DE102007044160A1

DE102007044160A1 - Composite material of metal and ceramic and method for its production

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Publication number: DE102007044160A1
Application number: DE102007044160A
Authority: DE
Inventors: Christos G. Prof. Dr.-Ing. Aneziris; Piotr Prof. Dr.-Ing. Scheller; Horst Prof. Dr.-Ing.habil. Biermann
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2008-06-19
Also published as: WO2008071184A3; DE112007000923B4; WO2008071184A2; DE112007000923A5

Abstract

Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus Metall und Keramik und deren Herstellungsverfahren, die auf dem Gebiet des Werkstoffeinsatzes mit hohen mechanischen Beanspruchungen anwendbar sind. Erfindungsgemäß besteht der Verbundwerkstoff aus mindestens einem metallischen und mindestens einem keramischen Werkstoff, wobei mindestens ein metallischer und/oder keramischer Werkstoff aus einem Werkstoff besteht, der zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung im festen Zustand fähig ist. Hergestellt wird der Verbundwerkstoff durch Infiltration eines porösen grünen oder gebrannten keramischen Formkörpers mit einer Metallschmelze oder durch ein Formgebungsverfahren aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Material mit anschließendem Sinterbrand, wobei mindestens ein metallischer und/oder keramischer Bestandteil aus einem Werkstoff besteht, der zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung im festen Zustand fähig ist. Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine exzellente Festigkeit und Zähigkeit bei gleichzeitig großem Energieaufnahmevermögen und reduzierter Dichte aus und eignen sich insbesondere für crashbeanspruchte Bauteile und versteifende Strukturkomponenten, Fahrwerkbauteile, Verschleiß- und Festigkeitskomponenten.The invention relates to composites of metal and ceramic and their manufacturing processes that are applicable in the field of material use with high mechanical stresses. According to the invention, the composite consists of at least one metallic and at least one ceramic material, wherein at least one metallic and / or ceramic material consists of a material which is capable of a volume change via a phase transformation in the solid state. The composite material is produced by infiltration of a porous green or fired ceramic molding with a molten metal or by a molding process of at least one ceramic and / or metallic material with subsequent sintering fire, wherein at least one metallic and / or ceramic constituent consists of a material which is a Volume change is capable of a phase transformation in the solid state. The composites of the invention are characterized by excellent strength and toughness combined with high energy absorption capacity and reduced density, and are particularly suitable for crash-stressed components and stiffening structural components, chassis components, wear and strength components.

Description

Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus Metall und Keramik und deren Herstellungsverfahren, die auf dem Gebiet des Werkstoffeinsatzes mit hohen mechanischen Beanspruchungen anwendbar sind.The The invention relates to composite materials of metal and ceramic and their manufacturing processes, in the field of material use are applicable with high mechanical stresses.

Bekannt sind Metallkeramikwerkstoffe, Cermets, die aus einer metallischen und einer keramischen Phase bestehen. Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Aufgrund geringerer Biegebruchfestigkeit sind diese Werkstoffe im Einsatz begrenzt.Known are metal-ceramic materials, cermets, made of a metallic and a ceramic phase. They are characterized by a especially high hardness and wear resistance out. Due to lower bending strength these materials limited in use.

Cermets werden pulvermetallurgisch hergestellt, können nach GB 21 48 270 A aber auch durch Infiltration poröser SiC-Keramik mit geschmolzenem Aluminium bei 700°C und einem Druck von 46 MN/m² erhalten werden.Cermets are produced by powder metallurgy, can after GB 21 48 270 A but also obtained by infiltration of porous SiC ceramic with molten aluminum at 700 ° C and a pressure of 46 MN / m ² .

DE 39 14 010 C2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, bei dem ein aus mehreren Schichten aufgebauter keramischer Werkstoff definierter Porosität mit Al-Schmelze infiltriert werden. DE 39 14 010 C2 discloses a method for producing metal-ceramic composites in which a porosity ceramic of defined porosity is infiltrated with Al melt.

DE 34 30 912 A1 beschreibt einen Abgaskatalysator, bei dem aus Siliciumcarbid und einer metallischen Siliciumlegierung und Hilfstoffen mittels gebräuchlicher Formgebungsverfahren ein Grünkörper geformt, einem Reaktionsbrand und anschließend im Temperaturbereich der Entmischung der Metalllegierung definiert abgekühlt wird. DE 34 30 912 A1 describes an exhaust gas catalytic converter in which a green body is shaped from silicon carbide and a metallic silicon alloy and auxiliary substances by means of customary shaping methods, is cooled in a defined manner in a reaction firing and subsequently in the temperature range of demixing of the metal alloy.

Aus DE 43 00 477 A1 sind Wabenkörper mit einer Vielzahl von durch Trennwände voneinander getrennt verlaufenden Kanälen aus keramischen und metallischem Material bekannt, die insbesondere für elektrisch beheizbare Konverter in Kraftfahrzeugen Anwendung finden. Erhältlich sind derartige Wabenkörper durch Extrusion aus Metall- und Keramikpulvern und anschließender Sinterung. In die Wabenkörper sollen dann Schlitze zur elektrisch isolierenden Unterteilung eingebracht werden.Out DE 43 00 477 A1 honeycomb body with a plurality of separated by partitions extending channels of ceramic and metallic material are known which find particular application for electrically heatable converters in motor vehicles. Such honeycomb bodies are available by extrusion from metal and ceramic powders and subsequent sintering. Slots for electrically insulating subdivision should then be introduced into the honeycomb body.

Es ist bekannt, dass sich nichtrostende austenitische Stähle neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit in der Regel durch eine gute Kaltumformbarkeit auszeichnen. Das Kaltumform- als auch das Energieabsorptionsvermögen dieser austenitischen Stähle kann durch einen so genannten TRIP-Effekt (transformation-induced plasticity) angehoben werden. Es werden dann relativ hohe Zugfestigkeiten und gleichzeitig relativ hohe Bruchdehnungen erreicht. Nichtrostende kaltumformbare austenitische Stähle mit TRIP Effekt lassen sich bisher lediglich anhand spezieller Eigenschaften kennzeichnen. So weisen diese Stähle eine Zugfestigkeit von ca. 520 bis 850 MPa und gleichzeitig Bruchdehnungen von ca. 60 bis 45% auf. Ein nichtrostender Stahl mit Chromgehalten von 17 bis 18% und Nickelgehalten von 8 bis 10%, wie z. B. der Stahl X5 CrNi 18 10 (1.4301), ist ein typischer Vertreter mit TRIP-Effekt.It It is known that stainless austenitic steels are found next to a high corrosion resistance usually characterized by a good cold workability. The Kaltumform- as well as the energy absorption capacity of these austenitic steels can by a so-called TRIP effect (transformation-induced plasticity) be raised. There are then relatively high tensile strengths and achieved at the same time relatively high elongation at break. Stainless Cold forming austenitic steels with TRIP effect can be so far only on the basis of special properties mark. This is how these steels look a tensile strength of about 520 to 850 MPa and at the same time elongation at break from about 60 to 45% on. A stainless steel with chrome contents from 17 to 18% and nickel contents of 8 to 10%, such as. As the steel X5 CrNi 18 10 (1.4301), is a typical representative with TRIP effect.

