JP2010505720A - 複合材料及び複合部材並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

複合材料、それからなる複合部材及び金属−セラミック複合材料又は複合部材の製造方法が提案される。複合材料もしくは複合部材は、以下に記載の方法により生じる。第一工程において、セラミック出発物質からの多孔質のセラミックプリフォームの製造及び第二工程において、金属溶融物への多孔質のセラミックプリフォームの溶浸が行われ、その際にセラミック出発物質が、セラミック主成分及びこの主成分と反応性のセラミック副成分を含み、かつその際に第一工程及び／又は第二工程の間に副成分は少なくとも部分的に主成分と反応される。

Description

本発明は、複合材料(Verbundwerkstoff)、前記複合材料からなる複合部材(Verbundbauteil)及び金属−セラミック複合材料又は複合部材の製造方法に関する。

複合材料及び複合部材は一般的に知られている。例えば、独国特許出願公開(DE-A1)第103 50 035号明細書からは、複合部材の製造方法及び金属−セラミック構造部材が知られている。この場合に、セラミックプリフォーム(keramischen Vorkoerper)からなる金属−マトリックス複合材料は、加圧せずに又は外圧の適用下に、金属溶融物に溶浸されるかもしくは金属溶融物で充填され、その際に前記金属溶融物は、前記セラミック相の反応性含分と反応される反応性合金成分を含有する。

セラミック−金属複合材料は例えば、鋳造すべき金属相の製造の間に２０％までのセラミックの繊維又は粒子が混合されるいわゆるキャスト−金属−マトリックス−コンポジット（ＭＭＣ_cast）として、又はまたプリフォームをベースとする金属−マトリックス複合材料（ＭＭＣ_pref）としても形成されていてよく、その際に後者は、場合により６０％を上回るセラミック含分を有していてよく、ひいてはキャスト−金属−マトリックス−コンポジットに比較してより耐摩耗性及びより耐腐食性でありうる。

公知の方法の場合に、反応性合金成分とセラミック相の反応性含分との間での目的とする反応が不完全にのみ行われ、かつそれにより、特に体積の大きい構造部材の場合に、極めて不均質な組織構造及び少なくとも局所的に著しく低下された熱伝導率が生じることが不利である。さらに、技術水準の場合に、多孔度の発生となりうるものであり、このことは複合部材の強度を低下させる。

発明の開示
本明細書における発明は、高熱伝導性材料から好ましくはなる金属相もしくは金属溶融物が、セラミック相もしくはプリフォームに結合するという利点を有する。プリフォーム（セラミック相）と金属相との間の界面中の結合もしくは全界面化学は、複合材料もしくは複合部材の高い材料強度及び高められた熱伝導率を保証する。本発明によれば、このことは、複合部材もしくは複合材料のセラミック出発物質が、セラミック主成分及びセラミック副成分を含むことにより、達成される。セラミック副成分は、出発物質に対して、好ましくは約０．０５質量％〜約３０質量％、好ましくは約１質量％〜約３質量％の割合になる。

焼結プロセスの過程で、セラミックプリフォームの製造のために又はプリフォーム中への金属溶融物の溶融溶浸の間に又はしかし焼結プロセス並びに溶融物溶浸の過程で、出発物質のセラミック主成分とセラミック副成分との間の反応となり、その際に主成分に結合されたひいては極めて良好に付着する表面相もしくは界面相が反応生成物として形成される。前記主成分及び副成分は、それらの化学的性質に関して、形成される表面相もしくは界面相が、溶浸された金属への良好な結合を有するように、選択される。本発明による方法は、特に、同時に高い機械的応力でそれらの熱伝導率に関して、例えば摩擦及び摩耗により、高い応力がかけられている構造部材の製造に適している。また、熱膨張挙動及び卓越した緩衝特性の適合は、本発明による金属−セラミック複合材料を用いて利用されることができる利点である。例えば、高い融点を有する金属を選択する場合に、本方法によれば、最大使用温度が好都合には７００℃よりも高い、自動車のブレーキディスク(Bremsscheiben)が製造されることができる。本発明による方法により製造される複合部材は、高い耐摩耗性及び耐腐食性、大きな損傷許容性及び高い熱伝導率により特徴付けられる。

