DE102015212335A1 - METAL-CERAMIC-MATERIAL COMPOSITION AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
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- D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
- D04H1/4209—Inorganic fibres
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften, und betrifft einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund, wie er beispielsweise im Kraftfahrzeugbau eingesetzt werden kann. Die Aufgabe besteht in der Angabe eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und hohe Schadenstoleranz aufweist und weiterhin in der Angabe eines Verfahrens zu dessen Herstellung. Die Aufgabe wird gelöst durch einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund bestehend aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist, und das keramische Material innerhalb und um das netzwerkartige textile Gebilde angeordnet ist und das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes zu mindestens 10 % bis maximal 95 % ausfüllt, und das keramische und metallische Material im Bereich ihrer gemeinsamen Anordnung mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet istThe invention relates to the field of materials science, and relates to a metal-ceramic composite material, such as can be used for example in the automotive industry. The object is to specify a metal-ceramic composite material, which has a high mechanical strength and high damage tolerance and further in specifying a method for its production. The object is achieved by a metal-ceramic composite material consisting of at least one ceramic material and at least one metallic material, wherein the metallic material in the form of a network-like textile structure is present, and the ceramic material is disposed within and around the network-like textile structure and the open volume of the network-like textile structure to at least 10% to a maximum of 95% fills, and the ceramic and metallic material in the region of their common arrangement at least partially positively and non-positively connected to each other, and wherein at least one surface of the metal-ceramic composite material only the metallic material is arranged
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften, der Verfahrenstechnik und der Elektrotechnik, und betrifft einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund, wie er beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, Maschinenbau, Medizintechnik, Sicherheitstechnik oder Werkzeugbau eingesetzt werden kann, zum Beispiel als Katalysator oder Katalysatorträger oder Filterkörper oder als Material für Beschussplatten, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. The invention relates to the fields of materials science, process engineering and electrical engineering, and relates to a metal-ceramic composite material, such as can be used for example in automotive, mechanical engineering, medical technology, safety technology or tooling, for example as a catalyst or catalyst support or filter body or as a material for bombardment plates, as well as a method for its production.
Der Verbund zwischen Keramik und Metall spielt für vielfältige Anwendungen wie beispielsweise im Kraftfahrzeugbau, im Maschinenbau, in der Medizintechnik, im Werkzeugbau oder in der Elektrotechnik eine zunehmende Rolle. The bond between ceramic and metal plays an increasing role for a variety of applications, such as in automotive engineering, mechanical engineering, medical technology, toolmaking and electrical engineering.
Eine Möglichkeit zur Herstellung eines Verbundes von Metall und Keramik ist die Herstellung von Metallmatrix-Kompositen (metal matrix composites, MMC), bei der eine metallische Matrix durch keramische Partikel verstärkt wird. Diese Verbundwerkstoffe können hergestellt werden, indem eine poröse keramische Struktur mit einer metallischen Schmelze infiltriert wird (
Verbundwerkstoffe weisen mikroskopische Fügungen mit kleinen Verbindungsflächen, beispielsweise einzelner Partikel miteinander, auf.Composite materials have microscopic joints with small bonding surfaces, for example, individual particles together.
Weiter sind gemäß der
Ebenfalls bekannt ist, dass metallische und keramische Partikel miteinander vermischt und anschließend pulvertechnologisch gemeinsam verarbeitet und gesintert werden. Der MMC (Metallmatrix-Komposit) erlangt eine Verstärkung der Metallmatrix durch einen geringeren Anteil an Keramikpartikeln (
Die Herstellung gradierter metall-keramischer Bauteile ist durch Foliengießen (
Der Stoffschluss von metallischer und keramischer Komponente ist hauptsächlich von deren chemischer Zusammensetzung abhängig und zeichnet sich durch eine Mischphase chemischer Elemente beider Werkstoff aus (
Bekannt ist das Aktivlöten mehrkomponentiger Bauteile aus Keramik und Metall (
Gemäß der
Ebenfalls bekannt ist gemäß
Auch bekannt ist das Aufbrennen von Keramik auf Metallgrundkörper in der Dentaltechnologie für verblendete Zahnimplantate (
Formteile, die aus mehreren Komponenten hergestellt werden, sind gemäß
Weiterhin nachteilig an der Co-Sinterung ist, dass Materialien mit stark unterschiedlichem Schmelzpunkt nicht kombinierbar sind. Somit ist ein echter Stoffschluss der Materialien, insbesondere zwischen Metall und Keramik im Interfacebereich infolge einer chemischen Reaktion zwar möglich, aber durch die gemeinsame Verarbeitung beider Verbundpartner in einem Sinterschritt durch die notwendigerweise identischen Sinterbedingungen (Druck, Temperaturverlauf, Haltezeit und Gasatmosphäre) auf sehr wenige Metall-Keramik-Werkstoffpaarungen beschränkt.A further disadvantage of co-sintering is that materials with widely different melting points can not be combined. Thus, a true material bond of the materials, in particular between metal and ceramic in the interface area as a result of a chemical reaction is possible, but by the joint processing of both composite partners in a sintering step by the necessarily identical sintering conditions (pressure, temperature history, holding time and gas atmosphere) on very few metal -Ceramic material pairings limited.
