Bremsscheiben, z. B. für Achs-oder Wellenscheibenbremsen werden üblicherweise aus Gusseisen hergestellt. Das hohe Gewicht der bewegten Massen hat in den letzten Jahren jedoch zu einer Reihe neuer Entwicklungen geführt, die im Wesentlichen das Ziel hatten, das Gewicht zu reduzieren, aber auch eine bessere Hochtemperaturfestigkeit zu erreichen. Für ausgefallene High-Tech-Anwendungen werden bereits CFC-oder andere keramikfaserverstärkte Keramikmatrixbremsscheiben eingesetzt (z. B. Formel I), diese sind aber aus Kostengründen für den Masseneinsatz einschließlich für Hochgeschwindigkeitszüge ungeeignet. Aluminiumbasis-Verbundwerk- stoffe mit keramischen Zusätzen (z. B. SiC, Au203, etc.), die nach sehr unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden, werden zur Zeit getestet.

Beispiele hierfür sind die drucklose Infiltration von Aluminiumlegierungen in keramische Vorformen (Primex, Primex-Cast, z. B. US-PS 5,535,857), gerichtete Schmelzoxidation (DIMOX, z. B. US-PS 5,268,339 und US-PS 5,633,213), konventionelle Al-Gießverfahren, bei denen die Schmelze keramische Teilchen enthält (DurAlcan) oder die Infiltration von Faservorfor- men (auf DE 41 12 693, A1 ; EP 0 496 935 A1, EP 0 335 692 oder US-PS 4,842,044). Auch werden verschleißfeste, oft gehärtete oder keramikhaltige Schichten, die auf Bremsscheiben aufgebracht werden, untersucht (z. B. US- PS 5,503,874 oder WO 91/10840), wobei allerdings eine Gewichtsein- sparung nicht erzielt wird.

Die entscheidenden Nachteile dieser Entwicklungen liegen in der Tatsache, dass in allen Fällen, bei denen ein Gewicht gegenüber Graugussscheiben eingespart wird, niedrigschmelzende Aluminiumlegierungen die Matrix bilden. Damit werden die Einsatztemperaturen auf höchstens 430 °C beschränkt, also Temperaturen, die in Scheibenbremsen von heutigen Hochleistungsfahrzeugen leicht überschritten werden. Aus diesem Grunde zielen die neuesten Entwicklungen von Bremsscheiben dahin, Aluminium durch ähnlich leichte aluminiumhaltige intermetallische Phasen zu ersetzen.

Dies wird beispielsweise in der EP 0 800 495 beschrieben, in der reaktive Oxide, wie beispielsweise TiO2, mit Al-Pulver mechanisch so legiert werden, dass in den entsprechenden Pulverpresskörpern schon bei Temperaturen um 450 °C Reaktionen auftreten, die zu einer Al203-Aluminid-Zusammen- setzung führen. Diese Pulvermischungen sind allerdings aufgrund des benötigten sehr feinteiligen Al-Pulvers (Teilchengröße meist < 1 um) so reaktiv, dass sie aufgrund einer sehr leichten Selbstentzündlichkeit kaum zu handhaben sind. Ähnliches gilt für Entwicklungen, bei denen reaktive Pulvermischungen mit flüssigem Aluminium infiltriert werden, sodass eine SHS-Reaktion (SHS : Self-Propagating High Temperature Synthesis) ausgelöst wird, bei der jedoch weder die Temperaturführung noch die Gefügeeinstellung genau kontrolliert werden können, sodass derartige Körper eine hohe Porosität und Mikrorisse aufweisen (z. B. US-PS 4,033,400 ; US-PS 4,585,618 oder US-PS 4,988,645). Die neuesten Entwicklungen sind auf die Druckinfiltration, beispielsweise durch Press- oder Druckguss, von Aluminiumlegierungen in reaktive Vorformen ausge- richtet, bei denen noch während des Druckgussvorgangs eine Umsetzung des geschmolzenen Leichtmetalls mit dem Material der Vorform in A1203 und Aluminide angestrebt wird (z. B. JP 06192767, JP 08143990, EP 0 951 574, DE 197 06 925 A1, DE 197 10 671 A1, DE 197 52 776 C1). In all diesen Fällen wurde jedoch das angestrebte Ziel, nämlich in einem Pressvorgang die vollständige oder auch nur teilweise Reaktion zu erzielen, nicht erreicht. Dadurch wird ein zweiter Wärmebehandlungsschritt notwendig, bei dem die anschließende Durchreaktion der nur infiltrierten

Bremsscheibe erfolgt, was aber zu einer Porenbildung und damit zu einer entscheidenden Schwächung des Konstruktionsteils führt. Alle alumino- thermischen Reaktionen, bei denen während der Reaktion kein zusätzliches Aluminium zugeführt wird, sind mit einer negativen Volumenbilanz verbunden, d. h. der Volumenschwund und damit die Porenbildung liegt oft in der Größenordnung von über 20 %. Nur eine Gasdruckinfiltration von Aluminium in derartige Vorkörper ermöglicht eine Reaktion während der Infiltration, sodass der Volumenschwund nicht auftritt (z. B. DE 196 05 858). Die Gasdruckinfiltration hat allerdings den großen Nachteil, dass sie nicht zur Herstellung von Bremsscheiben geeignet ist, da der Infiltrationsvor- gang zu lange dauert und auch die technischen Voraussetzungen für die Massenproduktion nicht vorliegen. Ein weiterer entscheidender Nachteil der Herstellung von Bremsscheiben durch Druckinfiltration in reaktive Vorkörper liegt darin, dass auch bei einer Teilreaktion die Gesamtfestigkeit der Bremsscheiben für einen kritischen Einsatz zu niedrig ist.

