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Title:
METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT, COMPONENT AND USE THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/022802
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a component, which contains an intermetallic/ceramic composite material, involving the following method steps: producing a mixture consisting of at least one reactive constituent, whereby the reactive constituent contains titanium oxide; producing a ceramic preform from the mixture; whereby the ceramic preform has an open porosity ranging from 46 % to 60 %; placing the ceramic preform into a pressure die-casting tool; pressure-infiltrating the ceramic preform with aluminum or with an aluminum alloy to form an aluminum/ceramic composite material, whereby the aluminum alloy contains less than 7.3 % by weight of silicon; heat treating the aluminum/ceramic composite material above 500 °C in order to transform it into an intermetallic/ceramic composite material.

Inventors:
BOLDIN JUERGEN (DE)
HAUG TILLMANN (DE)
RAUSCHER STEFFEN (DE)
SCHEYDECKER MICHAEL (DE)
WEISSKOPF KARL (DE)
Application Number:
PCT/EP2003/008231
Publication Date:
March 18, 2004
Filing Date:
July 25, 2003
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER CHRYSLER AG (DE)
BOLDIN JUERGEN (DE)
HAUG TILLMANN (DE)
RAUSCHER STEFFEN (DE)
SCHEYDECKER MICHAEL (DE)
WEISSKOPF KARL (DE)
International Classes:
C04B41/51; C04B41/88; C22C1/10; C22C47/10; C22C49/12; F16D69/02; (IPC1-7): C22C1/10; C04B41/51
Foreign References:
EP0864551A21998-09-16
DE19917175A12000-10-19
DE19750599A11998-07-30
DE10125814C12002-07-25
EP0933439A11999-08-04
EP0790223A11997-08-20
Attorney, Agent or Firm:
Brückner, Ingo (Intellectual Property Management IPM C 106, Stuttgart, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils umfassend einen IntermetallicKeramikVerbundwerkstoff unter Anwendung folgender Schritte : Herstellen einer Mischung aus mindestens einer reakti ven Komponente, die mindestens ein Titanoxid umfasst und Hilfsstoffen, Herstellung einer keramischen Preform aus der Mi schung, wobei die keramische Preform eine offene Porosität zwischen 46 % und 60 % aufweist, Einlegen der keramischen Preform in ein Druckgiess werkzeug, wobei die Preform einen Formhohlraum mindes tens teilweise ausfüllt, Druckbefüllung des Formhohlraums und gleichzeitiger Druckinfiltration der keramischen Preform mit einer A luminiumlegierung zu einem AluminiumKeramik Verbundmaterial, wobei die Aluminiumlegierung höchstens 7,3 % Silizium enthält, Wärmebehandlung des AluminiumKeramikVerbundmaterials zur Umwandlung in einen IntermetallicKeramik Verbundwerkstoff.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform eine nichtreaktive Komponente mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W/mK umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanoxid zumindest teilweise in der Rutilmodi fikation vorliegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der keramischen Preform folgende Schritte umfasst : mischen der Komponenten mit Bindemitteln und/oder Po rosierungsmittel, "Sprühgranulieren der Mischung, uniaxiales Pressen der Mischung zu einem Grünkörper, Wärmebehandlung des Grünkörpers und thermische Zerset zung der Bindemittel und/oder Porosierungsmittel.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, der sprühgranulierten Mischung weitere Komponenten tro cken zugemischt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Sprühgranulieren ein rieselfähiges Pulver mit Aggregaten im Durchmesser zwischen 50 und 120 Am her gestellt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Preform bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1200 °C gesintert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Preform einen Porendurchmesser zwi schen 0,5 Am und 8 Um aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Preform eine Porosität zwischen 52 % und 58 % aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung metallische oder nichtmetallische Ver stärkungsfasern beigefügt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Verstärkungsfasern auf der Basis von Nickel, Eisenoder TitanLegierungen bestehen.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern eine Länge zwischen 6 mm und 20 mm aufweisen.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, die Fasern eine Wellen, Spiraloder ZickZackGeometrie aufweisen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium oder die Aluminiumlegierung während des Druckinfiltrieren eine Temperatur zwischen 500°C und 730°C aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung des AluminiumKeramik Verbundwerkstoffes zwischen 500°C und 1000°C, insbesonde re zwischen 580°C und 800°C erfolgt.
16. Bauteil, umfassend einen IntermetallicKeramik Verbundwerkstoff, wobei der IntermetallicKeramik Verbundwerkstoff mindestens eine TitanaluminidPhase und mindestens eine AluminiumoxidPhase aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der IntermetallicKeramikVerbundwerkstoff zwischen 40 % und 54 % Aluminium oder einer Aluminiumlegierung enthält, ein Anteil an Silizium weniger als 7,3 % am An teil des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung beträgt und eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 15 W/mK auf weist.
17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der IntermetallicKeramikVerbundwerkstoff ein Elas tizitätsmodul von weniger als 180 MPa aufweist.
18. Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der IntermetallicKeramikVerbundwerkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 7 x 106 K1 und 10 x 136K1 aufweist.
19. Bauteil nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil neben dem IntermetallicKeramik Verbundwerkstoff Funktionselemente aus Aluminium oder ei ner Aluminiumlegierung aufweist.
20. Verwendung eines Bauteils nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bremsscheibe, ein Bremsscheiben reibring oder Bestandteil eines mechanischen Laders ist.
Description:
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, Bauteil und Verwendung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils umfassend einen Intermetallic-Keramik-Verbundwerk- stoffs nach Anspruch 1 sowie ein Bauteil umfassend einen In- termetallic-Keramik-Verbundwerkstoff nach dem Oberbegriff von Anspruch 16 sowie eine Verwendung des Bauteils nach Anspruch 20.

