Die Erfindung betrifft einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff sowie das Halbzeug selbst.

Insbesondere auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugherstellung, aber auch in der Schienenfahrzeugbranche gewinnt der Leichbaugedanke vor allem im Bereich elektrisch angetriebener Fahrzeuge, der Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, an Bedeutung. Daher werden anstelle der bislang verwendeten Stahl- oder Graugussmaterialien zunehmend Leichtmetalle bzw. deren Legierungen eingesetzt. Beispielsweise tragen Leichtbau-Bremsscheiben mit der Reduzierung der reifengefederten Massen zu einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauches, bei verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen damit auch des Kraftstoffverbrauchs und somit auch der Emissionen bei. Herkömmliche Bremsscheiben aus Graugusswerkstoffen weisen hier nachteilig ein erhebliches Gewicht auf.

Für Leichtbau-Bremsscheiben kommen beispielsweise hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die so genannten Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe AMC (Aluminium Matrix Composite) in Frage, die als Metallmatrixverbundwerkstoffe keramische Hartpartikel in einer metallischen Legierungsmatrix aufweisen. AMC-Legierungen bieten sehr gute tribologische Eigenschaften, die sie als Werkstoff vor allem für die Reibflächen der Bremsscheiben interessant machen. Es existieren Bremsscheiben, die solche AMC-Legierungen aufweisen, die durch Unterdruck-Infiltration oder Gießen in eine keramische Pre-Form aus verschmolzenen AMC-Ingots hergestellt werden. Die enthaltenen keramischen Hartstoffpartikel, meist aus Siliziumkarbid oder Korund, können in unterschiedlichen Formen und Größen in den Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt werden. Zur Fertigung solcher Bremsscheiben werden häufig Legierungen eingesetzt, die mit bis zu 20% SiC-Hartstoffpartikeln verstärkte AMC-Legierungen sind und die meist in Form von Ingots erhältlich sind.

Das Infiltrieren von keramischen Pre-Formen, auch etwa durch Druck- oder Pressgießen, ist allerdings ein teueres und kompliziertes Verfahren mit mehreren Prozessschritten und damit großen Herstellungstakten. Andere Ansätze befassen sich mit dem Umgießen von metallischen Tragkörpern mit keramischen Schichten, was allerdings mit einer geringen Prozesssicherheit verbunden ist. Weitere bekannte Maßnahmen zur Aufbringung von Verschleißschutzbeschichtungen sind beispielsweise das thermische Spritzen, hierbei kann es aber für Bremsscheibenanwendungen zu unzureichenden mechanischen und thermischen Eigenschaften kommen. Hingegen können die im Kokillen-, Sand- oder Druckgussverfahren hergestellten AMC-Bremsscheiben unzureichende tribologische Eigenschaften aufweisen. Generell ist bei sämtlichen vorgenannten Verbundbremsscheiben bzw. deren Herstellungsverfahren der Anteil keramischer Verstärkungspartikel begrenzt und die verwendeten AMC-Legierungen weisen eine relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist aber erforderlich, um die beim Bremsen an der Bremsscheibenoberfläche erzeugte Wärme in den Bremsscheibenkörper abzuleiten.

Sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die thermischen Eigenschaften eines Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs werden durch die Art, den Anteil, die Größe und die Form der verwendeten Hartstoff partikel und durch die Eigenschaften der Aluminium-Matrixlegierung beeinflusst.

Die mechanischen Eigenschaften umfassen das Elastizitätsmodul, die Härte, die Streckgrenze und die Betriebs- und Dauerfestigkeit; die thermischen Eigenschaften beziehen sich auf die Solidustemperatur, die Thermoschockbeständigkeit, die Wärmespeicherkapazität sowie den Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und Wärmekon- vektions-Koeffizienten.

Während das homogene Gießen von AMC im Vergleich zu herkömmlichen Eisen- und Aluminiumlegierungen teuer ist und darüber hinaus die Gussstücke aufgrund der Partikelverstärkung schwierig zu bearbeiten sind, weisen die Verbundbremsscheiben, die aus Komponenten unterschiedlicher Materialien bestehen, häufig die Nachteile der Geräuschentwicklung beim Bremsen auf und haben eine vor allem geringere thermische Leitfähigkeit von der Reibscheibe zu dem mittleren Rotorabschnitt, was zu erhöhten Bremstemperaturen führt.

So ist in der WO 2005/069972 A2 ein Verbundscheibenbremsenrotor beschrieben, der ein verbessertes thermisches und akustisches Verhalten haben soll und der dazu einen Rotor mit einem Paar ringförmiger Außenflächen aus einer Aluminiumlegierung und ein Paar ringförmige Reibscheiben aus einem auf Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoff mit Hartstoffpartikeln aus Siliziumkarbid aufweist, die jeweils auf einer der Außenflächen des Rotors angeordnet werden. Eine Bindungsschicht aus einer Metalllegie- rung, deren Schmelzpunkt niedriger als die Schmelzpunkte der Aluminiumlegierung und des Aluminium basierten Metallmatrixverbundwerkstoffs liegt, verbindet die Reibscheiben mit den Außenflächen des Rotors.