Lösungsansätze für dieses Problem sind in der DE 43 22 113 A1 be- s, chrieben, bei der auf einen gusseisernen Tragkörper ein Metallkeramikkör- per entweder durch Aufsintern bzw. durch drucklosen Einguss in einem Gießwerkzeug aufgebracht wird. Aber auch hier wird wiederum das Gewichtsproblem nicht gelöst. Wenn man den Tragkörper aus Aluminium machen würde, würde wiederum bei Hochleistungsscheibenbremsen die obere Einsatztemperatur zu niedrig liegen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer meta I I keramischen Bremsscheibe bereitzustellen, welches die Nachteile der bekanntlich besonders tribologisch beanspruchten bisherigen metalikeramischen Scheibenelemente nicht oder nur in wesentlich verringertem Maße aufweist. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe bzw. eines Bremsscheibenringes geschaffen werden, die hohen Temperaturen widerstehen kann, wesentlich leichter als

Graugussbremsscheiben ist, die geforderte Festigkeit aufweist und durch ein zur Massenproduktion geeignetes Verfahren erhältlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung einer metalikeramischen Bremsscheibe bzw. Bremsscheiben- rings, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man ein Pulvergemisch, enthaltend als wesentliche Bestandteile : a) Aluminium oder/und Alumini- umlegierungspulver mit einer mittleren Korngröße von mindestens 5, um, b) mit Aluminium unter Aluminidbildung reaktionsfähige keramische oder/und elementare Pulver sowie gegebenenfalls c) unter den angewendeten Druck- und Temperaturbedingungen mit Aluminium nicht reagierende Inertpulver in pulvriger oder vorverfestigter Form auf einen metallischen Stützkörper auf mindestens einer Seite aufbringt, unter Anwendung eines Drucks von 1 bis 100 MPa bei einer mindestens zum Schmelzen der Aluminiumpulverteilchen ausreichenden Reaktionstemperatur auf den Stützkörper presst, bis sich eine metallische Matrix, die mindestens 20 vol% Aluminid enthält und in der fein verteilt reagiertes Au203, bzw. AIN bei Verwendung nitridischer keramischer Verbindungen vorliegt, gebildet hat, die fest am Stützkörper haftet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird demzufolge ein Aluminium mit bestimmten Merkmalen enthaltendes metallkeramisches Pulvergemisch auf einen metallischen Stützkörper bei erhöhter Temperatur aufgepresst. Bei diesem Aufpressvorgang schmelzen die relativ groben Aluminiumpartikel, die mindestens 1 nom und vorzugsweise 5 bis 500pm Korngröße aufweisen, sodass es zu einer in situ Infiltration der die Aluminiumpartikel umgebenden Pulvermasse kommt. Durch den äußerlich aufgebrachten Druck wird eine Umverteilung der Schmelze bewirkt, wobei es gleichzeitig sowohl zu einer Verdichtung des metallkeramischen Pulverkörpers als auch zu einem festen Anhaften auf dem Stützkörper kommt. Das vorzugsweise völlig durch- reagierte auf den Stützkörper fest aufgebrachte metallkeramische Element wird nachstehend als Bremsbelag bezeichnet. Dieser Bremsbelag macht den überwiegenden Volumenanteil des beim erfindungsgemäßen Verfahren

erhaltenen Bremsscheibenelements, einschließlich des Stützkörpers, aus.

Der Stützkörper kann dabei einseitig oder vorzugsweise beidseitig belegt werden. Der Stützkörper selbst kann scheibenförmig oder scheibenringför- mig ausgebildet sein. Der Stützkörper enthäit bevorzugt auf der Innenseite Befestigungselemente, beispielsweise Ösen oder Zapfen, an denen der Bremstopf oder ähnliche Konstruktionselemente, die in den meisten Fälien aus Aluminiumlegierung bestehen, angebracht werden können.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, wie oben schon erwähnt, wesentlich, dass das Aluminium oder/und die Aluminiumlegierung ein relativ grobes Korn aufweist das im Mittel mindestens 5, um oder größere Teilchen aufweist bzw. daraus besteht. Nachstehend werden Aluminium und Aluminiumlegierung vereinfachend als Aluminium bezeichnet. In jedem Falle wird darunter aber Aluminium oder/und Aluminiumlegierung verstanden.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Aluminium weist kuge- lige, äquiaxiale oder irreguläre Form auf. Fein attritierte aluminiumhaltige Pulvermischungen, wie sie beispielsweise für die Herstellung metall- keramischer Verbundkörper nach EP 0 800 495 bzw. WO 97/43228 eingesetzt werden, können nur in inerter Atmosphäre bzw. Vakuum gehandhabt werden, da sie an Luft schnell zur Selbstentzündung und Selbstreaktion neigen.

Neben dem ersten wesentlichen Bestandteil des im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulvergemisches, nämlich dem groben Aluminium- pulver, besteht der zweite wesentliche Bestandteil aus einem oder mehreren mit Aluminium unter Aluminidbildung reaktionsfähigen keramischen oder/und elementaren Pulvern. Diese sind vorzugsweise ausgewähit unter Oxiden, Nitriden und Carbiden von Aluminiumbildnern sowie letzteren in elementarer Form und Mischungen derselben. Als Aluminidbildner bevor- zugte Oxide sind FeO, Fe203, Fe304, Cr203, Nib205, NiO, CoO, TiO, TiO2, Zr02, Mo03, Wo3, V205, SiO2, CuO, Mischoxide, insbesondere Mullit,

Spinelle, Zirkonate, Titanate oder Mischungen davon bzw. auch Erze, wie liment, Hämatit etc.

