Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Strukturelement für
Kraftfahrzeuge bereitzustellen, das gegenüber den bekannten Strukturelementen
aus Metall und Metallschaum eine verbesserte Steifigkeit, Festigkeit und
Deformationsenergie-Absorption aufweist, sowie ein einfaches und
kostengünstiges
Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Strukturelement aus einem Metall/Keramik-Verbund mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und durch Verfahren zur Herstellung eines Strukturelements aus
Metall/Keramik-Verbund mit den Merkmalen der Ansprüche 13,
14, 15 und 17 gelöst.
Das erfindungsgemäße Strukturelement zeichnet
sich dadurch aus, dass es aus einem Metall/Keramik-Verbund mit einer
kontinuierlichen Matrixphase aus Leichtmetall und eingelagerten
Keramikfüllstoffen
in Form von Einlagen, Kernen, Formteilen oder dergleichen aufgebaut
ist. Im Unterschied zu den bekannten Keramik/Metall-Composites (CMC) handelt
es sich bei den erfindungsgemäßen Keramik-Füllstoffen
um makroskopische Keramikkörper.
Unter makroskopischen Abmessungen
ist eine Größenordnung
oberhalb von 1 bis einigen mm zu verstehen.
Die Keramikfüllkörper weisen somit eine räumliche
Ausdehnung oberhalb einigen mm auf. Bevorzugt liegt die Abmessung,
d.h. der Maximalwert der lateralen Ausdehnung, einzelner Keramikfüllkörper oberhalb
2 cm. Je nach der Größe der Füllkörper wird
im folgenden zwischen Partikelfüllern,
Kernen oder Einlegeteilen unterschieden.
Bei allen Keramikfüllkörpern handelt
es sich erfindungsgemäß um mikroporöse Keramiken.
Wesentlich für
die Erzielung der gewünschten
mechanischen Eigenschaften des Strukturbauteils aus einem Metall/Keramik-Verbund
ist die Ausnutzung der hohen Festigkeit, insbesondere Druckfestigkeit
und Steifigkeit der Keramik. Druckfestigkeit und Steifigkeit liegen
nicht nur für
dichte sondern gerade auch für
poröse
Keramik wesentlich höher
als bei Metallen mit vergleichbarer Materialdichte.
Die Verwendung poröser Keramik
ist insbesondere durch die Anforderung eines niedrigen Volumengewichtes
der Strukturbauteile begründet.
Die Porosität der Keramikfüllkörper liegt
vorzugsweise im Bereich von 30 bis 85 Vol%. Die Porosität kann dabei
je nach Anwendungsfall unterschiedlich gewählt werden. Soll eine hohe
Deformationsenergie des Strukturbauteils erreicht werden so sind Porositäten in einem
Bereich nahe 60 %, beispielsweise 60 bis 80 Vol% zu wählen. Soll
lediglich eine akustische oder thermische Dämpfungswirkung des Strukturbauteils
erreicht werden, so sind Porositäten in
einem Bereich nahe 75 Vol% zu bevorzugen.
Die Porenverteilung der porösen Keramik verteilt
sich bevorzugt gleichmäßig und
homogen über
den gesamten Keramikkörper.
Bezüglich
der Porenstruktur sind sowohl offene wie geschlossene Poren geeignet.
Bevorzugt ist die Oberfläche
des Keramikkörpers
offenporig. Besonders bevorzugt weist der Keramikkörper auf
der Oberfläche
offene und im inneren geschlossene Poren auf.
Erfindungsgemäß sind die offenen Poren der Oberfläche des
Keramikfüllkörpers im
Strukturbauteil zumindest teilweise durch das umgebende Metall oder
einen Kleber erfüllt.
Hierdurch wird eine Verbindungsschicht mit Durchdringungsgefüge gebildet,
die eine feste Verbindung zwischen Metall und Keramik gewährleistet.
Gegebenenfalls kann die Zwischenschicht oder
Verbindungsschicht auch wesentliche Anteile an Reaktionsprodukten
aus einer Umsetzung zwischen dem Leichtmetall und der Keramik der
Oberfläche
enthalten.
Zu den erfindungsgemäß geeigneten
Keramiken zur Bildung der porösen
Keramikfüllkörper gehören oxidische,
nitridische, carbidische und boridische Keramiken. Insbesondere
Konstruktionskeramiken sind hier geeignet. Bevorzugt sind die Keramiken aus
Silikaten, Alumosilikaten, Keramiken auf der Basis der Elementoxide
von Mg, Al, Si, B, und/oder Ti, Carbiden auf der Basis der Elemente
B, Si, und/oder Ti und/oder Boriden von Ti und/oder Ti gebildet.
