen Druckgußverfahren, der erzielte Maximaldruck wäh- rend des Nachverdichtens ist dementsprechend niedriger als im herkömmlichen Druckgußverfahren. Er liegt im allgemeinen zwi- schen 600 bar und 1200 bar, in den meisten Fällen zwischen 700 bar und 900 bar, wobei für eine gute Infiltration ein möglichst hoher Druck anzustreben ist (Anspruch 15).

Die Temperatur des Gießmetalls beträgt bei dem erfindungsge- mäßen Verfahren insbesondere bei der Verwendung von Alumini- um-oder Magnesium-Legierungen zwischen 680° C und 780° C.

Die Temperatur ist möglichst hoch zu wählen, damit während der Befüllung des Formhohlraums und insbesondere während der Infiltration des Einlegeteils das Gießmetall so heiß bleibt, daß sich dessen Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur befindet, demnach flüssig bleibt und keine Erstarrung ein- setzt, durch die die Poren des Einlegeteils verstopft werden könnten. Besteht das Gießmetall aus einer Aluminiumlegierung, nimmt dies bei Temperatur über 740° C Wasserstoff aus der Luft auf, was der Qualität des daraus zu gießenden Bauteils schadet. Aus diesem Grund beträgt die optimale Temperatur des Gießmetalls zwischen 700° C und 740° C (Anspruch 16).

Ebenfalls um einer Erstarrung des Gießmetalls vor der Infil- tration vorzubeugen, ist es von Vorteil, das Einlegeteil bei einer Temperatur zwischen 500° C und 800 °C vorzuheizen. Be- sonders vorteilhaft ist eine Vorheiztemperatur, die zwischen 600° C und 700° C liegt, da somit eine mögliche chemische Re- aktion zwischen dem Gießmetall und dem Einlegeteil ausge- schlossen ist und gleichzeitig eine Erstarrung des Gießme- talls hinaus gezögert wird (Anspruch 17).

Das Vorheizen des Einlegeteils kann in einem elektrisch be- heizten Kammerofen erfolgen, was bei der Herstellung von Bau- teilen in kleinen Stückzahlen zweckmäßig ist. Im Rahmen einer Serienproduktion ist jedoch ein Durchlaufofen besonders ge- eignet. Hierdurch wird eine kontinuierliche Bereitstellung der benötigten Einlegeteile für die Produktion gewährleistet und zudem ist eine konstante Temperatur der Einlegeteile ein- stellbar (Anspruch 18). Im weiteren Verlauf der Prozeßkette können die Einlegeteile von einem Gießroboter aufgenommen werden und in das Gießwerkzeug eingelegt werden. Dies erspart Zeit gegenüber einem manuellen Einlegen und gewährleistet ein paßgenaues Positionieren des Einlegeteils im Gießwerkzeug (Anspruch 19).

Besonders vorteilhaft für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, als Gießmetall Aluminium oder Magnesium, beziehungsweise Legierungen dieser Metalle zu verwenden. Die- se Metalle weisen eine geringe Dichte auf und sind zum Ver- gießen in einem Druckgußverfahren gut geeignet (Anspruch 20).

Das Einlegeteil wird besonders gut von dem Gießmetall infil- triert, wenn es eine Porosität zwischen 30 % und 80 % auf- weist insbesondere bei einer Porosität von 50 % ist eine sehr gute Infiltration realisierbar wobei das Einlegeteil eine vergleichsweise hohe Festigkeit aufweist. Der optimale Poren- durchmesser des Einlegeteils liegt zwischen 1 um und 100 um vorzugsweise bei 20 um (Anspruch 21).

