DE19706926A1

DE19706926A1 - Verfahren zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundkörpern, Keramik-Metall-Verbundkörper und deren Verwendung

Info

Publication number: DE19706926A1
Application number: DE19706926A
Authority: DE
Inventors: Steffen Rauscher; Michael Scheydecker; Karl Dr Weisskopf; Tilmann Dr Haug
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: KR20000071110A; BR9807714A; EP0960079A1; DE19706926C2; JP2000510091A; WO1998037034A1; US6271162B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kera mik-Metall-Verbundkörpern, einen Keramik-Metall-Verbundkörper und dessen Verwendung.

Herkömmliche Bremsscheiben werden in der Regel aus Grauguß ge fertigt. 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 ab gebremst werden müssen. Aus diesen Umstand heraus steigt der konstruktive Aufwand der Bremssysteme erheblich an (z. B. Innen belüftung), da das Aufheizen der Bremsscheibe über eine kriti sche Temperatur verhindert werden muß. Mit der Größe der Brems systeme steigt auch deren Masse, was sich negativ auf den Fahr komfort auswirkt.

Eine weitere, bereits im Einsatz befindliche Werkstoffgruppe für Bremsenanwendung sind die sogenannten MMCs (Metal-Matrix-Com posites). Dabei handelt es sich in der Regel um parti kelverstärktes Aluminium, die Verstärkungsphase besteht übli cherweise aus einer Keramik wie SiC oder Al₂O₃. Bei dieser Werkstoffklasse steht eine geringere Dichte im Vordergrund, wo durch Bauteile mit geringerem Gewicht realisiert werden können. Dieses Material gerät jedoch bei ca. 450°C an seine thermi schen Grenzen, da Aluminium als Basismaterial sehr schnell er weicht und seine mechanischen Festigkeiten verliert.

Das geringste spezifische Gewicht aller potentiellen Bremsen werkstoffe 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 Großserienan wendung unrentabel machen würde. Hinzu kommt, daß C/CS eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität aufweisen, was dazu führt, daß sie sich während des Bremsvorganges stark auf heizen.

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 porös er Keramikkörper wurden bereits in mehreren Patentdokumen ten beschrieben.

Die US-A-5,535,857 beansprucht die Herstellung einer metallke ramischen 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 metallver stärkte Keramikmatrix entsteht. Das Metall geht während der In filtration keine Reaktion mit der Matrix ein, so daß die Tempe raturbeständigkeit 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 ei nes keramischen Vorkörpers mit Aluminium beschrieben (US-A- 4,988,645). Hierbei wird der Keramikkörper über eine SHS-Reaktion hergestellt (SHS-Reaktion: Self propagating high tem perature synthesis, bedeutet die Zündung eines reaktiven Gemi sches, 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 kera mischen Körpers mit einem flüssigen Metall beansprucht, wobei die Matrix aus Si₃N₄ besteht und das Metall sich aus einer Al-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 beanspru chen im wesentlichen neue Verfahrensschritte, wie z. B. die ge richtete Oxidation des keramischen Vorkörpers.

In den vorgenannten Patenten findet keine Reaktionsinfiltration statt. Eine Ausnahme ist das Patent US-A-4,585,618, in dem ein Verfahren vorgestellt wird, bei dem das infiltrierte Metall (Aluminium) mit der Matrix eine Reaktion eingeht. Ziel dieser Erfindung ist es, eine verstärkte TiB₂/Al₂O₃-Keramik für Elek trolyse-Zellen herzustellen. Zu diesem Zweck wird ein TiO₂/B₂O₃/Al-Gemisch mit Aluminium infiltriert. Die Infiltrati onszeit beträgt 100 Stunden! Das Reaktionsprodukt besteht aus TiB₂/Al₂O₃/Al, wobei an der Oberfläche auch Al₃Ti nachgewiesen wird, was allerdings nicht erwünscht ist.

