EP2089341A1 - Material for tribological applications - Google Patents

Material for tribological applications

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Publication number
EP2089341A1
EP2089341A1 EP07820119A EP07820119A EP2089341A1 EP 2089341 A1 EP2089341 A1 EP 2089341A1 EP 07820119 A EP07820119 A EP 07820119A EP 07820119 A EP07820119 A EP 07820119A EP 2089341 A1 EP2089341 A1 EP 2089341A1
Authority
EP
European Patent Office
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ceramic
copper
preform
metal
copper alloy
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07820119A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gert Lindemann
Matthias Leonhardt
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/5127—Cu, e.g. Cu-CuO eutectic
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88—Metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Compositions of linings; Methods of manufacturing
    • F16D69/027—Compositions based on metals or inorganic oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00241—Physical properties of the materials not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00362—Friction materials, e.g. used as brake linings, anti-skid materials

Definitions

  • the present invention relates to a material for tribological applications according to the preamble of claim 1.
  • MMC Metal-Matrix Composites
  • Preform MMC materials are more resistant to corrosion and wear than cast MMC materials.
  • Brake discs and brake drums have been made from cast-MMC aluminum-based materials since 1997.
  • the rear axle brake drums of the VW small car model Lupo 3L are made of a material with the brand name Duralcan. This material is composed of 80% by volume of an aluminum casting alloy and 20% by volume of ceramic particles (SiC) and is produced by the so-called "stir-casting" process described in US Pat. No.
  • Object of the present invention is therefore to provide a material for tribological applications, in particular as a brake disc or drum, which despite high weight has a high temperature resistance and also ensures a significant improvement in wear and corrosion resistance.
  • a metal-ceramic composite material is provided in particular for tribological applications, comprising a preform made of a ceramic material, as well as a metal component copper or a copper alloy, the proportion of ceramic ranging between 30 and 80 vol.% And the proportion of Copper or copper alloy ranges between 20% and 70% by volume.
  • the significantly higher achievable ceramic content of up to 80% by volume compared with cast MMCs has an advantageous effect on the wear and corrosion resistance of the materials. This leads to a longer service life, higher optical brilliance and improved braking comfort.
  • a significantly higher operating temperature is also possible compared to aluminum-based materials.
  • the materials according to the invention can therefore be used as brake materials for a significantly expanded vehicle segment.
  • the proportion of copper or copper alloy on the metal-ceramic composite is particularly preferably 25-60 vol .-%.
  • the ceramic material used for the preform are oxides (eg TiO 2 , Al 2 O 3 ), carbides (eg SiC, TiC, WC, B 4 C), nitrides (eg Si 3 N 4 , BN, AlN, ZrN, TiN), borides (eg TiB 2 ) and / or silicates in question.
  • the ceramic material is preferably present in the production of the preform in particle or fiber form.
  • these ceramics may also serve as reinforcing or functional elements (e.g., SiC or AIN for improving thermal conductivity, ceramic fibers for improving fracture toughness and strength, etc.).
  • SiC or AIN for improving thermal conductivity
  • ceramic fibers for improving fracture toughness and strength, etc.
  • the preform has a porous ceramic basic structure, into which the copper melt or the molten alloy is infiltrated, an intimate connection between the preform and the solidifying metal results. In doing so, inter- - A -
  • the strength and toughness of the body is further increased.
  • the proportion of ceramic on the metal-ceramic composite is particularly preferably 40-75% by volume.
  • a component for tribological applications in particular in vehicle construction, provided, comprising a metal-ceramic composite material according to one of the preceding claims.
  • brake disks or drums are considered here as components, but also other components which have to endure high mechanical and thermal loads, at the same time have a low specific weight and, moreover, have to be resistant to corrosion, in particular in the automotive, motorcycle and aircraft industries shipbuilding.
  • the components preferably have a thermal conductivity ()> 70 W / m K in order to avoid high thermal gradients or high thermal stresses, which may occur as a result of the high energy input during the friction stress. This is particularly caused by the copper content, since copper has a very high specific thermal conductivity.
  • the strength of the components is> 200 MPa, preferably> 350 MPa. This is where the higher ceramic content compared to Cast-MMCs comes into play.
  • a maximum service temperature of> 800 ° C is desired. This is also achieved by the copper content, since copper and copper alloys have higher melting points than aluminum or aluminum alloys.