Als Aluminidbildner-Nitride werden bevorzugt CrN, Cr2N, NbN, Fe. Ny verwendet. Bevorzugt elementar eingesetzte Aluminidbildner sind Cu, Cr, Fe, Ni, Co, Si, Ti, Nb, Hf, Mo, V, W oder/und Zr.

Optional kann die Pulvermischung auch inerte Pulverbestandteile enthalten, vorzugsweise Au203, SiC, AIN, ZrN, TiN, TiB2, TiC oder/und TiCXNv, aber auch metallische Elemente, die über den Mindestanteil von 20 vol% Aluminiden hinaus die metallische Matrix ausmachen.

Die mengenmäßige Zusammensetzung des pulverförmigen Gemisches wird vorzugsweise so eingestellt, dass nach Reaktion des aus Aluminium bestehenden Pulveranteils mit dem unter Aluminidbildung reaktionsfähigen keramischen oder elementaren Bestandteilen ein Körper mit weniger als 10 Vol.-%, besonders bevorzugt weniger als 1 Vol.-% freiem nicht reagiertem Aluminium gebildet wird. Die Zusammensetzung lässt sich anhand der Stöchiometrie der unter Aluminidbildung ablaufenden Reaktionen leicht feststellen oder/und unter bestimmten gewähiten Druck-und Temperaturbe- dingungen durch wenige Vorversuche ermitteln und optimieren.

Bei der Umsetzung der reaktiven Pulverkomponenten mit dem Aluminium werden die Verbindungen zunächst reduziert unter Freisetzung der elementaren Aluminidbildner, die dann mit dem Aluminium zu den Alumini- den weiter reagieren, bei Al-Unterschuss werden die freien Elemente wie beispielsweise Fe oder Ti die restliche metallische Matrix ausmachen.

Die Herstellung der Pulvergemische erfolgt nach üblichen Verfahren durch Vermischen der Komponenten derselben in trockenem oder nassem Zustand, beispielsweise in Kugelmühlen, Taumelmischern, Rührwerken u. dgl.

Bei den oben erwähnten Oxidpulvern laufen mit dem Aluminium alumino- thermische Reaktionen ab, die alle exotherm sind. Diese Reaktionen wurden bereits 1895 von Goldschmidt zum Schweißen von Eisenbahnschienen verwendet und sind z. B. ausführlich in DE 196 05 858 und EP 0 800 495 beschrieben. Da sich fast alle Oxide von Aluminium reduzieren lassen, können z. B. Zusätze von geringeren Mengen an Nb205, Cr2, 03, MoO3, W03, V205, CuO u. dgl. auch nach ihrer Reduktion als Zulegierungselemente zur Beeinflussung der Eigenschaften der entstehenden Aluminide eingesetzt werden. Bei der Reaktion mit Oxiden entsteht stets Au203 im gebildeten metalikeramischen Körper neben dem Aluminid-bzw. Aluminid/Metallanteil.

Soweit reaktive Nitridpulver verwendet werden bildet sich neben dem Aluminid als keramische Komponente AIN.

Neben den Aluminidbildnern können zur Einstellung der Eigenschaften der hergestellten Bremsscheibe auch inerte Pulverbestandteile eingesetzt werden, also solche, die mit Aluminium unter den angewendeten Druck- und Temperaturbedingungen entweder überhaupt nicht oder nur schwach reagieren wie z. B. die oben schon erwähnten Substanzen.

Der auf das Pulvergemisch angewendete mechanische Druck wird bevorzugt durch mechanisches Pressen erzeugt, beispielsweise in handelsüblichen Pressformen. Dabei kann der Druck im Rahmen der Erfindung direkt auf in die Form eingefüllte Pulvermenge ausgeübt werden oder auf einen aus dem Pulvergemisch vorab gebildeten mechanisch oder chemisch verfestigten Vorpresskörper, der z. B. in der Form auf den Stützkörper ein-oder beidseitig aufgelegt und dann dem Pressdruck unterworfen wird. Der Vorpresskörper kann auch bereits durch Warmvorpressen unterhalb der Reaktionstempera- tur, z. B. bei 400 bis 550 °C, verfestigt werden. Hierdurch lasst sich seine Handhabbarkeit, z. B. beim Einlegen in Vorformen mit Stützkörper verbes- sern. Zur leichteren Entformung können die Pressenoberflächen oder/und Vorpresslinge mit Entformungshilfsmitteln wie z. B. feinsteiligen Y203 oder BN behandelt werden.

Als zum Schmeizen der Aluminiumpulverteilchen ausreichende Temperatur wird eine Temperatur von mindestens 600 °C verstanden. Bevorzugt wird auf eine Temperatur von 600 bis 1200 °C erhitzt. Die Dauer der Druck-und Temperatureinwirkung wird durch die Zusammensetzung des Puiver- gemisches bestimmt. Sie soll dazu ausreichen um eine weitgehende Durchreaktion zu ermöglichen, wobei vorzugsweise diese Bedingungen aufrechterhalten werden bis nur noch weniger als 10 Vol.-% freies nicht reagiertes Aluminium vorliegen, besonders bevorzugt bis weniger als 1 Vol.- % freies Aluminium vorhanden ist. Dies wird in der Regel erreicht, indem die Reaktionstemperatur für einen Zeitraum von 0,5 bis 10 Minuten, bevorzugt weniger als 1 Minute, angewendet wird. Unter besonderen Bedingungen können diese Zeiten aber auch unter-oder überschritten werden.

