DE102019000361A1

DE102019000361A1 - Verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase, Verfahren zur Herstellung einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung, und Bremsscheibe mlt einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung

Info

Publication number: DE102019000361A1
Application number: DE102019000361.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Fiedler; Thomas Schubert; Andreas Storz; Ihsan Özer
Original assignee: Sigma Mat GmbH; Sigma Materials GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Sigma Mat GmbH; Sigma Materials GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (3) mit einer metallischen Matrix (5) und einer keramischen Hartphase (7), dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) mindestens 50 Atom-% Aluminium aufweist, wobei die metallische Matrix (5) eine Solidustemperatur von mindestens 850 °C aufweist, und wobei die metallische Matrix (5) mit der keramischen Hartphase (7) gemischt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase, Verfahren zur Herstellung einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung, sowie eine Bremsscheibe mit einer solchen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung.
Der in der Automobilindustrie angestrebte Leichtbau von Fahrzeugen wird zukünftig zunehmen, insbesondere wird in der Automobilindustrie im Bereich der elektrisch angetriebenen Elektro-Fahrzeuge und der Hybrid-Fahrzeuge der Leichtbau an Bedeutung gewinnen. Die große Anzahl der unterschiedlichen Mobilitätstrends nach diversen Kundenanforderungen, die an ein Fahrzeug im Laufe des Entwicklungsprozesses gestellt werden, sind maßgeblich für ein hohes Fahrzeuggewicht verantwortlich. Vor allem komfort- und sicherheitsrelevante Anforderungen, beispielsweise die Bremsanlage, bringen große Massen mit sich. Auf der anderen Seite führt das Verlangen nach einer Reduktion des Verbrauchs und der damit verbundenen Emissionen dazu, dass Fahrzeuge in der Regel nicht schwerer werden dürfen.
Gusseisenbremsscheiben sind schwer, korrodieren und es entstehen erhebliche Mengen an Feinstaub während des Betriebs. Keramikscheiben sind zwar leichter und sind thermisch außerordentlich belastbar, aber sehr teuer in der Herstellung und weisen ebenfalls Verschleiß auf. Bisherige korrosions- und verschleißfreie Aluminiumbremsscheiben eignen sich wegen der begrenzten Warmfestigkeit der eingesetzten Metall-Matrix nur für die niedriger belasteten Anwendungen in der Hinterachse, da die Bremsleistung üblicherweise ca. 65 % an der Vorderachse erbracht wird. An der Hinterachse reicht der Bauraum innerhalb der Felge aus, um die thermische Flächenbelastung aus der Bremsleistung über eine größere Reibfläche umzusetzen, ohne dass die Oberflächentemperatur in die Reibfläche die kritische Grenze für den eingesetzten Werkstoff überschreitet.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Legierungen und Verbundwerkstoffe für die Anwendung in Bremsscheiben bekannt. Graugusswerkstoffe können dabei durch die leichteren Werkstoffe ersetzt werden, wobei hochfeste Aluminiumlegierungen, insbesondere die sogenannten AMC (Aluminium Matrix Composite) Legierungen in Frage kommen. Derartige AMC-Legierungen für aluminiumbasierte Bremsscheiben im Bereich der Personenkraftwagen, Nutz- und Schienenfahrzeuge sind beispielsweise von den Firmen Lanxide und Duralcan bekannt. Diese AMC-Legierungen enthalten keramische Hartstoffpartikel, meistens aus Siliciumcarbid oder Korund in unterschiedlichen Formen und Größen, eingebettet in Aluminium-Silicium-Legierungen, beispielweise AISi7/10Mg. Die vorwiegend eingesetzten AMC-Legierungen sind Duralcan-Legierungen, die mit bis zu 30 % SiC-Hartstoffpartikeln verstärkt werden.
Der Einsatz des Leichtbaukonzepts mit Hochleistungs-AMC-Bremsscheiben hilft dabei, das Fahrzeug an der punktuellen Problemzone, insbesondere der ungefederten Masse, um bis zu 65 % leichter zu machen. Die Gewichtseinsparung durch die Verwendung der leichteren Hochleistungs-AMC-Bremsscheiben ermöglicht eine Gewichtreduzierung der rotierenden und ungefederten Massen. An diesen Stellen ist Masse am kritischsten, da diese dem Massenträgheitsmoment unterliegt. Rotierende Bremsscheiben werden beschleunigt oder wieder verzögert oder Fahrwerksteile, beispielweise Räder, werden permanent auf- und ab bewegt und unterliegen dabei dem Massenträgheitsgesetz, indem die Gewichtsreduktion in ungefederten Massen gegenüber von gefederten Massen Vorteile in Hinblick auf Fahrdynamik und Verbrauch ermöglichen. Ein leichteres Fahrzeug hat naturgemäß einen geringeren Roll-, Steigungs- und Beschleunigungswiderstand und dadurch einen niedrigeren Verbrauch und die damit verbundenen geringeren Emissionen. Die Senkung der Fahrwiderstände durch Reduzierung der Fahrzeugmasse stellt damit einen wesentlichen Ansatz zur Reduktion des Verbrauchs dar.
