DE102008054561A1 - Process for producing preforms for metal-matrix composites - Google Patents

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Abstract

Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wird die Preformtechnik bevorzugt. Die Preform muss für die Infiltration mit dem flüssigen Metall eine hohe Festigkeit und die erforderliche Porosität aufweisen. Die Erfindung besteht darin, dass durch eine entsprechende Auswahl der Größe und Art der Fasern und/oder der Teilchen der Sekundärphase und/oder der Ausbildung einer speziellen Porenstruktur die Eigenschaften der Preform verbessert werden. Insbesondere wird durch Einsatz einer zusätzlichen Sekundärphase im nanoskaligen Bereich die Festigkeit der Preform erhöht bzw. kann die Temperatur zur Verfestigung der Preform gesenkt werden.For the production of composite materials, the preforming technique is preferred. The preform must have a high strength and required porosity for infiltration with the liquid metal. The invention consists in that the properties of the preform are improved by an appropriate selection of the size and type of the fibers and / or of the particles of the secondary phase and / or the formation of a special pore structure. In particular, by using an additional secondary phase in the nanoscale range, the strength of the preform is increased or the temperature for solidifying the preform can be lowered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Preforms für Metal-Matrix-Composites.The The invention relates to a process for the production of preforms for metal-matrix composites.

Als Metall-Matrix-Verbundwerkstoff, Metal-Matrix-Composite (MMC), wird ein Verbund einer Metallmatrix mit einer oder mehreren eingelagerten Sekundärphasen bezeichnet. Im strengen Sinn zählen zu den MMCs nur Verbundwerkstoffe mit einem Metallanteil ≥ 50 Vol%. Verbundwerkstoffe mit geringeren Metallanteilen werden beispielsweise als Keramik-Matrix-Verbundwerkstoff, Ceramic-Matrix-Composite (CMC), bezeichnet. Diese Unterscheidung wird aber im allgemeinen nicht immer konsequent durchgeführt.When Metal-matrix composite, metal matrix composite (MMC), is a composite of a metal matrix with one or more embedded secondary phases designated. Count in the strict sense For the MMCs only composite materials with a metal content ≥ 50 Vol%. For example, composites with lower metal content as a ceramic-matrix composite, Ceramic matrix composite (CMC), designated. This distinction but is not always carried out consistently.

Die Preform soll für die Infiltration mit dem flüssigen Metall eine hohe Festigkeit aufweisen. Als Sekundärphase werden im Folgenden alle die Teilchen oder Fasern bezeichnet, die eine andere Zusammensetzung haben als die Metallmatrix und in diese eingelagert sind. Entsprechend wird deshalb auch der Begriff Einlagerungsphase verwendet. Nicht gemeint sind hierbei die Ausscheidungsphasen bei Legierungen.The Preform should be for infiltration with the liquid Metal have a high strength. As a secondary phase in the following all the particles or fibers denoted, the one have different composition than the metal matrix and embedded in this are. Accordingly, the term storage phase is accordingly used. Not meant here are the elimination phases at Alloys.

Als Metallmatrix kommen prinzipiell alle Metalle in Frage, insbesondere aber solche aus der Gruppe der sogenannten Leichtmetalle wie beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Titan. Mit diesen Leichtmetallen können gegenüber den herkömmlichen Konstruktionswerkstoffen wie beispielsweise Gusseisen oder Stahl deutliche Gewichtsvorteile erreicht werden, wobei die eventuell auftretenden Nachteile bezüglich mechanischer, tribologischer oder thermischer Eigenschaften durch homogene Einlagerung weiterer Phasen in die Metallmatrix teilweise oder vollständig kompensiert werden können.When Metal matrix are in principle all metals in question, in particular but those from the group of so-called light metals such as Aluminum, magnesium or titanium. With these light metals can be compared to the usual Construction materials such as cast iron or steel clear Weight advantages are achieved, with the possibly occurring Disadvantages regarding mechanical, tribological or thermal properties homogeneous incorporation of further phases into the metal matrix partially or completely can be compensated.

