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Metallische
Verbundwerkstoffe
Herausgegeben von
K. U. Kainer
Metallische Verbundwerkstoffe. Herausgegeben von K.U. Kainer(cid:3)
Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim(cid:3)
ISBN: 3-527-30532-7
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Metallische
Verbundwerkstoffe
Herausgegeben von K. U. Kainer
Deutsche Gesellschaft
für Materialkunde e.V.
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Prof. Dr. K. U. Kainer
GKSS Forschungszentrum
Institut für Werkstoffforschung
Max-Planck-Straße
21502 Geesthacht
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ISBN 3-527-30532-7
© 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Gedruckt auf säurefreiem Papier
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Satz: W.G.V. Verlagsdienstleistungen GmbH, Weinheim
Druck: Druckhaus Darmstadt GmbH,
Bindung: Buchbinderei Schaumann GmbH, Darmstadt
Printed in the Federal Republic of Germany
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Vorwort
Metallische Verbundwerkstoffe sind aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Die
Vielfalt der Werkstoffsysteme und der Anwendungen ist dem Einzelnen nicht bewusst und vie-
len Fällen unbekannt. Beispiele dafür sind die Hartmetalle für die Bearbeitung von Werkstoffen
in der Fertigungstechnik, Edelmetall-Verbundsysteme für Kontakte in der Elektronik und Elek-
trotechnik, Kupfer-Graphit-Schleifkontakte bei Generatoren und Elektromotoren und Multi-
komponenten-Systeme für Bremsbelege in Hochleistungsbremsen. Nach den verstärkten
Anstrengungen zur Entwicklung von metallischen Verbundwerkstoffen (MMCs) mit Leichtme-
tallmatrix in den letzten Jahren ist es zum erfolgreichen Einsatz dieser Werkstoffe in der Ver-
kehrstechnik, insbesondere in der Automobil- und Transporttechnik gekommen. Zu nennen
sind hier Anwendungen wie z.B. partiell faserverstärkte Kolben und hybrid-verstärkte Kurbel-
gehäuse in Pkw- oder Lkw-Motoren sowie partikelverstärkte Bremsscheiben für Leicht-Lkw,
Motorräder, Pkw oder Schienenfahrzeuge. Ein weiteres Anwendungsfeld haben diese Werk-
stoffe außerdem in der zivilen oder militärischen Luft- und Raumfahrt. Diese innovativen
Werkstoffe sind für eine moderne Werkstoffentwicklung sehr interessant, weil die Eigenschaf-
ten der MMCs gezielt entwickelt werden können. Von diesem Potential ausgehend erfüllen die
metallischen Verbundwerkstoffe die Wunschvorstellungen eines Konstrukteurs, da sie Werk-
stoffe nach Maß darstellen. Diese Werkstoffgruppe wird für eine Verwendung als Konstrukti-
ons- oder Funktionswerkstoffe dann interessant, wenn das Eigenschaftsprofil konventioneller
Werkstoffe den Anforderungen, insbesondere des Leichtbaus zur Gewichtseinsparung, nicht
mehr gerecht werden kann. Die Vorteile der Verbundwerkstoffe kommen aber nur dann zum
Tragen, wenn ein sinnvolles Kosten-Leistungs-Verhältnis bei der Herstellung von Bauteilen
möglich wird. Von besonderem ökonomischen und ökologischen Interesse ist in diesem Zusam-
menhang die Notwendigkeit der Integration von Bearbeitungsrückständen, Kreislaufschrotten
und sonstigem Material aus diesen Werkstoffen in den Materialkreislauf.