Untersuchungen solcher Bremsscheiben zeigen, dass die tribologischen Eigenschaften der Legierungen im Vergleich zu den mechanischen- oder thermischen Eigenschaften eine größere Rolle spielen. Nachteilig ist dabei, dass Aluminium keine Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß hat und aufgrund der geringeren Warmfestigkeit einen geringeren Reibwert aufweist. Außerdem ist die Temperaturbeständigkeit deutlich reduziert, beispielweise auf 400 °C im Vergleich zu gusseisernen Bremsscheiben MOT von 700 °C, wobei im Versagensfall die entstehenden Aufschmelzungen zu einer Blockade des Bremssystems führen können.
Die mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Härte, Streckgrenze, Betriebs- und Dauerfestigkeit werden nicht nur durch die verwendeten Hartstoffpartikel, den Anteil, die Größe und die Form beeinflusst, sondern auch durch die Eigenschaften der Aluminium-Matrix, ebenso wie die thermischen Eigenschaften wie Solidustemperatur, Thermoschockbeständigkeit, Wärmespeicherkapazität, Wärmeleit-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs-, und Wärmekonvektionskoeffizient.
Die üblicherweise Verwendung in AMC-Legierungen auf Basis von Aluminium mit Zugaben von Silicium, Kupfer, Magnesium und Zink haben eine Solidustemperatur von höchstens 577 °C für ein AISi-Eutektikum. Legierungen auf Basis von Aluminium mit geringen metallischen Bestandteilen von Legierungselementen, wie Eisen, Nickel, Mangan und Titan von weniger als 0,4 Gew.-%, beginnen trotz vorliegender thermisch stabiler Phasen spätestens bei 650 °C zu schmelzen. Dadurch ist kein ausreichender mechanischer Widerstand zur Reibwerterzeugung und keine thermische Stabilität im Tribofilm gegeben.
Eine weitere Möglichkeit zur Bildung von Bremssystemen stellen verschleiß- und temperaturbeständige Hoch-Entropie-Legierungen (HIA) oder Intermetallische Phasen dar. Bei diesen werden die Elemente üblicherweise in gleichen oder kleinen vielfachen von Atomprozenten gemischt. Daher können die durch die HT-Matrix hergestellten AMC temperaturstabil sein und eine hohe Härte auch bei hohen Temperaturen aufweisen, so ist beispielsweise die Legierung AlCoCr_1,5 FeMo_0,5 Ni stabil bis zur Solidustemperatur von 1327 °C. Für den beanspruchten Einsatzfall als Oberflächenwerkstoff für Bremsscheiben eignet sich das einphasige Grundsystem CoCrFeNi. Durch die Zugabe von weiteren Elementen mit geringem Atomradius, beispielsweise Aluminium, Titan oder Kobalt stellt sich ein mehrphasiger Gefügezustand ein, wodurch Steigerungen beim Verschleißwiderstand sowie der Wärmefestigkeit erreicht werden. Nachteil dieser Legierung sind die hohen Kosten für die Legierungsbestandteile Kobalt und Nickel. Außerdem weisen diese Legierungen wegen des geringen Anteils von leichten Elementen wie Aluminium oder Magnesium eine hohe Dichte auf.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 39 705 A1 ist ein hochfester Aluminiumlegierungsguss und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, wobei durch gießen einer Aluminium-Legierung 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn und Rest Aluminium aufweist, wobei die hochfeste Aluminium-Legierung nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbare Verunreinigungen enthält, und wobei der Aluminium-Legierung 0,1 bis 0,3 Gew.-% Ag aufweist oder 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens eines Elements ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V, und Pd. In dem Verfahren zur Herstellung des hochfesten Aluminium-Legierungsgusses wird eine Schmelze einer Aluminium-Legierung in eine Form gefüllt, um einen Guss zu erhalten, der Aluminium-Legierungsguss wird aus der Form entnommen und der Aluminium-Legierungsguss durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505 °C angelöst, anschließend abgeschreckt und kalt ausgehärtet, wobei der erhaltene hochfeste Aluminium-Legierungsguss durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220 °C abgeschreckt wird.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 475 449 A1 offenbart eine AluminiumKnetlegierung mit einer Aluminium-Matrix, in der zumindest eine Weichphase und Hartpartikel eingelagert sind, wobei die Weichphase durch zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe umfassend Zinn, Antimon, Indium und Wismut gebildet ist und die Hartpartikel durch Scandium und/oder Zirkonium sowie durch zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe umfassend Kupfer, Mangan, Kobalt, Chrom, Zinn, Magnesium, Silicium und Eisen, beziehungsweise durch intermetallische Phasen aus Scandium, Zirkonium mit Aluminium gebildet sind.
