DE4125469C2 - Metalll-Keramik-Verbundkörper - Google Patents

Metalll-Keramik-Verbundkörper

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metall-Keramik-Ver­ bundkörper nach der Gattung des Anspruchs 1.
Ein derartiger, beispielsweise für für Turbolader-Rotoren oder Turbinen-Rotoren verwendeter, Metall-Keramik-Verbundkörper besteht im allgemeinen aus einem Metallelement P1 mit einer Ausnehmung oder einem Durchgangsloch P2, in das ein Keramikelement P3 eingesetzt und dort verbunden ist, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist.
Auf den so aufgebauten Verbundkörper wird jedoch eine Druck­ kraft an einem Ende einer Kontaktfläche zwischen dem Metall­ element P1 und dem Keramikelement P3 ausgeübt, das heißt auf einen Verbindungs-Endbereich P4. Eine extrem große Belastung wird dadurch auf das Keramikelement P3 konzentriert. Eine derart extreme Belastungskonzentration verringert in ungünstiger Weise die Festigkeit des Verbundkörpers. Wegen einer großen axialen Zugkraft auf den Verbundkörper bewirkt eine mechanische oder thermische Belastung des Verbundkörpers, eine Ermüdung und Verschlechterung der Keramik und verringert deren Festigkeit in drastischer Weise.
Ein Metall-Keramik-Verbundkörper der eingangs genannten Gattung ist aus der DE 31 33 158 C1 bekannt. Ein keramischer Fuß wird dort durch Zentrifugalkraft gegen eine Fläche gepreßt, wobei eine Metallpulversuspension zuvor im dünnflüssigen Zustand auf die aneinanderliegenden Flächen aufgepinselt wird. Nach reduzierendem Erhitzen entsteht dann ein Belag, der an den Preßflächen haftet. Durch diesen Belag werden die aneinanderliegenden Metall- und Kermikflächen chemisch miteinander verbunden.
In der JP-GM Sho 61-176 231 werden weitere Methoden zur Milderung der Belastungskonzentration vorgeschlagen, die eine Glättung des Verbindungs-Endbereichs der Kontaktflächen zwischen dem Keramikelement und dem Metallelement vor der Verbindung und Bildung einer Nut am Umfang einer Büchse am Verbindungs-Endbereich beinhalten. Solche Verfahren erfordern jedoch eine hohe Arbeitsgenauigkeit, erhöhen die Arbeitsschritte und begrenzen den Freiheitsgrad für das Design. Gemäß dieses Verfahrens wird zur Milderung der Belastungskonzentration der Metall-Keramik-Verbundkörper mit einer Schicht aus Molybdändisulfid, um den Reibungswiderstand zu verringern. Dies verringert die Torsions­ festigkeit und die Rutschfestigkeit bei einer Milderung der Belastungskonzentration. Zwar könnte eine lange Kontaktfläche die Verringerung dieser Festigkeiten kompensieren, jedoch wird dann neben der Größe das Gewicht des Verbundkörpers erhöht, der dadurch nicht mehr für manche Anwendungen geeignet ist, wie z. B. für Turbolader wegen der Beschränkung hinsichtlich der Gestalt.
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Metall-Keramik-Verbundkörper mit größerer Festigkeit bei gleicher Größe zu schaffen, der keine chemischen Verbindungsmittel benötigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Metall-Keramik-Verbundkörper besitzt eine hohe Torsionsfestigkeit und Rutschfestigkeit bei geringer Belastungskonzentration. Dieser Metall-Keramik-Verbundkörper eignet sich vor allem für Turbolader oder Gasturbinen. Die hohe Festigkeit wird erreicht, obwohl ausschließlich eine mechanische Preßverbindung vorliegt. Es werden weder chemische Verbindungsmittel noch Lote benötigt. Die Kombination eines Bereichs mit einem kleineren Reibungskoeffizienten und eines Bereichs mit einem größeren Reibungskoeffizienten mildert die Belastungskonzentration und führt zu einer hohen Bindungsfestigkeit.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Metall-Keramik-Verbundkörpers möglich.