Aus der US 5,215,011 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers bekannt, bei dem in einen kerami schen Opferkörper ein Metall durch Reaktionsinfiltration einge bracht wird. Bei der Reaktionsinfiltration wird in einer Redoc-Reaktion das befüllende Metall schon bei der Befüllung zu einer Keramik oxidiert und gleichzeitig das Material des Opferkör pers reduziert. Wird als Metall Aluminium und als ein Material des Opferkörpers z. B. Titanoxid (TiO₂) verwendet, ist diese Re aktion so heftig, daß das keramische Gerüst des Opferkörpers zerstört wird. Durch die Zerstörung weist der fertige Keramik- Metall-Verbundkörper anschließend Risse und Kanäle auf, die mit reinem Metall gefüllt sind. Dies ist insbesondere bei der Ver wendung derartiger Keramik-Metall-Verbundkörper bei sich rei benden und erhitzenden Gegenständen, vorzugsweise Bremsscheiben und dgl., ungünstig, da diese Metall aufschmelzen und u. a. die maximale Belastungstemperatur senken kann. Des weiteren sind die Gesamtkosten bei der Herstellung, insbesondere bei der Ver wendung von sehr teurem Titancarbid (TiC) als keramisches Mate rial des Opferkörpers, sehr hoch.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers zu entwickeln, das eine hö here Qualität des Keramik-Metall-Verbundkörpers garantiert und das von den Gesamtkosten möglichst kostengünstig ist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschrit ten des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Befüllung des Opferkör pers mit einem durch Erhitzen erweichten Metall unterhalb einer Reaktionstemperatur des Metalls mit dem Material des Opferkör pers wird die keramische Matrix während der Befüllung und auch bei der sich anschließenden Reaktion zwischen dem eingebrachten Metall und dem Material des Opferkörpers erhalten. Idealerweise erfolgt die Befüllung der Poren des Opferkörpers vollständig, so daß bei stöchiometrische Bemessung der in Frage kommenden Substanzen der Keramik-Metall-Verbundkörper vollständig sowie riß- und kanalfrei durchreagiert ist.

Die Materialeigenschaften des Werkstoffes eines erfindungsgemä ßen Keramik-Metall-Verbundkörpers sind gut. So weist bspw. ein Keramik-Metall-Verbundkörper, der mit Aluminium als befüllendes Metall (BMe) und Ti als Metall des keramischen Opferkörpers (KMe) gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, eine Dichte von 3,4 g/cm³ auf, wobei diese Dichte geringfügig höher liegt als die der MMCs, jedoch nur 42% der Dichte des Gußei sens beträgt. Insbesondere in der bevorzugten Ausbildung, bei der die hochtemperaturbeständigen Verbindung in Form der inter metallischen Verbindung TiAl reicht das Anwendungsgebiet des Keramik-Metall-Verbundkörpers bis mindestens 800°C, wobei die Werte für Grauguß deutlich überboten werden.

Bei der Herstellung des Opferkörpers gemäß dem Anspruch 2 und den dazugehörigen Ansprüchen liegt ein weiterer wichtiger Vor teil dieses Verfahrens, da hier durch den Verzicht auf das sehr teure TiC als Ausgangsmaterial für den Opferkörper ein niedri ges Kostenniveau sowohl der Rohstoffe als auch der Prozeßtech nik vorliegt. Der Werkstoff und das Verfahren besitzen das Po tential, daß bei einer Großserienfertigung der Stückpreis in der Nähe von Gußscheiben liegen könnte.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Herstel lung auch des Opferkörpers detailliert beschrieben.

Die reaktiven Ausgangsstoffe werden in Pulverform in einem Glaskolben grob gemischt, wobei die Ausgangsstoffe insbesondere in den vorher berechneten stöchiometrischen Verhältnissen abge wogen werden. Zweckmäßigerweise das Gemenge auch mit einem Koh lenstoff- und/oder Sauerstoffüberschuß angesetzt werden. Mit dem Kohlenstoffüberschuß ist eine bessere Umsetzung des TiO₂ verbunden wogegen der Sauerstoffüberschuß eine gute Oxidation des Aluminiums zu Al₂O₃ bewirkt.

