Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs

Abstract

 Ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs (200, 210) mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix (201, 211) und zumindest einer in der Metallmatrix (201, 211) angeordneten Verstärkungskomponente (202) wird vorgeschlagen, bei dem zumindest eine der Komponenten durch ein Spritzverfahren auf ein Substrat (5) gespritzt wird. Ferner wird ein entsprechender Werkstoff, insbesondere in Form einer Beschichtung, und die Verwendung eines derartigen Werkstoffs vorgeschlagen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix und zumindest einer in der Metallmatrix angeordneten Verstärkungskomponente, einen entsprechenden Werkstoff, insbesondere in Form einer Beschichtung, sowie die Verwendung eines derartigen Werkstoffs.

[0002] Der Trend zu zunehmender Miniaturisierung, der mit steigenden Materialkosten einhergehende Kostendruck sowie die immer anspruchsvolleren Anforderungen bei Applikationen in der Elektrik und Elektronik sowie bei der Herstellung von technischen Lagern erfordern neue Werkstoffe und Beschichtungen.

[0003] Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bzw. Metallmatrix-Composite (Metal Matrix Composites, MMC) weisen gegenüber ausschließlich keramischen oder metallischen Werkstoffen herausragende Eigenschaftskombinationen auf. Aus diesem Grund besteht ein großes Interesse am Einsatz der ursprünglich für die Luft- und Raumfahrt sowie für die Wehrtechnik entwickelten MMC für eine Reihe von Anwendungen.

[0004] Die Bezeichnung MMC bezieht sich häufig ausschließlich auf entsprechend verstärktes Aluminium, in Sonderfällen werden damit auch verstärkte Magnesium- und Kupferwerkstoffe bezeichnet. Die Metallkomponente der MMC liegt als elementares Metall oder in Form einer Legierung vor. Als Verstärkungsphase bzw. -komponente kommen in der Regel Partikel (Verstärkungspartikel) (Durchmesser 0,01-150 µm), Kurzfasern (Durchmesser 1-6 µm, Länge 50-200 µm), Endlosfasern (Durchmesser 5-150 µm) oder Schäume mit offener Porosität zum Einsatz, die in der Regel aus Keramikmaterial (SiC, Al₂O₃, B₄C, SiO₂) oder Kohlenstoff in Form von Fasern oder Graphit bestehen (siehe hierzu und auch im folgenden: "Metallmatrix-Verbundwerkstoffe: Eigenschaften, Anwendungen und Bearbeitung" von Dr. O. Beffort, 6. Internationales IWF-Kolloquium, 18./19. April 2002, Egerkingen, Schweiz).

[0005] Zur Herstellung von MMC-Bulkmaterialien sind aus dem Stand der Technik im wesentlichen drei Verfahrensprozesse bekannt, nämlich das Einrühren von Keramikpartikeln in die Metallschmelze, die Schmelzinfiltration und die Pulvermetallurgie. Zur Herstellung von MMC-Beschichtungen ist aus dem Stand der Technik die galvanische Abscheidung bekannt.

[0006] In entsprechenden Einrührverfahren muss häufig die mangelnde Benetzbarkeit zwischen Metallschmelze und Partikeln überwunden und eine Reaktion zwischen beiden Phasen begrenzt werden. Der Volumenanteil der Partikel ist aus Viskositätsgründen auf maximal 30% beschränkt.

[0007] Bei der Infiltration wird die Verstärkungskomponente zu einer porösen Vorform ("Preform") verarbeitet, in die anschließend mit oder ohne Druckeinsatz die Metallschmelze infiltriert wird. In diesem Fall können als Verstärkung neben Partikeln auch Fasern und Schäume mit sehr hohen Verstärkungsvolumenanteilen (bis ca. 80%) eingesetzt werden. Eine Lokalverstärkung in Bereichen höchster Beanspruchung ist möglich. Entsprechende Verfahren sind jedoch aufwendig.

