415

5.3 Metall Matrix Composits (MMCs)

• Dr. Ilka LenkeCeramTec AGPlochingen

Die Folien finden Sie ab Seite 421.

5.3.1. Einleitung

Das Einsatzspektrum für Leichtmetall-Komponenten erweitert sichstetig1 2. Insbesondere im Automobilbau, aber auch in vielen anderenBereichen sind Leichtbauteile - vor allem aus Aluminium, aber auch ausMagnesium oder Titan - inzwischen Standard.

Allerdings stößt der Leichtbau dort an seine Grenzen, wo er hohentribologischen, mechanischen oder thermischen Belastungen stand-halten muss.

Die Lösung liegt in der Verstärkung von Leichtmetallbauteilen ambesten genau nur an den Stellen, die am stärksten beanspruchtwerden. Es kommen Metal-Matrix Composites zum Einsatz, die diepositiven Eigenschaften der Metalle und der Keramik (siehe Folie Werk-stoffstärken) vereinen und die negativen Eigenschaften möglichst über-decken. So lassen sich Werkstoffe für bestimmte Anforderungenmaßschneidern.

5.3.2. Metal-Matrix-Composites

Mit Metal-Matrix Composites (MMCs) werden Verbundwerkstoffebezeichnet, deren Gefüge aus einer metallischen Legierung und einergezielt eingebrachten Verstärkungskomponente besteht.

MMC = Metall + Verstärkung

Mechanik und Elektrotechnik

416

Verstärkt werden können die metallischen Legierungen mit

• Partikeln bzw. Hartstoffen (z.B. Silizium, Siliziumcarbid, Alumi-niumoxid, ...)

• Langfasern (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, ...)

• Kurzfasern (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kohlenstofffa-sern, ...)

• Whiskern* (z.B. Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, ...)

• Mischungen aus Partikeln und Fasern (Hybridverstärkung)

Als metallische Komponenten werden am häufigsten Aluminiumlegie-rungen eingesetzt. Verstärkungen kommen aber auch zur Verbesse-rung der Werkstoffeigenschaften von Magnesium und Kupfer3 zumTragen.

5.3.3. Herstellung von MMC-Bauteilen

Bauteile aus MMC-Werkstoffen können unter anderem über einenGießprozess hergestellt werden oder aber durch Infiltrieren von porö-sen Vorkörpern (Preforms) entstehen. Man spricht je nachdem von

• gegossenen Metal-Matrix Composites oder

• infiltrierten Metal-Matrix Composites

Zur Herstellung gegossener Metal-Matrix Composites werden in flüssi-ge Legierungen Partikel oder Whisker eingerührt. Dies ist bis zu einemVolumenanteil von 20 bis maximal 30 Volumenprozent möglich. An-schließend wird die mit Partikeln versetzte Schmelze vergossen, unddas entstehende Bauteil enthält über den ganzen Querschnitt die Ver-stärkungskomponente.

Der für die keramische Industrie interessante Prozess jedoch ist dieHerstellung von Metal-Matrix Composites über Infiltrationsverfahren(siehe Folie Herstellverfahren).

Über speziell entwickelte Prozesse oder über konventionelle Verfahrender keramischen Formgebung - axiales Pressen, isostatisches Pres-

* Whisker: (engl. Barthaar) sehr dünne Kristallfaser bzw. nadelartiger Kristall mithoher Zugfestigkeit

417

sen, Extrudieren - werden poröse Vorkörper hergestellt. Die offenePorosität wird auf Werte zwischen 25 und 75 Volumenprozent gezielteingestellt4. Anschließend werden die Vorkörper auf über 500°Cerwärmt und dem Infiltrationsprozess zugeführt. Die metallischeSchmelze durchdringt dabei das poröse keramische Netzwerk, erstarrtund bildet mit der Verstärkungskomponente zusammen ein Durch-dringungsgefüge. Zur Anwendung kommen unterschiedliche Verfahren,wie zum Beispiel die Druckgussinfiltration, die Gasdruckinfiltration oderdie drucklose Infiltration. Bei diesen Verfahren ist es möglich, Bauteileherzustellen, die nur partiell Verstärkungskomponenten enthalten -genau an den Stelle, wo verbesserte Werkstoffeigenschaften gefordertsind.

5.3.4. Anwendungstechnisches Gefügedesign

Die MMC-Werkstoffe werden in der Regel ganz speziell für eine ent-sprechende Anwendung maßgeschneidert. Dies erfordert, dass dieporösen keramischen Vorkörper bezüglich ihrer Zusammensetzung undPorosität stets an die Erfordernisse des Infiltrationsverfahrens und desVerbundwerkstoffes angepasst werden.