Im folgenden ist die Erfindung anhand von sechs Ausführungs- beispielen näher erläutert, die in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind, dabei zeigen : Fig. 1 in einem ersten Beispiel eine Prinzipdarstellung einer Druckgußmaschine mit einer Schnittansicht eines Gießwerkzeuges, mit einem Einlegeteil und einem Gießkol- ben, Fig. 2 in einem zweiten Beispiel eine vergrößerte Schnit- tansicht eines Gießwerkzeugdetails, mit einem in diesem angeordneten Einlegeteil, Fixierelementen und Abschirme- lement, Fig. 3 in einem dritten Beispiel eine vergrößerte Schnit- tansicht eines Gießwerkzeugdetails, mit einem Einlege- teil, Fixierelementen und Abschirmelement, Fig. 4 in einem vierten Beispiel eine vergrößerte Schnit- tansicht eines Gießwerkzeugdetails, in der ein Abschir- melement und ein Einlegeteil, das auf einem Schieber des Gießwerkzeugs positioniert ist, gezeigt ist, Fig. 5 in einem fünften Beispiel eine vergrößerte Schnitt- zeichnung eines Gießwerkzeugdetails mit einem ringförmi- gen Einlegeteil und Fixirelementen, Fig. 6 in einem sechsten Beispiel eine vergrößerte Schnittzeichnung eines Gießwerkzeugdetails, mit einem Einlegeteil, in dem sich Bohrungen befinden und das auf Fixierelemente des Gießwerkzeuges aufgesteckt ist, Fig. 7a, 7b und 7c einen schematischen Verlauf der Befüllung eines Formhohlraums mit einem Gießmetall, Fig. 8 ein Durchdringungsgefüge mit einer metallischen Ma- terialphase und einer keramischen Materialphase.

Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Gießmaschine 12 mit einem Gießwerkzeug 1, das einen Gießlauf 2, einen An- schnitt 3 mit definiertem Querschnitt und einen Formhohlraum 4 mit einer Vorrichtung zur Positionierung des Einlegeteils 5 durch Fixierelemente 7 umfaßt. Ferner besteht das Gießwerk- zeug 1 aus zwei Teilen, die sich im gießbereiten Zustand in einer Trennebene 15 berühren. Einer dieser Teile ist eine fe- ste Seite 16, die bezüglich der Gießmaschine 12 beim Offnen des Gießwerkzeuges 1 ortsfest bleibt, der andere Teil besteht aus einer beweglichen Seite 17, die sich beim Öffnen des Gießwerkzeugs 1 bezüglich der Gießmaschine 12 in Pfeilrich- tung bewegt.

Das Gießwerkzeug ist an einer Gießmaschine 12 befestigt, die einen Gießkolben 11 mit definiertem Durchmesser umfaßt, durch den das Gießmetall 13 mit einer definierten Geschwindigkeit in den Gießlauf 2 und im weiteren Verlauf durch den Anschnitt 3 in den Formhohlraum 4 des Gießwerkzeuges 1 gedrückt wird.

Für eine optimalen Befüllung des Gießwerkzeugs 1 mit dem Gießmetall 13 ist es notwendig, daß das Gießmetall 13 alle Bereiche des Formhohlraums 4 ungehindert erreichen kann.

Durch seine kinetische Energie übt das Gießmetall 13 eine Kraft auf das Einlegeteil 5 aus, die zu Biegemomenten führen kann, die die Festigkeit des Einlegeteils 5 übersteigen kön- nen. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß das Einlegeteil 5 durch Abschirmelemente 6 vor dem Gießmetall 13 geschützt, so daß das Gießmetall 13 das Einlegeteil 5 lateral umfließt. Die Krafteinwirkung auf das Einlegeteil 5 wird somit reduziert.

In Figur 1 ist das Abschirmelement 6 in Form einer Wand des Formhohlraums 6 ausgebildet. Zur weiteren Reduktion der auf das Einlegeteil 5 wirkenden Kräfte ist es notwendig, daß die Fixierung des Einlegeteils 5 so erfolgt, daß die durch die Fixierung wirkenden Kräfte möglichst geringe Biegemomente hervorrufen, was erfindungsgemäß erzielt wird, indem im we- sentlichen durch die Fixierelemente auf das Einlegeteils 5 auftretenden Kraft eine kollineare Kraft entgegenwirkt, das heißt, beide Kräfte auf einer Geraden liegen.

