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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verbundwerkstoff-Bauteil.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2007 044 160 A1 beschreibt Verbundwerkstoffe aus Metall und Keramik und deren Herstellungsverfahren. Ein derartiger Verbundwerkstoff besteht aus einem metallischen und einem keramischen Werkstoff. Bei den Herstellungsverfahren der
DE 10 2007 044 160 A1 wird der Verbundwerkstoff z.B. aus mindestens einem keramischen und/oder metallischen Pulver durch Pressformgebung gebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verbundwerkstoff-Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft kostengünstig herstellbare Verbundwerkstoff-Bauteile. Die mittels der vorliegenden Erfindung gewonnenen Verbundwerkstoff-Bauteile können für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten vorteilhaft eingesetzt werden. Beispielsweise können die gewonnenen Verbundwerkstoff-Bauteile in Elektromotoren, insbesondere als Kommutatorwerkstoffe, eingesetzt werden. Auch Heat sinks und Kontakte, jeweils evtl. für Leistungselektroniken, lassen sich mittels der vorliegenden Erfindung kostengünstig schaffen. Die mittels der vorliegenden Erfindung gewonnenen Verbundwerkstoff-Bauteile können auch in einem Space Shuttle eingesetzt werden. Die hier aufgezählten Beispiele für die mittels der vorliegenden Erfindung gewonnenen Verbundwerkstoff-Bauteile sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Beispielsweise kann die innere Oxidation bei einer ersten Temperatur zwischen 400°C bis 600°C in einer Sauerstoffatmosphäre oder in Luft ausgeführt werden. Somit kann ein effektives Durchoxidieren der (offenporigen) Vorform (zum Ausbilden der Keramik) erreicht werden.
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In einer möglichen Ausführungsform wird während der inneren Oxidation auch das erste Metall zumindest teilweise oxidiert, wobei das erste Metall nach der inneren Oxidation und vor, während oder nach der Wärmebehandlung der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils selektiv reduziert wird, während das zweite Metall als Keramik in seiner oxidierten Form bleibt. Insbesondere kann das erste Metall nach der inneren Oxidation und vor, während oder nach der Wärmebehandlung der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils bei einer zweiten Temperatur zwischen 500 bis 700°C in einer Wasserstoffatmosphäre selektiv reduziert werden. Somit kann eine effektive Reduktion ermöglicht werden.
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In vielen kostengünstigen Ausführungsformen kann ein zumindest das erste Metall und das zweite Metall umfassendes Legierungspulver oder eine Pulvermischung aus einem ersten Metallpulver aus zumindest dem ersten Metall und einem zweiten Metallpulver aus zumindest dem zweiten Metall als das Pulver in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden.
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Vorteilhafter Weise kann das eine Partikelgröße zwischen 5 und 100 Mikrometer aufweisende Pulver in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden. Somit kann die offenporige Vorform in effizienter Weise durchoxidiert sowie anschließend selektiv reduziert werden.
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Außerdem kann das Kupfer als das erste Metall und Aluminium, Zirkonium und/oder Silizium als das zweite Metall aufweisende Pulver in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden. Für die Metalle können damit kostengünstige Materialien eingesetzt werden.
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Des Weiteren kann das Festigen des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils durch die Wärmebehandlung der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils bis zu einer Porengröße des in der Matrix aus zumindest dem zweiten Metall eingebetteten ersten Metalls oder des in der Matrix aus zumindest dem ersten Metall eingebetteten zweiten Metalls zwischen 10 Nanometern und 100 Mikrometer ausgeführt werden.
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Die oben beschriebenen Vorteile liegen auch bei einem mittels des entsprechenden Verfahrens geschaffenen Verbundwerkstoff-Bauteil vor.
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Auch bei einem derartigen Verbundwerkstoff-Bauteil kann eine Porengröße des in der Matrix aus zumindest dem zweiten Metall eingebetteten ersten Metalls oder des in der Matrix aus zumindest dem ersten Metall eingebetteten zweiten Metalls zwischen 10 Nanometern und 100 Mikrometer liegen.