Der metallische Stützkörper selbst besteht aus irgendeinem geeigneten Metall. Bevorzugt werden Eisenlegierungen, Titanlegierungen, Superlegierun- gen oder Grauguss. Der Stützkörper selbst hat vorzugsweise die für das fertige Bremsscheibenelement gewünschte Form und Größe und ist insbesondere als Scheibe oder Scheibenring ausgebildet. Vorzugsweise ist der metallische Stützkörper perforiert, d. h. mit Löchern und Durchbrechun- gen versehen, die einerseits eine Gewichtsreduzierung ergeben, andererseits bei beidseitiger Beschichtung eine Verbindung der beiden metallkeramischen Bremsscheibenelemente (Bremsbeläge) ermöglichen. Wenn die erfindungs- gemäß erhältliche Bremsscheibe eine Innenbelüftung aufweisen soll, wird zweckmäßig ein metallischer Stützkörper verwendet, der zwei-oder mehr- schichtig ausgebildet ist und zwischen den Schichten Belüftungsräume aufweist.

Der metallische Stützkörper weist vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 10 mm und einen Durchmesser zwischen 200 und 1000 mm auf. Ist der Stützkörper scheibenringförmig ausgebildet, so beträgt der innere Durch- messer vorzugsweise 100 bis 600 mm.

Der metallische Stützkörper kann weiterhin auf mindestens einer Seite auch Halteprofile für den Bremsbelag aufweisen, die eine Stärke aufweisen, die bis maximal zur Stärke des aufzubringenden Bremsbelages reichen kann.

Ferner weist der metallische Stützkörper zweckmäßig auf der Innenseite Mittel zur Befestigung eines Bremstopfes oder ähnliche Haltevorrichtungen auf.

Das Pulvergemisch wird auf dem Stützkörper vorzugsweise in solcher Menge aufgebracht, dass sich nach der Reaktion eine Bremsbelagdicke zwischen 2 und 20 mm ergibt.

Die mit dem Aluminium reaktionsfähigen Pulverkomponenten werden bevorzugterweise so gewähit, dass sie Aluminide bzw. zusätzlich Metalle oder Metalllegierungen liefern mit einer Schmelztemperatur von 900 °C oder höher. Die Schmelztemperaturen der verschiedenen Aluminide sind bekannt, sodass die geeignete Wahl unschwierig getroffen werden kann.

Als Inertkomponente kann das Pulvergemisch zweckmäßig äquiaxiale, kugelförmige, faserförmige oder/und plättchenförmige Partiel enthalten, die wiederum vorzugsweise aus der Gruppe ausgewähtt werden, die aus Au203, AIN, TiN, TiC, TiCXNy, TiB2, TiOXCy und SiC besteht. Im Übrigen wird die Zusammensetzung des Pulvergemisches vorzugsweise so gewähit, dass im abreagierten Zustand der Bremsbelag 10 bis 90 Vol.-% metallischer Phase, d. h. mindestens 20 Vol.-% Aluminidphase, bezogen auf die metallische Phase aufweist, die ein zusammenhängendes Netzwerk bildet. Der Rest besteht aus keramischer Phase, die im Rahmen der Reaktion gebildet wird und zusätzlich die Inertkomponenten enthalten kann.

Der mit Aluminium unter Aluminidbildung reaktionsfähige Pulveranteil sollte vorzugsweise eine geringere Korngröße als das Aluminium aufweisen, besonders bevorzugt eine Korngröße im Bereich von 0,05 bis 10 pm aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, welches als reaktives in situ Infiltrations- verfahren bezeichnet werden kann (isi-3A = in situ infiltrated alumina- aluminide alloys), hat gegenüber den bekannten Reaktionspressgussver- fahren, wie sie oben erwähnt sind, folgende Vorteile : 1. Die Bremsbeläge haben eine hohe Festigkeit, weil sie weder Poren- noch Mikrorisse aufweisen, die bei dem zuvor genannten Verfahren infolge des an die Druckgussinfiltration anschließenden Wärmebehandlungsver- fahren verursacht werden (siehe dazu DE 197 52 776 C1).

2. Die stoffliche Zusammensetzung des Bremsbelages wird innerhalb sehr weiter Bereiche hauptsächlich durch die Zusammensetzung der Ausgangspulvermischung kontrolliert und nicht wie bei den Pressdruckinfil- trationsverfahren durch Größe und Anteil der Poren im Vorkörper.

3. Eine vollständige Durchreaktion zwischen Aluminiumteilchen und der keramischen bzw. metallischen Reaktivphase ist einfach durch die Pressdauer und die Höhe der Temperatur erzielbar.

4. Da bei der Druckgussinfiltration ein zweistufiges Verfahren notwendig ist (Druckgießen und anschließendes Reaktionsglühen) wird die Herstelizeit pro Bremsscheibe erheblich verkürzt.

5. Die Kosten für die hier zur Anwendung kommenden Presswerkzeuge und Pressanlagen sind erheblich niedriger als die Druckgusswerkzeuge und Druckgussanlagen, die für die äußere Druckinfiltration verwendet werden.

6. Bei Betrachtung der gesamten Flüssigaluminiummenge im Druckguss- verfahren können auch die Energiekosten für das isi-3A-Verfahren niedriger angesetzt werden, besonders wenn es möglich ist, das Presswerkzeug auf einer einheitlichen Temperatur zu halten. Außerdem entfällt der für das Druckgießen typische Anguss.