Intermetallic-Keramik-Verbundwerkstoffe, wie sie z. B. in der DE 197 50 599 AI beschrieben werden, basieren in der Regel auf eine Druckinfiltration einer porösen keramischen Preform durch ein flüssiges Metall, wobei das flüssige Metall in ei- ner Reaktion Komponenten der Preform in intermetallische Pha- sen umwandelt.

Diese intermetallischen Phasen sind meistens hochtemperatur- beständig, verschleißbeständig und weisen eine hohe Oxidati- onsresistenz auf.

Für einige Anwendungen, z. B. als Bremse besitzen diese Werk- stoffe jedoch eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit, was u. a. zu hohen Wärmespannungen führt. Zudem belastet eine hohe Re- aktivität zwischen Infiltrationsmetall (meistens Aluminium) und Preform wie im Beispiel der DE 197 50 599 AI die Stand- zeit der Druckgießwerkzeuge, was zu erhöhten Produktionskos- ten führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Intermetallic-Keramik- Verbundwerkstoff und ein derartiges Bauteil bereitzustellen, das bei Hochtemperaturbelastung geringere Wärmespannungen aufweist, und in der Herstellung einen geringeren Werkzeug- verschleiß verursacht.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, in einem Bauteil nach Anspruch 15, sowie in einer Verwendung nach Anspruch 20.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 umfasst fol- gende Schritte : Mindestens eine reaktive Komponente wird mit Hilfsstoffen ge- mischt. Die reaktive Komponente besteht zumindest teilweise aus Titanoxid. Hilfsstoffe können hierbei Bindemittel, Füll- stoffe, Lösungsmittel oder anorganische Zusatzstoffe sein.

Aus dieser Mischung wird auf an sich bekannte Weise eine po- röse keramische Preform hergestellt. Die Preform weist eine offene Porosität zwischen 46 % und 60 % auf. Die Preform wird in ein Druckgiesswerkzeug eingelegt und mit einer Aluminium- legierung (im Folgenden Aluminium genannt) unter Druck in- filtriert. Durch die Infiltration wird ein Aluminium-Keramik- Verbundmaterial erzeugt, das im Folgenden vereinfacht PKI (poröse Keramik Infiltration) genannt wird. Das PKI-Material wird anschließend einer Temperaturbehandlung unterzogen.

Das PKI-Material kann zur Ausbildung von funktionalen Berei- chen eines Bauteils bereichsweise von Aluminium umgeben sein.

Die Temperaturbehandlung wird in zweckmäßiger Weise so ge- führt, dass das Aluminium zumindest teilweise aufschmilzt und mit dem Titanoxid, bzw. mit den möglichen weiteren reaktiven Komponenten reagiert (Umsetzungsreaktion). Eine Umsetzungsre- aktion unterhalb der Solidustemperatur des Aluminiums ist grundsätzlich thermodynamisch möglich, jedoch langwierig. Als Reaktionsprodukte entstehen Titanaluminide und Aluminiumoxid.