  • the porosity of the preform amounts to 20-70% by volume, preferably 25-60% by volume.
  • Porosity is to be understood as meaning the ratio of the volume of all cavities of a porous solid to its outer volume, the cavities being generally networked together and being in exchange or interconnected with the atmosphere surrounding the porous solid (so-called open porosity). It is therefore a measure of how much space the actual solid fills within a certain volume or which cavities it leaves in this volume.
  • the pores are usually filled with air. Due to the porosity of a preform, therefore, the volume fractions of the ceramic and metal components of a preform MMC to be expected later are usually determined.
  • Solidification of the molten metal in the infiltration front must also be ensured that the ceramic preform has one of the melting temperature near temperature, the temperature difference should not be greater than 35O 0 C, preferably not greater than 100 0 C.
  • the casting tool should preferably be preheated, and direct contact between the casting tool and preform should be avoided, e.g. by spacers or lining with an insulating material such as ceramic paper or fleece.
  • An additional measure may be to surround the preheated ceramic preform with an insulating sheath, for example with ceramic paper or fleece or a steel hollow body adapted to the shape.
  • the infiltration with molten metal is reaction-assisted or non-reactive, ie there is only a reaction limited to the surface zone of the ceramic phase or there is no reaction between metal and ceramic. phase instead.
  • the infiltration quality can be improved and the infiltration pressure can be lowered (the cause of this is the released reaction heat or the changed surface tension due to the newly formed interface phase).
  • one or more pore formers are added to the ceramic material prior to sintering. These are usually elongated, easily burnable materials that burn during sintering, creating a network of channels and pores that facilitate subsequent infiltration of the molten metal and allow intimate bonding between the preform and the solidifying metal.
  • the channels produced in this way can have widths of 2 to 50 ⁇ m, preferably 5 to 30 ⁇ m. By the channels filling in the finished body metal channels, the strength and toughness of the body is further increased.
  • the pore formers have a significant influence on the setting of a specific porosity.
  • pore formers can also be used in particular in the production of ceramic preforms in order to produce a network of pore channels, which result in a better infiltrability of the preform; the pore channels act as infiltration channels here.
  • the resulting metal channels increase the strength and toughness of the material.
  • cellulose flakes or fibers having a volume fraction of 1 to 30%, preferably 2 to 20%.
  • pore formers z.
  • Ru ß- particles rice starch or organic macromolecules, such. Fullerenes or nanotubes conceivable.
  • pore formers are all those materials which burn, disintegrate or outgas during sintering, thus creating voids in the material.
  • melt of copper or copper alloy is infiltrated by applying an external pressure.
  • gas pressure infiltration or melt infiltration by means of the known technique of "squeeze casting" are possible here as possible processes
  • the mechanical strength of the obtained Cu-MMC material was determined to be 384 MPa, the thermal conductivity of 91 W / m K.
  • the corrosion rate of this Cu MMC in water at 35 0 C by a factor of 28 lower than in gray cast iron and the wear rate is to 2 orders of magnitude lower than that of gray cast iron.

Abstract

The invention relates to a metal-ceramic-composite material, in particular, for tribological applications. Said material comprises a preform made of a ceramic material, and copper or a copper alloy as a metallic component. The ceramic fraction is between 30 and 80 % in vol. and the fraction of copper or copper alloy is between 20 and 70 % in vol.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Werkstoff für tribologische AnwendungenMaterial for tribological applications
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstoff für tribologische Anwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a material for tribological applications according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
Steigende Anforderungen an tribologische, d.h. auf Reibung beanspruchte Bauteile, insbesondere an die in Fahrzeugen eingesetzten Bremsscheiben oder -trommeln, erfordern Werkstoffe mit hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit, sowie hoher Temperaturbeständigkeit bis hin zu Temperaturen von 9000C.Increasing demands on tribological components, ie on friction-stressed components, in particular on the brake discs or drums used in vehicles, require materials with high corrosion and wear resistance, high thermal conductivity and high mechanical strength, and high temperature resistance up to temperatures of 900 ° C.
Üblicherweise für solche Einsatzzwecke verwendete Materialien, wie z.B. Grauguss, können diese Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, bereits häufig schon jetzt, insbesondere jedoch für zukünftig zu erwartende Anforderungsprofile, nicht mehr erfüllen.Commonly used materials for such purposes, e.g. Gray cast iron, these requirements, especially in terms of corrosion and wear resistance, already often, but especially now for future expected requirement profiles, no longer meet.
