HESSELMANN CHRISTOPH (DE)
RAUSCHER STEFFEN (DE)
SCHEYDECKER MICHAEL (DE)
HAUG TILMANN (DE)
HESSELMANN CHRISTOPH (DE)
RAUSCHER STEFFEN (DE)
SCHEYDECKER MICHAEL (DE)
| WO1994009169A1 | 1994-04-28 |
| US3929476A | 1975-12-30 | |||
| EP0790223A1 | 1997-08-20 |
| 1. | Verfahren zur Herstellung eines Opferkörpers aus einem Ausgangsgemenge zur späteren Herstellung eines Al2O3/TitanaluminidVerbundkörpers, bei welchem Verfahren dem Ausgangsgemenge Titan, insbesondere als Oxid beigegeben und ein Formkörper aus dem Ausgangsgemenge gepreBt wird, der Formkörper bei einer Überführungstemperatur einer Temperatur behandlung zur Bildung des Opferkörpers unterzogen wird, wo bei der Opferkörper zur Befüllung mit Aluminium und/oder ei ner Aluminiumlegierungim folgenden vereinfachend Aluminium genanntunter Druck vorgesehen ist, und wobei die Matera lien des Opferkörpers und das Aluminium zu einem Al203/TitanaluminidVerbundkörper reagiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daB dem Ausgangsgemenge Kohlenstoff und/oder dessen Vorpro dukte, Füllstoffe und Bindemittel beigegeben werden, daB aus diesem Ausgangsgemenge der Formkorper gepref3t wird, daß mit dem Bindemittel die einzelnen Bestandteile des Ausgangsgemen ges zumindest bereichsweise miteinander druckstabilisierend verbunden werden, daB die Zersetzungstemperatur des Füllstof fes und vorzugsweise auch des Binders gleich oder kleiner als die Befüllungstemperature gewählt wird, so daB der Füllstoff bzw. das Bindemittel beim bzw. vor dem spateren Befullen des aus den Ausgangsmaterialien formgepreßte Opferkörpers mit dem Aluminium entfernt wird, und daB die Überführungstemperatur unterhalb der Befüllungstemperatur angeordnet ist, so daB der Formkorpers wahrend des Erwarmens auf Befüllungstemperatur zum spateren Druckbefullen in den Opferkörper umgewandelt wird. |
| 2. | 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, daZ zum Befüllen mit dem Aluminium der formgepreBte und un gesinterte Opferkörper vorgesehen ist. |
| 3. | 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 Opferkörper endformnah hergestellt wird. |
| 4. | 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 Opferkörper gepreßt und anschlieBend spanabhebend endformnah bearbeitet wird. |
| 5. | 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 als Oxid des Titans TiO und/oder Ti203 und/oder Ti305 und/oder vorzugsweise TiO2 eingesetzt 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 als Oxid des Titans TiO2 eingesetzt wird, da# TiO2 durch den Kohlenstoff reduziert wird und daß bei der vorzugsweise thermischen Entfernung der Füllstoffe und/oder des Bindemit tels der reduzierend wirksame Kohlenstoff als Endprodukt ge bildet wird und im Opferkörper verbleibt. |
| 7. | 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 die Füllstoffe unterhalb der Befüllungstemperatur ver dampft und/oder in Kohlenstoff umgewandelt werden. |
| 8. | 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 das Bindemittel unterhalb der Befüllungstemperatur ver dampft und/oder in Kohlenstoff umgewandelt werden. |
| 9. | 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, daB als Füllstoff organisches Material bevorzugt thermopla stisches oder duroplastisches Material, und besonders bevor zugt Stärke und/oder Mehl und/oder ein Cellulosederivat, ins besondere Celluloseacetat und/oder gewählt wird. |
| 10. | 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 die Ausgangsmaterialien des Ausgangsgemenges homogen ver teilt werden. |
| 11. | 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 dem Ausgangsgemenge 1 3 Gewichtsprozent (Gew.t) Binde mittel beigegeben werden. |
| 12. | 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 als Bindemittel Polyvenylalkohol (PVA) und/oder Polyethy lenglykol (PEG) bevorzugt in wässeriger Lösung gewählt wird. |
| 13. | 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 als Füllstoff ein Pulver mit einer bevorzugten Korngrö#e zwischen 10 ym und 100 ym, besonders bevorzugt etwa 20 ym ge wählt wird. |
