WO2008043679A2 - Verbundwerkstoff und verbundbauteil und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

Verbundwerkstoff und verbundbauteil und verfahren zur herstellung derselben Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a composite material, a composite component of the same and a method for producing a metal-ceramic composite material or a composite component.
  • German Patent Application DE 103 50 035 A1 discloses a method for producing a composite component and a metal-ceramic component. This is a metal matrix composite material of a ceramic
  • 25 ceramic-metal composites can be used, for example, as so-called casting
  • Metal matrix composite in which up to 20% of ceramic fibers or particles are mixed during the production of a metal phase to be cast, or as preform-based metal matrix composite material (MMC pref ), the latter being a ceramic
  • Cast metal matrix composites is more wear and corrosion resistant.
  • the ceramic starting material of the composite component or composite material comprises a main ceramic component and a ceramic secondary component.
  • the ceramic minor component preferably makes up a proportion of between about 0.05% by weight and about 30% by weight, preferably between about 1% by mass and about 3% by mass, of the starting material.
  • Interface phase has a good connection to the infiltrated metal.
  • the method according to the present invention is particularly suitable for the production of components which, in terms of their thermal conductivity with simultaneous high mechanical stress, for example by friction and Wear, are highly stressed.
  • the adaptation of the thermal expansion behavior and excellent damping properties are advantages that can be used with a metal-ceramic composite material according to the invention.
  • the maximum operating temperature is suitably higher than 700 0 C.
  • a composite component produced by the process according to the invention is distinguished by a high resistance to wear and corrosion, a high damage tolerance and a high thermal conductivity.
  • the preform has a porosity of between about 20 vol% and about 70 vol%, preferably from about 40 vol% to about 50 vol%.
  • a particularly high strength of the composite component according to the invention can be achieved by a balanced ratio between the preform and the metallic phase and a good connection between the two phases can be achieved.
  • a high proportion of ceramics i.
  • a porosity of the precursor of about 40 vol% and about 50 vol%, high corrosion resistance and high wear resistance.
  • the preform comprises further constituents which are inert to the main ceramic constituent or to the molten metal, wherein in particular the further constituents consist of particles or fibers which are formed from an oxide, a carbide, a nitride or a boride ,
  • an oxide is, for example, zirconium dioxide ZrO 2 , in the case of a carbide, for example, silicon carbide SiC, in the case of a nitride, for example, silicon nitride Si 3 N 4 ,
  • the inert constituents can be used in particular as reinforcing and / or functional elements for the finished composite component serve.
  • silicon carbide or aluminum nitride increase the thermal conductivity of the finished component.
  • the ceramic minor constituent comprises at least one oxide and / or a carbide and / or a nitride, in particular
  • the preform can be tuned to the particular ceramic main component used as a reactant in an optimal manner. If, for example, used as the main ceramic component Al 2 O 3 and as a ceramic minor component Cu 2 O, forms as bound to Al 2 O 3 interface CuAIO 2 or CuAI 2 O 4 , which also has a good connection with the melt-filtered metal, for Example with pure copper.
  • Another object of the present invention is a composite material and a composite component thereof, in particular a brake disk or a clutch friction body or a mechanical seal, with a ceramic, pore-forming phase and with a metal, located in the pores phase, wherein the composite component has a mechanical strength greater than about 500 MPa and has a thermal conductivity greater than about 100 W / mK, preferably has a mechanical strength of greater than about 600 MPa and a thermal conductivity of greater than about 120 W / m K.
  • the composite component according to the invention or the material according to the invention is advantageously used in a large number of application areas.
  • a high thermal conductivity is especially for tribologically highly stressed components of large
  • a porous ceramic preform having an arbitrary shape is produced.
  • the shape of the preform is, for example, the typical shape of a brake disk, but it can also be a different shape.
  • the preform has a porosity of about 20 vol% or about 30 vol% or about 40 vol% or about 50 vol% or about 60 vol% or about 70 vol%. The range varies, for example, between about 20 vol% and about 70 vol%, preferably between about 40 vol% and about
  • a metal-ceramic material is produced by the production method according to the invention, wherein during the production steps the attachment of a preferably highly heat-conductive metal phase to a preferably highly wear-resistant ceramic phase is effected.