7. Während beim Druckgussinfiltrationsverfahren fast ausschließlich nur die Bildung von Trialuminiden (TiC3, NbAtg, FeAl3, etc.) möglich ist, können im erfindungsgemäßen isi-3A-Verfahren auch andere Aluminde (TiAI, FeAI, Ni3AI, etc.) durch die Ausgangszusammensetzung eingestellt werden.

8. Das isi-3A-Verfahren der Erfindung erlaubt eine Near-Net-Shape- Herstellung von Bremsscheiben sowohl was die Form als auch die Dimension angeht, sodass nur eine sehr geringe Nachbearbeitung erforder- lich ist.

Ein Vorteil gegenüber ähnlichen Heißpressverfahren sind die relativ niedrigen aufzubringenden Temperaturen und Drücke.

Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Abbildungen näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar : Bild 1 ein für die Erfindung geeignetes Presswerkzeug im Querschnitt und Draufsicht, welches eine Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung erläutert.

Bild 2 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäß hergestellten gesamten Scheibenbremse.

Bild 3 neun verschiedene Ausführungsformen einer als Ring ausgebildeten Bremsscheibe.

Bild 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung.

Bild 5 den zeitlichen Temperaturverlauf, gemessen am Rand (Edge) und im Zentrum (Center) der in Beispiel 8 beschriebenen Probe.

Bild 1 zeigt im Querschnitt und Draufsicht ein Presswerkzeug mit einem Bremsscheibenring. 1 und 2 bezeichnet den hohlzylinderförmigen Ober- bzw. Unterstempel, 3 und 4 den inneren Ober-bzw. Unterstempel und 5 die äußere Pressform, 6 deutet das Heizsystem an, in diesem Fall eine induktive Heizung, und 7 zeigt den fertigen warmgeformten Bremsscheibenring, schematisch bestehend aus einem perforierten Stützkörper und beidseitigen Bremsbelägen.

In Bild 2 ist eine mögliche Ausführungsform der gesamten Scheibenbremse dargestellt, die aus dem Stützkörper A), den metallkeramischen Brems- belägen B) und dem Befestigungssystem (Ösen, Zapfen, etc.) C) besteht, verbunden mit einem Bremstopf, der bevorzugt aus einer Aluminiumlegie- rung hergestellt ist.

Bild 3 zeigt neun unterschiedliche, nachstehend als Beispiele bezeichnete Ausführungsformen des Bremsscheibenringes, wobei in den Beispielen 1 bis 8 jeweils nur ein einseitiger Querschnitt dargestelit ist, während in Beispiel 9 ein Ausschnitt einer Draufsicht auf einen perforierten Bremskörper gezeigt ist. A) ist wiederum der Stützkörper, B) der metallkeramische Bremsbelag (jeweils grob schraffiert angedeutet) und C) das Haltesystem (Ösen, Zapfen, etc.). Die Beispiele 1 und 2 zeigen jeweils glatte nicht perforierte Stützkör- per, wobei 1 nur ein oberes Randprofil hat, während 2 sowohl ein oberes als auch unteres Randprofil aufweist. Bei guter Haftung des Bremsbelages auf dem Stützkörper kann auch vollständig auf dieses Halteprofil verzichtet werden. Beispiel 3 zeigt einen Stützkörper mit feiner Perforation, die zu einem Zusammenhang beider Bremsbelagseitgen führt. 4 zeigt einen Stützkörper, der zusätzlich zu dem inneren und äußeren Halteprofil drei weitere zentrale Halteprofile enthält. In Beispiel 5 ist dieser Stützkörper zusätzlich perforiert. Beispiel 6 zeigt eine große Perforation, die beispiels- weise rund aber auch viereckig oder in anderer Konfiguration ausgeführt sein kann. Beispiel 7 zeigt einen zweiteiligen Stützkörper, der zwar zu einer volligen Trennung der beiden Bremsbeläge führt, aber eine Innenbelüftung

ermöglicht. Beispiel 8 zeigt, wie die beiden metalikeramischen Brems- belagseiten auch auf einem nichtperforierten Stützkörper ohne Halteprofile durch eine zusätzliche Verschraubung verbunden werden können. Beispiel 9 zeigt eine mittelgroße Perforation sowie das Befestigungssystem mit einer Öse. Die Bilder 1 bis 3 zeigen zwar das Grundprinzip für die Herstellung und Konstruktion des Bremsscheibenrings, es ist aber offensichtlich, dass viele weitere ähnliche Ausführungsformen möglich sind.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine wie oben beschrieben zusammengesetzte Pulvermischung nach konventionellen pulvermetallurgischen Füllverfahren in die in Bild 1 dargestellte Pressform in einer vorbestimmten Menge eingefüllt, die nach völliger Reaktion und Verdichtung die gewünschte Dicke des Bremsbelages auf den Stützkörper ergibt. Für den Start des Befüllvorgangs wird bei hochgefahrenem Ober- stempel 1 der Unterstempel 2 auf eine Höhe gefahren, bei der eine Differenz h zwischen Oberkante des unteren Presswerkzeugs 4 und der Oberseite des Unterstempels 2 eingestellt wird, die gerade der notwendigen Fü) ! höhe für den unteren Teil des Bremsbelages entspricht. In jedem Fall wird eine gleichförmige Befüllung durch konventionelles Abstreifen des Pulvers entlang der oberen Oberfläche des inneren und äußeren Presswerkzeugs 4 und 5 sichergestellt. Im nächsten Schritt kann die untere Hälfte des Bremsbelages vorverdichtet werden, bevor der Stützkörper aufgelegt wird.

