DE19834540A1

DE19834540A1 - Verfahren zur Schmelzinfiltration von porösen Körpern

Info

Publication number: DE19834540A1
Application number: DE19834540A
Authority: DE
Inventors: Kolja Rebstock
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2000-02-10
Also published as: WO2000007957A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmelzinfiltration von porösen Körpern (10) mit flüssigem Metall bzw. Silizium, bei dem Metall bzw. Silizium (2) aufgeschmolzen und mit dem porösen Körper (10) in Kontakt gebracht wird, so daß das flüssige Metall bzw. Silizium in die Poren eindringt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zwei oder mehrere poröse Körper (10) übereinandergestapelt werden, wobei zwischen den Körpern metall- bzw. siliziumhaltige Formteile (1) als Abstandhalter eingebracht werden und der resultierende Stapel aus abwechselnd porösen Körpern (10) und metall- bzw. siliziumhaltigen Formteilen (1) erhitzt wird, so daß das Silizium (2) schmilzt und in die Poren der porösen Körper (10) eindringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schmelzinfiltration von porösen Körpern mit flüssigem Metall bzw. Silizium, bei dem Metall bzw. Silizium aufgeschmolzen und mit dem porösen Körper in Kontakt gebracht wird, so daß das flüssige Silizium in die Poren eindringt.

Dieses Verfahren ist grundsätzlich bekannt und z. B. in den deutschen Patenten DE 44 38 455 C1 und DE 44 38 456 A1 beschrieben. Dieses Verfahren wird vor allem bei der Herstellung von Siliziumcarbid-Keramiken und faserverstärkten Verbundkeramiken (z. B. C/SiC-Körper) verwendet. Dabei wird zunächst ein Grünling aus Fasern unter Verwendung von carbonisierbaren Bindemitteln (Kohlenstoff-Precursoren) und Füllmitteln hergestellt, z. B. durch Wickeln, Laminieren oder Pressen. Dieser Grünling wird anschließend pyrolisiert, wobei die Bindemittel carbonisiert werden, so daß eine poröse Kohlenstoff-Matrix (z. B. C/C-Körper) entsteht. Dieser poröse Körper wird mit einer Siliziumschmelze infiltriert, die gegebenenfalls Zusätze anderer Metalle enthalten kann. Die Fasern oder Faserstoffbündel können auch vor der Herstellung des Grünkörpers mit einem zur Pyrolyse geeigneten Bindemittel imprägniert und das Bindemittel verfestigt werden.

Die Schmelzinfiltration von Silizium geschieht im allgemeinen in einem Ofen, wobei die zu infiltrierenden porösen C/C-Körper in einem im allgemeinen mit Bornitrid beschichteten Tiegel aufgenommen sind. Das Bornitrid verhindert eine Reaktion zwischen schmelzflüssigem Silizium und der Tiegelwand. Das Silizium wird in Form von Granulat lose zu dem in dem Tiegel aufgenommenen porösen Körper gegeben und bis zur Schmelze erhitzt.

Dieses Verfahren ist in der Großserienfertigung, z. B. für die Herstellung großer Stückzahlen gleicher oder gleichartiger Keramikkörper, relativ aufwendig. Es kann nur ein C/C-Körper pro Tiegel aufgenommen werden. Das Siliziumgranulat muß im Überschuß zugegeben werden, weil es nicht vollständig den porösen Körper durchdringt, sondern z. B. auch an den Seiten des C/C-Körpers entlang laufen und im Tiegel zerfließen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der oben genannten Art bereitzustellen, das diese Nachteile nicht aufweist, insbesondere wirtschaftlich und zur Herstellung großer Stückzahlen geeignet ist.

Die Lösung besteht darin, daß zwei oder mehrere poröse Körper übereinander gestapelt werden, wobei zwischen den Körpern metall- bzw. siliziumhaltige Formteile als Abstandhalter eingebracht werden und der resultierende Stapel aus abwechselnd porösen Körpern und metall- bzw. siliziumhaltigen Formteilen erhitzt wird, so daß das Metall bzw. Silizium schmilzt und in die Poren der porösen Körper eindringt.

