DE102004012407B4 - Preform for a metal matrix composite (MMC), intermetallic material (IMC) or ceramic matrix composite (CMC) made of a fiber ceramic composite - Google Patents
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Abstract
Vorkörper für einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC), intermetallischen Werkstoff (IMC) oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) aus einem Faser-Keramik-Verbundwerkstoff, bestehend aus einer keramischen Matrix mit einem Porenanteil von 30 % bis zu 75 % und 5 bis 30 Vol% Fasern, bestehend aus Stahl, Edelstahl, Titan-, Chrom-, Nickelbasislegierungen oder Edelmetallen, wobei die Fasern eine Länge von 3 mm bis 15 mm und einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,8 mm aufweisen.Preform for a metal matrix composite (MMC), intermetallic material (IMC) or ceramic matrix composite (CMC) made of a fiber ceramic composite material, consisting of a ceramic matrix with a porosity of 30% up to 75% and 5 to 30% by volume fibers consisting of steel, stainless steel, titanium, chromium, nickel-based alloys or precious metals, the fibers having a length of 3 mm to 15 mm and a diameter of 0.1 mm to 0.8 mm.
Description
Die Erfindung betrifft einen Vorkörper für einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC), intermetallischen Werkstoff (IMC) oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) aus einem Faser-Keramik-Verbundwerkstoff.Vorkörper für einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC), intermetallischen Werkstoff (IMC) oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) aus einem Faser-Keramik-Verbundwerkstoff.The invention relates to a preform for a metal matrix composite (MMC), intermetallic material (IMC) or ceramic matrix composite (CMC) made from a fiber ceramic composite material.Preform for a metal matrix composite (MMC), intermetallic material (IMC) or ceramic matrix composite material (CMC) made of a fiber ceramic composite material.
Faserverstärkte Kunststoffe und Metalle sind Stand der Technik. Beispielsweise werden Vorkörper aus Keramik- oder Kohlefasern als Bauteil oder als Segment eines Bauteils mit einer Metallschmelze infiltriert. Ebenfalls bekannt ist die Herstellung dichter keramischer Bauteile aus porösen keramischen Vorkörpern durch Verdichtungsprozesse wie z.B. Flüssigphasensintern, Reaktionssintern oder sogenanntes Reaction-Bonding.Fiber-reinforced plastics and metals are state of the art. For example, preforms made of ceramic or carbon fibers are infiltrated with molten metal as a component or as a segment of a component. Also known is the production of dense ceramic components from porous ceramic preforms by compression processes such as liquid phase sintering, reaction sintering or so-called reaction bonding.
Eine Möglichkeit der Herstellung eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs (MKV) auch als Metal Matrix Composites (MMC) bezeichnet, oder eines intermetallischen Werkstoffes, auch Intermetallic Composites (IMC) genannt, ist das Infiltrieren von porösen keramischen Formkörpern mit flüssiger Metallschmelze. Im Falle des IMC-Werkstoffs kann die Reaktion zwischen Metall und Keramik zur intermetallischen Phase entweder bereits während des Gießprozesses erfolgen oder während einer anschließenden Wärmebehandlung. Verbundwerkstoffe mit einem geringeren Metallanteil als 50% werden beispielsweise als Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff, Ceramic-Matrix-Composite (CMC), bezeichnet.One way of producing a metal-ceramic composite (MKV), also known as metal matrix composites (MMC), or an intermetallic material, also known as intermetallic composites (IMC), is to infiltrate porous ceramic molded bodies with molten metal. In the case of the IMC material, the reaction between metal and ceramic to form the intermetallic phase can take place either during the casting process or during a subsequent heat treatment. Composites with a metal content of less than 50% are referred to, for example, as ceramic matrix composites, ceramic matrix composites (CMC).