Anschließend wird-wie zuvor beschrieben-die Pulvermischung für die Oberseite des Bremsbelages eingefüllt. Anschließend wird der Oberstempel heruntergefahren, wobei ein Druck zwischen 1 und 100 MPa aufgebracht wird. Anschließend wird das gesamte System entweder durch direkte Heizung (z. B. induktiv, Widerstand) oder in einem Ofen bis auf Temperatu- ren aufgeheizt, bei denen das Aluminium-bzw. Aluminiumlegierungspulver aufschmilzt und lokal in die Pulvermischung eindringt. Der Druck führt zur schnellen Umiagerung und Porenausfüllung der Schmelze, wobei meist gleichzeitig die Reaktion beginnt und aufgrund der Exothermie sowohl die Reduktions-als auch Bildungsreaktion für zusätzlichen Wärmeinput sorgt.

Die von außen aufgebrachte Temperatur wird solange gehalten, bis der gewünschte Reaktions-und Verdichtungsprozess abgeschlossen ist, was üblicherweise zwischen 0,5 und 10 Minuten dauert. Der gesamte Warm- pressvorgang lässt sich mit konventionellen pulvermetallurgischen Pressen, bei denen sämtliche Abläufe vollautomatisiert sind, in kürzester Zeit, meist unter einer Minute, durchführen. Zu dieser Zeit muss die Temperaturhalte- zeit addiert werden.

Eine technisch einfachere Variante besteht darin, dass vorgepresste Bremsbelagsgrünkörper in der Matrize bzw. Pressform auf den Stützkörper aufgelegt und anschließend der Reaktions-und Verbindungsheißpressvor- gang durchgeführt wird.

Die folgenden Materialbeispiele wurden mit Labormodellpresswerkzeugen erhalten, die mit bzw. auch ohne scheibenförmigen Stützkörper durch- geführt wurden. Ein entsprechendes Schema ist in Bild 4 gezeigt. Die Ergebnisse können direkt auf den zuvor beschriebenen größeren Brems- scheibenring übertragen werden.

Beispiele Die Beispiele 1 bis 13 zeigen die Durchführung der Erfindung in einer kleinen Laborpresse, die zum Teil Einsatz eines zweiten Stützkörpers nötig machte, der bei der Ausführung in einer technischen Presse entfällt. Der erhaltene metalikeramische Belagkörper weist jedoch dieselben Eigenschaften auf wie bei Herstellung in einer technischen Presse.

Beispiel 1 100 g einer Pulvermischung aus der stöchiometrischen Zusammensetzung, die folgender Reaktionsgleichung entsprach : 3 TiO2 + 4 AI + Cr2N-2 (AI, Cr) 203 + TiN + 2 TiAI, wurden trocken in einer Kugelmühle mit 10 mm Au203 Kugeln 6 h gemischt. Die Teitchengröße des Al-Pulvers betrug 5 bis 20, um, die des TiO2-Pulvers lag im Bereich 2 bis 10, um mit einer mittleren Teilchengröße bei ca. 3, um. Als weitere Reaktionsphase wurde Cr2N mit einer mittleren Teilchengröße von 1,5, um zugemischt. Aus der Pulvermischung wurden quadratische Scheiben mit einer Seitenlänge von 16 mm und einer Dicke von ca. 10 mm bei 20 MPa in einer Stahimatrize kaltgepresst. Diese Presslinge wurden in eine Hochtemperatur-Stahlmatrize (siehe Schema in Bild 4) mit einem quadrati- schen Querschnitt von 18 x 18 mm eingelegt. Auf beiden Seiten (oben und unten) wurde ein 2 mm starker Stützkörper aus rostfreiem Stahl aufgelegt.

Die Seitenwände der Stahimatrize wurden im Bereich der Probe mit submikronfeinem Y203-Pulver beschichtet, um nach der in situ Reaktions- infiltration ein Anhaften zu vermeiden. Die so gefüllte Matrize wurde mit Stempeln in einen auf 800 °C vorgeheizten Ofen gestellt und mit 5 MPa belastet. 20 min nach Erreichen der Reaktionstemperatur (Start der Verdichtung bei ca. 750 °C) wurde die Matrize aus dem Ofen entfernt und innerhalb von 10 min auf Raumtemperatur abgekühtt. Die Röntgenunter- suchung der mittig aufgetrennten Probe ergab ein nahezu porenfreies Gefüge mit einer durchgehenden TiAI-Matrix, die von (Cr, AI) 203 und TiN durchsetzt war. Die TiAI-Phase lag auf der Ti-armen Seite, außerdem wurden Spuren von TiAI3 und Al (weniger als 1 Vol.-%) festgestellt. Die beiden Stützkörper waren fest mit der reagierten Bremsscheibe verbunden.

Beispiel 2 Wie in Beispiel 1 wurde eine stöchiometrische Pulvermischung, die der Gleichung : 3 TiO2 + 7 Al ~ 2 Al203 + 3 TiAI entsprach, 1 h in einem Attritor mit 3 mm ZrO2-Kugeln in Aceton gemischt und anschließend an Luft

getrocknet. Ebenfalls wie in Beispiel 1 wurden Probekörper mit zwei Stützkörpern versehen und in diesem Fall allerdings in eine bereits auf 800 °C vorgeheizte Matrize eingebracht und darauf mit 10 MPa im 800 °C heißen Ofen gepresst. Nach 1 min wurde die Matrize aus dem Ofen genommen und wie in Beispiel 1 abgekühtt. Die XRD-Untersuchung ergab wiederum ein vollständig durchreagiertes Gefüge aus Au203 und TiAI, wobei ebenfalls Spuren von Tical3 zu erkennen waren. Die Vickers-Härte (100 N) betrug zwischen 12 und 13 GPa.