[0008] Die Pulvermetallurgie (PM) von MMC unterscheidet sich von üblicherweise verwendeten PM-Verfahren nur dadurch, dass statt eines Metallpulvers ein Pulvergemisch aus Keramik- bzw. Verstärkungskomponenten- und Metallpartikeln verwendet wird. Die PM ist grundsätzlich nur für feine Partikel (Korngröße 0.5-20 µm) geeignet. Darüberhinaus muss eine nachträgliche Umformbarkeit der erhaltenen MMC durch Extrudieren, Schmieden oder Walzen gewährleistet bleiben, wodurch der maximale Volumengehalt der Verstärkungspartikel auf ca. 40% beschränkt ist.

[0009] Bei der galvanischen Abscheidung von Dispersionsschichten besteht das Problem, die Partikel feinverteilt im Elektrolyten in Schwebe zu halten und gleichzeitig mit der Matrix abzuscheiden, um homogene Schichten zu erhalten. Die gleichzeitige Abscheidung von Partikeln und Matrix ist in vielen Fällen unmöglich aufgrund ihrer unterschiedlichen Potentiale.

[0010] Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) weisen herausragende Eigenschaften auf. Hierzu zählen z.B. ihre mechanische Zugfestigkeit von etwa 40 GPa und ihre Steifheit von 1 TPa (dem 20- bzw. 5-fachen von Stahl). Es existieren sowohl CNT mit leitenden als auch solche mit halbleitenden Eigenschaften. CNT gehören zu der Familie der Fullerene und besitzen einen Durchmesser von 1 nm bis einigen 100 nm. Ihre Wände bestehen wie die der Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff. Insbesondere eine Mischung von CNT mit weiteren Komponenten lässt Verbundwerkstoffe und Beschichtungen mit signifikant verbesserten Eigenschaften erwarten.

[0011] Es ist bekannt, CNT mit herkömmlichem Kunststoff zur Verbesserung seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften zu mischen. CNT-Verbundwerkstoffe auf Metallbasis, wie sie beispielsweise in der DE 10 2007 001 412 A1 behandelt werden, umfassen eine Metallmatrix, wie etwa Fe, AI, Ni, Cu oder entsprechende Legierungen, und Kohlenstoffnanoröhrchen als Verstärkungskomponente in der Matrix. Aufgrund der großen Dichteunterschiede zwischen Metallen und CNT und der hierdurch bedingten starken Entmischungstendenzen sowie aufgrund der mangelnden Benetzbarkeit der CNT mit Metall ist eine schmelzmetallurgische Applikation zur Herstellung von entsprechenden Metall-CNT-Verbundmaterialien problematisch. Die DE 10 2007 001 412 A1 schlägt daher vor, auf einem Substrat eine galvanisch aufgebrachte Verbundbeschichtung abzuscheiden, indem eine Galvanisierlösung verwendet wird, die Metallkationen einer abzuscheidenden metallischen Matrix sowie Kohlenstoffnanoröhrchen enthält. Die Verbundbeschichtung umfasst dann die metallische Matrix und in der Matrix angeordnete Kohlenstoffnanoröhrchen, wodurch die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden. Jedoch ist eine galvanische Aufbringung in vielen Bereichen nicht oder nur schwer durchführbar.

[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs, insbesondere mit CNT als Verstärkungskomponente, anzugeben, das es erlaubt, die eingesetzten Komponenten in technisch einfacher Weise möglichst gleichmäßig zu verteilen, wobei insbesondere die Verstärkungskomponenten in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften möglichst unverändert und zu einem möglichst hohen Prozentanteil in dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff enthalten sein sollen.

[0013] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs und durch einen solchen Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der als solches als Werkstück oder als Beschichtung eines Werkstücks oder als Werkstoff zur Herstellung eines Werkstücks verwendet werden kann, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0014] Die Erfindung beinhaltet die technische Lehre, zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix und zumindest einer in der Metallmatrix angeordneten Verstärkungskomponente zumindest eine der Komponenten durch ein Spritzverfahren auf ein Substrat zu spritzen.

[0015] Durch entsprechende Spritzverfahren können Metallpulver, welche zuvor beispielsweise mit Kohlenstoffkomponenten wie CNT oder keramischen Verstärkungskomponenten gemischt wurden, zum Einsatz kommen. Der Anteil metallischer Partikel im Trägergas kann beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 50% liegen.