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Vorzugsweise ist das erste Metall Kupfer und das zweite Metall ist Aluminium, Zirkonium und/oder Silizium. Kupfer-Aluminiumoxid weist besonders vorteilhafte Werkstoffeigenschaften, wie eine gute elektrische Leitfähigkeit des Kupfers sowie eine gute thermische Leitfähigkeit und ein geringes Gewicht des Aluminiums, auf. Zudem führen bei Kupfer-Aluminiumoxid, Kupfer-Zirkoniumoxid und Kupfer-Siliziumoxid die nanoskaligen Keramikpartikel, insbesondere deren durch die vorteilhafte Vorgehensweise geschaffene besonders homogene Verteilung der Partikel, zu einer Festigkeitssteigerung, bzw. besseren Verschleisseigenschaften.
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils;
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2 ein Ablaufdiagramm zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils;
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3 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Verbundwerkstoff-Bauteils; und
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4 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Verbundwerkstoff-Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern einer ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils.
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In einem Verfahrensschritt S1 des hier beschriebenen Verfahrens wird ein Pulver (als Ausgangsmaterial des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils) in eine Vorform (bzw. einen Grünkörper/Grünling) des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst. Das in dem Verfahrensschritt S1 gepresste Pulver umfasst zumindest ein erstes Metall und ein zweites Metall, wobei das zweite Metall oxophiler als das erste Metall ist. (Man kann das erste Metall auch als das edlere Metall gegenüber dem zweiten Metall umschreiben.) Das heißt, mit anderen Worten, dass das zweite Metall „Sauerstoff-Liebender“ ist und somit besser oxidiert als das erste Metall.
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Beispielsweise kann das in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresste Pulver Kupfer als das erste Metall und/oder Aluminium, Zirkonium und/oder Silizium als das zweite Metall aufweisen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier für das erste Metall und das zweite Metall genannten Materialen nur beispielhaft zu interpretieren sind.
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Außerdem kann das in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresste Pulver auch eine erste Gruppe aus mindestens zwei Metallen (anstelle des nur einen ersten Metalls) und/oder eine zweite Gruppe aus mindestens zwei Metallen (anstelle des nur einen zweiten Metalls) umfassen. Hat das Pulver (anstelle des nur einen ersten Metalls) die erste Gruppe aus mindestens zwei Metallen, so sind das zweite Metall oder die mindestens zwei Metalle der zweiten Gruppe oxophiler als alle Metalle der ersten Gruppe. Entsprechend sind bei einem Pulver mit der zweite Gruppe aus mindestens zwei Metallen (anstelle des nur einen zweiten Metalls) alle Metalle der zweiten Gruppe oxophiler als das erste Metall oder alle Metalle der ersten Gruppe.
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Mittels des hier beschriebenen Verfahrens wird das Verbundwerkstoff-Bauteil aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff ausgebildet, welcher einen Metallwerkstoff (aus dem ersten Metall oder den mindestens zwei Metallen der ersten Gruppe) und einen Keramikwerkstoff (aus dem zweiten Metall oder den mindestens zwei Metallen der zweiten Gruppe) umfasst. Ein Verhältnis des Metallwerkstoffs zu dem (späteren) Keramikwerkstoff des Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs kann durch ein Mengenverhältnis aus einer ersten Menge des ersten Metalls/der Metalle der ersten Gruppe und einer zweiten Menge des zweiten Metalls/der Metalle der zweiten Gruppe festgelegt werden. Bei dem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff wird entweder der Metallwerkstoff in eine Matrix aus dem Keramikwerkstoff oder der Keramikwerkstoff in eine Matrix aus dem Metallwerkstoff eingebettet. Im Falle einer Einbettung des Metallwerkstoffs in eine Matrix aus dem Keramikwerkstoff kann die zweite Menge des zweiten Metalls/der Metalle der zweiten Gruppe zwischen 60–99,5 Gewichts-% (Gewichtsprozent) liegen. Bei einer Einbettung des Keramikwerkstoffs in eine Matrix aus dem Metallwerkstoff kann die zweite Menge des zweiten Metalls/der Metalle der zweiten Gruppe zwischen 0,1 bis 4 Gewichts-% (Gewichtsprozent), vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1,2 Gewichts-% (Gewichtsprozent), liegen.