In Figur 1 erfolgt die Fixierung des Einlegeteils 5 in einer Raumrichtung durch eine Nase 8 und der unteren Wand des Form- hohlraums 6, die gleichzeitig als Abschirmelement 6 fungiert. Senkrecht dazu wird das Einlegeteil 5 durch einen Stift 9 und der seitlichen Wand 18 des Formhohlraums 4 fixiert. In beiden genannten Raumrichtungen liegen die Kraftlinien, der auf das Einlegeteil wirkendnen Kräfte auf einer Geraden. Die Geraden, auf denen die Kraftlinien der kollinearen Kräfte liegen, kön- nen in jedem beliebigen Raumwinkel zueinander stehen.

Bei der Positionierung des Einlegeteils 5 im Gießwerkzeug 1 ist bei der Konstrunktion darauf zu achten, Konturen des Formhohlraums, die der Darstellung der Bauteilgeometrie die- nen, als Abschirmelemente heranzuziehen, wie das in Figur 1 veranschaulicht ist. Ist diese Möglichkeit aus Gründen der Konstruktion nicht gegeben, werden Abschirmelemente verwen- det, wie sie in Figur 2 und in Figur 3 gezeigt sind.

In einem weiteren Beispiel wird, wie in Figur 2 gezeigt, ein rechteckiges Einlegeteil 5 durch ein Abschirmelement 6, das in diesem Beispiel in Form einer Kante 10 ausgebildet ist, von unten fixiert. Auf der gegenüberliegenden Seite erfolgt die Fixierung unter Berücksichtigung der Kollinearität der Kräfte ebenfalls durch eine Kante 10. Die waagrechte Fixie- rung des Einlegeteils erfolgt durch Stifte 9.

In Figur 3 ist in einem weiteren Beispiel ein ringförmiges Einlegeteil 5 gezeigt, das in der festen Seite 16 des Gieß- werkzeuges 1 auf einen Stift 9 aufgeschoben ist und durch weitere Stifte 9, die in der beweglichen Seite 17 angebracht sind, an die Wand 18 des Formhohlraums 4 der festen Seite 16 gedrückt wird. Der Gießlauf 2 befindet sich direkt unter dem Einlegeteil, beim Eintritt des Gießmetalls 13 in den Form- hohlraum 4 wird dieses durch das Abschirmelement 6 am Einle- geteil 5 vorbeigeleitet.

Ein weiteres erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel zeigt Figur 4, in der die Trennebene der festen Seite 16 dargestellt ist.

Ein zylinderförmiges Einlegeteil 5 ist auf zwei konischen Schiebern 14 aufgesetzt. Die Schieber sind entweder auf der festen Seite 16 oder der beweglichen Seite 17 befestigt und lassen sich so weit aus dem Formhohlraum 4 heraus fahren, daß das Bauteil entformt werden kann. Die bewegliche und die fe- ste Seite berühren sich formschlüssig in der Trennebene 15 und können zur Entformung des Bauteils getrennt werden. Das Abschirmelement 6 befindet sich unter dem Einlegeteil 5 und ist in diesem Beispiel zweiteilig ausgestaltet, wobei sich der eine Teil in der festen Seite 16, der andere Teil in der beweglichen Seite 17 befindet. Das Prinzip des in Figur 4 ge- zeigten Ausführungsbeispiels ist dafur geeignet, eine Lauf- buchse in einem Zylinderkurbelgehäuse als Verstärkungselement darzustellen. Es ist möglich lediglich einen Schieber zu ver- wenden, auf den das Einlegeteil auf seiner gesamten Länge aufgesetzt wird.

