Beschreibung

Titel

Werkstoff für tribologische Anwendungen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für tribologische Anwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Steigende Anforderungen an tribologische, d.h. auf Reibung beanspruchte Bauteile, insbesondere an die in Fahrzeugen eingesetzten Bremsscheiben oder -trommeln, erfordern Werkstoffe mit hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit, sowie hoher Temperaturbeständigkeit bis hin zu Temperaturen von 900 ⁰ C.

üblicherweise für solche Einsatzzwecke verwendete Materialien, wie z.B. Grauguss, können diese Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, bereits häufig schon jetzt, insbesondere jedoch für zukünftig zu erwartende Anforderungsprofile, nicht mehr erfüllen.

Ein neuer Materialansatz sind Verbundwerkstoffe auf Basis korrosionsbeständiger Metallphasen und verschleißmindernder Keramikanteiler, insbesondere sogenannte Metall- Keramik- Verbundwerkstoffe (z. B. „Metal-Matrix Composites" = MMC). Man unterscheidet hierbei einerseits „Cast- M M C"- Werkstoffe, bei welchen bis zu 20 Vol.-% keramische Fasern oder Partikel der zu vergießenden Metallphase untergemischt werden, und andererseits „Preform-MMC"- Materialien, zu deren Herstellung poröse keramische Vorkörper (sog. Preforms) mit einer Metallschmelze unter Aufbringung eines äußeren Druckes infiltriert werden.

Im Ergebnis entstehen im letzteren Fall interpenetrierende Netzwerke aus Keramik- und Metallphase mit realisierbaren Keramikanteilen von bis zu 80 Vol.-%. Der hohe Keramikanteil bedingt,

dass Preform-MMC-Werkstoffe gegenüber Cast-MMC- Werkstoffen korrosions- und verschleiß- resistenter sind.

Schon seit 1997 werden Bremsscheiben und Bremstrommeln aus Cast-MMC Werkstoffen auf Aluminiumbasis hergestellt. Beispielsweise sind die Hinterachs-Bremstrommeln des VW- Kleinwagenmodells Lupo 3L aus einem Werkstoff mit dem Markennamen Duralcan gefertigt. Dieser Werkstoff setzt sich aus 80 Vol.-% einer Aluminium-Gusslegierung und 20 Vol.-% Keramikpartikel (SiC) zusammen und wird mit dem sogenannten „Stir- Casting- Verfahren" hergestellt, das in der US 4865806 be- schrieben ist. Vorteilhaft ist dabei die durch den überwiegenden Einsatz einer Aluminiumlegierung erzielte niedrige Dichte des Materials (2,8 g/cm ³ gegenüber Bremsscheiben aus dem Standardmaterial Grauguss von 7,2 g/cm ³ ). Nachteilig wirkt sich bei diesem Materialansatz der für Cast-MMCs charakteristische niedrige Keramikanteil aus, der das Potenzial zur Steigerung der Verschleiß- beständigkeit stark einschränkt.

Hinzu kommt, dass im Allgemeinen für aluminiumbasierte Cast- und Preform-MMC-Materialien gilt, dass die niedrige Schmelz- und Erweichungstemperatur der relevanten Aluminiumlegierun- gen von unter 600 ⁰ C einen Einsatz als Bremsenmaterial für schwere und leistungsstarke Fahrzeuge, also insbesondere Mittel- und Oberklassefahrzeuge, SUV, Vans und Sportwagen, ausschließt, da hier hohe Bremstemperaturen zu erwarten sind. Dies ist durch den hohen Energieübertrag auf die Reibfläche der Bremsscheibe bzw. -trommel während des Bremsvorgangs begründet, der zu Temperaturen von über 700 ⁰ C führen kann.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Werkstoffe für tribologische Anwendungen, insbesondere als Bremsscheibe oder Trommel, bereitzustellen, der trotz geringen Gewichts eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist und überdies eine deutliche Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprü- che geben bevorzugte Ausführungsformen an.

Demnach ist ein Metall-Keramik- Verbundwerkstoff insbesondere für tribologische Anwendungen, aufweisend ein Preform aus einem Keramikwerkstoff, sowie als Metallkomponente Kupfer oder eine Kupferlegierung, vorgesehen, wobei der Keramikanteil im Bereich zwischen ein- schließlich 30 und 80 Vol.-% und der Anteil des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich zwischen einschließlich 20 und 70 Vol.-% liegt.

Der durch das Preform-Verfahren im Vergleich zu Cast-MMCs deutlich höhere erzielbare Keramikanteil von bis zu 80 Vol.-% wirkt sich vorteilhaft auf die Verschleiß- und Korrosionsbestän- digkeit der Materialien aus. Dies führt zu längerer Lebensdauer, höherer optische Brillanz und einem verbesserten Bremskomfort.