[0016] Spritzverfahren, wie Flamm-, Plasma- und Kaltgasspritzen sind aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Beschichtungen bekannt. Beim Flammspritzen wird ein pulver-, schnur-, stab- oder drahtförmiger Beschichtungswerkstoff in einer Brenngasflamme erhitzt und unter Zuführung zusätzlichen Trägergases, beispielsweise Druckluft, mit hoher Geschwindigkeit auf einen Grundwerkstoff gespritzt. Beim Plasmaspritzen wird in einen Plasmajet Pulver eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück.

[0017] Beim Kaltgasspritzen, wie es beispielsweise in der EP 0 484 533 B1 beschrieben ist, werden die Spritzpartikel in einem vergleichsweise kalten Trägergas auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Temperatur des Trägergases beträgt wenige hundert °C und liegt unter der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden gespritzen Komponente. Die Beschichtung wird mit dem Auftreffen der Partikel auf das Metallband oder Bauteil mit hoher kinetischer Energie gebildet, wobei die Partikel, die in dem kalten Trägergas nicht schmelzen, beim Aufprall eine dichte und festhaftende Schicht bilden. Die plastische Verformung und die daraus resultierende lokale Wärmefreigabe sorgen dabei für eine sehr gute Kohäsion und Haftung der Spritzschicht auf dem Werkstück. Aufgrund der relativ niedrigen Temperaturen und der Möglichkeit, Argon oder andere Inertgase als Trägergas zu nutzen, lassen sich Oxidation und/oder Phasenumwandlungen des Beschichtungswerkstoffes beim Kaltgasspritzen vermeiden. Die Spritzpartikel werden als Pulver, in der Regel mit einer Partikelgröße von 1 bis 100 µm, zugegeben. Die hohe kinetische Energie erhalten die Spritzpartikel bei der Entspannung des Trägergases in einer Laval-Düse.

[0018] Bevorzugt wird bei vorliegender Erfindung zumindest eine der Komponenten durch Kaltgasspritzen, Flammspritzen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), und/oder Plasmaspritzen gespritzt. Es wird auch erwogen, insbesondere beim Kaltgasspritzen, ein Trägergas zu verwenden, dessen Temperatur bei Raumtemperatur oder auch darunter liegt, wodurch eine thermische Belastung der gepritzen Komponenten, insbesondere der Verstärkungskomponenten, sicher vermieden werden kann. Die Temperatur kann bis auf beispielsweise 10% unterhalb der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden Komponente reichen. Das Trägergas soll gleichzeitig eine inerte oder sogar reduzierende Atmosphäre schaffen, um eine Oxidation der Pulverteilchen zu verhindern und so die späteren Schicht- oder Werkstoffeigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit u.a. nicht negativ zu beeinflussen. Insbesondere kann auch eine Kombination zweier Spritzverfahren verwendet werden. Eine Verwendung zweier Spritzdüsen mit einer Mischung der entsprechenden Komponenten an der Beschichtungsstelle ist ebenfalls möglich.

[0019] Durch die genannten Maßnahmen lassen sich signifikant verbesserte Eigenschaften der hierdurch hergestellten Beschichtungen und Werkstoffe erzielen. Die entsprechenden Produkte weisen eine erhöhte Verschleißbeständigkeit, ein besseres Gleitverhalten und eine höhere Reibkorrosionsbeständigkeit auf, wobei der Reibkoeffizient bis auf etwa ein Zehntel des Wertes des jeweiligen Reinmetalls reduziert werden kann. Ferner wird die Leitfähigkeit und die Härte der Materialien erhöht.

[0020] Die Erfindung liefert ein besonders flexibles und kostengünstiges Verfahren, da beispielsweise bei der Herstellung von Leiterbahnen, Leadframes und Stanzgittern durch die vorgesehenen Spritzverfahren keine Vorfertigungsschritte wie Walzen, Stanzen oder Glühen erforderlich sind.

[0021] Als Substrat kann beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Folie oder ein durch den Pulverstrahl nicht benetzbarer Untergrund dienen, was es ermöglicht, aufgespritzte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe von dem Substrat abzutrennen. Hierdurch kann ein Bauteil oder ein reiner Werkstoff, beispielsweise in Form eines Bandes, erhalten werden, der dann in geeigneter Weise weiterverarbeitet werden kann.