Das Kaltumform- und das Energieabsorptionsvermögen, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung der genannten Stähle werden durch einen TRIP-, TWIP- bzw. durch die Überlagerung des TRIP- und TWIP-Effekts angehoben.The Cold forming and energy absorption capacity, tensile strength and the breaking elongation of said steels is determined by a TRIP, TWIP or by the overlay of the TRIP and TWIP effect.

Wandelt sich der Austenit während einer mechanischen Beanspruchung verformungsinduziert in ε- und/oder α'-Martensit um, so wird ein TRIP-Effekt beobachtet. Als Folge davon steigen das plastische Deformationsvermögen und die Zugfestigkeit. Durch eine Zwillingsbildung können diese Eigenschaftsänderungen noch verstärkt werden. Es wird dann ein hohes Verfestigungsvermögen beobachtet. Bei relativ niedrigen 0,2%-Dehngrenzen werden dann relativ hohe Zugfestigkeiten erreicht, so dass in der Regel ein niedriges Streckgrenzenverhältnis registriert wird.converts the austenite during a mechanical stress deformation-induced in ε- and / or α'-martensite, so a TRIP effect is observed. As a result, the plastic increase deformability and the tensile strength. By twinning these can Property changes still reinforced become. It is then observed a high hardenability. At relative low 0.2% proof strengths then become relatively high tensile strengths achieved, so that usually registered a low yield ratio becomes.

Für die Beurteilung der Kaltumformbarkeit der Stähle kann als Kennzahl das Produkt aus Zugfestigkeit und maximaler Dehnung herangezogen werden. Das Produkt aus maximaler Dehnung und Zugfestigkeit liegt bei den austenitischen TRIP-Stählen im Bereich von ca. 25.000 bis 38.000 MPa%, bei den TRIP/TWIP-Stählen über 38.000 bis 57.000 MPa% und bei den LIP-Stählen über 57.000 MPa%. Das Energieabsorptionsvermögen der TRIP- und TRIP/TWIP-Stähle erreicht Werte von 0,45 bis 0,5 J/mm 3. Das heißt, bei einer Crashbemspruchung weisen diese Stahle eine große Dehnungsreserve auf. Diesbezügliche Werte für die LIP-Stähle sind nicht veröffentlicht.For the assessment the cold workability of the steels can be a measure of the product of tensile strength and maximum elongation be used. The product of maximum elongation and tensile strength is about 25,000 austenitic TRIP steels up to 38,000 MPa%, for TRIP / TWIP steels over 38,000 to 57,000 MPa% and more than 57,000 LIP steels MPa%. The energy absorption capacity of TRIP and TRIP / TWIP steels reaches values of 0.45 to 0.5 J / mm 3. That is, in a crash stress These steels have a big one Stretch reserve on. in this regard Values for the LIP steels are not published.

Das Kaltumformvermögen als auch das Energieabsorptionsvermögens wird in den austenitischen TRIP- und TRIP/TWIP-Stählen durch die Beeinflussung des austenitischen Gefüges als Folge einer mechanischen Beanspruchung im Prozess einer Kaltumformung erreicht. Dadurch werden die Mikrostruktur des Austenits, vor allem bezüglich der Bildung von Stapelfehlern und Zwillingen, und die Bildung von verformungsinduziertem Martensit beeinflusst.The cold workability as well as the energy absorption capacity is achieved in the austenitic TRIP and TRIP / TWIP steels by influencing the austenitic structure as a result of mechanical stress in the process of cold working. This will change the microstructure of the off tenits, especially with regard to the formation of stacking faults and twins, and influenced the formation of strain-induced martensite.

Eine der martensitischen ähnliche Phasenumwandlung weisen Zirkondioxidwerkstoffe auf. Es ist bekannt, dass Zirkondioxid in drei Modifikationen kristallisiert, die verschiedene thermische und mechanische Eigenschaften besitzen. Bei Raumtemperatur ist die monokline Phase stabil, die als Mineral Baddelyit in der Natur vorliegt. Beim Aufwärmen wandelt sich bei 1170°C die monokline in die tetragonale Phase um, welche wiederum bei 2370°C in die kubische Modifikation umschlägt. Die Umwandlung tetragonal zu monoklin bei der Abkühlung ist mit einer Volumenzunahme von ca. 6% verbunden.A the martensitic similar Phase transformation has zirconium dioxide materials. It is known, that zirconia crystallizes in three modifications that are different have thermal and mechanical properties. At room temperature The monoclinic phase is stable as a mineral baddelyite in the Nature is present. When warming up changes at 1170 ° C the monoclinic in the tetragonal phase, which in turn at 2370 ° C in the changes cubic modification. The transformation is tetragonal to monoclinic on cooling associated with a volume increase of about 6%.

Die Umwandlung und die daraus resultierende Volumenänderung sind reversibel, so dass durch den Aufheiz- und Abkühlungsvorgang die Modifikationsänderung in einer Hysterese verläuft. Die Umwandlungstemperatur hängt primär von der Korngröße ab. Die Volumenzunahme bei der Umwandlung von tetragonal zu monoklin kann derartige Spannungen im Werkstoff hervorrufen, dass die elastische Aufnahmefähigkeit überschritten wird und Risse entstehen, die bis zum Versagen des Werkstoffes führen können. Diese Umwandlung (tetragonal zu monoklin) ist auch als martensitische Umwandlung bekannt.The Conversion and the resulting volume change are reversible, so that through the heating and cooling process the modification change runs in a hysteresis. The transformation temperature depends primary from the grain size. The Volume increase in the conversion from tetragonal to monoclinic can cause such stresses in the material that the elastic Absorption capacity exceeded and cracks occur, which can lead to failure of the material. These Transformation (tetragonal to monoclinic) is also called martensitic Conversion known.

Mit Hilfe von geeigneten Stabilisatoren, die im Gitter eingebaut werden, lässt sich die Hochtemperaturphase metastabil bis auf Raumtemperatur verschieben. Der Volumensprung wird dabei voll oder teilweise unterbunden. Man spricht von voll stabilisiertem (nur die kubische Phase vorhanden), teilstabilisiertem (es können alle drei Modifikationen vorliegen) und unstabilisiertem (nur monoklin) Zirkondioxid. Durch gezielte Werkstoffoptimierungen (Zusatz von bestimmten Stabilisatoren und Additiven und spezielle Aufheizvorgänge) kann der prozentuale Stabilisierungsgrad (Volumenanteile der kubischen und tetragonalen Phase) so festgelegt werden, dass bestimmte Eigenschaften, wie z. B. größere Risszähigkeit (umwandlungsverstärkte, zirkondioxidhaltige Werkstoffe), Volumenzunahme, verbessert werden. Als Stabilisatoren werden die Oxide der Erdalkalimetalle wie MgO und CaO und Metalle der seltenen Erden wie Y₂O₃ und CeO₂ eingesetzt. Die Stabilisatoren nehmen bei gleichem Stabilisierungsgrad unterschiedlichen Einfluss auf Gefügestruktur und Eigenschaften. Weiterhin können die Pulveraufbereitung und die Art der Zugabe des Stabilisators erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften und insbesondere auf die Korrosionsbeständigkeit haben.With the help of suitable stabilizers, which are installed in the grid, the high-temperature phase can be shifted metastable to room temperature. The volume jump is thereby completely or partially prevented. One speaks of fully stabilized (only the cubic phase present), partially stabilized (there may be all three modifications) and unstabilized (monoclinic only) zirconia. Through targeted material optimization (addition of certain stabilizers and additives and special heating processes), the percentage degree of stabilization (volume fractions of the cubic and tetragonal phase) can be set so that certain properties, such. B. greater fracture toughness (conversion-reinforced, zirconia-containing materials), volume increase, be improved. As stabilizers, the oxides of alkaline earth metals such as MgO and CaO and rare earth metals such as Y ₂ O ₃ and CeO ₂ are used. With the same degree of stabilization, the stabilizers have different effects on microstructure and properties. Furthermore, the powder preparation and the manner of addition of the stabilizer can have considerable effects on the properties and in particular on the corrosion resistance.

