DE3543342A1 - Verbund-werkstoff mit hoher verschleiss- und form-festigkeit und verfahren zur herstellung - Google Patents

Verbund-werkstoff mit hoher verschleiss- und form-festigkeit und verfahren zur herstellung

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Description

Für einige Bauteile von Maschinen und Anlagen beispielsweise von Motoren Turbinen oder Düsen-Triebwerken, müssen Werkstoffe ver­ wendet werden, die hohe Festigkeitswerte auch bei extremen Tempera­ turen aufweisen. Der Temperatur-Beständigkeit sind jedoch auch bei hoch-legierten Metallen Grenzen gesetzt.
Andererseits wäre es sehr erwünscht, gewisse Betriebstemperaturen noch über diese Grenzen hinaus zu steigern, um dan Wirkungsgrad zu verbessern.
Es werden daher seit mehreren Jahren insbesondere keramische Stoffe untersucht, da sie eine hohe Verschleiß- und Temperatur-Festigkeit besitzen. Allerdings gibt es Probleme mit der Zug-, Biege- und der Schwingungs-Festigkeit, da keramische Stoffe im allgemeinen spröde sind.
Daher hat man auch Kombinationen von keramischen Stoffen mit anderen Stoffen, die eine gute Zug- und Biegefestigkeit besitzen, untersucht. So wurden u.a. pulverisierte oder faserige Mischungen von kerami­ schem und anderem Material, beispielsweise Metall, zusammengesintert oder verschmolzen.
Um einerseits die Form-Stabilität des betreffenden Bauteils zu sichern, andererseits aber hoch-beanspruchte Oberflächen zu verfes­ tigen, hat man auch metallische Bauteile, z. B. Turbinen-Schaufeln, mit keramischen Massen beschichtet.
Umgekehrt wurden auch pulverisierte Mischungen, beispielsweise von Silicium und Aluminium mit Kohlenstoff und Sauerstoff, in keramische Bauteile an der Oberfläche eingepreßt und danach erhitzt, bis sie zusammen-gesintert oder verschmolzen waren. Es ergibt sich eine Ein­ lagerung von Teilchen aber keine durchgehende Material-Verbindung von Bestandteilen der Mischung im Gesamt-Bauteil.
Es verbleibt bei den bisher erprobten Verbund-Systemen eine gewisse Sprödigkeit und Bruch-Anfälligkeit.
Der erfindungsgemäß beschriebene Verbund-Werkstoff besitzt einer­ seits eine hohe Verschleiß- und Temperatur-Festigkeit, die insbe­ sondere aus einem harten Material mit hoher Schmelz-Temperatur, vor­ zugsweise aus keramischem Material, resultiert, und andererseits eine hohe Zug-, Druck- und Biege-Festigkeit, bzw. insgesamt Form- Festigkeit, die aus einer in das Hart-Material eingelagerten zähen Komponente, vorzugsweise aus Metall, resultiert.
Damit die zähe Material-Komponente in jedem Teil des Verbund-Werk­ stoffes wirksam ist, wird sie in Hohlräume eingefüllt, die im Hart- Material verteilt sind. Dabei ist es wichtig, daß die Hohlräume miteinander in Verbindung stehen, damit auch für den Füll-Stoff eine Verbindung, ein sog. Material-Schluß, entsteht. Dies ist der Fall bei sog. offenen Poren oder auch feinen Kanälen, wobei bei ersteren die Verbindung nach allen Richtungen besteht, bei den Kanälen nor­ malerweise nur in einer Richtung.
Die Hart-Material-Komponente des Verbund-Werkstoffes ist also gewis­ sermaßen ein Träger-Körper für den in die Hohlräume eingelagerten Füllstoff.
Damit der Füllstoff, beispielsweise ein Metall, in die Poren oder Kanäle eingebracht werden kann, wird er vorher verflüssigt und dann, beispielsweise unter der Wirkung von Schwerkraft, Druck oder Kapillar- Kräften, in die Hohlräume, die u.U. vorher evakuiert sein können, eingeleitet, wo er danach erstarrt.
Da keramische oder gesinterte Stoffe meist eine geringere Temperatur- Dehnung bzw. -Schrumpfung haben als Metalle, ist zu empfehlen, den Träger-Körper vor und während der Füllung so hoch als möglich auf­ zuheizen. Aber auch eine unterschiedliche Schrumpfung kann bei einigen Material-Kombinationen oder Anwendungen vorteilhaft sein, da dadurch die Komponenten miteinander fest verspannt werden.
Es entsteht somit als besonders vorteilhaftes Merkmal dieses Verbund- Systems in den Poren des Träger-Körpers ein räumliches Gitterwerk aus Metall, das die vorzugsweise keramischen Material-Teile nach Art eines sog. Form- und Kraft-Schlusses zuverlässig zusammenhält. Man könnte dieses Verbund-System auch als zwei ineinander vermaschte räumliche Gitter beschreiben.
Es werden die derart verbundenen Komponenten nachstehend auch als Verbund-Keramik bezeichnet.