Ein keramischer und/oder pulvermetallurgischer Verbundformkörper ist gemäß
Bekannt ist gemäß der
Gemäß der
Gemäß der
Auch ist gemäß der
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass bei der Herstellung Bindemittel notwendig sind und/oder Probleme durch das unterschiedliche Schwindungsverhalten der jeweiligen Komponenten auftreten, so dass nachfolgend die Haftung beider Materialien miteinander negativ beeinflusst wird. Durch den negativen Einfluss auf die Haftung in der Reaktionszone steigt die Wahrscheinlichkeit für mechanisches Versagen oder Korrosion.A disadvantage of the known solutions is that in the preparation of binders are necessary and / or problems due to the different shrinkage behavior of the respective components occur, so that subsequently the adhesion of the two materials is negatively affected each other. The negative influence on the adhesion in the reaction zone increases the probability of mechanical failure or corrosion.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Schadenstoleranz aufweist und bei dem eine gute Haftung zwischen metallischem und keramischem Material vorliegt und weiterhin in der Angabe eines Verfahrens zu dessen Herstellung, mit dem der Metall-Keramik-Werkstoffverbund einfach und kostengünstig hergestellt wird. The object of the present invention is to provide a metal-ceramic composite material, which has a high mechanical strength and high damage tolerance and in which a good adhesion between metallic and ceramic material is present and further in the statement of a method for its preparation, with the metal-ceramic composite material is easily and inexpensively manufactured.
Die Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The objects are achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund besteht aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden ist, und das keramische Material innerhalb und um das netzwerkartige textile Gebilde aus dem metallischen Material angeordnet ist und das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % ausfüllt, und das keramische und metallische Material im Bereich ihrer gemeinsamen Anordnung mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist Vorteilhafterweise ist das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines textilen Flächengebildes vorhanden, noch vorteilhafter ist das netzwerkartige textile Gebilde ein geordnetes oder ungeordnetes Flächengebilde in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Geflechtes, Vlieses oder Filzes vorhanden. Und auch vorteilhafterweise liegt das netzwerkartige textile Gebilde in Form eines Vliesstoffes oder Filzes vor.The metal-ceramic composite material according to the invention consists of at least one ceramic material and at least one metallic material, wherein the metallic material is present in the form of a network-like textile structure, and the ceramic material is disposed within and around the network-like textile structure of the metallic material and the open volume of the network-like textile structure of the metallic material to at least 10% to a maximum of 95% fills, and the ceramic and metallic material in the region of their common arrangement at least partially positively and non-positively connected to each other, and wherein at least at one surface of the metal Advantageously, the network-like textile structure in the form of a textile fabric is present, more advantageously, the network-like textile structure is an ordered or disordered Fabrics in the form of a woven, knitted, laid, braided, nonwoven or felt present. And also advantageously, the network-like textile structure is in the form of a nonwoven fabric or felt.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht das netzwerkartige textile Gebilde aus ungeordnet und/oder geordnet positionierten Fasern oder Drähten aus einem metallischen Material mit Durchmessern zwischen 5 µm und 1 mm, noch vorteilhafterweise zwischen 15 µm und 200 µm, und Längen zwischen 0,1 bis 250 mm.Further advantageously, the network-like textile structure of disorderly and / or ordered positioned fibers or wires of a metallic material having diameters between 5 .mu.m and 1 mm, more preferably between 15 .mu.m and 200 .mu.m, and lengths between 0.1 to 250 mm.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund das keramische und das metallische Material im netzwerkartigen textilen Gebilde auch ganz oder teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden.Also advantageously, in the metal-ceramic composite material according to the invention, the ceramic and the metallic material in the network-like textile structure are also completely or partially bonded together.
Vorteilhaft ist auch, wenn als keramisches Material Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide und Dispersionskeramiken, Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Biokeramiken, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien vorhanden ist. Und auch vorteilhafterweise ist als metallisches Material nichtrostender Stahl, noch vorteilhafterweise 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, oder ein hochtemperaturbeständiges Metall, noch vorteilhafterweise Platin, Molybdän oder Wolfram in Form des netzwerkartigen textilen Gebildes vorhanden. It is also advantageous if aluminum oxide, zirconium oxide, mixed oxides and dispersion ceramics, hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bioceramics, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, magnesium oxide, silicon oxide, porcelain, mullite, steatite, cordierite or other silicate materials are present as the ceramic material. And also advantageously as a metallic material stainless steel, more advantageously 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, or a high temperature resistant metal, even more advantageously platinum, molybdenum or tungsten in the form of the network-like textile structure available.
Vorteilhafterweise ist bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material gefüllt und umschlossen.Advantageously, in the metal-ceramic composite material according to the invention, the open volume of the network-like textile structure made of the metallic material is filled and enclosed with the ceramic material to 30% to 60%.
Weiterhin vorteilhafterweise ist das keramische Material in den offenen Zellen des netzwerkartigen textilen Gebildes und um die faser-, steg- oder drahtartigen Bestandteile des metallischen Materials form- und kraftschlüssig angeordnet.Further advantageously, the ceramic material in the open cells of the network-like textile structure and the fiber, web or wire-like components of the metallic material is arranged positively and non-positively.
