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Patent Searching and Data


Title:
METAL-REINFORCED CONSTRUCTIONAL ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/025885
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a constructional element (or parts thereof which are subjected to particular stress) with a matrix consisting of magnesium or an Mg alloy, characterised in that it comprises metal reinforcement elements. The invention also relates to a method for producing the constructional element and to its use.

Inventors:
Claussen, Nils (Auf den Schwarzen Bergen 15 Rosengarten, D-21224, DE)
Janssen, Rolf (Lohmannsweg 29 Hamburg, D-21075, DE)
Krupp, Axel (Haakestrasse 26 Hamburg, D-21075, DE)
Wagner, Florian (Chateauneufstrasse 8 Hamburg, D-20535, DE)
Application Number:
PCT/EP1998/006839
Publication Date:
May 27, 1999
Filing Date:
October 28, 1998
Export Citation:
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Assignee:
Claussen, Nils (Auf den Schwarzen Bergen 15 Rosengarten, D-21224, DE)
Janssen, Rolf (Lohmannsweg 29 Hamburg, D-21075, DE)
Krupp, Axel (Haakestrasse 26 Hamburg, D-21075, DE)
Wagner, Florian (Chateauneufstrasse 8 Hamburg, D-20535, DE)
International Classes:
B22D19/14; B22F3/26; C22C47/08; (IPC1-7): C22C1/09; B22F3/26
Foreign References:
EP0408257A2
EP0340957A2
EP0133191A2
EP0071449A1
EP0110064A1
US3970136A
US3890690A
Attorney, Agent or Firm:
Weickmann H. (Kopernikusstrasse 9 München, D-81679, DE)
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Claims:
Patentansprüche<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR>
1. Konstruktionselement, dadurch gekennzeichnet, daß es einen offenporigen Vorkörper, umfassend metallische Verstärkungselemente, dessen Poren von einer Matrix einer Metallkomponente ausgewähit 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 AI oder gegebenenfalls aushärtbarer AlLegierung bestehen.
7. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Verstärkungselemente einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 3000, um aufweisen.
8. Konstruktionselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Verstärkungselemente einen Durchmesser im Bereich von 50 bis 500, um aufweisen.
9. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporige Vorkörper Porenräume im Bereich von 10 bis 5000 nom aufweist.
10. Konstruktionselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporige Vorkörper Porenräume im Bereich von 100 bis 2000, um aufweist.
11. Konstruktionselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der offenporige Vorkörper aus zweioder dreidimensionaler Drahtwicklung oder Drahtrovings oder Drahtgewebe,gewerken, gestricken odermatten 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, um.
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, um.
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, AIN, Si3N4, Al203, MgO oder/und MgSpinell umfaßt.
19. Verfahren zur Herstellung eines Konstruktionselements, umfassend die Schritte (a) Bilden eines offenporigen, metallische Verstär kungselemente umfassenden Vorkörpers, (b) Einpressen einer Metalikomponente ausgewähit 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 zweioder dreidimensionaler Drahtwicklung oder Drahtrovings oder Drahtgewebe,gewerken, gestricken odermatten oder Laminaten daraus oder drahtartiger Wolle oder filterartigen, gegebenenfalls gesinterten Metaligebilden 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, Strickoder PrepregTechnik oder Sieb, Schweiß, Klebeoder 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 Inertgasatmoshäre durchführt.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metalikomponente 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 < Sekunden einpreßt.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metalikomponente 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, Motorenund Apparatebau.
37. Verwendung eines Konstruktionselements nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und 34 oder eines Bauteils nach Anspruch 35 in Bremselementen, Zylinderköpfen, Motorund Getriebegehäusen, Kolben, Pleuel, Nockenwellen, Lagerkomponenten, Schwungrädern, Turbinen, Felgen und Rotoren.
Description:
Metaliverstärktes Konstruktionselement Beschreibung 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 Leichtmetalikomponenten 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, Au203) 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 Al203-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 44 471 30 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 V 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 Metalikomponente 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 AI 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 AI 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, um geeignet sind. Martensitisch ausgehärtete Stahidrähte, die für höchste Festigkeiten eingesetzt werden, sind beispielsweise in Durchmessern zwischen 10 und 3000, um kommerziell erhältlich. Bevorzugt beträgt der Durchmesser der metallischen Verstärkungselemente 50 bis 500 nom.