In Figur 5 ist ein ringförmiges Einlegeteil 5 gezeigt, das in der festen Seite 16 positioniert ist. Der Formhohlraum 4 der festen Seite 16 und das Einlegeteil 5 sind kongruent ausge- legt, so daß im Rahmen der Fertigungstoleranzen kein Spiel- raum existiert. Das flüssige Gießmetall ist jedoch in der La- ge, kleine Spalte (> 0,1 mm) zu durchdringen. Die Gewährlei- stung von Toleranzen < 0,1 mm ist bei porösen keramischen Einlegeteilen nur mit hohem Aufwand möglich, dies gilt insbe- sondere dann, wenn man berücksichtigt, daß der Formhohlraum an den zur Trennebene zugewandten Flächen 29 Schrägen zur Entformung des Bauteils aufweist. Demnach ist eine Ausbrei- tung von Gießmetall zwischen den Flächen 29 und dem Einlege- teil 5 (die zu Biegemomenten führen würde) unter den genann- ten Bedingungen prinzipiell möglich. Diese Ausbreitung ver- hindert die Kante 10 der beweglichen Seite 17, gleichzeitig fungiert diese Kante 10 als Fixierelement. In Figur 5 ist das Einlegeteil so positioniert, daß die zur Trennebene zugewand- te Fläche 29 des Formhohlraums 4 als Abschirmelement 6 dient.

In Figur 6 ist eine Schnittansicht des Formhohlraums 4 ge- zeigt, in dem ein mit Bohrungen versehenes Einlegeteil 5 auf Stifte 9 aufgesetzt ist, die in der festen Seite 16 des Gieß- werkzeuges befestigt sind. Weitere Stifte 9 sind in der be- weglichen Seite 17 befestigt und fixieren das Einlegeteil 5 unter Wahrung der Kollinearität der auf das Einlegeteil 5 wirkenden Kräfte. Eine Fixierung des Einlegeteils 5 gemäß Fi- gur 6 ist zweckmäßig, wenn durch Vorgaben der Bauteilgeome- trie an bestimmten Stellen keine äußeren Fixierelemente zu- lässig sind. Die in Figur 5 gezeigten Stifte 9 auf der beweg- lichen Seite 17 könnte erfindungsgemäß auch durch Kanten oder Nasen ausgestaltet sein. Ferner ist es möglich, den Formhohl- raum 4 so zu gestalten, daß die Formhohlraumwand 18 der be- weglichen Seite 17 direkt an dem Einlegeteil 5 anliegt und dieses fixiert. Das Abschirmelement 6 ist in diesem Beispiel unterhalb des Einlegeteils 5 so angebracht, daß es dieses nicht berührt.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, das durch Fig. 7a-7c verdeutlicht ist.

Der konventionelle Druckgußvorgang ist zeitlich in drei Pha- sen unterteilt. In einer ersten Phase bewegt sich der Gieß- kolben 11 (vgl. Figur 1) mit einer konstanten Geschwindigkeit soweit, daß der Gießlauf 2 des Gießwerkzeuges 1 mit Gießme- tall 13 gefüllt wird (Vorlauf). In einer zweiten Phase, dem Füllhub, wird der Gießkolben 11 beschleunigt und der Form- hohlraum 4 mit Gießmetall 13 befüllt. In einer dritten Phase wird der Gießkolben 11 schlagartig abgebremst, da das gesamte Gießwerkzeug 1 mit Gießmetall 13 gefüllt ist, wobei gleich- zeitig ein Druck auf das Gießmetall 13 im Gießwerkzeug 1 auf- gebaut wird, der bis zu 1200 bar betragen kann (Nachverdich- ten). Durch das Nachverdichten wird einer Schrumpfung des Bauteils durch eine Erstarrung des Gießmetalls 13 entgegenge- wirkt, gleichzeitig wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck des Gießmetalls 13 zur Infiltration des Einlege- teils 5 genutzt.

Die Geschwindigkeit des Gießmetalls 13 während des Füllhubs kann je nach Auslegung des Gießwerkzeuges 1 bis zu zehn mal so hoch sein wie die Geschwindigkeit im Vorlauf. Die Füllhub- geschwindigkeit beträgt im Anschnitt 3 üblicherweise zwischen 30 m/s und 50 m/s. Allgemein wird die Geschwindigkeit des Gießmetalls im Anschnitt VA mit folgender Formel berechnet : S SA mit SG = Querschnitt des Gießkolbens [m2] Vs = Geschwindigkeit des Gießkolbens [m/s] SA = Querschnitt des Anschnittes [m2] VA = Geschwindigkeit des Gießmetalls am Anschnitt [m/s] Durch die kinetische Energie, die das Gießmetall 13 hierbei besitzt, kann es zu Beschädigungen des Einlegeteils 5 kommen.