Als Einlagerungsphasen sind Elemente und Verbindungen möglich, die auf Grund ihrer Werkstoffkenngrößen dazu geeignet sind, einzelne Eigenschaften der Metallmatrix zu verbessern. Dies kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften sein wie beispielsweise der Festigkeit, der Tribologie, der Verschleißbeständigkeit oder des E-Moduls. In anderen Fällen kann eine Verbesserung der thermischen Eigenschaften wie beispielsweise eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit oder Erniedrigung der thermischen Ausdehnung erreicht werden. Weiterhin haben Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer Zusammensetzung positive akustische Eigenschaften bezüglich der Verminderung von Schallerzeugung und der Leitung des Schalls.When Storage phases are elements and compounds that are possible due to their material characteristics are suitable for improving individual properties of the metal matrix. This can be an improvement of the mechanical properties such as strength, tribology, wear resistance or the modulus of elasticity. In other cases can improve the thermal properties such as an increase the thermal conductivity or lowering the thermal expansion can be achieved. Farther Composite materials have positive characteristics due to their composition acoustic properties regarding the reduction of sound production and the conduction of sound.

Die homogene Verteilung der Sekundärphasen in der Metallmatrix kann entweder durch in-situ-Bildung während des Herstellprozesses erfolgen, durch Zumischen der Sekundärphase zum schmelzflüssigen Metall oder durch die Infiltration eines porösen Formkörpers, einer sogenannten Preform, die aus der Sekundärphase besteht, mit der Metallschmelze. Die Einlagerungsphasen können als Teilchen, als Fasern oder als Mischung beider in der Preform und/oder später im Verbund vorliegen.The homogeneous distribution of the secondary phases in the metal matrix can either be formed by in situ formation during the Manufacturing process done by mixing the secondary phase to molten metal or by the infiltration of a porous shaped body, a so-called preform, those from the secondary phase exists with the molten metal. The storage phases can be described as Particles, as fibers or as a mixture of both in the preform and / or later present in the network.

Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wird aufgrund folgender Vorteile die Preformtechnik bevorzugt:
Das Formgebungsverfahren der Preform ist unabhängig von der Formgebung des Bauteils.
For the production of composite materials, the preforming technique is preferred due to the following advantages:
The molding process of the preform is independent of the shape of the component.

Die Formgebung der Preform erfolgt nach gängigen pulvertechnologischen Verfahren wie beispielsweise axiales Pressen, isostatisches Pressen, Schlickerguss, Filtrationsguss, Extrudieren.The Forming of the preform is carried out according to common powder technology Methods such as axial pressing, isostatic pressing, Slip casting, filtration casting, extrusion.

Es ist eine konturnahe Formgebung des Verbundwerkstoffes möglich.It it is possible to shape the composite material close to the contours.

Eine lokale Begrenzung des Verbundwerkstoffs auf die Funktionsbereiche des Werkstücks ist möglich.A local limitation of the composite to the functional areas of the workpiece is possible.

Es entsteht eine monolithische Verbindung eines lokalen Verbundwerkstoffs mit dem übrigen Bauteil.It creates a monolithic connection of a local composite material with the rest Component.

Die Kombinationen verschiedener Verbundwerkstoffe in einem Bauteil ist möglich.The Combinations of different composite materials in a component is possible.

Bei Bedarf besteht die Möglichkeit der anisotropen Orientierung der Sekundärphase im Verbund, wodurch insbesondere bei dem Einsatz von Fasern die Bauteileigenschaften gezielt beeinflusst werden können.at Need exists the possibility the anisotropic orientation of the secondary phase in the composite, whereby especially in the use of fibers, the component properties can be specifically influenced.

Die Herstellung von Gradientenwerkstoffen ist möglich.The Production of gradient materials is possible.

Die Zusammensetzung eines Preformwerkstoffs ist reproduzierbar.The Composition of a preform material is reproducible.

Zur Porosierung der Preform können temporäre Füllstoffe eingesetzt werden, das heißt Stoffe, die durch einen thermischen, chemischen oder physikalischen Prozessschritt wieder aus der Preform entfernt werden. Dabei entsteht eine Porenstruktur, die bezüglich Anteil, Größenverteilung und Form dem Porosierungsmittel entspricht. Als Porosierungsmittel werden beispielsweise natürliche oder synthetische organische Pulver eingesetzt. Es können für bestimmte Anwendungsfälle auch Fasern eingesetzt werden.To preform porosity temporary fillers can be used, that is, substances that be removed from the preform again by a thermal, chemical or physical process step. This results in a pore structure which corresponds in terms of proportion, size distribution and shape of the porosity agent. Porosizing agents used are, for example, natural or synthetic organic powders. It can be used for certain applications and fibers.

