EP1751076B1

EP1751076B1 - Verfahren zur herstellung von metall-keramik-verbundwerkstoffen

Info

Publication number: EP1751076B1
Application number: EP20050740475
Authority: EP
Inventors: Gerd Meier; Ilka Lenke
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2025-05-12
Also published as: JP2007538148A; WO2005113464A1; DE102005019662A1; US20080230940A1; EP1751076A1

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen (MKV-Werkstoffen).
Die heute am Markt bekannten Herstellverfahren für Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe beruhen entweder auf dem Infiltrieren von porösen Vorkörpern mit flüssigen Metallen, dem Einrühren von Partikeln oder Fasern in metallische Schmelzen, dem Sprühkompaktieren von Metall-Keramik-Mischungen oder dem Schleuderguss.
Bei dem Infiltrierverfahren werden keramische Grundwerkstoffe verpresst und bei Temperaturen zwischen 900°C und 1200°C verfestigt. Anschließend werden die porösen Presskörper in einem zweiten, kostenintensiven Arbeitsschritt mit metallischen Werkstoffen infiltriert. Werden Partikeln oder Fasern in eine Schmelze eingerührt, ist der Füllgrad in der Regel auf maximal 25 Vol.-% begrenzt. Problematisch ist das Sedimentieren der Partikel in der flüssigen Schmelze, das ein inhomogenes Gefüge bewirkt. Alternative Herstellungsverfahren wie Schleuderguss führen aufgrund der Auswirkung der Fliehkraft auf die unterschiedlich schweren Hartstoffpartikel zu deren inhomogenen Verteilung in dem Werkstück. Bei Verwendung partikelverstärkter Spritzgussmassen besteht die Gefahr der Bildung von Texturen.
Die Herstellung von Formkörpern aus Hartmetallpulvern durch Pressen und einer gleichzeitigen oder anschließenden Wärmebehandlung ist bekannt. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen entscheiden die Werkstoffeigenschaften über das Mischungsverhältnis. Das Mischen von Hartstoffpulvern und Aluminiumpulvern zur Herstellung trocken gepresster Formkörper ist ein Beispiel dafür. Aufgrund der Gefahr von Entmischungen und dem Verlust der Homogenität liegt beispielsweise nach dem Stand der Technik bei der Zugabe von Hartstoffpartikeln zu Aluminiumpulver die Obergrenze bei etwa 20 Vol.-%.
Aus der DE 103 06 096 A1 sind Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einer Basiszusammensetzung aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 30 bis 75 Vol.-%, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 25 bis 70 Vol.-% als keramische Werkstoffe bekannt. Über das Verfahren zur Herstellung der Werkstoffe ist in dieser Schrift nichts ausgesagt.
Aus dem US-Patent 6,051,045 sind Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe bekannt, deren keramische Komponente durch eine Pyrolyse von Farbschlamm gewonnen wird. Die Verdichtung des Pulvers der Ausgangsstoffe zu einem Grünkörper erfolgt durch uniaxiales Pressen.
Erfindungsgemäß lassen sich Metall-Keramik-Pulver-Mischungen mit einem Keramikanteil zwischen 21 und 75 Vol.-% durch Trockenpressen zu stabilen Formkörpern pressen. Ein Teil der keramischen Werkstoffe wird durch Hartstoffe wie beispielsweise TiC, TiN, Ti(CN) und WC ersetzt.
Die Teilchengröße der jeweiligen Hartstoffpartikel oder Keramikpartikel liegt zwischen 0,2 µm und 150 µm, bevorzugt werden D50-Werte zwischen 30 µm und 70 µm.
Überraschenderweise sind auch die aus der Pulvermetallurgie bekannten hohen Pressdrücke von beispielhaft 6000 bar nicht notwendig. Bereits mit einem Pressdruck von 2000 bar können dichte und funktionsfähige Bauteile hergestellt werden.
Zum Trockenpressen werden Metall-Keramik-Pulver-Mischungen eingesetzt, gekennzeichnetdurch Basiszusämmensetzungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 25 bis 79 Vol-%, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 75 bis 21 Vol.-% als keramische Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoffe und Silicate.
Während des Pressvorgangs oder nach dem Pressen wird der verdichtete Pulverkörper thermisch behandelt, um das Gefüge zu verfestigen und die Verbundfestigkeit zu steigern.
Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einem Metallanteil von größer 50 Vol.-% werden Metal-Matrix-Composite (MMC) genannt. Liegt der Keramikanteil über 50 Vol.-%, wird der Werkstoff Ceramic-Matrix-Composite (CMC) genannt.
Die Werkstoffe haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was insbesondere vorteilhaft ist für eine schnelle und gleichmäßige Übertragung der Wärme von der Wärmequelle auf den zu erwärmenden Werkstoff unter Vermeidung örtlicher Überhitzung. Somit kann hier auch die Technik der wärmeunterstützten Formgebung mit einbezogen werden. Die gleichmäßige und schnelle Erwärmung des Formkörpers ist besonders vorteilhaft beim Heisspressen, wo die Wärmebehandlung im Presswerkzeug erfolgt. Sie ist die Voraussetzung für die Ausbildung eines gleichmäßigen Werkstoffgefüges. Denkbar ist auch die Verwendung von Mikrowellenstrahlung zur Erwärmung des Werkstoffs.
Bei einem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen können die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten, die als keramische Werkstoffe eingesetzt werden, bestehen. Die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen werden bei einem Pressdruck kleiner 2000 bar gepresst, wobei zur Verfestigung der gepressten Formkörper nachfolgend eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 500°C und 1000°C erfolgt.
Die eine oder die mehreren metallischen Phasen, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, haben einen Anteil von 25 bis 79 Vol.-% und die keramischen Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoff und Silicate, haben einen Anteil von 75 bis 21 Vol.-%, wobei ein Teil der keramischen Werkstoffe durch Hartstoffe wie beispielsweise TiC, TiN, Ti(CN) und WC ersetzt werden kann. Die Korngrößen der Pulver liegen zwischen 0,2 µm und 150 µm, die d50-Werte der Pulver liegen bevorzugt zwischen 30 µm und 70 µm.
Die Pulververdichtung zu Formkörpern erfolgt durch trockenes, isostatisches Pressen, wobei der Formkörper bereits beim Pressvorgang einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 550° C bis 700° C unterzogen wird.
Ein bekannter Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, umfasst eine Metall-Keramik-Pulver-Mischung aus 25 bis 79 Vol-% Al und 75 bis 21 Vol.-% SiC mit einer Korngröße zwischen 0,2 und 150 µm und mit d50-Werten zwischen 30 µm und 70 µm. Der gesinterte Formkörper weist eine Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK, eine Biegefestigkeit von 200 MPa und einen E-Modul von 200 GPa auf.
Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem vorbeschriebenen Verfahren, können in folgenden Bereichen verwendet werden:

als Basiswerkstoff für Lot-, Schweiß- und Reibschweiß-Verbindungstechniken mit metallischen Werkstoffen;
als Basiswerkstoff für Schrumpf-, Crimp- und Clips-Verbindungstechniken mit metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen;
als Gleitringe, Gegenringe, axiale Anlaufscheiben, Dichtscheiben, Radiallager, Seitenplatten für Pumpen und Verdichter, Rotoren, Flügel und Gehäuseringe von Flügelzellen- und Rotorzellen-Pumpen und Rotorzellen-Verdichtern;
im Bereich des Personen-, Fahrzeug- und Objektschutzes;
zum Schärfen von Messerschneiden und von Schnitt- und Trennkanten entsprechender Trennwerkzeuge;
als Wellen- und Achsenwerkstoff für Radial- und Axiallager;
in Dosier-, Regel- und Schließventilen und Armaturen;
in Mühlen und anderen Zerkleinerungseinrichtungen;
als Führung, zur Umlenkung und zur Texturierung von Fasern und Garnen, als Fadenbremse und als Rotorwerkstoff beim Rotorspinnen in der Textilindustrie;
beim Drahtziehen und bei der Drahtumformung;
als Komponente in der Fördertechnik;
als Schnittwerkzeug und als Schleifwerkzeug bei der Werkstückbearbeitung und der Oberflächenbearbeitung.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, wobei Metall-Keramik-Pulver-Mischungen, die aus einer oder mehreren metallischen Phasen und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten, die als keramische Werkstoffe eingesetzt werden, bestehen, wobei die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen bei einem Pressdruck kleiner 2000 bar gepresst werden, und wobei zur Verfestigung der gepressten Formkörper nachfolgend eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 500°C und 1000°C erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren metallischen Phasen, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, einen Anteil von 25 bis 79 Vol.-% und dass die keramischen Werkstoffe, ausgewählt aus Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Kohlenstoff und Silicaten, einen Anteil von 75 bis 21 Vol.-% haben, und wobei ein Teil der keramischen Werkstoffe durch Hartstoffe, ausgewählt aus TiC, TiN, Ti(CN) und WC, ersetzt wird, und wobei die Korngrößen der Pulver zwischen 0,2 µm und 150 µm, die bevorzugten d50-Werte zwischen 30 µm und 70 µm liegen und die Pulververdichtung zu Formkörpern durch trockenes, isostatisches Pressen erfolgt, wobei der Formkörper bereits beim Pressvorgang einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 550° C bis 700° C unterzogen wird.