ES2297507T3

ES2297507T3 - Procedimiento para la obtencion de un elemento de construccion compuesto y elemento de construccion de metal-ceramica.

Info

Publication number: ES2297507T3
Application number: ES04791128T
Authority: ES
Inventors: Bernd Reinsch; Iris Postler; Klaus Czerwinski; Matthias Leonhardt; Alwin Nagel; Bernd Huchler; Dirk Staudenecker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2024-10-04
Also published as: JP2006517610A; DE10350035A1; EP1685081B1; EP1685081A1; CN100410211C; CN1701052A; WO2005042439A1; DE502004005864D1; US20070234929A1

Abstract

Elemento de construcción de metal-cerámica, especialmente disco para frenos, que comprende una fase cerámica, que está dotada con una cavidad porosa, que se llena esencialmente con cobre puro, abarcando la fase cerámica un producto de conversión a partir de una proporción cerámica reactiva y de un metal de una aleación metálica, que tenga un peso específico menor que el del cobre, caracterizado porque la aleación de cobre es una aleación de CuAl, una aleación de CuMg, una aleación de CuSi, una aleación de CuZr o una aleación de CuTi y el producto de conversión constituido por óxido de aluminio y por aluminuro de titanio está constituido por MgAl2O4 o por MgTiO3, por un siliciuro tal como TiSi2 o Ti5Si3, por un dióxido de circonio ZrO2 o por un dióxido de titanio TiO2.

Description

Procedimiento para la obtención de un elemento de construcción compuesto y elemento de construcción de metal-cerámica.

Estado de la técnica

La invención parte de un procedimiento para la fabricación de un elemento de construcción compuesto del tipo definido con mayor detalle en la parte introductoria de la reivindicación 6 así como de un elemento de construcción de metal-cerámica del tipo definido con mayor detalle en la parte introductoria de la reivindicación 1.

Los elementos de construcción de metal-cerámica son conocidos en la práctica y pueden emplearse, de amera especial, en las aplicaciones tribológicas, como son los discos para frenos. Tales elementos de construcción están constituidos por un material compuesto por cerámica-metal y aúnan los perfiles de las propiedades de los materiales metálicos y de los materiales cerámicos. Por un lado presentan, como las cerámicas, una elevada estabilidad frente al desgaste por rozamiento y frente a la corrosión y, por otro lado, se caracterizan, igual que los metales, por una elevada tolerancia frente a los deterioros y por una elevada conductibilidad térmica. De igual modo, los elementos de construcción constituidos por materiales compuestos de cerámica-metal o bien los elementos de construcción de metal-cerámica presentan, también, una elevada estabilidad mecánica a temperaturas elevadas.

Los materiales compuestos de cerámica-metal pueden estar configurados, por ejemplo, como el denominado material compuesto de matriz y de metal colado (Cast-Metal-Matrix-Composite) (MMC_{cast}), en el cual se añade, durante la fabricación, hasta un 20% inclusive de fibras o de partículas cerámicas a una fase metálica que debe ser colada, o están configurados también como material compuesto de metal-matriz basado en una preforma (MMC_{pref}), pudiendo presentar este último una proporción cerámica en caso dado mayor que el 60% y, de este modo, es más estable al desgaste por rozamiento y a la corrosión que el Cast-Metal-Matrix-Composite.

En el caso de la fabricación de un elemento de construcción a partir de un material compuesto de metal-matriz basado en una preforma se infiltra o bien se carga una preforma cerámica porosa en ausencia de presión o mediante la aplicación de una presión externa, con una fusión metálica. La temperatura de infiltración debe elegirse en función del punto de fusión de la fase metálica que debe ser infiltrada, conduciendo una temperatura de infiltración baja, deseable, en el caso de los materiales compuestos de metal-matriz conocidos, basados en una preforma, a un punto de fusión igualmente bajo de la fase metálica en el elemento de construcción fabricado.