Der Reaktionsverlauf der Umsetzungsreaktion ist neben der re- aktiven Komponente der Preform von der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung abhängig. Es hat sich gezeigt, dass ein Siliziumanteil in der Aluminiumlegierung die Bildung von rei- nen Titanaluminiden behindert. Zudem wird durch das Silizium ein spontaner unkontrolliert ablaufender Reaktionsablauf be- günstigt. Aus gießtechnischen Gründen ist eine vollständig siliziumfreie Aluminiumlegierung schwer zu realisieren, der Siliziumanteil in der Legierung sollte jedoch nicht mehr als 7, 3 Gew. % betragen. Dies entspricht dem Siliziumanteil einer AlSi7Mg-Legierung. Bevorzugt liegt der Siliziumanteil jedoch geringer als 2 Gew. %, besonders bevorzugt geringer als 1 Gew. %.

Die nichtreaktiven Komponenten verhalten sich während der Re- aktion weitgehend inert. Das entstandene Material ist ein In- termetallic-Keramik-Verbundwerkstoff, im Folgenden vereinfa- chend IMC (intermetallic Composite) genannt.

Die Preformporosität zwischen 46 % und 60 % ist für eine vollständige Infiltration der Preform besonders geeignet. Bei niedrigeren Porositäten neigt die Preform beim Infiltrieren zum Verstopfen, bei höheren Porositäten weist die Preform möglicherweise keine ausreichende Festigkeit für die Druckin- filtration auf.

Durch die Porosität der Preform wird die Aluminiummenge fest- gelegt, die für die Umsetzungsreaktion zur Verfügung steht.

Das stöchiometrische Verhältnis des Aluminiums zur reaktiven Komponente der Preform bestimmt die Reaktionsprodukte der Um- setzungsreaktion und die Eigenschaften des IMC-Werkstoffs.

Die relativ hohe Porosität der Preform führt auch im Ver- gleich zum Stand der Technik zu einem erhöhten Anteil an Me- tallischen oder intermetallischen Phasen, wodurch die Wärm- leitfähigkeit des IMC-Materials steigt und Wärmespannungen reduziert werden.

Zur weiteren Unterdrückung der Reaktivität während der Druck- infiltration kann die Preform eine zusätzliche nichtreaktive, anorganische Komponente aufweisen. Während der Druckinfiltra- tion, die in der Regel weniger als 1 s andauert, findet somit keine autokatalytische (sich selbst aufrechterhaltende) Reak- tion zwischen den Komponenten statt und somit wird das Druck- gießwerkzeug nicht durch zusätzliche Reaktionswärme belastet.

Zusätzlich führen die nichtreaktiven Komponenten zu einer er- höhten Wärmeleitfähigkeit des IMC-Werkstoffs, was einen Auf- bau von Thermospannungen bei hohen Betriebstemperaturen nach- haltig reduziert. Vorteilhafte nichtreaktive Komponenten mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sind Aluminiumnitrid und Sili- ziumkarbid. Auch verschiedene Metalle oder intermetallische Verbindungen können als nichtreaktive Komponenten zugefügt werden. Der Anteil der nichtreaktiven Komponenten liegt be- vorzugt zwischen 5 % und 35 %.

Die Reaktivität zwischen der Preform und dem Metall wird wäh- rend der Infiltration weiter verringert, wenn die reaktive Komponente Titanoxid (TiO2) in ihrer Rutilmodifikation vor- liegt. Die Rutilmodifikation des Ti02 ist weniger reaktiv als eine Anastasmodifikation des Ti02.

Unter Druckgießen wird jedes Gießverfahren verstanden, dass unter erhöhtem Druck in einer metallischen Dauergießform durchgeführt wird. Die metallische Dauergießform wird ent- sprechend Druckgießwerkzeug genannt.

Eine bevorzugt Herstellung der keramischen Preform umfasst folgende Schritte : Mischen der Komponenten, gegebenenfalls Zugabe von Bindemitteln und Füllstoffen (Porosierungsmittel) sprühgranulieren des gemischten Pulvers, uniaxiales Pressen zu einem Grünkörper, gegebenenfalls entbindern des Grünkörpers.