Anschließend wird ein in Azeton gelöster Binder (Polypropylencarbonat) zu der Pulvermischung hinzugegeben. Die ser Schlicker wird in einem Rotationsverdampfer gründlich ge mischt und gleichzeitig getrocknet. Das getrocknete Material besteht aus großen, harten Agglomeraten, die wiederum in einer Zentrifugalmühle zerkleinert werden müssen.

Das hierdurch erhaltene Gemenge wird in einer runden Preßform uniaxial zu einem porösen Grünkörper verpreßt (Formdurchmesser 60 mm, 100 mm, 330 mm).

Nach dem Pressen wird der eine Keramikmatrix aufweisende unge temperte Grünkörper einer Glühbehandlung bei einer Aus tauschtemperatur zur Herstellung eines keramischen und porösen Opferkörpers unterzogen.

Hierbei kann die Glühbehandlung und das Pressen miteinander vertauscht sein. So kann auch zuerst die Glühbehandlung bei der Austauschtemperatur für das Gemenge durchgeführt werden und an schließend aus dem getemperten bzw. geglühten Gemenge der kera mische und poröse Opferkörper gepreßt und ggf. gesintert wer den.

Auch können in an sich bekannter Weise dem Gemenge vor der Pressung zu dem Grünkörper bzw. Opferkörper Fasern und/oder ein Filz und/oder ein Gewebe - im folgenden zusammenfassend Fasern genannt - beigegeben und mit dem Gemenge vermischt werden. Gün stig sind bspw. Kurzfasern mit einer Länge kleiner 15 mm und größer 3 mm. Vorzugsweise sind die Fasern auf der Basis von Al₂O₃ und/ SiC und/oder Metall, insbesondere Stahl, und/oder Mineralien hergestellt.

Die Austauschtemperatur liegt zwischen 900°C und 1900°C, be vorzugt in einem Bereich zwischen 1100°C und 1400°C, aber im mer unterhalb einer Temperatur, die zu einer autokatalytischen Temperatur, insbesondere zu einer Explosion führt und mit einem Temperaturprogramm, das in seinen Rampen und Haltezeiten den Reaktionsmechanismen gerecht wird. Als Heizung wird üblicher weise ein graphitbeheizter Kaltwandreaktor unter Vakuum verwen det.

Die so gewonnenen porösen und keramischen Opferkörper werden anschließend in der selben Anlage bei einer Befüllungstempera tur mit dem Metall und/oder einer das Metall aufweisenden Le gierung befüllt. Die Befüllungstemperatur ist innerhalb eines Temperaturintervalls angeordnet, dessen obere Grenze einer Re aktionstemperatur entspricht, bei der das befüllende Metall (BMe), insbesondere Aluminium und/oder Magnesium, mit einem Me tall (KMe) des Opferkörpers reagiert und dessen untere Grenze durch den Erweichungspunkt bzw. die Erweichungstemperatur des befüllenden Metalls (BMe) festgelegt ist. Insbesondere bei Alu minium als befüllendes Metall (BMe) liegt die Befüllungstempe ratur unterhalb 1000°C, insbesondere unterhalb 900°C.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung des Keramik-Metall-Ver bundkörpers sind zweckmäßiger Weise wie folgt:

- Die Ausgangsmaterialien werden bevorzugt in Pulverform insbe sondere abgewogen vorgelegt,
- ggf. werden zu den Ausgangsmaterialien Fasern zugegeben,
- zusätzlich wird ein Binder wird zugegeben und naß vermischt,
- anschließend wird getrocknet und danach zu dem Gemenge ver mahlen (z. B. in einer Zentrifugalmühle),
- das Gemenge wird uniaxial gepreßt und zuvor bzw. nach dem Pressen geglüht,
- anschließen mit Metall befüllt und
- erhitzt,
- woran sich die Endbearbeitung anschließt.

