WO1998037034A1 - Verfahren zur herstellung von keramik-metall-verbundkörpern, keramik-metall-verbundkörper und deren verwendung - Google Patents

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Steffen Rauscher
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing ceramic-metal composite bodies, ceramic-metal composite bodies and their use.
  • M Cs metal matrix composites
  • This material class focuses on a lower density, which means that components with a lower weight can be realized. However, this material reaches its thermal limits at approx. 450 ° C because aluminum as the base material softens very quickly and loses its mechanical strength.
  • the lowest specific weight of all potential brake materials is the carbon fiber reinforced carbon (C / C). These materials have been used successfully in racing for a long time. Their main disadvantage is their high wear, which would make them unprofitable for large-scale applications. In addition, C / Cs have a low thermal conductivity and heat capacity, which leads to them heating up strongly during the braking process.
  • the US-A-5, 535, 857 claims the production of a metal-ceramic brake disc via the infiltration of a porous SiC pre-body.
  • the SiC powder is pressed into the required shape and pre-sintered, so that open pore channels remain.
  • the porous disc is now infiltrated with an aluminum alloy, creating a metal-reinforced ceramic matrix.
  • the metal does not react with the matrix during infiltration, so that the temperature resistance of the material depends on the reinforcement matrix. In the case of aluminum infiltration, this means that the limit of use of the material is 400 ° C.
  • SHS reaction Seif propagating high temperature perature synthesis means the ignition of a reactive mixture, whereby the reaction maintains itself and provides the desired ceramic matrix as reaction products).
  • Lanxide Technology also claims a number of materials made via metal infiltration (e.g. EP-B-0 368 785, EP-B-0 368 784). These patents essentially claim new process steps, e.g. the directed oxidation of the ceramic preform.
  • the procedure presented here differs from the existing procedures mainly in that the in- filtration with aluminum, a reaction takes place that produces a high-temperature-resistant aluminum alloy.
  • the ceramic preform is also produced by a reaction synthesis, as a result of which the functional composition of the later material composition can be controlled.
  • the material of this invention has a density of 3.4 g / cm 3 , which density is slightly higher than that of the MMCs, but is only 42% of the density of the cast iron. Due to the high temperature-resistant phases of the TiAl, its area of application should reach up to 800 ° C, whereby the values for gray cast iron are likely to be significantly exceeded.
  • Another important advantage of this material is the low cost level of both the raw materials and the process technology.
  • the material and the process have the potential that the unit price could be close to cast disks in a large-scale production.
  • the reactive starting materials are weighed in powder form in the stoichiometric ratios previously calculated and roughly mixed in a glass flask.
  • a binder polypropylene carbonate
  • acetone is then added to the powder mixture.
  • This slip is mixed thoroughly in a rotary evaporator and dried at the same time.
  • the dried material consists of large, hard agglomerates, which in turn have to be crushed in a centrifugal mill.
  • the powder thus obtained is pressed uniaxially in a round mold (mold diameter 60 mm, 100 mm, 330 mm).
  • the decisive process step now lies in the annealing treatment of this ceramic matrix.
  • the temperature treatment is in a range between 1100 ° C and 1400 ° C, with a temperature temperature program that does justice to the reaction mechanisms in its ramps and holding times.
  • a graphite-heated cold-wall reactor under vacuum is usually used as the heating.
  • porous ceramic preforms obtained in this way are then infiltrated in the same system at 1100 ° C. under vacuum in an aluminum oxide crucible with liquid aluminum.
  • the infiltration is self-sustaining and depends on the wetting between the melt and the ceramic matrix. This in turn defines a temperature and time window for the infiltration process.
  • the first step is a solid-solid reaction and the second step is a solid-liquid reaction.
  • the reactions used here are called exchange reactions (AR) and correspond to the chemical term of the redox reaction.
  • a ceramic compound reacts with a metal, creating a new ceramic compound and releasing another metal.
  • An example of this is the reaction between aluminum and titanium oxide, which looks like this:
  • the concrete advantage of this example is that a low-melting, inexpensive metal (aluminum) with a high-melting, expensive metal (Ti) is implemented.