Dabei kann es von Vorteil sein in
demselben Strukturbauteil unterschiedliche Keramik-Materialien vorzusehen.
Bei den Keramikfüllkörpern kann es sich erfindungsgemäß um monolithische
poröse
Keramik, wie auch um zusammengesetzte Keramikteile handeln.
Des weiteren sind unter den Keramikfüllkörpern auch
Formkörper
aus keramischen Fasermaterialien zu verstehen. Als Fasermaterialien
sind insbesondere Oxidkeramikfasern, beispielsweise aus Al2O3 und/oder SiO2 geeignet .
In einer ersten Ausgestaltung der
Erfindung bilden die Keramikfüllkörper Einlegeteile
oder Kerne aus. Es handelt sich hierbei um relativ große keramische
Formkörper,
die nur in geringer Stückzahl
je Strukturbauteil vorliegen. Typischerweise liegt diese Stückzahl im
Bereich von 1 bis 20 je Strukturbauteil in der für Kraftfahrzeuge üblichen
Abmessung. Die äußere Abmessung
der Formkörper,
beziehungsweise die maximale laterale Ausdehnung, liegt dabei oberhalb
10 cm.
Wird das Strukturbauteil durch Rund-
oder Kantprofile gebildet, so reicht im allgemeinen ein einziger
keramischer Füllkörper aus.
Es kann aber auch von Vorteil sein, den Keramikfüllkörper durch das Metall in mehrere
Zellen zu unterteilen, die je nach Belastungsfall unterschiedliche
Länge oder
unterschiedliches Keramik-Material aufweisen können.
In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung bilden die Keramikfüllkörper Partikelfüller aus. Hierbei
handelt es sich um relativ kleine keramische Formkörper, die
in hoher Stückzahl
je Strukturbauteil vorliegen. Zur Abgrenzung gegenüber den
Kernen und Einlegeteilen sollten 10 cm als Obergrenze der Abmessung
einzelner Partikel angesehen werden. Bevorzugt liegt die äußere Abmessung
der Partikel im Bereich von 1 bis 10 cm.
Während
die Einlegeteile oder Kerne in einer vorbestimmbaren Vorzugsrichtung
angeordnet sind, weisen die einzelnen Partikel der Partikelfüller eine zufällige Ausrichtung
auf. Die Anzahl der Einzelpartikel pro Strukturbauteil liegt oberhalb
50 typischerweise im Bereich von einigen hundert, wobei sich diese Anzahl
auf eine im Kraftfahrzeugbau übliche
Strukturbauteilgröße bezieht.
Die Einzelpartikel können sich
innerhalb eines Strukturbauteils hinsichtlich Größe, Form und Material unterschieden.
Bevorzugt sind die Partikel aber gleichförmig und im wesentlichen von
gleicher Abmessung.
Zu bevorzugten geometrischen Ausgestaltungen
der einzelnen Partikel gehören
Kugeln, Stäbe,
Quader, Plättchen,
Sterne oder Rauten. Insbesondere im Falle von Partikeln in Kugelform
kann die Verwendung von Hohlkugeln von Vorteil sein.
Die Einzelpartikel sind erfindungsgemäß so angeordnet,
dass sie sich, von einzelnen Ausnahmen abgesehen, gegenseitig be rühren, wobei
an den Kontaktpunkten oder -flächen
gegebenenfalls eine Verbindungsschicht aufgebaut sein kann.
Zu den erfindungsgemäß geeigneten
Metallen zählen
insbesondere die Leichtmetalle und deren Legierungen, beispielsweise
Al-, Ti- oder Mg-Legierungen.
Die Auswahl geeigneter Metalle wird
besonders durch die thermische und chemische Beständigkeit
der Keramik gegenüber
der flüssigen
Metallschmelze beschränkt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist die Verwendung der Strukturbauteile aus dem Metall/Keramik-Verbund.