[0022] Es können jedoch auch gezielt Bandwerkstoffe und Bauteile wie elektromechanische Komponenten, Kühlkörper, Lager und Buchsen haftend beschichtet werden, die durch den Metallmatrix-Verbundwerkstoff verbesserte Eigenschaften aufweisen. Zur Beschichtung im Sinne dieser Erfindung wird vorzugsweise ein Metallband oder ein elektromechanisches Bauteil als Werkstück verwendet, das vorzugsweise aus Keramik, Titan, Kupfer, Aluminium und/oder Eisen sowie Legierungen hiervon besteht. Auch Halbzeuge oder 3D-Strukturen wie Molded Interconnection Devices (MID) können zur Beschichtung verwendet werden.

[0023] Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Verfahren wenigstens einen Oberflächenbearbeitungsschritt. Hierbei kann beispielsweise auf ein Metallband oder Bauteil aus einem metallischen Werkstoff eine Aktivierung, eine Haftungsvermittlungs- und/oder eine Diffusionssperrschicht aufgetragen werden, auf die anschließend die MMC aufgespritzt werden. Wird keine haftende Beschichtung angestrebt, sondern soll, wie oben dargestellt, ein reiner Metallmatrix-Verbundwerkstoff erhalten werden, kann anstelle einer Haftvermittlungsschicht auch eine Antihaftbeschichtung aufgebracht werden.

[0024] Entsprechende MMC-Bänder oder Beschichtungen können auch zur Einglättung der Oberfläche nachträglich einer Zusatzbehandlung wie Egalisieren oder einer Reflow-/Wärmebehandlung unterworfen werden. Zur Umformung kann nachträglich etwa auch ein Weichglühschritt, beispielsweise beim ca. 0,4-fachen der Schmelztemperatur des Matrixmetalles, erfolgen. Zur Verdichtung des Materials und/oder zur Reduzierung der Porosität an der Oberfläche kann das Material, beispielsweise mit einem Umformgrad von 0,1 bis 10%, nachgewalzt werden.

[0025] In entsprechenden Verfahren wird vorteilhafterweise zumindest eine Metallkomponente und/oder zumindest eine Verstärkungskomponente in Partikelform bereitgestellt. Durch eine entsprechende Auswahl von Struktur, Ausrichtung, Größe und Form der Partikel sowie deren Menge können die Werkstoffeigenschaften von Matrixwerkstoffen positiv beeinflusst werden. Durch geeignete Randbedingungen kann gegebenenfalls auch die Ausbildung von Whisker-Kristallen begünstigt oder verhindert werden.

[0026] In besonders vorteilhafter Weise kann auch eine erste Komponente vor dem Spritzen mit zumindest einer weiteren Komponente gemischt werden. Ein schonendes Mischen, beispielsweise von Kaltgasspritzpartikeln, kann durch Ummantelung der Partikel mit einer Dispersion oder Suspension, welche die Verstärkungspartikel enthält, und anschließendem Trocknen erfolgen. Das Mischen in einer Kugelmühle oder in einem Attritor aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten unter Schutzgas kann je nach Härte der Partikel dazu führen, dass die Partikelform zerstört und damit das Fließverhalten des Pulvers negativ beeinflusst wird.

[0027] In einem derartigen Verfahren kann im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest eine organische und/oder zumindest eine keramische Verstärkungskomponente verwendet werden. Diese kann in dem gespritzen Gemisch vorliegen oder auch zugespritzt bzw. co-gespritzt werden.