  • the situation is similar with the occurring ceramic components, here too a low-value substance is converted into a higher-value substance.
  • the first reaction step involves the matrix annealing described above.
  • the pressed ceramic green body which consists of a stoichiometric mixture of B 4 C / 3 Ti and 2 TiC> 2, is subjected to a temperature treatment in which essentially the following reaction takes place:
  • the exchange reaction between B 4 C and Ti plays a central role in this process and was selected because the reaction products TiB 2 and TiC promise good rubbing properties. In the context of the present invention, the reaction was successfully controlled by a sophisticated temperature program .
  • the green body composition can be varied on the one hand, and on the other hand you can influence the reaction with the help of a suitable temperature program.
  • the ceramic preform After the first reaction step, the ceramic preform has almost the same composition, only the porosity changes. With this method it is possible to precisely specify the functional ceramic components and thus to set certain material properties, such as the coefficient of friction.
  • the second exchange reaction is carried out in the form of a reaction infiltration.
  • the porous ceramic body is placed in an aluminum powder bath and heated under vacuum to a temperature above 1000 ° C.
  • the aluminum melts and is sucked up by the ceramic body at a certain temperature.
  • This infiltration process there is a reaction between Al and Ti2Ü3, which depending on the composition obeys the following equation:
  • a powder mixture with the stoichiometric composition B 4 C / 3 Ti / 2 TiC> 2 is mixed with a binder (polypropylene carbonate) and pressed uniaxially into a round disc. This disc is then annealed in a graphite-heated cold wall reactor under vacuum between 1200 ° C and 1400 ° C for 30 min.
  • the resulting ceramic body has the stoichiometric composition 2 TiB 2 / TiC / Ti2C> 3 and has a porosity of 55%.
  • the infiltration with powdered AI takes place in the same oven at 1100 ° C also under vacuum for 1.5 h.
  • the resulting metal-ceramic composite body consists of approx. 20 vol.% TiB 2 10% TiC, 15% A1 2 0 3 , 45% Al 3 Ti and 10% Al.
  • Example 3 A powder mixture with the stoichiometric composition 2 TiB2 / TiC / 2 Ti ⁇ 2 is processed and annealed under the same conditions as in Example 1.
  • the ceramic preform also has the composition as in Example 1, but has a porosity of 45%. After infiltration with aluminum, the composite material has a metallic proportion of approximately 52% Al 3 Ti and 3% Al, the ceramic components remaining as in Example 1.
  • Example 3 A powder mixture with the stoichiometric composition 2 TiB2 / TiC / 2 Ti ⁇ 2 is processed and annealed under the same conditions as in Example 1.
  • the ceramic preform also has the composition as in Example 1, but has a porosity of 45%. After infiltration with aluminum, the composite material has a metallic proportion of approximately 52% Al 3 Ti and 3% Al, the ceramic components remaining as in Example 1.
  • Example 3 Example 3:
  • a powder mixture of TiO 2 / C is annealed under low N 2 partial pressure ( ⁇ 1 mbar) at 1800 ° C, whereby a powder of the compound TiCxNy is formed (x, y depending on the N2 partial pressure).
  • the powder is mixed with TiO 2 in a ratio of 3: 2 and as in Example 1 processed.
  • the resulting material has only TiC x Ny and Al in the ceramic phase, the metallic phase is identical to that in Example 1.

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Abstract

Es wird ein Verfahren vorgestellt, das die Entwicklung eines verschleissfesten, hochtemperaturbeständigen Keramik-Metall-Verbundwerkstoffes zeigt. Hierbei wird ein poröser Keramikkörper über eine gezielte chemische Reaktionsführung erzeugt. Dieser Keramikkörper enthält die für die Verschleissfestigkeit wichtigen funktionellen Bestandteile, besitzt aber selbst nur geringe mechanische Festigkeit. Durch eine Einbringung und anschliessende Reaktion mit einem flüssigen Metall wird dieser Körper in einen homogenen, dichten Keramik-Metall-Verbundwerkstoff umgewandelt. Motivation für diese Erfindung war die Entwicklung eines neuen Werkstoffes, insbesondere für Bremsen. Die Eigenschaften, die dieser Werkstoff aufweist, prädestinieren ihn gleichzeitig für Anwendungen auf allen Gebieten, wo hohe Temperaturen und hoher Verschleiss auftreten.