Nachteilig der bekannten Legierungssysteme ist die ausgeprägte Sprödigkeit selbst bei hohen Temperaturen. Deshalb eigenen sich diese insbesondere mit einem hohen Anteil an keramischer Verstärkungsphase, nur für Bauteile, die hauptsächlich auf Druck beansprucht werden. Bei Bremsscheiben ist jedoch die Temperaturfestigkeit von wesentlicher Bedeutung, die bekannten Legierungssysteme können deshalb nur unmittelbar im Bereich des Kontakts mit dem Belag eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verschleißbeständige LeichtbauLegierung bereitzustellen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten, und wobei insbesondere eine kritische Grenze der Oberflächentemperatur durch die Verwendung eines entsprechend höher belastbaren Werkstoffs soweit verschoben wird, dass die an der Vorderachse zu erbringende Bremsleistung im verfügbaren Bauraum auf die Bremsscheiben aufgebracht werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine verschleißbeständige Leichtbaulegierung aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase bereitgestellt wird, wobei die metallische Matrix mindestens 50 Atom-% Aluminium aufweist, wobei die metallische Matrix eine Solidustemperatur von mindestens 850 °C aufweist, und wobei die metallische Matrix mit der keramischen Hartphase gemischt ist.
Die verschleißbeständige Leichtbaulegierung weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Vorteilhafterweise wird ein Gewicht und/oder eine ungefederte Bremsscheibenmasse im Vergleich zu bekannten Bremsscheiben reduziert. Vorteilhafterweise werden Korrosions- und Verschleiß-Eigenschaften von Bremsscheiben verbessert. Vorteilhafterweise wird die Bremsstaubbildung reduziert, insbesondere von Feinstaub einer Partikelgröße von weniger als 10 µm. Vorteilhafterweise werden die tribologischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften herkömmlicher AMC-Legierungen optimiert, wobei insbesondere die Tribofilmaufbau-Mechanismen verbessert sind. Vorteilhafterweise ist eine höhere Flexibilität bei der Material- und Form-Auswahl der einzusetzenden keramischen Werkstoffe realisierbar. Vorteilhafterweise wird die Verschleißbeständigkeit der Bremsscheibe erhöht. Vorteilhafterweise wird die Korrosionsbeständigkeit der Bremsscheiben erhöht. Vorteilhafterweise wird eine Gewichtsreduktion der Bremsscheiben erzielt. Vorteilhafterweise ist die keramische Verstärkung der Bremsscheiben mit einem niedrigeren technischen Aufwand möglich. Vorteilhafterweise wird die Wärmebeständigkeit der Legierung erhöht. Vorteilhafterweise wird die Einbettungsfestigkeit der keramischen Hartphase in der metallischen Matrix erhöht. Vorteilhafterweise ist ein hoher Anteil der keramischen Hartphase realisierbar. Vorteilhafterweise sind keine Phasenübergänge bis zur Schmelztemperatur vorhanden, wodurch keine thermodynamische Ermüdung der Legierung auftritt. Vorteilhafterweise wird ein prozesssicheres und reproduzierbares Herstellverfahren für Hochleistungs-AMC-Legierungen realisierbar.
Unter einer Solidustemperatur wird insbesondere eine Temperatur einer Legierung oder eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs verstanden, unterhalb der die Legierung und/oder der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff vollständig in fester Phase vorliegt.
Vorzugsweise weist die metallische Matrix eine Solidustemperatur von mindestens 860 °C auf, bevorzugt mindestens 870 °C, bevorzugt 880 °C, bevorzugt 890 °C, bevorzugt 900 °C, bevorzugt 950 °C, oder bevorzugt 1000 °C.