  • the metal phase preferably comprises pure copper or another, preferably highly heat-conductive metal, essentially in pure form or in an alloy.
  • a secondary constituent to the ceramic ie the starting material, is added. This reacts during the sintering process or during the melt infiltration with the main ceramic component, so that forms an attached to the main ceramic component interface phase with an advantageous attachment to the melt-infiltrated metal phase.
  • Cu 2 O is provided as the ceramic secondary constituent (the ceramic phase or the precursor).
  • This ceramic secondary constituent is present according to the invention in a proportion of about 0.05% by mass to about 30% by mass, preferably from 1% by mass to 3% by mass, in the ceramic starting material.
  • the interface phase in particular comprises CuAIO 2 or CuAl 2 O 4 in the event that the main ceramic component (the starting material) is an aluminum oxide, for example an Al 2 O 3 .
  • the ceramic starting material consisted essentially of Al 2 O 3 an admixture of 2 mass% Cu 2 O.
  • Cu 2 O reacted with Al 2 O 3 to the phase CuAIO 2 .
  • the ceramic preform had a porosity of 50 vol%.
  • the preform was infiltrated with a pure copper melt in the so-called squeeze-cast method.
  • the mechanical strength of the obtained Cu-MMC material or composite component was determined to be 720 MPa.
  • Thermal conductivity was determined to be 143 W / mK.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and in particular not to the production of brake discs. Instead, a large number of ceramic preforms can be used with a form adapted to the particular application.
  • the ceramic starting material must have a ceramic secondary constituent which reacts with the main ceramic constituent during the sintering process or during the melt infiltration to form a phase bound to the main ceramic constituent. This must then also have a connection to the infiltrated metal phase.

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Abstract

Es werden ein Verbundwerkstoff, ein Verbundbauteil aus demselben und ein Verfahren zur Herstellung eines metall-keramischen Verbundwerkstoffs oder eines Verbundbauteils vorgeschlagen. Der Verbundwerkstoff bzw. das Verbundbauteil entsteht durch das nachfolgend beschriebene Verfahren. In einem ersten Schritt erfolgt das Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers aus einer keramischen Ausgangsmasse und in einem zweiten Schritt die Infiltration des porösen keramischen Vorkörpers mit einer Metallschmelze, wobei die keramische Ausgangsmasse einen keramischen Hauptbestandteil und einen mit diesem Hauptbestandteil reaktiven keramischen Nebenbestandteil umfasst und wobei während des ersten und/oder zweiten Schrittes der Nebenbestandteil zumindest teilweise mit dem Hauptbestandteil reagiert.

Description

- IL ¬
Verbundwerkstoff und Verbundbauteil und Verfahren zur Herstellung derselben
Stand der Technik
I O
Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff, ein Verbundbauteil aus demselben und ein Verfahren zur Herstellung eines metall-keramischen Verbundwerkstoffs oder eines Verbundbauteils.
15
Verbundwerkstoffe und Verbundbauteile sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 50 035 Al ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils und ein metall-keramisches Bauteil bekannt. Hierbei wird ein Metall- Matrix- Verbundwerkstoff aus einem keramischen
20 Vorkörper drucklos oder unter Aufbringung eines äußeren Drucks mit einer
Metallschmelze infiltriert bzw. befüllt, wobei die Metallschmelze eine reaktive Legierungskomponenete aufweist, die mit einem reaktiven Anteil der Keramikphase umgesetzt wird.
25 Keramik- Metall- Verbundwerkstoffe können beispielsweise als sogenannter Cast-
Metal-Matrix-Composite (MMCcast), bei welchem während der Herstellung einer zu vergießenden Metallphase bis zu 20% keramische Fasern oder Partikel beigemischt werden, oder auch als preformbasierter Metall- Matrix- Verbundwerkstoff (MMCpref) ausgebildet sein, wobei letzterer einen keramischen
30 Anteil von gegebenenfalls mehr als 60% aufweisen kann und damit gegenüber
Cast-Metall-Matrix-Composites verschleiß- und korrosionsbeständiger ist.