En la publicación DE 197 06 925 se ha descrito un procedimiento para la fabricación de un material compuesto de metal-cerámica. En este procedimiento se aumenta la temperatura de la fusión de una fase metálica en el transcurso del proceso de fabricación. Esto se consigue mediante el recocido bajo presión de una mezcla formada por un polvo, constituida por una cerámica y por una aleación metálica eutéctica, de bajo punto de fusión, que abarca un metal reactivo frente a la cerámica de tal manera que el componente reactivo de la aleación reaccione con la fase cerámica y se aumente en el transcurso del recocido la temperatura de fusión de la fase metálica remanente. Esto conduce a que permanezca en la fase metálica únicamente el componente metálico de la aleación no reactivo, de elevado punto de fusión.

Se conoce por la publicación EP 0 859 410 A2 un procedimiento para la fabricación de elementos de construcción a partir de un material compuesto de metal-matriz basado en una preforma. En este caso se infiltra una preforma cerámica, fabricada con carburo de silicio, con cobre o con una aleación de cobre mediante la aplicación de un procedimiento de infiltración de gas a presión. En el caso de la infiltración de la aleación de cobre, el punto de fusión de la fase metálica del elemento de construcción compuesto es menor que en el caso de la infiltración del cobre puro, cuyo punto de fusión es de 1.083ºC. Un material compuesto infiltrado con cobre puro se caracteriza, por lo tanto, por una elevada temperatura máxima de utilización, que está en correlación con el punto de fusión de la fase metálica del material compuesto. Sin embargo la fabricación de un elemento de construcción compuesto de este tipo está relacionada también con elevadas temperaturas para el proceso.

Las elevadas temperaturas para el proceso conducen, sin embargo, a una mayor solución de gases en la fusión metálica. Esto debe evitarse así como las elevadas solicitaciones térmicas de una herramienta de colada, empleada para la infiltración, y de la preforma.

En la publicación US 5,509,555 se divulga un elemento de construcción compuesto con una elevada conductibilidad térmica, que contiene desde un 20 hasta un 90% en volumen de una fase de carburo de silicio, estando constituida la fase restante por cobre. En el ejemplo 2 se fabrica además un elemento de construcción compuesto, que está constituido por un 67% en volumen de SiC y por un 33% en volumen de Cu, a partir de una preforma cerámica de carbono, que se infiltra con una aleación que contiene un 54% atómico de Si y un 46% atómico de Cu.

En la publicación DE 10143015 A se divulga la fabricación de un elemento de construcción compuesto con una elevada tenacidad a la rotura, según la cual se introduce en primer lugar silicio en una preforma cerámica constituida por carbono reforzado con fibras, con una porosidad comprendida entre un 10 y un 60% en volumen. En este caso se forma una capa de SiC. A continuación se infiltra una aleación de Cu-Ti, con lo que se produce un material compuesto que está constituido por carbono, por cobre puro, por TiC y por SiC.

Ventajas de la invención

El procedimiento de conformidad con la invención para la fabricación de un elemento de construcción compuesto, especialmente un disco para frenos, con las características según la parte introductoria de la reivindicación 6, en cuyo procedimiento se emplea como fusión metálica una aleación de cobre y de, al menos, otro metal, haciéndose reaccionar el otro metal con al menos un componente reactivo de la preforma de tal manera que se rellene una cavidad porosa de una fase cerámica con cobre esencialmente puro, tiene la ventaja de que la fusión metálica puede ser infiltrada a las temperaturas del proceso, que son más bajas que la temperatura de fusión del cobre, y tiene la ventaja de que el elemento de construcción compuesto resultante presenta como fase metálica esencialmente cobre puro, de tal manera que la máxima temperatura de utilización del elemento de construcción resultante puede encontrarse al nivel de la temperatura de fusión del cobre, es decir a un nivel de 1.083ºC. Las temperaturas de infiltración, menores que las correspondientes a la infiltración del cobre puro, en el procedimiento de conformidad con la invención, conducen, entre otras cosas, a que los tiempos del proceso sean más cortos, debido a que las fases de calentamiento son más cortas, y, de este modo, también conduce a que sean menores los costes de fabricación. Por otro lado es menor la solicitación térmica de una herramienta de colada empleada y de la preforma. De igual modo están disueltas menores cantidades de gas en la fusión metálica.

