DE10312365A1

DE10312365A1 - Ceramic-strengthened light metal structural element for vehicle contains light metal or light metal alloy, porous ceramic material; density is in range 15-70 per cent of theoretical ceramic density

Info

Publication number: DE10312365A1
Application number: DE2003112365
Authority: DE
Inventors: Juergen Boldin; Michael Scheydecker
Original assignee: Boldin Juergen Dipl-Ing(fh)
Current assignee: Boldin Juergen Dipl-Ing(fh)
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-07

Abstract

The ceramic-strengthened light metal structural element consist of a metal/ceramic composite, whereby the ceramic material forms a core, at least partly enclosed by metal. The metal is a light metal or a light metal alloy and the ceramic material is porous, whereby the density lies in the range 15 to 70 per cent of the theoretical density of the ceramic material. An independent claim is also included for the following: (a) a method of manufacturing an inventive device.

Description

Die Erfindung betrifft Strukturelemente für Kraftfahrzeuge, die aus einem Metall/Keramik-Verbund bestehen, wobei die Keramik poröse Kerne oder Einlegeteile bildet, die zumindest teilweise durch Metall umschlossen sind. Der Materialverbund wird bevorzugt durch Umguss der Kerne, oder Einlegeteile durch das Metall erzeugt.The invention relates to structural elements for motor vehicles, which consist of a metal / ceramic composite, the ceramic porous Cores or inserts that are formed, at least in part, by metal are enclosed. The material composite is preferred by casting the cores, or inserts created by the metal.

Im Fahrzeugbau halten vermehrt die bereits in der Luftfahrtindustrie bewährten Leichtmetalle Einzug. Insbesondere der Kraftfahrzeugbau ist bestrebt das Gewicht von Strukturbauteilen zu verringern und Leichtmetall-Strukturbauteile einzusetzen. Die direkte Übertragung der mit den Stählen üblichen Profilbauweise auf Leichtmetalle stößt häufig an ihre Grenzen, da die Leichtmetalle geringere Festigkeiten und Steifigkeiten als die entsprechenden Stähle aufweisen.In vehicle construction, the hold Light metals already proven in the aviation industry. Motor vehicle construction in particular strives for the weight of structural components to reduce and use light metal structural components. The direct transmission the usual with the steels Profile construction on light metals often reaches its limits because the Light metals have lower strengths and stiffnesses than the corresponding ones steels exhibit.

Ein Ansatz zur Gewichtsreduzierung ist die Verringerung der Wanddicke von Strukturbauteilen aus Stahl und deren Aussteifung mit Metallschäumen. Solche Verbundstrukturen für Kraftfahrzeuge sind beispielsweise aus der DE 198 13 092 A1 bekannt. Die Strukturbauteile werden von zumindest einem Stahlblech gebildet, dass einen Hohlraum umschließt, wobei der Hohlraum zumindest abschnittsweise mit einem Al-Schaum ausgefüllt ist. Zwischen Stahlblech und Al-Schaum bildet sich eine Grenzschicht, deren Festigkeit zwischen der des Schaums und der des Stahlblechs liegt.One approach to reducing weight is to reduce the wall thickness of structural components made of steel and to brace them with metal foams. Such composite structures for motor vehicles are, for example, from the DE 198 13 092 A1 known. The structural components are formed by at least one steel sheet that encloses a cavity, the cavity being filled at least in sections with an Al foam. A boundary layer forms between the steel sheet and Al foam, the strength of which lies between that of the foam and that of the steel sheet.

Diese Konstruktionsweise hat den Nachteil, dass das Stahlblech noch immer ein relativ hohes spezifisches Gewicht aufweist. Der Al-Schaum löst zwar die Aufgabe der Gewichtsreduzierung, aber die Steifigkeit und die Energieabsorption durch Deformation reichen für viele Anwendungsfälle noch nicht aus.This construction has the Disadvantage that the steel sheet is still a relatively high specific one Has weight. The Al foam does solve the task of weight reduction, but the stiffness and the energy absorption through deformation suffice for many use cases not yet out.