Sowohl keramische als auch intermetallische Werkstoffe weisen in der Regel eine sehr geringe Bruchdehnung von deutlich unter 0,3% auf und damit ein wenig schadenstolerantes Bruchverhalten. Um die Schadenstoleranz zu steigern ist es wichtig, die Bruchdehnung auf mindestens 0,3% oder mehr anzuheben. Das kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise Fasern aus Kohlenstoff oder Keramik oder Metallfasern in die Matrix eingebracht werden. Hierbei ist es wichtig, dass die Verteilung der Fasern in der Matrix homogen und/oder definiert ist. Es ist vorteilhaft und deshalb in der Regel erwünscht, wenn die Fasern zur Verstärkung eines Werkstoffs oder Bauteils in einer definierten, auf die Hauptbeanspruchung abgestimmten Richtung orientiert sind.Both ceramic and intermetallic materials usually have a very low elongation at break of well under 0.3% and thus a less damage-tolerant fracture behavior. In order to increase damage tolerance, it is important to increase the elongation at break to at least 0.3% or more. This can be achieved by introducing carbon or ceramic fibers or metal fibers into the matrix, for example. It is important here that the distribution of the fibers in the matrix is homogeneous and/or defined. It is advantageous and therefore generally desirable if the fibers used to reinforce a material or component are oriented in a defined direction that is matched to the main stress.
Stand der Technik ist beispielsweise ein Keramik-Verbundwerkstoff, ein sogenanntes Ceramic Matrix Composite (CMC), bei dem ein Keramikverbund, der im Wesentlichen aus Siliziumcarbid und Silizium besteht, durch Kohlefasern verstärkt ist.State of the art is, for example, a ceramic composite material, a so-called ceramic matrix composite (CMC), in which a ceramic composite, which essentially consists of silicon carbide and silicon, is reinforced with carbon fibers.
WO 02 / 027 048 A2 beschreibt einen Vorkörper aus einem Faser-Keramik-Verbundmaterial aus AI203, d.h. keramischen Fasern. Dieser Vorkörper ist porös und besteht lediglich aus den keramischen Fasern oder keramischen Fasern mit einem keramischen Material, das die Fasern an ihrer Position hält. Der Vorkörper wird mit geschmolzenem Metall gefüllt, um ein MMC zu erhalten.WO 02/027 048 A2 describes a preliminary body made of a fiber-ceramic composite material made of Al2O3, i.e. ceramic fibers. This preform is porous and consists solely of the ceramic fibers or ceramic fibers with a ceramic material holding the fibers in place. The preform is filled with molten metal to obtain an MMC.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Vorkörper für einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC), intermetallischen Werkstoff (IMC) oder Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff (CMC) aus einem Faser-Keramik-Verbundwerkstoff vorzustellen.The object of the invention is to present a preform for a metal matrix composite (MMC), intermetallic material (IMC) or ceramic matrix composite (CMC) made from a fiber ceramic composite.
Das keramische Pulver, das bei der Formgebung die Matrix für die Fasern bildet, enthält neben den anorganischen Bestandteilen des späteren Formkörpers organische Porosierungsmittel zur Erzeugung der Porosität sowie in bekannter Weise Binde- und Presshilfsmittel für die vorgesehene Formgebung. Die Porosierungsmittel und damit die Porengrößen im fertigen Formkörper liegen im Bereich zwischen 0,1 bis 100 µm. Die Poren können, je nach vorgesehener Verwendung des Formkörpers, offen oder geschlossen sein. Für eine Infiltration mit einer Metallschmelze können die Poren eine multimodale Verteilung haben. Der angestrebte Porenanteil und die Porenstruktur wird sowohl auf den Formgebungs- und gegebenenfalls Infiltrationsprozess abgestimmt als auch auf die Eigenschaften des Formkörpers, und liegt im Bereich von 30 % bis 75 %. Bei einem zur Infiltration, beispielsweise mit Aluminium, vorgesehenen Formkörper kann das Verhältnis Fasern/Keramik bei etwa 5 bis 30 / 40 bis 15 Vol% liegen bei einem Porenanteil von etwa 55 %.The ceramic powder, which forms the matrix for the fibers during shaping, contains, in addition to the inorganic components of the subsequent shaped body, organic pore-forming agents to produce the porosity and, in a known manner, binding and pressing aids for the intended shaping. The pore-forming agents and thus the pore sizes in the finished molding are in the range from 0.1 to 100 μm. Depending on the intended use of the shaped body, the pores can be open or closed. For infiltration with a molten metal, the pores can have a multimodal distribution. The desired proportion of pores and the pore structure are matched both to the shaping and, if necessary, infiltration process and to the properties of the shaped body, and are in the range from 30% to 75%. In the case of a shaped body intended for infiltration, for example with aluminium, the fiber/ceramic ratio can be around 5 to 30/40 to 15% by volume with a pore fraction of around 55%.