| 14. | 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, daB dem Ausgangsgemenge bei Befüllungstemperatur nichtflüch tige Zusatzstoffe insbesondere TiC und/oder SiC und/oder BaC und/oder TiB2 beigegeben werden. |
| 15. | 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 dem Ausgangsgemenge Fasern, insbesondere aus minerai schen und/oder keramischen Materialien beigegeben werden. |
| 16. | Ausgangsgemenge zur Herstellen eines Opferkörpers, wobei der Opferkörper durch eine Temperaturbehandlung bei einer Überführungstemperatur aus einem Formkörper hergestellt ist, welcher Formkörper selbst aus dem Titan vorzugsweise als Oxid aufweisenden Ausgangsgemenge formgepreßt ist, wobei der Op ferkörper bei einer Befüllungstemperatur zum Befüllen mit Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierungim folgenden vereinfachend Aluminium genanntund zu einer Reaktion mit den Materialien des Opferkörpers mit Aluminium vorgesehen ist, und wobei bei der Reaktion ein Bauteil aus einem A1203/TitanaluminidVerbundwerkstoff gebildet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangsgemenge Kohlenstoff und/oder dessen Vorpro dukte, Füllstoffe und Bindemittel aufweist, daß mit dem Bin demittel die einzelnen Bestandteile des Ausgangsgemenges zu mindest bereichsweise miteinander druckstabilisierend verbun den sind, daß die Zersetzungstemperatur des Füllstoffs und vorzugsweise auch die des Binders gleich oder kleiner als die Befüllungstemperatur ist, so daß sie beim bzw. vor dem Befül len des aus den Ausgangsmaterialien formgepreßten und un gesinterten Opferkörpers mit dem Aluminium entfernbar sind, und daß die Überführungstemperatur unterhalb oder gleich der Befüllungstemperatur ist, so daß die Umwandlung des Formkör pers in den Opferkörper während des Erwärmens auf Befül lungstemperatur erfolgt. |
| 17. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Oxid des Titans TiO und/oder Ti203 und/oder Ti305 und/oder TiO2 mit reduzierend wirksamen Kohlenstoff ist. |
| 18. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Oxid des Titans TiO2 ist, daß der Kohlenstoff hin sichtlich des TiO2 reduzierend wirksam ist und daß der Koh lenstoff ein bei der Entfernung des Bindemittels und/oder der Füllstoffe entstehendes Endprodukt ist. |
| 19. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Füllstoffe und ggf. das Bindemittel bei oder unter halb der Befüllungstemperatur verdampfund/oder in Kohlen stoff umwandelbar ist. |
| 20. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllstoff organisch bevorzugt thermoplastisch oder duroplastisch, und besonders bevorzugt Stärke und/oder Mehl und/oder ein Cellulosederivat, insbesondere ein Celluloseace tat ist. |
| 21. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangsmaterialien des Ausgangsgemenges vor dem Pressen zu dem Opferkörper homogen verteilt sind. |
| 22. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangsgemenge 13 Gewichtsprozent (Gew.W) Binde mittel aufweist. |
| 23. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bindemittel Polyvenylalkohol (PVA) und/oder Polyethy lenglykol (PEG) bevorzugt in wä#riger Lösung ist. |
| 24. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllstoff ein Pulver mit einer bevorzugten Korngröße zwischen 10 ym und 100 ym, besonders bevorzugt etwa 20 ym ist. |
| 25. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangsgemenge bei Befüllungstemperatur des Opfer körpers nichtflüchtige Zusatzstoffe, insbesondere TiC und/oder SiC und/oder BaC und/oder TiB2 aufweist. |
| 26. | Ausgangsgemenge nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Ausgangsgemenge Fasern, insbesondere aus minerai schen und/oder keramischen Materialien aufweist. |