Ebenfalls vorteilhafterweise besteht der Werkstoffverbund aus mindestens einem keramischen Material, mindestens einem metallischen Material und einem weiteren Material, wobei das weitere Material das freie Volumen des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mindestens teilweise ausfüllt und mindestens form- und kraftschlüssig mit dem metallischen Material verbunden ist. Noch vorteilhafterweise liegt als weiteres Material Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoff, Harz, Biopolymer, biologisch abbaubares Glas, Kieselglas, Alkali-Silikat-Glas, Erdalkali-Silikat-Glas, Boratglas, Oxidkeramik, Nichtoxidkeramik und/oder Silikatkeramik vor.Also advantageously, the composite material of at least one ceramic material, at least one metallic material and another material, wherein the further material at least partially fills the free volume of the metallic, network-like textile structure and is at least positively and non-positively connected to the metallic material. More advantageously, another material is aluminum, copper, hard metals, cobalt, nickel, titanium, magnesium, stainless steels, gold, silver, platinum, palladium, chromium, tin, zinc, plastic, resin, biopolymer, biodegradable glass, silica glass, alkali Silicate glass, alkaline earth silicate glass, borate glass, oxide ceramics, non-oxide ceramic and / or silicate ceramics.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Werkstoffverbundes wird ein keramisches Material mittels keramischer Technologien an, in und um ein metallisches Material in Form eines netzwerkartigen textilen Gebildes angeordnet, wobei das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu mindestens 10 % bis maximal 95 % mit dem keramischen Material ausfüllt und umhüllt wird, und mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet wird, und nachfolgend der Verbund-Grünkörper entbindert und/oder getrocknet und gesintert wird, wobei alle Verfahrensschritte bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt werden, und nachfolgend der Metall-Keramik-Werkstoffverbund weiterverarbeitet werden kann.In the method according to the invention for producing a metal-ceramic composite material, a ceramic material is arranged by means of ceramic technologies, in and around a metallic material in the form of a network-like textile structure, wherein the open volume of the network-like textile structure of the metallic material is at least 10 % to a maximum of 95% with the ceramic material fills and is enveloped, and at least on one surface of the metal-ceramic composite material exclusively the metallic material is disposed, and subsequently debonding the composite green body and / or dried and sintered, wherein all process steps be carried out at temperatures below the melting temperature of the metallic material, and subsequently the metal-ceramic composite material can be further processed.
Vorteilhafterweise wird das keramische Material mittels Pulverspritzgießen und/oder Spritzgießen und/oder Pressen und/oder Gießen und/oder Schlickergießen und/oder Foliengießen und/oder Gelcasting und/oder Gefriergießen und/oder Additive Fertigungsverfahren und/oder Inmold-Labeling und/oder elektrophoretische Abscheidung und/oder Tauchen an, in und um das metallische Material angeordnet.Advantageously, the ceramic material is produced by means of powder injection molding and / or injection molding and / or pressing and / or casting and / or slip casting and / or film casting and / or gel casting and / or freeze casting and / or additive manufacturing processes and / or in-mold labeling and / or electrophoretic Deposition and / or diving, arranged in and around the metallic material.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material zu 30 % bis 60 % mit dem keramischen Material ausgefüllt.Also advantageously, the open volume of the network-like textile structure of the metallic material is filled to 30% to 60% with the ceramic material.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials durchgeführt wird. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Sinterung des Verbund-Grünkörpers bei Temperaturen durchgeführt wird, die zwischen 5 % und 20 % unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen Materials liegen.Furthermore, it is advantageous if the sintering of the composite green body is carried out at temperatures below the melting temperature of the metallic material. It is even more advantageous if the sintering of the composite green body is carried out at temperatures which are between 5% and 20% below the melting temperature of the metallic material.
Auch wird vorteilhafterweise der gesinterte Metall-Keramik-Werkstoffverbund mit weiteren Materialien über den Bereich des netzwerkartigen textilen Gebildes, welches ausschließlich aus metallischem Material besteht, verbunden. Noch vorteilhafterweise werden als weitere Materialien Aluminium, Kupfer, Hartmetalle, Kobalt, Nickel, Titanium, Magnesium, nichtrostende Stähle, Gold, Silber, Platin, Palladium, Chromium, Zinn, Zink, Kunststoffe, Harze, Biopolymere, biologisch abbaubare Gläser, Kieselglas, Alkali-Silikat-Gläser, Erdalkali-Silikat-Gläser, Boratgläser, Oxidkeramiken, Nichtoxidkeramiken, Silikatkeramiken eingesetzt.Also, the sintered metal-ceramic composite material is advantageously connected to other materials over the area of the network-like textile structure, which consists exclusively of metallic material. Even more advantageously, as further materials, aluminum, copper, hard metals, cobalt, nickel, titanium, magnesium, stainless steels, gold, silver, platinum, palladium, chromium, tin, zinc, plastics, resins, biopolymers, biodegradable glasses, silica glass, alkali Silicate glasses, alkaline earth silicate glasses, borate glasses, oxide ceramics, non-oxide ceramics, silicate ceramics used.
Mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund wird es erstmals möglich, einen solchen Werkstoffverbund anzugeben, welcher eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Schadenstoleranz aufweist und bei dem eine gute Haftung zwischen metallischem und keramischem Material vorliegt. Ebenfalls wird es erstmals möglich, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Metall-Keramik-Verbundes anzugeben, mit dem der Metall-Keramik-Werkstoffverbund einfach und kostengünstig hergestellt wird. With the metal-ceramic composite material according to the invention, it becomes possible for the first time to specify such a material composite which has high mechanical strength and high damage tolerance and in which there is good adhesion between metallic and ceramic material. It is also possible for the first time to specify a method for producing such a metal-ceramic composite with which the metal-ceramic composite material is produced simply and inexpensively.