Erfindungsgemäß ist ferner ein metall- bzw. siliziumhaltiges Formteil vorgesehen, welches neben Metall bzw. Silizium ein oder mehrere unter Wärmeeinwirkung gerüstbildende Mittel enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß zahlreiche gleiche oder gleichartig geformte poröse Körper in einem Tiegel gestapelt werden können, wobei zwischen je zwei porösen Körpern ein metall- bzw. siliziumhaltiges Formteil als eine Art Abstandhalter eingabracht wird. Während der Schmelzinfiltration schmilzt das Metall bzw. Silizium in den Abstandhaltern, und die Schmelze dringt in die Poren der porösen Körper ein. Auf diese Weise können mehrere Keramikkörper gleichzeitig hergestellt werden, was die Wirtschaftlichkeit erhöht. Durch die platzsparende Schichtung der Körper wird die Bauhöhe des Ofens geringer, beziehungsweise das Ofenvolumen steigt. Gleichzeitig kann die Menge an eingesetztem Metall bzw. Silizium genauer dosiert werden, weil die Schmelze, bedingt durch die Schwerkraft, aus den Abstandhaltern heraus und in die darunter gelegenen porösen Körper zielgenau eindringt. Da man für jeden porösen Körper das Verhältnis des Gewichts an einzusetzendem Metall bzw. Silizium zu dem Gewicht des Bauteils (im Falle von Silizium den sogenannten Siliziumfaktor) im allgemeinen ziemlich gut kennt, ist eine Dosierung für den Fachmann möglich. Das Metall bzw. Silizium muß nicht eingewogen werden. Durch die einfache Dosierung der passenden Metall- bzw. Siliziummenge ist eine Standardisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, bei der Herstellung von C/SiC-Körpern auf den Einsatz der mit Bornitrid beschichteten Tiegel ganz zu verzichten und auf diese Weise Verfahrenskosten zu ersparen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Insbesondere ist es bei der Herstellung von C/SiC-Körpern von Vorteil, den siliziumhaltigen Körper aus einer Mischung aus Silizium, Bindemittel und Bornitrid herzustellen, insbesondere zu pressen, wobei die Komponenten in Pulverform oder Granulatform vorliegen können. Liegt das Silizium in Pulverform vor, können die siliziumhaltigen Körper auch durch Strangpreßverfahren oder isostatisches Pressen hergestellt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, als Bindemittel einen oder mehrere Kohlenstoff-Precursoren einzusetzen. Dann bleibt nach der Schmelzinfiltration von dem ehemals siliziumhaltigen Formkörper eine poröse Kohlenstoff-Matrix als Abstandhalter stehen, die verhindert, daß die schmelzinfiltrierten Keramiken miteinander in Kontakt kommen und verkleben oder zusammenbacken. Der Stapel aus nunmehr schmelzinfiltrierten Körpern und ehemals siliziumhaltigen Formkörpern bleibt also stabil stehen.

Zur Gerüstbildung können auch Zusätze von Kohlenstoff bzw. Siliziumcarbid beitragen.

Die Verwendung von Bornitrid zur Herstellung der siliziumhaltigen Formkörper hat ferner den Vorteil, daß dieses eine übermäßige Reaktion zwischen den Formkörpern und den porösen C/C-Körpern Körpern verhindert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung von Bremsscheiben, bspw. für Personenkraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge.

Im folgenden wird im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen silizium haltigen Formkörper;

Fig. 2 einen Stapel aus porösen C/C-Körpern und silizium haltigen Formkörpern vor der Schmelzinfiltration;

Fig. 3 den Stapel aus Fig. 2 nach der Schmelzinfiltration.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte siliziumhaltige Formkörper 1, wird z. B. zur Herstellung von Bremsscheiben aus faserverstärkten Verbundkeramiken auf Siliziumcarbid-Basis (C/SiC) verwendet. Er hat daher die Form einer Scheibe, deren Durchmesser dem der herzustellenden Bremsscheibe in etwa entspricht. Der siliziumhaltige Formkörper 1 ist ein Preßling, der Siliziumgranulat 2, Bornitrid-Granulat 3 und Bindemittel 4 enthält. Das Bindemittel 4 ist ein Kohlenstoff-Precursor, z. B. ein Phenolharz.

Die einzelnen Bestandteile werden gut vermischt und gepresst. Gegebenenfalls können noch Zuschläge von Kohlenstoff bzw. Siliziumcarbid enthalten sein. Die Menge des verarbeiteten Siliziumgranulats 2 hängt davon ab, wieviel Silizium für die Schmelzinfiltration benötigt wird. Davon hängt im allgemeinen auch die Dicke d des Formkörpers 1 ab.

