DE102006036624B4

DE102006036624B4 - Werkstückträger sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen

Info

Publication number: DE102006036624B4
Application number: DE102006036624A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Weiss; Andreas Lauer
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: DE102006036624A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstückträgers bestehend aus in einer oxidischen Matrix vorhandenen Kohlenstofffasern, dadurch gekennzeichnet, dass ein monolithischer oder aus mehreren Lagen bestehender Grundkörper aus Filz, Vlies, Gelege, Roving oder Gewebe mit einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, Mullit, ZrO₂ und/oder Spinell imprägniert; sodann getrocknet und gesintert und anschließend nachimprägniert und gesintert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstückträgers bestehend aus in einer oxidischen Matrix vorhandenen Kohlenstofffasern.
Bei der Wärmebehandlung von Werkzeugteilen aus Metall wie Stahl erfolgt häufig eine Einstellung der Materialeigenschaften durch Wärmebehandlung. Diese Wärmebehandlung kann zum Beispiel dazu dienen, eine Optimierung des Gefüges zu erzielen oder spezielle metallische Werkstoffe bei hohen Temperaturen zu löten. Für diesbezügliche Prozesse werden Werkstückträger benötigt, um die Bauteile ordnungsgemäß zu positionieren und insbesondere bei Lötprozessen exakt ausrichten zu können.
Werkstückträger für Wärmebehandlungsprozesse können aus Metall bestehen, die jedoch erhebliche Nachteile zeigen. So neigen Metallgestelle bei Temperaturen oberhalb von 900°C zum Kriechen und damit zu einer Deformation, wodurch der Nachteil gegeben ist, dass die Bauteile weder über Roboter genau positioniert noch die Bauteiltoleranzen eingehalten werden können. Oberhalb von 1000°C kommen metallische Werkstückträger nicht in Fra ge, so dass bei Wärmeprozessen, bei denen Feingefügeeinstellungen gewünscht werden, die bei Temperaturen bis zu 3000°C durchgeführt werden, Werkstückträger auf der Basis von kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffen (C/C) zum Einsatz gelangen. Hierbei zeigt sich allerdings der Nachteil, dass metallische Werkstoffe bei direktem Kontakt mit C/C-Trägern mit einer Kohlenstoffaufnahme reagieren und somit die metallischen Eigenschaften verändert werden.
Um eine Aufkohlung hochlegierter Stähle oder ein Lösen von Legierungselementen durch den Kontakt mit den Trägern zu vermeiden, erfolgen Oberflächenmodifikationen der Träger. So können keramische Zwischenplatten verwendet werden, die einen unmittelbaren Kontakt zwischen Bauteil, also Werkstück und dem Träger unterbinden. Diesbezügliche Lösungsmöglichkeiten sind jedoch nicht für sämtliche Arten von Trägern wie zum Beispiel Körben möglich, bei denen die Bauteile, d. h. Schüttgut direkt in den CFC-Korbmaterialien geglüht wird.
Zur Vermeidung der Beeinflussung von mit Wärme zu behandelnden Bauteilen ist es auch bekannt, aus kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffwerkstoffen bestehende Träger oberflächlich zu beschichten. Dies kann mit unterschiedlichsten Verfahren wie Anstrichtechniken mit anschließender Keramisierung, elektrophoretischer Beschichtung, CVD-Beschichtung oder Plasmaspritztechnologien erfolgen, um nur einige Verfahren zu nennen. Die diesbezüglichen Maßnahmen basieren grundsätzlich darauf, dass eine Kontaktkorrosionsschicht aufgebracht wird, die in der Regel auf Oxiden basiert. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die für die Kontaktkorrosionsschutzverfahren eingesetzten unterschiedlichsten Oxide insbesondere denjenigen, die für die Anstrichsysteme zum Einsatz gelangen, zu Anlagenverschmutzungen führen. Des Weiteren ist nachteilig, dass die aufgetragenen Systeme einen wesentlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als die tragende Basisstruktur aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff aufweisen. Dies führt dazu, dass insbesondere bei thermozyklischen Fahrweisen, wie diese in Öfen zur thermischen Nachbehandlung metallischer Bauteile üblich sind, nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen eine Ablösung der Oxidschichten erfolgt. Durch die Ablösung erfolgt eine Verschmutzung der Ofenanlage. Zudem können an den abgelösten Stellen Kontaktkorrosionseffekte zwischen dem Bauteil und dem Träger auftreten, so dass die metallischen Bauteile unbrauchbar werden. Da die entsprechenden Verfahren im industriellen Dauerbetrieb laufen, sind die zuvor erläuterten Lösungen als unbefriedigend zu bezeichnen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist der DE 41 02 469 A1 zu entnehmen. Dabei werden kontinuierlich dünnwandige Formkörper wie Platten, Bänder oder Rohre aus einer keramischen Masse hergestellt.