Ein neuer Materialansatz sind Verbundwerkstoffe auf Basis korrosionsbeständiger Metallphasen und verschleißmindernder Keramikanteiler, insbesondere sogenannte Metall- Keramik- Verbundwerkstoffe (z. B. „Metal-Matrix Composites" = MMC). Man unterscheidet hierbei einerseits „Cast- M M C"- Werkstoffe, bei welchen bis zu 20 Vol.-% keramische Fasern oder Partikel der zu vergießenden Metallphase untergemischt werden, und andererseits „Preform-MMC"- Materialien, zu deren Herstellung poröse keramische Vorkörper (sog. Preforms) mit einer Metallschmelze unter Aufbringung eines äußeren Druckes infiltriert werden.A new material approach is composites based on corrosion-resistant metal phases and wear-reducing ceramic partitions, in particular so-called metal-ceramic composites (eg "Metal-Matrix Composites" = MMC) to 20% by volume of ceramic fibers or particles of the metal phase to be cast, and on the other hand "preform MMC" materials, for the production of which porous preforms are infiltrated with a molten metal under application of an external pressure.
Im Ergebnis entstehen im letzteren Fall interpenetrierende Netzwerke aus Keramik- und Metallphase mit realisierbaren Keramikanteilen von bis zu 80 Vol.-%. Der hohe Keramikanteil bedingt, dass Preform-MMC-Werkstoffe gegenüber Cast-MMC- Werkstoffen korrosions- und verschleiß- resistenter sind.As a result, in the latter case interpenetrating networks of ceramic and metal phase with realizable ceramic proportions of up to 80 vol .-%. The high ceramic content requires, Preform MMC materials are more resistant to corrosion and wear than cast MMC materials.
Schon seit 1997 werden Bremsscheiben und Bremstrommeln aus Cast-MMC Werkstoffen auf Aluminiumbasis hergestellt. Beispielsweise sind die Hinterachs-Bremstrommeln des VW- Kleinwagenmodells Lupo 3L aus einem Werkstoff mit dem Markennamen Duralcan gefertigt. Dieser Werkstoff setzt sich aus 80 Vol.-% einer Aluminium-Gusslegierung und 20 Vol.-% Keramikpartikel (SiC) zusammen und wird mit dem sogenannten „Stir- Casting- Verfahren" hergestellt, das in der US 4865806 be- schrieben ist. Vorteilhaft ist dabei die durch den überwiegenden Einsatz einer Aluminiumlegierung erzielte niedrige Dichte des Materials (2,8 g/cm3 gegenüber Bremsscheiben aus dem Standardmaterial Grauguss von 7,2 g/cm3). Nachteilig wirkt sich bei diesem Materialansatz der für Cast-MMCs charakteristische niedrige Keramikanteil aus, der das Potenzial zur Steigerung der Verschleiß- beständigkeit stark einschränkt.Brake discs and brake drums have been made from cast-MMC aluminum-based materials since 1997. For example, the rear axle brake drums of the VW small car model Lupo 3L are made of a material with the brand name Duralcan. This material is composed of 80% by volume of an aluminum casting alloy and 20% by volume of ceramic particles (SiC) and is produced by the so-called "stir-casting" process described in US Pat. No. 4,865,806 In this case, the low density of the material achieved by the predominant use of an aluminum alloy (2.8 g / cm 3 compared to brake disks made of the standard gray cast iron material of 7.2 g / cm 3 ) has a disadvantageous effect on this material approach, which is characteristic for cast MMCs low ceramic content, which severely limits the potential for increasing wear resistance.