本発明によれば、プリフォームが、約２０体積％〜約７０体積％、好ましくは約４０体積％〜約５０体積％の多孔度を有することが好ましい。これにより、本発明による複合部材の特に高い強度は、プリフォームと金属相との間のバランスのとれた比により達成されることができ、並びに双方の相の間での良好な結合が達成されることができる。そのうえ、プリフォームの高いセラミック割合、すなわち例えば約４０体積％及び約５０体積％の多孔度は、高い耐腐食性及び高い耐摩耗性を意味する。

さらに、プリフォームが、前記セラミック主成分に対して又は前記金属溶融物に対して不活性である別の成分を含むことが好ましく、その際に特に前記別の成分は、酸化物、炭化物、窒化物又はホウ化物から形成されている粒子又は繊維からなる。これにより、本発明によれば、前記複合部材の高強度構成要素が、この複合部材に、極めて高い強さ及び耐熱性を付与することが有利に可能である。酸化物は、例えば二酸化ジルコニウムＺｒＯ₂であり、炭化物は、例えば炭化ケイ素ＳｉＣであり、窒化物は例えば窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄、窒化ホウ素ＢＮ、窒化アルミニウムＡｌＮ、窒化ジルコニウムＺｒＮ又は窒化チタンＴｉＮであり、かつホウ化物は、例えばホウ化チタンＴｉＢ₂である。不活性成分は、特に、補強構成要素及び／又は機能構成要素として、製造された複合部材のために利用することができる。こうして、例えば炭化ケイ素又は窒化アルミニウムは、製造された構造部材の熱伝導率を高める。

さらに、セラミック副成分が少なくとも１つの酸化物及び／又は炭化物及び／又は窒化物、特に酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ₂Ｏ）を含むことが好ましい。これにより、プリフォームは、反応相手としてそれぞれの使用されるセラミック主成分に、最適な方法で調整されることができる。例えばセラミックの主成分としてＡｌ₂Ｏ₃が、及びセラミック副成分としてＣｕ₂Ｏが、使用される場合に、Ａｌ₂Ｏ₃に結合される界面相としてＣｕＡｌＯ₂又はＣｕＡｌ₂Ｏ₄が形成され、これらは溶融溶浸される金属、例えば純銅との良好な結合も有する。

本発明のさらなる対象は、細孔を形成するセラミック相及び細孔中に存在する金属相を有する、複合材料及びそれからなる複合部材、特にブレーキディスク又は結合摩擦体(Kupplungsreibkoerper)又は端面シールであり、その際に複合部材が、約５００MPaを上回る機械的強度及び約１００W/mKを上回る熱伝導率を有し、好ましくは約６００MPaよりも大きい機械的強度及び約１２０W/mKよりも大きい熱伝導率を有する。これにより、本発明によれば、本発明による複合部材もしくは本発明による複合材料が、多数の使用範囲で有利に使用されることが可能である。高い熱伝導率は、特にトライボロジー的に高い応力のかかった構造部材にとって大きく重要である、それというのも、それにより、高い熱勾配もしくは大きな熱応力もしくはまた、熱機械的応力が − 例えば高いエネルギー導入のために摩擦応力の間に生じうるように − 回避されることができるか又は減少されることができるからである。

本発明による対象のさらなる利点及び有利な態様は、明細書及び特許請求の範囲から、引用することができる。

発明の実施形態
本発明による方法の第一の変法の場合に、第一処理工程において、まず最初に多孔質のセラミックプリフォームが、場合により成形を伴い製造される。プリフォームの形は、例えばブレーキディスクの典型的な形であるが、しかしながら他の形であってもよい。前記プリフォームは、例えば、約２０体積％又は約３０体積％又は約４０体積％又は約５０体積％又は約６０体積％又は約７０体積％の多孔度を有する。前記範囲は、例えば約２０体積％〜約７０体積％、好ましくは約４０体積％〜約５０体積％にわたる。