Der unbehandelte Oberflächenbereich kann eine unterschiedliche Gestalt aufweisen, ist jedoch vorzugsweise als umfangsseitiger Bandbereich entlang der zylindrischen Kontaktfläche ausgebildet, oder bildet eine oder mehrere Stellen an der Kontaktfläche, da die Belastung einheitlich einwirkt.
Der unbehandelte Oberflächenbereich in Bandform weist eine Breite auf, die eine geeignete Reibungskraft erzeugt, und erstreckt sich auf 35-95% der Länge der Kontaktfläche.
Der Verbundkörper weist einen kleineren Reibungskoeffizienten am Verbindungs-Endbereich oder in dessen Nähe auf, um die Belastungskonzentration zu mildern, und weist einen größeren Reibungskoeffizienten an einem anderen Bereich auf, um die hohe Verbindungsfestigkeit aufrechtzuerhalten. Dadurch wird eine Verschlechterung der Keramiken auf Grund von Belastungskonzentration verhindert und die Torsionsfestigkeit und Rutschfestigkeit erhöht.
Die Oberflächenbehandlung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten umfaßt ein Plattieren, Vakuumbedampfen oder Sputtern mit einer Metallfolie oder Metallschicht oder die Anwendung von Graphit oder Molybdändisulfid.
Wie deutlich aus verschiedenen Tests und FEM-Belastungsanalysen hervorgeht, weisen Metall-Keramik-Verbundkörper allgemein eine extreme Belastungskonzentration auf, die in der Nähe eines Verbindungs-Endbereichs eines Keramikelements beobachtet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung ausführlich erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen Metall-Keramik-Verbundkörpers,
Fig. 2 eine zum Teil unterbrochene perspektivische Darstellung eines Verbundkörpers, der einen behandelten Oberflächenbereich auf einem Metallelement aufweist,
Fig. 3 eine zum Teil unterbrochene perspektivische Darstellung eines Verbundkörpers, der einen behandelten Oberflächenbereich auf einem Keramikelement aufweist,
Fig. 4 eine zum Teil unterbrochene perspektivische Darstellung eines weiteren Verbundkörpers, der einen behandelten Oberflächenbereich auf einem Metallelement aufweist,
Fig. 5 eine zum Teil unterbrochene perspektivische Darstel­ lung eines weiteren Verbundkörpers, der einen be­ handelten Oberflächenbereich auf einem Keramikelement aufweist, und
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines Verbundkörpers gemäß dem Stand der Technik.
Der Verbundkörper 1 enthält ein festes zylindrisches Keramik­ element 2 (⌀15 mm) aus Siliziumnitrid und eine zylindrisches Metallelement 3 (⌀20 mm) aus einem legierten Stahl mit einem geringen Wärmedehnungsfaktor wie Incoloy 903. Das Keramik­ element 2 ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 4 des zylin­ drischen Metallelements 3 durch Druckeinpressung bei Raum­ temperatur unter Atmosphäre verbunden. Eine im Kontakt mit dem Keramikelement 2 stehende Innenfläche der Ausnehmung 4 oder eine Kontaktfläche 5 des Metallelements 3 weist eine Länge l von 3 mm (ebenso wie eine Kontaktfläche des Keramik­ elements 2) bei einem Übermaß von 75µm auf.
Ausführungsbeispiele des Verbundkörpers einschließlich eines behandelten Oberflächenbereichs von verschiedener Gestalt werden nachfolgend beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Verbundkörper 1 einen behandelten Oberflächenbereich 10 an der Kontaktfläche 5 des Metallelements 3 gemäß Fig. 2 auf. Der behandelte Ober­ flächenbereich 10 ist ein Band mit einem geringeren Reibungs­ koeffizienten, der einen Verbindungs-Endbereich 9 aufweist und an der Öffnung der Ausnehmung 4 angeformt ist. Der behandel­ te Oberflächenbereich 10 am Umfang der Kontaktfläche 5 ist zuerst mit einer Nickel-Platierungsschicht von 1 µm Dicke überdeckt und dann mit einer Silber-Platierung von 5 µm Dicke und 1 mm weit vom Verbindungs-Endbereich 9 versehen.