Insbesondere das Sprühgranulieren führt in einer kostengüns- tigen Weise zu einem rieselfähigen Pulver, das sich wiederum sehr gut in dem kostengünstigen Pressverfahren des uniaxialen Pressens verarbeiten lässt. Füllstoffe dienen zur Einstellung der gewünschten Porosität der Preform. Bindemittel können ge- gebenenfalls auch zur Einstellung der Porosität geeignet sein.

Besonders rieselfähig und somit gut pressfähig wird das Pul- ver, wenn es nach dem Sprühgranulieren Aggregate aufweist, die Durchmesser zwischen 50 go und 120 Am aufweisen. Unter Aggregaten werden hierbei feste, poröse, jedoch nicht che- misch gebundene Anhäufungen von einzelnen Pulverpartikeln verstanden. Die Pulverpartikel haben üblicherweise einen Durchmesser zwischen 0, 5pm und 5 Mm.

Bei der Zugabe von verschiedenen zusätzlichen Komponenten wie z. B. von Fasern kann diese in zweckmäßiger Weise nach dem Sprühgranulieren im trockenen Zustand erfolgen.

Für ein besseres Handling kann die Preform bei einer Tempera- tur zwischen 900 °C und 1200 °C bevorzugt zwischen 1000 °C und 1100 °C gesintert werden.

Der Porendurchmesser der Preform beträgt zwischen 0,5 Am und 4 Um. Dieser Bereich ist günstig für das Fließverhalten des Aluminiums während der Infiltration.

Die offene Porosität der Preform liegt zwischen 46 % und 60 %, bevorzugt zwischen 52 % und 58 %. Zur Einstellung der ge- wünschten Porosität können Füllstoffe dem Grünkörper beigege- ben werden, die nach dem Entbindern Poren hinterlassen.

Zu Erzielung eines pseudoplastischen Verhaltens des IMC- Werkstoffs können der Mischung metallische oder nichtmetalli- sche Verstärkungsfasern beigefügt werden (im Folgenden zusam- menfassend Fasern genannt). Werden metallische Fasern beige- fügt, bestehen diese bevorzugt aus einer Kupfer-, Nickel, Ei- sen oder Titan-Legierung. Die Fasern können auch zum Schutz während der Reaktion eine Beschichtung aufweisen. Ein guter Verstärkungseffekt stellt sich mit Fasern von einer Länge zwischen 6 mm und 20 mm ein.

Fasern die eine Wellen-, Spiral-oder Zick-Zack-Geometrie aufweisen können sich im Verbundwerkstoff besser verankern und tragen somit zur Festigkeitssteigerung bei.

Die Temperatur des Aluminiums in einem Gießreservoir beträgt zwischen 500 °C und 730 °C, bevorzugt zwischen 600 °C und 700 °C. Niedrigere Temperaturen können zu einem vorzeitigen Er- starren der Schmelzen und zu einer unzureichenden Infiltrati- on führen, höhere Temperaturen fördern eine unerwünschte, spontanen Reaktion zwischen Preform und Aluminium im Druck- gießwerkzeug. Grundsätzlich ist bei geeigneter Temperierung der Preform und der Gießvorrichtung auch eine Infiltration des Aluminiums im thixotropen Zustand möglich.

Die Wärmebehandlung des PKI-Materials, die zur Umwandlung zum IMC-Werkstoff führt (Umsetzungsreaktion), findet bevorzugt zwischen 500 °C und 1000 °C, bevorzugt zwischen 580°C und 800°C statt. Aufheizraten und Haltezeiten hängen hierbei von der stöchiometrischen und mikrostrukturellen Zusammensetzung des PKI-Werkstoffes ab. Die Heizdauer in diesem Temperaturbe- reich liegt zweckmäßiger Weise zwischen 1 h und 8 h.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Bauteil mit einem Intermetallic-Keramik-Verbundwerk- stoff (IMC) nach Anspruch 16. Dieser Werkstoff umfasst min- destens ein Titanaluminid und Aluminiumoxid (A1203) und weist einen Aluminiumanteil zwischen 40 % und 54 % auf. Der Alumi- niumanteil in Volumen % ist bezogen auf eine keramische Aus- gangsmischung, die mit dem Aluminiumanteil zu dem Intermetal- lic-Keramik-Verbundwerkstoff umgesetzt wird. Der Aluminiuman- teil kann gebunden z. B. im A1203 oder als Aluminiumlegierung vorliegen. Insgesamt beträgt ein Siliziumanteil weniger als 2 % des Aluminiumanteils. Die resultierende Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffes beträgt mehr als 15 W/mK, insbesondere mehr als 25 W/mK, besonders bevorzugt mehr als 30 W/mK. Die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit wirkt sich positiv auf die Wärmespannungen des Materials aus.