Um dem vorzubeugen, wird erfindungsgemäß der Vorlauf mit ei- ner geringen Geschwindigkeit des Gießkolbens vv (0, l m/s-1,5 m/s) so weit gefüllt, daß das Einlegeteil 5 bereits mit Gieß- metall umgossen ist. Der Füllgrad 26 des Formhohlraums 4 be- trägt beispielsweise ca. 80 % (Figur 7a). Anschließend er- folgt eine Beschleunigung des Gießkolbens 11 während des Füllhubs und der Formhohlraum wird mit höherer Geschwindig- keit des Gießkolbens VF (1 m/s-5 m/s) zu 100 % mit Gießme- tall gefüllt (Figur 7 b). In Figur 7c ist die Geschwindigkeit des Gießkolbens 11 vs als Funktion des Weges SG gezeigt, den der Gießkolben zurücklegt. Die erste Wegstrecke des Vorlauf sV erfolgt mit der geringen Geschwindigkeit VV bis zu dem Füllgrad des Formhohlraums 26, der in Figur 7a gezeigt ist.

Anschließend erfolgt die Beschleunigung des Gießkolbens 11 auf die Geschwindigkeit VF, die über den Weg des Füllhubs SF bis zur vollständigen Füllung des Formhohlraums beibehalten wird (Figur 7b). Nun wird der Gießkolben 11 abrupt abgebremst (Nachverdichten), die Geschwindigkeit fällt auf VN ab, wobei sich der Gießkolben 11 zum Nachverdichten des Gießmetalls nur geringfügig weiterbewegt SN. In dieser Phase des Nachverdich- tens wird das Einlegeteil mit dem Gießmetall infiltriert, was zu der Bewegung des Gießkolbens 11 SN führt.

Der Füllgrad 26 zu Beginn des Füllhubs ist abhängig von der Position des Einlegeteils 5 im Formhohlraum 4 und von der Geometrie des Bauteils und beträgt zwischen 10 % und 90 %.

Die geringste Belastung würde das Einlegeteil 5 erfahren, wenn keine Beschleunigung während des Füllhubs stattfinden würde. Hierbei könnte jedoch eine optimale Befüllung des Formhohlraums 4 mit dem Gießmetall 13 nicht gewährleistet werden. Die optimale Befüllung des Formhohlraums 4 und die mechanische Belastung des Einlegeteils 5 sind zwei Kriterien, die direkt aber gegenläufig von der Geschwindigkeit des Gieß- metalls 13 während des Füllhubs beeinflußt werden. Um beide Kriterien erfüllen zu können, hat sich in der Praxis ein Füllgrad bewährt, der zwischen 50 % und 80 % liegt.

Figur 8 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung eines Durchdringungsgefüges des Verstärkungselements 25. Die kera- mische Materialphase 27 des Verstärkungselements 25 ist drei- dimensional vernetzt und weist ein offenens Porensystem auf, das durch das infiltrierte Gießmetall, der metallischen Mate- rialphase 28, vollständig ausgefüllt ist. Das in dem Durch- dringungsgefüge vorliegende Metall ist mit dem erstarrten Gießmetall, das durch das Bauteil dargestellt wurde, iden- tisch und mit diesem in einer Ubergangsschicht kontinuierlich verbunden. Beide Materialphasen zusammen bilden ein dichtes und porenfreies Durchdringungsgefüge.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Aus- führungsbeispielen zum Verfahren näher erläutert.

Beispiel 1 1. Herstellung des Einlegeteils Zur Pulveraufbereitung wurden 95 Gew.-% TiO2 als Keramikpul- ver und 5 Gew.-% Kohlenstoffpulver mit 15 Gew.-% (bezogen auf die Keramik-Kohlenstoff-Mischung) PEG-Pulver als Bindemittel in einem Sternrotor-Mischer 15 s auf Stufe II und 1 min auf Stufe I gemischt. Die resultierende Mischung hatte eine Schüttdichte von 0,750 g/cm3. Es wurden 3 Gew.-% (bezogen auf diese Mischung) Wasser zugegeben und nochmals in dem Sternro- tor-Mischer 15 s auf Stufe II und 1 min auf Stufe I gemischt.