| 27. | Opferkörper zur Herstellen eines Bauteils aus einem A1203/TitanaluminidVerbundwerkstoff, welcher Opferkörper Ti tan insbesondere als Oxid aufweist und welcher Opferkörper zum Befüllen mit Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung im folgenden vereinfachend Aluminium genanntund zur Re aktion der Materialien des Opferkörpers mit dem Aluminium vorgesehen ist, wobei bei der Reaktion das Bauteils aus dem A1203/TitanaluminidVerbundwerkstoff gebildet wird, wobei der Opferkörper selbst durch eine Temperaturbehandlung bei einer Überführungstemperatur aus einem Formkörper hergestellt ist, der aus einem Ausgangsgemenge gepreßt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der ungesinterte Opferkörper gegenüber Überdruck druck stabil ist, daß der Opferkörper Kohlenstoff und/oder dessen Vorprodukte, Füllstoffe und Bindemittel aufweist, daß das Bindemittel die einzelnen Bestandteile des Opferkörpers zu mindest bereichsweise miteinander druckstabilisierend verbin det, daß die Zersetzungstemperatur des Füllstoffs und vor zugsweise auch des Binders gleich oder kleiner als die Befül lungstemperatur ist, so daß sie beim bzw. vor dem Befüllen des formgepreSten und ungesinterten Opferkörpers mit dem Alu minium entfernbar sind und daß die Überführungstemperatur kleiner oder gleich der Befüllungstemperatur ist. |
| 28. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Oxid des Titans TiO und/oder Ti203 und/oder Ti305 und/oder TiO2 ist. |
| 29. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Oxid des Titans TiO2 ist, daß der Kohlenstoff hin sichtlich des TiO2 reduzierend wirksam Kohlenstoff ist und daß der Kohlenstoff ein bei der Entfernung des Bindemittels und/oder der Füllstoffe entstehendes Endprodukt ist. |
| 30. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllstoff und ggf. das Bindemittel bei oder unterhalb der Befüllungstemperatur verdampfund/oder in Kohlenstoff umwandelbar ist. |
| 31. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllstoff organisch bevorzugt thermoplastisch oder duroplastisch, und besonders bevorzugt Stärke und/oder Mehl und/oder ein Cellulosederivat, insbesondere ein Celluloseace tat ist. |
| 32. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ausgangsmaterialien im Opferkörper homogen verteilt sind. |
| 33. | Opferkorper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, <BR> <BR> <BR> daß der Opferkorper 13 W Gewichtsprozent (Gew.o) Binde mittel aufweist. |
| 34. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bindemittel Polyvenylalkohol (PVA) und/oder Polyethy lenglykol (PEG) bevorzugt in wä#riger Lösung ist. |
| 35. | Opferkorper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Füllstoff ein Pulver mit einer bevorzugten Korngrö#e zwischen 10 ym und 100 ym, besonders bevorzugt etwa 20 Um ist. |
| 36. | Opferkorper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Opferkörper bei Befüllungstemperatur nichtflüchtige Zusatzstoffe, insbesondere TiC und/oder SiC und/oder BaC und/oder TiB2 aufweist. |
| 37. | Opferkörper nach Anspruch 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Opferkörper Fasern, insbesondere aus mineralischen und/oder keramischen Materialien aufweist. |
| 38. | Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstel lung von Reibflächen von tribologischen Systemen oder von Mo torkomponenten und/oder von Fahrzeugkomponenten und/oder von Bremsscheiben und/oder von Reibflächen für Bremsscheiben. |
| 39. | Verwendung eines Ausgangsgemenges 16 zur Herstellung von Reibflachen von tribologischen Systemen oder von Motorkompo nenten und/oder von Fahrzeugkomponenten und/oder von Brems scheiben und/oder von ReibElächen für Bremsscheiben. |
| 40. | Verwendung eines Opferkörpers 27 zur Herstellung von Reibflächen von tribologischen Systemen oder von Motorkompo nenten und/oder von Fahrzeugkomponenten und/oder von Brems scheiben und/oder von ReibElächen für Bremsscheiben. |
Aus der DE 196 05 858 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoff bekannt. Der Keramik/Metall-Verbundwerkstoff verbindet die Eigenschaft der keramischen und der metallischen Phase und weist eine hohe Festigkeit und eine hohe Bruchzähigkeit auf.