Zirkondioxide werden je nach Enddichteanforderung zwischen 1550°C und 1850°C gebrannt. Bei der Herstellung von niedrig porösen Werkstoffen (Gesamtporosität < 10%) werden Sintertemperaturen über 1700°C gewählt. Bei hohem monoklinen Anteil über 30% versucht man anhand von sinterfördernden Hilfsphasen, wie z. B. SiO₂, TiO, und Fe₂O₃, Porositäten kleiner 20% bei wirtschaftlichen maximalen Sintertemperaturen unter 1700°C zu realisieren.Zirconia dioxides are fired between 1550 ° C and 1850 ° C depending on the final density requirement. In the production of low-porous materials (total porosity <10%) sintering temperatures above 1700 ° C are selected. At high monoclinic content over 30% is attempted on the basis of sintering auxiliary phases, such. As SiO ₂ , TiO, and Fe ₂ O ₃ , porosities less than 20% at economic maximum sintering temperatures below 1700 ° C to realize.

Da die Art und der Grad der Stabilisierung primär für die Eigenschaften der Zirkondioxidwerkstoffe verantwortlich sind, werden thermische und chemische Destabilisierungsvorgänge aufgelistet.There the nature and degree of stabilization primarily for the properties of zirconia materials thermal and chemical destabilization processes are listed.

Die Änderung der freien Energie ΔG_t-m bei der Umwandlung von tetragonal zu monoklin eines Teilchens in einer Matrix läßt sich durch folgende Formel berechnen: ΔGt-m = –ΔGc + ΔUd + ΔUs. (1) The change of the free energy ΔG _tm in the transformation from tetragonal to monoclinic of a particle in a matrix can be calculated by the following formula: ΔG tm = -ΔG c + ΔU d + ΔU s , (1)

ΔG_c beschreibt die Änderung der chemischen Energie, ΔU_d die Änderung der Verzerrungsenergie und ΔU_s die Änderung der Oberflächenenergie. Dabei beeinflussen die Temperatur und die chemische Zusammensetzung wesentlich die chemische Energie ΔG_c. Die Verzerrungsenergie ΔU_d ist dagegen stark von den elastischen Eigenschaften der monoklinen Phase und der umgebenden Matrix abhängig. Weiterhin haben Eigenspannungen in der tetragonalen Phase und äußere Spannungen einen großen Einfluß auf die Verzerrungsenergie. So können unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Teilchen und Matrix (Δα = α_Teil – α_Matrix) durch eine zusätzliche Verformungsenergie (Δα·ΔT) die tetragonale Phase bei einer Herstellungstemperatur > Gleichgewichtstemperatur des reinen Zirkondioxids entweder stabilisieren oder destabilisieren. Die Oberflächenenergie U_s ist von der Teilchengröße abhängig, so daß oberhalb einer kritischen Teilchengröße die Umwandlung von tetragonal zu monoklin spontan stattfindet. Schließlich können Zirkondioxide auch mechanisch destabilisiert werden.ΔG _c describes the change of the chemical energy, ΔU _d the change of the distortion energy and ΔU _s the change of the surface energy. The temperature and the chemical composition significantly influence the chemical energy ΔG _c . The distortion energy ΔU _d , on the other hand, strongly depends on the elastic properties of the monoclinic phase and the surrounding matrix. Furthermore, residual stresses in the tetragonal phase and external stresses have a large influence on the distortion energy. Thus, different coefficients of thermal expansion of particles and matrix (Δα = α _part -α _matrix ) can either stabilize or destabilize the tetragonal phase at a production temperature> equilibrium temperature of the pure zirconia by an additional deformation energy (Δα · ΔT). The surface energy U _s is dependent on the particle size, so that above a critical particle size, the transformation from tetragonal to monoclinic occurs spontaneously. Finally, zirconium dioxides can also be mechanically destabilized.

Bei MgO-stabilisierten Zirkondioxidwerkstoffen wird mit höherem Fe₂O₃-, TiO₂- und SiO₂-Anteilen eine zunehmende Destabilisierung deutlich. Diese Phasenanteile können als Verunreinigungen im Pulver schon vorhanden sein, liegen als Schlackenbestandteile vor oder werden als Sinterhilfsmittel zugegeben. Sie entziehen dem Zirkondioxid den Stabilisator, bilden neue Mischphasen mit dem MgO und siedeln sich primär an den Korngrenzen an. Dabei ist die destabilisierende Wirkung von SiO₂ wesentlich höher als die des Fe₂O₃ und TiO₂. Die beiden letzteren können auch ins Gitter eingebaut werden und das MgO substituieren. Gleiche Phänomene treten auch bei CaO-stabilisiertem Zirkondioxid auf, wobei das SiO₂ zu einer größeren Verminderung der Stabilisierung im Vergleich zu den MgO-stabilisierten führt. Y₂O₃-stabilisierte Zirkondioxide zeigen die größte Resistenz gegenüber dem SiO₂. Dabei wird festgestellt, daß bei größeren SiO₂-Verunreinigungsanteilen höhere kubische Anteile gebildet werden. Die flüssige Glasphase (SiO₂) begünstigt kinetisch die Diffusion der Yttriumionen ins Zirkondioxidgitter. Bei Destabilisierungen während der Abkühlungsphase des Brandes, liegen Silizium- und Yttriumanreichungen an den Korngrenzen getrennt vor. Es bildet sich keine Mischphase. Die thermische Destabilisierung zeigt sich deutlich bei verschiedenen Abkühlungsgeschwindigkeiten und insbesondere bei MgO-stabilisierten Zirkondioxiden. Je kleiner die Abkühlungsrate, desto größer die Destabilisierung. Das wird nicht nur bei niedrigen Sintertemperaturen von 1550-1600°C festgestellt, sondern es prägt sich bei höheren Bränden (1750-1850°C, sehr dichtes Gefüge ohne Sinterhilfsmittel) deutlich aus. Aus der Literatur geht hervor, dass in teilstabilisierten Zirkondioxidwerkstoffen (PSZ) neben der kubischen Phase umwandlungsfähige tetragonale Teile in Form von feinkristallinen Ausscheidungen in den kubischen Körnern vorhanden sind. Diese metastabilen, tetragonalen, Zirkondioxidanteile können das Gefüge bei der martensitischen Umwandlung verstärken (Volumenzunahme) und im Gefüge Mikrorisse erzeugen, die für eine gewisse Plastizität verantwortlich sind.In the case of MgO-stabilized zirconium dioxide materials, increasing destabilization becomes evident with higher Fe ₂ O ₃ , TiO ₂ and SiO ₂ contents. These phase portions may already be present as impurities in the powder, are present as slag constituents or are added as sintering aids. They extract the stabilizer from the zirconium dioxide, form new mixed phases with the MgO and settle primarily at the Grain boundaries. The destabilizing effect of SiO _{2 is} significantly higher than that of Fe ₂ O ₃ and TiO ₂ . The latter two can also be incorporated into the lattice and substitute the MgO. Similar phenomena also occur with CaO-stabilized zirconia, with the SiO ₂ leading to a greater reduction in stabilization compared to the MgO-stabilized ones. Y ₂ O ₃ -stabilized zirconium dioxides show the greatest resistance to SiO ₂ . It is found that higher cubic proportions are formed at larger SiO ₂ impurity levels. The liquid glass phase (SiO ₂ ) kinetically promotes the diffusion of yttrium ions into the zirconia lattice. During destabilization during the cooling phase of the fire, silicon and yttrium enrichments are present separately at the grain boundaries. It does not form a mixed phase. The thermal destabilization is clearly evident at different cooling rates and in particular for MgO-stabilized zirconium dioxides. The smaller the cooling rate, the greater the destabilization. This is not only found at low sintering temperatures of 1550-1600 ° C, but it is characterized at higher fires (1750-1850 ° C, very dense structure without sintering aid) significantly. The literature shows that in partially stabilized zirconium dioxide materials (PSZ), in addition to the cubic phase, there are convertible tetragonal parts in the form of finely crystalline precipitates in the cubic grains. These metastable, tetragonal, zirconium dioxide components can increase the structure of the martensitic transformation (volume increase) and create microcracks in the microstructure that are responsible for a certain plasticity.