Als Fasermaterial eignen sich z.B. Kohlenstoff und Keramik wie beispielsweise Al2O3, Mullit oder Silikate. Die Faserdurchmesser liegen z.B. zwischen 1 und 20 µm, die Längen z.B. zwischen 0,5 und 15 mm. Gemäß der Erfindung werden auch Metalllegierungen wie beispielsweise Stahl, Edelstahl oder Speziallegierungen z.B. aus Titan-, Chrom-, Nickelbasislegierungen oder Edelmetallen verwendet. Die Länge der Fasern ist in der Regel deutlich größer, beispielsweise > 1 mm, als der Durchmesser des keramischen Sprühkorns, der beispielsweise zwischen 20 und 200 µm liegt. Erfindungsgemäß weisen die Metallfasern einen Durchmesser von 0,1 bis 0,8 mm und Längen von 3 bis 15 mm auf. Diese unterschiedlichen Abmessungen und Formen machen eine gemeinsame Aufbereitung der Rohstoffe unmöglich. Die Fasern können z.B. nicht bereits bei der Aufbereitung des Keramikpulvers eingebracht und mit diesem sprühgetrocknet werden.For example, carbon and ceramics such as Al 2 O 3 , mullite or silicates are suitable as fiber material. The fiber diameters are between 1 and 20 µm, for example, and the lengths are between 0.5 and 15 mm. According to the invention, metal alloys such as steel, stainless steel or special alloys, for example made of titanium, chromium, nickel-based alloys or precious metals, are also used. The length of the fibers is generally significantly greater, for example >1 mm, than the diameter of the ceramic spray grain, which is between 20 and 200 μm, for example. According to the invention, the metal fibers have a diameter of 0.1 to 0.8 mm and lengths of 3 to 15 mm. These different dimensions and shapes make it impossible to process the raw materials together. For example, the fibers cannot already be removed during the preparation of the ceramic powder be introduced and spray-dried with this.
In der Regel werden Faseranteile von 5 bis 30 Vol% im dichten MKV oder IMC benötigt. Werden die Fasern über einen Mischer dem Pulver trocken zugemischt und wird anschließend die Mischung in ein Presswerkzeug gefüllt, ergibt sich in der Regel keine homogene Verteilung der Fasern, da diese aufgrund ihrer höheren Dichte und ihrer Geometrie ein anderes Rieselverhalten aufweisen als das keramische Pulver. Zudem ist die Orientierung der Fasern regellos, was bei der Verdichtung zur Deformation der Fasern und dadurch bedingt zu erheblichen Rückstellmomenten führen kann, die wiederum zu Pressfehlern führen.As a rule, fiber proportions of 5 to 30% by volume are required in the dense MKV or IMC. If the fibers are dry mixed with the powder using a mixer and the mixture is then filled into a pressing tool, the fibers are generally not distributed homogeneously, since they have a different flow behavior than the ceramic powder due to their higher density and geometry. In addition, the orientation of the fibers is random, which can lead to deformation of the fibers during compaction and, as a result, to considerable restoring moments, which in turn lead to pressing errors.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, bei der Herstellung eines porösen keramischen Vorkörpers die mehr oder weniger starren Fasern, beispielsweise Metallfasern, homogen oder definiert und gegebenenfalls orientiert in dem Werkstoff und damit in einem Formteil aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff anzuordnen sowie weiterhin die bestehende Orientierung der Fasern im Werkstoff während des Pressens weitestgehend beizubehalten.Another object is to arrange the more or less rigid fibers, for example metal fibers, homogeneously or in a defined and possibly oriented manner in the material and thus in a molded part made of the material according to the invention in the production of a porous ceramic preform, and also to retain the existing orientation of the fibers in the Material to be retained as far as possible during pressing.
Schwierig ist das beispielsweise in den Fällen, in denen die Beanspruchungsrichtung in die Richtung fällt, in der die Presskraft gewirkt hat. Unter dem Einfluss der Presskraft geben in der Regel die in Richtung der wirkenden Presskraft ausgerichteten Fasern dem Druck nach und knicken entweder ab oder weichen dem Druck aus und ordnen sich in unvorteilhafter Weise in Richtungen an, die außerhalb der Richtung der Hauptbelastung liegen.This is difficult, for example, in cases where the direction of stress falls in the direction in which the compressive force acted. Under the influence of the compressive force, the fibers aligned in the direction of the acting compressive force usually yield to the pressure and either buckle or give way to the pressure and unfavorably arrange themselves in directions that are outside the direction of the main load.