Bei dem zugrundegelegten Verfahren wird eine Ausgangsgemenge gebildet, das u. a. eine oxidische Verbindung aufweist, welche Verbindung unter gleichzeitiger Bildung von Aluminid und A1203 mittels Aluminium reduzierbar ist. Unter anderem wird als Bestandteil des Ausgangsgemenges TiO2 genannt. Aus dem Ausgangsgemenge wird ein endformnaher Opferkörper herge- stellt, der anschließend mit Al infiltriert wird. Der Opfer- körper wird zur Stabilisierung und hierbei insbesondere zur Befüllung mit Aluminium unter Druck vor der Druckinfiltration gesintert. Nach dem Sintern wird der Opferkörper auf eine Be- füllungstemperatur temperiert, die oberhalb der Schmelztempe- ratur des Aluminiums und/oder einer Aluminiumlegierung-im folgenden vereinfachend Aluminium genannt-angeordnet ist.
Ferner ist die Befüllungstemperatur unterhalb einer Reaktion- stemperatur angeordnet, bei welcher eine sogenannte SHS- Reaktion zwischen dem Aluminium und zumindest einem der Aus- gangmaterialien stattfindet. Eine SHS-Reaktion (self propaga- ting high temperature synthesis) ist eine Reaktion, die ober- halb ihrer Reaktionstemperatur sehr schnell ablauft, stark exotherm ist und zumeist zumindest nahezu unkontrollierbar ist. Bei Befüllungstemperatur wird der Opferkörper unter Druck mit Aluminium befüllt und erneut erhitzt, wobei nun ei- ne Austauschreaktion zwischen dem Aluminium und den Bestand- teilen des Opferkörper unter Bildung eines A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoffes stattfindet.
Allerdings wird der Opferkörper meistens nur bereichsweise in den A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoff umgewandelt. Wie aus der DE 196 05 858 Al ferner ersichtlich ist, kann ein TiO2 aufweisender Opferkorper nur in manchen Fallen vollstandig mit Aluminium befüllt werden. Des weiteren kann ein derarti- ger Opferkorper auch nur in Ausnahmefallen vollstandig mit einer durchgehenden Titanaluminid-Phase versehen werden.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE-P 19710671.4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Me- tall/Keramik-Verbundwerkstoff bekannt, bei dem ein Opferkor- per aus keramischen Vormaterialien mit thermisch erweichtem Metall-insbesondere Aluminium-und/oder mit einer metalli- schen Legierungen befüllt wird. Die Befüllungstemperatur ist unterhalb einer Reaktionstemperatur angeordnet, bei welcher Reaktionstemperatur eine Austauschreaktion zwischen einem Me- tall des keramischen Vormaterials und einem Metall des befül- lenden Metalls stattfindet. Nach dem möglichst vollständigen Befüllen des Opferkorpers wird der befüllte Opferkörper auf die Reaktionstemperatur oder dauber erhitzt, wodurch dann die eben angesprochene Austauschreaktion stattfindet. Bei dieser Austauschreaktion wird ein Bauteil aus dem Me- tall/Keramik-Verbundwerkstoff hergestellt, das eine kerami- sche und eine metallische Phase mit einer intermetallischen Verbindung des Metalls der Keramik und des Metalls des Befül- lenden Metalls aufweist. Durch die Befüllung des Opferkorpers mit einem durch Erhitzen erweichten Metall unterhalb einer Reaktionstemperatur, bei