[0028] Mit besonderem Vorteil kann als Verstärkungskomponente Kohlenstoff in Form von Nanoröhrchen, Fullerenen,Graphenen, Flakes, Nanofasern, Diamant oder diamantähnlichen Strukturen verwendet werden. Composit-Partikel wie ein- und mehrwandige CNT (Single Walled/Multi Walled CNT, abgekürzt SW-/MW-CNT) mit einer Länge von 0,2 bis 1000 µm, vorzugsweise von 0,5 bis 500 µm und einer Bundlegröße von 5 bis 1200 nm, vorzugsweise von 40 bis 900 nm, haben sich hierbei als besonders vorteilhaft erwiesen. SW-CNT- oder MW-CNT- Kaltgasspritzpartikel können zur Verbesserung ihrer Eigenschaften auch zuvor über chemische Verfahren mit Metallen wie Cu oder Ni ummantelt bzw. beschichtet werden. Eine weitere vorteilhafte Variante beinhaltet, das Metallpulver mit einer CNT-Dispersion/_Suspension zu mischen und zu trocknen, so dass die Metallpulverpartikel mit den CNT ummantelt sind. Der Anteil der SW-CNT oder MW-CNT im Trägergas bzw. im Pulverstrom reicht beispielsweise von 0,1 bis 30%, vorzugsweise von 0,2 bis 10%.

[0029] Mit Hilfe eines der genannten Spritzverfahren ist es möglich, ein- und mehrwandige CNT in eine Metallmatrix einzubinden. Eine derart hergestellte MMC-Beschichtung oder entsprechendes MMC-Band mit mindestens 0,3% SW- oder MW-CNT zeigt nach Untersuchungen der Anmelderin ein außergewöhnliches Verschleißverhalten mit Reibkoeffizienten und Kontaktwiderstandswerten, welche weit unter den bisher bekannten Werten von vergleichbaren Metallschichten liegen.

[0030] Ein vorteilhaftes Verfahren beinhaltet, dass wenigstens eine Verstärkungskomponente verwendet wird, die aus der Gruppe von Wolfram, Wolframcarbid, Wolframcarbid-Kobalt, Kobalt, Bor, Borcarbid, Invar, Kovar, Niob, Molybdän, Chrom, Nickel, Titannitrid, Aluminiumoxid, Kupferoxid, Silberoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumoxid, Zirkonwolframat und Zirkonoxid ausgewählt ist.

[0031] Hierbei kann auch eine Verstärkungskomponente mit wenigstens einer weiteren Verstärkungskomponente zusammen verwendet und/oder entsprechend zugespritzt oder beigemischt werden. Durch die Verwendung von bekannten Keramikkomponenten können deren vorteilhafte Eigenschaften, auch zusätzlich zu denen anderer Verstärkungskomponenten, ausgenutzt werden. Durch Verwendung von Bor, Kobalt, Wolfram, Niob, Molybdän und seinen Legierungen und Invar oder Kovar kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundwerkstoffs positiv beeinflusst werden.

[0032] In vorteilhafter Weise kann ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff oder eine Beschichtung mit einer Metallmatrix verwendet werden, die wenigstens ein Metall und/oder eine Legierung eines Metalls aufweist, das aus der Gruppe von Zinn, Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Zink, Platin, Palladium, Eisen, Titan und Aluminium ausgewählt ist. Hierdurch kann beispielsweise eine besonders vorteilhafte Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder eine spezifische elektrische oder thermische Leitfähigkeit sowie ein angepasster Ausdehnungskoeffizient bereitgestellt werden.

[0033] Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellter Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix und zumindest einer in der Metallmatrix angeordneten Verstärkungskomponente ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

[0034] Als besonders vorteilhaft wird dabei ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff angesehen, der einen Anteil von 0,1 bis 20%, vorzugsweise von 0,1 bis 5%, vorzugsweise von 0,2 bis 5% Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist. Die genannten Anteile haben sich, wie oben erwähnt, in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen.

[0035] Ein entsprechender Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit vorteilhaften Eigenschaften weist beispielsweise eine Restporosität von 0,2 bis 20% in Bezug auf die Verstärkungskomponente und/oder von 0,2 bis 10% in Bezug auf die Metallkomponente auf. MMC mit derartigen Restporositäten können mit Vorteil dann verwendet werden, wenn eine besonders gute Abriebfestigkeit, wie beispielsweise in Lagern oder an Gleitflächen, oder eine hohe elektrische Leitfähigkeit, wie beispielsweise in Leiterbahnen, erforderlich ist.