US Patent Nr. 5,183,632A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundscheibenrotors auf Aluminiumbasis, das in einem ersten Schritt die Herstellung eines grobgeformten Scheibenrotors aus einer Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver mit oder ohne Verstärkungspartikel aufweist. Dann folgen das Aufbringen einer Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver mit Verstärkungspartikeln auf festgelegten Positionen des grobgeformten Scheibenrotors, die den Reibflächen entsprechen, das Erhitzen der Mischung auf zumindest eine Halbschmelztemperatur und das Formpressen der Mischung unter Druck.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff zu schaffen, der hinsichtlich seiner tribologischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften für die Anwendung als Bremsscheibenwerkstoff, insbesondere als Reibringwerkstoff optimiert ist, und insbesondere eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Ein prozesssicheres Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs aus einem Aluminium- Matrixverbundwerkstoff wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 offenbart.

Die Aufgabe der Schaffung eines Halbzeugs aus einem Aluminium-Matrixverbundwerk- stoff mit verbesserten thermischen Eigenschaften bzw. einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit wird durch das Halbzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Weiterbildungen der Gegenstände sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf einen Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, der zur Bildung zumindest eines Reibrings einer Bremsscheibe geeignet ist und der aus einer Aluminiumlegierung mit einer Kombination aus unterschiedlichen keramischen Zusatzstoffen bzw. keramischen Partikeln gebildet ist. Die

Aluminiumlegierung ist bevorzugt eine Aluminium-Siliziumlegierung mit 10 bis 30 Gew.-% Silizium. Die keramischen Zusatzstoffe bestehen aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid, welche jeweils einen Anteil von 10 bis 25 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs aufweisen.

Die erfindungsgemäße Verwendung von AIN neben SiC als keramische Zusatzstoffe des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs führt neben guten tribologischen Eigenschaften auch zu einer deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeit.

Die Aluminiumlegierung weist als weitere Legierungsbestandteile bevorzugt 2 bis 6 Gew.- % Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan und 1 bis 3 Gew.-% Magnesium auf. Gegebenenfalls sind noch Spuren weiterer Elemente oder unvermeidliche

Aluminiumlegierungsbegleiter vorhanden.

Besonders bevorzugt ist eine Zusammensetzung aus 20 bis 40 Gew.-% Aluminium, 10 bis 30 Gew.-% Silizium, 2 bis 6 Gew.-% Eisen, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 1 bis 3 Gew.-% Mangan, 1 bis 3 Gew.-% Magnesium, 15 bis 25 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel und 15 bis 25 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel, bezogen auf ein Gesamtgewicht des Aluminium- Matrixverbundwerkstoffs.

Die offenbarte Zusammensetzung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs ist in Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit, Matrixfestigkeit und Reibverhältnis im Hinblick auf eine Anwendung als Bremsscheibenwerkstoff optimiert und ausgelegt.

Die keramischen Partikel weisen bevorzugt eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 60 μιτι auf. Besonders bevorzugt haben die Siliziumkarbidpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 5 bis 30 m und die Aluminiumnitridpartikel eine mittlere Korngröße im Bereich von 0 bis 60 μπι.

Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs weist 30 Gew.-% Aluminium, 20 Gew.-% Silizium, 4 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Magnesium, 20 Gew.-% Siliziumkarbidpartikel, 20 Gew.-% Aluminiumnitridpartikel sowie Spuren, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium- Matrixverbundwerkstoffs, auf. Diese Zusammensetzung des Aluminium- Matrixverbundwerkstoffs weist besonders gute, zur Verwendung als

Bremsscheibenwerkstoff optimierte mechanische, thermische und tribologische

Eigenschaften auf. So weist der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff aufgrund der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit der eingebetteten Aluminiumnitridpartikel von etwa 220 W m ^"1 K ^" einen erhöhten Wärmeleitkoeffizienten von ca. 170 W m ^"1 K ^"1 in dieser bevorzugten Ausführungsform auf. Aluminium-Matrixverbundwerkstoffe aus dem Stand der Technik aus einer Aluminiummatrixlegierung 359 ohne AIN und 20% SiC weisen hingegen lediglich einen Wärmeleitkoeffizienten zwischen 132 W m ^"1 K ^"1 und 144 W m ^"1 K ^"1 auf. Die weniger gute Wärmeleitung führt während des Bremsens zu ungünstig hoher

Temperaturbelastung.