Aus der DE 197 21 607 A1 ist die Verwendung von Metallschäumen, insbesondere Aluminiumschaum, zur Erhöhung der Energieabsorption in Fahrzeugtüren, insbesondere als Seitenaufprallschutz, bekannt. Das Schaumelement ist in der Fahrzeugtüre so angeordnet, dass es an einer drucksteifen Struktur der Fahrzeugkarosserie abgestützt wird.From the DE 197 21 607 A1 the use of metal foams, in particular aluminum foam, to increase the energy absorption in vehicle doors, in particular as side impact protection, is known. The foam element is arranged in the vehicle door in such a way that it is supported on a compression-resistant structure of the vehicle body.

Auch in diesem Falle ist die Steifigkeit der Konstruktion und die Energieabsorption für viele weiter Anwendungsfälle im Automobilbau noch verbesserungsbedürftig. Dies gilt insbesondere für Strukturbauteile im lasttragenden oder strukturverstärkenden Bereich.In this case too, the stiffness construction and energy absorption for many other applications in automotive engineering still in need of improvement. This applies in particular to Structural components in the load-bearing or structure-reinforcing area.

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.The object of the invention is a Structural element for To provide motor vehicles, compared to the known structural elements made of metal and metal foam improved stiffness, strength and Has deformation energy absorption, as well as a simple and cost-effective Specify processes for its manufacture.

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.The object is achieved by a Structural element made of a metal / ceramic composite with the features of claim 1 and by methods for producing a structural element Metal / ceramic composite with the features of claims 13, 14, 15 and 17 solved.

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.The structural element according to the invention draws is characterized by the fact that it is made of a metal / ceramic composite with a continuous matrix phase made of light metal and embedded ceramic fillers constructed in the form of inserts, cores, molded parts or the like is. In contrast to the known ceramic / metal composites (CMC) it with the ceramic fillers according to the invention macroscopic ceramic bodies.

Unter makroskopischen Abmessungen ist eine Größenordnung oberhalb von 1 bis einigen mm zu verstehen.Under macroscopic dimensions is an order of magnitude to understand above 1 to a few mm.

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.The ceramic packing thus have a spatial Expansion above a few mm. The dimension is preferably i.e. the maximum value of the lateral expansion, individual ceramic packing above 2 cm. Depending on the size of the packing hereinafter between particle fillers, Differentiated between cores or inserts.

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.Acting with all ceramic packing microporous ceramics. Essential for achieving the desired mechanical properties of the structural component made of a metal / ceramic composite is the exploitation of high strength, especially compressive strength and rigidity of the ceramic. Compressive strength and rigidity are not only for but especially for porous Ceramic much higher than with metals with a comparable material density.

Die Verwendung poröser Keramik ist insbesondere durch die Anforderung eines niedrigen Volumengewichtes der Strukturbauteile begründet.The use of porous ceramics is particularly due to the requirement of a low volume weight of the structural components.

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.The porosity of the ceramic packing lies preferably in the range of 30 to 85 vol%. The porosity can can be selected differently depending on the application. Should be high Deformation energy of the structural component can be achieved so are porosities in one Range close to 60%, for example 60 to 80 vol% to choose. Should only an acoustic or thermal damping effect of the structural component are achieved, so are porosities in prefer a range close to 75 vol%.

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.The pore distribution of the porous ceramics is distributed prefers himself evenly and homogeneous over the entire ceramic body. In terms of Both open and closed pores are suitable for the pore structure. The surface is preferred of the ceramic body open-pored. The ceramic body particularly preferably has the surface open and closed pores on the inside.

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.According to the invention, the open pores on the surface of the Ceramic packing in Structural component at least partially by the surrounding metal or fulfilled an adhesive. This creates a connection layer with a penetration structure, which ensures a firm connection between metal and ceramic.

Gegebenenfalls kann die Zwischenschicht oder Verbindungsschicht auch wesentliche Anteile an Reaktionsprodukten aus einer Umsetzung zwischen dem Leichtmetall und der Keramik der Oberfläche enthalten.If necessary, the intermediate layer or Linking layer also substantial portions of reaction products from a conversion between the light metal and the ceramic surface contain.

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.To those suitable according to the invention Ceramics to form the porous Ceramic fillings include oxidic, nitridic, carbidic and boridic ceramics. In particular Construction ceramics are suitable here. The ceramics are preferably made of Silicates, aluminosilicates, ceramics based on element oxides of Mg, Al, Si, B, and / or Ti, carbides based on the elements B, Si, and / or Ti and / or borides formed by Ti and / or Ti.