Hinzu kommt, dass im Allgemeinen für aluminiumbasierte Cast- und Preform-MMC-Materialien gilt, dass die niedrige Schmelz- und Erweichungstemperatur der relevanten Aluminiumlegierun- gen von unter 6000C einen Einsatz als Bremsenmaterial für schwere und leistungsstarke Fahrzeuge, also insbesondere Mittel- und Oberklassefahrzeuge, SUV, Vans und Sportwagen, ausschließt, da hier hohe Bremstemperaturen zu erwarten sind. Dies ist durch den hohen Energieübertrag auf die Reibfläche der Bremsscheibe bzw. -trommel während des Bremsvorgangs begründet, der zu Temperaturen von über 7000C führen kann.In addition, in general, for aluminum-based cast and preform MMC materials is considered that the low melting and softening temperature of the relevant aluminum alloys below 600 0 C use as a brake material for heavy and powerful cars, thus in particular Central and Upper class vehicles, SUVs, vans and sports cars, excludes, as here high braking temperatures are expected. This is due to the high energy transfer to the friction surface of the brake disc or drum during the braking process, which can lead to temperatures of about 700 0 C.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Werkstoffe für tribologische Anwendungen, insbesondere als Bremsscheibe oder Trommel, bereitzustellen, der trotz geringen Gewichts eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist und überdies eine deutliche Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet.Object of the present invention is therefore to provide a material for tribological applications, in particular as a brake disc or drum, which despite high weight has a high temperature resistance and also ensures a significant improvement in wear and corrosion resistance.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprü- che geben bevorzugte Ausführungsformen an. Demnach ist ein Metall-Keramik- Verbundwerkstoff insbesondere für tribologische Anwendungen, aufweisend ein Preform aus einem Keramikwerkstoff, sowie als Metallkomponente Kupfer oder eine Kupferlegierung, vorgesehen, wobei der Keramikanteil im Bereich zwischen ein- schließlich 30 und 80 Vol.-% und der Anteil des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich zwischen einschließlich 20 und 70 Vol.-% liegt.This object is achieved with the features of present claim 1. The subclaims specify preferred embodiments. Accordingly, a metal-ceramic composite material is provided in particular for tribological applications, comprising a preform made of a ceramic material, as well as a metal component copper or a copper alloy, the proportion of ceramic ranging between 30 and 80 vol.% And the proportion of Copper or copper alloy ranges between 20% and 70% by volume.
Der durch das Preform-Verfahren im Vergleich zu Cast-MMCs deutlich höhere erzielbare Keramikanteil von bis zu 80 Vol.-% wirkt sich vorteilhaft auf die Verschleiß- und Korrosionsbestän- digkeit der Materialien aus. Dies führt zu längerer Lebensdauer, höherer optische Brillanz und einem verbesserten Bremskomfort.The significantly higher achievable ceramic content of up to 80% by volume compared with cast MMCs has an advantageous effect on the wear and corrosion resistance of the materials. This leads to a longer service life, higher optical brilliance and improved braking comfort.
Durch Verwendung eines Preform-MMCs mit hochschmelzender Metallphase - nämlich Kupfer oder einer Kupferlegierung - wird überdies gegenüber aluminiumbasierten Werkstoffen eine deutlich höhere Einsatztemperatur ermöglicht. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe sind daher als Bremsenmaterialien für ein signifikant erweitertes Fahrzeugsegment einsetzbar.By using a preform MMC with a refractory metal phase - namely copper or a copper alloy - a significantly higher operating temperature is also possible compared to aluminum-based materials. The materials according to the invention can therefore be used as brake materials for a significantly expanded vehicle segment.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Kupferlegierung um Cu-ETP, CuMgx, CuAIx, CuSix, CuZrx, CuTix, CuZnx oder CuAlxFeγNiz handelt.It is particularly preferred that it is Cu-ETP, CuMg x, x CuAl, CuSi x, x CuZr, CuTi x, x or CuZn CuAl x Fe Ni γ z in the copper alloy.
Der Anteil des Kupfers oder der Kupferlegierung an dem Metall- Keramik- Verbundwerkstoff beträgt dabei besonders bevorzugt 25 - 60 Vol.-%.The proportion of copper or copper alloy on the metal-ceramic composite is particularly preferably 25-60 vol .-%.
Als Keramikwerkstoff für die Preform kommen Oxide (z.B. TiO2, AI2O3), Carbide (z.B. SiC, TiC, WC, B4C), Nitride (z.B. Si3N4, BN, AIN, ZrN, TiN), Boride (z.B. TiB2) und/oder Silikate in Frage. Der Keramikwerkstoff liegt bei der Herstellung des Preforms bevorzugt in Partikel- oder Faserform vor.The ceramic material used for the preform are oxides (eg TiO 2 , Al 2 O 3 ), carbides (eg SiC, TiC, WC, B 4 C), nitrides (eg Si 3 N 4 , BN, AlN, ZrN, TiN), borides (eg TiB 2 ) and / or silicates in question. The ceramic material is preferably present in the production of the preform in particle or fiber form.
