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(11) |
EP 1 751 076 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
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15.04.2015 Patentblatt 2015/16 |
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Anmeldetag: 12.05.2005 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2005/005171 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2005/113464 (01.12.2005 Gazette 2005/48) |
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(54) |
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG VON METALL-KERAMIK-VERBUNDWERKSTOFFEN
METHOD FOR PRODUCING METAL CERAMIC COMPOSITE MATERIALS
PROCEDE DE FABRICATION DE MATERIAUX COMPOSITES METAL-CERAMIQUE
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI
SK TR |
(30) |
Priorität: |
19.05.2004 DE 102004025342 26.04.2005 DE 102005019662
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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14.02.2007 Patentblatt 2007/07 |
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Patentinhaber: CeramTec GmbH |
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73207 Plochingen (DE) |
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Erfinder: |
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- MEIER, Gerd
91227 Leinburg (DE)
- LENKE, Ilka
73207 Plochingen (DE)
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(74) |
Vertreter: Uppena, Franz et al |
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Patente, Marken & Lizenzen
c/o Chemetall GmbH
Trakehner Straße 3 60487 Frankfurt am Main 60487 Frankfurt am Main (DE) |
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Entgegenhaltungen: :
DE-A1- 10 306 096 US-A- 3 457 051 US-A- 5 271 758 US-A- 6 051 045
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GB-A- 798 190 US-A- 3 719 479 US-A- 5 441 693 US-B1- 6 187 260
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- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 1998, Nr. 04, 31. März 1998 (1998-03-31) & JP 09 324229
A (TOYOTA MOTOR CORP), 16. Dezember 1997 (1997-12-16)
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2003, Nr. 01, 14. Januar 2003 (2003-01-14) & JP 2002
256359 A (SUMITOMO METAL IND LTD; SUMITOMO LIGHT METAL IND LTD), 11. September 2002
(2002-09-11)
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 1999, Nr. 11, 30. September 1999 (1999-09-30) & JP 11
172348 A (NIPPON CEMENT CO LTD; SERANKUSU KK), 29. Juni 1999 (1999-06-29)
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2000, Nr. 13, 5. Februar 2001 (2001-02-05) & JP 2000
288714 A (TAIHEIYO CEMENT CORP), 17. Oktober 2000 (2000-10-17)
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Bemerkungen: |
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Die Akte enthält technische Angaben, die nach dem Eingang der Anmeldung eingereicht
wurden und die nicht in dieser Patentschrift enthalten sind. |
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft die Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen (MKV-Werkstoffen).
[0002] Die heute am Markt bekannten Herstellverfahren für Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe
beruhen entweder auf dem Infiltrieren von porösen Vorkörpern mit flüssigen Metallen,
dem Einrühren von Partikeln oder Fasern in metallische Schmelzen, dem Sprühkompaktieren
von Metall-Keramik-Mischungen oder dem Schleuderguss.
[0003] Bei dem Infiltrierverfahren werden keramische Grundwerkstoffe verpresst und bei Temperaturen
zwischen 900°C und 1200°C verfestigt. Anschließend werden die porösen Presskörper
in einem zweiten, kostenintensiven Arbeitsschritt mit metallischen Werkstoffen infiltriert.
Werden Partikeln oder Fasern in eine Schmelze eingerührt, ist der Füllgrad in der
Regel auf maximal 25 Vol.-% begrenzt. Problematisch ist das Sedimentieren der Partikel
in der flüssigen Schmelze, das ein inhomogenes Gefüge bewirkt. Alternative Herstellungsverfahren
wie Schleuderguss führen aufgrund der Auswirkung der Fliehkraft auf die unterschiedlich
schweren Hartstoffpartikel zu deren inhomogenen Verteilung in dem Werkstück. Bei Verwendung
partikelverstärkter Spritzgussmassen besteht die Gefahr der Bildung von Texturen.
[0004] Die Herstellung von Formkörpern aus Hartmetallpulvern durch Pressen und einer gleichzeitigen
oder anschließenden Wärmebehandlung ist bekannt. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen
entscheiden die Werkstoffeigenschaften über das Mischungsverhältnis. Das Mischen von
Hartstoffpulvern und Aluminiumpulvern zur Herstellung trocken gepresster Formkörper
ist ein Beispiel dafür. Aufgrund der Gefahr von Entmischungen und dem Verlust der
Homogenität liegt beispielsweise nach dem Stand der Technik bei der Zugabe von Hartstoffpartikeln
zu Aluminiumpulver die Obergrenze bei etwa 20 Vol.-%.
[0005] Aus der
DE 103 06 096 A1 sind Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einer Basiszusammensetzung aus einer oder
mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil von 30 bis 75 Vol.-%, bevorzugt Aluminium
und seine Legierungen, und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten
mit einem Anteil von 25 bis 70 Vol.-% als keramische Werkstoffe bekannt. Über das
Verfahren zur Herstellung der Werkstoffe ist in dieser Schrift nichts ausgesagt.