zwischen dem befullenden Metall und dem Material des Opferkörpers eine Austauschreaktion statt- findet, wird die keramische Matrix während der Befüllung und auch bei der sich anschließenden Austauschreaktion zwischen dem eingebrachten Metall und dem Material des Opferkörpers erhalten. Idealerweise erfolgt die Befüllung der Poren des Opferkörpers vollständig, so dal bei stöchiometrische Bemes- sung der Infrage kommenden Substanzen das Bauteil vollständig sowie riS-und kanalfrei durchreagiert ist. In bevorzugter Weise ist hierbei das befüllende Metall Aluminium und das Me- tall der Keramik Titan, so daß nach der bevorzugten Aus- tauschreaktion die keramische Phase TiBX und/oder TiCy und/oder TiCN und A1203 aufweist, wobei die intermetallische Verbindung der metallischen Phase ein hochtemperaturbeständi- ges Titanaluminid, insbesondere Tical ist. Die Materialeigen- schaften dieses Metall/Keramik-Verbundwerkstoffs sind gut. So weist bspw. ein Metall/Keramik-Verbundwerkstoff, der mit Alu- minium als befüllendes Metall und Ti als Metall des kerami- schen Opferkörpers hergestellt wird, eine Dichte von 3,4 g/cm3 auf, wobei these Dichte geringfugig hoher liegt als die der sogenannten MMCs (metal-matrix-omposits), jedoch nur 42 <BR> <BR> <BR> <BR> W der Dichte von vergleichbaren GuSeisen beträgt. Insbesonde- re in der bevorzugten Ausbildung, bei der die hochtemperatur- beständigen Verbindung in Form der intermetallischen Verbin- dung Tical reicht das Anwendungsgebiet des Bauteils bis minde- stens 800 °C, wobei die Werte für Graugu# deutlich überboten werden. Aus dem hergestellten Metall/Keramik-Verbundwerkstoff werden insbesondere Reibringe far die ReibElächen von Schei- benbremsen gefertigt. Diese Reibringe werden anschlieSen über mechanische Verbindungstechniken wie Verschraubungen usw. am Topf der Bremsscheibe befestigt.
Bevor allerdings der Opferkorper mit dem Metall bzw. mit der Legierung befüllt wird, mussen die Ausgangsmaterialien des Opferkorpers erhitzt werden, wobei zwischen den Vormateriali- en eine erste Austauschreaktion stattfindet, bei der sich aus den Austauschmaterialien hochwertige und teure Vormaterialien bilden. Nach dem Befüllen mit dem Metall wird aus diesen teu- ren Vormaterialien und dem Metall die keramische Phase und die metallische Phase gebildet, wobei zu deren Bildung wie- derum eine Austauschreaktion und zwar diesmal mit dem Forma- terial und dem befullenden Metall vorgenommen wird.
In einem weiteren Verfahren wird ebenfalls die Infiltration eines keramischen Opferkorpers mit Aluminium beschrieben (US- A-4,988,645). Hierbei wird der Keramikkorper uber eine SHS- Reaktion hergestellt (SHS-Reaktion : Self propagating high temperature synthesis, bedeutet die Zündung eines reaktiven Gemisches, wobei sich die Reaktion selbst aufrechterhält und als Reaktionsprodukte die gewunschte Keramikmatrix liefert).
Allerdings weist ein derartig hergestelltes Bauteil teilweise eine nicht akzeptable Porositäten auf, so daß die AusschuSra- te hoch ist. Insbesondere ist die Befullung bei Opferkorpern mit TiO2 als Vormaterial des Opferkörpers sehr schlecht.