Description

Verfahren zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundkörpern, Keramik-Metall-Verbundkörper und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Keramik-Metall-Verbundkörpern, Keramik-Metall-Verbundkörper und deren Verwendung.
Herkömmliche Bremsscheiben werden in der Regel aus Grauguß gefertigt. Hierfür existiert eine ausgereifte Technologie, woraus ein niedriges Kostenniveau in der Serienfertigung resultiert. In modernen Fahrzeugen treten jedoch vermehrt Probleme auf, da immer höhere Massen bei steigenden Höchstgeschwindigkeiten abgebremst werden müssen. Aus diesen Umstand heraus steigt der konstruktive Aufwand der Bremssysteme erheblich an (z.B. Innenbelüftung) , da das Aufheizen der Bremsscheibe über eine kritische Temperatur verhindert werden muß. Mit der Größe der Bremssysteme steigt auch deren Masse, was sich negativ auf den Fahrkomfort auswirkt.
Eine weitere, bereits im Einsatz befindliche Werkstoffgruppe für Bremsenanwendung sind die sogenannten M Cs (Metal-Matrix- Composites) . Dabei handelt es sich in der Regel um parti- kelverstärktes Aluminium, die Verstärkungsphase besteht üblicherweise aus einer Keramik wie Sie oder I2O3. Bei dieser Werkstoffklasse steht eine geringere Dichte im Vordergrund, wodurch Bauteile mit geringerem Gewicht realisiert werden können. Dieses Material gerät jedoch bei ca. 450 °C an seine thermischen Grenzen, da Aluminium als Basismaterial sehr schnell erweicht und seine mechanischen Festigkeiten verliert . Das geringste spezifische Gewicht aller potentiellen Bremsenwerkstoffe weisen die kohlenstoffaserverstärkten Kohlenstoffe (C/C) auf. Diese Materialien werden schon seit längerer Zeit erfolgreich im Rennsport eingesetzt. Ihr Nachteil besteht vor allem in ihrem hohen Verschleiß, der sie für eine Großserienanwendung unrentabel machen würde. Hinzu kommt, daß C/Cs eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität aufweisen, was dazu führt, daß sie sich während des BremsVorganges stark aufheizen.
Infiltriert man C/C Materialien mit Silizium, so entsteht ein keramischer SiC-Werkstoff, der mit Kohlenstoffasern verstärkt ist. Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein interessantes Bremsenmaterial, das jedoch in der heutigen Form einen geringen Reibwert aufweist und wie alle faserverstärkten Materialien noch sehr teuer ist .
Verfahren zum Herstellen von Metallkeramiken durch Infiltration poröser Keramikkörper wurden bereits in mehreren Patentdokumenten beschrieben.
Die US-A-5, 535, 857 beansprucht die Herstellung einer metallkeramischen Bremsscheibe über die Infiltration eines porösen SiC Vorkörpers . Für diesen keramischen Körper wird das SiC-Pulver in die benötigte Form gepreßt und vorgesintert, so daß offene Porenkanäle bestehen bleiben. Die poröse Scheibe wird nun mit einer Aluminium-Legierung infiltriert, wodurch eine metallverstärkte Keramikmatrix entsteht. Das Metall geht während der Infiltration keine Reaktion mit der Matrix ein, so daß die Temperaturbeständigkeit des Werkstoffes von der Verstärkungsmatrix abhängt. Bei einer Aluminium-Infiltration bedeutet das, daß die Einsatzgrenze des Werkstoffes 400 °C beträgt.
In einem weiteren Verfahren wird ebenfalls die Infiltration eines keramischen Vorkörpers mit Aluminium beschrieben (US-A- 4,988,645) . Hierbei wird der Keramikkörper über eine SHS- Reaktion hergestellt (SHS-Reaktion: Seif propagating high tem- perature synthesis, bedeutet die Zündung eines reaktiven Gemisches, wobei sich die Reaktion selbst aufrechterhält und als Reaktionsprodukte die gewünschte Keramikmatrix liefert) .