Nachteilig ist bei bekannten Verfahren, dass die angestrebte Reaktion zwischen der reaktiven Legierungskomponente und dem reaktiven Anteil der Keramikphase nur unvollständig erfolgt und dadurch, insbesondere bei großvolumigen Bauteilen, eine sehr inhomogene Gefügestruktur und eine zumindest örtlich stark herabgesetzte Wärmeleitfähigkeit resultiert. Ferner kann es beim Stand der Technik zum Auftreten von Porosität kommen, was die Festigkeit des Verbundbauteils herabsetzt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung in der vorliegenden Anmeldung hat den Vorteil, dass eine
Anbindung der bevorzugt aus hochwärmeleitendem Material bestehenden Metallphase bzw. Metallschmelze an die Keramikphase bzw. den Vorkörper erfolgt. Die Anbindung in der Grenzfläche bzw. die gesamte Grenzflächenchemie zwischen dem Vorkörper (Keramikphase) und der Metallphase gewährleisten eine hohe Materialfestigkeit und eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des
Verbundwerkstoffes bzw. Verbundbauteils. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erzielt, dass die keramische Ausgangsmasse des Verbundbauteils bzw. Verbundwerkstoffs einen keramischen Hauptbestandteil und einen keramischen Nebenbestandteil umfasst. Der keramische Nebenbestandteil macht an der Ausgangsmasse bevorzugt einen Anteil von zwischen etwa 0,05 Masse% und etwa 30 Masse%, bevorzugt zwischen etwa 1 Masse% und etwa 3 Masse% aus. Im Verlauf des Sinterprozesses zur Herstellung des keramischen Vorkörpers oder während der Schmelzinfiltration der Metallschmelze in den Vorkörper oder aber sowohl im Verlauf des Sinterprozesses als auch der Schmelzeinfiltration kommt es zu einer Reaktion zwischen dem keramischen Hauptbestandteil der
Ausgangsmasse und dem keramischen Nebenbestandteil, wobei eine an dem Hauptbestandteil gebundene und somit sehr gut haftende Oberflächenphase bzw. Grenzflächenphase als Reaktionsprodukt gebildet wird. Der Hauptbestandteil und der Nebenbestandteil werden hinsichtlich ihrer chemischen Natur so gewählt, dass die sich ausbildende Oberflächenphase bzw.
Grenzflächenphase eine gute Anbindung an das infiltrierte Metall aufweist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen, die hinsichtlich ihrer thermischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Beanspruchung, z.B. durch Reibung und Verschleiß, hoch beansprucht sind. Auch die Anpassung des thermischen Ausdehnungsverhaltens und hervorragende Dämpfungseigenschaften sind Vorteile, die mit einem erfindungsgemäßen metall-keramischen Verbundwerkstoff genutzt werden können. Beispielsweise können bei der Wahl eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt nach dem Verfahren Bremsscheiben eines Kraftfahrzeugs hergestellt werden, deren maximale Einsatztemperatur zweckmäßigerweise höher als 7000C liegt. Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil zeichnet sich durch eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, eine große Schadenstoleranz und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Vorkörper eine Porosität von zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol% aufweist, bevorzugt von etwa 40 vol% bis etwa 50 vol%. Hierdurch kann eine besonders hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen Verbundbauteils durch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Vorkörper und der metallischen Phase erzielt werden sowie eine gute Verbindung zwischen beiden Phasen erreicht werden. Zudem bedeutet ein hoher Keramikanteil, d.h. beispielsweise eine Porosität des Vorkörpers von etwa 40 vol% und etwa 50 vol%, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Vorkörper weitere Bestandteile umfasst, die gegenüber dem keramischen Hauptbestandteil oder gegenüber der Metallschmelze inert sind, wobei insbesondere die weiteren Bestandteile aus Partikeln oder Fasern bestehen, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid oder einem Borid gebildet sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass hochfeste Bestandteile des Verbundbauteils diesem eine sehr hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit verleihen. Bei einem Oxid handelt es sich beispielsweise um Zirkoniumdioxid ZrO2, bei einem Carbid beispielsweise um Siliziumcarbid SiC, bei einem Nitrid beispielsweise um Siliziumnitrid Si3N4,
Bornitrid BN, Aluminiumnitrid AIN, Zirkoniumnitrid ZrN oder Titannitrid TiN, und bei einem Borid beispielsweise um Titanborid TiB2. Die inerten Bestandteile können insbesondere als Verstärkungs- und/oder Funktionselemente für das ausgefertigte Verbundbauteil dienen. So erhöhen beispielsweise Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid die Wärmeleitfähigkeit des ausgefertigten Bauteils.