Ein geringer E-Modul des Intermetallic-Keramik-Verbundwerk- stoffs und ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient (zwischen 7 x 10-6 K-1 und 13 x I0-6 K~l) wirken sich ebenfalls positiv auf Thermospannungen aus, die bei erhöhten Betriebs- temperaturen auftreten.

Das Bauteil kann vollständig oder teilweise aus dem IMC- Werkstoff bestehen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Bauteil neben dem IMC-Werkstoff Aluminium-Bereiche auf. Somit ist es möglich auf unterschiedliche Werkstoffan- forderung in bestimmten Bauteilbereichen einzugehen.

Besonders geeignet ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils als Bremsschiebenreibring oder als Bestandteil eines mechanischen Laders, da so die Hochtemperaturbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit des IMC-Werkstoff besonders genutzt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung werden in den folgenden Beispielen und der einzigen Figur näher erläutert.

Dabei zeigt : Fig. 1, eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Her- stellung eines IMC-Werkstoffs.

Beispiel 1 Das erfindungsgemäße Verfahren, dass in einer vorteilhaften Ausführungsform in Fig. 1 dargestellt ist umfasst folgende Schritte.

Es wird eine Mischung aus 80 % Titanoxid in der Rutilmodifi- kation 20 Vol. % A1N gemischt. Die mittlere Korngröße beider Komponenten liegt bei etwa 3 Um. Hinzu kommen zusammen etwa 10 Vol % Bindemittel Pölyvinylalkohol, Füllstoffe und Lö- sungsmittel (in der Regel Wasser). Als Füllstoff können z. B.

Polyclycole oder Cellulosederivate verwendet werden. Gegebe- nenfalls können der Mischung noch weitere organische Hilfs- stoffe oder weitere keramische Komponenten wie beispielsweise A1203 zugegeben werden.

Die wässrige Mischung wird sprühgranuliert, wobei sie in ei- nen Sprühturm in einen Heißluftstrahl eingedüst werden. Es entstehen hierbei weiche Aggregate, die einen Durchmesser von etwa 90 Mm aufweisen. Die Verbindung der Aggregate beruht auf Verzahnung und auf Adhäsion. Die Größe der Aggregate wirkt sich vorteilhaft auf die Rieselfähigkeit und die Pressfähig- keit des Pulvers aus. Die Bindung der Aggregate ist derart eingestellt, dass sie bei einem folgenden Pressvorgang zer- fallen.

Das Sprühgranulat wird in eine ringförmige Pressform einge- rüttelt, wobei durch das Rütteln (Vibration) das Granulat verdichtet wird. Ein Pressstempel wird mit einem Pressdruck von etwa 500 bar in die Pressform gedrückt. Nach dem Heraus- fahren des Pressstempels wird ein ringförmiger Grünkörper entformt.

Der Grünkörper wird bei etwa 400 °C an Luft entbindert, wobei die Bindemittel und die Füllstoffe thermisch zersetzt werden und in Form von flüchtigen Komponenten aus dem Grünkörper entweichen. Die Entbinderung kann je nach verwendeten Binde- mittel oder Füllstoffen auch unter inerter Atmosphäre z. B. unter Stickstoff erfolgen. Der entbinderte Grünkörper wird nun als Preform bezeichnet.

Zur besseren Weitehrbehandlung wird die Preform bei 1000 °C unter Stickstoff gesintert. Die Sinterung kann auch unter Luft erfolgen, es muss jedoch dabei berücksichtigt werden, dass bei Beimischung der genannten nichtreaktiven Komponenten bei etwa 1150 °C eine Oxidation des Aluminiumnitrides ein- setzt. Bei der Verwendung von SiC als nichtreaktive kerami- sche Komponente findet bei einer Sinterung an Luft im angege- benen Temperaturbereich keine Oxidation statt.