In der US-A-4, 033 , 400 wird die Infiltration eines porösen keramischen Körpers mit einem flüssigen Metall beansprucht, wobei die Matrix aus Si3N besteht und das Metall sich aus einer AI- Legierung zusammensetzt. Auch hier wird eindeutig darauf Wert gelegt, daß zwischen der Matrix und dem Metall keine Reaktion stattfinden soll.
Die Firma Lanxide Technology beansprucht ebenfalls eine Reihe von Materialien, die über Metallinfiltration hergestellt wurden (z.B. EP-B-0 368 785, EP-B-0 368 784). Diese Patente beanspruchen im wesentlichen neue Verfahrensschritte, wie z.B. die gerichtete Oxidation des keramischen Vorkörpers .
Allen Patenten war bisher eigen, daß keine Reaktionsinfiltration stattgefunden hat . Eine Ausnahme hierbei macht das Patent US-A-4, 585, 618 , worin das einzige Verfahren vorgestellt wird, in dem das infiltrierte Metall (Aluminium) mit der Matrix eine Reaktion eingeht. Ziel dieser Erfindung ist es, eine verstärkte TiB2/Al2θ3 -Keramik für Elektrolyse-Zellen herzustellen. Zu diesem Zweck wird ein TiC>2/B2θ3/AI-Gemisch mit Aluminium infiltriert. Die Infiltrationszeit beträgt 100 Stunden! Das Reakti- onsprodukt besteht aus TiB2/Al2θ3/Αl, wobei an der Oberfläche auch Al3Ti nachgewiesen wird, was allerdings nicht erwünscht ist .
An dieser Stelle wird auf die mit selbem Zeitrang wie die vorstehende Patentanmeldung eingereichte Patentanmeldung "Verfahren zum Herstellen von Keramik-Metall-Verbundkörpern, Keramik-Metall-Verbundkörper und deren Verwendung" der Anmelderin verwiesen.
Das hier vorgestellte Verfahren unterscheidet sich von den bereits bestehenden Verfahren vor allem darin, daß durch die In- filtration mit Aluminium eine Reaktion stattfindet, die eine hochtemperaturbeständige Aluminium-Legierung hervorbringt. Neben der Reaktionsinfiltration wird auch der keramische Vorkörper durch eine Reaktionεsynthese erzeugt, wodurch die spätere WerkstoffZusammensetzung in ihren funktioneilen Bestandteilen kontrolliert gestaltet werden kann.
Der Werkstoff dieser Erfindung weist eine Dichte von 3,4 g/cm3 auf, wobei diese Dichte geringfügig höher liegt als die der MMCs, jedoch nur 42 % der Dichte des Gußeisens beträgt. Durch die hochtemperaturbeständigen Phasen des TiAl dürfte sein Anwendungsgebiet bis zu 800 °C reichen, wobei die Werte für Grauguß deutlich überboten werden dürften.
Ein weiterer wichtiger Vorteil dieses Materials liegt im niedrigen Kostenniveau sowohl der Rohstoffe als auch der Prozeßtechnik. Der Werkstoff und das Verfahren besitzen das Potential, daß bei einer Großserienfertigung der Stückpreis in der Nähe von Gußscheiben liegen könnte.
Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren detailliert beschrieben.
Die reaktiven Ausgangsstoffe werden in Pulverform in den vorher berechneten stöchiometrischen Verhältnissen abgewogen und in einem Glaskolben grob gemischt. Anschließend wird ein in Azeton gelöster Binder (Polypropylencarbonat) zu der Pulvermischung hinzugegeben. Dieser Schlicker wird in einem Rotationsverdampfer gründlich gemischt und gleichzeitig getrocknet. Das getrocknete Material besteht aus großen, harten Agglomeraten, die wiederum in einer Zentrifugalmühle zerkleinert werden müssen. Das hierdurch erhaltene Pulver wird in einer runden Preßform uniaxial verpreßt (Formdurchmesser 60 mm, 100 mm, 330 mm) .