El procedimiento de conformidad con la invención es adecuado, de manera especial, para la fabricación de elementos de construcción que estén proyectados para aplicaciones tribológicas. A título de ejemplo pueden fabricarse según el procedimiento discos para frenos de un vehículo automóvil, cuya temperatura máxima de utilización se encuentre, preferentemente, por encima de los 800ºC. Esto está dado en el caso de un elemento de construcción compuesto de metal-cerámica, cuya fase metálica esté constituida esencialmente por cobre puro.

Un elemento de construcción compuesto, fabricado según el procedimiento de conformidad con la invención se caracteriza por una elevada estabilidad frente al desgaste por rozamiento y frente a la corrosión, por una elevada tolerancia a los deterioros y por una elevada conductibilidad térmica.

En una forma preferente de realización del procedimiento de conformidad con la invención se infiltrará la fusión metálica a una temperatura comprendida entre aproximadamente 680ºC y aproximadamente 1.000ºC.

La infiltración de la fusión metálica se lleva a cabo, de manera especial, bajo una presión comprendida entre aproximadamente 100 bares y aproximadamente 300 bares, pudiéndose ejercer durante un período de tiempo de aproximadamente 1 minuto hasta 5 minutos, una presión final de aproximadamente 300 bares hasta 700 bares sobre la preforma infiltrada para evitar una formación de oquedades debido a la contracción tras la infiltración.

Para obtener un elemento de construcción compuesto, que se caracterice por un peso menor en comparación con el de una preforma infiltrada con cobre puro, se infiltrará, de manera preferente, una aleación metálica, en la que el otro metal presente un peso específico menor que el del cobre. Como aleación se empleará, por ejemplo, una aleación de CuMg, una aleación de CuAl, una aleación de CuSi, una aleación de CuZr o una aleación de CuTi. Todas estas aleaciones están constituidas por aleaciones cuyo punto de fusión se encuentra por debajo del punto de fusión correspondiente al del cobre puro.

Los componentes reactivos de la preforma pueden estar constituidos por, al menos, un óxido, especialmente por TiO_{2} y/o por ZrO_{2}, por al menos un carburo y/o por al menos un nitruro.

La reacción del otro elemento de la aleación y del compuesto cerámico reactivo puede llevarse a cabo bien durante la infiltración de la fusión metálica, es decir in situ, o durante un recocido ulterior controlado. En este último caso deberán controlarse las condiciones para la infiltración de tal manera, que se lleve a cabo una reacción inicial, parcial, en la zona superficial del compuesto cerámico reactivo y, de este modo, se facilite la infiltración. La reacción química conduce, igual que en el caso de una reacción durante la infiltración, a una disminución de la presión para la infiltración. Esto depende de los calores de la reacción liberados o bien de la tensión superficial modificada debido a la nueva fase formada como consecuencia de la reacción.

En una forma de realización especialmente ventajosa del procedimiento de conformidad con la invención se proporcionará a la preforma una porosidad del 50% en volumen aproximadamente de tal manera que se den buenas condiciones para la reacción destinada a la conversión del elemento de la aleación más ligero que el cobre. Esto conduce a una menor densidad total del material fabricado.