[0036] Der erfindungsgemäße Metallmatrix-Verbundwerkstoff eignet sich besonders für eine Beschichtung für ein Werkstück. Die Beschichtung kann beispielsweise auf Lagern und Gleitelementen, Kühlkörpern, Steckverbindern, Stanzgittern und Leiterbahnen, insbesondere auf als Heizelemente verwendbaren Leiterbahnen, aufgebracht werden. Derartige MMC-Beschichtungen können etwa aus Sn, Cu, Ag, Au, Ni, Zn, Pt, Pd, Fe, Ti, W und/oder Al und ihren Legierungen wie etwa Loten, insbesondere mit einem Anteil von SW-CNT oder MW-CNT von 0,1 bis 20%, vorzugsweise von 0,2 bis 5% bestehen.

[0037] Insbesondere kann es um ein beschichtetes Band zur Verwendung in elektromechanischen Bauelementen wie Steckverbindern, Federn, z.B. für Relais, schaltenden Kontakten, um Leiterbahnen in Stanzgittern und Heizelementen oder Kühlkörpern und -elementen handeln. Das Metallband besitzt vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 5 mm, besonders bevorzugt von 0,06 bis 3,5 mm. Zur Herstellung von lediglich aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bestehenden Bändern können auch, wie erwähnt, die Komponenten beispielsweise auf einen nicht benetzbaren Untergrund wie Folien aus PEEK, Polyimid oder Teflon aufgespritzt werden. Entsprechend hergestellte Stanzgitter, Leiterbahnen, Heizelemente und Bänder können Cu, Al, Ni und Fe sowie Legierungen hiervon aufweisen.

[0038] Leiterbahnen, die zumindest einen wie oben hergestellten Metallmatrix-Verbundwerkstoff aufweisen, können lokal auf eine Platine, MID-Strukturen (Moulded Interconnection Devices) aus z.B. LSDS oder anderen Thermoplasten insbesondere über Schablonen, aufgespritzt oder in Form einer flächigen Beschichtung vorgesehen werden, die später, etwa durch geeignete Photolithographieverfahren, weiterverarbeitet wird.

[0039] Ein MMC-Band oder eine Leiterbahn kann vorteilhafterweise aus Cu, Ag, Al, Ni und/oder Sn und ihren Legierungen mit einem Anteil an SW-CNT oder MW-CNT von 0,1 bis 20%, vorzugsweise von 0,1 bis 5% bestehen.

[0040] Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile sei ausdrücklich auf die Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens verwiesen.
Ein entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Metallmatrix-Verbundwerkstoff eignet sich in besonderer Weise zur Verwendung bei der Herstellung von Werkstücken, insbesondere von elektromechanischen Komponenten. Eine derartige Verwendung kann entweder umfassen, das Werkstück vollständig aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff herzustellen, oder eine Beschichtung mit einem solchen Werkstoff vorzunehmen.

Figuren

[0041] Die Erfindung und ihre Vorteile sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigt:

Figur 1

in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeignet ist, und

Figur 2

mikroskopische Schliff-Aufnahmen der Gefüge und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Oberflächen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die mittels Verfahren gemäß besonders bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt sind.

[0042] Eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geeignete Vorrichtung zum Kaltgasspritzen ist in Figur 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Vakuumkammer 4 auf, in der beispielsweise ein zu beschichtendes Substrat 5 vor der Düse einer Kaltgasspritzpistole 3 platziert werden kann. Es sei jedoch zu verstehen gegeben, dass ein derartiges Spritzverfahren auch bei Atmosphärendruck erfolgen könnte, wozu eine Vakuumkammer nicht erforderlich ist. Die Platzierung des Werkstücks 5 vor der Kaltgasspritzpistole 3 erfolgt beispielsweise mittels einer in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigten Halterung. Vorzugsweise ist das Substrat 5 beweglich, d.h. verschieb- und drehbar angeordnet, so dass eine Beschichtung an mehreren Positionen, insbesondere bandförmig oder flächig erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch die Kaltgasspritzpistole 3 beweglich angeordnet sein.

[0043] Zum Durchführen der Beschichtung des Substrats 5 wird die Vakuumkammer 4 evakuiert und mittels der Kaltgasspritzpistole 3 ein Gasstrahl erzeugt, in den Partikel zur Beschichtung des Werkstücks 5 eingespeist werden.