Dabei kann es von Vorteil sein in demselben Strukturbauteil unterschiedliche Keramik-Materialien vorzusehen.It can be beneficial in to provide different ceramic materials in the same structural component.

Bei den Keramikfüllkörpern kann es sich erfindungsgemäß um monolithische poröse Keramik, wie auch um zusammengesetzte Keramikteile handeln.According to the invention, the ceramic packing elements can be monolithic porous Ceramic, as well as composite ceramic parts.

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 .Furthermore, the ceramic fillers are also to be understood as shaped articles made of ceramic fiber materials. Oxide ceramic fibers, for example made of Al ₂ O ₃ and / or SiO _2, are particularly suitable as fiber materials.

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.In a first embodiment of the Invention form the ceramic filler inserts or cores out. These are relatively large ceramic ones Moldings, which only in small numbers are available for each structural component. This number is typically in the Range from 1 to 20 per structural component in the usual for motor vehicles Dimension. The outer dimension the molded body, or the maximum lateral extent is above 10 centimeters.

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.If the structural component is or edge profiles, a single is generally sufficient ceramic filler. However, it can also be advantageous to divide the ceramic packing into several through the metal Subdivide cells that differ depending on the load Length or can have different ceramic material.

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.In a further embodiment of the Invention form the ceramic filler particle filler. in this connection it is a relatively small ceramic molded body, the in large numbers are available for each structural component. To differentiate it from the Cores and inserts should be 10 cm as the upper limit of the dimension individual particles can be viewed. The outer dimension is preferably the particles in the range of 1 to 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.While the inserts or cores in a predeterminable preferred direction are arranged, the individual particles of the particle filler have a random orientation on. The number of individual particles per structural component is above 50 typically in the range of a few hundred, with this number to a standard in automotive engineering Structural component size relates.

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.The individual particles can differentiated within a structural component in terms of size, shape and material. However, the particles are preferably uniform and essentially of same dimension.

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.Preferred geometric designs of the individual particles Balls, rods, Cuboids, tiles, Stars or diamonds. Especially in the case of spherical particles the use of hollow spheres can be advantageous.

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.According to the invention, the individual particles are arranged that, with a few exceptions, they touch each other, whereby at the contact points or areas if necessary, a connection layer can be built up.

Zu den erfindungsgemäß geeigneten Metallen zählen insbesondere die Leichtmetalle und deren Legierungen, beispielsweise Al-, Ti- oder Mg-Legierungen.To those suitable according to the invention Count metals especially the light metals and their alloys, for example Al, Ti or Mg alloys.

Die Auswahl geeigneter Metalle wird besonders durch die thermische und chemische Beständigkeit der Keramik gegenüber der flüssigen Metallschmelze beschränkt.The selection of suitable metals will especially due to the thermal and chemical resistance opposite the ceramic the liquid Metal melt limited.

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.Another aspect of the invention is the use of the structural components made of the metal / ceramic composite. Although the structural components according to the invention can be used in wide areas of machine or vehicle construction, use in motor vehicles is particularly preferred. in this connection is the use of the structural components according to the invention in particular in the area of longitudinal or Crossbeam, as well as the A, B, or C pillars particularly advantageous in automobiles. Compared to the usual hollow structures, or show hollow structures foamed with plastics or metals the metal / ceramic composites according to the invention improved rigidity and strength. Especially regarding a high absorption of deformation energy, they are the usual Consider structural components, which is important in a vehicle crash, for example. As well ceramic shows significant advantages over the usual under ballistic threat Structural components. Especially in the case of small construction volumes the integration of the ceramics into the structural component proves itself advantageous.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für Kraftfahrzeuge aus einem Metall/Keramik-Verbund.Another aspect of the invention relates to a method for producing a structural component for motor vehicles made of a metal / ceramic composite.

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.In a first embodiment of the invention, porous ceramic cores with a porosity of 30 to 70% are firmly fixed in a casting mold and cast with metal. Core material, metal and casting pa Parameters are chosen so that the metal reacts chemically with the ceramic only in the connecting layer of the composite material of metal and ceramic and / or only penetrates into the pores of the ceramic in the connecting layer.

