(57)【要約】  本発明は、次の工程：ａ）１〜１０のアスペクト比を有するセラミック粒子を含有する出発粉末の使用下で焼結によりセラミック予備成形品を製造して、０．５〜１０μｍの孔径並びに１５〜６０％の全多孔率を有する多孔質構造を有するセラミック予備成形品を得る工程（焼結工程）；及びｂ）純金属又は合金からなる金属溶融液を、このように製造された多孔質構造を有するセラミック予備成形品中に導入する工程（溶浸工程）を有する金属セラミック複合材からなる成形品の製造方法に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の工程：
ａ）  １〜１０のアスペクト比を有するセラミック粒子を含有する出発粉末の使用下で焼結によりセラミック予備成形品を製造して、０．５〜１０μｍの孔径並びに１５〜６０％の全多孔率を有する多孔質構造を有するセラミック予備成形品を得る工程（焼結工程）；及び
ｂ）  純金属又は合金からなる金属溶融液を、このように製造された多孔質構造を有するセラミック予備成形品中に導入する工程（溶浸工程）
を有する金属セラミック複合材からなる成形品の製造方法。
【請求項２】
前記金属溶融液は、軽金属合金、特にＡｌ合金であり、及び／又は前記セラミック粒子は酸化物及び／又は窒化物又は炭化物であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記セラミック粒子を含有する出発粉末に気孔形成剤が混入されていることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法により製造された金属セラミック複合材からなる成形品。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法により製造された金属セラミック複合材からなる成形品の、特に自動車製造における、軽量構成部材の補強のためのインサートとしての使用。
【請求項６】
請求１から３までのいずれか１項記載の方法により製造された金属セラミック複合材からなるインサートを軽量構成部材中へ導入する方法において、溶浸工程と同時に又は溶浸工程に引き続いて軽量構成部材の製造のための鋳造工程を行うことを特徴とする、金属セラミック複合材からなるインサートを軽量構成部材中へ導入する方法。
【請求項７】
鋳造により取り囲まれる金属セラミック複合材からなるインサートの表面が変性されていて、軽量構成部材の取り囲む鋳造の結合が改善されることを特徴とする、請求項６記載の方法。
【請求項８】
溶浸工程と鋳造工程とが１つのプロセス工程に統合されて、前記予備成形品が軽量構成部材の鋳造と一緒に圧力支援により溶浸されることを特徴とする、請求項６又は７記載の方法。
【請求項９】
セラミック予備成形品を前記鋳型中の補強すべき箇所に配置することを特徴とする、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記鋳造工程に引き続き、使用された合金中に場合により存在する異種原子の準安定の過飽和を保障するためには十分に高いが、金属セラミック複合材からなるインサートの熱衝撃による損傷を妨げるためには十分に低い冷却速度で急冷することにより前記軽量構成部材を硬化させる工程（硬化工程）を行うことを特徴とする、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１記載の上位概念による金属セラミック複合材からなる成形品の製造方法に関する。
【０００２】
先行技術
特に自動車製造におけるブレーキキャリパ及び他の高い負荷がかかる部材は、頻繁に球状黒鉛鋳鉄（ＧＧＧ）から製造される。この場合、前記部材の剛性に関する要求はＧＧＧの比較的高いＥモジュラス（ＥGGG50＝１７０ＧＰａ）により満たされる。しかしながら、鋳鉄の高い密度は不利に作用し、大きな質量を有する部材が生じてしまう。
【０００３】
それに対して、現在のところ、前記適用分野のための軽量部材は、例えば密度２．６ｇ／ｃｍ3にすぎないアルミニウム合金のＡｌＳｉ７Ｍｇから製造される。もちろんこの材料の場合には前記アルミニウム合金の低いＥモジュラス（ＥAl-Si7Mg＝７２ＧＰａ）が欠点である。前記材料の低いＥモジュラスによって、前記適用分野のための部材の特に負荷がかかる領域は、例えばブレーキキャリパのブリッジは、より大きな厚さで仕上げなければならないことが強いられる。十分な剛性を実現するための前記方法は、頻繁にもちろん構成上の所与性により狭い限度に置かれている。
