DE102012202892B4 - Process for the integration of metallic components in light metal-infiltrated carbon and / or graphite-based semi-finished products and use of the semi-finished products - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Einbringen von metallischen Komponenten in kohlenstoff- und/oder graphitbasierte Halbzeuge, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) die Werkstoffe Graphit und/oder Kohlenstoff und mindestens ein Metall werden unter Berücksichtigung des thermischen Ausdehnungsverhaltens dieser Materialien zu Bauteilen oder Bauteilkomponenten verarbeitet, wobei die später in Berührung kommenden Oberflächen dieser Materialien bei einer bestimmten Temperatur T(i) die gleiche Geometrie aufweisen; b) die Bauteile werden mindestens auf die Temperatur T(i) gebracht, wobei T(i) stets kleiner ist als die Schmelztemperatur des metallischen Bauteils mit der niedrigsten Schmelztemperatur; c) die Bauteile werden derart zusammengeführt, dass sich die vorgesehenen Flächen von Kohlenstoff- und/oder Graphit und Metall spielfrei berühren oder integrationsbedingt ein minimales Spiel aufweisen; d) das zusammengefügte Bauteil oder die zusammengefügte Bauteilkomponente wird mit einem schmelzflüssigen Metall oder Legierungen infiltriert, deren Schmelztemperatur im Bereich von T(i) liegt.Method for introducing metallic components into carbon and / or graphite-based semi-finished products, characterized by the following steps: a) the materials graphite and / or carbon and at least one metal are processed into components or component components, taking into account the thermal expansion behavior of these materials later contacting surfaces of these materials at a given temperature T (i) have the same geometry; b) the components are brought at least to the temperature T (i), wherein T (i) is always less than the melting temperature of the metallic component with the lowest melting temperature; c) the components are brought together in such a way that the intended surfaces of carbon and / or graphite and metal touch without play or have an integration-related minimal clearance; d) the assembled component or assembly component is infiltrated with a molten metal or alloys whose melting temperature is in the range of T (i).
Description
Beschrieben wird ein Verfahren zum Einbringen von metallischen Komponenten in kohlenstoff- und/oder graphitbasierte Halbzeuge.A method for introducing metallic components into carbon and / or graphite-based semi-finished products is described.
Materialien die auf Graphit oder Kohlenstoff basieren werden heute mit metallischen Komponenten in der Regel mit kraftschlüssigen Verfahren verbunden, wie beispielsweise Kalteinpressen oder Einschrumpfen (SGL Group, Broschüre Kohlenstoff und Graphit als Werkstoff für Gleitlager, Automotive & Mechanical Applications; 09/2008). Dabei kommt es zumindest lokal zu einer Spannungsüberhöhung, die unter Umständen durch den im Einsatz eingestellten Belastungsfall überlagert wird und dadurch die ertragbare Last reduziert oder mit Hilfe einer Materialverstärkung an dieser Stelle aufgefangen werden muss. Zusätzlich ist eine lokal begrenzte spannungsarme Materialkombination beispielsweise mit geschlossenen Metalleinlagen, vor allem im Bereich von Hinterschneidungen bis heute herstellungsbedingt nicht möglich.Materials based on graphite or carbon are today usually combined with metallic components with non-positive processes, such as cold pressing or shrinking (SGL Group, brochure Carbon and Graphite as Material for plain bearings, Automotive & Mechanical Applications, 09/2008). At least locally, there is an excess of tension, which may be superimposed by the load case set during use, and thus the load that can be reduced has to be reduced or has to be absorbed at this point with the aid of a material reinforcement. In addition, a locally limited low-tension material combination, for example, with closed metal inserts, especially in the field of undercuts to date production reasons not possible.
Dadurch kann keine optimierte Materialkombination mit einer Trennung der Funktionen eingesetzt werden, was dazu führt, dass nicht das volle Potential der Kohlenstoff- oder Graphitmaterialien genutzt wird oder lokal ein mechanisch bedingter, erhöhter Verschleiß eintritt.As a result, it is not possible to use an optimized combination of materials with a separation of the functions, which means that the full potential of the carbon or graphite materials is not utilized or locally a mechanically induced, increased wear occurs.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Einbringen metallischer Komponenten in kohlenstoff- oder graphitbasierte Halbzeuge, um lokal begrenzt bestimmte Funktionen erfüllen zu können und dadurch das Einsatzspektrum der Grundmaterialien (Kohlenstoff und/oder Graphit) zu erweitern und die Standzeit zu erhöhen.The invention relates to a method for introducing metallic components into carbon or graphite-based semi-finished products in order to be able to fulfill locally limited functions and thereby to expand the range of use of the base materials (carbon and / or graphite) and to increase the service life.