Gegenstand der DE 41 02 909 A1 ist ein Werkstück aus faserverstärkter Keramik, das als Strukturkomponente im Triebwerkseinlauf, als Bremsscheibe, als Spaltrohr oder als Wellenschutzhülse Verwendung findet. Entsprechende faserverstärkte Mehrschichtkörper sind aus der EP 0 351 113 A2 bekannt.
Eine faserverstärkte Keramik nach der US 5 026 604 A weist eine Sandwichstruktur mit einer dünnen hitzebeständigen Schicht auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstückträgers derart weiterzubilden, dass das Trägermaterial nicht zu Kontaktkorrosionseffekten führt. Auch soll eine Thermoschockbeständigkeit gegeben sein, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich Schichten des Trägers ablösen. Ferner sollen die Träger einfach herstellbar sein, um problemlos gewünschte Geometrien zu erzielen.
Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch einen Werkstückträger der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein monolithischer oder aus mehreren Lagen bestehender Grundkörper aus Filz, Vlies, Gelege, Roving oder Gewebe mit einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, Mullit, ZrO₂ und/oder Spinell imprägniert, sodann getrocknet und gesintert und anschließend nachimprägniert und gesintert wird.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Entkopplung zwischen dem Werkstück und dem Träger durch die Matrix, wobei der Träger die mechanische Festigkeit durch die Kohlenstofffasern erfährt. Die erfindungsgemäße Funktionstrennung von Kontaktkorrosionsschutz und Verstärkung durch die direkte Verwendung von der oxidischen Matrix verhindert eine Kontaktkorrosionsreaktion. Es wird ein Matrixsystem ausgewählt, welches bei den thermischen Behandlungsbedingungen keinerlei chemische Reaktion mit den thermisch zu behandelnden metallischen Bauteilen eingeht. Dabei ist vorgesehen, dass die Matrix aus Al₂O₃, Mullit, ZrO₂ (Zirkonoxid) und/oder Spinell besteht oder enthält.
Da der Träger keine gesonderte Beschichtung aufweist, sondern die Oberfläche der Kohlenstofffasern mit dem Matrixmaterial abgedeckt ist, sind Ablösungserscheinungen ausgeschlossen.
Es kann ein Versiegeln des Trägers mit dem Matrixmaterial erfolgen, ohne dass eine Ausdehnungsunverträglichkeit gegeben ist, da es sich um das Material handelt, das mit den Kohlenstofffasern verstärkt ist. Die Rissbildung erfolgt in der Matrix selbst, wie dies bei kohlenstofffaserverstärkten Werkstoffen bekannt ist, ohne dass zusätzliche Rissbildungen bei den Wärmebehandlungsverfahren, insbesondere thermische Zyklen zu erwarten sind.
Erfindungsgemäß erfolgt eine chemische Entkopplung durch das Matrixmaterial. Die mechanische Festigkeit wird durch die Kohlenstofffasern erzielt, wobei Vliese, Gewebe, Filze, Gelege oder Rovings als Grundmaterial zum Einsatz gelangen. Bevorzugterweise werden carbonisierte oder graphitisierte Filze verwendet.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Faservolumengehalt FVG des Verbundkörpers beträgt 3% ≤ FVG ≤ 70%. Der bevorzugte Faservolumengehalt FVG ist dabei abhängig von der Textilform der Verstärkungsstruktur. Nachstehende Faservolumengehalte für verschiedene Textilformen sind zu bevorzugen:

FVG_Filz: 3,0%–10%

FVG_Vlies: 3,0%–8%

FVG_Gewebe: 25%–55%
Der Werkstückträger sollte eine Biegefestigkeit σ mit 30 MPa ≤ σ ≤ 200 MPa aufweisen. Das Elastizitätsmodul E des Werkstückträgers sollte betragen 10 GPa ≤ E ≤ 100 GPa.