Das kann weitestgehend dadurch vermieden werden, dass die Orientierung der Fasern in der zu pressenden keramischen Masse „eingefroren“ wird, so dass sich ihre Lage während des Pressvorgangs im Wesentlichen nicht ändert. Die Lage der Fasern, die in Richtung der Hauptbeanspruchung und damit parallel zur Pressrichtung ausgerichtet sind, bleibt im Wesentlichen erhalten. Dazu wird das keramische Matrixpulver mit den Fasern durch Zusatz von flüssigen und/oder festen Hilfsstoffen konfektioniert und die Partikel bzw. Granulate und Fasern beschichtet. Zur Konfektionierung können beispielsweise wässrige oder organische Lösungen von Polymeren wie z.B. Polyvinylalkohol eingesetzt werden. Durch relativ hohe Konzentration der Hilfsstoffe, beispielweise 10 wt-% einer 1%igen Lösung, in der Pulver-Faser-Mischung wird eine kaum noch rieselfähige Masse erzeugt, die in Granulatform vorliegen kann. Durch die Konsistenz dieser Masse wird eine Entmischung und Umorientierung der Fasern in der Matrix bei der Formfüllung und beim Pressvorgang erschwert und im günstigsten Fall sogar verhindert.This can be largely avoided by “freezing” the orientation of the fibers in the ceramic mass to be pressed, so that their position essentially does not change during the pressing process. The position of the fibers, which are aligned in the direction of the main stress and thus parallel to the pressing direction, is essentially retained. For this purpose, the ceramic matrix powder is made up with the fibers by adding liquid and/or solid auxiliaries and the particles or granules and fibers are coated. For example, aqueous or organic solutions of polymers such as polyvinyl alcohol can be used for packaging. A relatively high concentration of the excipients, for example 10% by weight of a 1% solution, in the powder-fiber mixture produces a mass that is hardly free-flowing and can be in the form of granules. Due to the consistency of this mass, segregation and reorientation of the fibers in the matrix during mold filling and the pressing process is made more difficult and, in the best case, even prevented.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird das Verfahren zur Herstellung einer solchen Masse vorgestellt. 2000 g einer sprühgetrockneten, gut rieselfähigen keramischen Masse werden mit 1200 g Metallfasern mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Länge von 5 mm in einer rotierenden Granuliertrommel gemischt. Mit einem Zerstäuber werden 320 g einer 1 %igen Lösung von Polyvinylalkohol in Wasser in die rotierende Trommel eingesprüht und unter die Masse gemischt. Es entsteht eine feuchte Masse mit der Konsistenz von nassem Sand, in der die Metallfasern in alle drei Raumrichtungen orientiert sind. Diese Masse wird zum Pressen in eine Form der Abmessung 300 mm x 185 mm gefüllt und bei 500 bar spezifischem Pressdruck axial verdichtet. Die Orientierung der Fasern, insbesondere auch die parallel zur Pressrichtung, bleibt im Formkörper weitgehend erhalten.The method for producing such a mass is presented on the basis of an exemplary embodiment. 2000 g of a spray-dried, free-flowing ceramic mass are mixed with 1200 g of metal fibers with a diameter of 0.5 mm and a length of 5 mm in a rotating granulating drum. Using an atomizer, 320 g of a 1% solution of polyvinyl alcohol in water are sprayed into the rotating drum and mixed into the mass. A moist mass is created with the consistency of wet sand, in which the metal fibers are oriented in all three spatial directions. For pressing, this mass is filled into a mold measuring 300 mm x 185 mm and axially compressed at a specific pressure of 500 bar. The orientation of the fibers, in particular that parallel to the pressing direction, is largely retained in the shaped body.