[0006] Aus dem
US-Patent 6,051,045 sind Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe bekannt, deren keramische Komponente durch
eine Pyrolyse von Farbschlamm gewonnen wird. Die Verdichtung des Pulvers der Ausgangsstoffe
zu einem Grünkörper erfolgt durch uniaxiales Pressen.
[0007] Erfindungsgemäß lassen sich Metall-Keramik-Pulver-Mischungen mit einem Keramikanteil
zwischen 21 und 75 Vol.-% durch Trockenpressen zu stabilen Formkörpern pressen. Ein
Teil der keramischen Werkstoffe wird durch Hartstoffe wie beispielsweise TiC, TiN,
Ti(CN) und WC ersetzt.
[0008] Die Teilchengröße der jeweiligen Hartstoffpartikel oder Keramikpartikel liegt zwischen
0,2 µm und 150 µm, bevorzugt werden D50-Werte zwischen 30 µm und 70 µm.
[0009] Überraschenderweise sind auch die aus der Pulvermetallurgie bekannten hohen Pressdrücke
von beispielhaft 6000 bar nicht notwendig. Bereits mit einem Pressdruck von 2000 bar
können dichte und funktionsfähige Bauteile hergestellt werden.
[0010] Zum Trockenpressen werden Metall-Keramik-Pulver-Mischungen eingesetzt, gekennzeichnetdurch
Basiszusämmensetzungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen mit einem Anteil
von 25 bis 79 Vol-%, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen, und einer oder mehreren
nichtmetallischen anorganischen Komponenten mit einem Anteil von 75 bis 21 Vol.-%
als keramische Werkstoffe, bevorzugt Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide,
Kohlenstoffe und Silicate.
[0011] Während des Pressvorgangs oder nach dem Pressen wird der verdichtete Pulverkörper
thermisch behandelt, um das Gefüge zu verfestigen und die Verbundfestigkeit zu steigern.
[0012] Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe mit einem Metallanteil von größer 50 Vol.-% werden
Metal-Matrix-Composite (MMC) genannt. Liegt der Keramikanteil über 50 Vol.-%, wird
der Werkstoff Ceramic-Matrix-Composite (CMC) genannt.
[0013] Die Werkstoffe haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was insbesondere vorteilhaft ist
für eine schnelle und gleichmäßige Übertragung der Wärme von der Wärmequelle auf den
zu erwärmenden Werkstoff unter Vermeidung örtlicher Überhitzung. Somit kann hier auch
die Technik der wärmeunterstützten Formgebung mit einbezogen werden. Die gleichmäßige
und schnelle Erwärmung des Formkörpers ist besonders vorteilhaft beim Heisspressen,
wo die Wärmebehandlung im Presswerkzeug erfolgt. Sie ist die Voraussetzung für die
Ausbildung eines gleichmäßigen Werkstoffgefüges. Denkbar ist auch die Verwendung von
Mikrowellenstrahlung zur Erwärmung des Werkstoffs.
[0014] Bei einem Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen
können die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen aus einer oder mehreren metallischen Phasen
und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten, die als keramische
Werkstoffe eingesetzt werden, bestehen. Die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen werden
bei einem Pressdruck kleiner 2000 bar gepresst, wobei zur Verfestigung der gepressten
Formkörper nachfolgend eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 500°C und 1000°C
erfolgt.
[0015] Die eine oder die mehreren metallischen Phasen, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen,
haben einen Anteil von 25 bis 79 Vol.-% und die keramischen Werkstoffe, bevorzugt
Siliciumcarbide, Aluminiumoxide, Titanoxide, Kohlenstoff und Silicate, haben einen
Anteil von 75 bis 21 Vol.-%, wobei ein Teil der keramischen Werkstoffe durch Hartstoffe
wie beispielsweise TiC, TiN, Ti(CN) und WC ersetzt werden kann. Die Korngrößen der
Pulver liegen zwischen 0,2 µm und 150 µm, die d50-Werte der Pulver liegen bevorzugt
zwischen 30 µm und 70 µm.
[0016] Die Pulververdichtung zu Formkörpern erfolgt durch trockenes, isostatisches Pressen,
wobei der Formkörper bereits beim Pressvorgang einer Wärmebehandlung bei Temperaturen
von 550° C bis 700° C unterzogen wird.
[0017] Ein bekannter Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, umfasst eine Metall-Keramik-Pulver-Mischung
aus 25 bis 79 Vol-% Al und 75 bis 21 Vol.-% SiC mit einer Korngröße zwischen 0,2 und
150 µm und mit d50-Werten zwischen 30 µm und 70 µm. Der gesinterte Formkörper weist
eine Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK, eine Biegefestigkeit von 200 MPa und einen E-Modul
von 200 GPa auf.