Obwohl sich die erfindungsgemäßen Strukturbauteile
in weiten Bereichen des Maschinen oder Fahrzeugbaus anwenden lassen,
ist die Verwendung in Kraftfahrzeugen besonders bevorzugt. Hierbei
ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Strukturbauteile insbesondere
im Bereich der Längs- oder
Querträger,
sowie der A-, B-, oder C-Säulen
in Automobilen besonders vorteilhaft. Gegenüber den üblichen Hohlstrukturen, oder
mit Kunststoffen oder Metallen ausgeschäumten Hohlstrukturen weisen
die erfindungsgemäßen Metall/Keramik-Verbunde
eine verbesserte Steifigkeit und Festigkeit auf. Insbesondere hinsichtlich
einer hohen Aufnahme von Deformationsenergie sind sie den üblichen
Strukturbauteilen überlegen,
was beispielsweise bei einem Fahrzeug-Crash von Bedeutung ist. Ebenso
zeigt die Keramik unter ballistischer Bedrohung deutliche Vorteile gegenüber den üblichen
Strukturbauteilen auf. Insbesondere im Falle geringen Bauvolumens
erweist sich die Integration der Keramik in das Strukturbauteil
von Vorteil.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für Kraftfahrzeuge
aus einem Metall/Keramik-Verbund.
In einer ersten Ausgestaltung der
Erfindung werden poröse
Keramik-Kerne mit einer Porosität von
30 bis 70 % in einer Gussform fest fixiert und mit Metall umgossen.
Kern-Material, Metall und Gießparameter
werden dabei so gewählt,
dass das Metall nur in der Verbindungsschicht des Materialverbundes aus
Metall und Keramik mit der Keramik chemisch reagiert und/oder nur
in der Verbindungsschicht in die Poren der Keramik eindringt.
Um dies zu erreichen wird der Umguss
des Keramikteils oder des Kerns erfindungsgemäß bei vergleichsweise niedriger
Temperatur durchgeführt. Insbesondere
das Keramikteil oder der Kern ist kalt. Hierdurch findet beim Metallguss
eine schnelle Erstarrung der Schmelze auf der Oberfläche der
Keramik statt, so dass ein weites Eindringen der Metallschmelze
in die offenen Poren der Keramik, sowie eine weitreichende chemische
Reaktion zwischen Metall und Keramik vermeidbar werden.
Bevorzugt wird eine Verbindungsschicht
mit Durchdringungsgefüge
aus Metall und Keramik gebildet. Besonders bevorzugt enthält die Verbindungsschicht
einen Anteil an Reaktionsprodukten der Umsetzung zwischen Metall
und Keramik unterhalb 20 Volk. Die gebildete Verbindungsschicht
hat dabei eine bevorzugte mittlere Dicke im Bereich von 0,1 bis 5
mm.
Als Gießverfahren sind die üblichen
Verfahren des Metallgusses anwendbar. Hierzu zählen insbesondere der Druckguss,
der Schleuderguss, der Sandguss, der Kokillenguss, oder das Squeeze-Casting.
Als Gießmetalle sind im Prinzip alle
im gießbaren
Metalle- und Legierungen
geeignet. Die Auswahl geeigneter Metalle wird aber durch die thermische
und chemische Beständigkeit
der Keramik gegenüber
der flüssigen
Metallschmelze eingeschränkt.
Das bedeutet beispielsweise, dass hochschmelzende Stähle, oder
intermetallische Phasen, wie beispielsweise TiAl, für niedrigschmelzende
Silikate, oder Borsilikatkeramiken wenig geeignet sind.
Bevorzugt werden Leichtmetalle und
deren Legierungen eingesetzt. Diese vereinen die Vorteile eines
geringen spezifischen Gewichtes und einer vergleichsweise niedrigen
Gießtemperatur.
Für
den Materialverbund aus Metall und Keramik ist die Festigkeit der
Verbindungsschicht von großer
Bedeutung. Daher werden erfindungsgemäß Metalle gewählt, die
eine gute Benetzbarkeit der Keramik aufweisen. Erfindungsgemäß bevorzugte Kombinationen
aus Metall und Keramik sind Al-Legierungen mit Al2O3, TiO2 und/oder
Alumosilikaten, sowie Ti-Legierungen mit Al2O3 und/oder Boriden.
Üblicherweise
wird für
die Leichtmetalle das Druckgussverfahren angewendet. Beispielsweise liegt
der bevorzugte spezifische Gießdruck
bei der Verwendung von Al oder Al-Legierungen im Bereich von 700
bis 900 bar und die bevorzugte Gießtemperatur im Bereich von
600 bis 800°C.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Verfahrens zur Herstellung von Strukturbauteilen aus einem Metall/Keramik-Verbund
bezieht sich auf die Verwendung von Partikelfüllern.