Die Verstärkung bei reinen keramischen Erzeugnissen ist im Wesentlichen auf den Rissabschirmungseffekt zurückzuführen, der durch die Volumen- und Formänderung der martensitischen Umwandlung bewirkt wird. Dies führt zu einer Erniedrigung der Spannungskonzentration an der Rissspitze. Diese Art der Energiedissipation ist analog zu der in duktilen Metallen beobachteten Rissspitzenplastizität. Der wesentliche Verstärkungsmechanismus basiert auf der direkten Rissabschirmung, die aus der spannungsinduzierten martensitischen Umwandlung in einer Zone (Prozesszone) vor dem fortgeschrittenen Riss resultiert (stress-induced transformation toughening). Einen anderen Mechanismus stellt die Bildung und Ausbreitung von Matrix-Mikrorissen dar, die durch das Spannungsfeld, das um bereits umgewandelte monokline Zirkondioxidteilchen existiert, ausgelöst werden. In diesem Fall handelt es sich um eine thermische Umwandlung bei der Abkühlung von der Herstellungstemperatur (microcrack toughening). Ein weiterer Verstärkungseffekt, der die Rissspitze nicht gegenüber einer äußerlich angelegten Spannung abschirmt, sondern die Triebkraft für den Rissfortschritt erniedrigt, wird durch Rissablenkung hervorgerufen. Risse können durch lokale Eigenspannungen, die um bereits umgewandelte monokline Teilchen herrschen, oder direkt durch tetragonale Teilchen abgelenkt werden (crack deflection toughening). Ein wichtiger technologischer Aspekt der spannungsinduzierten Umwandlung ist die Erzeugung von bleibenden Oberflächendruckspannungen durch Schleifen oder Sandstrahlen (surface transformation strengthening).The reinforcement in pure ceramic products is essentially on the Rissabschirmungseffekt attributed to by the volume and shape change the martensitic transformation is effected. This leads to a Lowering the stress concentration at the crack tip. These Type of energy dissipation is analogous to that in ductile metals observed crack tip plasticity. The essential reinforcement mechanism based on the direct crack shield, which is the voltage induced martensitic transformation in a zone (process zone) before the advanced Crack results (stress-induced transformation toughening). a Another mechanism represents the formation and propagation of matrix microcracks represented by the stress field surrounding monoclinic already converted Zirconia particles exist, are triggered. In this case acts it is a thermal conversion during cooling from the Production temperature (microcrack toughening). Another reinforcing effect, not facing the crack tip one outwardly shielded voltage, but the driving force for the crack propagation lowered, is caused by crack deflection. Cracks can pass through local residual stresses around already converted monoclinic particles prevail, or be deflected directly by tetragonal particles (crack deflection toughening). An important technological aspect of Stress-induced transformation is the creation of lasting ones Surface stresses by grinding or sandblasting (surface transformation strengthening).

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, Verbundwerkstoffe aus Metall und Keramik zu schaffen, die die Eigenschaft der Phasenumwandlung der Bestandteile zur Verbesserung der mechanischen Endeigenschaften nutzen.Of the Invention is the technical object of composite materials Made of metal and ceramic to create the property of phase transformation the ingredients for improving the mechanical end properties use.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Verbundwerkstoff aus mindestens einem metallischen und mindestens einem keramischen Werkstoff gelöst, bei dem mindestens ein metallischer und/oder keramischer Werkstoff aus einem Werkstoff besteht, der zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung im festen Zustand fähig ist.According to the invention Task by a composite material of at least one metallic and solved at least one ceramic material, wherein at least one metallic and / or ceramic material of a material which leads to a volume change over one Phase transformation in the solid state is capable.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff erhält dadurch verbesserte mechanische Eigenschaften, dass mindestens eine der Werkstoffkomponenten eine Volumenänderung über eine Phasenumwandlung während der Herstellung und/oder bei nachträglicher mechanischer und/oder thermischer Behandlung und/oder im Anwendungsfall erfährt. Über die Volumenänderung durch Phasenumwandlung im festen Zustand werden eine Verspannung der Matrix des Verbundwerkstoffes erreicht und gezielt Druckspannungen im Verbundwerkstoff aufgebaut.Of the Composite material according to the invention receives thereby improved mechanical properties that at least one the material components a volume change via a phase transformation during the Production and / or at a later date mechanical and / or thermal treatment and / or in the application experiences. About the volume change By phase transformation in the solid state become a strain the matrix of the composite material reaches and targeted compressive stresses constructed in composite material.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Verbundwerkstoff aus mindestens einem metallischen und mindestens einem keramischen Werkstoff, die zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung im festen Zustand fähig sind. Dabei generiert und/oder verstärkt im Verbundwerkstoff die Volumenänderung des keramischen Werkstoffes die Phasenumwandlung des metallischen Werkstoffes. Diese Verbundwerkstoffe erreichen noch höhere Festigkeitseigenschaften.To an advantageous embodiment of the invention, the composite material of at least one metallic and at least one ceramic Material that causes a volume change via a phase transformation able in the solid state are. In the process, the volume change is generated and / or amplified in the composite material of the ceramic material, the phase transformation of the metallic Material. These composites achieve even higher strength properties.

Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können metallisch oder keramisch basiert sein, d. h. der metallische oder der keramische Anteil überwiegt im Verbundwerkstoff. Bevorzugt werden metallisch basierte Verbundwerkstoffe mit einem metallischen Anteil von mindestens 70 Vol.%, bevorzugt mindestens 80 Vol.%.The Composite materials according to the invention can metallic or ceramic based, d. H. the metallic or the ceramic content predominates in the composite material. Preference is given to metal-based composite materials with a metallic content of at least 70 vol.%, preferred at least 80 vol.%.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch Infiltration mit einer metallischen Schmelze eines grünen oder gebrannten keramischen Formkörpers erhältlich. Poröse keramische Strukturen im grünen oder gebrannten Zustand, wie z. B. Schaumstrukturen, Wabenstrukturen, Kugelstrukturen, Spaghettistrukturen oder keramische ursprünglich Papierstrukturen werden mit Metallschmelzen infiltriert. Während der Infiltration und/oder bei der Abkühlung wird der keramische Werkstoff partiell oder voll umgewandelt und hält über eine Volumenzunahme die metallische Komponente unter Spannungen. Hierbei kann sowohl eine erzwungene Infiltration, eine aktivierte Infiltration, z. B. durch die Zugabe von Aktivierungselemente auf der Basis Ni, Ti, Mg, Al, Si, oder Kombinationen der beiden zur Anwendung gelangen. Erfindungsgemäß kann diese Verspannung zu einer Umwandlung der metallischen Komponente während und/oder der Fertigung führen oder die keramische oder metallische Komponente wird erst während des Einsatzes, z. B. durch einen Schlag, umgewandelt und eine innere Verspannung des Verbundwerkstoffes wird hervorgerufen.Of the Composite material according to the invention is according to an advantageous embodiment of the invention by infiltration with a metallic melt of a green or fired ceramic molding available. porous ceramic structures in the green or fired state, such. B. foam structures, honeycomb structures, Spherical structures, spaghetti structures or ceramic original paper structures are infiltrated with molten metals. During infiltration and / or during cooling the ceramic material is partially or fully converted and holds over one Volume increase the metallic component under stress. in this connection can be both a forced infiltration, an activated infiltration, z. B. by the addition of activation elements based on Ni, Ti, Mg, Al, Si, or combinations of the two are used. According to the invention this Distortion to a transformation of the metallic component during and / or lead the production or the ceramic or metallic component is first during the Use, z. B. by a blow, converted and an inner Distortion of the composite is caused.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durch bildsame Formgebung einer Masse aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Material und Hilfsstoffen und anschließendem Sinterbrand erhältlich. Dazu werden keramisches und metallisches Pulver oder Granulat gemischt. Über ein Formgebungsverfahren unter Zugabe von weiteren Additiven wird bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes ein Halbzeug geformt und mit einem anschließenden Brand bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes der Verbundwerkstoff mit seinen Endeigenschaften hergestellt.Of the Composite material according to the invention is according to a further advantageous embodiment of the invention by molding a mass of at least one ceramic and / or metallic material and auxiliaries and subsequent sintering firing available. For this purpose, ceramic and metallic powder or granules are mixed. About one Shaping process with the addition of further additives is at Room temperature or at temperatures less than the melting point of the metallic material, a semi-finished molded and with a subsequent Fire at temperatures less than the melting point of the metallic Material of the composite material produced with its final properties.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff ist auch durch Foliengiessen oder Schlickergiessen einer Masse aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Pulver und Hilfsstoffen und anschließendem Sinterbrand erhältlich. Über das Foliengiessverfahren bei Temperaturen kleiner 100°C werden flexible Grünfolien bestehend aus keramischen und metallischen Pulvern erzeugt, zu Komponenten mittels Grünbearbeitung überführt, die nach einem anschließenden Brand ihre Endeigenschaften erhalten. Vor dem Brand bleiben die Folien flexibel verformbar aufgrund der beinhaltenden Plastifikatoren auf organischer Basis.Of the Composite material according to the invention is also by foil casting or slip casting a mass at least one ceramic and / or metallic powder and auxiliaries and then Sintered firing available. About the Film casting at temperatures below 100 ° C are flexible green sheets consisting of ceramic and metallic powders, to components transferred by green processing, the after a subsequent Brand received their final properties. Before the fire they stay Films flexibly deformable due to the plasticizers included on an organic basis.

Vorteilhaft liegt der keramische Werkstoff im erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff als poröser Formkörper vor und weist eine Schaum-, Waben-, Kugel- Spaghetti- oder Papierstruktur auf. Die Kugel oder Spaghettistrukturen können sowohl Hohl- als auch Vollkeramiken sein.Advantageous the ceramic material is present in the composite material according to the invention as a porous shaped body and has a foam, honeycomb, ball spaghetti or paper structure on. The ball or spaghetti structures can be both hollow and Be full ceramics.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff durch Pressformgebung einer Masse aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Pulver oder Granulat und gegebenenfalls Hilfsstoffen und anschließendem Sinterbrand bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes erhältlich.To a further advantageous embodiment of the invention is the Composite material according to the invention by molding a mass of at least one ceramic and / or metallic powder or granules and optionally excipients and then Sintered firing at temperatures less than the melting point of the metallic Material available.

Der keramische Werkstoff des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes ist ausgewählt aus zirkondioxidhaltigen Werkstoffen, Quarz oder quarzhaltigen Werkstoffen, Aluminiumtitanaten. Bariumtitanaten. Perowskit oder Spinellkeramiken.Of the ceramic material of the composite material according to the invention selected made of zirconia-containing materials, quartz or quartz-containing materials, Aluminum titanates. Barium titanates. Perovskite or spinel ceramics.

Zu den Keramiken, die zu einer volumenabhängigen Phasenumwandlung fähig sind, gehören z. B. Zirkondioxide, zirkondioxidhaltige Werkstoffe, Quarz und Quarzhaltige Werkstoffe, Aluminiumtitanate, Bariumtitanate und weitere Perowskitkeramiken als auch Spinellkeramiken.To the ceramics capable of volume dependent phase transformation, belong z. As zirconium dioxides, zirconium dioxide-containing materials, quartz and quartz Materials, aluminum titanates, barium titanates and other perovskite ceramics as well as spinel ceramics.

Erfindungsgemäß können Zirkondioxide mit einem hohen monoklinen Anteil über 50% eingesetzt werden. Dazu dienen erfindungsgemäß auch nicht stabilisierte synthetische oder natürliche Zirkondioxidpulver. Bei einer homogenen Verteilung von Zirkondioxid Granulaten und/oder Körnungen in einer metallischen Schmelze oder in einem metallischen Pulvergemenge kann erfindungsgemäß auf fertig geformte keramische Komponenten verzichtet werden.According to the invention, zirconium dioxides be used with a high monoclinic content over 50%. This also does not serve according to the invention stabilized synthetic or natural zirconia powder. at a homogeneous distribution of zirconium dioxide granules and / or grits in a metallic melt or in a metallic powder mixture can be finished according to the invention molded ceramic components are dispensed with.

