DE3815957A1 - Process for joining ceramic bodies to other bodies, and also composite body - Google Patents

Process for joining ceramic bodies to other bodies, and also composite body

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Abstract

The invention relates to a process for joining (connecting, bonding) ceramic bodies (2) to other bodies (3), in particular of highly heat-resistant materials, and the composite body (1) thus formed. For this purpose, the ceramic body (2) is joined to an intermediate part (4) of nonferrous metal, in particular aluminium, by frictional welding. On the other side, the intermediate part (4) is joined to the other body (3), preferably by frictional welding or by other means. For the joining by frictional welding of the ceramic body (2) to the intermediate part (4), the intermediate part (4) is mounted in the frictional welding device with an overlap, the chuck (6) projecting over the frictional surface (8). As an alternative, the intermediate part (4) can also have a larger frictional surface (8) than the ceramic body (2) which penetrates through this during frictional welding and becomes surrounded by a collar-shaped build-up. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern mit anderen Körpern, insbesondere aus hochwarmfesten Werkstoffen, sowie einen Verbundkörper.The invention relates to a method for connecting ceramic bodies with other bodies, in particular high-temperature resistant materials, as well as a composite body.

In der Praxis hat es sich als schwierig herausgestellt, hochwarmfeste Werkstoffe, insbesondere hochwarmfeste Stähle, mit Keramik zu verbinden. Der metallische Werkstoff erlaubt zwar über den Reibvorgang und seinen relativ hohen Schmelzpunkt eine entsprechende Wärme in die Keramik einzubringen, was aber hinterher bei der Abkühlung wieder Probleme mit der Thermoschockbeständigkeit der Keramik und deren relativ geringen Scherfestigkeit bringt. Die direkte Verbindung zwischen den Werkstoffen weist außerdem eine unzureichende Festigkeit auf.In practice it turned out to be difficult highly heat-resistant materials, especially heat-resistant Steels to connect with ceramics. The metallic material allows about the rubbing process and its relatively high Melting point appropriate heat in the ceramic to bring in what afterwards when cooling again Problems with the thermal shock resistance of the ceramic and brings their relatively low shear strength. The direct one There is also a connection between the materials insufficient strength.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zur Verbindung von keramischen Körpern mit anderen Körpern, insbesondere solchen aus hochwarmfesten Werkstoffen, aufzuzeigen, die den keramischen Körper weniger belastet und eine höhere Festigkeit der Verbindungsstelle schafft.It is therefore an object of the present invention to Possibility to connect ceramic bodies with other bodies, especially those made of heat-resistant Materials to show off the ceramic body less stressed and a higher strength of the Liaison creates.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Kennzeichen des Verfahrens- und Sachhauptanspruches.The invention solves this problem with the features in Characteristic of the procedural and substantive claim.

Erfindungsgemäß wird die Einbeziehung eines Zwischenteiles aus Nichteisenmetall vorgeschlagen, das sich mit dem keramischen Körper in materialschonender Weise durch Reibschweißen verbinden läßt. Die Verbindung auf der anderen Seite zum anderen Körper erfolgt ebenfalls vorzugsweise durch Reibschweißen, kann aber auch auf andere Weise geschehen, beispielsweise Schweißen, Löten und dergleichen. Der andere Körper besteht aus Metall, insbesondere einem hochwarmfesten Stahl, kann aber auch ein zweiter Keramikkörper sein. Der nunmehr dreiteilige Verbundkörper zeigt insgesamt eine hohe Festigkeit an allen Verbindungsstellen und ist damit auch für kritische Bauteile, beispielsweise thermisch hochbelastete Flügelrad-Wellen in Turboladern geeignet. Hierzu empfiehlt sich auch die Verwendung eines Zwischenteiles aus gesintertem, warmfesten Aluminium.According to the invention, the inclusion of an intermediate part made of non-ferrous metal, which is compatible with the ceramic body in a material-saving manner Friction welding can be connected. The connection on the other side to the other body also takes place preferably by friction welding, but can also be applied to others  Done wise, such as welding, soldering and the like. The other body is made of metal, especially a heat-resistant steel, but can also be a second ceramic body. The now three-part Composite body shows a high strength on all Liaison points and is therefore also for critical Components, for example thermally highly stressed Impeller shafts suitable in turbochargers. Recommends this the use of an intermediate part sintered, heat-resistant aluminum.