Bei der Formgebung der Preforms kann es durch Entmischungsvorgänge, Agglomerationen oder Sedimentationen, zu einer inhomogenen Verteilung der Teilchen in der Preform kommen. Eine solche Entmischung tritt insbesondere bei Teilchen im Nanometerbereich auf. Weiterhin können die Formgebungsverfahren häufig zu lokal unterschiedlicher Verdichtung und damit zu Dichtegradienten führen.at The shaping of the preforms can be done by demixing processes, agglomerations or sedimentation, to an inhomogeneous distribution of the particles come in the preform. Such segregation occurs in particular for particles in the nanometer range. Furthermore, the Shaping process frequently to locally different compression and thus to density gradients to lead.

Die Verarbeitung von nanoskaligen Pulvern ist in der wässrigen Phase als Dispersion nur in starker Verdünnung und mit Dispergierhilfsmitteln möglich, da es sonst zu Agglomeration der Teilchen kommt, wodurch die gewünschten Eigenschaften verloren gehen.The Processing of nanoscale powders is in the aqueous Phase as dispersion only in high dilution and with dispersing aids possible, otherwise agglomeration of the particles will occur, causing the desired Properties are lost.

Bei der Verarbeitung von Nanoteilchen als Pulver kommt es neben Problemen beim Handling ebenfalls zu Agglomerationen, und als Folge davon beispielsweise zu Eigenschaftsverschlechterungen durch Gefügefehler im Verbund.at The processing of nanoparticles as a powder comes next to problems during handling also to agglomerations, and as a result For example, property deterioration due to structural defects networked.

Zum Formgebungsprozess gehört eine Verfestigung der Preform, was bei keramischen Hartstoffen als Sekundärphase in der Regel durch einen Sinterprozess erfolgt. Um eine für das Handling und die Infiltration ausreichende Preformfestigkeit zu erreichen, müssen je nach verwendetem Hartstoff die Temperaturen so hoch gewählt werden, dass es bereits zu einer Vergröberung der Hartstoffteilchen kommt. Dadurch wird beispielsweise die verstärkende Wirkung verringert. Außerdem entsteht ein starres Keramikgerüst, wodurch die Duktilität des Verbundmaterials reduziert wird.To the Forming process heard a solidification of the preform, which in ceramic hard materials as a secondary phase in usually done by a sintering process. One for the handling and the infiltration to achieve sufficient preform strength, have to depending on the used hard material the temperatures are chosen so high, that it is already becoming a coarsening the hard particles come. This, for example, the reinforcing effect reduced. Furthermore creates a rigid ceramic framework, causing the ductility of the composite material is reduced.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, durch eine entsprechende Wahl der Größe und Art der Fasern und/oder der Teilchen der Sekundärphasen und der Porosierungsmittel die Eigenschaften der Preforms zu verbessern.It The object of the invention, by an appropriate choice of Size and style the fibers and / or the particles of the secondary phases and the porosity agent to improve the properties of the preforms.

Die Verfestigung der Preform nach dem Formgebungsprozess durch eine Temperaturbehandlung erfolgt bei vielen Hartstoffen durch Ausbildung von Brücken zwischen den Partikeln. Dies geschieht zunächst dort, wo sich Teilchen bereits berühren.The Solidification of the preform after the molding process by a Temperature treatment occurs in many hard materials by training of bridges between the particles. This happens first where there are particles already touch.

Die Teilchengröße der Teilchen, die als Sekundärphase zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes verwendet werden, üben in vorteilhafter Weise Einfluss auf die Verbundeigenschaften aus. Durch Zusatz von Teilchen mit Größenordnungen im Nanometerbereich von 1 bis 500 Nanometern, auch als Nanoteilchen oder Nanopartikel bezeichnet, kann die Anzahl der Berührpunkte der Teilchen deutlich gesteigert werden. Außerdem sind die Nanoteilchen wegen ihrer geringen Größe reaktiver, so dass die Ausbildung der Brücken bereits bei niedrigeren Temperaturen erfolgt. Durch die hohe Zahl der Kontaktstellen bilden sich dünnere Brücken. Dadurch steigert sich die Duktilität und die Dehnfähigkeit des Verbundmaterials. Die Nanoteilchen wirken als so genannter anorganischer Binder zwischen den gröberen Teilchen.The Particle size of the particles, as the secondary phase used for the production of a composite, practice in an advantageous manner Influence the composite properties. By adding Particles of orders of magnitude in the nanometer range from 1 to 500 nanometers, also as nanoparticles or nanoparticles, the number of points of contact the particles are significantly increased. In addition, the nanoparticles more reactive because of their small size, so that the training of the bridges already at lower temperatures. Due to the high number the contact points are thinner Bridges. This increases the ductility and the elasticity of the composite material. The nanoparticles act as so-called inorganic Binder between the coarser ones Particles.