Hierbei wird die Gießform mit
einer losen Schüttung,
oder einem Gelege der Partikeln gefüllt. Dabei entsteht ein großvolumiges
Netzwerk aus Hohlräumen
zwischen den einzelnen Partikeln. Die Dichte der Schüttung ist über die
Geometrie oder die Abmessungen der Partikel steuerbar.
Bevorzugt werden für eine Schüttung zumindest
anteilsweise Partikelgeometrien mit hohem sterischen Bedarf und
komplexer Geometrie gewählt,
so dass die Partikel maximal 80 Vol% der Gießform einnehmen. Bevorzugt
liegt das von den Partikeln erfüllte
Volumen bei 30 bis 70 Vol% der Gießform.
Da sich die Partikel untereinander
abstützen ist
eine weitere Fixierung der Partikelfüllung im allgemeinen nicht
erforderlich. Für
die weiteren Verfahrensschritte und -merkmale gelten die Ausführungen für die Kerne
in analoger Weise.
In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung werden Einlegeteile aus poröser Keramik verwendet, die
mittels eines Klebers in die Kavitäten einer Leichtmetallstruktur
eingebracht werden. Dabei wird zunächst in bekannter Weise ein
Strukturbauteil mit Aussparungen (Kavitäten) gegossen. Hierauf werden
die an die jeweiligen Aussparungen angepassten porösen Keramik-Einlegeteile
in die Aussparungen eingepasst und mittels eines Klebemittels mit dem
Metall fest verbunden. Bezüglich
Geometrie und Abmessungen gelten die Ausführungen zu den Kernen in analoger
Weise.
Bevorzugt wird als Klebemittel ein
Polymer, besonders bevorzugt ein geschäumtes Polymer verwendet.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil,
dass durch das Klebemittel, eine weitere Verbesserung der schalldämmenden
Wirkung des Verbundteils erreicht werden kann.
Das vorgeschlagene Verfahren ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn das Metall- oder die Metallegierung
des Strukturbauteils aus Stahl oder hochschmelzenden Legierungen
besteht, deren Schmelze eine Schädigung
von Keramikkernen zu Folge hätte.
Besonders bevorzugt ist die Kombination aus einer Stahlstruktur
mit Keramikeinlagen aus Silikat-, und/oder Alumosilikaten.
Die beschriebene Klebetechnik lässt bei
der Keramik der Einlegeteile eine besonders hohe und grobe Porosität der Keramikoberfläche zu.
Insbesondere ist auch ein hoher offenporiger Anteil an der gesamten
Porosität
unschädlich.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Klebetechnik werden Faserformlinge als Einlegeteile verwendet.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Verfahrens zur Herstellung eines Strukturelements aus einem
Metall/Keramik-Verbund besteht darin, die Keramik des Verbundes
durch ein gemeinsames Strangpressen aus Metall und Keramik kern vom
Metall zu umschließen
und mit diesem fest zu verbinden.
Hierzu wird zunächst eine metallische Hohlstruktur
hergestellt, die beispielsweise aus einem Rohr bestehen kann. Diese
Hohlstruktur wird mit der Keramik in loser Form oder als Keramikkern
gefüllt. Dabei
handelt es sich um die bereits beschriebenen Formen an poröser Keramik.
Als nächster Verfahrensschritt wird
die keramikgefüllte
Metallstruktur stranggepresst. Dabei nimmt die metallische Struktur
im wesentlichen die Abmessungen und Geometrie des späteren Strukturbauteils
ein. Die Keramik wird beim Strangpressen fest von der metallischen
Struktur umgeben und zumindest im Randbereich unlösbar mit
ihr verbunden.
Im allgemeinen ist der zentrale Bereich
des hierbei gebildeten Metall/Keramik-Verbundes nur mit geringen
Anteilen an Metall durchsetzt. Daher kann es von Vorteil sein den
zentralen Bereich des Strukturbauteils mit einem Kleber, oder einem
Polymer nachzuinfiltrieren, um die Keramik auch im inneren fest
zu fixieren.
Das Strangpressverfahren ist insbesondere bei
duktilen Leichtmetalllegierungen in Verbindung mit Keramiken auf
der Basis von Boriden oder Nitriden von Vorteil.
Alle aufgeführten Herstellungsverfahren
lassen sowohl die Verwendung von geschlossenporigen wie offenporigen
Keramikkörpern
zu. Bevorzugt weisen die Keramikkörper aber zumindest in der
Oberflächenschicht
eine offene Porosität
auf, die besonders bevorzugt oberhalb 30 Vol % liegt.