Durch Verwendung eines Preform-MMCs mit hochschmelzender Metallphase - nämlich Kupfer oder einer Kupferlegierung - wird überdies gegenüber aluminiumbasierten Werkstoffen eine deutlich höhere Einsatztemperatur ermöglicht. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind daher als Bremsenmaterialien für ein signifikant erweitertes Fahrzeugsegment einsetzbar.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Kupferlegierung um Cu-ETP, CuMg _x , CuAI _x , CuSi _x , CuZr _x , CuTi _x , CuZn _x oder CuAl _x Fe _γ Ni _z handelt.

Der Anteil des Kupfers oder der Kupferlegierung an dem Metall- Keramik- Verbundwerkstoff beträgt dabei besonders bevorzugt 25 - 60 Vol.-%.

Als Keramikwerkstoff für die Preform kommen Oxide (z.B. TiO ₂ , AI ₂ O ₃ ), Carbide (z.B. SiC, TiC, WC, B ₄ C), Nitride (z.B. Si ₃ N ₄ , BN, AIN, ZrN, TiN), Boride (z.B. TiB ₂ ) und/oder Silikate in Frage. Der Keramikwerkstoff liegt bei der Herstellung des Preforms bevorzugt in Partikel- oder Faserform vor.

Ebenso können diese Keramikwerkstoffe auch als Verstärkungs- oder Funktionselemente die- nen (z.B. SiC oder AIN zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, Keramikfasern zur Verbesserung der Bruchzähigkeit und Festigkeit, etc).

Aufgrund der Tatsache, dass der Preform eine poröse keramische Grundstruktur aufweist, in welche die Kupferschmelze bzw. die geschmolzene Legierung infiltriert wird, ergibt sich eine innige Verbindung zwischen dem Preform und dem erstarrenden Metall. Dabei bilden sich inter-

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penetrierende Netzwerke aus Metall und Keramik aus, wobei insbesondere durch das Metallnetzwerk die Festigkeit und Zähigkeit der Körper weiter erhöht wird.

Der Keramikanteil an dem Metall- Keramik- Verbundwerkstoff beträgt dabei besonders bevorzugt 40 - 75 Vol.-%.

Weiterhin ist ein Bauteil für tribologische Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbau, vorgesehen, aufweisend einen Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche. Als Bauteile kommen hier insbesondere Bremsscheiben oder -trommeln in Frage, aber auch andere Bauteile, die hohe mechanische und thermische Belastungen ertragen müssen, gleichzeitig ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen sollen und überdies korrosionsresistent sein müssen, insbesondere im Automobil-, Motorrad-, Flugzeug- und Schiffsbau.

Die Bauteile weisen zur Vermeidung hoher thermischer Gradienten bzw. großer thermischer Spannungen, die in Folge des hohen Energieeintrages während der Reibbeanspruchung auftreten können, bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit ( ) > 70 W/m K auf. Dies wird insbesondere durch den Kupferanteil bewirkt, da Kupfer eine sehr hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Die Festigkeit der Bauteile beträgt > 200 MPa, bevorzugt > 350 MPa. Hier kommt der gegenüber Cast-MMCs höhere Keramikanteil zum Tragen.

Damit ein Einsatz bei schweren und leistungsstarken Kraftfahrzeugen möglich ist, wird eine maximale Einsatztemperatur > 800 ⁰ C angestrebt. Dies wird ebenfalls durch den Kupferanteil er- reicht, da Kupfer und Kupferlegierungen höhere Schmelzpunkte haben als Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, vorgesehen, aufweisend die folgenden Schritte:

a) Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers (Preform) durch Sintern, bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff gemäß obiger Beschreibung (Sinterschritt); und

b) Infiltrieren der Preform mit einer Schmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Preform zuvor auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung gebracht wurde (Infiltrationsschritt).

Die Porosität der Preform betrage dabei 20 - 70 Vol.-%, bevorzugt 25 - 60 Vol.-%. Unter Porosität soll das Verhältnis des Volumens aller Hohlräume eines porösen Festkörpers zu dessen äußerem Volumen verstanden werden, wobei die Hohlräume hierbei im Allgemeinen netzwerkartig miteinander verbunden sind und mit der den porösen Festkörper umgebenden Atmosphäre im Austausch stehen bzw. verbunden sind (sogenannte offene Porosität). Es handelt sich also um ein Maß dafür, wie viel Raum der eigentliche Feststoff innerhalb eines bestimmten Volumens ausfüllt bzw. welche Hohlräume er in diesem hinterlässt. Die Poren sind dabei in der Regel mit Luft gefüllt. Durch die Porosität einer Preform werden daher in der Regel bereits die später zu erwartenden Volumenanteile der Keramik- und der Metallkomponente eines Preform-MMCs festgelegt.

Zur Vermeidung von Thermoschocks und einem vorzeitigen

Erstarren der Metallschmelze in der Infiltrationsfront muss überdies gewährleistet sein, dass der keramische Vorkörper eine der Schmelztemperatur nahe Temperatur aufweist, wobei die Temperaturdifferenz nicht größer als 35O ⁰ C, bevorzugt nicht größer als 100 ⁰ C sein sollte.