Als metallische Werkstoffe des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes dienen Eisen, Stahl oder deren Legierungen oder Mg, Al, Ni, Ti oder Cu oder deren Legierungen oder Refraktärmetalle oder Edelmetalle oder deren Legierungen. Metallische Werkstoffe, die zu einer zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung fähig sind, sind TRIP (transformation induced plasticity)- oder TWIP (twinning induced plasticity)-Metalle oder -Metalllegierungen. Besipiel für ein TRIP-Stahl sind z. B. metastabile austenitische Stähle vom Typ X5CrNi 18.10.When metallic materials of the composite material according to the invention serve Iron, steel or their alloys or Mg, Al, Ni, Ti or Cu or their alloys or refractory metals or precious metals or their alloys. Metallic materials that become one to one Volume change over one Phase transformation capable are TRIP (transformation induced plasticity) or TWIP (twinning induced plasticity) metals or metal alloys. Example for a TRIP steel are z. B. Metastable austenitic steels of the type X5CrNi 18.10.

Erfindungsgemäß kann der Verbundwerkstoff aus einem Metall und einer Keramik bestehen aber auch aus mehreren Metallen und mehreren keramischen Werkstoffen. Im Falle von mehreren metallischen Werkstoffen werden z. B. die Verbundwerkstoffe nachträglich mit einer weiteren Metallschmelze beaufschlagt und partiell infiltriert.According to the invention, the composite material of a metal and a ceramic but also consist of several metals and several ceramic materials. In the case of several metallic plant substances are z. B. the composites subsequently subjected to a further molten metal and partially infiltrated.

Erfindungsgemäß wird der Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik durch Infiltration eines porösen grünen oder gebrannten keramischen Formkörpers mit einer Metallschmelze oder durch ein Formgebungsverfahren aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Material und gegebenenfalls Hilfsstoffen mit anschließendem Sinterbrand hergestellt, wobei mindestens ein metallisches und oder keramisches Material aus einem Werkstoff verwendet wird, das zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung im festen Zustand fähig ist.According to the invention Composite of metal and ceramic by infiltration of a porous green or fired ceramic shaped body with a molten metal or by a molding process at least one ceramic and / or metallic material and if necessary excipients with subsequent sintering produced, wherein at least one metallic and or ceramic material a material is used, which leads to a volume change over a Phase transformation in the solid state is capable.

Ein bevorzugtes Verfahren ist das Infiltrationsverfahren, als erzwungene Metallschmelzeinfiltration oder als aktivierte Infiltration über die Zugabe von metallischen und/oder anorganischen Zusätzen oder eine Kombination von beiden. Dazu werden poröse keramische Strukturen, wie z. B. Schaumstrukturen, Wabenstrukturen, Kugelstrukturen, Spaghettistrukturen oder keramische ursprünglich Papierstrukturen erfindungsgemäß mit Metallschmelzen infiltriert. Während der Infiltration und/oder bei der Abkühlung hält der keramische Werkstoff partiell oder voll umgewandelt und über eine Volumenzunahme die metallische Komponente unter Spannungen. Hierbei kann sowohl eine erzwungene Infiltration, eine aktivierte Infiltration z. B. durch die Zugabe von Aktivierungselemente auf der Basis Ni, Ti, Mg, Al, Si oder Kombinationen der beiden zur Anwendung gelangen. Erfindungsgemäß kann diese Verspannung zu einer Umwandlung der metallischen Komponente führen oder die keramische Komponente wird erst während des Einsatzes, z. B. durch einen Schlag, umgewandelt und eine innere Verspannung der metallischen Komponente wird hervorgerufen.One preferred method is the infiltration method, as forced Molten metal infiltration or as activated infiltration over the Addition of metallic and / or inorganic additives or a combination of both. These are porous ceramic structures, such as z. B. foam structures, honeycomb structures, spherical structures, spaghetti structures or ceramic originally Paper structures according to the invention with metal melts infiltrated. While the infiltration and / or during cooling keeps the ceramic material partially or fully converted and over a volume increase the metallic component under tension. This can be both a forced infiltration, an activated infiltration z. B. by the addition of activating elements based on Ni, Ti, Mg, Al, Si or combinations of the two are used. According to the invention this Lead to a transformation of the metallic component or the ceramic component is first during use, for. B. by a blow, transformed and an inner tension of the metallic component is caused.

Schließlich können auch Granulathaufen auf keramischer Basis zur Infiltration beitragen. Der Granulathaufen kann schon vorher vorgesintert sein oder eine partielle Sinterung findet während der Infiltration der Metallschmelze statt.Finally, too Granules on a ceramic basis contribute to infiltration. The Granulathaufen may already be pre-sintered or one partial sintering takes place during the infiltration of the molten metal.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes führt über die bildsame Formgebung und einem anschließendem Sinterbrand. Dazu werden keramisches und metallisches Pulver oder Granulat gemischt. Über ein Formgebungsverfahren unter Zugabe von weiteren Additiven wird bei Raumtemperatur oder bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes ein Halbzeug geformt und mit einem anschließenden Brand bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes der Verbundwerkstoff mit seinen Endeigenschaften hergestellt.One preferred method for producing the composite material according to the invention leads over the figurative Shaping and a subsequent Sinter firing. These are ceramic and metallic powder or Granules mixed. about a molding process with the addition of other additives at room temperature or at temperatures less than the melting point of the metallic material, a semi-finished molded and with a subsequent Fire at temperatures less than the melting point of the metallic Material of the composite material produced with its final properties.

Mit Hilfe von Plastifikatoren und weiteren Zusätzen werden metallische und/oder keramische Pulver oder Granulate bei Temperaturen kleiner 100°C zu einer bildsamen, knetbaren Masse auf wässriger Basis aufbereitet, die mittels Extrusion zu Grünkörpern geformt werden. Die temporären Hilfsstoffe der Grünkörper werden bei einer nachgeschalteten Wärmebehandlung bei Temperaturen ausgebrannt. Daran anschließend erfolgt ein Sinterbrand mit oder ohne Druck der Grünkörper bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes.With Help of plasticizers and other additives are metallic and / or ceramic powders or granules at temperatures below 100 ° C to a plastic, malleable mass on aqueous Base processed, which are formed by extrusion to green bodies. The temporary adjuvants the green body become at a subsequent heat treatment Burned out at temperatures. This is followed by a sintering fire with or without pressure of the green body Temperatures less than the melting point of the metallic material.