Der Füllstoff hat also die Aufgabe der Form-Stabilität, während der Träger-Körper vornehmlich die Aufgabe der Verschleiß-Festigkeit hat.
Ein Füllstoff aus Metall in einer Gitter- oder Linien-Struktur bietet außerdem als Besonderheit die Möglichkeit einer guten Wärme­ ableitung aus Zonen hoher Temperatur- Beanspruchung zu gekühlten Zonen und auch eine Oberflächen-Gleitfähigkeit, die bei manchen An­ wendungen sehr erwünscht sein kann.
Als Material für den porösen oder mit Kanälen ausgestatteten Träger- Körper sind besonders geeignet keramische oder gesinterte Stoffe, beispielsweise harte Mineral- oder Tonerde-Keramik, wie z.B. Schamotte, Porzellan, oder auch Glas und Quarz besonders in Form von Glas- oder Quarz-Keramik, weiterhin verschiedene Arten von sog. Oxyd-Keramik, wie z.B. Aluminium-, Magnesium-, Zirkonoxyd, oder poröse Sonder-Keramiken, wie z.B. Siliciumnitrid und Siliciumkarbid, oder auch keramisierte Kunststoffe, wie z.B. aus Sinterpolystyrol und Polyurethanschaum.
Die Porosität im Träger-Material kann auf verschiedene Weise her­ gestellt werden, beispielsweise durch Zusammen-Backen bzw. -Glühen von Teilchen, durch Halb-Schmelzen bzw. Sintern oder mittels eines eingeschlossenen Schaum-Stoffes, der nach dem Verfahren entfernt wird.
Als Material für den Füllstoff sind geeignet insbesondere Metalle mit hohem Schmelzpunkt und hoher Festigkeit, wie z.B. Stahl, Kupfer, u.U. Titan oder Metall-Legierungen. Aber auch Mischungen von Metall und anderen Stoffen, wie z.B. Aluminiumoxyd-Pulver, könnten in flüssigem oder in einem breiigen Zustand als sog. Dispersion einge­ leitet und dann in den Hohlräumen zur Erstarrung gebracht werden.
Es ist auch möglich, den Träger-Körper aus einem Stück aber mit Schichten von verschiedener Poren-Größe auszuführen und aufzufüllen. Ebenso können Füllstoffe verschiedener Art in Schichten oder in anders geformten Zonen nebeneinander eingelagert werden beispiels­ weise mit der Absicht, in einer Schicht eine gute Wärmeleitfähigkeit und in einer anderen eine spezielle chemische Beständigkeit oder zusätzliche Festigkeit zu erreichen.
Auch Schichten oder Teil-Bereiche im Innern des Träger-Körpers mit offenen ungefüllten Poren oder Kanälen können u.U. vorteilhaft sein, beispielsweise zur Aufnahme eines Gleitmittels oder auch zur Durchströmung eines Kühl-Mediums. Für besondere Anwendungen könnte durch ein Medium auch Wärme zugeführt werden, die durch gefüllte Zonen im Träger-Körper weitergeleitet wird.
Wegen der vorbeschriebenen Eigenschaften und Variantan der Ausfüh­ rung sind derartige Verbund-Werkstoffe, insbesondere in der Kombi­ nation als Verbund-Keramik, besonders vorteilhaft prädestiniert für die Anwendung als Konstruktionselemente, die einerseits eine hohe Verschleiß- und Temperatur-Beständigkeit aber auch eine Form- Beständigkeit besitzen sollen mit der zusätzlichen Eigenschaft einer guten Wärmeleitfähigkeit zur Vermeidung von lokalen Überhitzungen. Dies wird erreicht durch die eingebetteten Gitter- oder Faden- Strukturen aus Metall im durchgehenden Material-Schluß.
Beispiele von Konstruktions-Bauteilen für einen vorteilhaften Ein­ satz derartiger Verbund-Werkstoffe sind u.a. Lagerschalen und Gleitringe, Zylinder-Laufbuchsen, Kolben, Düsen, Turbinen-Schaufeln.
Andersartige neue Möglichkeiten bieten die Verbund-Werkstoffe mit einer eingelagerten Metall-Struktur für elektrotechnische Anwendun­ gen, beispielsweise als Bauelemente mit bestimmten Werten für den elektrischen Widerstand und dabei auch speziell als Heiz-Elemente, wobei das keramische Träger-Material als Wärme-Speicher genutzt werden kann. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Speicher-Öfen mit eingebauten elektrischen Heiz-Elementen ist die nahezu homogene Verteilung der Heiz-Leiter in der Speicher-Masse mit optimaler Wärme-Zufuhr und -Abgabe.
Gegenüber den bisher bekannten Keramik- und Sinter-Werkstoffen ohne oder mit Beimischungen, die zwar eine hohe Verschleiß- und Temperatur- Festigkeit besitzen aber wegen Sprödigkeit zu Brüchen neigen, besitzen die erfindungsgemäß beschriebenen Verbund-Werstoffe zusätz­ lich eine gute Form-Stabilität und, je nach verwendeten Komponenten, weitere für gewisse Anwendungen vorteilhafte Eigenschaften, wie z.B. eine gute Wärmeleitfähigkeit.