Für die Herstellung des Keramik-Metall-Verbundkörpers laufen u. a. zwei Reaktionen in voneinander getrennten Prozeßschritten ab. Beim ersten Schritt handelt es sich um eine fest-fest Reak tion (Austauschreaktion) und im zweiten Schritt um eine fest flüssig Reaktion (Endreaktion). Beide Reaktionen entsprechen einer chemischen Redox-Reaktion. Hierbei reagiert eine kerami sche Verbindung mit einem Metall, wobei eine neue keramische Verbindung entsteht und ein anderes Metall frei wird. Im fol genden wird die Erfindung anhand von Aluminium als befüllendes Metall beschrieben, wobei die Erfindung auch auf andere Me tall/Keramiktypen angewendet werden kann, welche bspw. der US 5,214,011 entnehmbar sind.

Wie schon erwähnt, wird als exemplarisches Beispiel die Reakti on zwischen Aluminium und Titanoxid beschrieben, die wie folgt aussieht:

4 Al + 3 TiO₂ ⇒ 3 Ti + 2 Al₂O₃.

Bevor hierbei auf die genauen Details der Reaktionsführung ein gegangen wird, soll der Übersicht halber eine schematische Dar stellung hiervon vorangestellt werden.

Der besondere Vorteil an diesem Beispiel besteht darin, daß ein niedrigschmelzendes, preisgünstiges Metall (Aluminium) mit ei nem hochschmelzenden, teuren Metall (Ti) umgesetzt wird. Ähn lich verhält es sich mit den auftretenden keramischen Bestand teilen, auch hier wird eine niederwertige Substanz in eine hö herwertige Substanz umgewandelt.

a) Austauschreaktion

Im ersten Reaktionsschritt handelt es sich um das oben be schriebene Glühen des Gemenges bzw. des Grünkörpers, wobei hier nur auf das Glühen des Grünkörpers eingegangen wird. Der ge preßte keramische Grünkörper, der aus einer stöchiometrischen Mischung von B₄C/3 Ti und 2 TiO₂ besteht, wird einer Tempera turbehandlung unterzogen, bei der im wesentlichen, folgende Re aktion stattfindet:

B₄C + 3 Ti + 2 TiO₂ ⇒ 2 TiB₂ + TiC + Ti₂O₃ + 0,5 O₂

Es findet also eine Austauschreaktion zwischen B₄C und Ti statt, die als Reaktionsprodukte TiB₂ und TiC liefert. Das TiO₂ wird zwar auf eine niedrigere Oxidationsstufe reduziert, beein flußt aber nicht die vorher genannte Reaktion, weshalb sein Verhalten als quasiinert bezeichnet werden kann.

Die Austauschreaktion zwischen B₄C und Ti wurde ausgewählt, da die Reaktionsprodukte TiB₂ und TiC gute Reibeigenschaften ver sprechen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es gelungen, die Reaktion durch ein ausgefeiltes Temperaturprogramm kontrol liert 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 Vo lumenänderung auf. Das bedeutet, daß die Porosität, die der Preßkörper ohnehin schon besitzt, sich erheblich erhöht, sie liegt nach der Glühung der Matrix 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 Befüllung des Opferkörpers die zu reagierende Al(Metall)-Menge und somit die endgültige Phasenzu sammensetzung.

Um eine bestimmte Porosität einzustellen, läßt sich zum einen die Zusammensetzung des Grünkörpers variieren, zum anderen kann man mit Hilfe eines geeigneten Temperaturprogrammes Einfluß auf die Reaktion nehmen.