Im Bereich der Funktionswerkstoffe in der Kommunikations- und Energietechnik auf Bunt-
metall- oder Edelmetallbasis sind andere Entwicklungsziele als bei den Strukturwerkstoffen do-
minant. Es werden z. B. gute elektrische und thermische Eigenschaften kombiniert mit einer
hohen Festigkeit bzw. Verschleißbeständigkeit verlangt. Obwohl der Einsatz von metallischen
Verbundwerkstoffen im Bereich der Kontaktwerkstoffe seit Jahren unverzichtbar ist, war es
auch hier notwendig, weitere Optimierungen unter Verwendung neuerer oder modifizierter
Werkstoffsysteme durchzuführen. Von besonderem Interesse sind Werkstoffe (heat sinks), die in
der Lage sind die Wärme, die im Betrieb von elektrischen und elektronischen Baugruppen ent-
steht, abzuführen. Zusätzliche Anforderungen bezüglich der Temperaturwechselbeständigkeit
sind Herausforderungen für eine Werkstoffentwicklung. In vielen Fällen kommen dann noch
Ansprüche an besondere Verschleißbeständigkeit hinzu, die zur Entwicklung von multifunktio-
nalen Werkstoffsystemen führt.
Das vorliegende Buch gibt einen Überblick über den Stand der Forschungs- und Entwick-
lungsarbeiten, sowie über realisierte Einführungen der Werkstoffe in verschiedenen Anwen-
dungsbereichen. Neben Grundlagen der metallischen Verbundwerkstoffe, der Vorstellung
geeigneter Werkstoffsysteme und Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren wurde besonderer
Wert auf die Darstellung des Potenzials der Werkstoffe und der Anwendungsmöglichkeiten ge-
legt. Diese Zusammenfassung entstand aus dem Fortbildungsseminar mit gleichen Namen der
Deutschen Gesellschaft für Materialkunde e.V., das regelmäßig seit 1990 stattfindet. Durch den
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Übersichtcharakter wendet sich das Buch an Ingenieure, Wissenschaftler und Techniker aus den
Bereich Werkstoffentwicklung, Fertigung und Konstruktion. Als Herausgeber danke in den Au-
toren für ihre Mühe entsprechende Beiträge zur Verfügung zu stellen. Dem Verlag Wiley-VCH,
vertreten durch Dr. Jörn Ritterbusch, sei besonders gedankt für die gewährte Unterstützung und
exzellente Betreuung, die besonders in kritischen Phasen notwendig war.
Geesthacht, April 2003
Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Ulrich Kainer
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Inhalt
Grundlagen der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
K. U. Kainer, Institut für Werkstoffforschung, GKSS-Forschungszentrum
Geesthacht GmbH .......................................................................................................................1
Partikel, Fasern und Kurzfasern zur Verstärkung von metallischen Werkstoffen
H. Dieringa, K. U. Kainer, Institut für Werkstoffforschung, GKSS Forschungszentrum
Geesthacht GmbH......................................................................................................................66
Preforms zur Verstärkung von Leichtmetallen - Herstellung, Anwendungen, Potenziale
R. Buschmann, Thermal Ceramics de France, Wissembourg, Frankreich ................................89
Aluminium-Matrix-Verbundwerkstoffe im Verbrennungsmotor
E. Köhler, J. Niehues, KS Aluminium-Technologie AG, Neckarsulm ......................................109
Herstellung von Verbundwerkstoffen bzw. Werkstoffverbunden
durch thermische Beschichtungsverfahren
B. Wielage, A. Wank, Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe, Technische
Universität Chemnitz; J. Wilden, Fachgebiet Fertigungstechnik, Technische
Universität Ilmenau ................................................................................................................124
Zerspantechnologische Aspekte von Al-MMC
K. Weinert, M. Lange, M. Buschka, Institut für Spanende Fertigung,
Universität Dortmund .............................................................................................................160
Mechanisches Verhalten und Ermüdungseigenschaften von
Metallmatrix-Verbundwerkstoffen
O. Hartmann, Institut für Werkstoffwissenschaften, Lehrstuhl Allgemeine
Werkstoffeigenschaften, Universität Erlangen-Nürnberg; H. Biermann, Institut für
Werkstofftechnik, TU Bergakademie Freiberg, Freiberg ........................................................185