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.To achieve this, the overmolding the ceramic part or the core according to the invention at comparatively lower Temperature. In particular the ceramic part or core is cold. This takes place during metal casting a rapid solidification of the melt on the surface of the Ceramics instead, so that a deep penetration of the molten metal in the open pores of the ceramic, as well as a far-reaching chemical Reaction between metal and ceramic can be avoided.

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.A connection layer is preferred with penetration structure made of metal and ceramic. The connecting layer particularly preferably contains a share of reaction products of the reaction between metal and ceramics below 20 people. The connection layer formed has a preferred mean thickness in the range from 0.1 to 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.The usual casting methods Metal casting process applicable. These include in particular die casting, centrifugal casting, sand casting, chill casting, or 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.In principle, all are cast metals in pourable Metals and alloys suitable. The selection of suitable metals is based on the thermal and chemical resistance opposite the ceramic the liquid Metal melt restricted. This means, for example, that high-melting steels, or intermetallic phases, such as TiAl, for low-melting ones Silicates or borosilicate ceramics are not very suitable.

Bevorzugt werden Leichtmetalle und deren Legierungen eingesetzt. Diese vereinen die Vorteile eines geringen spezifischen Gewichtes und einer vergleichsweise niedrigen Gießtemperatur.Light metals and their alloys used. These combine the advantages of one low specific weight and a comparatively low Casting temperature.

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.The strength of the connection layer is of great importance for the metal and ceramic composite. For this reason, metals are selected according to the invention which have good wettability of the ceramic. Combinations of metal and ceramic which are preferred according to the invention are Al alloys with Al ₂ O ₃ , TiO ₂ and / or aluminosilicates, and also Ti alloys with Al ₂ O ₃ and / or borides.

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.Usually is for the light metals applied the die casting process. For example, lies the preferred specific casting pressure when using Al or Al alloys in the range of 700 up to 900 bar and the preferred casting temperature in the range of 600 to 800 ° C.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung von Strukturbauteilen aus einem Metall/Keramik-Verbund bezieht sich auf die Verwendung von Partikelfüllern.Another embodiment of the invention of the method for producing structural components from a metal / ceramic composite refers to the use of particle fillers.

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.Here, the mold with a loose fill, or a scrim of the particles filled. This creates a large volume Network of cavities between the individual particles. The density of the fill is above that Geometry or the dimensions of the particles controllable.

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.At least preferred for a bed partly particle geometries with high steric demand and complex geometry chosen, so that the particles take up a maximum of 80 vol% of the mold. Prefers lies what is filled with the particles Volume at 30 to 70 vol% of the mold.

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.Because the particles intermingle is supported a further fixation of the particle filling generally not required. For the further process steps and features apply to the explanations for the cores in an analogous way.

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.In a further embodiment of the Porous ceramic inserts are used, which into the cavities of a light metal structure using an adhesive be introduced. First, in a known manner Structural component cast with recesses (cavities). On this the porous ceramic inserts adapted to the respective cutouts fitted in the recesses and using an adhesive with the Metal firmly connected. In terms of Geometry and dimensions apply to the cores in an analogous manner Wise.

Bevorzugt wird als Klebemittel ein Polymer, besonders bevorzugt ein geschäumtes Polymer verwendet.An adhesive is preferred Polymer, particularly preferably a foamed polymer used.

Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass durch das Klebemittel, eine weitere Verbesserung der schalldämmenden Wirkung des Verbundteils erreicht werden kann.This procedure has the advantage that through the adhesive, a further improvement in soundproofing Effect of the composite part can be achieved.

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.The proposed procedure is particularly advantageous if the metal or metal alloy of the structural component made of steel or high-melting alloys exists, the melt of which is damaged of ceramic cores. The combination of a steel structure is particularly preferred with ceramic inserts made of silicate and / or aluminum silicates.

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.The described adhesive technique leaves the ceramic of the inserts a particularly high and coarse porosity of the ceramic surface. In particular, there is also a high proportion of open pores in the total porosity harmless.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Klebetechnik werden Faserformlinge als Einlegeteile verwendet.In a particularly preferred embodiment In adhesive technology, fiber molded articles are used as inserts.

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.Another embodiment of the invention of the method for producing a structural element from a Metal / ceramic composite consists of the ceramic of the composite by a common extrusion of metal and ceramic core from To enclose metal and to connect with it.