Aus der WO 84/02927 ist ein Verfahren zur Herstellung von fa- serverstärkten Druckgu#teilen mit Aluminium im sogenannten squeeze-casting Verfahren bekannt. Bei dem Verfahren zuerst aus einem u. a. Fasern aufweisenden Ausgangsgemenge ein port- ser Grünkörper gepre#t, der anschlieSend mit Aluminium be- fallut wird. Zur Stabilisierung des porosen Grunkorpers und zur Erhaltung der Orientierung der im Grunkorper angeordneten Fasern, ist de, Ausgangsgemenge ein Bindemittel beigegeben, das bei der Befüllung des Grünkörpers thermisch entfernt wird. Durch das Vorliegen der Poren und die Stärke des Binde- mittels findet keine bzw. allenfalls eine vernachlässigbare Deformation des Grünkörpers statt. Eine chemische Reaktion zwischen dem befullenden Aluminium und den Ausgangsmateriali- en des Grünkörpers findet hierbei nicht statt, so daß der Einfluß einer derartigen Reaktion auf die Struktur und die Formgebung des späteren DruckguSteils hieraus nicht bekannt ist.
Insgesamt weisen alle genannten Verfahren einen hohen Ener- giebedarf auf, der u. a. auf die unterschiedlichen thermischen Prozesse, wie Sintern, erste Austauschreaktion, Befüllen und anschlieSende zweite Austauschreaktion bei gegenuber der Be- fullungstemperatur hoheren Temperaturen zurückzuführen sind.
Durch diesen Energiebedarf sind die Verfahren teuer.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, das vorbekannte Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, dal die Herstellung von Bau- teilen aus einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff, einfacher, schneller und insbesondere billiger sowie Energietechnisch sparsamer ist und dal der Verbundkörper hinsichtlich seines Volumes zuverlässig und möglichst weitgehend mit Titanalumi- nid versehen werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem zugrundegelegten Opferkörper mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch Verwendung eines druckstabilen und vorzugsweise reduziertes Titanoxid TiOX mit x = 1,1,5,1,67, oder insbesondere mit Kohlenstoff reduzierbares TiO2 aufweisenden Opferkörpers, der vorzugsweise endformnah geformt und/oder bearbeitet ist, kann die Al-Schmelze sogar spontan infiltriert und damit insbeson- dere sehr gut druckinfiltriert werden.
Die beiden vorbekannten Austauschreaktionen zur Umsetzung des Aluminiums und den Materialien des Opferkörpers zu einem A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoff der Ausgangsmaterialien können in einem einzigen Aufheizvorgang vorgenommen werden.
Diese Umsetzungstemperatur ist vorzugsweise unterhalb der Be- füllungstemperatur, bevorzugt unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums und besonders bevorzugt unterhalb 400 OC ange- ordnet. Hierdurch wird der benötigte Energiebedarf und auch die benötigte Produktionszeit verringert.
Zur Befüllung des Opferkörpers mit Aluminium bzw. mit einer Aluminiumlegierung wird der Opferkörper aufgeheizt. Daher ist es sinnvoll, zur Herstellung des Opferkörpers u. a. TiO2 und C zu verwenden, da sich aus u. U. TiO2 und C bei Aufheizen dann u. a. das reduzierte Titanoxid TiOX (TiO, Ti203 und/oder Ti305) bilden kann.
Überraschender Weise findet bei der Druckinfiltration des Op- ferkörpers mit Aluminium allerdings noch keinerlei Austausch- reaktion unter Bildung A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoffes statt. Die Bildung des A1203/Titanaluminid-Verbundwerkstoffes erfolgt erst durch eine Festkörperreaktion, deren Proze#tem- peratur unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums liegt.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den ent- sprechenden weiteren Ansprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand einiger im folgenden aufgeführten Bei- spielen naher erlautert.
Ein pulvriges keramisches Ausgangsgemenge mit Kohlenstoff und TiO2 sowie mit einem Bindemittel und mit einem Füllstoff wird vermischt und verpre#t.
Durch eine Niedertemperaturbehandlung unter Vakuum oder Schutzgas, insbesondere Stickstoff oder C02, zwischen 350°C und 700°C, insbesondere bei 400°C wird insbesondere der Full- stoff und ggf. auch das Bindemittel unter Vakuum oder Schutz- gas ausgebrannt, wobei ein poroser und ungesintert drucksta- biler sowie keramischer Opferkörper entsteht.