Claims (11)

1. Verbund-Werkstoff und Verfahren zur Herstellung bestehend aus einem Träger-Körper mit Hohlräumen und darin eingelagertem Füllstoff
dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger-Körper ein nicht-metal­ lischer Feststoff ist, vorzugsweise aus verschleiß-festem und hoch-temperatur-beständigem Material,
daß die Hohlräume im Material des Träger-Körpers verteilte offene Poren sind
und daß der Füllstoff, vorzugsweise ein Metall, nach einer flüssi­ gen oder breiigen Phase der Einführung in den Poren erstarrt ist und zwar derart, daß die Poren-Füllungen sämtlich oder vorwie­ gend nach Art eines räumlichen Gitters miteinander in Verbindung stehen.
2. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume statt offene Poren im Material des Träger-Körpers verteilte, vorzugsweise gleichgerichtete, offene Kanäle sind.
3. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Träger-Körper besteht
aus keramischen oder gesinterten Stoffen,
beispielsweise aus Ton- oder Mineral-Keramik, wie z.B. Schamotte,
Porzellan, Magnesit,
oder aus Glas- oder Quarz-Keramik,
oder aus Oxyd-Keramik, wie z.B. Aluminiumoxyd, Magnesiumoxyd,
oder aus Sonderkeramiken, wie z.B. Siliciumnitrid, Siliciumkarbid,
oder aus keramisiertem Kunststoff, wie z.B. Sinterpolystyrol, gesintertem Polyurethanschaum.
4. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der eingelagerte Füllstoff besteht
aus Metall, wie z.B. Gußeisen, Stahl, Titan, Kupfer, Aluminium,
oder aus Metall-Legierungen, oder aus Metall-Kohle-Mischungen,
oder aus Mischungen von Metall und verschleiß- und temperatur­ beständigen Pulvern, wie z.B. Aluminiumoxyd,
oder aus einem Bindemittel, wie z.B. Wasserglas.
5. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Träger-Körper in Schichten nebeneinander oder in inneren Teil-Bereichen zwei oder mehrere unterschiedli­ che Füllstoffe eingelagert sind und/oder daß in einer oder mehreren Schichten oder Teil­ bereichen die Hohlräume ungefüllt sind.
6. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3-5 dadurch gekennzeichnet, daß der Träger- Körper aus Schichten oder Bereichen besteht mit unterschiedli­ cher Hohlraum-Größe und/oder -Anzahl.
7. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3-6 dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in flüssiger Form oder als Dispersion in die Hohlräume des Träger-Körpers eingeführt wird mit Hilfe der Schwerkraft, mit Hilfe von Über- oder Unterdruck oder mit Hilfe der Kapillar- Effekte in den Hohlräumen.
8. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3-7 dadurch gekennzeichnet, daß der Träger- Körper vor und/oder während der Einführung des Füllstoffes auf eine möglichst hohe Temperatur aufgeheizt wird, um unter­ schiedliche Wärme-Dehnungen bzw. -Schrumpfungen während der Abkühlung von Füllstoff und Träger-Körper weitgehend auszuglei­ chen.
9. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3-8 dadurch gekennzeichnet, daß hieraus technische Bauteile hergestellt sind, die eine hohe Verschleiß- und Temperatur-Festigkeit sowie auch Form-Festigkeit erfordern, wie z.B. Kolben, Düsen, Turbinen- Schaufeln, und/oder zusätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit im Material- Gefüge erfordern, wie z.B. Zylinder-Laufbuchsen, Lagerschalen, und / oder zusätzlich eine gute Gleit-Fähigkeit an der Ober­ fläche erfordern, wie z.B. Gleitringe.
10. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 und einem oder mehre­ ren der Ansprüche 3-8 dadurch gekennzeichnet, daß hieraus elektro-technische Bauteile hergestellt sind, die eine elektrische Leitfähigkeit und eine hohe Temperatur- Beständigkeit, vorzugsweise auch mit hoher Wärme-Speicher­ fähigkeit, erfordern, wie z.B. Widerstands- oder Heiz-Elemente.
11. Verbund-Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2 sowie Anspruch 5 und den Ansprüchen 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß bei betrieblicher Nutzung der Bauteile durch ungefüllte Hohl­ räume des Werkstoffes ein strömendes Medium, beispielsweise Gas oder Flüssigkeit, zur Abführung oder Zuführung von Wärme geleitet wird.
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