Um eine sichere und feste Reibschweißverbindung zwischen dem keramischen Körper und dem Zwischenteil zu schaffen, empfiehlt es sich, das Zwischenteil an der Reibschweißvorrichtung mit Überlappung einzuspannen, um hierdurch ein radiales Ausweichen des Metalles beim Reibschweißen zu verhindern. Stattdessen oder zusätzlich kann auch eine Größenabstufung erfolgen, wonach das Zwischenteil eine größere Reibfläche als der keramische Körper aufweist.To ensure a secure and firm friction weld between to create the ceramic body and the intermediate part, it is advisable to attach the intermediate part to the Clamping friction welding device with overlap to thereby a radial evasion of the metal To prevent friction welding. Instead or in addition can also be graded, after which the Intermediate part has a larger friction surface than the ceramic Body.

Die vorgenannten Merkmale lassen sich mit Vorteil generell für jede Art der Keramik/NE-Metallverbindung einsetzen. Für den speziellen Fall des dreiteiligen Verbundkörpers bieten sie besondere Vorteile hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit, an die hier besonders hohe Ansprüche gestellt werden.The aforementioned features can generally be advantageously use for every type of ceramic / non-ferrous metal connection. For offer the special case of the three-part composite body they have special advantages in terms of Connection strength, to which particularly high demands are made be put.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch und beispielsweise dargestellt. Im einzelnen zeigtThe invention is schematic and in the drawings for example. In detail shows

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der Anordnung in der Reibschweißmaschine für die Verbindung des keramischen Körpers mit dem Zwischenteil und Fig. 1 is a schematic side view of the arrangement in the friction welding machine for the connection of the ceramic body with the intermediate part and

Fig. 2 den fertigen Verbundkörper. Fig. 2 shows the finished composite body.

Fig. 2 zeigt einen Verbundkörper (1), beispielsweise in Form einer mehrteiligen Flügelrad-Welle eines Turboladers. Der Verbundkörper (1) besteht aus einem keramischen Körper (2), hier das Flügelrad mit einem Wellenansatz, von dem der Einfachheit halber nur der Wellenstummel dargestellt ist. Der weitere Teil der Welle besteht aus einem Metallkörper (3) aus einem härtbaren Stahl oder einem anderen warmfesten Werkstoff. Der Körper (3) kann auch aus Keramik bestehen. Die Körper (2, 3) sind durch Einlage eines Zwischenteiles (4) aus einem Nichteisen-Metall verbunden. Wenn es wie im vorliegenden Fall auf eine hohe Verbindungsfestigkeit ankommt und wenn der Verbundkörper (1) noch einer Wärmebehandlung unterworfen werden soll, empfiehlt sich für das Zwischenteil (4) die Verwendung von gesintertem, warmfestem Aluminium, ein sogenanntes PM-Aluminium, oder einer entsprechenden Legierung. Ansonsten sind je nach Anwendungsbereich des Verbundkörpers auch andere Nichteisen-Metalle oder Legierungen verwendbar. Fig. 2 shows a composite body ( 1 ), for example in the form of a multi-part impeller shaft of a turbocharger. The composite body ( 1 ) consists of a ceramic body ( 2 ), here the impeller with a shaft extension, of which only the shaft end is shown for the sake of simplicity. The other part of the shaft consists of a metal body ( 3 ) made of hardenable steel or another heat-resistant material. The body ( 3 ) can also consist of ceramic. The bodies ( 2 , 3 ) are connected by inserting an intermediate part ( 4 ) made of a non-ferrous metal. If, as in the present case, a high connection strength is important and if the composite body ( 1 ) is still to be subjected to a heat treatment, the use of sintered, heat-resistant aluminum, a so-called PM aluminum, or a corresponding one is recommended for the intermediate part ( 4 ) Alloy. Otherwise, depending on the area of application of the composite body, other non-ferrous metals or alloys can also be used.

Die Teile (2, 4, 3) werden durch Reibschweißen - Drehen unter Reibdruck, Plastifizieren und anschließendes Stauchen - miteinander verbunden. Dies kann in normaler Art und Weise erfolgen. Die Teile sind hierbei an der Verbindungsstelle im wesentlichen gleich groß. Der keramische Körper und das Zwischenteil (4) sind beide jeweils in einer Spannvorrichtung (5) bündig oder etwas zurückversetzt eingespannt, mit deren Hilfe sie aufeinander zubewegt und relativ zueinander gedreht werden.The parts (2, 4, 3) by friction welding - interconnected - Turning under friction pressure, plasticizing and subsequent upsetting. This can be done in a normal way. The parts are essentially the same size at the connection point. The ceramic body and the intermediate part ( 4 ) are both clamped flush or slightly set back in a clamping device ( 5 ), with the aid of which they are moved towards one another and rotated relative to one another.

Fig. 1 zeigt demgegenüber eine besondere Reibschweißanordnung für die Verbindung des Zwischenteiles (4) mit dem keramischen Körper (2). Fig. 1 shows a special contrast Reibschweißanordnung for the connection of the intermediate part (4) with the ceramic body (2).