Besonders bevorzugt wird die Herstellung eines Wabenkörpers. Dazu werden Plastifikatoren und weitere Zusätze den metallischen und keramischen Pulvern bei Temperaturen kleiner 100°C zugegeben und das Gemisch wird in einer bildsamen, knetbaren Masse auf wässriger Basis in einem Kneter aufbereitet. Anschließend folgt mittels Extrusion die Wabenkörperfertigung. Nach der Extrusion werden die temporären Hilfsstoffe mit einer nachgeschalteten Wärmebehandlung ausgebrannt und anschließend mittels Sinterbrandes mit oder ohne Druck erreicht der Verbundwerkstoff – Körper seine mechanischen, thermischen und chemischen End-Eigenschaften. Erfindungsgemäß werden zu Erhöhung der mechanischen Eigenschaften phasenumwandlungsfähige metallische und phasenumwandlungsfähige keramische eingesetzt, so dass mindestens eine der Werkstoffkomponenten eine Volumenänderung über eine Phasenumwandlung während der Herstellung und/oder bei nachträglicher mechanischer und/oder thermischer und/oder chemischer Behandlung und/oder im Anwendungsfall erfährt, und schließlich zu den verbesserten mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoff- Körpers führt.Especially the preparation of a honeycomb body is preferred. These are plasticizers and other additives the metallic and ceramic powders at temperatures smaller 100 ° C was added and the mixture is washed in a viscous, kneadable mass on aqueous Base processed in a kneader. Then follows by extrusion the honeycomb production. After extrusion, the temporary adjuvants are followed by a heat treatment burned out and then By sintering with or without pressure the composite body reaches its mechanical, thermal and chemical end properties. According to the invention to increase the mechanical properties of phase transformable metallic and phase transformable ceramic used so that at least one of the material components a volume change over one Phase transformation during the production and / or subsequent mechanical and / or thermal and / or chemical treatment and / or in the application learns and finally to the improved mechanical properties of the composite body leads.

Erfindungsgemäß dienen als weitere Zusätze für die bildsame Formgebung Mehl oder Grieß oder Cellulose oder Verflüssiger oder Netzmittel oder Kombinationen davon.Serve according to the invention as further additives for the plastic molding flour or semolina or cellulose or plasticizer or Wetting agents or combinations thereof.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes besteht darin, dass über ein Foliengiessverfahren bei Temperaturen kleiner 100°C Grünfolien aus keramischen und metallischen Pulvern und gegebenenfalls Hilfsstoffen erzeugt und dass anschließend ein Sinterbrand bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes der Grünfolie mit oder ohne Druck erfolgt.A further embodiment of the method for producing the composite material according to the invention is that generated at temperatures below 100 ° C green films of ceramic and metallic powders and optionally excipients and then that a sintering at temperatures lower than the melting point of the metallic material of the green sheet with or done without pressure.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes besteht darin, dass metallische und keramische Pulver oder Granulate und gegebenenfalls Hilfsstoffen gepresst und dass anschließend ein Sinterbrand bei Temperaturen kleiner als der Schmelzpunkt des metallischen Werkstoffes des Preßkörpers erfolgt.A further embodiment of the method for producing the composite material according to the invention is that metallic and ceramic powder or granules and optionally excipients pressed and that subsequently a Sintered firing at temperatures less than the melting point of the metallic Material of the compact occurs.

Als Keramiken werden Zirkondioxide, zirkondioxidhaltige Werkstoffe, Quarz und Quarzhaltige Werkstoffe, Aluminiumtitanate, Bariumtitanate oder weitere Perowskitkeramiken als auch Spinellkeramiken verwendet.When Ceramics become zirconium dioxides, zirconia-containing materials, Quartz and quartz-containing materials, aluminum titanates, barium titanates or other perovskite ceramics and spinel ceramics.

Als metallische Werkstoffe des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes werden Eisen, Stahl oder deren Legierungen oder Mg, Al, Ni, Ti oder Cu oder deren Legierungen oder Refraktärmetalle oder Edelmetalle oder deren Legierungen verwendet. Als Metallische Werkstoffe, die zu einer zu einer Volumenänderung über eine Phasenumwandlung fähig sind, werden TRIP (transformation induced plasticity)- oder TWIP (twinning induced plasticity)- Metalle oder -Metalllegierungen verwendet. Besipiel für ein TRIP-Stahl sind z. B. metastabile austenistische Stähle vom Typ X5CrNi 18.10.When metallic materials of the composite material according to the invention are Iron, steel or their alloys or Mg, Al, Ni, Ti or Cu or their alloys or refractory metals or precious metals or their alloys used. As metallic materials that too one to a volume change over one Phase transformation capable are TRIP (transformation induced plasticity) - or TWIP (twinning induced plasticity) - metals or metal alloys used. Examples of a TRIP steel z. B. metastable austenitic steels Type X5CrNi 18.10.

Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine exzellente Festigkeit und Zähigkeit bei gleichzeitig großen Energieaufnahme vermögen und reduzierter Dichte aus und eignen sich insbesondere für crashbeanspruchte Bauteile und versteifende Strukturkomponenten, Fahrwerkbauteile, Verschleiß- und Festigkeitskomponenten.The Composite materials according to the invention characterized by excellent strength and toughness at the same time big Energy absorption and reduced density and are particularly suitable for crash-impacted Components and stiffening structural components, chassis components, Wear and tear Strength components.

Anhand beigefügter Abbildungen und Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:Based enclosed Illustrations and embodiments the invention will be closer explained. Showing:

1 Keramische Schaumstruktur 1 Ceramic foam structure

2 Spaghettistruktur 2 spaghetti structure

3 Keramische Wabenkörperstruktur 3 Ceramic honeycomb body structure

4 Keramischer Granulathaufen 4 Ceramic granule heap

Ausführungsbeispiel 1embodiment 1

Durch Infiltration einer mit 3.5 Gew.% MgO teilstabilisierten Zirkondioxidschaumkeramik (1, gebrannt bei 1600°C für 2 h, aktiviert nach dem Brand über Sprühbeschichtung mit 10 Gew.% Ti) mit einem austenitischen CrNi – TRIP-Stahl X5CrNi 18.10 wird erfindungsgemäß das Produkt mit maximaler Dehnung und Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes von ca. 38.000 MPa% auf 45.000 MPa% angehoben. Die Keramik besteht vor der Metallschmelzeinfiltration aus 10 Vol.% monoklinem Phasenanteil, 45 Vol.% tetragonalem Phasenanteil und 45 Vol.% kubischem Anteil. Nach der Metallschmelzeinfiltration besitzt der Verbundwerkstoff bei Raumtemperatur einen erhöhten monoklinen Anteil, der bei ca. 55 Vol.% vorliegt. Über die Phasenumwandlung der Keramik wurde die Metallmatrix verspannt. Als Formgebungsverfahren diente eine gewöhnliche Schmelzeinfiltration der Schuamkeramik bei 1630°C in einem Induktionsofen unter Schutzgasatmosphäre.By infiltration of a 3.5 wt.% MgO partially stabilized zirconia foam ceramic ( 1 , fired at 1600 ° C. for 2 h, activated after firing by spray coating with 10% by weight of Ti) with an austenitic CrNi-TRIP steel X5CrNi 18.10, according to the invention the product with maximum elongation and tensile strength of the composite of about 38,000 MPa% raised to 45,000 MPa%. The ceramic prior to molten metal infiltration consists of 10 vol.% Monoclinic phase fraction, 45 vol.% Tetragonal phase fraction and 45 vol.% Cubic moiety. After molten metal infiltration, the composite has an increased monoclinic content at room temperature, which is about 55% by volume. About the phase transformation of the ceramic, the metal matrix was braced. The molding process used was an ordinary melt infiltration of the shoemaking ceramic at 1630 ° C. in an induction furnace under a protective gas atmosphere.