Die Kontaktfläche 5 weist auch ein unbehandeltes Band 12 von 2 mm Breite zur Verbesserung der Torsionsfestigkeit und der Rutschfestigkeit auf. Die Fläche des unbehandelten Bandes 12 umfaßt 67% der ringförmigen Kontaktfläche 5 ohne Berück­ sichtigung eines Bodenbereichs 13.
Ausführungsbeispiel 2
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Verbundkörper 1 einen behandelten Oberflächenbereich 21 an einem Keramikelement 20 gemäß Fig. 3 auf. Der mit einem kleineren Reibungskoeffi­ zienten versehene, bandförmige, behandelte Oberflächenbereich 21, der einen Verbindungs-Endbereich 25 aufweist, ist an einer Kontaktfläche 23 des Keramik-Elements 20 angeformt. Der behandelte Oberflächenbereich 21 am Umfang der Kontakt­ fläche 23 ist mit Molybdändisulfid bedeckt und erstreckt sich 1 mm vom Verbindungs-Endbereich 25 weg. Das Keramik­ element 20 weist auch einen unbehandelten Bereich 24 auf, der 67% der ringförmigen Kontaktfläche 23 umfaßt.
Ausführungsbeispiel 3
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Verbundkörper 1 einen behandelten Oberflächenbereich 32 an einem Metallelement 31 auf, das mit einem Keramikelement 30 gemäß Fig. 4 verbunden ist. Der behandelte Oberflächenbereich 32 am Umfang einer Kontaktfläche 33 ist entsprechend dem ersten Ausführungsbei­ spiel mit Silber platiert. Das Metallelement 31 weist mehrere unbehandelte Stellen 34 auf, die durch den behandelten Ober­ flächenbereich 32 umgeben sind und die 45% der Kontaktfläche 33 umfassen.
Ausführungsbeispiel 4
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Verbundkörper 1 einen behandelten Oberflächenbereich 41 an einem Keramikelement 40 gemäß Fig. 5 auf. Der behandelte Oberflächenbereich 41 am Umfang einer Kontaktfläche 42 ist mit Molybdändisulfid entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel überdeckt. Das Keramikelement 40 weist eine Vielzahl unbehandelter Stellen 43 auf, die vom behandelten Oberflächenbereich 41 umgeben sind und die 45% der Kontaktfläche 42 umfassen.
Bei den Ausführungsbeispielen 3 und 4 kann der Verbundkörper 1 zwei einander gegenüberliegende unbehandelte Stellen 34 bzw. 43 aufweisen oder vier unbehandelte Stellen, die senk­ recht zueinander angeordnet sind. Die Zahl und die Position der unbehandelten Stellen sind nicht begrenzt, solange die vorstehenden Bedingungen erfüllt sind.
Die Vorteile der Ausführungsbeispiele wurden durch den folgenden Test ermittelt.
Test
Drei Verbundkörper gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 und drei Verbundkörper gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 wurden jeweils als Proben 1 bis 3 sowie 4 bis 6 hergestellt und ausgewertet. Die Tabelle 1 zeigt als Ergebnisse des Tests die Grenz-Biege­ festigkeit bei einem Hitze- Zyklus und die Torsionsfestigkeit bei Raumtemperatur und beim Erhitzen auf 450°C.
Verbundkörper, bei denen die ganze Kontaktfläche des Metall­ elements silberplatiert ist (Referenz-Nummern 7 bis 9), solche, bei denen die ganze Kontaktfläche des Keramikelements mit Molybdändisulfid überdeckt ist (Referenz-Nummern 10 bis 12), und solche ohne jegliche Oberflächenbehandlung (Referenz- Nummern 13 bis 17) wurden ebenfalls hergestellt und in der gleichen Weise ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben.
Tabelle 1
Wie deutlich aus Tabelle 1 zu sehen ist, weisen alle Proben 1 bis 6 mit einem oberflächenbehandelten Bereich in der Nähe der Kontakt-Endfläche eine Grenz-Biegefestigkeit von 40 kp/mm² oder mehr bei einem Hitze-Zyklus und eine Torsionsfestigkeit von 6,0 kp/mm² oder mehr bei Raumtemperatur und während des Erhitzens auf. Somit weisen die Metall-Keramik-Verbundkörper gemäß den Ausführungsbeispielen ausgezeichnete Eigenschaften ein­ schließlich einer ausreichenden Festigkeit auf.