Voraussetzung ist, dass die Teilchen als separate, nicht agglomerierte Teilchen vorliegen. Der Einfluss der Nanoteilchen beginnt bereits ab einem Anteil von etwa 1 Gewichtsprozent in der gesinterten Preform. Mit steigendem Anteil der Nanoteilchen steigt auch die Preformfestigkeit und desto geringer kann die erforderliche Temperatur zur Verfestigung sein. Je nach Anteil der nanoskaligen Teilchen liegt die Sintertemperatur zwischen 600°C und 1500°C.requirement is that the particles as separate, not agglomerated particles available. The influence of the nanoparticles starts from one Proportion of about 1 weight percent in the sintered preform. With rising Proportion of nanoparticles also increases the preform strength and the more lower may be the required temperature for solidification. Depending on the proportion of nanoscale particles is the sintering temperature between 600 ° C and 1500 ° C.

Ein optimaler Anteil an einer Sekundärphase im nanoskaligen Bereich in der gesinterten Preform liegt im Bereich zwischen etwa 1 Gewichtsprozent und 20 Gewichtsprozent. In diesem Bereich ist die Gefahr, dass die nanoskaligen Teilchen während der Mischung der Ausgangswerkstoffe agglomerieren, noch nicht so groß wie bei höheren Anteilen oder gar Preforms, die ausschließlich aus Sekundärphasen-Pulvern im nanoskaligen Bereich hergestellt werden.One optimal proportion of a secondary phase in the nano-scale range in the sintered preform is in the range between about 1 weight percent and 20 weight percent. In this Range is the risk that the nanoscale particles during the Mixture of the starting materials agglomerate, not as big as at higher Shares or even preforms made exclusively from secondary phase powders be manufactured in the nanoscale range.

Um bei einem hohen Anteil von nanoskaligen Teilchen ihre positiven Wirkungen zu erhalten und eine Agglomeration zu verhindern, ist eine definierte Ablagerung von Nanoteilchen auf andere als Träger fungierende Teilchen, weitere Sekundärphasen oder Porosierungsmittel erforderlich. Dann ist die Verarbeitung sogar als Pulver möglich, ohne dass es zu ungewollten Agglomerationen kommt.Around with a high proportion of nanoscale particles their positive To obtain effects and to prevent agglomeration is a defined deposition of nanoparticles on other carriers Particles, further secondary phases or porosifying agent required. Then the processing even as a powder, without causing unwanted agglomeration.

Zur Vermeidung von Entmischungsvorgängen innerhalb der Sekundärphase sowie zwischen Sekundärphase und Porosierungsmittel können die Nanoteilchen der Sekundärphase entweder direkt auf dem Porosierungsmittel abgeschieden oder in der Preform gebildet werden, beispielsweise über einen Sol-Gel-Prozess. Das führt direkt zu einer Preform, die Nanoteilchen enthält.To avoid segregation processes within the secondary phase and between seconds därphase and porosity, the nanoparticles of the secondary phase can either be deposited directly on the porosity agent or formed in the preform, for example via a sol-gel process. This leads directly to a preform containing nanoparticles.

Weiterhin lassen sich vorbehandelte Nanoteilchen sowohl auf anderen Sekundärteilchen als auch auf oder in dem Porosierungsmittel fixieren. Hierzu ist beispielsweise die Sprühgranulation über einen Atomizer geeignet oder ein Verfahren zur Trockenmischung und/oder Aufbaugranulation, beispielsweise mittels Granuliertrommel, Wirbelschicht und ähnlichem. Durch geeignete Wahl der Abfolge der Komponentenzugabe und Hilfsstoffe sowie der thermischen und mechanischen Randbedingungen wird ein Granulat erhalten, das sich mit üblichen trockenen Formgebungsverfahren verarbeiten lässt.Farther Pre-treated nanoparticles can be deposited on other secondary particles as well as fix on or in the porosity agent. This is for example, the spray granulation over a Atomizer suitable or a method for dry mixing and / or Build-up granulation, for example by means of granulating, fluidized bed and the like. By appropriate choice of the sequence of component addition and auxiliaries as well as the thermal and mechanical boundary conditions becomes one Get granules that are familiar with usual process dry molding process.