La preforma puede configurarse de tal manera que comprenda componentes que sean inertes frente a la fusión metálica y que estén constituidas, de manera especial, por partículas o por fibras que estén formadas por un óxido, por un carburo, por un nitruro o por un boruro. Cuando se trate de un óxido, éste estará constituido, por ejemplo, por el óxido de aluminio Al_{2}O_{3} o por el dióxido de circonio ZrO_{2}, en el caso de un carburo, por ejemplo, un carburo de silicio SiC, un carburo de titanio TiC, un carburo de wolframio WC o un carburo de boro B_{4}C, en el caso de nitruro, por ejemplo, un nitruro de silicio Si_{3}N_{4}, un nitruro de boro BN, un nitruro de aluminio AlN, un nitruro de circonio ZrN o un nitruro de titanio TiN, y en el caso de un boruro, por ejemplo un boruro de titanio TiB_{2}. Los componentes inertes pueden servir, de manera especial, como elementos de refuerzo y/o como elementos funcionales para el elemento de construcción compuesto fabricado. De este modo, por ejemplo, el carburo de silicio o el nitruro de aluminio aumentan la conductibilidad térmica del material fabricado. Las fibras de cerámica aumentan la resistencia y la tenacidad a la rotura del material fabricado.

La invención tiene como objeto también un elemento de construcción de metal-cerámica, especialmente un disco para frenos. El elemento de construcción abarca una fase cerámica, que está dotada con una cavidad porosa, que está rellena esencialmente con cobre puro. La fase de cerámica abarca, de conformidad con la invención, un producto de conversión constituido por un componente cerámico reactivo y por un metal de una aleación de cobre, que tenga un peso específico menor que el del cobre.

El elemento de construcción de metal-cerámica, de conformidad con la invención, representa un elemento de construcción que se caracteriza por propiedades favorables en lo que se refiere a su densidad y, por lo tanto, en lo que se refiere a su peso.

Para evitar elevados gradientes térmicos o bien grandes tensiones térmicas que pueden presentarse en un elemento de construcción sometido a solicitaciones tribológicas como consecuencia de un elevado aporte de energía durante la solicitación por rozamiento, el elemento de construcción presenta de manera ventajosa una conductibilidad térmica \lambda que es mayor que 70 W/mK, lo cual puede garantizarse por medio de una parte en volumen correspondiente de cobre. El cobre tiene la conductibilidad térmica de 400 W/mK.

Para dotar al elemento de construcción de metal-cerámica con una tolerancia suficiente frente a los deterioros cuando se utiliza como disco para frenos, el elemento de construcción presenta, de manera ventajosa, una tenacidad a la rotura mayor que 10 MPa\cdotm^{1/2}, de manera preferente mayor que 15 MPa\cdotm^{1/2}.

El ajuste de la conductibilidad térmica anteriormente citada y de la tenacidad a la rotura citada puede conseguirse en el elemento de construcción de conformidad con la invención especialmente si éste presenta una proporción en cobre comprendida entre un 20% en volumen y un 45% en volumen, de manera preferente comprendido entre un 25% en volumen y un 40% en volumen, y una proporción en cerámica correspondiente comprendida entre un 55% en volumen y un 80% en volumen, de manera preferente comprendida entre un 60% en volumen y un 75% en volumen.

Otras ventajas y configuraciones ventajosas del objeto de conformidad con la invención pueden deducirse por la descripción y por las reivindicaciones.

Se han explicado con mayor detalle seis ejemplos de realización del procedimiento de conformidad con la invención por medio de la descripción que sigue en relación con los elementos de construcción de metal-cerámica correspondientes de conformidad con la invención.

Descripción de los ejemplos de realización

En una primera variante del procedimiento de conformidad con la invención se fabrica, en primer lugar, una preforma cerámica porosa con la forma de un disco para frenos, que presenta una porosidad de aproximadamente el 50% en volumen y que está constituida por componentes inertes y reactivos. Los componentes inertes de la preforma están constituidos por carburo de silicio. Los componentes reactivos están constituidos por dióxido de titanio. La preforma cerámica es un cuerpo sinterizado, que se forma mediante sinterización de un cuerpo en verde, prensado a partir de un polvo.