Ziele des anwendungstechnischen Gefügedesigns sind zum Beispiel:

• Steigerung der mechanischen Festigkeit

• Beeinflussung von Reibung und Verschleiß (der Tribologie)

• Beeinflussung der thermischen Dehnung

• Verbesserung der thermischen Stabilität

• Beibehalten der Gewichtsreduzierung durch Leichtbau bzw.Erhalt der geringen Dichte

• gute Verarbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit

• möglichst niedrige Herstellkosten

Die Folie „Gefügedesign“ zeigt Beispiele für solch unterschiedlicheDesignmöglichkeiten. Variiert wurden die Partikelart beziehungsweisePartikelkombinationen, der Volumenanteil der Partikel sowie diePartikelgrößen. Neben Partikeln können auch Fasern - insbesonderezur Steigerung der Werkstoffzähigkeit - eingelagert werden.

Mechanik und Elektrotechnik

418

Dabei weisen die Partikelverstärkungen, wie schematisch in der Folie„Typische Verstärkungen und Kosten“ dargestellt, einen wirtschaftlichenVorteil gegenüber Faserverstärkungen auf5. Eine extreme Ver-besserung der Werkstoffeigenschaften hingegen (zumindest in eineRaumrichtung) wird insbesondere durch die Einlagerung von Lang-fasern erreicht.

Auf der Folie „Steigerung der Verbundfestigkeit“ ist exemplarisch dar-gestellt, wie die Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung 226 durch die Zu-gabe von Partikeln beeinflusst wird. Die Matrix Al 226 erreicht unver-stärkt Werte von über 260 MPa. Werden 25 Volumenprozent Silizium-partikel dazugegeben, um die tribologischen Eigenschaften (Reibungund Verschleiß) der Legierung zu verbessern, werden Festigkeitswertevon 160 MPa erreicht, was für die spezielle Anwendung Zylinderlaufflä-che völlig ausreichen ist. Substituiert man einen Teil der Siliziumpartikeldurch Aluminiumoxidpartikel, kann die Zugfestigkeit wieder auf über 200MPa gesteigert werden, die tribologischen Eigenschaften ändern sichdadurch jedoch auch. Enthält die Aluminiumlegierung hingegen nurAluminiumoxidpartikel, steigen die Werte auf über 260 MPa an. DieGraphik zeigt auch, dass die Korngröße die Festigkeit beeinflusst. Jefeiner das Korn ist, desto höher sind die Werte.

Ein weiteres Beispiel für das Werkstoffdesign zeigt die Folie „Thermi-sche Dehnung“. Aluminiumlegierung weisen thermische Dehnungenvon über 20 x 10-6/K auf. Für bestimmte Anwendungen ist es interes-sant, diesen Wert zu senken und an Werte von Grauguss oder Stahl(ca. 12 x 10-6/K auf) anzupassen, wobei aber die geringe spezifischeDichte von < 3 g/cm³ des Werkstoffes soweit wie möglich erhalten blei-ben soll. Dies kann erreicht werden, indem das Metall (ME) mit kerami-schen Komponenten (K) kombiniert wird, die niedrige Wärme-dehnungen (WAK) aufweisen. Mit der linearen Mischungsregel ist dieWärmedehnung des Verbundwerkstoffes (VB) abschätzbar:

WAK(VB) = WAK(Me) x Vol.-%(Me) + WAK(K) x Vol.-%(K)

Allgemein gilt, je höher der Anteil der keramischen Komponente, destoniedriger ist die Wärmdehnung des Verbundwerkstoffes.

419

5.3.5. Anwendungsbeispiele

Im Aluminium-Motorblock des Porsche Boxster - seit 1996 auf demMarkt - sorgen an Stelle herkömmlicher Grauguss-Büchsen Zylinder-laufflächen aus einem Aluminium-Silizium-Verbund für verbesserteAnwendungseigenschaften wie z.B. weitere Massereduzierung, ge-ringeren Ölverbrauch und niedrigere HC-Emission6 7. In enger Zu-sammenarbeit mit der Kolbenschmidt Aluminium-Technologie AG inNeckarsulm, der das Produkt unter dem Markennamen Lokasil II ®führt, entwickelte CeramTec eine hochporöse Preform, deren Eigen-schaften im Verbund speziell an die tribologischen Anforderungen vonZylinderlaufflächen angepasst sind. Sie besteht nur zu etwa 25 Volu-menprozent aus Silizium-Partikeln und bildet zusammen mit der Alu-minium-Matrix im Motorblock eine äußerst abriebfeste Lauffläche, dienahtlos mit dem übrigen Motorblock verbunden ist. Diese monolithischeIntegration der lokal verstärkten Bereiche in das Gesamtbauteil erlaubtkompaktere Bauweisen, da die Stege zwischen den Zylindern aufweniger als 5 Millimeter reduziert werden können.