Die Variierung der Zusammensetzung des Grünkörpers soll bei spielhaft 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 TiO₂
2 TiB₂/TiC/2 TiO₂
3 TiC/0,7 N/0,3 2 TiO₂

Nach dem ersten Reaktionsschritt hat der keramische Opferkörper nahezu dieselbe Zusammensetzung, nur die Porosität ändert sich. Mit dieser Methode ist es möglich, die funktionellen ke ramischen Bestandteile genau vorzugeben und somit bestimmte Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel den Reibwert, einzu stellen.

b) Endreaktion

Vor der Durchführung der Endreaktion wird der poröse und kera mische Opferkörper mit dem Aluminium befüllt. Zur Befüllung wurde bspw. ein Opferkörper mit einem Durchmesser 100 mm und einer Dicke von Dicke 15 mm in eine Druckgußform gegeben und mit Al, dessen Temperatur um seinen Schmelzpunkt, insbesondere zwischen 600 und 900°C betrug, infiltriert. Die Infiltrations zeit betrug 40 ms bei einem Druck von 800 bar. Als Schmelze dienten 99,9%-reines Aluminium und/oder eine Al-Legierung, ins besondere Al/Sil2.

Anschließend wurde der befüllte Opferkörper unter Vakuum auf eine Temperatur über 1000°C aufgeheizt. Das Aluminium schmilzt auf, wobei oberhalb der Reaktionstemperatur Al und Ti₂O₃ mit einander reagieren. Diese Reaktion gehorcht je nach Zusammen setzung in etwa folgender Gleichung:

4 Al + Ti₂O₃ ⇒ 2 AlTi + Al₂O₃.

Während dieser Reaktion bleiben die keramischen Bestandteile TiB₂ und TiC, die im fertigen Werkstoff die funktionellen Grup pen darstellen, inert. Das Al und das Ti₂O₃ reagieren so, daß schließlich ein zumindest weitgehend dichter Formkörper vor liegt.

Als weiteres exemplarisches Beispiel wird die Reaktion zwischen Aluminium und Titanoxid bei Anwesenheit von elementarem Kohlen stoff bspw. in Form von Kohlenstaub oder Graphit beschrieben, die im Gesamten wie folgt aussieht:

2 C + 3 TiO₂ + 5 Al ⇒ 2 Al₂O₃ + 2 TiC + TiAl

Auch hier wird das Aluminium mit dem Ti umgesetzt. Ähnlich ver hält es sich mit den auftretenden keramischen Bestandteilen, auch hier wird eine niederwertige Substanz in eine höherwertige Substanz umgewandelt.

Für eine gute Übersicht ist nachfolgend eine schematische Dar stellung hiervon dargestellt.

a) Austauschreaktion

Im ersten Reaktionsschritt handelt es sich um das oben be schriebene Glühen des Gemenges bzw. des Grünkörpers, wobei in diesem Beispiel nur auf das Glühen des Gemenges eingegangen wird. Das Gemenge, das aus einer stöchiometrischen Mischung von C, Ti und TiO₂ besteht, wird einer Temperaturbehandlung unter zogen, bei der im wesentlichen, folgende Reaktion stattfindet:

C + 2 Ti + 3 TiO₂ ⇒ TiC + 2 Ti₂O₃

Als Reaktionsprodukte liegen also Ti₂O₃ und TiC vor, aus denen der Opferkörper gepreßt wird. Bei der Pressung wird der Opfer körper hinsichtlich des späteren Keramik-Metall-Verbundkörpers endformnah hergestellt.

Auch in diesem Prozeßschritt ist es möglich, die Zusammenset zung und Eigenschaften des späteren Composites zu manipulieren.

Auf die Endreaktion wird nicht eingegangen, da sie analog zum vorherigen Beispiel verläuft.

Beispiele Beispiel 1

Eine Pulvermischung mit der stöchiometrischen Zusammensetzung B₄C/3 Ti/2 TiO₂ wird mit einem Binder (Polypropylencarbonat) versetzt und uniaxial zu einer runden Scheibe verpreßt. Diese Scheibe wird anschließend in einem graphitbeheizten Kaltwandre aktor unter Vakuum zwischen 1200°C und 1400°C für 30 min ge glüht. Der hierdurch entstehende Keramikkörper hat die stöchio metrische Zusammensetzung 2 TiB₂/TiC/Ti₂O₃ und weist eine Poro sität von 55% auf. Nach der Befüllung mittels Druckgußverfah rens mit Al wird der befüllte Opferkörper im selben Ofen bei 1100°C ebenfalls unter Vakuum für 1,5 h erhitzt. Der resultie rende Keramik-Metall- Verbundkörper besteht aus ca. 20 Vol.-% TiB₂ 10% TiC, 15% Al₂O₃, 45% Al₃Ti und 10% Al.