Grenzschichten in Metallmatrix-Compositen: Charakterisierung
und materialwissenschaftliche Bedeutung
J. Woltersdorf, E. Pippel, Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, Halle; A. Feldhoff,
Centre d'Etudes de Chimie Métallurgique (CECM-CNRS), Vitry sur Seine (F) ....................210
Metallische Verbundwerkstoffe für die Zylinderlaufbahnen von
Verbrennungsmotoren und deren Endbearbeitung durch Honen
J. Schmid, G. Barbezat ............................................................................................................229
Pulvermetallurgisch hergestellte Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe
N. Hort, K. U. Kainer, GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH ...................................260
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Sprühkompaktieren – ein alternatives Herstellverfahren für
MMC-Aluminiumlegierungen
P. Krug, G. Sinha, PEAK Werkstoff GmbH, Velbert ................................................................296
Edel- und Buntmetall-Matrix-Verbundwerkstoffe
C. Blawert, Institut für Werkstoffforschung, GKSS Forschungszentrum Geesthacht ..............315
Autorenverzeichnis..................................................................................................................329
Stichwortverzeichnis................................................................................................................331
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Grundlagen der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
K. U. Kainer
Institut für Werkstoffforschung, GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH
1 Einleitung
Metallische Verbundwerkstoffe finden ihre Anwendungen seit geraumer Zeit in vielen Berei-
chen des täglichen Lebens. Allgemein ist oft nicht bekannt, dass es sich um eine derartige
Werkstoffgruppe handelt. Eine Vielzahl dieser Werkstoffe entstehen in-situ bei der konventio-
nellen Herstellung und Verarbeitung von Metallen. Zu nennen in diesem Zusammenhang ist das
Dalmatienerschwert mit der Meanderstruktur, die durch das Verschweißen von zwei Stahlsor-
ten durch mehrmaliges Schmieden entsteht. Auch Werkstoffe wie Gusseisen mit Grafit oder
Werkstoffstähle mit hohem Karbidgehalt sowie Hartmetalle, bestehend aus Karbiden und me-
tallischen Bindern, können dazugerechnet werden. Der Begriff der Metallmatrix-Verbundwerk-
stoffe wird für viele Betrachter mit den Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoffe gleichgesetzt.
Bei der Entwicklung von Leichtmetallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC's) wurden im letzten
Jahrzehnt erhebliche Fortschritte erzielt, sodass sie bereits in den wichtigsten Anwen-
dungsbereichen eingeführt werden konnten. In der Verkehrstechnik, insbesondere in der Auto-
mobilindustrie, ist es zum kommerziellen Einsatz der MMC's gekommen, wie z. B. als
Werkstoffe für faserverstärkte Kolben und Aluminium-Kurbelgehäuse mit verstärkten Zylin-
derlaufflächen sowie für partikelverstärkte Bremsscheiben.
Diese innovativen Werkstoffe eröffnen für eine moderne Werkstoffentwicklung unbegrenzte
Möglichkeiten, weil die Eigenschaften der MMC's maßgeschneidert, je nach gewünschter An-
wendung, in den Werkstoff hineinkonstruiert werden können. Von diesem Potential ausgehend,
erfüllen die metallischen Verbundwerkstoffe alle Wunschvorstellungen eines Konstrukteurs.
Diese Werkstoffgruppe wird für eine Verwendung als Konstruktions- oder Funktionswerkstoff
besonders dann interessant, wenn die Eigenschaftsprofile konventioneller Werkstoffe den er-
höhten Anforderungen bei besonderen Beanspruchungen nicht mehr gerecht werden und her-
kömmliche Werkstofftechnologien zur Lösung der Probleme nicht mehr beitragen können. Die
Technologie der MMC's steht aber in Konkurrenz zu anderen modernen Werkstofftechnologien
wie z. B. der Pulvermetallurgie. Die Vorteile der Verbundwerkstoffe kommen daher erst dann
zum Tragen, wenn ein sinnvolles Kosten/Leistungsverhältnis bei der Herstellung von Bauteilen
möglich wird. Ein Zwang zum Einsatz entsteht, wenn ein bestimmtes Eigenschaftsprofil nur
durch Verwendung von Verbundwerkstoffen erreicht wird.