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Als das Pulver kann ein zumindest das erste Metall (bzw. die erste Gruppe aus mindestens zwei Metallen) und das zweite Metall (bzw. die zweite Gruppe aus mindestens zwei Metallen) umfassendes Legierungspulver in dem Verfahrensschritt S1 in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden. Speziell kann ein Kupfer-Aluminium-Legierungspulver, ein Kupfer-Zirkonium-Legierungspulver oder ein Kupfer-Silizium-Legierungspulver in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden. Auch andere Legierungspulver sind zum Ausführen des hier beschriebenen Verfahrens geeignet. Ebenso kann jedoch auch eine Pulvermischung aus einem ersten Metallpulver aus zumindest dem ersten Metall (bzw. der ersten Gruppe aus mindestens zwei Metallen) und einem zweiten Metallpulver aus zumindest dem zweiten Metall (bzw. der zweiten Gruppe aus mindestens zwei Metallen) als das Pulver in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresst werden. In beiden Fällen kann das in die Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils gepresste Pulver eine Partikelgröße zwischen 5 und 100 Mikrometer aufweisen. Die hier für die Partikelgröße genannten Zahlenwerte sind jedoch nicht als einschränkend zu interpretieren.
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In einem Verfahrensschritt S2 wird zumindest das zweite Metall mittels einer inneren Oxidation als Keramik in seine oxidierte Form überführt. Optionaler Weise können auch zumindest alle Metalle der zweiten Gruppe mittels der inneren Oxidation als Keramiken in ihre oxidierten Formen überführt werden. Lediglich beispielhaft wird bei dem Verfahren der 1 der Verfahrensschritt S2 nach dem Pressen der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils (Verfahrensschritt S1) ausgeführt. Alternativ kann der Verfahrensschritt S2 jedoch auch vor oder während dem Pressen der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils (Verfahrensschritt S1) ausgeführt werden.
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Die Überführung des zweiten Metalls als Keramik in seine oxidierte Form erfolgt durch die innere Oxidation des Pulvers oder der aus dem Pulver gepressten Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils. (Unter der inneren Oxidation kann auch eine „Internal Oxidation“ verstanden werden.) Somit kann eine homogene Verteilung des ersten Metalls (bzw. der mindestens zwei Metalle der ersten Gruppe) und des zweiten Metalls (bzw. der mindestens zwei Metalle der zweiten Gruppe) vor dem Ausführen des Verfahrensschritts S2 sichergestellt werden. Während des vor dem Verfahrensschritt S2 ausführbaren/ausgeführten „Vermischens“ des ersten Metalls (bzw. der mindestens zwei Metalle der ersten Gruppe) und des zweiten Metalls (bzw. der mindestens zwei Metalle der zweiten Gruppe) erleichtert/ermöglicht das Vorliegen aller dieser Metalle in ihren reduzierten Formen eine homogenere Verteilung aller Metalle. (Z.B. können die verschiedenen Partikel aufgrund des Vorliegens aller Metalle in ihren reduzierten Formen geringere Abweichungen in ihren Partikelgrößen und/oder ihren Dichten haben.) Das Ausführen des Verfahrensschritts S2 führt somit zu der gewünschten homogeneren Verteilung aller Metalle und verbessert damit die Eigenschaften des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils.
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Beispielsweise kann die innere Oxidation bei einer ersten Temperatur zwischen 400°C bis 600°C, insbesondere zwischen 450°C bis 580°C, speziell zwischen 500°C bis 570°C, ausgeführt werden. Häufig wird eine erste Temperatur von 550°C für die innere Oxidation des Verfahrensschritts S2 bevorzugt. Die hier genannten Zahlenwerte sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Die innere Oxidation des Verfahrensschritts S2 kann auch bei anderen Temperaturwerten ausgeführt werden.
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Bevorzugter Weise erfolgt die innere Oxidation des Verfahrensschritts S2 in einer Sauerstoffatmosphäre oder in Luft. Alternativ kann auch ein Vornitrieren in einer Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre durchgeführt werden. Ebenso kann auch eine andere Atmosphäre während des Ausführens des Verfahrensschritts S2 vorliegen.