Der entscheidende Prozeßschritt liegt nun in der Glühbehandlung dieser Keramikmatrix. Die Temperaturbehandlung liegt in einem Bereich zwischen 1100 °C und 1400 °C, mit einem Tem- peraturprogramm, das in seinen Rampen und Haltezeiten den Reaktionsmechanismen gerecht wird. Als Heizung wird üblicherweise ein graphitbeheizter Kaltwandreaktor unter Vakuum verwendet.
Die so gewonnenen porösen keramischen Vorkörper werden anschließend in der selben Anlage bei 1100 °C unter Vakuum in einem Aluminiumoxidtiegel mit flüssigem Aluminium infiltriert. Die Infiltration ist selbsterhaltend und abhängig von der Benetzung zwischen der Schmelze und der Keramikmatrix. Hierdurch wird wiederum ein Temperatur- und Zeitfenster für den Infiltrationsvorgang festgelegt .
Die Prozeßschritte sind also wie folgt:
• Pulver abwiegen
• Binder zusetzen und naß mischen
• Trocknen und Mahlen (z.B. in einer Zentrifugalmühle)
• uniaxial pressen
• Matrixglühung
• Metallinfiltration
• Endbearbeitung.
Für die Herstellung des Keramik-Metall-Composits laufen zwei Reaktionen in voneinander getrennten Prozeßschritten ab. Es handelt sich dabei im ersten Schritt um eine fest-fest Reaktion und im zweiten Schritt um eine fest-flüssig Reaktion. Die hier angewandten Reaktionen werden Austauschreaktionen (AR) genannt und entsprechen dem chemischen Begriff der Redox-Reaktion. Hierbei reagiert eine keramische Verbindung mit einem Metall, wobei eine neue keramische Verbindung entsteht und ein anderes Metall frei wird. Ein Beispiel hierfür besteht in der Reaktion zwischen Aluminium und Titanoxid, die wie folgt aussieht:
4 AI + 3 Ti02 => 3 Ti + 2 A1203.
Der konkrete Vorteil an diesem Beispiel besteht darin, daß ein niedrigschmelzendes, preisgünstiges Metall (Aluminium) mit ei- nem hochschmelzenden, teuren Metall (Ti) umgesetzt wird. Ähnlich verhält es sich mit den auftretenden keramischen Bestandteilen, auch hier wird eine niederwertige Substanz in eine höherwertige Substanz umgewandelt.
Bevor auf die genauen Details der Reaktionsführung eingegangen wird, soll der Übersicht halber eine schematische Darstellung hiervon vorangestellt werden.
B4C + Ti + Tiθ2
1
1
Temperaturbehandlung 1 Austauschreaktion I
1
1 i
TiB2 + TiC + Ti2θ3
1 T
Figure imgf000008_0001
i
1 +A1 (flüssig) 1 1
1
Infiltration 1 Austauschreaktion II
1 i
TiB2 + TiC +AI2O3 + AlχTiy a) Austauschreaktion I:
Im ersten Reaktionsschritt handelt es sich um die oben beschriebene Matrixglühung. Der gepreßte keramische Grünkörper, der aus einer stöchiometrischen Mischung von B4C/3 Ti und 2 TiC>2 besteht, wird einer Temperaturbehandlung unterzogen, bei der im wesentlichen, folgende Reaktion stattfindet:
B4C + 3 Ti + 2 Ti02 => 2 TiB2 + TiC + Ti203 + 0,5 02
Es findet also eine Austauschreaktion zwischen B4C und Ti statt, die als Reaktionsprodukte TiB und TiC liefert. Das Ti02 wird zwar auf eine niedrigere Oxidationsstufe reduziert, beeinflußt aber nicht die vorher genannte Reaktion, weshalb sein Verhalten als quasiinert bezeichnet werden kann.
Die Austauschreaktion zwischen B4C und Ti spielt eine zentrale Rolle in diesem Verfahren und wurde ausgewählt, da die Reakti- onsprodukte TiB2 und TiC gute Reibeigenschaften versprechen Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die Reaktion durch ein ausgefeiltes Temperaturprogramm kontrolliert ablaufen zu lassen.