Ebenso können diese Keramikwerkstoffe auch als Verstärkungs- oder Funktionselemente die- nen (z.B. SiC oder AIN zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit, Keramikfasern zur Verbesserung der Bruchzähigkeit und Festigkeit, etc).Likewise, these ceramics may also serve as reinforcing or functional elements (e.g., SiC or AIN for improving thermal conductivity, ceramic fibers for improving fracture toughness and strength, etc.).
Aufgrund der Tatsache, dass der Preform eine poröse keramische Grundstruktur aufweist, in welche die Kupferschmelze bzw. die geschmolzene Legierung infiltriert wird, ergibt sich eine innige Verbindung zwischen dem Preform und dem erstarrenden Metall. Dabei bilden sich inter- - A -Due to the fact that the preform has a porous ceramic basic structure, into which the copper melt or the molten alloy is infiltrated, an intimate connection between the preform and the solidifying metal results. In doing so, inter- - A -
penetrierende Netzwerke aus Metall und Keramik aus, wobei insbesondere durch das Metallnetzwerk die Festigkeit und Zähigkeit der Körper weiter erhöht wird.penetrating networks of metal and ceramic, in particular by the metal network, the strength and toughness of the body is further increased.
Der Keramikanteil an dem Metall- Keramik- Verbundwerkstoff beträgt dabei besonders bevorzugt 40 - 75 Vol.-%.The proportion of ceramic on the metal-ceramic composite is particularly preferably 40-75% by volume.
Weiterhin ist ein Bauteil für tribologische Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbau, vorgesehen, aufweisend einen Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche. Als Bauteile kommen hier insbesondere Bremsscheiben oder -trommeln in Frage, aber auch andere Bauteile, die hohe mechanische und thermische Belastungen ertragen müssen, gleichzeitig ein geringes spezifisches Gewicht aufweisen sollen und überdies korrosionsresistent sein müssen, insbesondere im Automobil-, Motorrad-, Flugzeug- und Schiffsbau.Furthermore, a component for tribological applications, in particular in vehicle construction, provided, comprising a metal-ceramic composite material according to one of the preceding claims. In particular brake disks or drums are considered here as components, but also other components which have to endure high mechanical and thermal loads, at the same time have a low specific weight and, moreover, have to be resistant to corrosion, in particular in the automotive, motorcycle and aircraft industries shipbuilding.
Die Bauteile weisen zur Vermeidung hoher thermischer Gradienten bzw. großer thermischer Spannungen, die in Folge des hohen Energieeintrages während der Reibbeanspruchung auftreten können, bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit ( ) > 70 W/m K auf. Dies wird insbesondere durch den Kupferanteil bewirkt, da Kupfer eine sehr hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist.The components preferably have a thermal conductivity ()> 70 W / m K in order to avoid high thermal gradients or high thermal stresses, which may occur as a result of the high energy input during the friction stress. This is particularly caused by the copper content, since copper has a very high specific thermal conductivity.
Die Festigkeit der Bauteile beträgt > 200 MPa, bevorzugt > 350 MPa. Hier kommt der gegenüber Cast-MMCs höhere Keramikanteil zum Tragen.The strength of the components is> 200 MPa, preferably> 350 MPa. This is where the higher ceramic content compared to Cast-MMCs comes into play.
Damit ein Einsatz bei schweren und leistungsstarken Kraftfahrzeugen möglich ist, wird eine maximale Einsatztemperatur > 8000C angestrebt. Dies wird ebenfalls durch den Kupferanteil er- reicht, da Kupfer und Kupferlegierungen höhere Schmelzpunkte haben als Aluminium oder Aluminiumlegierungen.In order to be used on heavy and powerful vehicles, a maximum service temperature of> 800 ° C is desired. This is also achieved by the copper content, since copper and copper alloys have higher melting points than aluminum or aluminum alloys.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung eines Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche, vorgesehen, aufweisend die folgenden Schritte:Furthermore, a method for producing a metal-ceramic composite material according to one of the preceding claims, is provided, comprising the following steps:
a) Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers (Preform) durch Sintern, bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff gemäß obiger Beschreibung (Sinterschritt); und b) Infiltrieren der Preform mit einer Schmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Preform zuvor auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung gebracht wurde (Infiltrationsschritt).a) producing a porous ceramic preform (preform) by sintering, preferably of a ceramic material according to the above description (sintering step); and b) infiltrating the preform with a melt of copper or a copper alloy, wherein the preform was previously brought to a temperature close to the melting temperature of the copper or copper alloy (infiltration step).
