制备复合构件的方法及金属陶瓷构件 背景技术
本发明涉及一种权利要求1的前序部分所详细定义的用于制备复合构件的方法以及权利要求9的前序部分所详细定义的金属陶瓷构件。
金属陶瓷构件已在实践中被认知特别适用于摩擦领域如制动盘。这类构件由陶瓷金属复合材料构成，兼有金属和陶瓷材料的特征。一方面所述构件象陶瓷一样具有高的耐磨性和耐腐蚀性，另一方面象金属一样其特征在于高的损伤耐受性和高的导热性。此外由陶瓷金属复合材料制成的构件或金属陶瓷构件即使在高温下也具有高的机械稳定性。
陶瓷金属复合材料例如可作为所谓的铸造金属基质复合物(MMCcast)制成，在制备时，向要铸造的金属相中掺入达20％的陶瓷纤维或颗粒，或也可作为基于预制件的金属基质复合材料(MMCpref)制成，在后者情况下，需要时其陶瓷含量可大于60％，从而使后者较铸造金属基质复合物更具耐磨损性和耐腐蚀性。
制备由基于预制件的金属基质复合材料制成的构件时，将金属熔体在无压或施加外压下渗入或填充入多孔陶瓷预制件中。依据待渗入的金属相的熔点选择渗入温度，这时在已知的基于预制件的金属基质复合材料的情况下，所希望的低渗入温度导致与在制成的构件中地金属相同样低的熔点。
在DE 19706925中描述了一种制备金属陶瓷复合材料的方法。该方法在制备工艺过程中提高金属相的熔化温度。它是这样实现的，即对由陶瓷和对陶瓷有反应活性的金属的低熔点共熔金属合金组成的粉末混合物在加压条件下进行热处理，以使该反应性合金组分与陶瓷相反应，并在热处理过程中提高剩余的金属相的熔化温度。这使得在金属相中仅保留合金的非反应性高熔点金属组分。
从EP 0859410A2中可知一种由基于预制件的金属基质复合材料制备构件的方法。该方法以气压渗入法在由碳化硅制成的陶瓷预制件中渗入铜或铜合金。在渗入铜合金时，该复合构件的金属相的熔点低于渗入纯铜时的熔点，即1083℃。因此使用纯铜渗入的复合材料的特征是具有最高的使用温度，该温度与复合材料中金属相的熔点有关。然而这种复合构件的制备伴随着高的工艺温度。
然而，高的工艺温度导致大量气体溶解在金属熔体中。这与渗入时浇铸工具和预制件的高热负荷一样，是应该避免的。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种用于制备具有权利要求1前序部分所述特征的复合构件、特别是制动盘的方法，在该方法中应用由铜和至少一种其他金属组成的合金作为金属熔体，其中所述其它金属与预制件的至少一种反应性成分起反应，使得陶瓷相的孔隙基本上由纯铜所充填，该方法的优点在于，可在低于铜的熔化温度的工艺温度下该金属熔体渗入，并且所制成的复合构件基本上是纯铜作为金属相，以致所制成的构件的最高使用温度可在铜的熔化温度范围内，即1083℃左右。在本发明方法中，与渗入纯铜相比更低的渗入温度由于较短的加热时间而尤其导致较短的加工时间，并由此带来较低的生产成本。此外，所采用的浇铸工具和预制件的热负荷也较小。在金属熔体中的溶解的气量也较少。
本发明方法特别适于制备为摩擦领域应用所设计的部件。例如按本方法可制备汽车用的制动盘，其最高使用温度适宜高于800℃。这是在基本上由纯铜组成金属相的金属陶瓷复合构件情况下达到的。
按本发明方法制备的复合构件的特征在于高耐磨性和耐腐蚀性、高的损伤耐受性和高导热性。
在本发明方法的优选实施方案中，所述金属熔体在约680℃-约1000℃下渗入。
金属熔体的渗入特别适宜在约100-约300bar压力时进行，这时为了避免由于在渗入后的收缩产生缩孔，可在经渗入后的预制件上施加约300-700bar的后期压力达约1-5分钟。
为得到与渗入纯铜的预制件相比有更轻重量的复合构件，优选渗入一种合金，该合金中的另一金属的比重比铜小。例如可应用CuMg合金、CuAl合金、CuSi合金、CuZr合金或CuTi合金作为该合金。所有这些合金包括熔点低于纯铜熔点的合金。
所述预制件的反应性组分可由至少一种氧化物，特别是TiO2和/或ZrO2、至少一种碳化物和/或至少一种氮化物构成。