Durch die Sinterung erhöht sich die Festigkeit der Preform gegenüber der nicht gesinterten Preform. Zwischen den einzel- nen Partikeln bilden sich erste Sinterhälse aus, die gegen- über der Verklammerung, die nach dem Pressen vorliegt, einen Festigkeitszuwachs bewirken. Die Preform weist eine offene Porosität von 54 e mit einem mittleren Porendurchmesser von etwa 4 Mm auf.

Durch die Sinterung wird eine Volumenschrumpfung von 0, 5 % bis 2 æ hervorgerufen. Eine Nachbearbeitung der gesinterten Preform ist dennoch nicht zwingend notwendig, da der einmal bestimmte Volumenschwund in einer Serienproduktion als Aufmaß im Presswerkzeug mit berücksichtigt werden kann.

Es ist möglich, auf die Sinterung zu verzichten, da die unge- sinterte Preform grundsätzlich eine ausreichende Festigkeit zu Druckinfiltration aufweist. Dennoch erfordert das Handling einer ungesinterten Preform mehr Sorgfalt und Aufwand als das einer gesinterten Preform.

Alternative Herstellungsverfahren für die Preform sind bei- spielsweise das Schlickergießen, das kaltisostatische Pres- sen, das heißisostatische Pressen oder das Kernschießen.

Zur Druckinfiltration wird die Preform in einem geeigneten Ofen bei einer Temperatur zwischen 500 °C und 700 °C vorge- heizt. Das Vorheizen erfolgt entweder in einem Kammerofen o- der bei einer Großserienproduktion in einem Durchlaufofen.

Die Vorheizdauer ist so gewählt, dass die Preform gleichmäßig durchgeheizt wird. Die genaue Temperatur hängt von der Wärme- kapazität der Preform deren Ausdehnungskoeffizienten und der Temperatur des zu infiltrierenden Aluminiums ab.

Die vorgeheizte Preform wird in ein Druckgießwerkzeug einge- legt. Das Werkzeug ist derart ausgelegt, dass die Biegemomen- te, die auf die Preform wirken, minimiert sind. Dies betrifft die Kräfte, die durch eine Fixierung im Werkzeug auftreten und die Kräfte, die durch die Druckeinwirkung des Aluminiums entstehen.

Die Druckinfiltration erfolgt nach den selben Grundlagen wie ein herkömmlicher Druckgussvorgang, mit einer 1. Phase, einer zweiten Phase und einer 3. Phase.

Aluminiumschmelze einer Al-Mg-Legierung, die in einem Reser- voir eine Temperatur von 700° C aufweist wird über Befüllvor- richtungen zu dem Druckgießwerkzeug geleitet. Die 1. Phase des Druckgussvorgangs wird soweit geführt, dass ein Anschnitt des Druckgießwerkzeuges und bis zu 60 % eines Formhohlraums, der die Preform umschließt, mit der Aluminiumschmelze gefüllt ist. Die 1. Phase wird mit vergleichsweise geringen Kolbenge- schwindigkeit von 0,1 m/s bis 0,8 m/s geführt (entspricht der Geschwindigkeit der Aluminiumschmelze). Durch die geringe Schmelzengeschwindigkeit wird die mechanische Belastung der Preform eingeschränkt.

In der anschließenden zweiten Phase wird die Geschwindigkeit auf 1 m/s bis 2,5 m/s gesteigert. Die Geschwindigkeitssteige- rung dient dazu, in einer dritten Phase ein Druck aufzubauen.

Der Druck beträgt üblicherweise zwischen 600 bar und 1000 bar und ist von der Geometrie des Formhohlraums und den Kolbenge- schwindigkeiten der vorangegangen 1. und 2. Phase abhängig.

Während der dritten Phase erfolgt eine Nachverdichtung des Aluminiums und die Infiltration der Preform. Die Infiltrati- onstemperatur der Aluminiumschmelze liegt über der Liqui- dustemperatur der Aluminiumlegierung bzw. über dem Schmelz- punkt des Aluminiums, da ansonsten möglicherweise eine vor- zeitigen Erstarrung des Aluminiums eintritt und die Infiltra- tion abbricht.