Wird ein mehrlagiger Grundkörper verwendet, so sollte dieser N-Lagen mit 5 ≤ N ≤ 50 umfassen.
Des Weiteren zeichnet sich der Werkstückträger durch eine Porosität P mit 5% ≤ P ≤ 60% aus, wobei die Poren des Werkstückträgers einen mittleren Durchmesser D_P mit 50 nm ≤ D_P ≤ 5.000 nm aufweisen sollte.
Der Grundkörper sollte durch Beschichtung, in Sol-Gel-Technik, Bestreichen oder Druckverfahren imprägniert werden. Als Imprägniermittel kann eine Dispersion, auch eine solche auf Sol-Gel-Basis verwendet werden. Ein Imprägnieren mit Painted Al₂O₃ ist gleichfalls möglich.
Das Matrixmaterial zum Imprägnieren des Grundkörpers kann insbesondere aus einer Dispersion aus Nanomaterial auf Aluminiumoxid-, Mullit- und/oder Spinell-Basis bestehen, wobei das Nanomaterial Durchmesser bis 50 nm aufweisen sollte. Zusätzlich können Additive beigegeben werden, die aus dem oxidischen Material des Imprägniermittels bestehen. Die Additive sollten Partikelgrößen kleiner als 500 nm, vorzugsweise im Bereich zwischen 150 nm und 300 nm aufweisen.
Das Imprägnieren selbst kann gegebenenfalls ultraschallunterstützt durchgeführt werden.
Das imprägnierte Kohlenstofffasermaterial kann getrocknet und sodann endgeglüht, also keramisiert werden, wobei ein mehrfaches Imprägnieren erfolgt. Die Keramisierungstemperatur ist vom Matrixprecursor abhängig.
Grundsätzlich können alle Verfahrensweisen zur Anwendung gelangen, die zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoffträgern zur Anwendung gelangen, so dass auf die diesbezüglichen Techniken verwiesen wird.
Erfindungsgemäße Träger eignen sich insbesondere zum Aufnehmen von metallischen Bauteilen, die Temperaturbehandlungen bei Temperaturen T mit T > 1000°C, insbesondere im Bereich zwischen 1000°C und 1500°C unterzogen werden.
Die Werkstückträger, die Dicken zwischen 4 mm bis 10 mm aufweisen sollten, zeichnen sich durch eine chemische Entkopplung zwischen Verstärkungsfasern und Matrix aus, so dass bei der Wärmebehandlung das metallische Bauteil chemischen Reaktionen nicht ausgesetzt wird. Die Matrix selbst sollte eine Nano- bzw. Submikroporosität aufweisen.
Zwar sind Verbundkörper bekannt, die aus kohlenstofffaserverstärktem Aluminiumoxid oder Mullit bestehen. Zur Herstellung kann das Sol-Gel-Verfahren zur Anwendung gelangen. Beispielhaft sind zu nennen die US.Z.: Inst. Phys. Conf. Ser. No 111, Paper presented at Int. Conf. an New Materials and their Applications, Univ. of Warwick, 1990, S. 227, M. Chen et al.: School of Materials, University of Sheffield, oder Science of Sintering, Vol. 10, No. 2, PP 97–102, 1978, Eiichi Yasuda et al., Institut für Chemische Technik Universität Karlsruhe, Bundesrepublik Deutschland, Sintering Behavior of Al₂O₃/S₁O₂ Materials Derived, oder DE.Z.: Z. Werkstofftech. 9, 310–315 (1978), E. Yasuda et al.: Kohlenstofffaserverstärktes Al₂O₃ und Mullit, oder CN.Z.: Proceedings of The First China International Conference an High-Performance Ceramics (October, 1998, Beijing), S. 458, Z. F. Xie et al.: Preparation of Carbon Fiber Three-Dimensional Braided Preform Reinforced Alumina via Sol-Gel, oder GB.Z.: Journal of the European Ceramic Society 16 (1996) 619–626, J. Wu et al.: Characterisation of Sol-Gel Derived Alumina-Silica Matrices For Continuous Fibre Reinforced Composites, oder GB.Z.: Acta mater, 49 (2001) 1189–1197, C. Kaya et al.: Fabrication and Characterisation of Ni-Coated Carbon Fibre-Reinforced Alumina Ceramic Matrix Composites using Electrophoretic Deposition.