Beispiel 2

Eine Pulvermischung mit der stöchiometrischen Zusammensetzung 2 TiB₂/TiC/2 TiO₂ wird unter denselben Bedingungen wie in Bei spiel 1 verarbeitet und geglüht. Der keramische Opferkörper hat ebenfalls die Zusammensetzung wie in Beispiel 1, besitzt aber eine Porosität von 45%. Nach der Reaktion mit dem zuvor einge füllten Aluminium hat der Verbundwerkstoff einen metallischen Anteil von ca. 52% Al₃Ti und 3% Al, wobei die keramischen Be standteile wie in Beispiel 1 bestehen bleiben.

Beispiel 3

Eine Pulvermischung aus TiO₂/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 TiO₂ im Verhältnis 3 : 2 gemischt und wie in Beispiel 1 verarbeitet. Der resultierende Werkstoff weist in der keramischen Phase nur TiC_xN_y und Al 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 auf treten. Derartige Anwendungen sind insbesondere tribologische Systeme und hierbei bevorzugt Strukturkomponenten in Strahl triebwerken und Motoren, insbesondere Gleitlager, Schneidwerk stoffe und besonders bevorzugt Bremsscheiben.

Ferner ist eine Anwendung als Kompositmaterial für insbesondere schußsichere Panzerungen zweckmäßige.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Keramik-Metall-Ver bundkörpers, gekennzeichnet durch folgende Verfah rensschritte,