Andererseits führt eine zu hohe, kritische Temperatur zu ei- ner vorzeitigen Reaktion zwischen der Preform und dem Alumi- nium. Eine derartige Reaktion läuft spontan und von selbst ab, sie kann nicht abgebrochen werden. Die hierbei erzeugte Wärmemenge ist so groß, dass das Druckgießwerkzeug unbrauch- bar wird. Die kritische Temperatur ist unter anderem von der Zusammensetzung der Preform, der Temperatur der Preform und der Temperierung des Druckgießwerkzeuges abhängig. Durch die Wahl der Preform-Rohstoffe, dem Titanoxid in der Rutilmodifi- kation und dem Aluminiumnitrid wird die Möglichkeit einer derartigen Reaktion stark gehemmt. Aluminiumnitrid ist als Rohstoff eine fakultative Mischungsbeigabe, es weist in vor- teilhafter Weise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, führt je- doch auch zu höheren Rohstoffkosten.

Eine genaue Angabe der kritischen Temperatur ist auf Grund der verschiedenen Einflussfaktoren nicht möglich. Im angege- benen Beispiel liegt die kritische Temperatur des Aluminiums (im Gießreservoir) oberhalb von 730 °C.

Die Einstellung der Aluminiumtemperatur erfolgt empirisch und ist vom Aufbau der Druckgießmaschine abhängig, da der Wärme- verlust des Aluminiums vom Reservoir über die Befüllungsein- richtungen bis in das Druckgießwerkzeug bauartbedingt ist.

Die verwendete Aluminiumlegierung ist eine AlSiMg-Legierung mit ca. 1% Legierungsbestandteile. Weitere gebräuchliche Gießlegierungen wie die AlSi7Mg sind ebenfalls anwendbar, so- lange der Siliziumanteil unter 7, 3% liegt. Ebenfalls vorteil- haft ist Reinaluminium, dass jedoch aus gießtechnischer Sicht einen höheren Aufwand erfordert.

Das durch die Infiltration erhaltene PKI-Material wird im Weiteren einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu wird der PKI-Werkstoff bis über die Solidustemperatur der Aluminiumle- gierung bzw. über den Schmelzpunkt des Aluminiums aufgeheizt.

Sobald die flüssige Metallphasen im PKI-Werkstoff vorhanden sind, setzt die Reaktion ein.

Die Reaktionstemperatur wird bevorzugt knapp (10°-50°C) ober- halb der jeweiligen Solidustemperatur gehalten. Die Soli- dustemperatur ändert sich während Reaktion, da verschiedene Bestandteile der Legierung verbraucht werden. Ein Überschrei- ten der Liquidustemperatur sollte im Anfangsstadium der Um- setzungsreaktion vermieden werden. Die Reaktion läuft in ide- alisierter Form wie folgt ab : A1 + TiO2 o Al3Ti + Al203 (Gleichung 1) (Stöchiometriekoeffizienten werden in Gleichung 1 nicht be- rücksichtigt.) Als Endprodukt der Reaktion liegt ein IMC-Werkstoff vor, der aus 35 % Al3Ti, 30 % Al203, 25 % AlN und 10 % Al besteht. Der Anteil des Rest-Aluminiums kann durch die Porosität der Pre- form und durch den Anteil des AlN in der Preform gesteuert werden. Intermetallische Verbindungen von Legierungsbestand- teilen der Aluminiumlegierung können ebenfalls Bestandteil des IMC-Materials sein. Die Legierungsbestandteile könne auch im Kristallgitter der Titanaluminide eingelagert sein. Aus diesen Gründen sind möglichst niedrig legierte Aluminiumle- gierung bis hin zu Reinaluminium vorteilhaft, soweit dies aus gießtechnischen Gründen zweckmäßig ist.

Beispiel 2 Die Herstellung der Preform erfolgt analog dem Beispiel 1, die Infiltration erfolgt jedoch durch ein Squeeze-Casting- Verfahren.