Unter Schadenstoleranz ist die Tolerierung und Inkaufnahme von Schäden eines Systems bis zu einer definierten Schadensgröße und -anzahl zu verstehen. Erfindungsgemäß soll eine möglichst geringe Schadensgröße und -anzahl toleriert und in Kauf genommen werden.Damage tolerance is the tolerance and acceptance of damages of a system up to a defined size and number of damage. According to the invention the smallest possible size and number of damage tolerated and accepted.
Der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund besteht dabei aus mindestens einem keramischen Material und mindestens einem metallischen Material, wobei das metallische Material in Form eines metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes, vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl, wie 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L, oder aus einem hochtemperaturbeständigen Metall, wie Platin, Molybdän oder Wolfram vorliegt. The metal-ceramic composite material according to the invention consists of at least one ceramic material and at least one metallic material, wherein the metallic material in the form of a metallic, network-like textile structure, preferably made of stainless steel, such as 17-4PH, Crofer, 430, 420, 316L , or is made of a high temperature resistant metal, such as platinum, molybdenum or tungsten.
Das mindestens metallische Material im netzwerkartigen textilen Gebilde kann auch teilweise aus anderen Materialien, wie beispielsweise Polymeren oder Naturmaterialien, bestehen, wobei metallisches Material aber mindestens vorhanden sein muss.The at least metallic material in the network-like textile structure may also partially consist of other materials, such as polymers or natural materials, but metallic material must be at least present.
Vorteilhafterweise können Biko-Fasern eingesetzt werden, bei denen die Fasern teilweise aus Polymeren bestehen und/oder das netzwerkartige, textile Gebilde aus Polymerfasern, wie Polyamidfasern, besteht. Die Metallfasern können dabei in das netzwerkartige, textile Gebilde eingefügt sein und/oder die einzelnen Polymerfasern teilweise umgeben. Der Volumenanteil der Polymere kann bei derartigen Biko-Fasern bis zu 95 % betragen. Advantageously, Biko fibers can be used, in which the fibers are partially made of polymers and / or the network-like, textile structure of polymer fibers, such as polyamide fibers exists. The metal fibers can be incorporated into the network-like textile structure and / or partially surround the individual polymer fibers. The volume fraction of the polymers can be up to 95% in such Biko fibers.
Das netzwerkartige textile Gebilde besteht dabei aus ungeordnet und/oder geordnet positionierten Fasern oder Drähten aus dem metallischen Material, vorteilhafterweise mit Durchmessern zwischen 5 µm und 1 mm, noch vorteilhafterweise mit Durchmessern zwischen 15 µm und 200 µm, und Längen zwischen 0,1 bis 250 mm. Das netzwerkartige textile Gebilde ist vorteilhafterweise ein geordnetes oder ungeordnetes Flächengebilde in Form eines Gewebes, Gewirkes, Geleges, Geflechtes, Vlieses, insbesondere eines Vliesstoffes, oder Filzes.The network-like textile structure consists of randomly and / or ordered positioned fibers or wires of the metallic material, advantageously with diameters between 5 microns and 1 mm, more advantageously with diameters between 15 microns and 200 microns, and lengths between 0.1 to 250 mm. The network-like textile structure is advantageously an ordered or disordered fabric in the form of a woven, knitted, laid, braided, nonwoven, especially a nonwoven, or felt.
Das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material ist dabei zu mindestens 10 % und bis maximal 95 %, vorteilhafterweise zu 30 % bis 60 %, mit einem keramischen Material gefüllt. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass einerseits die keramischen und metallischen Materialien mindestens teilweise form- und kraftschlüssig miteinander verbunden sind, und andererseits, dass mindestens an einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ausschließlich das metallische Material angeordnet ist. Dies bedeutet, dass einerseits im keramischen Material die Fasern und Drähte des metallischen Materials mindestens teilweise form- und kraftschlüssig eingebettet und umhüllt vorliegen, dass aber andererseits an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes ein Bereich vorhanden ist, der nur aus dem metallischen, netzwerkartigen textilen Material gebildet ist. In diesem Bereich sind die Fasern und Drähte des metallischen Materials weder von keramischem Material umhüllt, noch sind die offenen Zellen und Poren des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material mit keramischem Material gefüllt.The open volume of the network-like textile structure of the metallic material is at least 10% and up to a maximum of 95%, advantageously 30% to 60%, filled with a ceramic material. It is of particular importance that on the one hand, the ceramic and metallic materials are at least partially positively and non-positively connected to each other, and on the other hand, that at least on a surface of the metal-ceramic composite material, only the metallic material is arranged. This means that on the one hand in the ceramic material, the fibers and wires of the metallic material at least partially embedded and enveloped form-fit and frictional, but on the other hand on at least one surface of the composite material, an area is present, which only formed from the metallic, network-like textile material is. In this area, the fibers and wires of the metallic material are neither covered by ceramic material, nor are the open cells and pores of the network-like textile structure of the metallic material filled with ceramic material.
Das keramische Material kann dabei Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Mischoxide und Dispersionskeramiken, Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat, Biokeramiken, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Porzellan, Mullit, Steatit, Cordierit oder andere silikatische Materialien sein und einen dichten oder porösen keramischen Körper bilden.The ceramic material may be alumina, zirconia, mixed oxides and dispersion ceramics, hydroxyapatite, tricalcium phosphate, bioceramics, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, magnesia, silica, porcelain, mullite, steatite, cordierite or other silicate materials to form a dense or porous ceramic body.