Die Möglichkeiten der Kombination unterschiedlichster Werkstoffsysteme: Metalle – Kera-
mik - nichtmetallhaltige Werkstoffe untereinander, eröffnet eine unbegrenzte Variation von
möglichen Werkstoffen. Die Eigenschaften dieser neuen Werkstoffe werden im wesentlichen
durch die Eigenschaften der einzelnen Komponenten bestimmt, die arttypisch sind. Das Bild 1
zeigt die Zuordnung der Verbundwerkstoffe in die Gruppe der verschiedenen Werkstofftypen.
Metallische Verbundwerkstoffe. Herausgegeben von K.U. Kainer
Copyright © 2003 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
ISBN: 3-527-30532-7
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Bild 1: Zuordnung der Verbundwerkstoffe in der Gruppe der Werkstoffe [1]
Eine Verstärkung von Metallen kann unterschiedliche Zielsetzungen haben. Bei Leichtmetal-
len eröffnet eine Verstärkung die Möglichkeit der Erweiterung des Einsatzpotentiales dieser
Werkstoffgruppe in Bereichen, in denen eine Gewichtsreduzierung von Bauteilen erste Priorität
hat. Voraussetzung ist hierbei die Beibehaltung oder Verbesserung der Bauteileigenschaften.
Das Entwicklungsziel für Leichtmetall-Verbundwerkstoffe besteht in:
• Erhöhung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit bei Raum- und erhöhter Temperatur unter
Beibehaltung einer Mindestduktilität bzw. -zähigkeit,
• Erhöhung der Kriechbeständigkeit bei erhöhten Einsatztemperaturen im Vergleich zu kon-
ventionellen Legierungen,
• Erhöhung der Dauerfestigkeit besonders bei höheren Temperaturen,
• Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit,
• Verbesserung der Verschleißbeständigkeit,
• Erhöhung des E-Modul,
• Reduzierung der thermischen Ausdehnung.
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In der Summe kann sich eine Verbesserung der gewichtsspezifischen Eigenschaften ergeben
mit der Möglichkeit der Erweiterung des Einsatzgebietes, der Substitution üblicher Werkstoffe
und der Optimierung von Bauteileigenschaften.
Bei Funktionswerkstoffen ergibt sich in der Regel eine andere Zielsetzung, die zum Errei-
chen der entsprechenden Funktion der Werkstoffe Voraussetzung ist. Ziele sind beispielsweise:
• Erhöhung der Festigkeit von Leiterwerkstoffen unter Beibehaltung hoher Leitfähigkeit,
• Verbesserung der Niedrigtemperatur-Kriecheigenschaften (rückwirkungsfreie Werkstoffe),
• Verbesserung des Abbrandverhaltens (Schaltkontakte),
• Verbesserung des Verschleißverhaltens (Schleifkontakte),
• Erhöhung der Standzeiten von Punktschweißelektroden durch Reduzierung des Abbren-
nens,
• Herstellung von Schichtverbundwerkstoffen für elektronische Bauteile,
• Herstellung von duktilen Verbundsupraleitern,
• Herstellung von Magnetwerkstoffen mit besonderen Eigenschaften.
Für andere Anwendungsbereiche ergeben sich unterschiedliche Entwicklungsziele, die sehr
stark von den vorgenannten abweichen. Für den Einsatz in der Medizintechnik z. B. werden ne-
ben den zu erreichenden mechanischen Eigenschaften extreme Korrosionsstabilität bzw. Ab-
baufähigkeit sowie Biokompatibilität gefordert.
Obwohl seit Jahren verstärkte Entwicklungsaktivitäten zu Systemlösungen unter Einbezie-
hung von metallischen Verbundwerkstoffen führten, ist der Einsatz besonders innovativer Syste-
me besonders im Leichtmetallbereich noch nicht realisiert worden. Die Ursachen liegen hier
z.T. in der noch nicht ausreichenden Prozesssicherheit und Zuverlässigkeit sowie Herstellungs-
und Verarbeitungsproblemen und mangelnder Wirtschaftlichkeit. Anwendungsbereiche wie die
Bild 2: Entwicklungskurve des Marktes für fortschrittliche Werkstoffe [2]