Die Porosität der Preform betrage dabei 20 - 70 Vol.-%, bevorzugt 25 - 60 Vol.-%. Unter Porosität soll das Verhältnis des Volumens aller Hohlräume eines porösen Festkörpers zu dessen äußerem Volumen verstanden werden, wobei die Hohlräume hierbei im Allgemeinen netzwerkartig miteinander verbunden sind und mit der den porösen Festkörper umgebenden Atmosphäre im Austausch stehen bzw. verbunden sind (sogenannte offene Porosität). Es handelt sich also um ein Maß dafür, wie viel Raum der eigentliche Feststoff innerhalb eines bestimmten Volumens ausfüllt bzw. welche Hohlräume er in diesem hinterlässt. Die Poren sind dabei in der Regel mit Luft gefüllt. Durch die Porosität einer Preform werden daher in der Regel bereits die später zu erwartenden Volumenanteile der Keramik- und der Metallkomponente eines Preform-MMCs festgelegt.The porosity of the preform amounts to 20-70% by volume, preferably 25-60% by volume. Porosity is to be understood as meaning the ratio of the volume of all cavities of a porous solid to its outer volume, the cavities being generally networked together and being in exchange or interconnected with the atmosphere surrounding the porous solid (so-called open porosity). It is therefore a measure of how much space the actual solid fills within a certain volume or which cavities it leaves in this volume. The pores are usually filled with air. Due to the porosity of a preform, therefore, the volume fractions of the ceramic and metal components of a preform MMC to be expected later are usually determined.
Zur Vermeidung von Thermoschocks und einem vorzeitigenTo avoid thermal shock and premature
Erstarren der Metallschmelze in der Infiltrationsfront muss überdies gewährleistet sein, dass der keramische Vorkörper eine der Schmelztemperatur nahe Temperatur aufweist, wobei die Temperaturdifferenz nicht größer als 35O0C, bevorzugt nicht größer als 1000C sein sollte.Solidification of the molten metal in the infiltration front must also be ensured that the ceramic preform has one of the melting temperature near temperature, the temperature difference should not be greater than 35O 0 C, preferably not greater than 100 0 C.
Dies kann beispielsweise bei Anwendung einer Schmelzinfiltration mittels Squeeze Casting durch ein Vorwärmen des Vorkörpers außerhalb des Gießwerkzeuges gewährleistet werden, wobei unmittelbar vor dem Infiltrationsprozess der Vorkörper in das Gießwerkzeug eingelegt wird.This can be ensured, for example, when using a melt infiltration by means of squeeze casting by preheating the preform outside of the casting tool, wherein immediately before the infiltration process, the preform is inserted into the casting mold.
Zur Vermeidung von Thermoschock und einem vorzeitigen Auskühlen des Vorkörpers sollte das Gießwerkzeug bevorzugt vorgewärmt sein, und ein direkter Kontakt zwischen Gießwerkzeug und Vorkörper sollte vermieden werden, z.B. durch Abstandshalter oder Auskleidung mit einem isolierenden Material wie Keramikpapier oder -Vlies.To avoid thermal shock and premature cooling of the preform, the casting tool should preferably be preheated, and direct contact between the casting tool and preform should be avoided, e.g. by spacers or lining with an insulating material such as ceramic paper or fleece.
Eine zusätzliche Maßnahme kann darin bestehen, den vorgewärmten keramischen Vorkörper mit einer isolierenden Umhüllung zu umgeben, z.B. mit Keramikpapier oder -Vlies oder einem der Form angepassten Stahlhohlkörper. Die Infiltration mit Metallschmelze erfolgt reaktionsun- terstützt oder nicht reaktiv, d.h. es findet lediglich eine auf die Oberflächenzone der Keramik- phase beschränkte Reaktion statt oder es findet keine Reaktion zwischen Metall- und Keramik- phase statt. Durch eine Oberflächenreaktion der Keramikphase kann die Infiltrationsqualität verbessert und der Infiltrationsdruck erniedrigt werden (ursächlich hierfür ist die freigesetzte Reaktionswärme bzw. die veränderte Oberflächenspannung aufgrund der neu gebildeten Grenzflächenphase).An additional measure may be to surround the preheated ceramic preform with an insulating sheath, for example with ceramic paper or fleece or a steel hollow body adapted to the shape. The infiltration with molten metal is reaction-assisted or non-reactive, ie there is only a reaction limited to the surface zone of the ceramic phase or there is no reaction between metal and ceramic. phase instead. By a surface reaction of the ceramic phase, the infiltration quality can be improved and the infiltration pressure can be lowered (the cause of this is the released reaction heat or the changed surface tension due to the newly formed interface phase).