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.For this purpose, a metallic hollow structure is first produced, which for example consists of a Tube can exist. This hollow structure is filled with the ceramic in bulk or as a ceramic core. These are the forms of porous ceramics already described.

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.The next step in the process is the ceramic-filled Extruded metal structure. The metallic structure takes on essentially the dimensions and geometry of the later structural component on. The ceramic becomes solid from the metallic during extrusion Structure surrounded and at least in the edge area with connected to her.

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.Generally the central area of the metal / ceramic composite formed here with only a small amount Portions of metal interspersed. Therefore it can be an advantage central area of the structural component with an adhesive, or a Re-infiltrate the polymer to keep the ceramics firmly on the inside to fix.

Das Strangpressverfahren ist insbesondere bei duktilen Leichtmetalllegierungen in Verbindung mit Keramiken auf der Basis von Boriden oder Nitriden von Vorteil.The extrusion process is in particular at ductile light metal alloys in connection with ceramics the base of borides or nitrides is advantageous.

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.All listed manufacturing processes allow the use of both closed-pore and open-pore ceramic bodies to. However, the ceramic bodies preferably have at least in the surface layer an open porosity on, which is particularly preferably above 30 vol%.

Claims

Structural element of a motor vehicle made of a metal / ceramic composite, the ceramic forming cores which are at least partially enclosed by metal, characterized in that the metal is formed by a light metal or a light metal alloy and the ceramic is porous, the density being in the range is from 15 to 70% of the theoretical density of the ceramic.

Structural element according to claim 1, characterized in that 15 to 80 vol% of the structural element through the porous ceramic be formed.

Structural element according to claim 1, characterized in that the metal is formed by an Al alloy.

Structural element according to claim 1, characterized in that the ceramic is essentially made up of oxides, carbides and / or nitrides is formed by light metals.

Structural element according to claim 1, characterized in that the ceramics predominantly from at least one oxide from the group of the elements Mg, Al, B, Si or Ti is built up.

Structural element according to claim 5, characterized in that the ceramic is composed of Al ₂ O ₃ or TiO ₂ ..

Structural element according to claim 1, characterized in that the ceramic carbide has at least one of the elements from the group B, Si, Ti, or W.

Structural element according to claim 1, characterized in that there is a connection layer between the metal and the ceramic from a metal / ceramic penetration structure or is made of a polymer.

Structural element according to claim 8, characterized in that the tie layer has an average thickness in the range of 0.1 up to 5 mm.

Use of a structural element according to one of the previous claims as a body component in motor vehicles.

Use of a structural element according to one of the previous claims in the area of the passenger compartment of motor vehicles.

Use of a structural element according to one of the previous claims as side members, cross members, A-, B and / or C pillar in motor vehicles.

Process for producing a structural element for motor vehicles from a metal / ceramic composite, the ceramic forming cores, which are at least partially surrounded by metal, characterized in that that the porous ceramic cores are built with a density of 15 to 70% and into a mold be fitted and then poured over by liquid metal, whereby the metal only in the connection layer of the composite material the ceramic reacts chemically and / or only in the connection layer penetrates into the pores of the ceramic.

Process for producing a structural element for motor vehicles made of a metal / ceramic composite, the ceramic forming filler, surrounded by metal, characterized in that the packing porous Ceramics with a density of 20 to 70% are built up and as loose fill be placed in a mold and then of liquid metal are cast around, the metal only in the connecting layer of the Material composite chemically reacts with the ceramic and / or only penetrates into the pores of the ceramic in the connecting layer.

Method for producing a structural element for motor vehicles from a metal / ceramic composite, wherein the ceramic forms insert parts which are at least partially enclosed by metal are characterized in that the inserts are made of porous ceramic with a density of 15 to 70% and these inserts are glued into a cast light metal structure by means of a polymer adhesive, whereby a connecting layer is formed.

Method according to one of claims 13 to 15, characterized in that that the tie layer has an average thickness in the range of 0.1 up to 5 mm.

Process for producing a structural element for motor vehicles from a metal / ceramic composite, the ceramic forming cores, the complete are surrounded by metal, characterized in that the Porous cores Ceramics with a density of 15 to 70% are built up and these Cores through a common extrusion of metal and ceramic core surrounded by metal and firmly connected to it.