DE102005019662A1

DE102005019662A1 - Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE102005019662A1
Application number: DE200510019662
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl.-Ing. Meier (FH); Ilka Dr. Lenke
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2005-12-08
Also published as: US20080230940A1; EP1751076B1; JP2007538148A; EP1751076A1; WO2005113464A1

Abstract

Die Herstellung von Formkörpern aus Hartmetallpulvern durch Pressen und einer gleichzeitigen oder anschließenden Wärmebehandlung ist bekannt. Das Mischen von Hartstoffpulvern und Aluminiumpulvern zur Herstellung trocken gepresster Formkörper ist ein Beispiel dafür. Aufgrund der Gefahr von Entmischungen und dem Verlust der Homogenität liegt beispielsweise nach dem Stand der Technik bei der Zugabe von Hartsoffpartikeln zu Alumniumpulver die Obergrenze bei etwa 20 Vol.-%. DOLLAR A Um den Anteil von Hartstoffpartikeln in der Mischung zu erhöhen, wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Kermaik-Verbundwerkstoffen vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch Trockenpressen von Pulvern mit Basiszusammensetzungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 25 bis 79 Vol.-%, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 75 bis 21 Vol.% als kermaische Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoff und Silicate.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen (MKV-Werkstoffen).
Die heute am Markt bekannten Herstellverfahren für Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe beruhen entweder auf dem Infiltrieren von porösen Vorkörpern mit flüssigen Metallen, dem Einrühren von Partikeln oder Fasern in metallische Schmelzen, dem Sprühkompaktieren von Metall-Keramik-Mischungen oder dem Schleuderguss.
Beim dem Infiltrierverfahren werden keramische Grundwerkstoffe verpresst und bei Temperaturen zwischen 900°C und 1200°C verfestigt. Anschließend werden die porösen Presskörper in einem zweiten, kostenintensiven Arbeitsschritt mit metallischen Werkstoffen infiltriert. Werden Partikeln oder Fasern in eine Schmelze eingerührt, ist der Füllgrad in der Regel auf maximal 25 Vol.-% begrenzt. Problematisch ist das Sedimentieren der Partikel in der flüssigen Schmelze, das ein inhomogenes Gefüge bewirkt. Alternative Herstellungsverfahren wie Schleuderguss führen aufgrund der Auswirkung der Fliehkraft auf die unterschiedlich schweren Hartstoffpartikel zu deren inhomogenen Verteilung in dem Werkstück. Bei Verwendung partikelverstärkter Spritzgussmassen besteht die Gefahr der Bildung von Texturen.
Die Herstellung von Formkörpern aus Hartmetallpulvern durch Pressen und einer gleichzeitigen oder anschließenden Wärmebehandlung ist bekannt. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen entscheiden die Werkstoffeigenschaften über das Mischungsverhältnis. Das Mischen von Harstoffpulvern und Aluminiumpulvern zur Herstellung trocken gepresster Formkörper ist ein Beispiel dafür. Aufgrund der Gefahr von Entmischungen und dem Verlust der Homogenität liegt beispielsweise nach dem Stand der Technik bei der Zugabe von Hartstoffpartikeln zu Aluminiumpulver die Obergrenze bei etwa 20 Vol.-%.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Anteil von Hartstoffpartikeln in der Mischung von trockengepressten Formkörpern zu erhöhen, ohne dass die bekannten Nachteile auftreten.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch Metall-Keramik-Pulver-Mischungen mit einem Keramikanteil zwischen 21 und 75 Vol - %, die sich durch Trockenpressen zu stabilen Formkörpern pressen lassen. Ein Teil der keramischen Werkstoffe kann durch Hartstoffe wie beispielsweise TiC, TiN, Ti(CN) und WC ersetzt werden.
Die Teilchengröße der jeweiligen Hartstoffpartikel oder Keramikpartikel liegt zwischen 0,2 μm und 150 μm, bevorzugt werden D50-Werte zwischen 30 μm und 70 μm.
Überraschenderweise sind auch die aus der Pulvermetallurgie bekannten hohen Pressdrücke von beispielhaft 6000 bar nicht notwendig. Bereits mit einem Pressdruck von 2000 bar können dichte und funktionsfähige Bauteile hergestellt werden.
Zum Trockenpressen werden Metall-Keramik-Pulver-Mischungen eingesetzt, gekennzeichnet durch Basiszusammensetzungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 25 bis 79 Vol.-%, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 75 bis 21 Vol.-% als keramische Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoffe und Silicate. Während des Pressvorgangs oder nach dem Pressen wird der verdichtete Pulverkörper thermisch behandelt, um das Gefüge zu verfestigen und die Verbundfestigkeit zu steigern.