Fig. 2 zeigt einen aufgeschichteten Stapel aus siliziumhaltigen Formkörpern 1 und porösen C/C-Körpern 10. Die porösen Körper 10 wurden durch Pyrolyse eines Grünlings aus Kohlenstoff-Fasern, carbonisierbaren Bindemitteln und Füllstoffen sowie sonstigen Zuschlagstoffen auf bekannte Weise hergestellt. Der Stapel wurde in einen Ofen 20 eingebracht. Der Ofen 20 wurde auf die Schmelztemperatur des Siliziums und darüber erhitzt, so daß schmelzflüssiges Silizium aus den Formkörpern 1 austrat und in Richtung der Pfeile A in die jeweils darunter liegenden porösen Körper 10 eindrang.

Das Ergebnis ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Nunmehr liegen fertige Bremsscheiben 11 aus faserverstärkter Siliziumcarbid-Keramik (C/SiC) vor. Zwischen den einzelnen Keramikkörpern 11 befinden sich Abstandhalter 12, die im wesentlichen frei von Silizium sind. Das Bindemittel 4 wurde zu einer Kohlenstoff-Matrix pyrolisiert. Die gegebenenfalls zugesetzten Zuschlagstoffe wie Kohlenstoff bzw. Siliziumcarbid unterstützen die Gerüstbildung.

Claims

1. Verfahren zur Schmelzinfiltration von porösen Körpern (10) mit flüssigem Metall bzw. Silizium, bei dem Metall bzw. Silizium (2) aufgeschmolzen und mit dem porösen Körper (10) in Kontakt gebracht wird, so daß das flüssige Metall bzw. Silizium in die Poren eindringt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere poröse Körper (10) übereinandergestapelt werden, wobei zwischen den Körpern metall- bzw. siliziumhaltige Formteile (1) als Abstandhalter eingebracht werden und der resultierende Stapel aus abwechselnd porösen Körpern (10) und metall- bzw. siliziumhaltigen Formteilen (1) erhitzt wird, so daß das Silizium (2) schmilzt und in die Poren der porösen Körper (10) eindringt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als poröse Körper C/C-Körper verwendet werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß siliziumhaltigen Formteile (10) verwendet werden, die neben Silizium (2) gerüstbildende Materialien (3, 4) enthalten, so daß nach dem Infiltrieren ein im wesentlichen siliziumfreies Gerüst (12) zurückbleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß siliziumhaltige Formteile (10) verwendet werden, die neben Silizium (2) ein oder mehrere Bindemittel (3) und Bornitrid (4) enthalten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel ein oder mehrere C-Precursoren, insbesondere Kunstharze wie Phenolharze verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß siliziumhaltige Formteile (1) verwendet werden, die ferner Kohlenstoff und/oder Siliziumcarbid enthalten.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als siliziumhaltige Formteile (1) Preßlinge verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Preßlinge verwendet werden, die Silizium (2) in Form von Pulver und/oder Granulat enthalten.

9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Schmelzinfiltration von C/C-Vorkörpern für Bremsscheiben, insbesondere für Fahrzeuge wie Kraftfahrzeuge und Nutzfahrzeuge.

10. Siliziumhaltiges Formteil (1), dadurch gekennzeichnet, daß es neben Silizium (2) ein oder mehrere unter Wärmeeinwirkung gerüstbildende Mittel (3, 4) enthält.

11. Siliziumhaltiges Formteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es neben Silizium (2) ein oder mehrere Bindemittel (3) und Bornitrid (4) enthält.

12. Siliziumhaltiges Formteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es als Bindemittel ein oder mehrere C-Precursoren, insbesondere Kunstharze wie Phenolharze enthält.

13. Siliziumhaltiges Formteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Kohlenstoff und/oder Siliziumcarbid enthält.

14. Siliziumhaltiges Formteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form eines Preßlings vorliegt.

15. Siliziumhaltiges Formteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßling Silizium (2) in Form von Pulver und/oder Granulat enthält.

16. Verfahren zur Herstellung von siliziumhaltigen Formteilen nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in Pulver- und/oder Granulatform vorliegenden Bestandteile (2, 3, 4) vermischt und zu einem Formteil verpreßt werden.

17. Verfahren zur Herstellung von siliziumhaltigen Formteilen nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das in Pulverform vorliegende Silizium (2) mit den in Pulver- und/oder Granulatform vorliegenden weiteren Bestandteilen (3, 4) vermischt und die Formteile (1) durch Strangpressen oder isostatisches Pressen hergestellt werden.

18. Verwendung des siliziumhaltigen Formteils nach einem der Ansprüche 10 bis 15 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.