Weiterhin ist vorgesehen, dass dem Keramikwerkstoff vor dem Sintern ein oder mehrere Porenbildner zugegeben werden. Hierbei handelt es sich in der Regel um längliche, leicht ausbrennbare Stoffe, die während des Sinterns verbrennen und so ein Netzwerk von Kanälen und Poren erzeugen, das die anschließende Infiltration der Metallschmelze erleichtert und eine innige Verbindung zwischen der Preform und dem erstarrenden Metall ermöglicht. Die auf diese Weise erzeugten Kanäle können Breiten von 2 - 50 μm, bevorzugt 5 - 30 μm aufweisen. Durch die die Kanäle im fertigen Körper ausfüllenden Metallkanäle wird die Festigkeit und Zähigkeit der Körper weiter erhöht.It is further provided that one or more pore formers are added to the ceramic material prior to sintering. These are usually elongated, easily burnable materials that burn during sintering, creating a network of channels and pores that facilitate subsequent infiltration of the molten metal and allow intimate bonding between the preform and the solidifying metal. The channels produced in this way can have widths of 2 to 50 μm, preferably 5 to 30 μm. By the channels filling in the finished body metal channels, the strength and toughness of the body is further increased.
Die Porenbildner haben - neben den eingestellten Sinterparametern - einen wesentlichen Ein- fluss auf die Einstellung einer bestimmten Porosität. Porenbildner können aber auch insbesondere bei der Herstellung keramischer Preforms verwendet werden, um ein Netzwerk von Porenkanälen zu erzeugen, die eine bessere Infiltrierbarkeit des Vorkörpers zur Folge haben; die Po- renkanäle fungieren hier als Infiltrationskanäle. Zudem werden durch die so entstandenen Metallkanäle Festigkeit und Zähigkeit des Werkstoffes erhöht.In addition to the set sintering parameters, the pore formers have a significant influence on the setting of a specific porosity. However, pore formers can also be used in particular in the production of ceramic preforms in order to produce a network of pore channels, which result in a better infiltrability of the preform; the pore channels act as infiltration channels here. In addition, the resulting metal channels increase the strength and toughness of the material.
Besonderes bevorzugt werden hier Zelluloseplättchen oder -fasern mit einem Volumenanteil von 1 - 30 %, bevorzugt 2 - 20 % verwendet. Weiterhin sind als Porenbildner z. B. auch Ru ß- partikel, Reisstärke oder organische Makromoleküle, wie z.B. Fullerene oder Nanotubes denkbar. Im Wesentlichen eignen sich als Porenbildner all solche Materialien, die während des Sinterns verbrennen, zerfallen oder ausgasen und auf diese Weise Hohlräume in dem Material erzeugen.Particular preference is given to using cellulose flakes or fibers having a volume fraction of 1 to 30%, preferably 2 to 20%. Furthermore, as pore formers z. As well as Ru ß- particles, rice starch or organic macromolecules, such. Fullerenes or nanotubes conceivable. Essentially, pore formers are all those materials which burn, disintegrate or outgas during sintering, thus creating voids in the material.