- Herstellen eines formstabilen und porösen Opferkörpers aus keramischen Vorprodukten,
- Befüllen des Opferkörpers mit erweichtem Metall und/oder ei ner metallischen Legierung - im folgenden vereinfachend be füllendes Metall (BMe) genannt - bei einer vorgebbaren und bei oder oberhalb der Erweichungstemperatur des Metalls lie genden Befüllungstemperatur und insbesondere unter erhöhtem Druck,
- Erhitzen des mit dem Metall (BMe) befüllten Opferkörpers auf eine gegenüber der Befüllungstemperatur höheren Reaktionstem peratur oder darüber, wobei bei der Reaktionstemperatur eine Reaktion zwischen dem befüllenden Metall (BMe) und einem Me tall der Keramik des Opferkörpers (KMe)
- Durchführung der Reaktion zwischen dem befüllenden Metall (BMe) und dem Metall der Keramik des Opferkörpers (KMe) bei bzw. oberhalb der Reaktionstemperatur,
- - wobei der Keramik-Metall-Verbundkörper mit einer kerami schen und einer metallischen Phase gebildet wird,
- - wobei die keramische Phase KMe_mB_x und/oder KMe_nC_y und/oder KMe_oCN und BMe_pO₃ aufweist und
- - wobei die metallische Phase eine intermetallische Verbin dung aus einem Metall der Keramik (KMe) und einem befüllen den Metall (Bme) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß TiO₂ mit einem oder mehreren Bor (B) und/oder Kohlenstoff aufweisenden Ausgangsstoff, insbesondere mit boridischen und/oder carbidischen Keramiken zu einem Gemenge vermischt wird,
- daß das Gemenge auf eine Austauschtemperatur zwischen 900°C und 1900°C, bevorzugt zwischen 1100°C und 1400°C, und un terhalb einer zu einer autokatalytischen Reaktion, insbeson dere einer Explosion führenden Temperatur erhitzt und ge glüht wird,
- daß bei der Austauschtemperatur eine Austauschreaktion zwi schen einem Ausgangsstoff und dem TiO₂ mit den Reaktionspro dukten TiB_x und/oder TiC_y durchgeführt wird, wobei gilt:
0 ≦ x ≦ 2 und 0 ≦ y ≦ 1
und
- daß aus den Reaktionsprodukten der formstabile und poröse Op ferkörper hergestellt, insbesondere gepreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren des keramischen Opferkörpers, also erst nach der vollzogenen Austauschreaktion, zumindest weitgehend, insbeson dere vollständig mit Aluminium und/oder Magnesium gefüllt wer den.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Opferkörper zumindest teilweise bildenden Reakti onsprodukte mit dem vom Grünkörper aufgenommenen Aluminium un ter Bildung des Keramik-Metall-Verbundkörpers mit einer TiB_x und/oder TiC_y und/oder TiCN und Al₂O₃ aufweisenden keramischen Phase sowie einer intermetallische Verbindung aus Ti und Al aufweisenden metallischen Phase reagiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Gemenge zuerst ein Grünkörper hergestellt, insbe sondere gepreßt wird und daß erst der Grünkörper auf die Aus tauschtemperatur erhitzt und geglüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemenge stöchiometrisch oder mit einem Sauerstoffüber schuß oder einem Kohlenstoffüberschuß angesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das befüllende Metall (BMe) mittels eines Druck guß-Verfahrens eingepreßt wird und daß der gefüllte Opferkörper zur Bildung des Keramik-Metall-Verbundkörpers anschließend auf Tem peraturen oberhalb 1000°C erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Opferkörpers aus den keramischen Vorprodukten ein die Reaktion zwischen dem befüllenden Metall (BMe) und Metall der Keramik des Opferkörpers (KMe) fördernder Binder eingebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder in einem Lösungsmittel, bevorzugt in einem orga nischen Lösungsmittel und besonders bevorzugt in Azeton gelöst wird, und daß als Binder Polypropylencarbonat oder Natriumhy drogenselicat oder Ethylsilicat oder Polyvinylalkohol gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge zusätzliches TiB_x und/oder TiC_y und/oder TiCN beigegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemenge vor der Pressung zu dem Grün- bzw. Opferkörper Fasern, insbesondere Kurzfasern mit einer Länge kleiner 15 mm und insbesondere größer 3 mm und/oder ein Filz und/oder ein Ge webe - im folgenden zusammenfassend Fasern genannt - beigegeben und mit dem Gemenge vermischt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Fasern auf der Basis von Al₂O₃ und/ SiC und/oder Metall, insbesondere Stahl, und/oder Mineralien gewählt werden.

13. Keramik-Metall-Verbundkörper, mit einer keramischen Phase, die Al₂O₃ und mindestens eine Verbindung aus der Gruppe der Re aktionsprodukte TiB_x, TiC_y und TiCN aufweist und mit einer me tallische Phase, die eine intermetallische Verbindung aus Al und Ti aufweist.

14. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramik-Metall-Verbundkörper nach seiner Herstellung Aluminium als zusätzliche Phase aufweist.

15. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramik-Metall-Verbundkörper nach seiner Herstellung einen Sauerstoffüberschuß aufweist.

16. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen homogen verteilt sind.

17. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramik-Metall-Verbundkörper Fasern, insbesondere Kurz fasern und/oder Filz und/oder Gewebe - im folgenden zusammen fassend Fasern genannt - aufweist.

19. Keramik-Metall-Verbundkörper nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern auf der Basis von Al₂O₃ und/oder SiC und/oder Metall, insbesondere Stahl, und/oder Mineralien hergestellt sind.

20. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, der mit ei nem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, hergestellt ist, für tribo logische Systeme.

21. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, der mit ei nem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, hergestellt ist, für Struk turkomponenten in Strahltriebwerken und Motoren, insbesondere Gleitlager.

22. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, der mit ei nem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, hergestellt ist, als Schneidwerkstoff.

23. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, der mit ei nem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, hergestellt ist, als Kompo sitmaterial für insbesondere schußsichere Panzerungen.

24. Verwendung eines Keramik-Metall-Verbundkörpers, der mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1, hergestellt ist, als Mate rial für Bremsscheiben.