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, um und vorzugsweise von 100 bis 2000, um geeignet. Auch poröse Strukturen aus schmeizextrahierten Metallfasern, die nach dem Dresdner IFAM-Verfahren hergestellt werden, stellen geeignete Vorkörper dar, zumal mit diesen Verfahren auch Fasern auf Basis von FeAI und NiAI und anderen intermetallischen Werkstoffen hergestellt werden können. Solche faserigen Vorformen haben Porositäten zwischen 80 und 97 % und Porengrößen im Bereich von 5 bis 200 pm.

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 Metalikomponente. Hierzu kann in der Praxis ein zwei-oder dreidimensionaler drahtnetzwerkartiger Vorkörper, wie

vorstehend erwähnt, gebildet werden und vor Infiltration mit der <BR> <BR> <BR> <BR> Metalikomponente 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 pm und vorzugsweise zwischen 10 und 500 nom verwendet.

Die eingesetzte Menge der Keramikphase hängt von den weiteren Komponenten, also den metallischen Verstärkungselementen sowie der Metalikomponente 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 Metalikomponente vorhanden.

Beispiele bevorzugter Verbindungen, die in der Keramikphase vorhanden sein können, sind etwa SiC, B4C, Fe3C2, AIN, Si3N4, Au203, 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, Cr203, CuO, Cu20, CoO, Co203, FeO, Fe203, Fe304, HfO2, Li20, MnO, Mo03, Na20, Nb20, Nb205, NiO, SiO2, TiO, TiO2, V205, WO3, Y203, ZrO2, Mullite, Spinelle, Zirkonate, Titanate sowie Fe-, Ti-, Co-, Ni-, Zr-, Si-, Nb-haltige Erze, insbesondere Zirkon (ZrSiO4) oder liment (FeTiO3). Bei Verwendung von weniger exotherm reagierenden Substanzen, wie z. B. TiO2 oder Nb205 können auch exotherm stärker aktive Oxide, wie FeO, Fe203, Fe304, 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 Metalikomponente 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 anfäliig 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 Metalikomponente erfolgt mittels Gasdruck, Preßguß (squeeze casting) oder Druckguß (die pressure casting), wobei Druckguß im allgemeinen bevorzugt sein wird. Die Druckinfiltration der niedrig schmeizenden Metallkomponente in einem der vorstehenden

Verfahren wird im aligemeinen bei einem Druck im Bereich von 1 bis 150 MPa (10 bis 1500 at) durchgeführt werden.

Die Temperatur der einzupressenden Metalikomponente liegt oberhalb des Schmelzpunkts der besonderen verwendeten Metal I kompo nente und liegt im aligemeinen 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 Metalikomponente in einem Zeitraum < 20 Minuten eingepreßt. Beim Druckgußverfahren werden kürzere Infiltrationszeien angewandt, bevorzugt < 60 Sekunden und stärker bevorzugt Sekunden, bis hin zu einem Zeitraum von einer tausendstel Sekunde bis 1 Sekunde.

Als einzupressende Metalikomponente 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 Al203-Teilchen enthielt und von einem Drahtnetz durchzogen war, hergestellt durch

Druckschlicker-lnfiltration von Drahtgewebe mit A1203-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 Stahtdrähte, Klaviersaite (ca. 2000 MPa) könnten ohne wesentliche Gefügeänderung eingebaut werden, dasselbe gilt für hochfeste Aluminiumlegierungsdrähte.

3. Eine oberflächliche Anlösung der Metalldrähte (von wenigen, um) 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.

Beispiel 1 Ein Stahidrahtgewebe mit einem Drahtdurchmesser (d) von 200 um und einer Maschenweite (w) von 500, um wurde zu einem Zylinder gerollt und anschließend mit drei Lagen eines 200, um dicken Al-Drahtes umwickelt.

Danach wurde eine zweite Lage eines Drahtgewebes mit diesmal d = 300 , um und w = 1000, um darübergerollt und anschließend nochmal mit mehreren Lagen eines 100, um dicken Kupferdrahtes umwickelt. Dieser Drahtwickelkörper, der etwa einen Porenraum von 60 Vol.-% besaß, wurde anschließend in einer Gasruckinfiltrationsanlage 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, um Aluminiumdrahtes sowie des Kupferdrahtes in der Magnesiummatrix erhalten waren. Dies zeigt, dal3 trotz der relativ langen Infiltrationszeit niedrig schmeizende metallische Verstärkungselemente wie etwa Aluminiumdraht nicht aufgelöst werden.