Eine eine homogene Verteilung der Fasern im Bauteil sowohl in der Fläche als auch im Volumen kann erreicht werden. Dazu wird das Presswerkzeug zum axialen oder isostatischen Trockenpressen schichtweise gefüllt. Es wechseln sich Schichten von keramischem Pulver mit Schichten von Fasern ab, wobei die Fasern nur einen gewissen Anteil oder die gesamte Fläche bedecken, und die Packungsdichte variabel ist. Die Lage der Fasern wird beim Einfüllen der nächsten Pulverschicht so abgedeckt, dass die Zwischenräume zwischen den Fasern aufgefüllt werden. Das Auffüllen der Zwischenräume kann auch durch Vibration unterstützt werden. Dabei muss aber beachtet werden, dass sich Fasern und Pulver nicht separieren. Verhindert werden kann das durch eine Beschichtung der Fasern, beispielsweise durch das verwendete Keramikpulver. Die Überdeckung der Faserschicht kann, je nach vorgesehenem Anwendungsfall, auch Null sein. In der Regel wird die Packungsdichte der Fasern so gering gewählt, dass die einzelnen Pulverschichten in der Höhe eine durchgehende Matrix ausbilden können. Dabei sind die Dicken der eingebrachten Faser- und Pulverschichten variabel und liegen je nach Bauteilgröße und Anwendung z.B. im Bereich von 0,5 bis 20 mm.A homogeneous distribution of the fibers in the component, both on the surface and in the volume, can be achieved. For this purpose, the pressing tool for axial or isostatic dry pressing is filled in layers. Layers of ceramic powder alternate with layers of fibers, with the fibers covering only a certain proportion or the entire area, and the packing density being variable. When filling in the next layer of powder, the layer of fibers is covered in such a way that the gaps between the fibers are filled. The filling of the gaps can also be supported by vibration. However, it must be ensured that fibers and powder do not separate. This can be prevented by coating the fibers, for example with the ceramic powder used. Depending on the intended application, the overlapping of the fiber layer can also be zero. As a rule, the packing density of the fibers is chosen so low that the individual powder layers can form a continuous matrix in height. The thicknesses of the fiber and powder layers introduced are variable and range from 0.5 to 20 mm, for example, depending on the size of the component and the application.
Das Einbringen der einzelnen Faser- und Pulverschichten kann z.B. über Rutschen oder Rüttelrinnen erfolgen, die über die Pressform, die Matrize, geführt werden oder durch ein relativ zur Füllvorrichtung bewegtes Werkzeug. Hierbei kann sich entweder das Werkzeug im Verhältnis zur Füllvorrichtung bewegen, bei runden Werkzeugen z.B. rotieren, oder umgekehrt. Mittels des Winkels und dem Abstand der Füllvorrichtung zum Werkzeugboden bzw. zur Pulverschicht wird die Ausrichtung der Fasern bestimmt. Durch eine vorgeschaltete vibrierende Vorrichtung können die Fasern mehr oder weniger vereinzelt und ausgerichtet werden.The individual fiber and powder layers can be introduced, for example, via slides or vibrating chutes, which are guided over the press mold, the die, or by a tool that is moved relative to the filling device. The tool can either move in relation to the filling device, e.g. rotate in the case of round tools, or vice versa. The orientation of the fibers is determined by means of the angle and the distance between the filling device and the tool base or the powder layer. The fibers can be more or less separated and aligned by an upstream vibrating device.
Die Befüllung der Pressform mit Pulvern und Fasern kann aber auch mittels mehrer Füllvorrichtungen kontinuierlich und zeitgleich erfolgen, wobei eine über die Bauteilhöhe homogene oder gradierte Verteilung und/oder Ausrichtung der Fasern erzeugt werden kann.The filling of the compression mold with powders and fibers can, however, also be carried out continuously and simultaneously by means of several filling devices, in which case a homogeneous or graded distribution and/or alignment of the fibers can be produced over the component height.
Bei magnetisierbaren Fasern kann das Füllen der Pressform statt über direkte Zuführungen auch über Vorrichtungen mit ein- und ausschaltbaren Elektromagneten erfolgen. Die Stärke des oder der Magnete, die Zuführung der Fasern zum Magnet, die Position über der Pressform und der Zeitpunkt des Ausschaltens bestimmen dann die Verteilung und die Ausrichtung der Fasern.In the case of magnetizable fibers, the filling of the compression mold can also take place via devices with electromagnets that can be switched on and off, instead of via direct feeds. The strength of the magnet or magnets, the feeding of the fibers to the magnet, the position above the mold and the point in time at which it is switched off then determine the distribution and orientation of the fibers.