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Optionaler Weise kann der Verfahrensschritt S2 so ausgeführt werden, dass nur das zweite Metall oder nur die Metalle der zweiten Gruppe oxidiert werden, während das erste Metall oder die Metalle der ersten Gruppe nach dem Verfahrensschritt S2 reduziert vorliegen. Bei dem Verfahren der 1 wird/werden während der inneren Oxidation allerdings auch das erste Metall/die Metalle der ersten Gruppe zumindest teilweise oxidiert. Das Verfahren der 1 weist deshalb noch einen Verfahrensschritt S3 auf, auf welchen jedoch andernfalls verzichtet werden kann.
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In dem Verfahrensschritt S3 wird/werden das erste Metall/die Metalle der ersten Gruppe nach der inneren Oxidation selektiv reduziert wird, während das zweite Metall/jedes Metall der zweiten Gruppe als Keramik in seiner oxidierten Form bleibt. (Der Verfahrensschritt S3 kann vor, während oder nach einem unten beschriebenen Verfahrensschritt S4 ausgeführt werden.)
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Beispielsweise kann das erste Metall/jedes Metall der ersten Gruppe nach der inneren Oxidation in einer Wasserstoffatmosphäre selektiv reduziert werden. Auch eine andere Atmosphäre kann zum Ausführen des Verfahrensschritts S3 geeignet sein.
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Vorzugsweise wird der Verfahrensschritt S3 bei einer zweiten Temperatur zwischen 500°C bis 700°C, insbesondere zwischen 550°C bis 650°C, speziell zwischen 580°C bis 620°C ausgeführt. Manchmal wird eine zweite Temperatur bei 600°C zum Ausführen des Verfahrensschritts S3 bevorzugt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier genannten Temperaturwerte für eine Ausführbarkeit des Verfahrensschritts S3 nur beispielhaft sind.
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In dem Verfahrensschritt S4 erfolgt ein Härten des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils durch Wärmebehandlung der Vorform (bzw. des Grünkörpers/Grünlings) des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils. Auf diese Weise wird/werden das erste Metall/die Metalle der ersten Gruppe in eine Matrix aus zumindest dem zweiten Metall oder das zweite Metall/die Metalle der zweiten Gruppe in eine Matrix aus zumindest dem ersten Metall eingebettet. Beispielsweise kann das Härten des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils durch die in dem Verfahrensschritt S4 ausgeführten Wärmebehandlung (der Vorform des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils) bis zu einer Porengröße zwischen 10 Nanometern und 100 Mikrometer des/jedes in der Matrix aus zumindest dem zweiten Metall eingebetteten ersten Metalls/Metalls der ersten Gruppe oder des/jedes in der Matrix aus zumindest dem ersten Metall eingebetteten zweiten Metalls/Metalls der zweiten Gruppe ausgeführt werden.
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Als Verfahrensschritt S4 kann insbesondere ein Sintern der Vorform (bzw. des Grünkörpers/Grünlings) des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils ausgeführt werden. Unter dem Sintern kann ein Erhitzen der Vorform (bzw. des Grünkörpers/Grünlings) des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils (evtl. unter Druck), wobei eine Sintertemperatur jedoch unter einer maximalen Schmelztemperatur aller Metalle des späteren Verbundwerkstoff-Bauteils bleibt, verstanden werden. Wahlweise kann ein Festphasensintern oder ein Flüssigphasensintern (bei welchem es zu einer Schmelze/Teilschmelze kommt) ausgeführt werden. Das Produkt des Sinterns kann bei Bedarf zusätzlich durch ein Heißisostatisches Pressen (HIP, Hit Isostatic Pressure) verdichtet werden.
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Optionaler Weise können die Verfahrensschritte S2 und S4 auch als ein oxidatives Sintern gleichzeitig/gemeinsam ausgeführt werden. Auch während des oxidativen Sinterns kann/können das oxophilere zweite Metall/die oxophileren Metalle der zweiten Gruppe oxidiert werden, während gleichzeitig das spätere Verbundwerkstoff-Bauteil gehärtet wird.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Erläutern einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils.