Die entsprechenden Veröffentlichungen beschäftigen sich jedoch ausschließlich mit den hierdurch erzielbaren verbesserten Materialeigenschaften wie Bruchzähigkeit, ohne Einsatzbereiche anzusprechen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen- für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen.
In der einzigen Fig. ist ein Verfahrensablauf dargestellt, nach dem ein erfindungsgemäßer Werkstückträger zum Wärmebehandeln von metallischen Bauteilen (Werkstücken) hergestellt wird. Als Grundkörper wird ein carbonisierter Filz 10, ein graphitierter Filz 12, ein Kohlenstofffaservlies 14, Rovings, Gewebe oder andere geeignete Materialien verwendet, die sich bei der Wärmebehandlung in Kohlenstoff umwandeln. Der entsprechende Grundkörper 10, 12, 14 wird sodann mit einem Oxidprecursor imprägniert (Schritt 16). Der O xidprecursor bildet die Matrix für die aus dem Grundkörper entstehenden Kohlenstofffasern. Das Imprägnieren kann mittels einer Dispersion, nach der Sol-Gel-Technik (Whipox) mittels wässriger oder organischer Schlicker, durch elektrophoresische Beschichtung, durch Druckimprägnierung, durch Bestreichen oder andere geeignete Verfahren erfolgen. Dem Verfahrensschema ist das Imprägnieren des Grundkörpers ohne und mit Pressen prinzipiell dargestellt (Verfahrensschritt 18). Sodann erfolgt ein Trocknen 20 und ein Endglühen 22. Gegebenenfalls kann ein Nachimprägnieren 24 durchgeführt werden, um die gewünschten Dichtigkeiten bzw. Porositäten bzw. Festigkeitswerte zu erzielen. Insbesondere erfolgt ein Nachimprägnieren in einem Umfang, dass sich eine Biegefestigkeit σ mit 30 MPa ≤ σ ≤ 200 MPa und/oder ein E-Modul mit 10 GPa ≤ E ≤ 100 GPa ergibt. Anschließend erfolgt eine Endbearbeitung 26, um einen Werkstückträger gewünschter Geometrie zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand nachstehender Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1:
Es werden Kohlenstofffaser-Gewebe mit einem Flächengewicht von 245 g/m² und einer Abmessung von 250 × 250 mm² mit einer Aluminiumoxid-Dispersion (Feststoffgehalt 70 Gew.-%) imprägniert. Acht Lagen des so vorbehandelten Gewebes werden übereinander gestapelt und unter einer Plattenpresse nach einem vordefinierten Druck-Temperatur-Programm (spezifischen Pressdruck = 59 bar; maximale Temperatur = 120°C) verpresst. Die so hergestellte Platte ist 3 mm dick und wird im Trockenschrank bei 120°C getrocknet und anschließend unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Sodann folgt eine Nachimprägnierung mit einer Aluminiumoxid-Dispersion (Feststoffgehalt 30 Gew.-%). Nach der Trocknung der Platte im Trockenschrank wird der Verbundkörper unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Die Nachimprägnierungsschritte werden 3 mal wiederholt.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff weist eine Biegefestigkeit von 50 MPa und einen E-Modul von 18 GPa auf. Das Raumgewicht liegt bei 1,83 g/cm³ und die Porosität bei 33%.
Das kohlenstofffaserverstärkte Aluminiumoxid kann als Werkstückträger für Wärmebehandlungsprozesse von metallischen Bauteilen bei Temperaturen oberhalb von 1000°C eingesetzt werden.