Beispiel 3 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulverzusammensetzung, die der Reaktions- gleichung : 6 TiO + AIB2 + 8 Al < 2 Al203 + TiB2 + 5 TiAI entsprach, zu quadratischen Proben mit einem Querschnitt von 18 x 18 mm und 10 mm Höhe verpresst und in eine Matrize mit einem quadratischen Querschnitt von 24 x 24 mm zusammen mit zwei 1 mm dicken Stützkörpern eingeführt.

Anschließend wurde die Matrize mit Ober-und Unterstempel in den kalten (RT) Ofen eingesetzt und mit 2 MPa gepresst. Darauf wurde der Ofen in 20 min auf 900 °C aufgeheizt und nach Erreichen der 900 °C im Ofen auf Raumtemperatur abgekühit. Eine Analyse der Proben ergab die gewünschten Reaktionsprodukte, wobei weder TiA ! g noch freies AI entdeckt werden konnten.

Beispiel 4 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung : 2 TiO2 + 2 AI + Mg ~ MgAI204 (Spinell) + 2 TiAI entsprach, zu quadratischen Scheiben (16 x 16 mm) verpresst und anschließend zusammen mit zwei 1 mm dicken Stützkörpern (18 x 18 mm) in die auf 750 °C vorgeheizte Matrize eingebracht und im 750 °C heißen Ofen mit 20 MPa gepresst. Nach etwa 30 s trat die Reaktionsverdichtung ein. Nach 1 min wurde die Matrize aus dem Ofen genommen und wie in Beispiel 1 auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach waren weder im Reaktionsprodukt noch an der Grenzflache Stützkörper/Probe Makrorisse zu erkennen. Neben den

gewünschten Reaktionsohasen waren noch Spuren von Au203 und AI festzustellen.

Beispiel 5 100 g einer stöchiometrischen Pulvermischung, die der Reaktionsgleichung : Fe203 + 4 Al ~ 2FeAI + Au203 entsprach, wurde 1 h in einem Ultraschall- bad in Aceton gemischt und anschließend an Luft getrocknet. (Al-Pulver, Alcan 105 20 bis 50 nom im Durchmesser) ; Fe203 < 1, um, Aldrich, Steinheim). Aus der Pulvermischung wurden runde Scheiben mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Höhe von 5 mm in einer Stahimatrize mit 10 MPa vorgepresst. Zwischen zwei solcher Scheiben wurde dann eine 1,5 mm dicke und ebenfalls 35 mm breite Stützscheibe aus rostfreiem Stahl gelegt und zusammen in derselben Stahlmatrize bei 50 MPa kalt vor- gepresst. Da die Stützscheibe zentral eine 20 mm breite Bohrung (Perfora- tion) besaß, ergab sich an dieser Stelle ein stofflicher Übergang des metattkeramischen Presskörpers, der nach dem Zusammenpressen eine Gesamthöhe von 10 mm besaß. Dieser Probekörper wurde mit sub- mikronfeinem BN beschichtet und in eine ebenfalls 35 mm weite Graphitma- trize eingeführt. Diese so gefüllte Matrize wurde darauf in einer Heißpresse unter Ar in 15 min und bei einem Druck von 30 MPa auf 800 °C aufgeheizt.

Die Verdichtungsreaktion begann bereits vor Erreichen dieser Temperatur 2 min nachdem die Maximaltemperatur von 800 °C erreicht war, wurde die Heißpresse abgeschaltet und nach weiteren 20 min wurde die Probe aus der warmen Matrize ausgepresst. Die Röntgenuntersuchung auf einem senkrechten Querschnitt zeigte ein fast vollständig durchreagiertes Gefüge.

Beispiel 6 Wie in Beispiel 5 beschrieben, wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung : FeTiO3 (ilmenit < 2 Am, CSIR, Neuseeland) + 2 Al < TiAI + AI203 entsprach, hergestellt und zu Probekörpern mit zentraler perforierter Stützscheibe geformt. Nach dem Heißpressvorgang, bei dem die in situ Reaktionsinfiltration stattfand, ergab sich eine kompakte, porenfreie

Scheibe, die eine durchgehende metallische Matrix mit dispergiertem Au203 enthielt. Die XRD-Peaks zeigten deutlich, dass kein freies AI mehr vorhan- den war.

Beispiel 7 Proben gemäß Beispiel 5 wurden zusammen mit einem perforierten Stützkörper bei 50 MPa in einer Stahlmatrize auf 400 °C vorgeheizt, wobei ohne Reaktion eine starke Verfestigung der Probenscheiben eintrat, sodass sie problemlos auf einer Drehbank auf 28 mm Durchmesser abgedreht werden konnte. Sie wurden anschließend nach Beschichtung mit Y203 in einer auf 750 °C vorgeheizten Superlegierungsmatrize mit 30 mm Durchmesser bei 30 MPa 2 min gepresst und anschließend heiß ausge- stoßen. Die Proben zeigten danach keine makroskopischen Risse und sie waren wie in Beispiel 5 völlig umgesetzt. Freies AI konnte ebenfalls nicht nachgewiesen werden.