[0044] Hierbei gelangt der Hauptgasstrom, beispielsweise eine Helium-Stickstoff-Mischung mit etwa 40 Vol.-% Helium, über die Gaszuleitung 1 in die Vakuumkammer 4. Die Spritzpartikel, beispielsweise ein Metallpulver mit beigemischten CNT, gelangen im Hilfsgasstrom über die Zuleitung 2 in die Vakuumkammer 4, in der ein Druck von etwa 40 mbar herrscht, und dort in die Kaltgasspritzpistole 3. Die Zuleitungen 1, 2 sind hierzu in die Vakuumkammer 4 hineingeführt, in der sich sowohl die Kaltgasspritzpistole 3 als auch das Substrat 5 befindet. Es kann auch vorgesehen sein, mehrere zu spritzende Komponenten über mehrere Hilfsgasströme zuzuführen. Der gesamte Kaltgasspritzprozess findet somit in der Vakuumkammer 4 statt. Die Partikel werden durch den Kaltgasstrahl so stark beschleunigt, dass ein Anhaften der Partikel auf der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks 5 durch Umwandlung der kinetischen Energie der Partikel in Wärmeenergie erreicht wird. Die Partikel können zusätzlich bis zu der oben angegebenen Maximaltemperatur erwärmt werden.

[0045] Das Trägergas, das beim Kaltgasspritzen zusammen mit den Spritzpartikeln aus der Spritzpistole 3 tritt und die Spritzpartikel zum Werkstück 5 trägt, gelangt nach dem Spritzprozess in die Vakuumkammer 4. Das verbrauchte Trägergas wird über die Gasleitung 6 aus der Vakuumkammer 4 mittels der Vakuumpumpe 8 entfernt. Zwischen die Vakuumkammer 4 und die Vakuumpumpe 8 ist beispielsweise ein Partikelfilter 7 geschaltet, der freie Spritzpartikel aus dem verbrauchten Trägergas entfernt, um zu verhindern, dass die Spritzpartikel die Pumpe 8 beschädigen.

[0046] In den Teilfiguren 2A bis 2C der Figur 2 sind Ergebnisse von Versuchen dargestellt, in denen jeweils Metallpulver mit Zusatz von Verstärkungskomponenten gespritzt wurden. Die Figuren zeigen Bilder von Schliffen und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Oberfläche der hierdurch erhaltenen Schichten. Im Rahmen der Versuche wurde kommerziell erhältliches Cu-, SnAg₃- und Sn-Pulver zusammen mit geeigneten MW-CNT des Herstellers Ahwahnee (P/N ATI-BMWCNT-002) verwendet.

[0047] Figur 2A zeigt das Gefüge einer durch Spritzen von Rein-Kupfer mit 1,5% MW-CNT erhaltene Schicht 200 mit einer Kupfermatrix 201 und hierin diskontinuierlich verteilten CNT 202 in 1000-facher Vergrößerung im Schliff. Ferner sind in der Beschichtung 200 durch eine nicht vollständig vermeidbare Oxidation des Cu-Pulvers während des Mischungsvorganges mit den MWCNT gebildete sogenannte Oxidhäute 203 auf den Cu-Körnern zu sehen. Die Schichten wurden bei einer Düsenaustrittstemperatur von 600 °C und einem Druck von 38 bar unter N₂-Gas gespritzt. Die Dichte der Schicht liegt bei 99,5%, ihre Dicke bei 280 µm, die Schichthärte beträgt 1200 N/mm². Aufgrund des guten Reibverhaltens eignet sich diese Schicht als Lauffläche von Lagern und Buchsen. Nach Ablösung der 280 µm dicken Schicht vom Trägermaterial liegt ein Band vor, welches als Leiterbahn in Stanzgittern oder elektromechanischen Bauelementen Einsatz finden kann.