Erfindungsgemäß beschrieben wird ein Verfahren zum Einbringen von metallischen Komponenten in kohlenstoff- und/oder graphitbasierte Halbzeuge mit den folgenden Schritten:
- a) Die Werkstoffe Graphit und/oder Kohlenstoff und mindestens ein Metall werden unter Berücksichtigung des thermischen Ausdehnungsverhaltens dieser Materialien zu Bauteilen oder Bauteilkomponenten verarbeitet, wobei die später in Berührung kommenden Oberflächen dieser Materialien bei einer bestimmten Temperatur T(i) die gleiche Geometrie aufweisen.
- b) Die Bauteile werden mindestens auf die Temperatur T(i) gebracht, wobei T(i) stets kleiner ist als die Schmelztemperatur (TSchmelz) des metallischen Bauteils mit der niedrigsten Schmelztemperatur.
- c) Die Bauteile werden derart zusammengeführt, dass sich die vorgesehenen Flächen von Kohlenstoff- und/oder Graphit und Metall (zum Beispiel Kerne, Ringe, Einlagen und Verstärkungselemente) spielfrei berühren oder integrationsbedingt ein minimales Spiel aufweisen. Das Zusammenführen kann bevorzugt auch unter Einsatz von Druck geschehen.
- d) Das zusammengefügte Bauteil wird, vorzugsweise nach einer thermischen Homogenisierung und ohne zwischenzeitliche Abkühlung, mit einem schmelzflüssigen Metall bevorzugt aus der Gruppe der Nichteisenmetalle (z. B. auf der Basis von Aluminium, Magnesium, Kupfer, Antimon und Zinn) oder deren Legierungen infiltriert, dessen Schmelztemperatur im Bereich von T(i) liegt.
- a) The materials graphite and / or carbon and at least one metal are processed taking into account the thermal expansion behavior of these materials to components or component components, the later coming into contact surfaces of these materials at a certain temperature T (i) have the same geometry.
- b) The components are brought at least to the temperature T (i), wherein T (i) is always less than the melting temperature (T melt ) of the metallic component with the lowest melting temperature.
- c) The components are brought together in such a way that the intended surfaces of carbon and / or graphite and metal (for example cores, rings, inserts and reinforcing elements) touch without play or have an integration-related minimal clearance. The merging can preferably also be done using pressure.
- d) The joined component is, preferably after a thermal homogenization and without interim cooling, preferably infiltrated with a molten metal from the group of non-ferrous metals (eg based on aluminum, magnesium, copper, antimony and tin) or their alloys whose melting temperature is in the range of T (i).
Dabei ist die Verbindungsstelle zwischen Kohlenstoff und/oder Graphit sowie Metall nahezu spannungsarm bis spannungsfrei, wodurch überraschend keine Materialüberhöhung vorzunehmen ist.In this case, the joint between carbon and / or graphite and metal is almost stress-free to stress-free, which is surprisingly no material increase.
Ferner wird das Einbringen von geschlossenen Metallstrukturen wie z. B. Ringen in Nuten und Hinterschneidungen möglich.Furthermore, the introduction of closed metal structures such. As rings in grooves and undercuts possible.
Dabei kommen Kohlenstoffe und/oder Graphite zum Einsatz, die eine offenporöse, zusammenhängende Porenstruktur aufweisen.Here are carbons and / or graphites are used, which have an open-porous, contiguous pore structure.
Bevorzugt werden die Schritte b und c in auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt, es wird also zuerst zusammengeführt und derart arrangiert, dass ein Zusammenführen im erwärmten Zustand selbstständig oder unter gezielt beaufschlagtem Druck erfolgt und dann erwärmt, wobei sich die Berührflächen zunächst nicht spielfrei berühren müssen.Preferably, steps b and c are also carried out in the reverse order, so it is first brought together and arranged such that merging takes place in the heated state independently or under targeted pressure and then heated, wherein the contact surfaces must not first touch without play.