Vorteilhafterweise sind die metallischen Materialien mit den keramischen Materialien vollständig form- und kraftschlüssig verbunden. Sie können daneben auch ganz oder teilweise stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Advantageously, the metallic materials are completely positive and non-positively connected with the ceramic materials. In addition, they can also be completely or partially connected to one another in a materially cohesive manner.
Vorteilhafterweise kann der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Werkstoffverbund ein weiteres Material aufweisen, das das freie Volumen des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mindestens teilweise ausfüllt und mit diesem eine mindestens form- und kraftschlüssige Verbindung eingeht. Das freie metallische Material ohne keramisches Material kann im Werkstoffverbund auch als elektrische Kontaktierung des Werkstoffverbundes dienen.Advantageously, the metal-ceramic composite material according to the invention may comprise a further material which at least partially fills the free volume of the metallic, network-like textile structure and forms an at least positive and non-positive connection therewith. The free metallic material without ceramic material can also serve in the composite material as electrical contacting of the composite material.
Das weitere Material füllt die Hohlräume des freien, nicht mit Keramik gefüllten oder ummantelten Volumens des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials zu mindestens 10 % bis vollständig aus, wobei die Fasern und Drähte des metallischen Materials teilweise form- und kraftschlüssig eingebettet und umhüllt vorliegen. Das weitere Material kann dabei ein Metall, eine Keramik, ein Polymer oder ein glasartiges Material sein und kann in Pulverform oder als Granulat oder als Feedstock auf pulvertechnologischem Weg mit anschließender Sinterung oder als Schmelze über Infiltration oder über die Gasphase über CVD- oder PVD-Prozesse oder in Form eines Salzes und dessen nachfolgender Reduktion oder in Form eines prekeramischen Polymers mit dem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde in Kontakt gebracht werden. The further material fills the cavities of the free, not filled with ceramic or sheathed volume of the metallic, network-like textile material to at least 10% to completely, the fibers and wires of the metallic material are partially embedded form-locking and frictional and enveloped. The further material may be a metal, a ceramic, a polymer or a glassy material and may be powdered or granulated or as a feedstock on a powder technology path with subsequent sintering or as a melt via infiltration or via the gas phase via CVD or PVD processes or in the form of a salt and its subsequent reduction or in the form of a preceramic polymer with the metallic, network-like textile structure in contact.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbundes wird aus mindestens einem keramischen und einem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde ein Werkstoffverbund mittels keramischer Technologien hergestellt. Vorteilhafterweise kann ein weiteres Material an, in und um dieses metallische, netzwerkartige, textile Gebilde mittels keramischer Technologien angeordnet werden. Als keramische Technologien können Pulverspritzgießen und/oder Pressen und/oder Gießen und/oder Schlickergießen und/oder Foliengießen und/oder Gefriergießen und/oder Additive Fertigungsverfahren und/oder Inmold-Labeling und/oder elektrophoretische Abscheidung und/oder Tauchen eingesetzt werden. Durch diese Verfahren wird das keramische Material mindestens teilweise form- und kraftschlüssig an, in und um das metallische Material angeordnet und kann eine dichte oder poröse Keramik mit darin eingebettetem metallischem Material bilden. Das offene Volumen des netzwerkartigen textilen Gebildes aus dem metallischen Material wird erfindungsgemäß zu 10 % bis maximal 95 % mit dem keramischen Material gefüllt. An mindestens einer Oberfläche des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes ist ausschließlich metallisches, netzwerkartiges textiles Material angeordnet.In the method according to the invention for the production of the metal-ceramic composite material according to the invention, a material composite is produced by means of ceramic technologies from at least one ceramic and one metallic, network-like textile structure. Advantageously, a further material can be arranged on, in and around this metallic, network-like textile structure by means of ceramic technologies. As ceramic technologies, powder injection molding and / or pressing and / or casting and / or slip casting and / or film casting and / or freeze casting and / or additive manufacturing processes and / or in-mold labeling and / or electrophoretic Deposition and / or diving are used. By these methods, the ceramic material is at least partially positive and non-positively disposed on, in and around the metallic material and may form a dense or porous ceramic having embedded therein metallic material. The open volume of the network-like textile structure of the metallic material is filled according to the invention to 10% to a maximum of 95% with the ceramic material. At least one surface of the metal-ceramic composite material exclusively metallic, network-like textile material is arranged.
Nach dem Herstellen des Verbund-Grünkörpers wird dieser entbindert und/oder getrocknet und nachfolgend gesintert, wobei von besonderer Bedeutung ist, dass alle Verfahrensschritte bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials realisiert werden, und wobei die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien und die Schwindung des keramischen Materials bei der Herstellung des Grünkörpers zu berücksichtigen sind. Während der Sinterung kommt es zum form- und kraft-, und vorteilhafterweise auch zum stoffschlüssigen Verbund zwischen der keramischen Komponente und dem metallischen, netzwerkartigen textilen Material.After producing the composite green body, this is debindered and / or dried and subsequently sintered, wherein it is of particular importance that all process steps are realized at temperatures below the melting temperature of the metallic, network-like textile material, and wherein the expansion coefficients of the materials and the shrinkage of the ceramic material to be considered in the production of the green body. During sintering, it comes to the positive and force, and advantageously also to the cohesive bond between the ceramic component and the metallic, network-like textile material.