Für die Härte der Aluminium-Matrixlegierung in der bevorzugten Ausführungsform mit den Legierungsbestandteilen Mangan und Magnesium in Verbindung mit Eisen und Nickel konnte ein Wert von 250 HV-30 bestimmt werden, was auf den positiven Einfluss des Magnesium- und Mangananteils zurückzuführen ist. Die so geschaffene höhere Matrixfestigkeit wiederum verbessert die Einbettungsfestigkeit der keramischen Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid deutlich. Die erreichte höhere Festigkeit der Aluminiummatrix beruht auf den Anteilen an Mangan und Magnesium in Verbindung mit Eisen und Nickel, deren Partikel im Gefüge in einer Form von intermetallischen Phasen vorliegen.

Durch die fester eingebetteten Hartstoffpartikel werden die tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs für eine Anwendung als Bremsscheibenwerkstoff verbessert, vor allem auch in Bezug auf eine Transferfilmbildung. Dieser sich generell bei Bremsscheiben aus AMC bei den ersten Bremsvorgängen auf den Reibflächen ausbildende schwarze Film ist eine Mischschicht, die durch die metallischen Werkstoffe der Scheibenlegierung und des Bremsbelags entsteht.

Die verbesserten tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs sind nicht nur auf die erhöhte Einbettungsfestigket der Hartstoffpartikel zurückzuführen, sondern auch dem Einsatz der Aluminiumnitridpartikel zu verdanken. Die AIN-Partikel gehören mit einer Härte von 1230 HV-10 zu den harten Hartstoffkeramiken und tragen daher durch ihre Einbringung in das Gefüge mit dem erhöhten Anteil als zusätzliche keramische Verstärkung in Verbindung mit Siliziumkarbidpartikeln zu den verbesserten tribologischen Eigenschaften des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs, bzw. einer daraus gefertigten Bremsscheibe bei. Der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff verbindet also eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer erhöhten Härte bzw. Festigkeit sowohl der Matrix-Legierung als auch der Keramikpartikel, die ferner eine verbesserte Einbettungsfestigkeit in der Aluminiummatrix aufweisen.

Der erfindungsgemäß zusammengesetzte Aluminium-Matrixverbundwerkstoff ist somit für die Verwendung als Bremsscheibenwerkstoff optimiert. Die Erhöhung der

Wärmeleitfähigkeit des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs wird durch den keramischen Zusatzwerkstoff Aluminiumnitrid bereitgestellt, der einen deutlich höheren Wär- meleitungskoeffizienten aufweist als herkömmlich verwendete Verstärkungspartikel.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeugs oder auch Bauteils aus einem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff gemäß der Erfindung bezieht sich auf das Bereitstellen einer Aluminium-Matrixlegierung, die durch die Legierungselemente Aluminium, Silizium sowie in bevorzugter Ausgestaltung Eisen, Nickel, Mangan und Magnesium gebildet wird, sowie auf das Bereitstellen der Siliziumkarbidpartikel und Aluminiumnitridpartikel. Die Legierungselemente der Aluminium-Matrixlegierung und die Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid werden dabei entweder entsprechend einer der oben ausgeführten Zusammensetzungen des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs bereitgestellt oder als Aluminiumlegierung und keramischen Hartstoffpartikeln. Damit wird dann ein pulvermetallurgisches, gießtechnisches oder Sprühkompaktier- Fertigungsverfahren durchgeführt, um das Halbzeug zu bilden.

Insbesondere für das pulvermetallurgische Fertigungsverfahren liegt die Aluminium-Matrixlegierung, bzw. die Aluminiumlegierung pulverförmig vor, der dann der vorgesehene Hartstoffpartikelanteil zugemischt wird, ehe durch mechanisches Verdichten ein Grünling geformt wird, der anschließend unter Wärmezufuhr gesintert wird. Ferner ist als pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren ein Pulverspritzgießen denkbar, bei dem etwa Metallpulverspritzgießen mit Keramikpulverspritzgießen kombiniert wird. Zum Gießen kann ebenfalls ein pulverförmiges Gemisch aus der Aluminium-Matrixlegierung und den Hartstoff Partikeln als Ausgangsstoffe herangezogen werden, um eine Mischung mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung zu erhalten, die in Form einer Schmelze zur Formgebung des Halbzeugs gegossen wird. Im Sprühkompaktierverfahren können die Hartstoffpartikel in einem Pulverstrahl mit dem Schmelzsprühstrahl der Aluminium-Matrixlegierung zum Aufbau des Halbzeugs eingebracht werden. So kann der hohe Anteil von bis zu 40 Gew.-% Hartstoffpartikel eingestellt werden. Nach der Herstellung der Halbzeuge ist ein heißisostatisches Pressen zur Verdichtung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs zumindest an der Oberfläche des Halbzeugs vorgesehen. Dadurch kann zum einen eine konstruktive Bauteilanpassung vorgenommen werden, zum anderen führt die Presstemperatur von 460 bis 510 °C unter einem Pressdruck von 150 bis 200 MPa zur Ausscheidungen und Bildung von harten und sehr feinkörnigen primären Siliziumkristallen sowie zur Umhüllung der eingebetteten keramischen Aluminiumnitrid-Hartstoffpartikel durch Siliziumnitride.