Im Gegensatz dazu besitzen die Proben mit den Referenz-Nummern 7 bis 12, bei denen die ganze Kontaktfläche behandelt ist, eine ausreichende Grenz-Biegefestigkeit bei einem Hitze- Zyklus, jedoch eine geringere Torsionsfestigkeit. Die Proben mit den Referenz-Nummern 13 bis 17 ohne jegliche Oberflächen­ behandlung haben eine ausreichende Torsionsfestigkeit, jedoch eine geringere Grenz-Biegefestigkeit bei einem Hitze-Zyklus.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt der Metall-Keramik-Verbund­ körper gemäß der Erfindung einen behandelten Oberflächenbereich und einen unbehandelten Bereich in vorbestimmten Positionen. Weil eine auf den Verbindungs-Endbereich ausgeübte Druckkraft in ausreichender Weise reduziert wird, wirkt eine extreme Belastungskonzentration auf das Keramikelement, und die Festig­ keit des Verbundkörpers bleibt hoch. Durch die Erfindung wird die axiale Zugkraft reduziert, wodurch Ermüdung oder Verschlechterung der Keramiken verhindert wird und dadurch die geeignete Festigkeit selbst unter wiederholter Lastbe­ anspruchung oder thermischer Beanspruchung aufrechterhalten wird.
Wenn der unbehandelte Bereich 35-95% der Gesamtfläche einer Kontaktfläche umfaßt, wird die erfindungsgemäße Wirkung bevorzugt erreicht.

Claims (14)

1. Metall-Keramik-Verbundkörper, bei dem ein Bereich eines Keramikelementes mit einem Metallelement durch Druckbeaufschlagung entsprechender Kontaktflächen fest verbunden ist, wobei wenigstens eine der Kontaktflächen des Metallelements und/oder des Keramikelements einen behandelten Oberflächenbereich in der Nähe ihres Verbindungs-Endbereichs und wenigstens eine der Kontaktflächen einen unbehandelten Oberflächenbereich an einer anderen, nicht in der Nähe des Verbindungs- Endbereichs gelegenen Stelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (2; 20; 30; 40) in eine Ausnehmung (4) oder Öffnung des Metallelements (3; 31) mechanisch fest eingepreßt ist.
2. Verbundkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der behandelte Oberflächenbereich (10; 21; 32; 41) einen geringeren Reibungskoeffizienten und der unbehandelte Bereich (12; 24) einen größeren Reibungskoeffizienten aufweist.
3. Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (2; 20, 30; 40) einen zylindrischen Körper und das Metallelement (3; 31) einen zylindrischen Körper mit einer Ausnehmung (4) oder einem Durchgangsloch aufweist.
4. Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf dem Keramikelement (2; 20; 30; 40) oder dem Metallelement (3; 31) gebildete unbehandel­ te Oberflächenbereich (12; 24) 35-95% der Kontaktfläche ausmacht.
5. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der unbehandelte Oberflächenbereich (12; 24) als umfangsseitiger Bandbereich entlang der Kontaktfläche (5; 23) ausgebildet ist.
6. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der unbehandelte Oberflächenbereich (24; 43) eine oder mehrere Stellen an der Kontaktfläche (33; 42) bildet.
7. Verbundkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der umfangsseitige Bandbereich eine zur Erzielung einer geeigneten Zugkraft erforderliche Breite aufweist.
8. Verbundkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des bandförmigen Bereichs 35-95% der Länge der Kontaktfläche (5; 23) ausmacht.
9. Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der behandelte Oberflächenbereich (10; 21; 32; 41) mit einer Metallfolie oder Metallschicht durch Plattieren, Vakuumbedampfen oder Sputtern überzogen ist.
10. Verbundkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie oder Metallschicht Silber enthält.
11. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der behandelte Oberflächenbereich (10; 21; 32; 41) mit Molybdändisulfid überzogen ist.
12. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der behandelte Oberflächenbereich (10; 21; 32; 41) mit Graphit überzogen ist.
13. Verbundkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Turbolader-Rotor oder Teil eines Turbolader-Rotors.
14. Verbundkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn­ zeichnet durch die Ausbildung als Teil einer Gasturbine.
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