Unter einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff wird insbesondere eine Mischung einer metallischen Matrix und einer keramischen Hartphase verstanden. Vorzugsweise sind die metallische Matrix und die keramische Hartphase homogen gemischt.
Vorzugsweise weist die metallische Matrix mindestens 55 Atom-% Aluminium auf, bevorzugt mindestens 60 Atom-% Aluminium, bevorzugt mindestens 65 Atom-% Aluminium, bevorzugt mindestens 70 Atom-% Aluminium, bevorzugt mindestens 75 Atom-% Aluminium, bevorzugt 50 bis 75 Atom-% Aluminium, bevorzugt 55 bis 75 Atom-% Aluminium, bevorzugt 60 bis 75 Atom-% Aluminium, bevorzugt 65 bis 75 Atom-% Aluminium, bevorzugt 50 bis 70 Atom-% Aluminium, bevorzugt 50 bis 65 Atom-% Aluminium, oder bevorzugt 50 bis 60 Atom-% Aluminium, jeweils bezogen auf den Atomanteil der metallischen Matrix.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die metallische Matrix mindestens ein weiteres Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, V, Co, Zr, Nb und W aufweist, wobei der Anteil des mindestens einem weiteren Elements mindestens ein Atom-% beträgt, wobei die metallische Matrix aus einer einzelnen Phase besteht und keine Anteile an α-Aluminium aufweist, und wobei die metallische Matrix im wesentlichen keine Bestandteile der Elemente Si, Mg, Cu, Zn, Sn und Li aufweist.
Vorzugsweise trägt der Anteil des mindestens einen weiteren Elements mindestens 2 Atom-%, bevorzugt mindestens 3 Atom-%, oder bevorzugt mindestens 4 Atom-%, bezogen auf den Atomanteil der metallischen Matrix.
Vorzugsweise beträgt die Partikelgröße der keramischen Hartphase 5 nm bis 5 µm, bevorzugt 50 nm bis 5 µm, bevorzugt 500 nm bis 5 µm, bevorzugt 100 nm bis 5 µm, bevorzugt 100 nm bis 1 µm, oder bevorzugt 100 nm bis 500 nm.
Unter im Wesentlichen keine Bestandteile der Elemente Si, Mg, Cu, Zn, Sn und Li in der metallischen Matrix wird insbesondere verstanden, dass diese Elemente lediglich in der Menge von herstellungsbedingten Verunreinigungen, insbesondere unvermeidbaren Verunreinigungen in der metallischen Matrix vorhanden sind, insbesondere in einer Menge von höchstens 0,1 Atom-%.
Sonstige Elemente können beispielweise herstellungsbedingte Verunreinigungen von Blei, Nickel, Zink oder anderen Elementen sein, insbesondere unvermeidbare Verunreinigungen. Vorzugsweise liegt der Anteil der unvermeidbaren Verunreinigungen bei 0,2 Gew.-%, bevorzugt bei 0,1 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der metallischen Matrix.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die keramische Hartphase SiC und/oder Al₂O₃ aufweist.
Vorzugsweise weist die keramische Hartphase SiC und/oder Al₂O₃ in einer Menge von mindestens 1 Gew.-% auf, bevorzugt mindestens 2 Gew.-%, bevorzugt mindestens 3 Gew.-%, bevorzugt mindestens 5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 7 Gew.-%, bevorzugt mindestens 10 Gew.-%, oder bevorzugt mindestens 15 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der keramischen Hartphase.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die metallische Matrix eine ternäre oder quartäre Zusammensetzung aufweist, insbesondere eine ternäre Zusammensetzung aus Al, Cr und Fe, oder aus AI, Cr und Ti.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anteil der metallischen Matrix mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-% beträgt, und der Anteil der keramischen Hartphase mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-% beträgt, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung.