In diesem Prozeßschritt ist es möglich, die Zusammensetzung und Eigenschaften des späteren Composites zu manipulieren. Bei der Austauschreaktion B4C/Ti tritt eine starke negative Volumenänderung auf. Das bedeutet, daß die Porosität, die der Preßkörper ohnehin schon besitzt, sich erheblich erhöht, sie liegt nach der Matrixglühung üblicherweise zwischen 40 % und 55 %. Dabei ist es von großer Bedeutung die Porosität in diesem Prozeßstadium präzise einzustellen, denn die Porosität bestimmt bei der späteren Reaktionsinfiltration die zu reagierende AI- Menge und somit die endgültige Phasenzusammensetzung.
Um eine bestimmte Porosität einzustellen, läßt sich zum einen die GrünkörperZusammensetzung variieren, zum anderen kann man mit Hilfe eines geeigneten Temperaturprogrammes Einfluß auf die Reaktion nehmen.
Die Variierung der Grünkörperzusa mensetzung soll genauer beschrieben werden, denn hier besteht die Möglichkeit, die Produkte der Austauschreaktion B4C/Ti, also TiB2 und (oder) TIC von vornherein dem Grünkörper ganz oder teilweise zuzugeben. Die bisher verwendeten Ansätze sehen stöchiometrisch folgendermaßen aus :
0,5 B4C/1,5 Ti/TiB2/0,5 TiC/2 Ti02
2 TiB2/TiC/2 Ti02
3 TiC / 0,7 N / 0,3 2 Ti02
Nach dem ersten Reaktionsschritt hat der keramische Vorkörper nahezu dieselbe Zusammensetzung, nur die Porosität ändert sich. Mit dieser Methode ist es möglich, die funktionellen keramischen Bestandteile genau vorzugeben und somit bestimmte Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel den Reibwert, einzustellen.
b) Austauschreaktion II (Reaktionsinfiltration) :
Die zweite Austauschreaktion wird in Form einer Reaktionsinfiltration durchgeführt. Hierbei wird der poröse keramische Körper in ein Aluminiumpulverbad gelegt und unter Vakuum auf eine Temperatur über 1000 °C aufgeheizt. Das Aluminium schmilzt auf und wird bei einer bestimmten Temperatur von dem Keramikkörper aufgesaugt. Während dieses Infiltrationsprozesses kommt es zu einer Reaktion zwischen AI und Ti2Ü3 , die je nach Zusammensetzung in etwa folgender Gleichung gehorcht:
4 AI + Ti 03 => 2 AlTi + A1 03.
Während dieser Reaktion bleiben die keramischen Bestandteile TiB2 und TiC, die im fertigen Werkstoff die funktioneilen Grup- pen darstellen, inert. Das AI und das Ti2Ü3 reagieren so, daß schließlich ein nahezu dichter Formkörper vorliegt.
Beispiele :
Beispiel 1:
Eine Pulvermischung mit der stöchiometrischen Zusammensetzung B4C/3 Ti/2 TiC>2 wird mit einem Binder (Polypropylencarbonat) versetzt und uniaxial zu einer runden Scheibe verpreßt . Diese Scheibe wird anschließend in einem graphitbeheizten Kaltwandreaktor unter Vakuum zwischen 1200 °C und 1400 °C für 30 min geglüht. Der hierdurch entstehende Keramikkörper hat die stöchio- metrische Zusammensetzung 2 TiB2/TiC/Ti2C>3 und weist eine Porosität von 55% auf. Die Infiltration mit pulverförmigen AI erfolgt im selben Ofen bei 1100°C ebenfalls unter Vakuum für 1,5 h. Der resultierende Metall-Keramik Verbundkörper besteht aus ca. 20 Vol.-% TiB2 10 % TiC, 15 % A1203, 45 % Al3Ti und 10 % AI.