Die Porenstruktur entsteht zum einen aus temporären organischen Porosierungsmitteln, die während eines speziellen Prozessschrittes aus der Preform entfernt werden und dabei bezüglich Menge, Größe und Form entsprechende Poren hinterlassen. Zum anderen werden durch den Formgebungsprozess über das verarbeitete Granulat Poren in die Preform eingebracht.The Pore structure arises on the one hand from temporary organic porosity agents, during a special process step can be removed from the preform and with respect to Quantity, size and shape leave corresponding pores. On the other hand, by the shaping process over the processed granules pores introduced into the preform.

Entsprechend der Erfindung werden die Porosierungsmittel und die anorganischen Basisstoffe bei der Herstellung des Granulats so aufeinander abgestimmt, dass die gewünschte multimodale Porenstruktur entsteht. Es ist vorteilhaft, als Porosierungsmittel eine Mischung verschiedener Stoffe mit unterschiedlicher Größenverteilung, Form und Struktur zu verwenden. Geeignet sind natürliche organische Stoffe wie beispielsweise Stärken, Cellulose und andere pflanzliche Stoffe mit Teilchengrößen zwischen 1 und 500 Mikrometern. Aber auch synthetische Stoffe wie beispielsweise Wachse und andere Polymere mit passender Struktur sind geeignet.Corresponding The invention relates to the porosity and the inorganic Base materials in the production of the granules so coordinated, that the desired multimodal pore structure arises. It is beneficial as a porosity agent a mixture of different substances with different size distribution, To use shape and structure. Suitable are natural organic Substances such as starches, Cellulose and other vegetable substances with particle sizes between 1 and 500 microns. But also synthetic substances such as Waxes and other polymers of suitable structure are suitable.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert:
Es wird ein Ausführungsbeispiel mit einem niedrigen Anteil an nanoskaligen Teilchen vorgestellt. Kolloidales SiO2 im nanoskaligen Bereich fungiert als so genannter anorganischer Binder. Entsprechend der nachfolgenden Zusammensetzung werden die anorganischen und die organischen Basiswerkstoffe miteinander gemischt. Beispiel 1: 42,4 wt% Al2O3, mikroskaliges Pulver 1 bis 3 μm 0,4 wt% kolloidales SiO2, 5 bis 50 nm, als anorganisches Bindemittel 3,8 wt% Cellulosepulver 1,9 wt% Ligninpulver 0,7 wt% Dispergierhilfsmittel 0,8 wt% organisches Bindemittel 50,0 wt% Wasser
Reference to exemplary embodiments, the invention is explained in more detail:
An embodiment with a low proportion of nanoscale particles is presented. Colloidal SiO 2 in the nanoscale area acts as a so-called inorganic binder. According to the following composition, the inorganic and organic base materials are mixed together. Example 1: 42.4 wt% Al 2 O 3 , microscale powder 1 to 3 μm 0.4 wt% colloidal SiO 2 , 5 to 50 nm, as inorganic binder 3.8 wt% cellulose powder 1.9 wt% lignin 0.7 wt% dispersing aid 0.8 wt% organic binder 50.0 wt% water

Das Wasser wurde in einem Behälter vorgelegt und die übrigen Komponenten mit einem schnelllaufenden Rührer homogen darin gelöst beziehungsweise dispergiert. Anschließend wurde der Schlicker über einen Atomizer zu einem Granulat sprühgetrocknet.The Water was in a container submitted and the rest Components with a high-speed stirrer dissolved homogeneously therein or dispersed. Subsequently the slip was over spray-dried an atomizer to a granulate.

Zur Formgebung wurden 6000 g des Granulats in einer Form mit den Maßen 400 mm × 250 mm bei 100 MPa axial verpresst werden. Es entstand eine Platte der obengenannten Abmessung mit einer Höhe von etwa 30 mm und einer Dichte von 1,88 g/cm3.For shaping, 6000 g of the granules were pressed axially in a mold measuring 400 mm × 250 mm at 100 MPa. The result was a plate of the above dimension with a height of about 30 mm and a density of 1.88 g / cm 3 .

Anschließend erfolgte das Ausheizen des Binders und der Porosierungsmittel und das Verfestigen bis zu einer Temperatur von 1400°C bei einer Haltezeit von 0,5 bis 1 Stunde.Then took place annealing the binder and the porosifying agent and solidifying up to a temperature of 1400 ° C at a holding time of 0.5 to 1 hour.