Im Übrigen sind auch Stoffe denkbar, die beim Sintern Gas freisetzen und so eine Porenbildung hervorrufen. Hier käme z.B. NaHCO3 Jn Frage, das unter Hitze CO2 freisetzt.Incidentally, substances are also conceivable which release gas during sintering and thus cause pore formation. Here, for example, NaHCO 3 Jn would come into question, which releases CO 2 under heat.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Schmelze aus Kupfer oder Kupferlegierung unter Aufwendung eines äußeren Druckes infiltriert wird. AIs mögliche Verfahren kommen hier insbesondere Gasdruckinfiltration oder Schmelzinfiltration mittels der bekannten Technik des „Squeeze Casting" in FrageIt is further provided that the melt of copper or copper alloy is infiltrated by applying an external pressure. In particular, gas pressure infiltration or melt infiltration by means of the known technique of "squeeze casting" are possible here as possible processes
BeispieleExamples
Ein keramischer Vorköper, bestehend aus TiO2, der eine Porosität von 50 Vol.-% aufwies, wurde mit einer Schmelze aus Cu-ETP im Squeeze Cast Verfahren infiltriert. Die mechanische Festigkeit des erhaltenen Cu-MMC Werkstoffes wurde mit 384 MPa bestimmt, die Wärmeleitfähigkeit mit 91 W/m K. Die Korrosionsrate dieses Cu- MMC in Wasser bei 350C ist um den Faktor 28 geringer als bei Grauguss und die Verschleißrate ist um 2 Größenordungen geringer als diejenige von Grauguss. A ceramic precursor consisting of TiO 2 , which had a porosity of 50% by volume, was infiltrated with a melt of Cu-ETP by the squeeze cast method. The mechanical strength of the obtained Cu-MMC material was determined to be 384 MPa, the thermal conductivity of 91 W / m K. The corrosion rate of this Cu MMC in water at 35 0 C by a factor of 28 lower than in gray cast iron and the wear rate is to 2 orders of magnitude lower than that of gray cast iron.

Claims

Ansprüche claims
1. Metall- Keramik- Verbundwerkstoff insbesondere für tribologische Anwendungen, aufweisend1. metal-ceramic composite material in particular for tribological applications, comprising
a) ein Preform aus einem Keramikwerkstoff, und b) als Metallkomponente Kupfer oder eine Kupferlegierunga) a preform made of a ceramic material, and b) as a metal component copper or a copper alloy
wobei der Keramikanteil im Bereich zwischen einschließlich 30 und 80 Vol.-% und der Anteil des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich zwischen einschließlich 20 und 70 Vol.-% liegt.the proportion of ceramics being in the range of between 30 and 80% by volume and the proportion of copper or copper alloy in the range of between 20 and 70% by volume.
2. Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kupferlegierung um eine Legierung ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Cu-ETP, CuMgx, CuAIx, CuSix, CuZrx, CuTix, CuZnx und/oder oder CuAlxFeγNiz handelt.2. Metal-ceramic composite material according to claim 1, characterized in that it is an alloy selected from the group consisting of Cu-ETP, CuMg x , CuAl x , CuSi x , CuZr x , CuTi x , CuZn x and in the copper alloy / or or CuAl x Fe γ Ni z is.
3. Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Keramikwerkstoff für die Preform um einen oder mehrere Werkstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Carbiden, Nitriden, Bonden und/oder Silikaten handelt.3. Metal-ceramic composite material according to claim 1 or 2, characterized in that it is the ceramic material for the preform to one or more materials selected from the group consisting of oxides, carbides, nitrides, bonding and / or silicates.
4. Bauteil für tribologische Anwendungen, insbesondere im Fahrzeugbau, aufweisend einen Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche.4. component for tribological applications, in particular in vehicle construction, comprising a metal-ceramic composite material according to one of the preceding claims.
5. Verfahren zur Herstellung eines Metall- Keramik- Verbundwerkstoff gemäß einem der vor- herigen Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte:5. A method for producing a metal-ceramic composite according to one of the preceding claims, comprising the following steps:
a) Herstellen eines porösen keramischer Vorkörpers (Preform) durch Sintern, bevorzugt aus einem Keramikwerkstoff gemäß einem der vorherigen Ansprüche (Sinterschritt); sowie b) Infiltrieren der Preform mit einer Schmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, bevorzugt gemäß Anspruch 2, wobei die Preform zuvor auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur des Kupfers bzw. der Kupferlegierung gebracht wurde (Infiltrationsschritt).a) producing a porous ceramic preform (preform) by sintering, preferably of a ceramic material according to one of the preceding claims (sintering step); such as b) infiltrating the preform with a melt of copper or a copper alloy, preferably according to claim 2, wherein the preform was previously brought to a temperature close to the melting temperature of the copper or copper alloy (infiltration step).
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Keramikwerkstoff vor dem Sintern ein oder mehrere Porenbildner zugegeben werden.6. The method according to claim 5, characterized in that the ceramic material before sintering one or more pore-forming agents are added.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze aus Kupfer oder Kupferlegierung unter Aufwendung eines äußeren Druckes infiltriert wird. 7. The method according to any one of claims 5-6, characterized in that the melt of copper or copper alloy is infiltrated by applying an external pressure.
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