Beispiel 2 :
Eine Pulvermischung mit der stöchiometrischen Zusammensetzung 2 TiB2/TiC/2 Tiθ2 wird unter denselben Bedingungen wie in Beispiel l verarbeitet und geglüht. Der keramische Vorkörper hat ebenfalls die Zusammensetzung wie in Beispiel 1, besitzt aber eine Porosität von 45%. Nach der Infiltration mit Aluminium hat der Verbundwerkstoff einen metallischen Anteil von ca. 52 % Al3Ti und 3 % AI, wobei die keramischen Bestandteile wie in Beispiel 1 bestehen bleiben. Beispiel 3 :
Eine Pulvermischung aus Tiθ2/C wird unter geringem N2- Partialdruck (< 1 mbar) bei 1800 °C geglüht, wobei ein Pulver der Verbindung TiCxNy entsteht (x,y je nach N2~Partialdruck) . Das Pulver wird mit Tiθ2 im Verhältnis 3:2 gemischt und wie in Beispiel 1 verarbeitet. Der resultierende Werkstoff weist in der keramischen Phase nur TiCxNy und AI auf, die metallische Phase ist mit der in Beispiel 1 identisch.
Motivation für diese Erfindung war die Entwicklung eines neuen Bremsenwerkstoffes . Die Eigenschaften, die dieser Werkstoff aufweist, prädestinieren ihn gleichzeitig für Anwendungen auf allen Gebieten, wo hohe Temperaturen und hoher Verschleiß auftreten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, das folgende Verfahrensschritte aufweist,
- Vermischen von Tiθ2 mit einer oder mehreren Bor (B) und/oder Kohlenstoff aufweisenden Ausgangsstoffen, insbesondere bori- dischen und/oder carbidischen Keramiken zu einem Grünkörper- Gemenge,
- Glühen des Grünkörper-Gemenges bei Austauschtemperaturen zwischen 900 °C und 1900 °C, bevorzugt zwischen 1100 °C und 1400 °C, und unterhalb einer zu einer autokatalytischen Reaktion, insbesondere einer Explosion führenden Temperatur, zur Durchführung einer Austauschreaktion zwischen den Ausgangsstof en und dem Ti02 mit den Reaktionsprodukten TiBx und/oder TiCy, wobei gilt :
0 < x < 2 und 0 < y < 1,
- Herstellen eines formstabilen porösen Grunkörpers aus den Reaktionsprodukten,
- Befüllen des porösen Grünkörpers mit flüssigem Aluminium nach der Austauschreaktion, und
- Durchführung einer Reaktion zwischen den Reaktionsprodukten des Grünkörpers und dem vom Grünkörper aufgenommenen Aluminium unter Bildung des Keramik-Metall-Verbundkorpers mit einer TiBx und/oder TiCy und/oder TiCN und AI2O3 aufweisenden kera- mischen Phase sowie einer eine intermetallische Verbindung aus Ti und AI aufweisenden metallischen Phase.
2. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall- Verbundkörpers , das folgende Verfahrensschritte aufweist,
- Vermischen von Ti02 mit einer oder mehreren Bor (B) und/oder Kohlenstoff aufweisenden Ausgangsstoffen, insbesondere bori- dischen und/oder carbidischen Keramiken zu einem Grünkörper- Gemenge,
- Herstellen eines formstabilen porösen Grunkörpers aus dem Grünkörper-Gemenge,
- Glühen des porösen Grünkörpers bei Austauschtemperaturen zwischen 900 °C und 1900 °C, bevorzugt zwischen 1100 °C und 1400 °C, und unterhalb einer zu einer autokatalytischen Reaktion, insbesondere einer Explosion führenden Temperatur, zur Durchführung einer Austauschreaktion zwischen den Ausgangsstoffen und dem Tiθ2 mit den Reaktionsprodukten TiBx und/oder TiCy, wobei gilt:
0 < x < 2 und 0 < y < 1,
- Befüllen des porösen Grünkörpers mit flüssigem Aluminium nach der Austauschreaktion, und
- Durchführung einer Reaktion zwischen den Reaktionsprodukten des Grunkörpers und dem vom Grünkörper aufgenommenen Aluminium unter Bildung des Keramik-Metall-Verbundkörpers mit einer TiBx und/oder TiCy und/oder TiCN und AI2O3 aufweisenden keramischen Phase sowie einer intermetallische Verbindung aus Ti und AI aufweisenden metallischen Phase.