Ferner ist es bevorzugt, dass der keramische Nebenbestandteil mindestens ein Oxid und/oder ein Carbid und/oder ein Nitrid umfasst, insbesondere
Kupfer(l)Oxid (Cu2O). Hierdurch kann der Vorkörper auf den jeweiligen verwendeten keramischen Hauptbestandteil als Reaktionspartner in optimaler Weise abgestimmt werden. Wird zum Beispiel als keramischer Hauptbestandteil AI2O3 und als keramischer Nebenbestandteil Cu2O verwendet, so bildet sich als an AI2O3 gebundene Grenzflächenphase CuAIO2 oder CuAI2O4 aus, die auch eine gute Anbindung mit dem schmelzinfiltrierten Metall, zum Beispiel mit reinem Kupfer, aufweisen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundwerkstoff und ein Verbundbauteil aus demselben, insbesondere eine Bremsscheibe oder ein Kupplungsreibkörper oder eine Gleitringdichtung, mit einer keramischen, Poren bildenden Phase und mit einer metallenen, sich in den Poren befindenden Phase, wobei das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 500 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 100 W/mK aufweist, bevorzugt eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 600 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 120 W/m K aufweist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass das erfindungsgemäße Verbundbauteil bzw. der erfindungsgemäße Werkstoff bei einer Vielzahl von Anwendungsbereichen vorteilhaft eingesetzt wird. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist insbesondere für tribologisch hoch beanspruchte Bauteile von großer
Wichtigkeit, weil dadurch hohe thermische Gradienten bzw. große thermische Spannungen bzw. auch thermomechanische Spannungen - wie sie etwa infolge eines hohen Energieeintrags während einer Reibbeanspruchung auftreten können - vermieden werden können oder reduziert werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands nach der Erfindung sind der Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Ausführungsform(en) der Erfindung
Bei einer ersten Variante des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem ersten Verfahrensschritt zunächst ein poröser keramischer Vorkörper mit beliebiger Formgebung hergestellt. Bei der Form des Vorkörpers handelt es sich beispielsweise um die typische Form einer Bremsscheibe, es kann sich jedoch auch um eine andere Form handeln. Der Vorkörper weist beispielsweise eine Porosität von etwa 20 vol% oder von etwa 30 vol% oder von etwa 40 vol% oder von etwa 50 vol% oder von etwa 60 vol% oder von etwa 70 vol% auf. Der Bereich variiert beispielsweise zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol%, bevorzugt zwischen etwa 40 vol% und etwa
50 vol%.