So wird im Vergleich mit bisher bekannten Verfahren eine höhere Flexibilität bei der Auswahl der einzusetzenden metallischen und keramischen Werkstoffe während der Herstellung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs erreicht, so dass ein erfindungsgemäß zusammengesetzter Aluminium-Matrixverbundwerkstoff, dessen thermischen Eigenschaften im Hinblick auf die Wärmeleitungsfähigkeit verbessert sind, hergestellt werden kann, wobei der Anteil der keramischen Verstärkungspartikel prozesssicher erhöht werden kann, womit die mechanischen und tribologischen Eigenschaften hinsichtlich der Verwendung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs als Bremsscheibenwerkstoff optimiert werden.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs bezieht sich auf ein Halbzeug aus einem erfindungsgemäß zusammengesetzten Aluminium-Matrixverbundwerkstoff. Das Halbzeug kann somit ein pulvermetallurgisch, gießtechnisch oder durch Sprühkom- paktieren gefertigtes Halbzeug sein.

Vorzugsweise handelt es sich dabei um einen Reibring für eine Bremsscheibe oder eine Bremsscheibe, da der erfindungsgemäß zusammengesetzte Aluminium-Matrixverbundwerkstoff speziell dafür optimierte Eigenschaften aufweist. Es ist allerdings denkbar, dass der erfindungsgemäße Aluminium-Matrixverbundwerkstoff auch zur Herstellung anderer Halbzeuge und Bauteile eingesetzt wird, die entsprechende Anforderungen an thermische, mechanische und/oder tribologische Werkstoffeigenschaften stellen.

Die durch erfindungsgemäß zur Herstellung des Halbzeugs eingesetzte Aluminium-Ma- trixverbundwerkstoff mit der erhöhten Wärmeleitfähigkeit von ca. 170 W m ^"1 K ^' ermöglicht eine schnellere Wärmeleitung, was insbesondere, wenn das Halbzeug eine Bremsscheibe bzw. deren Reibring ist, während der Bremsvorgänge von Bedeutung ist. Die maximalen Bremstemperaturen können dadurch reduziert werden, eine Bremsscheibe aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff weist also eine verbesserte Wärmebeständigkeit auf. Die verbesserten tribologischen Eigenschaften des Halbzeugs, bzw. der Bremsscheibe aus dem Aluminium-Matrixverbundwerkstoff beruhen auf den oben ausgeführten erhöhten Härten und Festigkeiten, sowie der erhöhten Einbindungsfestigkeit der Hartstoffpartikel, wobei die optimierten tribologischen Eigenschaften insbesondere die erhöhte Einbindungsfestigkeit beim Aufbau des Transferfilmes zum Tragen kommt.

Eine bevorzugte Verwendung des Aluminium-Matrixverbundwerkstoffs ist die Bildung eines Reibrings einer Bremsscheibe, insbesondere für Personenkraftwagen,

wobei der Aluminium-Matrixverbundwerkstoff gebildet ist durch eine Aluminiumlegierung mit 10 bis 30 Gew.-% Silizium und keramischen Zusatzstoffen aus 15 bis 25 Gew.-% Siliziumkarbidpartikeln und Aluminiumnitridpartikeln, wobei er 15 bis 25 Gew.-%

Aluminiumnitridpartikel enthält, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminium- Matrixverbundwerkstoffs.

Eine aus dem erfindungsgemäßen AMC hergestellte Bremsscheibe, bzw. ein daraus hergestellter Reibring einer Verbundbremsscheibe bildet einen optimiert aufgebauten Transferfilm aus, der im Vergleich mit den Transferfilmen anderer AMC-Scheiben deutlich bessere Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel eine homogenere Ausbildung, eine bessere Haftung, bzw. eine härtere und festere Verbindung zur Reibfläche. Der optimierte Transferfilm verbessert den Schutz der Reibflächen der AMC-Bremsscheiben gegen Verschleiß, so dass die AMC-Bremsscheiben während des Bremsens durch die sehr hohen Affinitäts- und Adhäsionseigenschaften dieses Transferfilms keinen oder nur sehr geringen Verschleiß erfahren. Dies gewährleistet einen konstanten Reibwert, der die Bremsqualität und einen Fahrkomfort positiv beeinflusst.