DE102006047394A1

DE102006047394A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und metall-keramisches Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102006047394A1
Application number: DE102006047394A
Authority: DE
Inventors: Oliver Lott; Matthias Leonhardt; Gert Lindemann; Alwin Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-10
Also published as: RU2467987C2; EP2077981A2; RU2009116817A; WO2008043679A3; JP2010505720A; WO2008043679A2; US20100152015A1; JP5268921B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, insbesondere einer Bremsscheibe, sowie ein Verbundbauteil vorgeschlagen, wobei das Verfahren in einem ersten Schritt das Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers aus einer keramischen Ausgangsmasse und in einem zweiten Schritt die Infiltration des porösen keramischen Vorkörpers mit einer Metallschmelze umfasst, wobei die keramische Ausgangsmasse einen kermamischen Hauptbestandteil und einen mit diesem Hauptbestandteil reaktiven keramischen Nebenbestandteil umfasst und wobei während des ersten und/oder zweiten Schrittes der Nebenbestandteil zumindest teilweise mit dem Hauptbestandteil reagiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein solches Verbundbauteil ist allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 035 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und ein metall-keramisches Bauteil bekannt. Hierbei wird ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff aus einem keramischen Vorkörper drucklos oder unter Aufbringung eines äußeren Drucks mit einer Metallschmelze infiltriert bzw. befüllt, wobei die Metallschmelze eine reaktive Legierungskomponenete aufweist, die mit einem reaktiven Anteil der Keramikphase umgesetzt wird.
Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe können beispielsweise als sogenannter Cast-Metal-Matrix-Composite (MMC_cast), bei welchem während der Herstellung einer zu vergießenden Metallphase bis zu 20% keramische Fasern oder Partikel beigemischt werden, oder auch als preformbasierter Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC_pref) ausgebildet sein, wobei letzterer einen keramischen Anteil von gegebenenfalls mehr als 60% aufweisen kann und damit gegenüber Cast-Metall-Matrix-Composites verschleiß- und korrosionsbeständiger ist.
Nachteilig ist bei bekannten Verfahren, dass die angestrebte Reaktion zwischen der reaktiven Legierungskomponente und dem reaktiven Anteil der Keramikphase nur unvollständig erfolgt und dadurch, insbesondere bei großvolumigen Bauteilen, eine sehr inhomogene Gefügestruktur und eine zumindest örtlich stark herabgesetzte Wärmeleitfähigkeit resultiert. Ferner kann es beim Stand der Technik zum Auftreten von Porosität kommen, was die Festigkeit des Verbundbauteils herabsetzt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und das erfindungsgemäße metall-keramische Verbundbauteil gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, dass eine feste Anbindung der bevorzugt aus hochwärmeleitendem Material bestehenden Metallphase bzw. Metallschmelze an die hochverschleißbeständige Keramikphase bzw. den Vorkörper erfolgt. Die feste Anbindung in der Grenzfläche zwischen dem Vorkörper (Keramikphase) und der Metallphase gewährleisten eine hohe Materialfestigkeit und eine durch verbesserten Wärmeübergang erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes bzw. Verbundbauteils. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass die keramische Ausgangsmasse des Verbundbauteils bzw. Verbundwerkstoffs einen keramischen Hauptbestandteil und einen mit diesem keramischen Hauptbestandteils reaktiven Nebenbestandteil umfasst. Der keramische Nebenbestandteil macht an der Ausgangsmasse bevorzugt einen Anteil von zwischen etwa 0,05 Masse% und etwa 30 Masse%, bevorzugt zwischen etwa 1 Masse% und etwa 3 Masse% aus. Im Verlauf des Sinterprozesses (erster Schritt) zur Herstellung des keramischen Vorkörpers oder während der Schmelzinfiltration der Metallschmelze in den Vorkörper (zweiter Schritt) oder aber sowohl im Verlauf des Sinterprozesses als auch der Schmelzeinfiltration kommt es zu einer Reaktion zwischen dem keramischen Hauptbestandteil der Ausgangsmasse und dem keramischen Nebenbestandteil, wobei eine an dem Hauptbestandteil reaktiv gebundene und somit sehr gut haftende Oberflächenphase bzw. Grenzflächenphase als Reaktionsprodukt gebildet wird. Der Hauptbestandteil und der Nebenbestandteil werden hinsichtlich ihrer chemischen Natur so gewählt, dass die sich ausbildende Oberflächenphase bzw. Grenzflächenphase eine gute Anbindung an das infiltrierte Metall aufweist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen, die für tribologische Anwendungen ausgelegt sind. Beispielsweise können bei der Wahl eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt nach dem Verfahren Bremsscheiben eines Kraftfahrzeugs hergestellt werden, deren maximale Einsatztemperatur zweckmäßigerweise höher als 800°C liegt. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil zeichnet sich durch eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, eine große Schadenstoleranz und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Vorkörper eine Porosität von zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol% aufweist, bevorzugt von etwa 40 vol% bis etwa 50 vol%. Hierdurch kann eine besonders hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen Verbundbauteils durch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Vorkörper und der metallischen Phase erzielt werden sowie eine gute Verbindung zwischen beiden Phasen erreicht werden. Zudem bedeutet ein hoher Keramikanteil, d.h. beispielsweise eine Porosität des Vorkörpers von etwa 40 vol% und etwa 50 vol%, eine hohe Korossionsbeständigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Vorkörper weitere Bestandteile umfasst, die gegenüber dem keramischen Hauptbestandteil oder gegenüber der Metallschmelze inert sind, wobei insbesondere die weiteren Bestandteile aus Partikeln oder Fasern bestehen, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid oder einem Bond gebildet sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass hochfeste Bestandteile des Verbundbauteils diesem eine sehr hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit verleihen. Bei einem Oxid handelt es sich beispielsweise um Zirkoniumdioxid ZrO₂, bei einem Carbid beispielsweise um Siliziumcarbid Si₃N₄, Bornitrid BN, Aluminiumnitrid AlN, Zirkoniumnitrid ZrN oder Titannitrid TiN, und bei einem Bond beispielsweise um Titanborid TiB₂. Die inerten Bestandteile können insbesondere als Verstärkungs- und/oder Funktionselemente für das ausgefertigte Verbundbauteil dienen. So erhöhen beispielsweise Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid die Wärmeleitfähigkeit des ausgefertigten Bauteils. Keramikfasern erhöhen die Festigkeit und die Bruchzähigkeit des fertigen Bauteils.
Ferner ist es bevorzugt, dass der keramische Nebenbestandteil mindestens ein Oxid und/oder ein Carbid und/oder ein Nitrid umfasst, insbesondere Kupfer(I)Oxid (Cu₂O). Hierdurch kann der Vorkörper auf den jeweiligen verwendeten keramischen Hauptbestandteil als Reaktionspartner in optimaler Weise abgestimmt werden. Wird zum Beispiel als keramischer Hauptbestandteil Al₂O₃ und als keramischer Nebenbestandteil Cu₂O verwendet, so bildet sich als an Al₂O₃ reaktive gebundene Grenzflächenphase CuAlO₂ oder CuAl₂O₄ aus, die auch eine gute Anbindung mit dem schmelzinfiltrierten Metall, zum Beispiel mit reinem Kupfer, aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil, insbesondere eine Bremsscheibe, mit einer keramischen, Poren bildenden Phase und mit einer metallenen, sich in den Poren befindenden Phase, wobei das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 500 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 100 W/mK aufweist, bevorzugt eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 600 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 120 W/mK aufweist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass das erfindungsgemäße Verbundbauteil bei einer Vielzahl von Anwendungsbereichen vorteilhaft eingesetzt wird. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile von großer Wichtigkeit, weil dadurch hohe thermische Gradienten bzw. große thermische Spannungen bzw. auch thermomechanische Spannungen – wie sie etwa infolge eines hohen Energieeintrags während einer Reibbeanspruchung auftreten können – vermieden werden können oder reduziert werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands nach der Erfindung sind der Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Bei einer ersten Variante des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst ein poröser keramischer Vorkörper mit beliebiger Formgebung hergestellt. Bei der Form des Vorkörpers handelt es sich beispielsweise um die typische Form einer Bremsscheibe, es kann sich jedoch auch um eine andere Form handeln. Der Vorkörper weist beispielsweise eine Porosität von etwa 20 vol% oder von etwa 30 vol% oder von etwa 40 vol% oder von etwa 50 vol% oder von etwa 60 vol% oder von etwa 70 vol% auf. Der Bereich variiert beispielsweise zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol%, bevorzugt zwischen etwa 40 vol% und etwa 50 vol%.