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Bei dem Verfahren der 2 wird der Verfahrensschritt S2 vor dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt. Unter der in dem Verfahrensschritt S2 ausgeführten internen Oxidation kann somit auch eine Voroxidation des Pulvers aus zumindest dem ersten Metall und dem zweiten Metall verstanden werden. Das Pulver wird im Rahmen der Voroxidation durchoxidiert. Das Verfahren der 2 kann mit allen oben genannten Ausgangsmaterialen der zuvor beschriebenen Ausführungsform ausgeführt werden. Ebenso kann der Verfahrensschritt S2 auch bei dem Verfahren der 2 bei einer ersten Temperatur zwischen 400°C bis 600°C, insbesondere zwischen 450°C bis 580°C, speziell zwischen 500°C bis 570°C, bevorzugt bei 550°C, ausgeführt werden. (Diese Zahlenwerte sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.) Bevorzugter Weise erfolgt die innere Oxidation des Verfahrensschritts S2 auch in diesem Fall in einer Sauerstoffatmosphäre oder in Luft, wobei jedoch kann auch eine andere Atmosphäre während des Ausführens des Verfahrensschritts S2 (wie z.B. eine Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre) vorliegen kann.
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Sofern gewünscht, können bei dem Verfahren der 2 auch die Verfahrensschritte S1 und S4 gemeinsam/gleichzeitig ausgeführt werden. Speziell kann ein Heißpressen oder ein Heißisostatisches Pressen (HIP, Hit Isostatic Pressure) erfolgen. Bei dem Heißisostatischen Pressen wird das (in dem Verfahrensschritt S1 zumindest teilweise oxidierte) Pulver gleichzeitig heiß gepresst und gesintert. Speziell kann ein Gasdruck von allen Seiten so auf das gepresste Material einwirken, dass das spätere Verbundwerkstoff-Bauteil isotrope Eigenschaften erhält. Mittels des Gasdrucks kann auch durch ein Eindringen des Gases in Poren ein Nachverdichten der Poren verhindert werden.
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Auch bei dem Verfahren der 2 kann der Verfahrensschritt S2 so ausgeführt werden, dass nur das zweite Metall oder nur die Metalle der zweiten Gruppe oxidiert werden, während das erste Metall oder die Metalle der ersten Gruppe nach dem Verfahrensschritt S2 (noch) reduziert vorliegen. Andernfalls kann der optionale Verfahrensschritt S3 vor, während oder nach dem Verfahrensschritt S4 ausgeführt werden. In der Ausführungsform der 2 kann der optionale Verfahrensschritt S3 auch vor dem Verfahrensschritt S1 ausgeführt werden.
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In dem optionalen Verfahrensschritt S3 kann/können das erste Metall/die Metalle der ersten Gruppe z.B. in einer Wasserstoffatmosphäre selektiv reduziert werden, während das zweite Metall/jedes Metall der zweiten Gruppe als Keramik in seiner oxidierten Form bleibt. Auch eine andere Atmosphäre kann zum Ausführen des Verfahrensschritts S3 der 2 geeignet sein. Auch wenn für die zweite Temperatur hier ein Bereich von 500°C bis 700°C, insbesondere von 550°C bis 650°C, speziell von 580°C bis 620°C, bevorzugt eine zweite Temperatur gleich 600°C, angegeben sind, sind die genannten Temperaturwerte nur beispielhaft zu verstehen.
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In einer optionalen Weiterbildung der oben beschriebenen Verfahren kann vor dem Verfahrensschritt S1 noch ein Presshilfsmittel, wie z.B. ein Schmiermittel, dem zu pressenden Pulver (vor oder nach der inneren Oxidation) zugegeben werden. Das Presshilfsmittel wird in der Regel während der als Verfahrensschritt S4 ausgeführten Wärmebehandlung (automatisch) entfernt. Es wird hier jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass beim Ausführen der oben beschriebenen Verfahren auch auf ein Presshilfsmittel verzichtet werden kann.
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Ebenso kann vor einem Beginn eines der oben beschriebenen Verfahren das zu verarbeitende Pulver granuliert werden. Das Ausführen eines derartigen Verfahrensschritts ist jedoch optional.
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Bei allen oben beschriebenen Verfahren können die mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften des hergestellten Verbundwerkstoff-Bauteils durch eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise eine Bauteilgröße, eine Partikelgröße, eine Partikelverteilung, eine Porenverteilung und/oder mindestens einen Gasdruck/Partialgasdruck eines bei der Oxidation und/oder der Reduktion verwendeten Gases variiert werden.