Vorzugsweise beträgt der Anteil der metallischen Matrix mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 30 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 Gew.-% bis höchstens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 Gew.-% bis höchstens 70 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung. Vorzugsweise beträgt der Anteil der keramischen Hartphase mindestens 10 bis höchstens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 10 bis höchstens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 bis höchstens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 bis höchstens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 30 bis höchstens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 20 bis höchstens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 30 bis höchstens 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 30 bis höchstens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 30 bis höchstens 60 Gew.-%, bevorzugt mindestens 40 bis höchstens 60 Gew.-%, oder bevorzugt mindestens 40 bis höchstens 50 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen verschleißbeständigen Leichtbaulegierung bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für das Verfahren der Herstellung der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung erläutert wurden. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die metallische Matrix zu einer Pulver verdüst wird und mit der keramischen Hartphase gemischt wird, und/oder die keramische Hartphase während des Verdüsens der metallischen Matrix beigemischt wird, wobei ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff der metallischen Matrix und der keramischen Hartphase erhalten wird. Vorzugsweise werden die metallische Matrix und die keramische Hartphase homogen gemischt. Vorzugsweise liegen die metallische Matrix und/oder die keramische Hartphase in Pulverform vor.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff durch einen Sinterprozess bei einer Temperatur kleiner als die Solidustemperatur der metallischen Matrix, bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 20 und 50 K unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Matrix, zu einem Formkörper gesintert wird.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Bremsscheibe mit einer erfindungsgemäßen verschließbeständigen Leichtbaulegierung bereitgestellt wird, insbesondere nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Dabei ergeben sich für die Bremsscheibe insbesondere die Vorteile, wie bereits in Zusammenhang mit der Verschleißbeständigen Leichtbaulegierung erläutert wurden. Die Bremsscheibe ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe einen Trägerkörper und mindestens eine Reibfläche aufweist, wobei die mindestens eine Reibfläche aus der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung ausgebildet ist, wobei der Trägerkörper bevorzugt aus Aluminium ausgebildet ist, und wobei die mindestens eine Reibfläche, bevorzugt durch Sintern, auf den Trägerkörper aufgebracht ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Reibfläche eine Schichtdicke von 2 mm bis 4 mm aufweist, wobei bevorzugt beidseitig auf den Trägerkörper mindestens eine Reibfläche aufgebracht ist. Vorzugsweise ist die Schichtdicke der beidseitig auf den Trägerkörper aufgebrachten Reibflächen gleich groß.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Reibfläche durch Aufsintern oder durch Mikroreibrührverschweißung auf den Trägerkörper aufgebracht.
Vorzugsweise ist die Bremsscheibe eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, und/oder ein Motorrad.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der mindestens einen Reibfläche und dem Trägerkörper eine Zwischenschicht zur Überbrückung der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der mindestens einen Reibfläche und des Trägerkörpers mit mittleren thermischen Eigenschaften aufgebracht ist, wobei die Zwischenschicht einen Anteil von 10 bis 30 Vol.-% der keramischen Hartphase aufweist.
Vorzugsweise weist die Zwischenschicht einen Anteil von 10 bis 25 Vol.-% der keramischen Hartphase auf, bevorzugt von 15 bis 30 Vol.-%, bevorzugt von 15 bis 25 Vol.-%, bevorzugt von 10 bis 20 Vol.-%.
Vorzugsweise ist die keramische Hartphase eine intermetallische Phase, insbesondere keine Laves-Phase. Unter einer Laves-Phase wird insbesondere eine Phase mit einem oder mehreren metallographischen Bestandteilen, welche die C14 (hexagonal)-, C15 (kubisch)-, oder C36 (hexagonal)- Kristallstruktur aufweisen.
Unter Sintern wird insbesondere ein in Form bringen und unter erhöhtem Druck und Temperatur verdichteten Pulver, wobei das Pulver zumindest teilweise aufschmilzt, bis ein vollständiger Legierungskörper erhalten wird verstanden, bevorzugt mit anschließendem Abkühlen. Das Pulver wird dabei aus in Pulverform vorliegender metallischer Matrix und in Pulverform vorliegender keramischen Hartphase gebildet, wobei die metallische Matrix und die keramische Hartphase gemischt sind, insbesondere homogen gemischt sind.
Vorzugsweise wird die metallische Matrix durch Mischen der Elemente in den jeweiligen Atom-Verhältnissen und anschließendes schmelzen erhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 ein Zustandsdiagramm eines ternären Al-Cr-Fe Systems in einer Solidus-Projektion,
2 eine Bremsscheibe mit einem Trägerkörper und zwei Reibflächen aus einer verschleißbeständigen Leichtbaulegierung in einem Ausführungsbeispiel, und
3 ein gesintertes Gefüge von AlCr₂₀Fe₁₀ und 30 % SiC in einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt ein Zustandsdiagramm eines ternären Al-Cr-Fe Systems in einer Solidus-Projektion.