Zweckmä#igerweise findet hierbei eine Thermogravimetrie- Analyse (TG) statt, die zum Nachweis dient, dag das Bindemit- tel und ggf. auch der Füllstoff vollständig entfernt ist.
Durch die gezielte Zugabe der Füllstoffe und des Bindemittels kann eine genau definierte Porosität, Porenstruktur und Fe- stigkeit eingestellt werden, wodurch eine Druckinfiltration des Opferkörpers mit Aluminium möglich ist.
Einer der Vorteile der Erfindung ist es, dag bei der gesamten Herstellung eines Bauteils aus einem derartigen Me- tall/Keramik-Verbundwerkstoff, also beginnend von der Her- stellung des Opferkörpers über die Befüllung des Opferkörpers mit Aluminium bis hin zur Bildung des Verbundwerkstoffes durch die Austauschreaktion keine Temperaturschritte tuber 800°C, insbesondere über 700°C benötigt werden. Zum anderen geschieht dies in kurzer Zeit, insbesondere die Befüllung durch Druckgui3.
Des weiteren erfolgt eine Umwandlung des Aluminiums zu einem hochtemperaturbeständigen Titanaluminid. Weiterhin werden sehr günstige Rohstoffe verwendet ; der Materialpreis liegt derzeit bei ca. 4 DM pro kg.
Zur Herstellung des Ausgangsgemenges wird zuerst insbesondere Titandioxid und Graphit in einem definierten stöchiometri- schen Verhältnis zueinander gemischt. AnschlieBend wird dem homogenen Gemenge 1-3 Gew.-W Bindemittel, vorzugsweise Po- lyvenylalkohol PVA und/oder Polyethylenglykol PEG, in wäBri- ger Lösung zugegeben und verknetet. Nach dem Bindemittel wird der Mischung ein wasserlöslicher pulver-und/oder faserförmi- ger organische Füllstoff, bevorzugt ein Celulosederivat, ins- besondere Celuloseacetat beigegeben und ebenfalls verknetet.
Der bevorzugt pulverförmig beigegebene Füllstoff weist insbe- sondere eine mittlere Korngroie zwischen 10 ym und 100 ym, bevorzugt 20 ßm auf. Die Mischung wird entweder getrocknet oder feucht (Restfeuchte ca. 10-20o H20) uniaxial mit insbe- sondere 300 bar verpreBt. Optional folgt dem uniaxialen PreB- vorgang ein weiterer kaltisostatischer PreSvorgang.
Der vorzugsweise endformnah gepreBte Opferkörper wird mecha- nisch auf Endmai3 bearbeitet und far eine sich bei der Her- stellung des Bauteils im weiteren anschlieBende Befüllung des Opferkörpers mit flüssigem Aluminium in eine Druckgußform eingelegt.
Fur das Befüllen mit Aluminium im DruckguBverfahren sind die Festigkeit, der E-Modul, die Porosität und die Porenstruktur des Opferkörpers von Bedeutung.
Diese Eigenschaften können durch die Wahl des Bindemittels, der Füllstoffe, der Füllstoffmenge und den Pre#druck beein- fluet werden. Ferner fließen noch die Partikelgrößen der ke- ramischen Pulver (TiO2 usw.) und der Füllstoffe ein.
Die Zusammenhänge zwischen EinfluBgröBen und ZielgröBen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 qualitativ aufgetragen.
Tabelle 1 : Influe der ProzeSparameter auf die Eigenschaften des Opferkörpers EinfluSgröSen-t Ziel-Füllstoffart FS-Menge Preß-Partikel- grbgen druck grbge GK-Festigkeit + + +++ + E-Modul + + +++ + Porositat + ++ ++ ++ Porenstruktur ++ ++ + +++ += geringer EinfluB ; ++= mittlerer EinfluB ; +++ = gober Ein- fluez Beispiele Nachfolgend werden einige Beispiele far Ausgangsgemenge far Opferkörper angegeben.