Das Zwischenteil (4) weist an der Verbindungsstelle eine größere Reibfläche (8) als der keramische Körper (2) auf. Dies hat beim Reibschweißen zur Folge, daß der keramische Körper (2) in das Zwischenteil (4) eindringt und von einem metallischen, ringförmigen Reibschweißwulst (7) dicht umschlossen wird (vgl. Fig. 2). Damit besteht zwischen den Teilen (2, 4) außer an der Stirnfläche auch an einem Stück des Umfanges eine Verbindung, die die Gesamtfestigkeit der Reibschweißverbindung erhöht. Wie der untere Teil von Fig. 1 verdeutlicht, kann das Zwischenteil (4) hierbei bündig im Futter (6) einer Spannvorrichtung (5) eingespannt sein.The intermediate part ( 4 ) has a larger friction surface ( 8 ) than the ceramic body ( 2 ) at the connection point. During friction welding, this has the consequence that the ceramic body ( 2 ) penetrates into the intermediate part ( 4 ) and is tightly enclosed by a metallic, ring-shaped friction welding bead ( 7 ) (cf. FIG. 2). Thus there is a connection between the parts ( 2 , 4 ) in addition to the end face and also on a piece of the circumference, which increases the overall strength of the friction welded connection. As the lower part of FIG. 1 illustrates, the intermediate part ( 4 ) can be clamped flush in the chuck ( 6 ) of a tensioning device ( 5 ).

Fig. 1 zeigt auch noch eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Reibschweißverbindung, die zusätzlich oder anstelle der vorgenannten Größenunterschiede benutzt werden kann. Auf Seiten des Zwischenteiles (4) ist das Spannfutter (6) mit Überlappung angesetzt und steht axial über die Reibfläche (8) vor. Das Spannfutter (6) hindert dann beim Stauchen den entstehenden Metallwulst am radialen Ausdrücken. Hierzu empfiehlt es sich, das Spannfutter (6) möglichst dicht geschlossen um den gesamten Umfang des Zwischenteiles (4) zu führen. Fig. 1 shows also a further possibility for influencing the friction-welded joint, which can be used in addition to or instead of the aforementioned differences in size. On the side of the intermediate part ( 4 ), the chuck ( 6 ) is placed with an overlap and projects axially beyond the friction surface ( 8 ). The chuck ( 6 ) then prevents the resulting metal bead from being squeezed out radially during upsetting. For this purpose it is advisable to close the chuck ( 6 ) as tightly as possible around the entire circumference of the intermediate part ( 4 ).

Die überlappte Einspannung ist besonders wirksam, wenn die Durchmesserunterschiede der Schweißteile gering sind.The overlapped clamping is particularly effective when the Differences in diameter of the welded parts are small.

Soweit ein deutlicher Größenunterschied zwischen den Reibflächen (8), etwa ein Durchmesserunterschied von 2 oder mehr mm, vorgesehen ist, ergibt sich die in Fig. 2 gezeigte Wulstanordnung. Hierbei legt sich der Ringwulst (7) besonders fest und dicht an den keramischen Körper (2) an. Die radiale Behinderung des Wulstes äußert sich auch in einer besseren Verbindung der beiden Teile (2, 4) an der Reibfläche (8). Besteht kein Größenunterschied zwischen den Teilen (2, 4), kann zur Erzielung der Wulstanordnung auch eine radiale, stufenförmige Ausnehmung im überstehenden Teil des Spannfutters (6) vorgesehen sein. Als weitere Alternative ist auch eine über die Verbindungsstelle geschobene wulstformende Hülse möglich.If there is a clear difference in size between the friction surfaces ( 8 ), for example a difference in diameter of 2 or more mm, the bead arrangement shown in FIG. 2 results. Here, the ring bead ( 7 ) lies particularly firmly and close to the ceramic body ( 2 ). The radial obstruction of the bead also manifests itself in a better connection of the two parts ( 2 , 4 ) on the friction surface ( 8 ). If there is no size difference between the parts ( 2 , 4 ), a radial, step-shaped recess can also be provided in the protruding part of the chuck ( 6 ) to achieve the bead arrangement. As a further alternative, a bead-forming sleeve pushed over the connection point is also possible.

Wenn keine oder nur eine geringfügige wulstbedingte Stufe am Übergang zwischen den Teilen (2, 4) gewünscht wird, wird der Durchmesserunterschied der Reibflächen gerade so groß bemessen, daß die zum Reibschweißen erforderliche relative Dreh- und Axialbewegung zwischen den Teilen (2, 4) möglich ist. Bei überlappter Einspannung entsteht kaum ein Wulst.If no or only a slight bead-related step at the transition between the parts ( 2 , 4 ) is desired, the diameter difference of the friction surfaces is dimensioned so large that the relative rotational and axial movement between the parts ( 2 , 4 ) required for friction welding is possible is. With overlapped clamping, there is hardly any bulge.