Die metallische Matrix 5 kann mittels des Zustandsdiagramms, indem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines ternären Zustandsdiagramms, abgestimmt werden, es ist allerdings auch die Verwendung eines quartären Zustandsdiagramms denkbar, so dass sich bei der Erstarrung der metallischen Matrix 5 nur eine hochschmelzende Phase bildet. In dem in dem Zustandsdiagramm dargestellten ternären Systems Al-Cr-Fe liegt ein Bereich mit stabilen Phasen O₁ beziehungsweise D₃ mit Solidustemperaturen von 1045 °C bis 1075 °C vor. Eine typische Zusammensetzung einer solchen metallischen Matrix 5 ist beispielsweise Al₇₅Cr₁₆Fe₉. Eine derartige metallische Matrix 5 in Kombination mit einer keramischen Hartphase 7 führt zu einer verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 durch die Bildung eines Metall-Matrix-Verbundwerkstoffs 3 mit einer Solidustemperatur von weit über 850 °C.
2 zeigt eine Bremsscheibe 9 mit einem Trägerkörper 11 und zwei Reibflächen 13 aus einer verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 in einem Ausführungsbeispiel, wobei die Bremsscheibe 9 einen Trägerkörper 11 und mindestens eine Reibfläche 13 aufweist, wobei die mindestens eine Reibfläche 13 aus der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 ausgebildet ist, wobei der Trägerkörper 11 bevorzugt aus Aluminium ausgebildet ist, und wobei die mindestens eine Reibfläche 13 bevorzugt durch Sintern, auf den Trägerkörper 11 aufgebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Bremsscheibe 9 und mindestens eine Reibfläche 13 in einer Schichtdicke von 2 mm bis 4 mm auf, wobei die Bremsscheibe 9 bevorzugt dadurch gebildet wird, ist die mindestens eine Reibfläche 13 beidseitig auf den Trägerkörper 11 aufgebracht ist.
Einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der mindestens einen Reibfläche 13 und dem Trägerkörper 11 eine Zwischenschicht zur Überbrückung der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der mindestens einen Reibfläche 13 und des Trägerkörpers 11 mit mittleren thermischen Eigenschaften aufgebracht, wobei die Zwischenschicht einen Anteil von 10 bis 30 Volumen-% der keramischen Hartphase 7 aufweist.
Die Überbrückung der Werkstoffeigenschaften zwischen dem Trägerkörper 11 und der mindestens einen Reibfläche 13 können vorteilhafterweise durch einen Gradienten, insbesondere des Wärmeausdehnungskoeffizienten, überbrückt werden. Dazu wird eine Zwischenschicht mit einer immer noch hohen Temperaturfestigkeit, einer guten Duktilität und einem erniedrigten Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet, um die Trägerkörper, insbesondere den Trägerkörper 11, insbesondere aus Aluminium, mit der mindestens einen Reibfläche 13 zu verbinden. Es ist ebenfalls denkbar, mehrere Zwischenschichten zu verwenden, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die dadurch entstehende verminderte Spannung bei der Wärmeausdehnung verhindert die Ausbreitung und Entstehung von Rissen, sondern es wird auch das Sintern bei der Herstellung der Bremsscheibe 9 erleichtert.
Die verschleißbeständige Leichtbaulegierung 1 ist aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff 3 mit einer metallischen Matrix 5 und einer keramischen Hartphase 7 ausgebildet. Die metallische Matrix 5 weist mindestens 50 Atom-% Aluminium auf, wobei die metallische Matrix 5 eine Solidustemperatur von mindestens 850 °C aufweist, und wobei die metallische Matrix 5 mit der keramischen Hartphase 7 gemischt ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die metallische Matrix 5 mindestens ein weiteres Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, V, Co, Zr, Nb und W auf, wobei der Anteil des mindestens eines weiteren Elements mindestens 1 Atom-% beträgt, wobei die metallische Matrix 5 aus einer einzelnen Phase besteht und keine Anteile an α-Aluminium aufweist, und wobei die metallische Matrix 5 im wesentlichen keine Bestandteile der Elemente Si, Mg, Cu, Zn, Sn und Li aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die keramische Hartphase 7 SiC und/oder Al₂O₃ auf.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die metallische Matrix 5 eine ternäre oder eine quartäre Zusammensetzung auf, insbesondere eine ternäre Zusammensetzung aus Al, Cr und Fe, oder aus AI, Cr und Ti.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil der metallischen Matrix 5 mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-%, und der Anteil der keramischen Hartphase 7 mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1.