Schritt b wird vorzugsweise in inerter Atmosphäre oder Vakuum durchgeführt.Step b is preferably carried out in an inert atmosphere or vacuum.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt d das offenporöse Kapillarsystem des Graphits vollständig oder nahezu vollständig mit dem schmelzflüssigen Metall gefüllt wird. Bevorzugt wird dieser Prozessschritt unter Vakuum durchgeführt.It is preferred that in step d the open porous capillary system of the graphite be completely or almost completely filled with the molten metal. Preferably, this process step is carried out under vacuum.
Besonders bevorzugt liegt nach dem Abkühlen zumindest im Bereich der ursprünglich einzelnen Kohlenstoff- und/oder graphitbasierten Halbzeuge eine bei T < TSchmelz untrennbare Fügung vor, wobei die Grenzfläche Bestandteile des Infiltrations-Metalls beinhalten kann.After cooling, at least in the region of the originally individual carbon- and / or graphite-based semi-finished products, it is particularly preferable to have an inseparable bond at T <T melt , wherein the boundary surface may contain constituents of the infiltration metal.
In
Das erfindungsgemäße kohlenstoff- und/oder graphitbasierte Halbzeug zeigt nach der metallischen Infiltration eine Änderung der Materialeigenschaften und vor alter des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, abhängig vom infiltrierten Metall oder der Metalllegierung sowie vom Volumen-Anteil des infiltrierten Metalls.The carbon- and / or graphite-based semifinished product according to the invention shows, after the metallic infiltration, a change in the material properties and before the coefficient of thermal expansion, depending on the infiltrated metal or metal alloy and on the volume fraction of the infiltrated metal.
Bei der Ausführung der Einbettung des Metalls in den Graphitwerkstoff kann das Bauteil oder die Bauteilkomponente auch aus mehreren Kohlenstoff- und/oder Graphit-Elementen bestehen, wobei die Berührstellen der Graphit-Elemente bei vorzugsweise konstanter Temperatur stets gleiche Geometrien aufweisen.In carrying out the embedding of the metal in the graphite material, the component or the component component can also consist of a plurality of carbon and / or graphite elements, wherein the contact points of the graphite elements always have the same constant geometry at constant temperature.
Der Werkstoff der einzufügenden metallischen Bauteile und der metallinfiltrierte kohlenstoff- und/oder graphitbasierte Werkstoff haben bevorzugt einen möglichst ähnlichen oder gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass besonders bevorzugt zwischen eingefügtem metallischem Bauteil und metallinfiltriertem Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff ein Spannungszustand von 0 bis maximal 80% der ertragbaren Materialfestigkeit (Zug- oder Druckfestigkeit) auftritt.The material of the metallic components to be inserted and the metal-infiltrated carbon and / or graphite-based material preferably have a similar or the same coefficient of thermal expansion, so that more preferably between inserted metallic component and metal-infiltrated carbon and / or graphite material a stress state of 0 to a maximum of 80% the tolerable material strength (tensile or compressive strength) occurs.
Vorzugsweise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschend möglich zum Beispiel Hohlkanäle, Ringträger, Buchsen, Lager und Lagersitze in Leichtmetall infiltrierte Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe einzubringen und unlöslich sowie spannungsarm miteinander dauerhaft zu verbinden, Dies ist vor allem auch unter zyklischen thermischen und oder mechanischen Lasten möglich während des Einsatzes der in dieser Weise aufgebauten Materialkombinationen bzw. Bauteile.Preferably, it is surprisingly possible with the method according to the invention, for example, to introduce hollow channels, ring carriers, bushes, bearings and bearing seats into light metal infiltrated carbon and graphite materials and to permanently bond them to one another insoluble and low in tension. This is possible, above all, under cyclic thermal and / or mechanical loads during the use of constructed in this way material combinations or components.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten leichtmetallinfiltrierten Kohlenstoff- und/oder graphitbasierten Halbzeuge mit integrierten metallischen Komponenten werden bevorzugt für eine Brennkraftmaschine, insbesondere Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Landfahrzeuge wie PKW, LKW und Zweiradfahrzeuge sowie motorbetriebene Arbeitsgeräte eingesetzt.The light metal-infiltrated carbon and / or graphite-based semi-finished products with integrated metallic components produced by the process according to the invention are preferably used for an internal combustion engine, in particular aircraft, watercraft, land vehicles such as cars, trucks and two-wheeled vehicles as well as engine-operated implements.