Beispiel 2:
Es werden Kohlenstofffaser-Gewebe mit einem Flächengewicht von 245 g/m² und einer Abmessung von 250 × 250 mm² mit einer Aluminiumoxid-Dispersion (Feststoffgehalt 70 Gew.-%) imprägniert. Acht Lagen des so vorbehandelten Gewebes werden übereinander gestapelt und unter einer Plattenpresse nach einem vordefinierten Druck-Temperatur-Programm (spezifischen Pressdruck = 59 bar; maximale Temperatur = 120°C) verpresst. Die so hergestellte Platte ist 3 mm dick und wird im Trockenschrank bei 120°C getrocknet und anschließend unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Sodann folgt eine Nachimprägnierung mit einer Aluminiumoxid-Dispersion (Feststoffgehalt 30 Gew.-%). Nach der Trocknung der Platte im Trockenschrank wird der Verbundkörper unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Die Nachimprägnierungsschritte werden 9 mal wiederholt.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff weist eine Biegefestigkeit von 70 MPa und einen E-Modul von 20 GPa auf. Das Raumgewicht liegt bei 2,17 g/cm³ und die Porosität bei 27%.
Das kohlenstofffaserverstärkte Aluminiumoxid kann als Werkstückträger für Wärmebehandlungsprozesse von metallischen Bauteilen bei Temperaturen oberhalb von 1000°C eingesetzt werden.
Beispiel 3:
Es werden Kohlenstofffaser-Gewebe mit einem Flächengewicht von 245 g/m² und einer Abmessung von 250 × 250 mm² mit einer Aluminiumoxid-Dispersion (Feststoffgehalt 70 Gew.-%) imprägniert. Acht Lagen des so vorbehandelten Gewebes werden übereinander gestapelt und unter einer Plattenpresse nach einem vordefinierten Druck-Temperatur-Programm (spezifischen Pressdruck = 59 bar; maximale Temperatur = 120°C) verpresst. Die so hergestellte Platte ist 3 mm dick und wird im Trockenschrank bei 120°C getrocknet und anschließend unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Sodann folgt eine Nachimprägnierung mit einem Al₂O₃-Sol (Feststoffgehalt 15 Gew.-%). Nach der Trocknung der Platte im Trockenschrank wird der Verbundkörper unter Schutzgasatmosphäre bei 1000°C–1300°C gesintert. Die Nachimprägnierungsschritte werden 7 mal wiederholt.
Der so hergestellte Verbundwerkstoff weist eine Biegefestigkeit von 30 MPa und einen E-Modul von 17 GPa auf. Das Raumgewicht liegt bei 1,90 g/cm³ und die Porosität bei 32%.
Das kohlenstofffaserverstärkte Aluminiumoxid kann als Werkstückträger für Wärmebehandlungsprozesse von metallischen Bauteilen bei Temperaturen oberhalb von 1000°C eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines keramischen Werkstückträgers bestehend aus in einer oxidischen Matrix vorhandenen Kohlenstofffasern, dadurch gekennzeichnet, dass ein monolithischer oder aus mehreren Lagen bestehender Grundkörper aus Filz, Vlies, Gelege, Roving oder Gewebe mit einem Material aus der Gruppe Al₂O₃, Mullit, ZrO₂ und/oder Spinell imprägniert; sodann getrocknet und gesintert und anschließend nachimprägniert und gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mittels einer Dispersion imprägniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper in Sol-Gel-Technik, durch Bestreichen oder Druckverfahren imprägniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Imprägniermittel eine Dispersion mit zumindest einem Sol verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägnieren ultraschallunterstützt durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundkörper ein solcher mit N-Lagen mit 5 ≤ N ≤ 50 verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundkörper ein solcher verwendet wird, dass der Werkstückträger ein Faservolumengehalt FVG mit 3% ≤ FVG ≤ 70% aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper mit einer Dispersion aus Nanomaterial imprägniert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Nanomaterial ein solches verwendet wird, dessen Partikel Durchmesser bis 50 nm aufweisen.