Die verschleißbeständige Leichtbaulegierung 1 kann dadurch hergestellt werden, dass die metallische Matrix 5 zu einem Pulver verdüst wird und mit der keramischen Hartphase 7 gemischt wird, und/oder die keramische Hartphase 7 während des Verdüsens der metallischen Matrix 5 beigemischt wird, wobei ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff 3 der metallischen Matrix 5 und der keramischen Hartphase 7 erhalten wird. Die metallische Matrix 5 und die keramische Hartphase 7 liegen dabei bevorzugt als Pulver vor, insbesondere als homogenes Pulver.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in dem Verfahren zur Herstellung der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff 3 durch einen Sinter-Prozess einer Temperatur kleiner als die Solidustemperatur der metallischen Matrix 5, bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 20 und 50° unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Matrix 5, zu einem Formkörper gesintert.
In dem Verfahren zur Herstellung der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 kann in einer weiteren Ausgestaltung eine Schmelze einer definierten Zusammensetzung an Elementen, beispielsweise Al₇₅Cr₁₆Fe₉ Atom-% verdüst werden, so dass sich kleine Partikel bilden wobei in den Zerstäubergasstrom, der durch Stickstoff gebildet werden kann, SiC-Partikel oder Al₂O₃ Partikel zugegeben werden, beispielweise in einer Menge von 35 Volumen-%.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die verschleißbeständige Leichtbaulegierung 1 durch Spark-Plasma-Sintern beispielsweise bei 980 °C, 100 MPa über einen Zeitraum von 3 Minuten hergestellt werden.
Die metallische Matrix 5 kann verdüst werden, um die metallische Matrix 5 als pulverförmiges Ausgangsmaterial herzustellen. Bei der raschen Erstarrung durch Verdüsung ist das Gefüge des Metallpulvers sehr fein und weist keine groben und spröden Phasen auf. Dem Metallpulver der metallischen Matrix 7 kann durch Einmischen die keramische Hartphase 7 beigegeben werden. Die keramische Hartphase 7 kann dabei 35 Vol.-% der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung 1 aufweisen. Alternativ wird die keramische Hartphase 7 bereits während des Verdüsens dem Atomisierungsgasstrom der metallischen Matrix 5 beigemischt, wodurch Verbundpartikel entstehen, die die gewünschten Anteile der keramische Hartphase 7 und der metallischen Matrix 5 aufweisen. Der gewünschte Formkörper kann anschließend durch Sintern hergestellt werden. Vorteil des Sinterns ist, dass die Konsolidierung unterhalb der Solidustemperatur erfolgt, so dass es zu keiner Entmischung kommt und sich keine weiteren Phasen bilden. Es hat sich auch das Spark-Plasma-Sintern (SPS) als geeignetes Herstellverfahren erwiesen, alternativ dazu eignet sich Heißpressen oder Heiß-Isostatisches Pressen (HIP).
Der Wärmeausdehnungskoeffizient der metallischen Matrix 5 sollte dabei möglichst niedrig liegen, um eine Spaltbildung zwischen den Partikeln der keramischen Hartphase 7 und der metallischen Matrix 5 bei hohen Temperaturen zu vermeiden, zum Beispiel hat Siliciumcarbid (SiC) einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,6 bis 4,1 ×10^-6/K bei 20 bis 400 °C im Vergleich zu typischen Aluminiumgusslegierungen von 18 bis 23 ×10^-6/K.
Die metallische Matrix 5 kann auf Basis der ternären oder quartären Zustandsdiagramme so abgestimmt werden, dass sich bei der Erstarrung nur hochschmelzende Phasen bilden. Die Legierung wird unter Verwendung von bevorzugt ternären oder quartären Legierungszusammensetzungen und einem Hauptbestandteil aus Aluminium mit Übergangsmetallen Fe, Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, V, Co, Zr, Nb, und W, insbesondere ohne die Elemente Si, Mg, Cu, Zn, Sn, und Li, die mit Aluminium niedrig schmelzende Phasen bilden, ausgewählt werden. Beispielsweise gibt es im ternären System Al-Cr-Fe einen Bereich mit stabilen Phasen (siehe O₁ und D₃ in 1) mit Solidustemperaturen von 1045 °C bis 1075 °C, beispielsweise für eine typische Zusammensetzung Al₇₅Cr₁₆Fe₉.
Eine weitere geeignete metallische Matrix 5 bietet auch das System Al-Cr-Ti mit stabilen Phasen L12 und β und einer Solidustemperatur von ca. 1275 °C, beispielsweise AlCr₂₃Ti₂₁.