Das resultierende Pulver wies nun eine Schüttdichte von 0,942 g/cm3 auf.

Zum Pulverrecycling wurde ein Pulver mit der o. g. Zusammen- setzung in einem Sternrotor-Mischer 5 min auf Stufe II ge- mischt. Das Pulver wies anschließend eine Schüttdichte von 1,315 g/cm3 auf.

Dieses Pulver mit einer Schüttdichte von 0,942 g/cm3 bzw.

1,315 g/cm3 wurde kalt in eine auf 75°C aufgeheizte Preßform gegeben. Luftnester wurden entfernt. Die Presse wurde unter Vakuum geschlossen und bei 300 und 600 KN für 5 min ent- spannt. Anschließend wurde mit 1500 KN Preßkraft 2 min unia- xial unter Vakuum gepreßt. Die Presse wurde langsam geöffnet.

Hieraus resultiert ein endformnah gepreßte Grünkörper der bei 60°C im Trockenofen getrocknet und anschließend auf Endmaß nachearbeitet wurde. Optional kann er nach dem Trocknen und vor dem Endbearbeiten nochmals kaltisostatisch gepreßt wer- den.

Zum Ausbrennen der organischen Bestandteile ("Entbindern") wurde der getrocknete Grünkörper in einem Tunnelofen unter Luftzutritt in 60 min auf 100°C erhitzt und bei dieser Tempe- ratur 90 min beheizt, anschließend erfolgten weitere Tempera- turrampen, in 300 min auf 400°C und in weiteren 60 min auf 550°C. An dieser Stelle ist ein weiteres Aufheizen des Grün- körpers auf bis zu 1150° C möglich, was zur Steigerung seiner Festigkeit beiträgt.

Der abgekühlte Grünkörper, der bei einer Temperatur von 550° C behandelt wurde wies anschließend eine Druckfestigkeit von ca. 15 MPa, eine Biegefestigkeit von 3 MPa und eine Porosität von etwa 45 % auf. Grünkörper, die bei 1150° C 1 h geglüht wurden, zeigten eine Biegefestigkeit von 30 MPa und eine Porosität von 35 %. Grünkörper, die nach dem beschriebene Verfahren hergestellt und bearbeitet wurden werden im folgen- den Einlegeteile genannt.

2. Druckinfiltration Das poröse keramische Einlegeteil 5 wurde auf eine Temperatur von 500°C vorgeheizt, um eine vorzeitige Abkühlung des Gieß- metalls durch das Einlegeteil zu verhindern. Anschließend wurde es in einem Gießwerkzeug lagedefiniert eingelegt und erfindungsgemäß fixiert. Danach wurde das Gießwerkzeug ge- schlossen und der Formhohlraum zum Formen des gesamten Bau- teils mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgegos- sen. Dazu können bspw. 99,9 % reines Alumimium oder auch alle für den Druckguß geeigneten Aluminiumlegierungen verwendet werden (bspw. GD 226 oder GD 231). Im einzelnen wurde das Werkzeug während des Gießprozesses auf 300°C temperiert. Der spezifische Druck des Gießmetalls betrug zwischen 600 und 800 bar, die Temperatur lag bei etwa 680 bis 750°C. Der Druckauf- bau erfolgte während des Füllhubs nach einer 60% igen Füllung des Gießwerkzeugs. Die Dauer der Befüllung des Gießwerkzeuges betrug 100 ms bei einer Kolbengeschwindigkeit von etwa 0,2 m/s (Vorlauf) bis 1,8 m/s (Füllhub). Die Zuhaltezeit des Gießwerkzeuges betrug etwa 10s bis 40 s. In diesem Ausfüh- rungsbeispiel erhält man ein Aluminium-Druckgußbauteil mit einem Verstärkungselement aus Titanoxid und Aluminium mit ei- ner Biegefestigkeit von 400 MPa, einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 60 W/mK und einer Dichte von etwa 3,1 g/cm3.