Dies kann beispielsweise bei Anwendung einer Schmelzinfiltration mittels Squeeze Casting durch ein Vorwärmen des Vorkörpers außerhalb des Gießwerkzeuges gewährleistet werden, wobei unmittelbar vor dem Infiltrationsprozess der Vorkörper in das Gießwerkzeug eingelegt wird.

Zur Vermeidung von Thermoschock und einem vorzeitigen Auskühlen des Vorkörpers sollte das Gießwerkzeug bevorzugt vorgewärmt sein, und ein direkter Kontakt zwischen Gießwerkzeug und Vorkörper sollte vermieden werden, z.B. durch Abstandshalter oder Auskleidung mit einem isolierenden Material wie Keramikpapier oder -Vlies.

Eine zusätzliche Maßnahme kann darin bestehen, den vorgewärmten keramischen Vorkörper mit einer isolierenden Umhüllung zu umgeben, z.B. mit Keramikpapier oder -Vlies oder einem der Form angepassten Stahlhohlkörper. Die Infiltration mit Metallschmelze erfolgt reaktionsun- terstützt oder nicht reaktiv, d.h. es findet lediglich eine auf die Oberflächenzone der Keramik- phase beschränkte Reaktion statt oder es findet keine Reaktion zwischen Metall- und Keramik-

phase statt. Durch eine Oberflächenreaktion der Keramikphase kann die Infiltrationsqualität verbessert und der Infiltrationsdruck erniedrigt werden (ursächlich hierfür ist die freigesetzte Reaktionswärme bzw. die veränderte Oberflächenspannung aufgrund der neu gebildeten Grenzflächenphase).

Weiterhin ist vorgesehen, dass dem Keramikwerkstoff vor dem Sintern ein oder mehrere Porenbildner zugegeben werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um längliche, leicht ausbrennbare Stoffe, die während des Sinterns verbrennen und so ein Netzwerk von Kanälen und Poren erzeugen, das die anschließende Infiltration der Metallschmelze erleichtert und eine innige Verbindung zwischen der Preform und dem erstarrenden Metall ermöglicht. Die auf diese Weise erzeugten Kanäle können Breiten von 2 - 50 μm, bevorzugt 5 - 30 μm aufweisen. Durch die die Kanäle im fertigen Körper ausfüllenden Metallkanäle wird die Festigkeit und Zähigkeit der Körper weiter erhöht.

Die Porenbildner haben - neben den eingestellten Sinterparametern - einen wesentlichen Ein- fluss auf die Einstellung einer bestimmten Porosität. Porenbildner können aber auch insbesondere bei der Herstellung keramischer Preforms verwendet werden, um ein Netzwerk von Porenkanälen zu erzeugen, die eine bessere Infiltrierbarkeit des Vorkörpers zur Folge haben; die Po- renkanäle fungieren hier als Infiltrationskanäle. Zudem werden durch die so entstandenen Metallkanäle Festigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes erhöht.

Besonderes bevorzugt werden hier Zelluloseplättchen oder -fasern mit einem Volumenanteil von 1 - 30 %, bevorzugt 2 - 20 % verwendet. Weiterhin sind als Porenbildner z. B. auch Ru ß- partikel, Reisstärke oder organische Makromoleküle, wie z.B. Fullerene oder Nanotubes denkbar. Im Wesentlichen eignen sich als Porenbildner all solche Materialien, die während des Sinterns verbrennen, zerfallen oder ausgasen und auf diese Weise Hohlräume in dem Material erzeugen.

Im übrigen sind auch Stoffe denkbar, die beim Sintern Gas freisetzen und so eine Porenbildung hervorrufen. Hier käme z.B. NaHCO ₃ Jn Frage, das unter Hitze CO ₂ freisetzt.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Schmelze aus Kupfer oder Kupferlegierung unter Aufwendung eines äußeren Druckes infiltriert wird.

AIs mögliche Verfahren kommen hier insbesondere Gasdruckinfiltration oder Schmelzinfiltration mittels der bekannten Technik des „Squeeze Casting" in Frage

Beispiele

Ein keramischer Vorköper, bestehend aus TiO ₂ , der eine Porosität von 50 Vol.-% aufwies, wurde mit einer Schmelze aus Cu-ETP im Squeeze Cast Verfahren infiltriert. Die mechanische Festigkeit des erhaltenen Cu-MMC Werkstoffes wurde mit 384 MPa bestimmt, die Wärmeleitfähigkeit mit 91 W/m K. Die Korrosionsrate dieses Cu- MMC in Wasser bei 35 ⁰ C ist um den Faktor 28 geringer als bei Grauguss und die Verschleißrate ist um 2 Größenordungen geringer als diejenige von Grauguss.