3 zeigt ein gesintertes Gefüge von AlCr₂₀Fe₁₀ und 30 % SiC in einem Ausführungsbeispiel.
Die metallische Matrix 5 aus Al-Cr-Fe, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel AlCr₂₀Fe₁₀, und der darin enthaltenen keramischen Hartphase 7, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Anteil von 35 Vol.-% SiC, wurden bei 1000 °C gesintert, und bilden eine druckfeste verschleißbeständige Legierung 1 bei einem Druck von über 40 MPa, bei 800 °C. Die keramische Hartphase 7 ist in der metallischen Matrix 5 verteilt und bildet eine AMC-Legierung. Die mechanischen Eigenschaften der in diesem Ausführungsbeispiel vorliegenden AMC-Legierung zeigen für das E-Modul größer als 150 GPa, eine Härte von 780 bis 900 HV, und eine Dichte von 3,785 g/cm³. Die Partikel der keramischen Hartphase 7 können dabei eine unterschiedliche Struktur und/oder eine unterschiedliche Größenverteilung aufweisen. Die keramische Hartphase 7 verleiht der metallischen Matrix 5 insbesondere eine mechanische Festigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10339705 A1 [0010]
EP 1475449 A1 [0011]

Claims

Verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (3) mit einer metallischen Matrix (5) und einer keramischen Hartphase (7), dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) mindestens 50 Atom-% Aluminium aufweist, wobei die metallische Matrix (5) eine Solidustemperatur von mindestens 850 °C aufweist, und wobei die metallische Matrix (5) mit der keramischen Hartphase (7) gemischt ist.
Verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) mindestens ein weiteres Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Cr, Ni, Mn, Mo, Ti, V, Co, Zr, Nb, und W aufweist, wobei der Anteil des mindestens einen weiteren Elements mindestens 1 Atom-% beträgt, wobei die metallische Matrix (5) aus einer einzelnen Phase besteht und keine Anteile an alpha-Aluminium aufweist, und wobei die metallische Matrix (5) im Wesentlichen keine Bestandteile der Elemente Si, Mg, Cu, Zn, Sn und Li aufweist.
Verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Hartphase SiC und/oder Al₂O₃ aufweist.
Verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) eine ternäre oder quartäre Zusammensetzung aufweist, insbesondere eine ternäre Zusammensetzung aus Al, Cr und Fe oder aus Al, Cr und Ti.
Verschleißbeständige Leichtbaulegierung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der metallischen Matrix (5) mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-% beträgt, und der Anteil der keramischen Hartphase (7) mindestens 10 Gew.-% bis höchstens 90 Gew.-% beträgt, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung (1).
Verfahren zur Herstellung einer verschleißbeständigen Leichtbaulegierung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix (5) zu einem Pulver verdüst wird und mit der keramischen Hartphase (7) gemischt wird, und/oder die keramische Hartphase (7) während des Verdüsens der metallischen Matrix (5) beigemischt wird, wobei ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (3) der metallischen Matrix (5) und der keramischen Hartphase (7) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (3) durch einen Sinterprozess bei einer Temperatur kleiner als die Solidustemperatur der metallischen Matrix (5), bevorzugt bei einer Temperatur zwischen 20 und 50 K unterhalb der Solidustemperatur der metallischen Matrix (5), zu einem Formkörper gesintert wird.
Bremsscheibe (9), mit einer verschleißbeständigen Leichtbaulegierung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsscheibe (9) einen Trägerkörper (11) und mindestens eine Reibfläche (13) aufweist, wobei die mindestens eine Reibfläche (13) aus der verschleißbeständigen Leichtbaulegierung (1) ausgebildet ist, wobei der Trägerkörper (11) bevorzugt aus AI ausgebildet ist, und wobei die mindestens eine Reibfläche (13), bevorzugt durch Sintern, auf den Trägerkörper (11) aufgebracht ist.
Bremsscheibe (9) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Reibfläche (13) eine Schichtdicke von 2 mm bis 4 mm aufweist, wobei bevorzugt beidseitig auf den Trägerkörper (11) mindestens eine Reibfläche (13) aufgebracht ist.
Bremsscheibe (9) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Reibfläche (13) und dem Trägerkörper (11) eine Zwischenschicht zur Überbrückung der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der mindestens einen Reibfläche (13) und des Trägerkörpers (11) mit mittleren thermischen Eigenschaften aufgebracht ist, wobei die Zwischenschicht einen Anteil von 10 bis 30 Vol.-% der keramischen Hartphase (7) aufweist.