Im Falle des Einsatzes von Biko-Fasern unter Verwendung von Fasern mit geringerer Schmelztemperatur als das metallische Material werden diese bei Sinterung des keramischen Materials ausgebrannt und bilden einen Hohlraum um und/oder neben dem metallischen Material, welcher während der Sinterung zum Schwindungsausgleich beitragen kann und vorteilhafterweise das keramische Material auf das vorhandene metallische Material aufschrumpft.In the case of using biko fibers using fibers of lower melting temperature than the metallic material, these are burned out on sintering of the ceramic material and form a cavity around and / or adjacent to the metallic material, which can contribute during the sintering for shrinkage compensation and advantageously the ceramic material shrinks onto the existing metallic material.
Mit dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund wird es somit erstmals möglich, einen Metall-Keramik-Werkstoffverbund anzugeben, bei dem ein Teil des metallischen Materials nach Abschluss des Herstellungsverfahrens an mindestens einer Oberfläche offen vorliegt. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass das metallische Material einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Sintertemperatur des keramischen Materials. Ebenfalls können sich bei dem erfindungsgemäßen Werkstoffverbund auch die Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Keramik deutlich voneinander unterscheiden. Auch unter diesen Voraussetzungen weist der erfindungsgemäße Werkstoffverbund eine gute Haftung mindestens zwischen dem metallischen, netzwerkartigen textilen Gebilde und dem keramischen Material auf, sowie zeigt eine sehr gute Schadenstoleranz. With the metal-ceramic composite material according to the invention, it is thus possible for the first time to specify a metal-ceramic composite material in which a part of the metallic material is present open on at least one surface after completion of the production process. This is achieved in particular by the fact that the metallic material has a higher melting point than the sintering temperature of the ceramic material. Likewise, in the material composite according to the invention, the expansion coefficients of metal and ceramic can also differ significantly from one another. Even under these conditions, the composite material of the invention has a good adhesion at least between the metallic, network-like textile structure and the ceramic material, and shows a very good damage tolerance.
Erfindungsgemäß kann der Metall-Keramik-Werkstoffverbund nachfolgend mit weiteren, metallischen, keramischen oder anderen Materialien, über das an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes ausschließlich vorhandene metallische Material verbunden werden. Vorteilhafterweise kann als weiteres Material Pulvermetall auf pulvertechnologischem Weg mit dem metallischen Material des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes kontaktiert oder infiltriert werden. Auch dieser Metall-Keramik-Werkstoffverbund mit einem weiteren metallischem Material kann anschließend noch vorteilhafterweise getrocknet und/oder entbindert und einer erneuten Sinterung unterzogen werden, wobei auch hier die Sintertemperaturen die Schmelztemperaturen der metallischen Materialien nicht überschreiten dürfen.According to the invention, the metal-ceramic composite material can subsequently be connected to other, metallic, ceramic or other materials via the metallic material which is exclusively present on at least one surface of the composite material. Advantageously, as a further material, powder metal can be contacted or infiltrated by powder technology with the metallic material of the metal-ceramic composite material. This metal-ceramic composite material with a further metallic material can then also advantageously dried and / or debindered and subjected to a renewed sintering, whereby also here the sintering temperatures must not exceed the melting temperatures of the metallic materials.
Die Verbindung des metallischen Materials des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes mit einem weiteren Material kann auch mittels Kontaktieren oder Infiltrieren durch ein schmelzflüssiges Material erfolgen. Dabei darf die Temperatur des infiltrierenden schmelzflüssigen Materials die Schmelztemperatur des netzwerkartigen textilen Metalls nicht überschreiten. Für den Fall, dass das weitere Material ein Metall ist, kann es zwischen den beiden Metallen zur Legierungsbildung kommen. Vorteilhafterweise kann das weitere Material ein Metall sein, das einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das metallische, netzwerkartige textile Gebilde. Erfindungsgemäß lässt sich dadurch aus dem netzwerkartigen textilen Gebilde mit dem keramischen Material ein Werkstoffverbund herstellen, bei dem ein keramisches Material dann mit einem niedrigschmelzenden Metall, wie Kupfer oder Aluminium, über das netzwerkartige textile Gebilde verbunden ist.The compound of the metallic material of the metal-ceramic composite material with another material can also be done by means of contacting or infiltration by a molten material. The temperature of the infiltrating molten material must not exceed the melting temperature of the network-like textile metal. In the event that the other material is a metal, alloying may occur between the two metals. Advantageously, the further material may be a metal which has a significantly lower melting point than the metallic, network-like textile structure. According to the invention can be made of the network-like textile structure with the ceramic material, a composite material in which a ceramic material is then connected to a low-melting metal, such as copper or aluminum, via the network-like textile structure.
Desweiteren kann die Verbindung des freien Volumens des metallischen, netzwerkartigen textilen Gebildes mit dem weiteren Material über die Gasphase über CVD- oder PVD-Prozesse oder in Form eines Salzes und dessen nachfolgender Reduktion oder in Form eines prekeramischen Polymers hergestellt werden. Furthermore, the connection of the free volume of the metallic, network-like textile structure with the further material can be produced via the gas phase via CVD or PVD processes or in the form of a salt and its subsequent reduction or in the form of a preceramic polymer.