【０００４】
前記部材の特に負荷がかけられる領域をより高いＥモジュラスの材料で局所的に補強することにより構造サイズは低減でき、これは限られた構造空間をより良好に利用するための設計の自由度を高める結果となる。
【０００５】
ブレーキキャリパとの関連で、例えばWO 2004018718からは、製織された連続的なＡｌ2Ｏ3繊維からなるインサートが公知であり、前記インサートはガス圧によってＡｌＣｕ2で溶浸され、Ｎｉ／Ａｇ被覆が設けられている。引き続き、複合材からなる前記インサートは、鋳型中のブリッジ領域に配置され、高圧鋳造（スクイズキャスティング(Squeeze Casting)）によってアルミニウム合金からなるブレーキキャリパが鋳造される。
【０００６】
US 6719104は、連続的Ａｌ2Ｏ3繊維、鋼又はモリブデンからなるインサートを用いた軽量構造ブレーキキャリパの局所的補強を開示している。
【０００７】
US 5433300は、「ロストフォーム（lost foam）」法（ポリウレタンフォームのネガティブ型取り）を用いて製造されたインサートによる軽量構造ブレーキキャリパの局所的補強を開示している。
【０００８】
これら全ての方法は非常に手間がかかり、従って高コストの原因となる。
【０００９】
発明の概要
従って、本発明の課題は、上記の方法よりもあまり手間がかからず、更にインサートと軽量部材との間のより良好な結合を保障する、インサートを用いて軽量部材を局所的に硬化又は補強する方法を提供することである。前記課題は請求項１の特徴によって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１０】
従って、次の工程：
ａ）  １〜１０のアスペクト比を有するセラミック粒子を含有する出発粉末の使用下で焼結によりセラミック成形体を製造して、０．５〜１０μｍの孔径並びに１５〜６０％の全多孔率を有する多孔質構造を有するセラミック予備成形品を得る工程（焼結工程）；及び
ｂ）  純金属又は合金、有利に軽金属からなる金属溶融液を、このように製造された多孔質構造を有するセラミック予備成形品中に導入する工程（溶浸工程）
を有する金属セラミック複合材からなる成形品の製造方法である。
【００１１】
金属溶融液は軽金属合金、特にＡｌ合金であるのが有利である。硬化可能なＡｌ合金、例えばＡｌＳｉ７Ｍｇが特に有利である。セラミック粒子は、有利に酸化物、例えばＡｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、炭化物、例えばＳｉＣ、又は窒化物、例えばＳｉ3Ｎ4、ＡｌＮである。上記の意味で存在する異種原子は、この場合、ＡｌＳｉＭｇ合金の場合にＭｇ原子である。
【００１２】
多孔率とは、多孔性の固体の全中空空間の体積の、前記固体の外見上の体積に対する比であると解釈される。これは、所定の体積中で本来の固体のスペースがどのくらい満たしているか又は前記固体はその中にどのくらいの中空空間を残しているかの尺度である。前記孔は、この場合一般に空気で満たされている。従って、予備成形品の多孔率により、一般に既に、前記複合材のセラミック成分と金属成分との後の予想される体積割合が定められる。
【００１３】
「アスペクト比」の概念は、使用されたセラミック粒子の長さ対幅の比であると解釈される。
【００１４】
既に述べたように、使用されたセラミック粒子のアスペクト比は１〜１０の範囲内であることができ；前記粒子はつまり縦長の形状を有することができる。もちろん、この寸法の粒子は繊維ではない。前記アスペクト比は、有利に１〜５の範囲内にある。
【００１５】
特に有利に、前記孔径は１〜５μｍであり、多孔率は有利に２５〜５０％である。
【００１６】
このように製造された金属セラミック複合材は、一方で高いＥモジュラスで僅かな比重を有し、他方で補強すべき軽量部材と緊密に結合される。
【００１７】
更に、前記複合材は迅速かつ低コストで製造可能である、それというのも部材鋳造及びインサート予備成形品の溶浸は先行技術からの方法とは反対に１つのプロセス工程で行われるためである。更に、かなりのコスト削減が、低コストの粒子（前記粒子は、極端に高価なセラミック繊維と比べて極めて低コストである）の使用から生じる。
【００１８】