Beispiel 1 : 3 mol TiO2 (mittlerer Korndurchmesser d50 = 0,3 ßm) werden mit einem mol C (d50 = 0,05 ym) im Kneter (z. B. Fa. Eirich) ca. 10 min vorvermischt. Dieser Mischung wird 3 Gew.-W Polye- thylenglykol (in 20o wariger Losung) zugesetzt und verkne- tet. Dem feuchten Gemenge wird wiederum 10 Gew.-% Cellulose- acetat (CA) (d50 = 20 µm) zugefügt und im Kneter gemischt.
Das Pulver wird uniaxial mit 30 MPa gepreBt. AnschlieBend er- folgt ein kaltisostatisches Pressen mit einem Druck von 200 MPa. Der Opferkörper wird bei 700°C unter Stickstoff fur 1 Stunde geheizt (Haltezeit bei 350°C, Heizrate 1 K/min), wobei alle organischen Zusatzstoffe rückstandslos ausbrennen. Der Opferkörper besitzt eine Druckfestigkeit von 7 MPa und eine Porosität von 49 %. Die Porendurchmesser weisen eine bimodale Verteilung auf, bei der ein Maximum bei 0,1 Hm und ein Maxi- mum bei 20 ym liegt.
Beispiel2: Wie Beispiel 1, nur daB das Molverhältnis zwischen TiO2 und C 3/2 beträgt. Hierbei ist ein isostatisches Nachpressen bei 300 MPa erforderlich.
Beispiel Wie Beispiel 1, nur daB die Menge an Celuloseacetat 20 Gew.-% beträgt.
Beispiel4: Wie Beispiel 1, nur daB dem Gemenge aus TiO2/C/PEG/CA vor dem uniaxialen Pressen 10 Gew.-% Wasser zugegeben werden.
Rvimpirl- Wie Beispiel 1, nur da : g dem Gemenge aus TiO2/C/PEG/CA vor dem uniaxialen Pressen 1 Gew.-% Methylcellulose zugegeben werden.
Beispiel6: Wie Beispiel 1, nur daE dem Gemenge aus Ti02/C/PEG/CA Kurzfa- sern aus Konstantandraht oder aus C-Fasern zugefügt werden.
Hierdurch wird die Bruchdehnung erhöht.
Beispiel 7 : Wie Beispiel 1, nur da# die Korngrö#e des TiO2 einen mittle- ren Durchmesser von 15 ym aufweist. hierdurch fallut die Poro- <BR> <BR> <BR> sität auf 47 W ab. Die DruckEestigkeit erhöht sich auf 7,5 MPa.
Die Opferkörper sind zum anschlieBenden Druckbefüllen mit Aluminium vorgesehen. Nach dem Befüllen werden sie einer Tem- peraturbehandlung unterhalb des Schmelzpunktes des Aluminiums unterzogen, wodurch ein Bauteil aus Verbundwerkstoff wird, der aus insbesondere homogen verteilt TiC, Au203 und Al3Ti aufweist.
Hier mug insbesondere darauf hingewiesen werden, dag bei der nachtraglichen Temperaturbehandlung zur Herstellung des Ver- bundwerkstoffes eine Festkörperreaktion stattfindet. Daher kann diese Reaktion unterhalb des Schmelzpunktes des Alumini- ums stattfinden. Der vorzugsweise homogene Verbundwerkstoff ist hochtemperaturbeständig und verschleiSfest.
Das erfindungsgemäBe Verfahren und damit ebenso das erfin- dungsgemäBe Ausgangsgemenge bzw. der erfindungsgemäBe Opfer- körper sind insbesondere zur Herstellung von Reibflächen, von tribologischen Systemen oder von Motorkomponenten und/oder von Fahrzeugkomponeneten und/oder von Bremsscheiben und/oder von Reibflachen fur Bremsscheiben geeignet. Unter tribologi- schen Systemen sind neben Bremsscheiben bevorzugt Struktur- komponenten in Strahltriebwerken und Motoren, insbesondere Gleitlager, Schneidwerkstoffe zu verstehen.