Beispiel 8 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung : 3TiO2 + 7AI-- 2A1203 + 3TiAI entspricht, hergestellt und zu quadratischen Proben mit einem Querschnitt von 16 x 16 mm und 10 mm Höhe gepresst und in eine Matrize aus Superlegierung mit einem quadratischen Querschnitt von 18 x 18 mm eingeführt. Die Seitenwände der Matrize wurden im Bereich der Probe mit submikronfeinem Y203-Pulver beschichtet. Zwei Thermoelemente wurden durch die Matrize in die Probe so eingeführt, dass die Temperaturen in der Mitte und an der Oberfläche gemessen werden konnten. Die Matrize mit Stempeln, Probe und Thermoelementen wurde in einen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt und mit 2 MPa belastet. Die Temperaturänderung wurde kontinuierlich gemessen (Bild 5). 10 Minuten nach Erreichen der Reaktionstemperatur wurde die Matrize entlastet und aus dem Ofen entfernt. Die XRD-Analyse der Proben ergab Au203, TiAI und TiC3.

Aus Bild 5 geht klar hervor, dass nach etwa 50 s der in der SHS-Ausdrucks- weise (Self-propagating High Temperature Synthesis) mit"Thermal Explosion"bezeichnete Start der Reaktion zwischen AI und TiO2 bei ca. 850 °C erfolgt. Der dadurch bewirkte Temperaturblitz (Dauer < 1 s) scheint die theoretische adiabatische Temperatur (ca. 2200 °C) zu erreichen, die in diesem Fall knapp oberhalb des Schmelzpunktes von Au203 liegt.

Beispiel 9 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung : 3TiO2 + 7AI 2A1203 + 3TiAI entspricht, hergestellt und zu runden Scheiben mit einem Durchmesser von 49 mm und einer Höhe von 5 mm in einer Stahlmatrize mit 10 MPa vorgepresst. Zwischen zwei soichen Scheiben wurde dann eine 1 mm dicke und ebenfalls 49 mm breite Stützscheibe aus rostfreiem Stahl gelegt und zusammen in derselben Stahlmatrize bei 50 MPa kalt vorgepresst. Dieser Probekörper wurde in eine 50 mm weite Matrize aus Superlegierung eingeführt. Die Seitenwände der Matrize wurden im Bereich der Probe mit submikronfeinem Y203-Pulver beschichtet. Die so gefüllte Matrize wurde mit Stempeln in einen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt. 5 Sekunden nach Erreichen der Reaktions- temperatur (Start der exothermischen Reaktion, Bild 5) wurde die Probe mit einer Last von 80 MPa gepresst. Nach 5 Minuten wurde die Probe entlastet, in einen anderen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt und auf Raumtem- peratur innerhalb von 1 Stunde abgekühtt. Eine Analyse der Probe ergab die gewünschten Reaktionsprodukte, wobei auch Tical3 entdeckt wurde. Eine gute Haftung zwischen dem Reaktionsprodukt und dem Stützkörper war ebenfalls erreicht.

Beispiel 10 Wie in Beispiel 9, nur der Stützkörper wurde aus Ti hergestellt. Auch in diesem Fall wurde eine gute Haftung zwischen dem Reaktionsprodukt und der Stützscheibe erreicht.

Beispiel 1 1 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung 3TiO2 + 7AI-- 2A1203 + 3TiAI entspricht, hergestellt und zu Probekörpern in eine T-förmige Stützscheibe aus rostfreiem Stahl kaltvorgepresst (Simula- tion zu Bild 3-2). Der Außendurchmesser der Stützscheibe betrug 49 mm, die Höhe 10 mm und die Wandstärke 2 mm. Dieser Probenkörper wurde in eine (im Durchmesser 50 mm) Matrize aus Superlegierung eingeführt. Die Seitenwände der Matrize wurden im Bereich der Probe mit submikronfeinem Y203-Pulver beschichtet. Die so gefüllte Matrize wurde mit Stempeln in einen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt. 5 Sekunden nach Erreichen der Reaktionstemperatur (Start der exothermischen Reaktion, Bild 5) wurde die Probe mit einer Last von 80 MPa gepresst. Nach 5 Minuten wurde die Probe entlastet, in einen anderen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt und auf Raumtemperatur innerhalb von 1 Stunde abgeküh) t. Eine Analyse der Probe ergab die gewünschten Reaktionsprodukte, wobei auch Tical. entdeckt wurde. Eine gute Haftung zwischen dem Reaktionsprodukt und dem Stützkörper war ebenfalls erreicht.

Beispiel 12 Wie in Beispiel 11, nur der Stützkörper wurde aus Ti hergestellt. Auch in diesem Fall wurde eine gute Haftung zwischen dem Reaktionsprodukt und der Stützscheibe erreicht.

Beispiel 13 Wie in Beispiel 2 wurde eine Pulvermischung, die der Gleichung 5.109Ti02 + 7AI-j 3. 406A1203 + 0. 18Ti3AI + 4.54Ti entspricht, hergestellt und zu einer runden Probe mit einem Durchmesser von 16 mm und 10 mm Höhe gepresst und in eine Matrize aus Superlegierung mit einem Durchmesser von 18 mm eingeführt. Die Seitenwände der Matrize wurden im Bereich der Probe mit submikronfeinem Y203-Pulver beschichtet. Die so gefüllte Matrize wurde mit Stempeln in einen auf 950 °C vorgeheizten Ofen gestellt. Sofort nach Erreichen der Reaktionstemperatur wurde die Probe mit

einer Last von 10 MPa gepresst. Nach 5 Minuten wurde die Probe entlastet und auf Raumtemperatur innerhalb von 20 Minuten abgekühlt. Eine XRD- Analyse der Probe ergab die gewünschten Reaktionsprodukte, d. h. Au203, TUAI und Ti.