Durch das Vorliegen des metallischen Materials des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes an mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes kann vorteilhafterweise eine Funktionalisierung realisiert werden.Due to the presence of the metallic material of the metal-ceramic composite material on at least one surface of the composite material advantageously a functionalization can be realized.
Das metallische Material des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes weist als netzwerkartige textile Struktur eine hohe Verformbarkeit und geringe Steifigkeit auf und kann vorteilhafterweise gestaucht, gedehnt oder gestreckt werden. Aufgrund der hohen Verformbarkeit des metallischen Materials kann das metallische Material von keramischen oder pulvermetallurgischen Pulvern, Suspensionen oder Feedstocks oder metallischen Schmelzen infiltriert werden und führt infolge dieser Verformbarkeit während einer Sinterung nicht zu einer Schädigung infolge starker thermischer Ausdehnung. Aufgrund der vorteilhaften Verankerung des metallischen, netzwerkartigen textilen Materials mit und in dem keramischen Material erhöht sich die Schadenstoleranz des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes. Durch diese Eigenschaften vermindert sich bei dem erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Werkstoffverbund die Rissausbreitung innerhalb der Verbundzone. Eine partielle oder punktuelle Zerstörung der Keramik führt somit nicht zwangsläufig zur Zerstörung des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes oder des daraus hergestellten Verbundbauteils.As a network-like textile structure, the metallic material of the metal-ceramic composite exhibits high ductility and low rigidity and can advantageously be upset, expanded or stretched. Due to the high ductility of the metallic material, the metallic material can be infiltrated by ceramic or powder metallurgy powders, suspensions or feedstocks or metallic melts and, as a result of this deformability during sintering, does not result in damage due to severe thermal expansion. Due to the advantageous Anchoring the metallic, network-like textile material with and in the ceramic material increases the damage tolerance of the metal-ceramic composite material. As a result of these properties, the crack propagation within the composite zone is reduced in the case of the metal-ceramic composite material according to the invention. A partial or punctual destruction of the ceramic thus does not necessarily lead to the destruction of the metal-ceramic composite material or the composite component produced therefrom.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Ein metallisches Material in Form eines runden Vlieses mit den Abmessungen d = 35 mm, h = 2–5 mm, bestehend aus Biko-Fasern, bei denen die Polyesterfasern mit Edelstahlkurzfasern 1.5113 umwunden sind. Das Vlies, wird in einer 2K-Mikrospritzgussmaschine (Boy 35 E W, Dr. Boy GmbH) in ein zylindrisches Werkzeug (d = 30 mm) eingelegt und mit einem Zirkonoxid-Feedstock (Catamold TZP-A) angespritzt. Dabei wird etwa 50 % des offenen Volumens des Metallvlieses von der Spritzgussmasse auf der einen Seite ausgefüllt. Auf der anderen Seite bleiben 50 % des offenen Volumens des Metallvlieses von Zirkonoxidmasse unbedeckt. Der entstandene Verbund-Grünkörper wird mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis auf 600 °C erwärmt und danach bis auf 1350 °C mit einer Aufheizrate von 3 K/min aufgeheizt, und nach einer zweistündigen Haltezeit bei 1350 °C anschließend abgekühlt. A metallic material in the form of a round fleece with the dimensions d = 35 mm, h = 2-5 mm, consisting of Biko fibers, in which the polyester fibers are wound with stainless steel short fibers 1.5113. The fleece is placed in a 2K micro injection molding machine (Boy 35 EW, Dr. Boy GmbH) in a cylindrical tool (d = 30 mm) and sprayed with a zirconia feedstock (Catamold TZP-A). In this case, about 50% of the open volume of the metal fleece is filled by the injection molding compound on one side. On the other hand, 50% of the open volume of the metal mat remains uncovered by zirconia. The resulting composite green body is heated at a rate of 1 K / min up to 600 ° C and then heated to 1350 ° C at a heating rate of 3 K / min, and then cooled after a two-hour hold at 1350 ° C.
Der dabei hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine Oberfläche mit dem Metallvlies auf, die andere Oberfläche weist eine dichte Zirkonoxid-Keramik mit Metallfäden/-drähten im Inneren des Keramikkörpers auf, wobei beide Materialien an ihren Verbundflächen (Oberflächen der Metalldrähte oder Metallfäden) miteinander form- und kraftschlüssig verbunden sind. Dieser Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine sehr gute Schadenstoleranz und eine hohe mechanische Festigkeit auf.The metal-ceramic composite material produced in this way has a surface with the metal fleece, the other surface has a dense zirconium oxide ceramic with metal threads / wires inside the ceramic body, wherein both materials at their composite surfaces (surfaces of the metal wires or metal threads) with each other are positively and non-positively connected. This metal-ceramic composite material has a very good damage tolerance and a high mechanical strength.
Beispiel 2:Example 2:
Herstellung des Metall-Keramik-Werkstoffverbundes gemäß Beispiel 1, wobei nach der Herstellung das freie Volumen des Metallvlieses an der einen Oberfläche mit schmelzflüssigem Kupfer (T > 1065 °C) befüllt und anschließend abgekühlt wird. Das Kupfer verbindet sich mindestens teilweise an der Oberfläche der Kurzfasern mit dem Edelstahl zu einer Edelstahl-Kupfer-Legierung und durch die Füllung des freien Volumens erfolgt auch der Form- und Kraftschluss zwischen dem Kupfer und dem Metallvlies.Production of the metal-ceramic composite material according to Example 1, wherein after the production, the free volume of the metal fleece on one surface filled with molten copper (T> 1065 ° C) and then cooled. The copper combines at least partially on the surface of the short fibers with the stainless steel to a stainless steel-copper alloy and the filling of the free volume also takes the form and adhesion between the copper and the metal fleece.