Beispiel 2 Ein"Gekuplat"der Firma GKD, Düren, bestehend aus zwei ineinander versinterten Drahtgeweben (Bezeichnung 150 mesh/10 mesh) mit 1. d = 560 nom und w = 2 mm sowie d = 63 nom und w= 100, um wurde zu Zylindern mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Höhe von 15 mm gerollt und anschließend mit SiC-Teilchen (6, um, 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.

Beispiel 3 Ein Polymer-beschichtetes Drahtgestrick aus Stahl 1.4301 der Fa. GKD, Düren, wurde als Grundkörper verwendet. Der Drahtdurchmesser betrug 250 nom und das Gestrick hatte eine Maschenweite von ca. 800, um. Dieser Drahtkörper wurde in einer zylindrischen Gipsform mit Durchmesser 450

mm mit einem wäßrigen Schlicker aus 70 Vol.-% bimodalen A'203 (Al 7 NE) und 30 Vol.-% TiO2 (Riedl-de Haen) unter Vakuum infiltriert. Der verwendete Schlicker war zur sterischen Stabilisierung und zur Verbesserung der Grünfestigkeit mit 1,4 Gew.-% organischen Polymer- Bestandteilen versetzt. Nach dem Trocknen wurden die 10 mm hohen Grünkörper an Luft gesintert. Zunächst wurden die Körper mit 2 °C/min auf 300 °C geheizt. Während der 3stündigen Haltezeit bei 300 °C wurden die Polymerbestandteile aus dem Grünkörper ausgebrannt und die Beschichtung des Drahtgestrickes pyrolysiert. Anschließend wurde zunächst mit 2 °C/min bis 950 °C und anschließend mit 5 °C/min auf 1150 °C aufgeheizt und dort 30 min gehalten. Danach wurde der Ofen mit 10 °C/min abgekühlt.

Nach dem Sintern hatten die Körper eine Porosität von ca. 35 % TD (theoretische Dichte) der keramischen Matrix bei einem Volumenanteil von 15 % des Drahtgestricks. Anschließend wurden die Körper in einem Labor- Squeeze-Caster mit einer 10 Gew.-% Mg-/90 Gew.-% Al-Legierung mit 30 MPa druckinfiltriert. Der Preßgußvorgang dauerte-30 s. Danach resultierte ein Verbundkörper mit 50 mm Durchmesser (entspricht dem Innendurchmesser der Preßgrußform), in dem der infiltrierte Vorkörper ohne meßbare Dimensionsänderung völlig dicht enthalten war. Eine 2tägige Glühbehandlung bei 500 °C an Luft führte zur Bildung von Tical3 ohne wesentlichen Angriff des Stahigestricks sowie einer Matrix aus Au203.

Beispiel 4 Die Herstellung der Grünkörper erfolgte wie in Beispiel 3, jedoch wurden die Grünkörper unter Vakuum gesintert. Zunächst wurde ein Ausbrandzyklus wie in Beispiel 3 durchgeführt, anschließend wurden die ausgebrannten Grünkörper unter Vakuum mit einer Heizrate von 3 °C/min bis 1150 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 30 min gehalten und dann mit 10 °C/min abgekühlt. Anschließend wurde wie in Beispiel 3 verfahren.

Beispiel 5 Ein Schlicker, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde mit 10 Vol.-% Hanf- Kurzfasern versetzt, die eine mittlere Länge von 3 mm und einen mittleren Durchmesser von ungefähr 100, um hatten. Das Gemisch wurde unter gleichmäßigem Rühren homogenisiert und wie in Beispiel 3 um den Drahtvorkörper Schlicker gegossen. Der Grünkörper wurde anschließend getrocknet und wie in Beispiel 3 geglüht, so daß die Hanffasern ausbrannten, wonach entsprechende Faserhohiräume entstanden.

Anschließend wurde eine Mg-Legierung (AZ 91) wie in Beispiel 3 in und um die Form herumgepreßt. Sowohl die Porenräume wie auch die Hohtfaserkavitäten waren danach vollständig mit der Legierung ausgefüllt.