Erfindungsgemäß wird ein metall-keramischer Werkstoff durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellt, wobei während der Herstellungsschritte die Anbindung einer bevorzugt hochwärmeleitfähigen Metallphase an eine bevorzugt hochverschleißbeständige Keramikphase bewirkt wird. Hierbei umfasst die Metallphase bevorzugt reines Kupfer oder aber ein anderes, bevorzugt hochwärmeleitendes Metall, im wesentlichen in Reinform oder in einer Legierung. Um die Anbindung der Metallphase an die Keramikphase zu realisieren ist es vorgesehen, dass ein Nebenbestandteil zur Keramik, d.h. der Ausgangsmasse, beigegeben wird. Dieser reagiert während des Sinterprozesses oder während der Schmelzinfiltration mit dem keramischen Hauptbestandteil, so dass sich eine an den keramischen Hauptbestandteil gebundene Grenzflächenphase mit vorteilhafter Anbindung an die schmelzinfiltrierte Metallphase ausbildet. Erfindungsgemäß ist als keramischer Nebenbestandteil (der Keramikphase bzw. des Vorkörpers) insbesondere Cu2O vorgesehen. Dieser keramische Nebenbestandteil ist erfindungsgemäß mit einem Anteil von etwa 0,05 Masse% bis etwa 30 Masse%, bevorzugt von 1 Masse% bis 3 Masse%, in der keramischen Ausgangsmasse vorhanden. Hierbei umfasst die Grenzflächenphase insbesondere CuAIO2 oder CuAI2O4 für den Fall, dass der keramische Hauptbestandteil (der Ausgangsmasse) ein Aluminiumoxid, beispielsweise ein AI2O3, ist.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen metall-keramischen Werkstoffes bestand die keramische Ausgangsmasse im wesentlichen aus AI2O3 mit einer Beimengung von 2 Masse% Cu2O. Im Verlauf des Sinterprozesses reagierte Cu2O mit AI2O3 zur Phase CuAIO2. Der keramische Vorkörper wies eine Porosität von 50 vol% auf. Der Vorkörper wurde mit einer reinen Kupferschmelze im sogenannten Squeeze-Cast- Verfahren infiltriert. Die mechanische Festigkeit des erhaltenen Cu- M M C -Werkstoffes bzw. Verbundbauteils wurde zu 720 MPa bestimmt. Die
Wärmeleitfähigkeit wurde mit 143 W/m K bestimmt. Zum Vergleich erzielte ein analoger Kupfer-MMC-Werkstoff ohne den Zusatz des keramischen Nebenbestandteils, d.h. im vorliegenden Fall ohne Cu2O, lediglich eine Festigkeit von 285 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von 108 W/m K.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und insbesondere nicht auf die Herstellung von Bremsscheiben beschränkt. Vielmehr können eine Vielzahl an keramischen Vorkörpern mit einer dem jeweiligen Anwendungsfall angepassten Form eingesetzt werden. Die keramische Ausgangsmasse muss dabei einen keramischen Nebenbestandteil aufweisen, der mit dem keramischen Hauptbestandteil während des Sinterprozesses oder während der Schmelzinfiltration zu einer an den keramischen Hauptbestandteil gebundenen Phase reagiert. Diese muss dann auch eine Anbindung gegenüber der infiltrierten Metallphase aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes oder eines
Verbundbauteils, umfassend in einem ersten Schritt das Herstellen eines porösen keramischen Vorkörpers aus einer keramischen Ausgangsmasse und in einem zweiten Schritt die Infiltration des porösen keramischen Vorkörpers mit einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Ausgangsmasse einen keramischen
Hauptbestandteil und einen keramischen Nebenbestandteil umfasst, wobei während des ersten und/oder zweiten Schrittes der Nebenbestandteil zumindest teilweise mit dem Hauptbestandteil reagiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische
Hauptbestandteil ein Oxid, insbesondere AI2O3, ist und dass die Metallschmelze ein hochschmelzendes Metall ist, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung oder reines Kupfer.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkörper eine Porosität von zwischen etwa 20 vol% und etwa 70 vol% aufweist, bevorzugt von etwa 30 vol% bis etwa 50 vol%.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkörper weitere Bestandteile umfasst, die gegenüber der
Metallschmelze und gegenüber dem keramischen Hauptbestandteil inert sind, wobei insbesondere die weiteren Bestandteile aus Partikeln oder Fasern bestehen, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid oder einem Borid gebildet sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Nebenbestandteil mindestens ein Oxid und/oder ein Carbid und/oder ein Nitrid umfasst, insbesondere Cu2O.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des keramischen Nebenbestandteils an der keramischen Ausgangsmasse zwischen etwa 0,05 Masse% und etwa 30 Masse% liegt, bevorzugt zwischen etwa 1 Masse% und etwa 3 Masse%.
7. Verbundwerkstoff oder Verbundbauteil, insbesondere eine Bremsscheibe, ein Kupplungsreibkörper oder eine Gleitringdichtung, mit einer keramischen, Poren bildenden Phase und mit einer metallenen, sich in den Poren befindenden Phase, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff oder das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 500 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 100 W/m K aufweist.
8. Verbundwerkstoff oder Verbundbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff oder das Verbundbauteil eine mechanische Festigkeit von größer als etwa 600 MPa und eine Wärmeleitfähigkeit von größer als etwa 120 W/m K aufweist.
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