Entsprechend Ausführungsbeispiel 1 können auch die in 2 bis 4 dargestellten Spaghettistrukturen, Wabenkörper oder Granulate mit einer Metallschmelze infiltriert werden. Dabei führt die keramische Phasenumwandlung vor oder während der Anwendung in Kombination mit der Makrogeometrie der Keramik zu der gewünschten Verspannung der Metallmatrix.According to Embodiment 1, the in 2 to 4 spaghetti structures, honeycombs or granules are infiltrated with a molten metal. The ceramic phase transformation leads to the desired strain of the metal matrix before or during use in combination with the macrogeometry of the ceramic.

Ausführungsbeispiel 2 Wabenkörperembodiment 2 honeycomb bodies

Nachfolgende Tabelle beinhaltet eine Mischung für die Herstellung eines Wabenkörpers auf der Basis umwandlungsfähiger Stahl und Zirkondioxidkeramik: Rohstoff Hersteller Gew.% Zirkondioxid (3.5 Gew.% MgO teilstabilisiert) Unitec 9 Metastb. TRIP Stahl X5CrNi 18.10 78 Casterment FS 10 Degussa 1,11 Tensid Henkel 1,62 Prolat K86 Z&S 8,12 Culminal 6000 PR Aqualon 2,15 100% The following table contains a mixture for the production of a honeycomb body based on convertible steel and zirconium dioxide ceramic: raw material Manufacturer Wt.% Zirconium dioxide (3.5% by weight of MgO partially stabilized) Unitec 9 Metastb. TRIP steel X5CrNi 18.10 78 Casterment FS 10 Degussa 1.11 surfactant handle 1.62 Prolat K86 Z & S 8.12 Culminal 6000 PR Aqualon 2.15 100%

Die Korngröße der Keramik liegt zwischen 1 bis 7 μm und beim Stahl zwischen 40 bis 70 μm. Die bildsame Masse wird in einem Kneter mit ca. 18 Gew.% Wasser bei Raumtemperatur aufbereitet und anschließend in einem Extruder bei Raumtemperatur über ein Mundstück mit 300 cpsi (channels per square inch) gepresst. Der grüne Wabenkörper wird bei 350°C in oxidischer Atmosphäre entbindert und anschließend in Argon bei 1300°C für 30 min gebrannt. In 3 wird die Wabenkörpergeometrie vor und nach dem Brand dargestellt. Bei einem Gewichtsersparnis von ca. 70% wird erfindungsgemäß das Produkt aus maximaler Dehnung und Zugfestigkeit des Verbundwerkstoff- Wabenkörpers von ca. 35.000 MPa% auf 40.000 MPa% angehoben.The grain size of the ceramic is between 1 to 7 microns and steel between 40 to 70 microns. The plastic mass is treated in a kneader with about 18 wt.% Water at room temperature and then pressed in an extruder at room temperature through a mouthpiece with 300 cpsi (channels per square inch). The green honeycomb body is debindered at 350 ° C in oxidic atmosphere and then fired in argon at 1300 ° C for 30 min. In 3 the honeycomb geometry is displayed before and after the fire. With a weight saving of about 70%, according to the invention, the product of maximum elongation and tensile strength of the composite honeycomb body is raised from about 35,000 MPa% to 40,000 MPa%.

Claims

Composite material of metal and ceramic, consisting of at least one metallic and at least one ceramic material, characterized in that at least one metallic and / or ceramic material consists of a material which is capable of a volume change via a phase transformation in the solid state.

Composite material according to claim 1, characterized that at least one metallic and at least one ceramic Material consist of a material that causes a change in volume over a Phase transformation in the solid state and that in the composite material by volume change of ceramic material, the phase transformation of the metallic material generated and / or reinforced in the composite material.

Composite material according to claim 1 or 2, characterized characterized in that it by infiltration with a metallic Melt of a green or fired ceramic molding is available.

Composite material according to claim 1 or 2, characterized characterized in that it is formed by molding a mass at least one ceramic and / or metallic powder or granules and adjuvants and then Sintered firing available is.

Composite material according to claim 1 or 2, characterized in that it is cast by casting or by slip casting a casting Mass of at least one ceramic and / or metallic powder or granules and auxiliaries and subsequent sintering fire is available.

Composite material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic material in the composite material as a porous one moldings is present.

Composite material according to one of claims 1 to 5, characterized in that the composite material is a foam, Honeycomb, ball spaghetti or paper structure has.

Composite material according to claim 1 or 2, characterized characterized in that it is formed by molding a mass of at least a ceramic and / or metallic powder and optionally Auxiliaries and then Sintered firing available is.

Composite material according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ceramic material is selected made of zirconia-containing materials, quartz or quartz-containing materials, Aluminum titanates. Barium titanates. Perovskite or spinel ceramics.

Composite material according to one of claims 1 to 9, characterized in that the metallic material is selected of iron, steel or their alloys or Mg, Al, Ni, Ti or Cu or their alloys or refractory metals or precious metals or their alloys.

Composite material according to one of claims 1 to 9, characterized in that the metallic material is a TRIP and / or TWIP metal or a metal alloy.

Method for producing a composite material made of metal and ceramic by infiltration of a porous green or fired ceramic shaped body with a molten metal or by a molding process at least one ceramic and / or metallic material with followed by Sintering fire, characterized in that at least one metallic and or ceramic component is made of a material, the to a volume change over one Phase transformation in the solid state is capable.

Method according to claim 12, characterized in that that a forced molten metal infiltration or over the Addition of metallic and / or inorganic additives activated infiltration or a combination of both is performed.

Method according to claim 12, characterized in that that with the help of plasticizers and other additives metallic and / or ceramic powders or granules at temperatures less 100 ° C too a viscous, kneadable mass is treated on an aqueous basis, formed by extrusion into green bodies be that temporary Excipients of the green body with burned out a downstream heat treatment and that afterwards a sintering fire takes place with or without pressure of the green body.

Method according to claim 14, characterized in that that as more additions for the plastic molding flour or semolina or cellulose or plasticizer or Wetting agents or combinations thereof may be added.

Method according to claim 12, characterized in that that over a film casting process at temperatures below 100 ° C green films produced from ceramic and metallic powders and optionally excipients and that afterwards a sintering fire of the green sheet with or without pressure.

Method according to claim 12, characterized in that that metallic and ceramic powders or granules and optionally Pressed auxiliaries and then carried out a sintering fire of the compact.

Method according to one of claims 13 to 19, characterized that as ceramics, zirconium dioxides, zirconia-containing materials, Quartz and quartz-containing materials, aluminum titanates, barium titanates, Perovskite ceramics or spinel ceramics. be used.

Method according to one of claims 13 to 19, characterized that as metallic materials iron, steel or their alloys or Mg, Al, Ni, Ti or Cu or their alloys or refractory metals or precious metals or their alloys.

Method according to one of claims 13 to 20, characterized that as metallic material a TRIP and / or TWIP metal or a TRIP and / or TWIP metal alloy is used.

Use of a composite material according to claim 1 to 11 for crash-stressed components and stiffening structural components, chassis components, wear and strength components.