Beispiel 3: Example 3:
Eine Schlickergusssuspension wird mit einem Zirkonoxidpulver (Tosoh, TZ 3Y-E, d50 = 0,2 µm) aufbereitet. Dazu werden 35,1 Vol.-% ZrO2-Pulver mit 52,6 Vol.-% Wasser, 4,9 Vol.-% Binderlösung, 1,5 Vol.-% Verflüssiger, 4,3 Vol.-% Glycerin und 1,6 Vol.-% Entschäumer mittels Planetenmischer (ARV-310CE, Thinky Corp.) für 120 Sekunden bei 2000 U/min dispergiert. Ein Metall-Polymer-Gewirk bestehend aus 1.4404 Stahldrähten (d = 0,125 mm) und PES 550dtex mit den Abmessungen 70 × 40 mm2 wird in eine Gipsform eingespannt. Diese Gipsform hat ein mit Schlicker befüllbares Volumen von 70 × 40 × 10 mm3 und seitlich angebrachte Vertiefungen, die beim Schließen der beiden Gipsformteile separat von dem füllbaren Bereich vorliegen. In die Vertiefungen werden Metallstifte eingebracht, auf die das Gewirk gespannt wird und beim Schließen der beiden Gipsformteile an einer Position fixiert ist. Die hergestellte Schlickergusssuspension wird in die Gipsform eingegossen. Das Gewirk innerhalb der Gipsform ist einseitig von der Suspension bedeckt und wird mit einer Folie bedeckt. Nach einer Stunde wird der Verbund-Grünkörper aus der Gipsform entnommen. A slip-slurry suspension is treated with a zirconium oxide powder (Tosoh, TZ 3Y-E, d 50 = 0.2 μm). For this purpose, 35.1% by volume of ZrO 2 powder with 52.6% by volume of water, 4.9% by volume of binder solution, 1.5% by volume of plasticizer, 4.3% by volume of glycerol and 1.6 vol% defoamer dispersed by planetary mixer (ARV-310CE, Thinky Corp.) for 120 seconds at 2000 rpm. A metal-polymer knit consisting of 1.4404 steel wires (d = 0.125 mm) and PES 550dtex with the dimensions 70 × 40 mm 2 is clamped in a plaster mold. This plaster mold has a volume of 70 × 40 × 10 mm 3 which can be filled with slip, and lateral depressions which are present separately from the fillable area when the two plaster moldings are closed. In the wells metal pins are introduced, on which the fabric is stretched and fixed when closing the two plaster moldings at a position. The slip slurry suspension produced is poured into the plaster mold. The knitted fabric inside the plaster mold is covered on one side by the suspension and is covered with a foil. After one hour, the composite green body is removed from the plaster mold.
Der entstandene Verbund-Grünkörper wird mit einer Aufheizrate von 1 K/min bis auf 600 °C erwärmt und danach bis auf 1350 °C mit einer Aufheizrate von 3 K/min aufgeheizt, und nach einer zweistündigen Haltezeit bei 1350 °C anschließend abgekühlt. The resulting composite green body is heated at a rate of 1 K / min up to 600 ° C and then heated to 1350 ° C at a heating rate of 3 K / min, and then cooled after a two-hour hold at 1350 ° C.
Der dabei hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist an der Oberfläche das Metallgewirk auf, welches zu 30 % freies Volumen aufweist und zu 70 % in der Keramik verankert ist, und die Gegenseite besteht aus der Zirkoniumoxidkeramik, wobei beide Materialien vollständig miteinander stoff-, form- und kraftschlüssig verbunden sind. Dieser hergestellte Metall-Keramik-Werkstoffverbund weist eine sehr gute Schadenstoleranz und eine hohe mechanische Festigkeit auf.The metal-ceramic composite material thus produced has on the surface of the metal knit, which has 30% free volume and is anchored to 70% in the ceramic, and the opposite side consists of the zirconia, wherein both materials completely together material-, form - Are connected and non-positively. This produced metal-ceramic composite material has a very good damage tolerance and high mechanical strength.
Beispiel 4:Example 4:
Es wird ein Metall-Keramik-Werkstoffverbund gemäß Beispiel 3 hergestellt, wobei anschließend ein Glasgranulat direkt auf das freie Volumen des metallischen Materials aufgebracht wird und das Glasgranulat in einem weiteren glasspezifischen Sinterregime bei 800 °C für 2 Stunden eingebrannt wird. Dabei kommt es zur stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem metallischen Material und dem Glas als weiteres Material zur Keramik. Das Glas ist form- und kraftschlüssig an das Metallgewirk und somit an die Oxidkeramik gebunden.A metal-ceramic material composite according to Example 3 is produced, in which case a glass granulate is applied directly to the free volume of the metallic material and the glass granules are baked in a further glass-specific sintering regime at 800 ° C. for 2 hours. This leads to the cohesive connection between the metallic material and the glass as another material to the ceramic. The glass is positively and non-positively connected to the metal knit and thus to the oxide ceramic.
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