本発明によれば、金属−セラミック材料は、本発明による製造方法により製造され、その際に、前記製造工程の間に、好ましくは高耐摩耗性セラミック相への、好ましくは高熱伝導性金属相の結合が引き起こされる。この場合に、前記金属相は、好ましくは純銅又はしかしほかの、好ましくは高熱伝導性金属を、本質的には純粋な形で又は合金で含む。セラミック相への金属相の結合を実現するために、副成分がセラミック、すなわち出発物質に添加されることが考えられる。これは、焼結プロセスの間に又はセラミック主成分への溶融溶浸の間に反応されるので、セラミック主成分に結合された界面相は、溶融溶浸される金属相への有利な結合と共に形成される。本発明によれば、（セラミック相もしくはプリフォームの）セラミック副成分として、特にＣｕ₂Ｏが考えられる。このセラミック副成分は、本発明によれば、約０．０５質量％〜約３０質量％、好ましくは１質量％〜３質量％の割合で、セラミック出発物質中に存在している。この場合に、界面相は、（出発物質の）セラミック主成分が酸化アルミニウム、例えばＡｌ₂Ｏ₃、である場合に、特にＣｕＡｌＯ₂又はＣｕＡｌ₂Ｏ₄を含む。

本発明による金属−セラミック複合材料の一実施例において、セラミック出発物質は本質的に、Ｃｕ₂Ｏ ２質量％の混合物を有するＡｌ₂Ｏ₃からなっていた。焼結プロセスの過程で、Ｃｕ₂ＯはＡｌ₂Ｏ₃と反応して相ＣｕＡｌＯ₂になった。セラミックプリフォームは、５０体積％の多孔度を有していた。前記プリフォームを、純銅溶融物に、いわゆるスクイズキャスト法において溶浸した。得られるＣｕ−ＭＭＣ材料もしくは複合部材の機械的強度は７２０MPaと測定された。熱伝導率は１４３W/mKと測定された。比較のために、セラミック副成分の添加を有しない、すなわち当該の場合にＣｕ₂Ｏを有しない、類似の銅−ＭＭＣ材料は、単に２８５MPaの強さ及び１０８W/mKの熱伝導率を達成したに過ぎなかった。

本発明は、前記の実施例に、及び特にブレーキディスクの製造に、限定されていない。むしろ、それぞれの使用の場合に適合された形を有するセラミックプリフォームの多数が使用されることができる。セラミック出発物質は、その場合に、セラミック副成分を有していなければならず、この副成分はセラミックの主成分と、焼結プロセスの間に又は溶融溶浸の間に反応してセラミック主成分に結合された相になる。この相は、溶浸された金属相に対する結合も有していなければならない。

Claims (8)

1. 複合材料又は複合部材を製造するにあたり、
   第一工程において、セラミック出発物質から多孔質のセラミックプリフォームを製造し、かつ第二工程において多孔質のセラミックプリフォームを金属溶融物で溶浸することを含む複合材料又は複合部材の製造方法であって、
   セラミック出発物質がセラミック主成分及びセラミック副成分を含み、その際に第一工程及び／又は第二工程の間に、副成分が少なくとも部分的に主成分と反応されることを特徴とする、複合材料又は複合部材の製造方法。
2. セラミック主成分が酸化物、特にＡｌ₂Ｏ₃、であり、かつ金属溶融物が、高融点金属、例えば銅又は銅合金又は純銅、である、請求項１記載の方法。
3. プリフォームが、約２０体積％〜約７０体積％、好ましくは約３０体積％〜約５０体積％、の多孔度を有する、請求項１から２までのいずれか１項記載の方法。
4. プリフォームが、金属溶融物に対して及びセラミック主成分に対して不活性であるさらなる成分を含み、その際に特にさらなる成分は、酸化物、炭化物、窒化物又はホウ化物から形成されている粒子又は繊維からなる、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. セラミック副成分が、少なくとも１つの酸化物及び／又は炭化物及び／又は窒化物、特にＣｕ₂Ｏを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. セラミック出発物質中のセラミック副成分の割合が、約０．０５質量％〜約３０質量％、好ましくは約１質量％〜約３質量％、である、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 細孔を形成するセラミック相及び前記細孔中に存在する金属相を有する、複合材料又は複合部材、特にブレーキディスク、結合摩擦体又は端面シールであって、
   前記複合材料又は複合部材が、約５００MPaを上回る機械的強度及び約１００W/mKを上回る熱伝導率を有することを特徴とする、複合材料又は複合部材。
8. 複合材料又は複合部材が、約６００MPaを上回る機械的強度及び約１２０W/mKを上回る熱伝導率を有する、請求項７記載の複合材料又は複合部材。