Ein bevorzugter MKV-Werkstoff auf der Basis von SiC und Al hat eine Zusammensetzung von 25 bis 79 Vol.-% Al und 75 bis 21 Vol.-% SiC mit einer Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 180 W/mK, einer Biegefestigkeit von beispielsweise 200 MPa sowie einem E-Modul von beispielsweise 200 GPa.
Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einem Metallanteil von größer 50 Vol.-% werden Metal-Matrix-Composite (MMC) genannt. Liegt der Keramikanteil über 50 Vol.-%, wird der Werkstoff Ceramic-Matrix-Composite (CMC) genannt.
Die Werkstoffe haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was insbesondere vorteilhaft ist für eine schnelle und gleichmäßige Übertragung der Wärme von der Wärmequelle auf den zu erwärmenden Werkstoff unter Vermeidung örtlicher Überhitzung. Somit kann hier auch die Technik der wärmeunterstützten Formgebung mit einbezogen werden. Die gleichmäßige und schnelle Erwärmung des Formkörpers ist besonders vorteilhaft beim Heisspressen, wo die Wärmebehandlung im Presswerkzeug erfolgt. Sie ist die Voraussetzung für die Ausbildung eines gleichmäßigen Werkstoffgefüges. Denkbar ist auch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung zur Erwärmung des Werkstoffs.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, gekennzeichnet durch Trockenpressen von Pulvern mit Basiszusammensetzungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 25 bis 79 Vol.-%, bevorzugt Aluminium und seinen Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 75 bis 21 Vol.-% als keramische Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoff und Silicate.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der keramischen Werkstoffe durch Hartstoffe wie beispielsweise TiC, TiN, Ti(CN) und WC ersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulververdichtung zu Formkörpern durch axiales Pressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulververdichtung zu Formkörpern durch isostatisches Pressen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressdruck kleiner 7000 bar, bevorzugt kleiner 2000 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verfestigung der gepressten Formkörper nachfolgend eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 500°C und 1000°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörper bereits beim Pressvorgang einer Wärmebehandlung unterzogen werden bei Temperaturen von 100 °C bis 1000 °C, bevorzugt bei Temperaturen von 550 °C bis 700 °C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößen der Pulver zwischen 0,2 μm und 150 μm, die bevorzugten D50-Werte zwischen 30 μm und 70 μm liegen.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung als Basiswerkstoff für Löt-, Schweiß- und Rebschweiß-Verbindungstechniken mit metallischen Werkstoffen.
Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff Aluminium und seine Legierungen ist.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung als Basiswerkstoff für Schrumpf-, Crimp- und Clips-Verbindungstechniken mit metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung als Gleitringe, Gegenringe, axiale Anlaufscheiben, Dichtscheiben, Radiallager, Seitenplatten für Pumpen und Verdichter, Rotoren, Flügel und Gehäuseringe von Flügelzellen- und Rotorzellen-Pumpen und Rotorzellen-Verdichtern.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung im Bereich des Personen-, Fahrzeug- und Objektschutzes.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zum Schärfen von Messerschneiden und von Schnitt- und Trennkanten entsprechender Trennwerkzeuge.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung als Wellen- und Achsenwerkstoff für Radial- und Axiallager.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung in Dosier-, Regel- und Schließventilen und Armaturen.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung in Mühlen und anderen Zerkleinerungseinrichtungen.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung als Führung, zur Umlenkung und zur Texturierung von Fasern und Garnen, als Fadenbremse und als Rotorwerkstoff beim Rotorspinnen in der Textilindustrie.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung beim Drahtziehen und bei der Drahtumformung.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung bei Komponenten in der Fördertechnik.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Verwendung bei der Werkstückbearbeitung und der Oberflächenbearbeitung als Schnittwerkzeug und als Schleifwerkzeug.