Beim Ausgießen des Gießwerkzeugs wird das Einlegeteil mit der Aluminiumlegierung AlSi9Cu3 (GD226) infiltriert und gleich- zeitig die verbleibenden Zwischenbereiche im Gießwerkzeug, die kein Einlegeteil aufweisen, mit dem Metall ausgegossen.

Hierbei kann ein herzustellendes Bauteil in günstiger Weise seinem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden. So ist es bspw. möglich, ein Zylinderkurbelgehäuse mit verstärkten Ste- gen zwischen den Zylinderlaufbuchsen herzustellen, wobei im Gießwerkzeug entsprechend endformnah geformte Einlegeteil im Bereich der späteren Stege erfindungsgemäß positioniert wer- den. Die verbleibenden leeren Bereiche der Druckgußform, die das spätere Kurbelgehäuse umschließen, stellen dann die Zwi- schenbereiche dar.

Das Ausgießen des Gießwerkzeuges bzw. die Infiltration des Einlegeteils erfolgt bei einer Befüllungstemperatur, die oberhalb der Liquidustemperatur des Gießmetalls liegt, aber so niedrig ist, daß keine Reaktion mit dem keramischen Einle- geteil stattfindet. Insbesondere bei Aluminium als befüllen- des Metall liegt die Befüllungstemperatur unterhalb 750°C.

Bei der Bremsscheibenherstellung kann die resultierende Bremsscheibe nach dem Befüllen im Bereich der Reibflächen des späteren Reibrings in an sich bekannter Weise auf oder ober- halb einer Reaktionstemperatur erhitzt, werden, bei der ein Intermetallic-Keramik-Verbundwerkstoff entsteht. Die Erhit- zung erfolgt bezüglich der Bremsscheibe also selektiv. Sie kann durch Induktions-oder durch Laserbeheizung erfolgen.

Der Energieeintrag kann so gesteuert werden, daß ein Gradient resultiert, wobei der Keramik-Metall-Verbundwerkstoff des Verstärkungselement stufenlos in den Intermetallic-Keramik- Verbundwerkstoff übergeht.

Beispiel 2 Analog zu Beispiel 1 wurde ein poröses keramisches Einlege- teil unter Verwendung von A1N als Keramikpulver hergestellt und unter denselben Bedingungen mit Aluminium infiltriert.

Das Druckgußwerkzeug stellte einen Kühlkörper für Leistungse- lektronik dar. Die keramische Matrix verstärkt der oberen Be- reich des Kühlkörpers, wodurch eine Anpassung des Ausdeh- nungskoeffizienten zwischen Elektroniksubstrat und Kühlkörper bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit geschaffen wird.

Beispiel 3 Analog zu Beispiel 2 wurde ein poröses keramisches Einlege- teil unter Verwendung von SiC als Rohpulver hergestellt und unter denselben Bedingungen mit Aluminium infiltriert.

Beispiel 4 Analog zu Beispiel 1 wurde ein poröses keramisches Einlege- teil unter Verwendung von TiOz als Keramikpulver hergestellt und unter denselben Bedingungen mit einer Magnesiumlegierung (AZ 91) infiltriert.

Beispiel 5 Analog zu Beispiel 1 wurde ein poröses keramisches Einlege- teil unter Verwendung von TiO2 als Keramikpulver hergestellt.

Dabei wurden der Mischung 30 Vol.-% (bezogen auf das Gesamt- Pulvervolumen) Kohlenstoff-Verstärkungfasern in Form von Kurzfasern mit einer Länge von 3 bis 15 mm zugesetzt. Das po- röse keramische Einlegeteil wurde unter denselben Bedingungen mit Aluminium infiltriert.

Beispiel 6 Analog zu Beispiel 1 wurde ein poröses keramisches Einlege- teil unter Verwendung von Ti02 als Keramikpulver hergestellt.

Das Einlegeteil wurde kaltisostatisch in Form eines Zylinders gepreßt und unter denselben Bedingungen mit Aluminium infil- triert. Das resultierende Bauteil ist ein Zylinderkurbelge- hause mit einer durch ein Verstärkungselement dargestellten Zylinderlaufbuchse.