3 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Grünkörper-Gemenge stöchiometrisch oder mit einem Sau- erstoffüberschuß oder einem Kohlenstoffüberschuß angesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das flüssige Aluminium bei einer Füll-Temperatur unterhalb 1000 °C, insbesondere unterhalb 900 °C in den Grünkörper vorzugsweise mittels eines Druckguß-Verfahrens eingepreßt wird und daß der Aluminium gefüllte Grünkörper zur Bildung des Keramik- Metall-Verbundkorpers anschließend auf Temperaturen oberhalb 1000 °C erhitzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,. daß zur Befüllung des Grunkörpers mit Aluminium das Aluminium auf Temperaturen oberhalb 1000 °C erhitzt wird, daß das erhitze Aluminium vom Grünkörper aufgesaugt wird, und daß das flüssige Aluminium beim auf einer Reaktionsinfiltration basierenden Aufsaugen, unter Bildung des Keramik-Metall-Verbundkörpers mit den Reaktionsprodukten reagiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grünkörper aus den Reaktionsprodukten in Pulverform durch Trockenmischen, Zugabe eines Binders, insbesondere eines die Reaktion zwischen Aluminium und den Reaktionsprodukten fördernden Binders, Naßmischen, Trocken, Zerkleinern und Pressen hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grünkörper aus den reaktiven Ausgangsstoffen in Pulverform durch Trockenmischen, Zugabe eines Binders, insbesondere eines die Reaktion zwischen dem Aluminium und den Reaktionsprodukten fördernden Binders, Naßmischen, Trocken, Zerkleinern und Pressen hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Binder in einem Lösungsmittel, bevorzugt in einem organischen Lösungsmittel und besonders bevorzugt in Azeton gelöst wird, und daß als Binder Polypropylencarbonat oder Natriumhy- drogenselicat oder Ethylsilicat oder Polyvinylalkohol gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Grünkörper-Gemenge TiBx und/oder TiCy und/oder TiCN beigegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Grünkörper-Gemenge vor der Pressung zu dem Grünkörper Fasern, insbesondere Kurzfasern mit einer Länge kleiner 15 mm und insbesondere größer 3 mm und/oder ein Filz und/oder ein Gewebe - im folgenden zusammenfassend Fasern genannt - beigegeben und mit dem Grünkörper-Gemenge vermischt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Fasern auf der Basis von AI2O3 und/ Sie und/oder Metall, insbesondere Stahl, und/oder Mineralien gewählt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß anstelle von Aluminium zumindest teilweise Magnesium verwendet wird.
13. Keramik-Metall-Verbundkörper, dessen keramische Phase AI2O3 und mindestens eine Verbindung aus der Gruppe der Reaktionsprodukte TiBX; . TiCy und TiCN aufweist und daß die metallische Phase des Keramik-Metall-Verbundkörpers eine intermetallische Verbindung aus AI und Ti aufweist .
14. Keramik-Metall -Verbundkörper nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Keramik-Metall-Verbundkörper nach seiner Herstellung Aluminium als zusätzliche Phase aufweist.
15. Keramik-Metall -Verbundkörper nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Keramik-Metall-Verbundkörper nach seiner Herstellung einen Sauerstoffüberschuß aufweist.
16. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Phasen homogen verteilt sind.
17. Keramik-Metall -Verbundkörper nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Restporosität des Keramik-Metall-Verbundkörpers kleiner 5 %, bevorzugt kleiner 1 % und besonders bevorzugt kleiner 0.1 % ist.
18. Keramik-Metall -Verbundkörper nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Keramik-Metall-Verbundkörper Fasern, insbesondere Kurz- fasern und/oder Filz und/oder Gewebe - im folgenden zusammenfassend Fasern genannt - aufweist.
19. Keramik-Metall -Verbundkörper nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Fasern auf der Basis von AI2O3 und/oder SiC und/oder Metall, insbesondere Stahl, und/oder Mineralien hergestellt sind.
20. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13 , der insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, für tribologische Systeme.
21. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, der insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, für Strukturkomponenten in Strahltriebwerken und Motoren, insbesondere Gleitlager.
22. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, der insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, als Schneidwerkstoff .
23. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, der insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, als Kompositmaterial für insbesondere schußsichere Panzerungen.
24. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13 , der insbesondere mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 oder 2 hergestellt ist, als Material für BremsScheiben.
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