Eine bei 600 °C vorgeheizte Preform wird in ein Squeeze- Casting-Werkzeug gelegt, dass im Wesentlichen einem Druck- gießwerkzeug entspricht. Die Infiltration erfolgt kontinuier- lich, angetrieben durch einen Squeeze-Kolben mit einer Vor- schubgeschwindigkeit von 200 mm/s. Der Squeeze-Kolben hat ei- nen Durchmesser von 80 mm, der Enddruck beträgt 800 bar. Die Infiltration ist in ca. 0,5 s abgeschlossen. Die genannten Parameter sind von der Geometrie eines zu erzeugenden PKI- Bauteils abhängig.

Beispiel 3 Entsprich den Beispielen 1 oder 2, der Mischung werden jedoch 10 Vol % metallische Fasern zugemischt. Die Fasern bestehen aus einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung. Sie weisen eine mittlere Länge von 10 mm und einen Durchmesser von 170 m auf. Die Fasern besitzen einen E-Modul von ca. 300 MPa und eine Zugfestigkeit von 600 MPa. Sie sind bis 1100 °C an Luft oxidationsbeständig.

Beispiel 4 Ein Bremsscheibenreibring, aus einem IMC-Werkstoff, umfassend folgende Phasenzusammensetzung (in Vol %) : 40 % Al3Ti 35 % A1203 25 % A1N Die Al3Ti-Phase ist weitgehend dreidimensional vernetzt. Die anderen Phasen sind zumindest teilweise dreidimensional ver- netzt. Der Werkstoff weist eine Wärmeleitfähigkeit von 24 W/mK auf. Der E-Modul des Werkstoffs beträgt 110 MPA, die Biegefestigkeit 250 MPa und der thermische Ausdehnungskoeffi- zient 8 10-1K-1.

Das Zusammenwirken der charakteristischen Werkstoffeigen- schaften, einem relativ niedrigen E-Modul (E) und Ausdeh- nungskoeffizienten (a) und einer relativ hohen Wärmeleitfä- higkeit (X) bzw. Biegefestigkeit (C) führt zu vorteilhaft ge- ringen Wärmespannungen TS, die folgender Proportionalität un- terliegen : TS-a x E/ (, x cy) Gleichung 2 Beispiel 6 Ein Bremsschiebenreibring aus einem IMC-Werkstoff, umfassend folgende Phasenzusammensetzung (in Vol %) : 35 % Al3Ti 35 % A1203 20 % SiC 10 % Al3Ni-Fasern.

Die Al3Ti-Phase ist ebenfalls dreidimensional vernetzt und der Werkstoff weist ähnliche Eigenschaften wie der in Bei- spiel 5 auf. Die Fasern sind in eine Matrix, die aus den Al3Ti, Al203 und SiC-Phasen gebildet wird, eingebunden. Eine Grenzfläche zwischen den Fasern und der Matrix ist derart gestaltet, dass bei einer Zug-oder Biegebelastung diese eine geringere Festigkeit aufweist als die Matrix oder die Fasern.

Dies führt dazu, dass Energie bei der Trennung der Grenzflä- che verzehrt wird und der Werkstoff ein pseudoduktiles Bruch- verhalten aufweist. Die Bruchdehnung wird gegenüber dem un- verstärkten Werkstoff erhöht.

Beispiel 7 Ein Verbundbauteil umfassend einen IMC-Werkstoff analog der Beispiele 4 bis 6 wird nach einem Verfahren analog der Bei- spiele 1 bis 3 hergestellt. Die Preform und der Formhohlraum sind geometrisch jedoch so aufeinander abgestimmt, dass nach dem Erstarren dass Bauteil sowohl Bereiche aus PKI-Material und Aluminium aufweist. Aluminium-Bereiche und PKI-Bereiche sind fest miteinander verbunden. Das PKI-Material wird an- schließend selektiv über induktive Beheizung erhitzt und zu dem IMC-Werkstoff umgewandelt. Die Aluminiumbereiche bleiben hiervon unberührt. Das fertige Bauteil weist demnach an Be- reichen, die beispielsweise einem hohen Verschleiß unterlie- gen den IMC-Werkstoff auf, Bereiche, die z. B. einer hohen Duktilität bedürfen wie Anbindungsbereiche an weitere Bautei- le sind in dem dafür geeigneten Aluminium ausgestaltet.

Eine selektive Beheizung kann ebenfalls durch eine andere ge- eignete Heizquelle, z. B. durch eine Laserbehandlung oder ei- ne Infrarotquelle erfolgen.