Erfindungsgemäß wird ein metall-keramisches Verbundbauteil durch das erfindungsgemäeße Herstellungsverfahren hergestellt, wobei während der Herstellungsschritte die feste Anbindung einer bevorzugt hochwärmeleitfähigen Metallphase an eine bevorzugt hochverschleißbeständige Keramikphase bewirkt wird. Hierbei umfasst die Metallphase bevorzugt reines Kupfer oder aber ein anderes, bevorzugt hochwärmeleitendes, Metall im wesentlichen in Reinform oder in einer Legierung. Zu einer besonders guten Anbindung der Metallphase an die Keramikphase ist es nun vorgesehen, dass ein reaktiver keramischer Nebenbestandteil der Keramikphase, d.h. der Ausgangsmasse, beigegeben wird. Dieser reagiert während des Sinterprozesses (erster Schritt) oder während der Schmelzinfiltration vollständig mit dem keramischen Hauptbestandteil, so dass sich eine an den keramischen Hauptbestandteil reaktive gebundene Grenzflächenphase mit auch guter Anbindung an die schmelzinfiltrierte Metallphase ausbildet. Erfindungsgemäß ist als reaktiver keramischer Nebenbestandteil (der Keramikphase bzw. des Vorkörpers) insbesondere Cu₂O vorgesehen. Dieser reaktive keramische Nebenbestandteil ist erfindungsgemäß mit einem Anteil von etwa 0,05 Masse% bis etwa 30 Masse%, bevorzugt von 1 Masse% bis 3 Masse%, in der keramischen Ausgangsmasse vorhanden. Hierbei umfasst die Grenzflächenphase insbesondere CuAlO₂ oder CuAl₂O₄ für den Fall, dass der keramische Hauptbestandteil (der Ausgangsmasse) ein Aluminiumoxid, beispielsweise ein Al₂O₃, ist.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen metall-keramischen Verbundbauteils bestand die keramische Ausgangsmasse im wesentlichen aus Al₂O₃ mit einer Beimengung von 2 Masse% Cu₂O. Im Verlauf des Sinterprozesses reagierte Cu₂O vollständig mit Al₂O₃ zur Grenzflächenphase CuAlO₂. Der keramische Vorkörper wies eine Porosität von 50 vol% auf. Der Vorkörper wurde mit einer reinen Kupferschmelze im sogenannten Squeeze-Cast-Verfahren infiltriert. Die mechanische Festigkeit des erhaltenen Cu-MMC-Werkstoffes bzw. Verbundbauteils wurde zu 720 MPa bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit wurde mit 143 W/mK bestimmt. Zum Vergleich erzielte ein analoger Kupfer-MMC-Werkstoff ohne den Zusatz des reaktiven keramischen Nebenbestandteils, d.h. im vorliegenden Fall ohne Cu₂O, lediglich eine Festigkeit von 285 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von 108 W/mK.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und insbesondere nicht auf die Herstellung von Bremsscheiben beschränkt. Vielmehr können eine Vielzahl an keramischen Vorkörpern mit einer dem jeweiligen Anwendungsfall angepassten Form eingesetzt werden. Die keramische Ausgangsmasse muss dabei einen reaktiven keramischen Nebenbestandteil aufweisen, der mit dem keramischen Hauptbestandteil während des Sinterprozesses oder während der Schmelzinfiltration zu einer an den keramischen Hauptbestandteil reaktiv gebundenen Grenzflächenphase reagiert. Diese muss dann auch eine gute Haftung gegenüber der infiltrierten Metallphase aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, insbesondere einer Bremsscheibe, umfassend in einem ersten Schritt das Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers aus einer keramischen Ausgangsmasse und in einem zweiten Schritt die Infiltration des porösen keramischen Vorkörpers mit einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Ausgangsmasse einen keramischen Hauptbestandteilund einen mit diesem Hauptbestandteil reaktiven keramischen Nebenbestandteil umfasst, wobei während des ersten und/oder zweiten Schrittes der Nebenbestandteil zumindest teilweise mit dem Hauptbestandteil reagiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Hauptbestandteil ein Oxid, insbesondere Al₂O₃, ist und dass die Metallschmelze ein hochschmelzendes Metall ist, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung oder reines Kupfer.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkörper eine Porosität von zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol% aufweist, bevorzugt von etwa 40 vol% bis etwa 50 vol%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkörper weitere Bestandteile umfasst, die gegenüber der Metallschmelze und gegenüber dem keramischen Hauptbestandteil inert sind, wobei insbesondere die weiteren Bestandteile aus Partikeln oder Fasern bestehen, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid oder einem Bond gebildet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Nebenbestandteil mindestens ein Oxid und/oder ein Carbid und/oder ein Nitrid umfasst, insbesondere Cu₂O.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des keramischen Nebenbestandteils an der keramischen Ausgangsmasse zwischen etwa 0,05 Masse% und etwa 30 Masse% liegt, bevorzugt zwischen etwa 1 Masse% und etwa 3 Masse%.
Verbundbauteil, insbesondere eine Bremsscheibe, mit einer keramischen, Poren bildenden Phase und mit einer metallenen, sich in den Poren befindenden Phase, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 500 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 100 W/mK aufweist.
Verbundbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 600 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 120 W/mK aufweist.