Darüber hinaus werden die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten leichtmetallinfiltrierten Kohlenstoff- und/oder graphitbasierten Halbzeuge mit integrierten metallischen Komponenten vorzugsweise als Lagerkomponente verwendet.In addition, the light metal-infiltrated carbon and / or graphite-based semi-finished products with integrated metallic components produced by the process according to the invention are preferably used as a bearing component.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschreiben die Erfindung beispielhaft.The following exemplary embodiments describe the invention by way of example.
Beispiel 1example 1
Ein Graphitzylinder (
Ebenso wird ein Ring aus austenitischem Gusseisen (
Abschließend wird ein Graphitrohr (
Diese drei Bauteile (
Unter Beibehaltung dieser Temperatur werden die 3 Bauteile aufeinander gesteckt, einer Infiltrationskammer (
Nach dem Infiltrationsprozess und nach Abkühlung des Gesamtbauteils weist der aluminiuminfiltrierte Graphitwerkstoff aufgrund seiner Verbundwerkstoff Eigenschaften einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. TA(AIG) = 8 × 10–6 K–1 auf. Sein Durchmesser D2 (neu) beträgt nun ca. D2 (neu) = 99,3 mm. Aufgrund des nun gleichen/sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des aluminiuminfiltrierten Graphits und des austenitischen Gusseisens entsteht an der Berührstelle (
Beispiel 2Example 2
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen, außer dass zum leichteren Zusammenfügen und Fixieren ein Teil des Graphitzylinders (
Beispiel 3Example 3
Es wird wie in Beispiel 1 oder 2 verfahren und eine Lagerbuchse aus Titan mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8,4 × 10–6 K–1 in einen mit Aluminium infiltrierten Graphit-Rohling eingebracht und formschlüssig integriert.The procedure is as in Example 1 or 2 and introduced a bearing bush made of titanium with a coefficient of thermal expansion of 8.4 × 10 -6 K -1 in a infiltrated with aluminum graphite blank and integrally integrated.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Fig. 1
- 1
- Graphitzylinder
- 2
- Gesamthöhe HG
- 3
- Durchmesser D1
- 4
- Höhe h
- 5
- Stirnseite S
- 6
- Durchmesser D2
- 7
- Ring
- 8
- Höhe HE
- 9
- Außendurchmesser D3
- 10
- Innendurchmesser D4
- 11
- Graphitrohr
- 12
- Länge LR
- 13
- Außendurchmesser D5
- 14
- Innendurchmesser D6
- 15
- Infiltrationskammer
- 16
- schmelzflüssiges Aluminium
- 17
- Berührstelle beider Werkstoffe
- 18
Aluminium infiltriertes Graphitelement 1- 19
- Aluminium infiltriertes Graphitelement 2
- 20
- Fügeflächen
- 21
- Fügespalt bevorzugt ≤ 2 mm, besonders bevorzugt ≤ 1 mm
- 22
Aluminium infiltriertes Graphitelement 3- 23
- Fügefläche
- 24
- Fügespalt
- 25
Aluminium infiltriertes Graphitelement 4
- 1
- graphite cylinder
- 2
- Total height HG
- 3
- Diameter D1
- 4
- Height h
- 5
- Front side S
- 6
- Diameter D2
- 7
- ring
- 8th
- Height HE
- 9
- Outer diameter D3
- 10
- Inner diameter D4
- 11
- graphite tube
- 12
- Length LR
- 13
- Outer diameter D5
- 14
- Inside diameter D6
- 15
- infiltration chamber
- 16
- molten aluminum
- 17
- Touch point of both materials
- 18
- Aluminum infiltrated
graphite element 1 - 19
- Aluminum infiltrated graphite element 2
- 20
- joining surfaces
- 21
- Bonding gap preferably ≤ 2 mm, more preferably ≤ 1 mm
- 22
- Aluminum infiltrated
graphite element 3 - 23
- joining surface
- 24
- joining gap
- 25
- Aluminum infiltrated
graphite element 4
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