更に、セラミック粒子を含有する出発粉末に気孔形成剤が混入されているのが有利である。これは、一般に、容易に焼失可能な縦長の材料であり、前記材料は焼結の間に燃焼し、通路及び気孔のネットワークを生じさせ、このネットワークは引き続き金属溶融液の溶浸を容易にし、かつ予備成形品と凝固する金属との間の緊密な結合を可能にする。このように作製された通路は、２〜５０μｍ、有利に５〜３０μｍの幅を有する。仕上がった成形品中の通路を埋める金属通路によって前記成形品の強度及び靭性は更に高められる。
【００１９】
前記気孔形成剤は、設定された焼結パラメータの他に、所定の多孔率の調節に著しく影響を及ぼす。気孔形成剤は、しかしながら特に、気孔通路のネットワークを作製するために、セラミック予備成形品の製造の際に使用することもでき、前記気孔通路は前記予備成形品の溶浸性を改善することになり、前記気孔通路は、この場合、溶浸通路として機能する。更に、こうして生じた金属通路は、材料の強度及び靭性を高める。
【００２０】
特に、１〜３０％、有利に２〜２０％の体積割合を有するセルロースチップ又はセルロース繊維を使用するのが有利である。更に、気孔形成剤として、例えばカーボンブラック粒子、コメデンプン又は有機マクロ分子、例えばフラーレン又はナノチューブも考えられる。主に、気孔形成剤として、焼結の際に燃焼、分解又はガス化し、このように中空空間が前記材料中に作製する材料が適している。
【００２１】
その他の点では、焼結の際にガスを放出して気孔を形成する材料も考えられる。ここでは、例えばＮａＨＣＯ3も挙げられ、これは加熱の下でＣＯ2を放出する。
【００２２】
更に、本発明の場合に、前記の方法の一つにより製造された金属セラミック複合材からなる成形品が考慮される。
【００２３】
更に、本発明の場合に、前記の方法の一つにより製造された金属セラミック複合材からなる成形品の、特に自動車製造における、軽量部材の補強のためのインサートとしての使用である。
【００２４】
軽量部材として、特にディスクブレーキキャリパが挙げられるが、特に自動車分野、オートバイ分野、航空機分野及び船舶分野において、軽金属で実施されかつ局所的に剛性が高いことを必要とする他の全ての部材も挙げられる。
【００２５】
この場合、軽量部材のために使用される金属と、インサートの金属溶融液のために使用される金属とは十分に一致することが有利である。「十分に一致」との概念は、以後、軽量部材のための金属又は合金が、インサートのための金属又は合金と、少なくともそれぞれ同じ主成分からなると解釈される。
【００２６】
例えば、ＡｌＳｉ７Ｍｇが軽量部材のために使用され、ＡｌＣｕ４ＭｇＳｉがインサートのために使用されることが考えられる。この場合に、特に軽金属合金、例えばＡｌ合金が考慮されている。十分に一致する材料の選択は、軽量部材とインサートとの間の緊密な結合を可能にする。
【００２７】
前記インサートを用いて、前記軽量部材の最も高い負荷のかかる領域を適切に補強することができ、かつ同時に前記軽量部材の質量及び寸法を狭い限度内に維持することができる。このように、必要な範囲内で最も高いＥモジュラスを有する軽量部材が製造可能となる。
【００２８】
更に、本発明の場合に、本発明による金属セラミック複合材からなるインサートを軽量部材中へ導入する方法も考慮される。前記方法は、溶浸工程と共に又は溶浸工程に引き続き軽量部材を製造する鋳造工程が行われることを特徴とする。この場合、前記インサートを鋳型中に導入し、引き続き軽量部材が前記インサートを取り囲むように鋳造される。
【００２９】
取り囲むように鋳造される金属セラミック複合材からなるインサートの表面は、軽量部材を取り囲む鋳造物の結合の改善が生じるように変性するのが好ましい。このことは、機械的表面処理、例えば粗面化により、又は被覆の適用（例えば、Ｚｎ、ＡｌＳｉ１２、Ｃｕ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＡｇ）により行うことができる。前記被覆は、例えば溶射、電気メッキ、無電解メッキにより適用することができる。
【００３０】
この場合、軽量部材のために使用される金属と、インサートの金属溶融液のために使用される金属とは十分に一致することが有利である。この場合に、特に軽金属合金、例えばＡｌ合金が考慮されている。十分に一致する材料の選択は、軽量部材とインサートとの間の緊密な結合を可能にする。
【００３１】
この鋳造法は、この場合、圧力支援された鋳造法(druckunterstuetztes Gussverfahren)を強いる必要がない。