Der Anteil des so genannten anorganischen Bindemittels, bezogen auf die anorganischen Komponenten der Preform, betrug nach dem Sintern etwa 1 wt%.Of the Proportion of the so-called inorganic binder, based on the inorganic components of the preform, was after sintering about 1 wt%.

In der nachfolgenden Tabelle sind die wesentlichen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Preform aus Beispiel 1 zusammengestellt. Anorganische Basis Al2O3 Eigenschaft Anteil Einheit Korngröße 1–3 μm Keramikanteil 40–50 v% Dichte 1,6–1,7 g/cm3 Porositätsanteil gesamt 50–60 % Porosität < 1 μm 2/10 Anteil von gesamter Porosität Porosität 1–10 μm 6/10 Anteil von gesamter Porosität Porosität 10–100 μm 2/10 Anteil von gesamter Porosität 3P-Biegefestigkeit 8,3 MPa Wärmeausdehnungskoeffizient 7,5 10–6 K–1 spez. Wärmekapazität bei 600°C 0,9 kJkg–1K–1 E-Modul statisch 280 GPa The following table summarizes the essential properties of the preform according to the invention from example 1. Inorganic base Al 2 O 3 property proportion of unit grain size 1-3 microns ceramic content 40-50 v% density 1.6-1.7 g / cm 3 Total porosity 50-60 % Porosity <1 μm 2.10 Proportion of total porosity Porosity 1-10 μm 6.10 Proportion of total porosity Porosity 10-100 μm 2.10 Proportion of total porosity 3P bending strength 8.3 MPa Coefficient of thermal expansion 7.5 10 -6 K -1 spec. Heat capacity at 600 ° C 0.9 kJkg -1 K -1 Modulus of static 280 GPa

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1 kann der Anteil des anorganischen Binders auch durch einen Anteil von bis zu 10 Gewichtsprozent anderer kolloidalen Oxide, zum Beispiel Aluminiumoxid, mit einer Teilchengröße von 10 bis 200 Nanometern ersetzt oder ergänzt werden.at the present embodiment 1, the proportion of the inorganic binder can also by a proportion up to 10% by weight of other colloidal oxides, for example Alumina, with a particle size of 10 to 200 nanometers replaced or supplemented become.

Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist der Anteil der nanoskaligen Teilchen größer. Im Ausführungsbeispiel 2 beträgt er, bezogen auf die anorganischen Komponenten der gesinterten Preform, ca. 5 wt%. Wie bereits dargelegt, sinkt auch entsprechend die erforderliche Sintertemperatur. Beispiel 2: 40,6 wt% Al2O3, mikroskaliges Pulver, 1 bis 3 μm 2,2 wt% Al2O3, nanoskaliges Pulver 10 bis 100 nm als anorganisches Bindemittel 3,8 wt% Cellulosepulver 1,9 wt% Ligninpulver 0,7 wt% Dispergierhilfsmittel 0,8 wt% organisches Bindemittel 50,0 wt% Wasser In the following embodiments, the proportion of nanoscale particles is greater. In the exemplary embodiment 2, it is about 5 wt%, based on the inorganic components of the sintered preform. As already stated, the required sintering temperature also drops correspondingly. Example 2: 40.6 wt% Al 2 O 3 , microscale powder, 1 to 3 μm 2.2 wt% Al 2 O 3 , nanoscale powder 10 to 100 nm as inorganic binder 3.8 wt% cellulose powder 1.9 wt% lignin 0.7 wt% dispersing aid 0.8 wt% organic binder 50.0 wt% water

Das Wasser wurde in einem Behälter vorgelegt und die übrigen Komponenten mit einem schnelllaufenden Rührer homogen darin gelöst beziehungsweise dispergiert. Anschließend wurde der Schlicker über einen Atomizer zu einem Granulat sprühgetrocknet.The Water was in a container submitted and the rest Components with a high-speed stirrer dissolved homogeneously therein or dispersed. Subsequently the slip was over spray-dried an atomizer to a granulate.

Zur Formgebung wurden 6000 g des Granulats in einer Form mit den Maßen 400 mm × 250 mm bei 100 MPa axial verpresst werden. Es entstand eine Platte der obengenannten Abmessung mit einer Höhe von etwa 30 mm und einer Dichte von 1,89 g/cm3.For shaping, 6000 g of the granules were pressed axially in a mold measuring 400 mm × 250 mm at 100 MPa. The result was a plate of the above dimension with a height of about 30 mm and a density of 1.89 g / cm 3 .