La preforma sinterizada se llena o bien es infiltrada en un molde para la colada a presión o bien en un molde para colada con una fusión constituida por una aleación de CuAl, que presenta una proporción de aluminio del 67% en peso. La temperatura de fusión de esta aleación es de 548ºC. A continuación se somete a la preforma, infiltrada con la fusión metálica, a un proceso de recocido controlado, en el cual reacciona el aluminio con el dióxido de titanio para dar óxido de aluminio y aluminuro de titanio. Como fase metálica queda remanente cobre de elevado punto de fusión. Éste rellena una cavidad porosa de una fase cerámica, que abarca el óxido de aluminio y el aluminuro de titanio. El elemento de construcción formado de este modo representa el disco para frenos acabado.

En una variante alternativa del procedimiento, de conformidad con la invención, se fabrica en primer lugar una preforma cerámica porosa, que de igual modo tiene la forma de un disco para frenos y que abarca como componente reactivo el óxido de aluminio Al_{2}O_{3}. Esta preforma se rellena o bien es infiltrada en un molde para la colada a presión con una fusión metálica constituida por una aleación de bajo punto de fusión de CuMg, que tiene una composición eutéctica, siendo la proporción en cobre de la fusión del 90,3% en peso y siendo el punto de fusión de la aleación de 722ºC. El magnesio reactivo se oxida durante la infiltración con el óxido de aluminio de la preforma cerámica de tal manera que se verifica una conversión para dar una fase cerámica formada por espinela de MgAl_{2}O_{4} y queda remanente cobre como fase metálica del elemento de construcción resultante, que representa el disco para frenos acabado.

De manera alternativa, la preforma cerámica puede comprender dióxido de titanio TiO_{2} como componente reactivo, que se transformará con el magnesio de la fusión metálica para dar MgTiO_{3}.

En otra variante del procedimiento de conformidad con la invención se fabricará en primer lugar, para la obtención del disco para frenos, una preforma cerámica, que comprenda como componente reactivo el dióxido de titanio TiO_{2}, con un óxido cerámico.

La preforma cerámica se infiltra en un molde para la colada a presión con una fusión metálica constituida por una aleación de CuSi, cuya proporción en silicio es del 8% en peso y cuya temperatura de fusión es de 680ºC.

A continuación se somete a la preforma infiltrada a un tratamiento térmico controlado, de tal manera que el silicio de la fusión metálica se transforme con el óxido metálico TiO_{2} para dar un siliciuro de titanio, por ejemplo TiSi_{2} y/o Ti_{5}Si_{3}. Como fase metálica del disco para frenos, fabricado, que representa un elemento de construcción de metal-cerámica, queda remanente esencialmente cobre puro.

En otra variante del procedimiento de conformidad con la invención se fabrica una preforma cerámica, que abarca un componente reactivo, que actúa como agente oxidante frente al circonio Zr. La preforma tiene un volumen de poros del 50% en volumen aproximadamente.

A continuación es infiltra la preforma con una fusión metálica constituida por una aleación de CuZr, que tiene una composición eutéctica y cuyo punto de fusión es de 972ºC. La proporción de circonio en la aleación es del 11,5% en peso. Por medio del compuesto de acción oxidante de la preforma cerámica se transforma el circonio de la fusión metálica en dióxido de circonio ZrO_{2}. Como fase metálica del elemento de construcción de metal-cerámica, fabricado, que representa por ejemplo un disco para frenos, queda remanente cobre.

En una variante del procedimiento de conformidad con la invención se prepara una preforma cerámica para la fabricación de un disco para frenos, que tiene un componente reactivo, que actúa como agente oxidante frente al titanio. Esta preforma se infiltra en un molde para la colada a presión con una fusión metálica constituida por una aleación de CuTi de composición eutéctica, que tiene una proporción de titanio del 25% atómico y un punto de fusión de 885ºC. El titanio de la fusión metálica se transforma por medio del componente de acción oxidante de la preforma para dar dióxido de titanio TiO_{2}. Nuevamente queda remanente cobre como fase metálica del elemento de construcción de metal-cerámica fabricado.