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Alle oben beschriebenen Verfahren eignen sich vorteilhaft zum Herstellen eines Verbundwerkstoff-Bauteils mit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC, Metall Matrix Composite) oder einem Keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC, Ceramic Matrix Composite) als Metall-Keramik-Verbundwerkstoff. Dabei lassen sich mittels der oben beschriebenen Verfahren die Herstellungskosten für den Metallmatrix-Verbundwerkstoff oder den Keramischen Faserverbundwerkstoff reduzieren. Neben einer deutlich kostengünstigeren Prozessführung bieten die oben beschriebenen Verfahren auch eine bessere Kontrolle einer Mikrostruktur des hergestellten Verbundwerkstoff-Bauteils.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Verbundwerkstoff-Bauteils.
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Das in 3 schematisch wiedergegebene Verbundwerkstoff-Bauteil ist zumindest teilweise aus einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 geformt. (Lediglich der besseren Anschaulichkeit wegen ist in 3 nur der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 dargestellt.) Der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 ist in eine Form gepresst und verdichtet. Außerdem umfasst der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 zumindest ein erstes Metall 12, welches in seiner reduzierten Form vorliegt, und ein zweites Metall 14, welches oxophiler als das erste Metall 12 ist und als Keramik in seiner oxidierten Form vorliegt. Der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 kann (anstelle des nur einen ersten Metalls 12) auch eine erste Gruppe aus mindestens zwei Metallen und/oder (anstelle des nur einen zweiten Metalls 14) eine zweite Gruppe aus mindestens zwei Metallen umfassen. Hat der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 (anstelle des nur einen ersten Metalls 12) die erste Gruppe aus mindestens zwei Metallen, so sind das zweite Metall 14 oder die mindestens zwei Metalle der zweiten Gruppe oxophiler als alle Metalle der ersten Gruppe. Entsprechend sind bei einem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 mit der zweite Gruppe aus mindestens zwei Metallen (anstelle des nur einen zweiten Metalls 14) alle Metalle der zweiten Gruppe oxophiler als das erste Metall 12 oder alle Metalle der ersten Gruppe.
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In der Ausführungsform der 3 ist das erste Metall 12 in eine Matrix aus (zumindest) dem zweiten Metall 14 eingebettet. Wie unten jedoch erläutert wird, kann auch das zweite Metall 14 in eine Matrix aus (zumindest) dem ersten Metall 12 eingebettet sein. Ebenso können auch die Metalle der ersten Gruppe in eine Matrix aus dem zweiten Metall 14 oder aus den Metallen der zweiten Gruppe eingebettet sein. Entsprechend können auch die Metalle der zweiten Gruppe in eine Matrix aus dem ersten Metall 12 oder aus den Metallen der ersten Gruppe eingebettet sein.
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Das Verbundwerkstoff-Bauteil ist mittels eines der oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Dies ist daran erkennbar, dass der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 eine homogene Verteilung des in seiner reduzierten Form vorliegenden ersten Metalls 12 und des als Keramik in seiner oxidierten Form vorliegenden zweiten Metalls 14 aufweist. Insbesondere kann eine homogene Verteilung des ersten Metalls 12/der Metalle der ersten Gruppe und des zweiten Metalls 14/der Metalle der zweiten Gruppe vorliegen. Eine derartige homogene Verteilung ist aufgrund der oben angegebenen Ursachen nur mittels eines Ausführens eines der oben beschriebenen Verfahren realisierbar.
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Man kann den Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 auch als ein Gefüge aus einem Metallwerkstoff aus dem ersten Metall 12/den Metallen der ersten Gruppe und einem Keramikwerkstoff aus dem zweiten Metall 14/den Metallen der zweiten Gruppe umschreiben. Im Falle einer Einbettung des ersten Metalls 12/der Metalle der ersten Gruppe in eine Matrix aus dem zweiten Metall 14/den Metallen der zweiten Gruppe kann der Gewichtsanteil des zweiten Metalls 14/der Metalle der zweiten Gruppe (gegenüber eine Summe aus den Gewichten des ersten Metalls 12/der Metalle der ersten Gruppe und des zweiten Metalls 14/der Metalle der zweiten Gruppe) insbesondere zwischen 60–99,5 Gewichts-% (Gewichtsprozent) liegen. Von dem hier angegebenen Mengenverhältnis kann jedoch aus abgewichen sein.