[0018] Formkörper aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, hergestellt nach dem vorbeschriebenen
Verfahren, können in folgenden Bereichen verwendet werden:
- als Basiswerkstoff für Lot-, Schweiß- und Reibschweiß-Verbindungstechniken mit metallischen
Werkstoffen;
- als Basiswerkstoff für Schrumpf-, Crimp- und Clips-Verbindungstechniken mit metallischen
und nichtmetallischen Werkstoffen;
- als Gleitringe, Gegenringe, axiale Anlaufscheiben, Dichtscheiben, Radiallager, Seitenplatten
für Pumpen und Verdichter, Rotoren, Flügel und Gehäuseringe von Flügelzellen- und
Rotorzellen-Pumpen und Rotorzellen-Verdichtern;
- im Bereich des Personen-, Fahrzeug- und Objektschutzes;
- zum Schärfen von Messerschneiden und von Schnitt- und Trennkanten entsprechender Trennwerkzeuge;
- als Wellen- und Achsenwerkstoff für Radial- und Axiallager;
- in Dosier-, Regel- und Schließventilen und Armaturen;
- in Mühlen und anderen Zerkleinerungseinrichtungen;
- als Führung, zur Umlenkung und zur Texturierung von Fasern und Garnen, als Fadenbremse
und als Rotorwerkstoff beim Rotorspinnen in der Textilindustrie;
- beim Drahtziehen und bei der Drahtumformung;
- als Komponente in der Fördertechnik;
- als Schnittwerkzeug und als Schleifwerkzeug bei der Werkstückbearbeitung und der Oberflächenbearbeitung.
1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, wobei
Metall-Keramik-Pulver-Mischungen, die aus einer oder mehreren metallischen Phasen
und einer oder mehreren nichtmetallischen anorganischen Komponenten, die als keramische
Werkstoffe eingesetzt werden, bestehen, wobei die Metall-Keramik-Pulver-Mischungen
bei einem Pressdruck kleiner 2000 bar gepresst werden, und wobei zur Verfestigung
der gepressten Formkörper nachfolgend eine Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen
500°C und 1000°C erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder die mehreren metallischen Phasen, bevorzugt Aluminium und seine Legierungen,
einen Anteil von 25 bis 79 Vol.-% und dass die keramischen Werkstoffe, ausgewählt
aus Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Titanoxid, Kohlenstoff und Silicaten, einen Anteil
von 75 bis 21 Vol.-% haben, und wobei ein Teil der keramischen Werkstoffe durch Hartstoffe,
ausgewählt aus TiC, TiN, Ti(CN) und WC, ersetzt wird, und wobei die Korngrößen der
Pulver zwischen 0,2 µm und 150 µm, die bevorzugten d50-Werte zwischen 30 µm und 70
µm liegen und die Pulververdichtung zu Formkörpern durch trockenes, isostatisches
Pressen erfolgt, wobei der Formkörper bereits beim Pressvorgang einer Wärmebehandlung
bei Temperaturen von 550° C bis 700° C unterzogen wird.
1. A method for producing moulded bodies from metal-ceramic-composite materials, wherein
metal-ceramic-powder mixtures that consist of one or more metallic phases and one
or more non-metallic inorganic components that are used as ceramic materials, wherein
the metal-ceramic-powder mixtures are pressed at a pressing power of less than 2000
bar, and wherein in order to consolidate the pressed moulded bodies subsequently heat
treatment is effected at temperatures between 500°C and 1000°C, characterised in that the one or more metallic phases, preferably aluminium and its alloys, are in a proportion
of 25 to 79% by volume, and the ceramic materials, selected from silicon carbide,
aluminium oxide, titanium oxide, carbon and silicates, are in a proportion of 75 to
21% by volume, and wherein a portion of the ceramic materials is replaced by hard
materials, selected from TiC, TiN, Ti(CN) and WC, and wherein the grain sizes of the
powders lie between 0.2 µm and 150 µm, the preferred d50-values lie between 30 µm
and 70 µm, and the powder-compression to form moulded bodies is effected by dry, isostatic
pressing, wherein during the pressing process the moulded body is already subjected
to heat treatment at temperatures of 550°C to 700°C.
1. Procédé de fabrication de corps moulés en matériaux composites métal-céramique, sachant
que des mélanges de poudres de métal-céramique qui sont constitués d'une ou plusieurs
phases métalliques et d'un ou plusieurs composants inorganiques non métalliques, qui
sont utilisés en tant que matériaux céramiques, sachant que les mélanges de poudres
de métal-céramique sont comprimés avec une pression de compression inférieure à 2
000 bars, et sachant que pour consolider les corps moulés comprimés, on procède ensuite
à un traitement thermique à des températures comprises entre 500 °C et 1000 °C, caractérisé en ce que la ou les phases métalliques, de préférence l'aluminium et ses alliages, représentent
une part comprise entre 25 et 79 % en volume, et en ce que les matériaux céramiques, sélectionnés parmi le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium,
l'oxyde de titane, le carbone et des silicates, représentent une part comprise entre
75 et 21 % en volume, et une partie des matériaux céramiques étant remplacée par des
matériaux durs, sélectionnés parmi TiC, TiN, Ti(CN) et WC, et les grosseurs de grains
des poudres étant comprises entre 0,2 µm et 150 µm, les valeurs d50 préférées étant
comprises entre 30 µm et 70 µm, et la compression de poudre, en vue d'obtenir les
corps moulés, étant réalisée par compression isostatique à sec, le corps moulé étant
soumis à un traitement thermique déjà lors du processus de compression, à des températures
comprises entre 550 °C et 700 °C.
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des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes.
Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei
Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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