Eine weitere Serienanwendung von porösen Preforms ist die lokaleVerstärkung des Muldenrandes bei Motorkolben. Durch die Einlagerungvon Fasern verbessert sich das Ermüdungsverhalten sowie die Festig-keitswerte bei hohen Temperaturen8. Insgesamt konnte für dieseAnwendung durch das lokale Werkstoffdesign eine Verbrennungs-optimierung und somit Reduzierung der Emissionswerte erreichtwerden.

Auch an anderer Stelle im Automobil könnten die Leichtgewichte ausMMC schon bald herkömmliche Werkstoffe ablösen. Denkbar sindKeramik-Verstärkungen an Komponenten wie Bremsbelagträgerplatten(Gewicht), Lager (Wärmedehnung), oder Pleuelstangen (Gewicht).

Aus gegossenen MMC wurden zum Beispiel Bremsscheiben für Motor-räder oder die Bahn hergestellt und getestet.

Für die Elektroindustrie interessant sind MMC aus Siliziumcarbid undAluminium9. Sie dienen dort zur Wärmeableitung und weisen gegen-über anderen Lösungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit einen an dasAluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Substrat angepassten Wärme-dehnungskoeffizienten auf. Sie werden in der Raumfahrt, derFlugzeugindustrie, im Motorenbau und bei der Bahnindustrieangewandt.

Mechanik und Elektrotechnik

420

Weitere Anwendungsmöglichkeiten von faser- oder partikelverstärktemAluminium sind Sportartikel wie der Schlagkopf des Golfschlägers,Tennisschläger oder Fahrradrahmen für Mountainbikes.

Literatur:

1. F. Venir, Leichtbau stimuliert den Absatz. ATZ/MTZ-Sonderausgabe:Werkstoffe im Automobilbau (1998/1999) 54-56.

2. D. Brungs, H. Fuchs, Leichtmetall im Automobilbau – Trends und zukünftigeAnwendungen. ATZ/MTZ-Sonderausgabe: Werkstoffe im Automobilbau(1998/1999) 50-53.

3. M.Türpe: Betrachtung zu Verbundwerkstoffen mit Kupfermatrix. Metall 53(4/1999) 211-212.

4. H. Stuhler: Starke Leichtgewichte, Von der Luft in der Keramik zum High-Tech-Werkstoff; in Technische Keramik in der Praxis – Seminarreihe 2001.Verband der Keramischen Industrie, Fahner Druck GmbH, Lauf (2001) 175– 207.

5. K. U. Kainer: Partikel, Fasern und Kurzfasern zur Verstärkung von metalli-schen Werkstoffen; in K. U. Kainer (Hrsg.): Metallische Verbundwerkstoffe.DGM Informationsgesellschaft GmbH, Oberursel (1994) 43 – 64.

6. I. Lenke, G. Richter, R. Rogowski: Ceramic Engineering with Preforms forLocally Reinforced Light Metal Components; in: J. Heinrich, F. Aldinger Ce-ramic (Hrsg.) Materials and Components for Engines. Wiley-VCH VerlagGmbH, Weinheim (2001) 383-386.

7. E. Köhler, I. Lenke, J. Niehues, Lokasil ® - eine bewährte Technologie fürHochleistungsmotoren – im Vergleich zu anderen Konzepten; in VDI-Bericht1612 Zylinderlauffläche, Hochleistungskolben, Pleuel. VDI Verlag GmbH,Düsseldorf (2001) 35-54.

8. S. Mielke, Chr, Rothe, W. Henning: Faserverstärkte Kolben; in VDI-Bericht1612 Zylinderlauffläche, Hochleistungskolben, Pleuel. VDI Verlag GmbH,Düsseldorf

9 www.electrovac.com (Stand Januar 2002)

Die verwendeten Vortragsfolien (Nr. 1 bis 14) finden sich auf denfolgenden Seiten.

421

Folie 1

Mechanik und Elektrotechnik

422

Folie 2

423

Folie 3

Mechanik und Elektrotechnik

424

Folie 4

425

Folie 5

Mechanik und Elektrotechnik

426

Folie 6

427

Folie 7

Mechanik und Elektrotechnik

428

Folie 8

429

Folie 9

Mechanik und Elektrotechnik

430

Folie 10

431

Folie 11

Mechanik und Elektrotechnik

432

Folie 12

433

Folie 13

Mechanik und Elektrotechnik

434

Folie 14