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Das erste Metall 12 kann z.B. Kupfer sein. Als das zweite Metall 14 kann Aluminium, Zirkonium und/oder Silizium vorliegen. Die hier genannten Materialien sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Eine Porengröße des/der in der Matrix aus dem zweiten Metall 14/den Metallen der zweiten Gruppe eingebetteten ersten Metalls 12/Metalle der ersten Gruppe kann zwischen 10 Nanometern und 100 Mikrometer liegen. Eine andere Porengröße kann allerdings auch vorliegen.
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Der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 kann insbesondere ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC, Metall Matrix Composite) oder ein Keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC, Ceramic Matrix Composite) sein.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des Verbundwerkstoff-Bauteils.
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In Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist bei dem Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 16 des Verbundwerkstoff-Bauteils der 4 das zweite Metall 14 in eine Matrix aus dem ersten Metall 12 eingebettet. Jedoch kann auch der Metall-Keramik-Verbundwerkstoff 10 ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC, Metall Matrix Composite) oder ein Keramischen Faserverbundwerkstoff (CMC, Ceramic Matrix Composite) sein.
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Bei einer Einbettung des zweiten Metalls 14/der Metalle der zweiten Gruppe in eine Matrix aus dem ersten Metall 12/den Metallen der ersten Gruppe kann ein Gewichtsanteil des zweiten Metalls/der Metalle der zweiten Gruppe (gegenüber eine Summe aus den Gewichten des ersten Metalls 12/der Metalle der ersten Gruppe und des zweiten Metalls 14/der Metalle der zweiten Gruppe) insbesondere zwischen 0,1 bis 4 Gewichts-% (Gewichtsprozent), vorzugsweise zwischen 0,2 bis 1,2 Gewichts-% (Gewichtsprozent), liegen. Abweichungen von den hier genannten Zahlen sind jedoch möglich.
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Eine Porengröße des/der in der Matrix aus dem ersten Metall 12/den Metallen der ersten Gruppe eingebetteten zweiten Metalls 14/Metalle der zweiten Gruppe kann zwischen 10 Nanometern und 100 Mikrometer liegen. Allerdings sind auch andere Porengrößen mittels der oben beschriebenen Herstellungsverfahren möglich.
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Auch bei dem Verbundwerkstoff-Bauteil der 4 ist aufgrund der homogenen Verteilung des in seiner reduzierten Form vorliegenden ersten Metalls 12 und des als Keramik in seiner oxidierten Form vorliegenden zweiten Metalls 14 (am Schliffbild) erkennbar, dass das Verbundwerkstoff-Bauteil mittels eines der oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Sofern hier nicht anders beschrieben, kann das Verbundwerkstoff-Bauteil der 4 die Merkmale der Ausführungsform der 3 aufweisen. Auf eine erneute Aufzählung dieser Merkmale wird hier verzichtet.
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Die oben beschriebenen Verbundwerkstoff-Bauteile können für eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten vorteilhaft eingesetzt werden. Beispielsweise können die Verbundwerkstoff-Bauteile in Elektromotoren, insbesondere als Kommutatorwerkstoffe, eingesetzt werden. Ebenso können die Verbundwerkstoff-Bauteile Heat sinks (für Leistungselektroniken) sein. Kontakte, z.B. massive Einpresskontakte, können als die Verbundwerkstoff-Bauteile ebenso realisiert werden. Die Verbundwerkstoff-Bauteile können auch in einem Space Shuttle einsetzbar sein. Die hier aufgezählten Beispiele für die Verbundwerkstoff-Bauteile sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
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Die Verbundwerkstoff-Bauteile können auch an einer kugelförmigen Form ihrer Poren erkannt werden. Ebenso sind die Verbundwerkstoff-Bauteile dadurch gekennzeichnet, dass sie bei der Ausrichtung ihrer Partikel keine Vorzugsrichtung (wie herkömmlicher Weise bei durch eine Legierung gewonnenen Bauteilen) aufweisen. Des Weiteren können die Verbundwerkstoff-Bauteile dadurch erkennbar sein, dass keine Walzrichtung an ihnen sichtbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007044160 A1 [0002, 0002]