[0048] Figur 2B zeigt die Oberfläche einer durch Spritzen von Rein-Sn mit 2,1% MW-CNT erhaltene Schicht 210 mit einer Zinnmatrix und hierin diskontinuierlich verteilten CNT in 300-facher Vergrößerung. Figur 2C zeigt eine Detailansicht der Figur 2B in 10.000-facher Vergrößerung. Die Schicht 210 weist sphärische Sn-Körper 213 mit hierzwischen verteilten CNT 202 auf. Die Dichte der Schicht liegt bei 99,4%. Sie weist eine Härte von 368 N/mm² und im Verschleißtest einen Reibkoeffizienten von 0,5 auf. Beim Spritzen dieser Schicht unter N₂-Gas mit einem Druck von 32 bar und einer Düsenaustrittstemperatur von 350 °C wurde eine Schichtdicke von 5 µm erzielt. Durch Variation der Düsenaustrittstemperatur, der Verfahrgeschwindigkeit und des Druckes kann die Schichtdicke, die Schichthärte und in Kombination mit dem CNT-Gehalt des Pulvers der Reibkoeffizient wesentlich verändert (reduziert) werden. Derartig hergestellte Schichten können durch eine Nachbehandlung wie Egalisieren oder Umschmelzen (Reflowbehandlung) in ihrer Oberflächenstruktur noch gezielt auf den jeweiligen Einsatzfall optimiert werden. Partiell oder vollflächig auf Cu-Legierungsbänder aufgebracht können diese Schichten zur Reduzierung von Steck- und Ziehkräften bei elektromechanischen Bauelementen wie Steckverbindern, oder nach entsprechenden Egalisier- und Reflowschritten der Verbesserung des Verschleißverhaltens bei Gleitlagern und Buchsen dienen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs (200, 210) mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix (201, 211) und zumindest einer in der Metallmatrix (201, 211) angeordneten Verstärkungskomponente (202), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Komponenten durch ein Spritzverfahren auf ein Substrat (5) gespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzverfahren Kaltgasspritzen, Flammspritzen und/oder Plasmaspritzen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (5) eine Folie oder ein Substrat mit nicht benetzbarer Oberfläche oder ein zu beschichtendes Werkstück, ein Halbzeug und/oder eine 3D-Struktur verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Oberfläche des Substrats (5) und/oder des Metallmatrix-Verbundwerkstoffs (200, 210) bearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Metallkomponente und/oder zumindest eine Verstärkungskomponente (202) in Partikelform bereitgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Komponente vor dem Spritzen mit zumindest einer weiteren Komponente gemischt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine organische und/oder zumindest eine keramische Verstärkungskomponente (202) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindest eine Verstärkungskomponente Kohlenstoff in Form von Nanoröhrchen (202), Nanofasern, Graphenen, Fullerenen, Flakes oder Diamant verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verstärkungskomponente verwendet wird, die aus der Gruppe von Wolfram, Wolframcarbid, Wolframcarbid-Kobalt, Kobalt, Kupferoxid, Silberoxid, Titannitrid, Chrom, Nickel, Bor, Borcarbid, Invar, Kovar, Niob, Molybdän, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliciumcarbid, Siliziumoxid, Zirkonwolframat und Zirkonoxid ausgewählt ist.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallkomponente verwendet wird, die wenigstens ein Metall und/oder eine Legierung eines Metalls aufweist, das aus der Gruppe von Zinn, Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Zink, Platin, Palladium, Eisen, Titan und Aluminium ausgewählt ist.

11. Metallmatrix-Verbundwerkstoff (200, 210) mit einer zumindest eine Metallkomponente aufweisenden Metallmatrix (201, 211) und zumindest einer in der Metallmatrix (201, 211) angeordneten Verstärkungskomponente (202), wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff (200, 210) durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.

12. Metallmatrix-Verbundwerkstoff (200, 210) insbesondere nach Anspruch 11, der einen Anteil 0,1 bis 20%, vorzugsweise 0,1 bis 5%, vorzugsweise 0,2 bis 5% Kohlenstoff-Nanoröhrchen (202) als Verstärkungskomponente aufweist.

13. Metallmatrix-Verbundwerkstoff (200, 210) nach Anspruch 11 oder 12, der eine Restporosität von 0,2 bis 20% in Bezug auf die Verstärkungskomponente und/oder von 0,2 bis 10% in Bezug auf die Metallkomponente aufweist.

14. Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Herstellung eines Werkstücks, wobei das Werkstück durch den Metallmatrix-Verbundwerkstoff beschichtet und/oder aus dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet wird.

Zeichnung