【００３２】
特に有利な実施態様の場合には、溶浸工程と鋳造工程とを１つのプロセス工程に統合して、前記予備成形品を軽量部材の鋳造と一緒に圧力支援により溶浸することが考慮される。
【００３３】
この方法は、「統合されたプリフォーム溶浸（integrierte Preforminfiltration）」とも言われる。この場合、セラミック予備成形品の金属溶浸を実現するために、実際に圧力支援しなければならない鋳造法が使用される。この場合、特に有利に、鋳型中への金属溶融液の圧力支援された導入が挙げられる（スクイズキャスティング）。加圧なしでは、前記方法では、金属とセラミックとの間の濡れ特性が悪いために、大抵の金属セラミック組合せにおいて統合されたプリフォーム溶浸はほとんど不可能である。
【００３４】
この方法を用いて、軽量部材とインサートとの間の緊密な結合が達成される。これは、特に、部材中に導入されたインサートを製造するための予備成形品の溶浸及び取り囲む部材の鋳造を１つの工程で圧力支援された鋳造方法を用いて実施することにより可能となる。これにより、インサートと部材鋳造物との間の極めて良好な界面結合が生じる。
【００３５】
特に、この場合、セラミック予備成形品を鋳型中の補強すべき箇所に配置するのが有利である。このように、前記インサートを製造すべき軽量構成部材の型中で、既に長さ及び位置が正確になるように配置することができる。製造コストは低下されかつ仕上げ時間も短縮され、同時に前記インサートの軽量部材中での正確な配置並びに軽量部材とインサートとの間の緊密な結合を可能にする。
【００３６】
この金属合金は硬化可能な合金であり、例えば軽量構造ブレーキキャリパの場合がこれにあたり、鋳造工程に引き続き有利に次の硬化工程が行われる：
使用された合金中に場合により存在する異種原子の準安定の過飽和を保障するためには十分に高いが、金属セラミック複合材からなるインサートの熱衝撃による損傷を妨げるために十分に低い冷却速度で急冷することにより軽量構成部材を硬化させる。
【００３７】
冷却媒体として、この場合、例えば室温に調節された空気、シリコーンオイル又は鉱物油が挙げられる。
【００３８】
実施例
本発明を次に記載する実施例により詳細に説明する。この場合、前記実施例は記述のためだけのものであり、本発明を何らかの形態に限定するものではないことに留意しなければならない。
【００３９】
１．  金属セラミック複合材の製造
本発明による方法を用いてアルミニウムをベースとする金属セラミック複合材を製造することができ、前記複合材のセラミック割合は７０体積％までであった。前記セラミック成分は、アスペクト比１〜５のＡｌ2Ｏ3粒子からなり、前記金属成分はＡｌＳｉ７Ｍｇからなる。試験的に測定されたこのＥモジュラスは、この材料の場合に明らかに２００ＧＰａを超えた。
【００４０】
ブレーキキャリパの例に関してブリッジ領域中のこのような補強部材の挿入により、少なくとも２０％の補強効果をシミュレーションにより証明することができた。
【００４１】
Ａｌ2Ｏ3  ７０体積％とＡｌＳｉ７Ｍｇ  ３０体積％とからなる金属セラミック複合材に関して、硬化後（急冷媒体：シリコーンオイル）に２４２ＧＰａのＥモジュラスが測定された。
【００４２】
２．  インサートを備えたブレーキキャリパの製造
更にアルミニウムブレーキキャリパを実際の寸法で連続スクイズキャスティング装置（Serien-Squeeze Cast-Maschine）を用いて鋳造し、その際、＞５５体積％の多孔率を有する、ＴｉＯ2粒子及びＡｌ2Ｏ3粒子からなる寸法を合わせた予備成形品をブリッジ領域に配置し、ＡｌＳｉ７Ｍｇ溶融液を用いた鋳造工程の間に溶浸された。このインサートをこの場合に完全に溶浸することができた。前記インサートと周囲の鋳造物との結合の品質は、界面剪断強度の測定により決定し、これは噛み合い効果に基づき、単なる合金の剪断強度を上回った（１０７ＭＰａ  ｖｓ  １０１ＭＰａ）。前記インサートの極めて良好な結合は、使用された材料及び上記製造方法により保障することができる。
【国際調査報告】
2010508153.tif 000002
2010508153.tif 000003
2010508153.tif 000004
2010508153.tif 000005
2010508153.tif 000006
2010508153.tif 000007