Das Zwischenteil (4) wird mit dem Metallkörper (3) am gegenüberliegenden Ende oder, je nach gewünschtem Bauteil oder Form, auch an einer anderen Seite verbunden. Dies geschieht vorzugsweise durch Reibschweißen. Hierbei kann die Wulstausformung ebenfalls beeinflußt werden. In Fig. 2 ist der Einfachheit halber nur eine glatte Verbindungsstelle dargestellt. Die Verbindung kann aber auch durch Löten, Schweißen oder dergleichen erfolgen. In Variation zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Dicke des Zwischenteils (4) auch wesentlich geringer sein, beispielsweise in Form einer dünnen Übergangsschicht.The intermediate part ( 4 ) is connected to the metal body ( 3 ) at the opposite end or, depending on the desired component or shape, also on another side. This is preferably done by friction welding. Here, the bead shape can also be influenced. In Fig. 2 only a smooth connection point is shown for the sake of simplicity. The connection can also be made by soldering, welding or the like. In a variation of the exemplary embodiment shown, the thickness of the intermediate part ( 4 ) can also be significantly smaller, for example in the form of a thin transition layer.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Teile (2, 3, 4) rotationssymmetrisch und bestehen aus Vollmaterial, d.h. sie weisen eine Zylinderform auf. Sie können aber auch rohrförmig gestaltet sein oder eine andere reibschweißgeeignete Formgebung besitzen. In the exemplary embodiment shown, the parts ( 2 , 3 , 4 ) are rotationally symmetrical and consist of solid material, ie they have a cylindrical shape. But they can also be tubular or have a different shape suitable for friction welding.

Stückliste:Parts list:

(1) Verbundkörper
(2) keramischer Körper
(3) anderer Körper, hochwarmfester Werkstoff, Metallkörper, Keramikkörper
(4) Zwischenteil, NE-Metallteil
(5) Spannvorrichtung
(6) Spannfutter, Spannbacke
(7) Wulst
(8) Reibfläche( 1 ) Composite body
( 2 ) ceramic body
( 3 ) other body, high temperature material, metal body, ceramic body
( 4 ) intermediate part, non-ferrous metal part
( 5 ) jig
( 6 ) chuck, jaw
( 7 ) Bead
( 8 ) friction surface

Claims (6)

1. Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern mit anderen Körpern, insbesondere aus hochwarmfesten Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper (2) mit einem Zwischenteil (4) aus NE-Metall durch Reibschweißen verbunden wird, das seinerseits wieder mit dem anderen Körper (3) verbunden wird.1. A method for connecting ceramic bodies with other bodies, in particular made of heat-resistant materials, characterized in that the ceramic body ( 2 ) is connected to an intermediate part ( 4 ) made of non-ferrous metal by friction welding, which in turn is connected to the other body ( 3 ) is connected. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (4) und der andere Körper (3) durch Reibschweißen verbunden werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate part ( 4 ) and the other body ( 3 ) are connected by friction welding. 3. Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern mit Teilen aus NE-Metall durch Reibschweißen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das NE-Metallteil (4) an der Reibschweißvorrichtung mit Überlappung eingespannt ist, wobei das Spannfutter (6) über die Reibfläche (8) vorragt.3. A method for connecting ceramic bodies with parts made of non-ferrous metal by friction welding, in particular according to claim 1, characterized in that the non-ferrous metal part ( 4 ) is clamped on the friction welding device with an overlap, the chuck ( 6 ) over the friction surface ( 8 ) protrudes. 4. Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern mit Teilen aus NE-Metall durch Reibschweißen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das NE-Metallteil (8) eine größere Reibfläche (8) als der keramische Körper (2) aufweist.4. A method for connecting ceramic bodies with parts made of non-ferrous metal by friction welding, in particular according to claim 1, characterized in that the non-ferrous metal part ( 8 ) has a larger friction surface ( 8 ) than the ceramic body ( 2 ). 5. Verbundkörper, bestehend aus einem keramischen Körper und einem Metallkörper, insbesondere nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem keramischen Körper (2) und dem Metallkörper (3) ein Zwischenteil (4) aus NE-Metall angeordnet ist. 5. Composite body, consisting of a ceramic body and a metal body, in particular according to claim 1 or one of the following, characterized in that an intermediate part ( 4 ) made of non-ferrous metal is arranged between the ceramic body ( 2 ) and the metal body ( 3 ) . 6. Verbundkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (4) aus gesintertem, warmfestem Aluminium besteht.6. Composite body according to claim 5, characterized in that the intermediate part ( 4 ) consists of sintered, heat-resistant aluminum.
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