Die Platte wurde mit etwa 50 K/h in Luft auf 1250°C aufgeheizt, 1 h bei 1250°C gehalten und danach abgekühlt. Die erhaltene Platte hatte eine Dichte von 1,71 g/cm3, was einer Porosität von etwa 57% entspricht. Die Platte war fest, ließ sich in kleine Teile zersägen. Beispiel 3: 35,6 wt% TiO2, mikroskaliges Pulver, 0,5 bis 2 μm 8,9 wt% TiO2, nanoskaliges Pulver, 5 bis 50 nm, als anorganisches Bindemittel 3,0 wt% Cellulosepulver 1,5 wt% Ligninpulver 0,2 wt% Dispergierhilfsmittel 0,8 wt% organisches Bindemittel 50,0 wt% Wasser The plate was heated at about 50 K / h in air to 1250 ° C, held for 1 h at 1250 ° C and then cooled. The resulting plate had a density of 1.71 g / cm 3 , which corresponds to a porosity of about 57%. The plate was solid, sawed into small pieces. Example 3: 35.6 wt% TiO 2 , microscale powder, 0.5 to 2 μm 8.9 wt% TiO 2 , nanoscale powder, 5 to 50 nm, as inorganic binder 3.0 wt% cellulose powder 1.5 wt% lignin 0.2 wt% dispersing aid 0.8 wt% organic binder 50.0 wt% water

Das Wasser wurde in einem Behälter vorgelegt und die übrigen Komponenten mit einem schnelllaufenden Rührer homogen darin gelöst beziehungsweise dispergiert. Anschließend wurde der Schlicker über einen Atomizer zu einem Granulat sprühgetrocknet.The Water was in a container submitted and the rest Components with a high-speed stirrer dissolved homogeneously therein or dispersed. Subsequently the slip was over spray-dried an atomizer to a granulate.

Zur Formgebung wurden 6000 g des Granulats in einer Form mit den Maßen 400 mm × 250 mm bei 100 MPa axial verpresst werden. Es entstand eine Platte der obengenannten Abmessung mit einer Höhe von etwa 30 mm und einer Dichte von 1,91 g/cm3.For shaping, 6000 g of the granules were pressed axially in a mold measuring 400 mm × 250 mm at 100 MPa. The result was a plate of the above dimension with a height of about 30 mm and a density of 1.91 g / cm 3 .

Die Platte wurde mit etwa 50 K/h in Luft auf 1100°C aufgeheizt, 1 h bei 1100°C gehalten und danach abgekühlt. Die erhaltene Platte hatte eine Dichte von 1,83 g/cm3, was einer Porosität von etwa 57% entspricht. Die Platte war fest, ließ sich in kleine Teile zersägen.The plate was heated at about 50 K / h in air to 1100 ° C, held for 1 h at 1100 ° C and then cooled. The plate had a density of 1.83 g / cm 3, which corresponds to a porosity of about 57%. The plate was solid, sawed into small pieces.

Wie anhand dieser Ausführungsbeispiele deutlich zu erkennen ist, sinkt mit zunehmendem Anteil der nanoskaligen Sekundärphase die Sintertemperatur, um eine Preform mit einer für den infiltrationsprozess erforderlichen Festigkeit erzeugen zu können.As based on these embodiments is clearly visible, decreases with increasing proportion of nanoscale secondary phase the sintering temperature to a preform with a for the infiltration process to produce required strength.

Die Temperaturbehandlung kann stationär als Batch-Verfahren oder kontinuierlich in einem Rollenofen erfolgen.The Temperature treatment may be stationary as a batch process or continuously in a roller oven.

Eine eventuell erforderliche Bearbeitung der gesinterten Preforms kann, vergleichbar wie bei Grünkörpern, durch Fräsen und Bohren erfolgen.A possibly necessary processing of the sintered preforms can, comparable to green bodies, through mill and drilling done.