Eine homogene und/oder gerichtete Verteilung kann ebenfalls erreicht werden, wenn mit Fasern bestückte organische grobmaschige Gewebe schichtweise in die Pressform auf vorher eingefüllte Pulverschichten gelegt werden. Durch das grobmaschige Gewebe ist eine Pulververteilung in vertikaler Richtung möglich. Die organischen Gewebe werden durch die Temperaturbehandlung herausgebrannt.A homogeneous and/or directed distribution can also be achieved if organic coarse-meshed fabrics equipped with fibers are placed in layers in the compression mold on previously filled layers of powder. Due to the coarse-meshed fabric, powder distribution in a vertical direction is possible. The organic tissues are burned out by the heat treatment.
Eine weitere Möglichkeit ist die Einbringung der Fasern als selbsttragendes Gerüst, beispielsweise als Stahlwolle. Das Gerüst wird vor beziehungsweise bei der Formgebung in der Form mit Keramikpulver oder -dispersionen ausgefüllt.Another possibility is the introduction of the fibers as a self-supporting structure, for example as steel wool. The framework is filled with ceramic powder or dispersions before or during shaping in the mold.
Als formgebendes Verfahren kann auch die Extrusion gewählt werden. Dabei werden die keramischen Pulver nicht durch Sprühtrocknen aufbereitet. Die keramischen Pulver und die weiteren Roh- und Hilfsstoffe werden zu einer plastischen Masse verarbeitet, die danach stranggepresst wird. Die Fasern werden dem zu erzeugenden Strang durch Speiser zugeführt. Die Ausrichtung der Speiser zum Massestrang und die Bewegungsabläufe der Masse relativ zu den Speisern und innerhalb der Misch- und Formgebungsvorrichtung bestimmen die Aussichtung der Fasern im Grünkörper.Extrusion can also be selected as a shaping process. The ceramic powders are not processed by spray drying. The ceramic powder and the other raw and auxiliary materials are processed into a plastic mass, which is then extruded. The fibers are fed to the strand to be produced by feeders. The alignment of the feeders to the strand of mass and the sequence of movements of the mass relative to the feeders and within the mixing and shaping device determine the orientation of the fibers in the green body.
Werden die Fasern nicht bereits bei der Erzeugung des Strangs in die keramische Masse eingespeist, können sie nachträglich durch sogenanntes Rollcompacting in die Masse eingebracht werden. Dabei werden die Fasern per Walzen in die plastische Masse eingerollt. Aus der Mischung werden Schichten geformt. Diese Schichten werden dann aufeinandergelegt und durch Druck zusammengefügt beziehungsweise laminiert.If the fibers are not fed into the ceramic mass when the strand is being produced, they can be introduced into the mass later by what is known as roll compacting. The fibers are rolled into the plastic mass by rollers. Layers are formed from the mixture. These layers are then placed on top of each other and joined or laminated by pressure.
Das Warmgießen von Massen ist eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Faser-Keramik Verbundes mit homogener Faserverteilung. Dabei wird die Viskosität der Masse beispielsweise durch die Auswahl geeigneter Wachse und der Temperatur so eingestellt, dass die Fasern sich beim Einfüllen in das Presswerkzeug nicht vom keramischen Pulver und den Roh- und Hilfsstoffen separieren.The warm casting of masses is another possibility for the production of a fiber-ceramic composite with a homogeneous fiber distribution. The viscosity of the mass is adjusted, for example by selecting suitable waxes and the temperature, so that the fibers do not separate from the ceramic powder and the raw and auxiliary materials when they are filled into the pressing tool.
Die Rieselfähigkeit und das Streuverhalten von Fasern und ihr Verhalten in der Keramikmatrix bei der Formgebung und im späteren Formkörper oder Verbund kann durch Beschichtungen zusätzlich eingestellt werden. In Frage kommen Pulverbeschichtungen z.B. mit dem Matrixpulver, um die Sedimentation und das Zusammenballen der Fasern während der Formgebung zu verringern, oder Beschichtungen mit zusätzlichen Stoffen. Ebenso ist eine Beschichtung der Fasern mit organischen Hilfsstoffen möglich, um eine Fixierung in der Matrix während des Füll- und Formgebungsprozesses zu gewährleisten. Die Beschichtung kann dabei aus einer dünnen Hülle bestehen, oder aber aus einem relativ dicken, mehrschichtigen Aufbau z.B. aus Hilfsstoffen und abgeschiedenen Pulverteilchen.The pourability and the scattering behavior of fibers and their behavior in the ceramic matrix during shaping and in the later shaped body or composite can also be adjusted by coatings. Powder coatings, e.g. with the matrix powder, can be used to reduce sedimentation and fiber clumping during shaping, or coatings with additional substances. It is also possible to coat the fibers with organic additives in order to ensure fixation in the matrix during the filling and shaping process. The coating can consist of a thin shell, or of a relatively thick, multi-layered structure, e.g. made of auxiliary materials and deposited powder particles.