La invención no está limitada a los ejemplos de realización descritos preferentemente y, en particular, no está limitada a la fabricación de discos para frenos. Por el contrario, puede emplearse una pluralidad de preformas cerámicas con una forma adaptada a cada caso de aplicación, que comprendan un componente con acción reactiva frente a los componentes de la aleación de tal manera que, en el caso de una infiltración con una fusión metálica constituida por una aleación de cobre y por otro metal, pueda convertirse el otro metal para dar una fase cerámica y que la fase metálica del elemento de construcción fabricado esté constituida esencialmente por cobre puro.

Claims

1. Elemento de construcción de metal-cerámica, especialmente disco para frenos, que comprende una fase cerámica, que está dotada con una cavidad porosa, que se llena esencialmente con cobre puro, abarcando la fase cerámica un producto de conversión a partir de una proporción cerámica reactiva y de un metal de una aleación metálica, que tenga un peso específico menor que el del cobre, caracterizado porque la aleación de cobre es una aleación de CuAl, una aleación de CuMg, una aleación de CuSi, una aleación de CuZr o una aleación de CuTi y el producto de conversión constituido por óxido de aluminio y por aluminuro de titanio está constituido por MgAl_{2}O_{4} o por MgTiO_{3}, por un siliciuro tal como TiSi_{2} o Ti_{5}Si_{3}, por un dióxido de circonio ZrO_{2} o por un dióxido de titanio TiO_{2}.

2. Elemento de construcción de metal-cerámica según la reivindicación 1, caracterizado por tener una proporción en cobre comprendida entre un 20% en volumen y un 45% en volumen, de manera preferente comprendida entre un 25% en volumen y un 40% en volumen, y una proporción cerámica comprendida entre un 55% en volumen y un 80% en volumen, de manera preferente comprendida entre un 60% en volumen y un 75% en volumen.

3. Elemento de construcción de metal-cerámica según las reivindicaciones 1 y/o 2, caracterizado porque la proporción cerámica comprende partículas y/o fibras de al menos un óxido, de al menos un carburo, de al menos un nitruro y/o de al menos un boruro.

4. Elemento de construcción de metal-cerámica según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por una tenacidad a la rotura mayor que 10 MPa\cdotm^{1/2}, de manera preferente mayor que 15 MPa\cdotm^{1/2}.

5. Elemento de construcción de metal-cerámica según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por una conductibilidad térmica mayor que 50 W/mK, de manera preferente mayor que 70 W/mK.

6. Procedimiento para la fabricación de un elemento de construcción compuesto según la reivindicación 1, especialmente un disco para frenos, que abarca las etapas siguientes:

-: la fabricación de una preforma cerámica porosa;

-: la infiltración o bien la carga de la preforma cerámica porosa con una fusión metálica,

empleándose como fusión metálica una aleación de cobre y, al menos, de otro metal, transformándose el otro metal, mediante una reacción con, al menos, un componente reactivo de la preforma de tal manera, que se rellene la cavidad porosa de una fase cerámica esencialmente con cobre puro, caracterizado porque la fusión metálica se infiltra a una temperatura que es menor que la temperatura de fusión del cobre y que está comprendida, preferentemente, entre aproximadamente 680ºC y 1.000ºC.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la preforma infiltrada con la fusión metálica se somete a un recocido final controlado.

8. Procedimiento según las reivindicaciones 6 y/o 7, caracterizado porque se proporciona a la preforma una porosidad del 50% en volumen aproximadamente.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque los componentes reactivos de la preforma están constituidos por al menos un óxido, especialmente están constituidos por TiO_{2}, por Al_{2}O_{3} y/o por ZrO_{2}, por al menos un carburo y/o por al menos un nitruro.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque la preforma abarca componentes que son inertes frente a la fusión metálica y, de manera especial, están constituidos por partículas o fibras, que están formadas por un óxido, por un carburo, por un nitruro o por un boruro.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque los componentes inertes de la preforma se emplean elementos de refuerzo y/o como elementos funcionales del elemento de construcción compuesto fabricado.