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung von Preforms für Metal-Matrix-Composites, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Sekundärphasen aus Metallen, Oxiden, Carbiden, Boriden, Nitriden, Siliziden sowie Kombinationen daraus eine Teilchengröße im Bereich von 1 bis 50 μm haben und mindestens eine der Sekundärphasen aus den genannten Werkstoffen eine Teilchengröße von 1 bis 500 Nanometer hat, dass der Anteil der Sekundärphase mit der nanoskaligen Teilchengröße einen Anteil von 1 bis 20 Gewichtsprozent an den gesinterten Preforms hat und dass diese nanoskaligen Teilchen als so genannte anorganische Binder eingesetzt werden.A process for the production of preforms for metal-matrix composites, characterized in that one or more secondary phases of metals, oxides, carbides, borides, nitrides, silicides and combinations thereof have a particle size in the range of 1 to 50 microns and at least one of the secondary phases from the materials mentioned has a particle size of 1 to 500 nanometers, that the proportion of the secondary phase with the nanoscale particle size has a proportion of 1 to 20 weight percent of the sintered preforms and that these nanoscale particles are used as so-called inorganic binder. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärphase aus Teilchen im nanoskaligen Größenbereich aus Aluminiumoxid und/oder Siliziumdioxid besteht.Method according to claim 1, characterized in that that the secondary phase from particles in the nanoscale size range consists of aluminum oxide and / or silicon dioxide. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärphase aus Teilchen im nanoskaligen Größenbereich aus Titandioxid besteht.Method according to claim 1, characterized in that that the secondary phase from particles in the nanoscale size range made of titanium dioxide. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorbehandlung einer oder mehrerer Sekundärphasen mit der Teilchengröße im Bereich von 1 bis 50 μm durch Beschichten der Teilchen mit den nanoskaligen Teilchen mittels eines chemischen oder physikalischen Prozesses erfolgt, vorzugsweise einem Sol-Gel-Prozess.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that is a pretreatment of one or more secondary phases with the particle size in the range from 1 to 50 μm by coating the particles with the nanoscale particles by means of a chemical or physical process takes place, preferably a sol-gel process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Granulatherstellung und Formgebung abgestimmte organische Bindemittel mit abgestimmter unterschiedlicher Löslichkeit verwendet werden wie Polymere, vorzugsweise Polyvinylalkohol.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that for support the granule preparation and shaping coordinated organic binder be used with coordinated different solubility such as polymers, preferably polyvinyl alcohol. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass organische temporäre Porosierungsmittel verwendet werden wie Stärken, Cellulose, Polymere.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that organic temporary Porosifying agents are used such as starches, cellulose, polymers. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Porosierungsmittel mit einer Teilchengröße von 1 μm bis zu 500 μm zugegeben werden.Method according to Claim 6, characterized that porosity agent having a particle size of 1 micron up to 500 microns added become. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei in Größe und Morphologie unterschiedliche Porosierungsmittel kombiniert werden.Method according to one of claims 6 or 7, characterized that at least two in size and morphology different porosity agents are combined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine selbstähnliche Porenstruktur erzeugt wird durch die Verwendung einer multimodalen, Mischung der Porosierungsmittel und/oder durch Kombination verschiedener Granulationsprozesse, vorzugsweise durch Aufbaugranulation oder Sprühgranulation.Method according to one of claims 1 to 8, characterized that a self-similar Pore structure is generated by the use of a multimodal, Mixture of the porosity and / or by combination of different Granulation processes, preferably by build-up granulation or Spray granulation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausfällung beziehungsweise Bildung der Sekundärphase mit Teilchen im Nanometerbereich direkt bei der Herstellung des Granulats auf einer weiteren, gröberen Sekundärphase oder auf dem Porosierungsmittel erfolgt.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the precipitation or formation of the secondary phase with particles in the nanometer range directly in the production of the granules on a further, coarser secondary phase or takes place on the Porosierungsmittel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Ablagerung der Sekundärphase als Teilchen im Nanometerbereich auf einer gröberen Sekundärphase und/oder dem Porosierungsmittel durch einen Granulationsprozess erfolgt.Method according to one of claims 1 to 10, characterized that deposition of the secondary phase as particles in the nanometer range on a coarser secondary phase and / or the porosity agent is carried out by a granulation process. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheizen der temporären Porosierungsmittel und das Verfestigen bei Temperaturen zwischen 600°C und 1500°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1500°C, besonders bevorzugt zwischen 1000°C und 1400°C erfolgtMethod according to one of claims 1 to 11, characterized that the annealing of the temporary Porosifying agent and solidifying at temperatures between 600 ° C and 1500 ° C, preferably between 1000 ° C and 1500 ° C, more preferably between 1000 ° C and 1400 ° C he follows
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