Ein poröser keramischer Körper mit homogen beziehungsweise definiert verteilten und/oder ausgerichteten Fasern kann für einen funktionsoptimierten porösen Körper verwendet werden wie zum Beispiel Verdampferstäbchen, Filtermaterial oder Dämmstoffe. Über die Auswahl des Faserwerkstoffs kann z.B. die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität eingestellt werden. Ein poröser Keramik-Faser-Körper kann aber auch insbesondere zur Herstellung von Metall-Keramik Verbundwerkstoffen (MMC) oder von keramischen Werkstoffen oder intermetallischen Verbundwerkstoffen (IMC) mit verbesserter Bruchdehnung verwendet werden. Dies ist insbesondere für tribologische und mechanische Anwendungen von Interesse oder bei Bauteilen mit besonderen Sicherheitsanforderungen oder Funktionseigenschaften. Dazu gehören beispielsweise Grund- und Gegenkörper für Friktionssysteme oder tribologische Anwendungen wie beispielsweise Bremstrommeln, Bremsbeläge, Kupplungen u.ä., Lagerbrücken und mechanisch extrem beanspruchte Bauteile im Maschinenbau.A porous ceramic body with homogeneously or defined distributed and/or aligned fibers can be used for a function-optimized porous body such as evaporator rods, filter material or insulating materials. The thermal conductivity and heat capacity, for example, can be adjusted by selecting the fiber material. However, a porous ceramic-fiber body can also be used in particular to produce metal-ceramic composites (MMC) or ceramic materials or intermetallic composites (IMC) with improved elongation at break. This is of particular interest for tribological and mechanical applications or for components with special safety requirements or functional properties. These include, for example, base and counter bodies for friction systems or tribological applications such as brake drums, brake linings, clutches, etc., bearing bridges and mechanically extremely stressed components in mechanical engineering.
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Herstellung eines od erfindungsgemäßen Vorkörpers beschrieben.The production of a preform according to the invention is described on the basis of an exemplary embodiment.
In eine Pressform mit einem Durchmesser von 40 mm wurde ein Granulat aus Titanoxid, 16 Vol% Porosierungsmittel und 4 Vol% organischem Binder jeweils im Wechsel mit Metallfasern aus Edelstahl eingestreut. Die Metallfasern hatten Durchmesser von etwa 0,25 mm und Längen von etwa 5 mm. Insgesamt wurden fünf Schichten Metallfasern und sechs Schichten Keramikgranulat abwechselnd so eingestreut, dass die unterste und die oberste Schicht aus Keramikgranulat bestand. Die Granulatschichten hatten Dicken von etwa 3 mm, der Gesamtfaseranteil betrug 25 Vol%. Die Fasern waren horizontal ausgerichtet. Dieser Schichtaufbau wurde anschließend mit einem Druck von 70 MPa axial verpresst und bei 1000 °C eine Stunde gesintert. Das Sinterteil hatte eine Höhe von etwa 8 mm und eine Gesamtporosität von 58 %. Trotz des hohen Faseranteils entstanden weder bei der Formgebung noch nach dem Sintern Fehler in Form von Rissen.Granules made of titanium oxide, 16% by volume of porosity agent and 4% by volume of organic binder, each alternating with metal fibers made of stainless steel, were sprinkled into a press mold with a diameter of 40 mm. The metal fibers were about 0.25 mm in diameter and about 5 mm in length. A total of five layers of metal fibers and six layers of ceramic granules were interspersed alternately in such a way that the bottom and top layers consisted of ceramic granules. The layers of granules were about 3 mm thick, and the total fiber content was 25% by volume. The fibers were aligned horizontally. This layered structure was then pressed axially at a pressure of 70 MPa and sintered at 1000 °C for one hour. The sintered part had a height of about 8 mm and an overall porosity of 58%. Despite the high fiber content, there were no defects in the form of cracks either during shaping or after sintering.
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