所述另一合金元素和反应性陶瓷化合物的反应可在金属熔体渗入期间即就地进行或在可控的后热处理时进行。后者情况下，该渗入条件应以如下方式进行控制，即使得反应部分在反应性陶瓷化合物的表面进行，从而易于进行渗入。无论如何，在渗入期间发生的化学反应导致渗入压下降。这是由于所释放的反应热或由于反应形成的新相而改变的表面应力所致。
在本发明的一个特别有利的实施方案中，预制件具有约50体积％的孔隙率，以使得比铜轻的合金元素的反应具有良好的反应条件。这也使得所制成材料的总比重较小。
该预制件可按如下方式制备，即使其包含对金属熔体呈惰性的组分，特别是由颗粒或纤维组成的组分，该组分由氧化物、碳化物、氮化物或硼化物组成。氧化物包括如氧化铝Al2O3或二氧化锆ZrO2，碳化物包括如碳化硅SiC、碳化钛TiC、碳化钨WC或碳化硼B4C，氮化物包括如氮化硅Si3N4、氮化硼BN、氮化铝AlN、氮化锆ZrN或氮化钛TiN，硼化物包括如硼化钛TiB2。该惰性组分特别可用作所制成的复合构件的增强成分和/或功能成分。例如碳化硅或氮化铝提高了制成材料的导热性。陶瓷纤维提高了制成材料的强度和断裂韧性。
本发明的目的还在于提供一种金属陶瓷构件，特别是制动盘。该构件包含具有孔隙的陶瓷相，该孔隙基本上以纯铜充填。本发明所述陶瓷相包含由反应性陶瓷组分和铜合金金属形成的反应产物，该金属的比重比铜小。
本发明的金属陶瓷构件制成的构件的特征在于在比重并从而在重量上具有有利特性。
为避免在以磨擦施加应力的构件情况下由于在摩擦负荷时高的能量输入可能出现的高的热梯度或大的热应力，该构件的导热率λ宜大于70W/mK，这通过相应的铜体积含量来确保。铜的导热率为400W/mK。
为使用作制动盘的金属陶瓷构件有足够的损伤耐受性，该构件的断裂韧性宜大于10MPa·m1/2，优选大于15MPa·m1/2。
上述导热率和上述断裂韧性的调节在本发明的构件中特别可实现，只要铜含量为20-45体积％，优选25-40体积％，相应的陶瓷含量为55-80体积％，优选60-75体积％。
本发明目的的另一些优点及有利方案可由说明书和权利要求书获知。
以下面的描述并结合本发明各自相应的金属陶瓷构件对本发明方法的6个实施例进行详细描述
实施例的描述
在本发明方法的第一方案中，首先制备制动盘形式的孔隙率约50体积％的由惰性和反应性组分构成的多孔陶瓷预制件。该预制件的惰性组分由碳化硅组成。反应性组分由二氧化钛组成。该陶瓷预制件是由粉末压制的坯体经烧结形成的烧结体。
经烧结的预制件在压铸模或铸模中用铝含量为67重量％、熔化温度为548℃的CuAl合金的熔体充填或渗入。接着使经金属熔体渗入过的预制件经受可控的热处理过程，此过程中铝与二氧化钛反应生成氧化铝和铝化钛。高熔点的铜作为金属相保留下来。该铜充满包含氧化铝和铝化钛的陶瓷相的空隙。如此产生的构件构成成品制动盘。
在本发明方法的另一方案中，首先制备同样是制动盘形式的并含氧化铝Al2O3作为反应性组分的多孔陶瓷预制件。该预制件在压铸模中经有低共熔组成的低熔点的CuMg合金的金属熔体填充或渗入，其中熔体中的铜含量为90.3重量％，该合金熔点为722℃。在渗入期间反应性的镁与陶瓷预制件中的氧化铝发生氧化反应，产生由尖晶石MgAl2O4构成的陶瓷相，铜保留作为所制得的、构成成品制动盘的构件的金属相。
或者，陶瓷预制件可含二氧化钛TiO2作为反应性组分，该二氧化钛与金属熔体中的镁反应生成MgTiO3。
在本发明方法的另一方案中，为制成制动盘，首先制备含二氧化钛TiO2、从而含陶瓷氧化物作为反应性组分的陶瓷预制件。
该陶瓷预制件在压铸模中以硅含量为8重量％和熔化温度为680℃的CuSi合金的金属熔体渗入。
接着使被渗入处理的预制件经可控的热处理过程，使金属熔体中的硅与陶瓷氧化物TiO2反应生成硅化钛如TiSi2和/或Ti5Si3。基本上纯铜保留作为所制得的、构成金属陶瓷构件的制动盘的金属相。
在本发明方法的另一方案中，制备含对锆Zr起氧化剂作用的反应性组分的陶瓷预制件。该预制件的孔隙率为约50体积％。
接着该预制件经低共熔组成、其熔点为972℃的CuZr合金的金属熔体渗入。合金中锆含量为11.5重量％。借助于陶瓷预制件中的有氧化作用的化合物使金属熔体的锆反应生成二氧化锆ZrO2。铜保留作为所制得的金属陶瓷构件如构成制动盘的构件的金属相。
在本发明方法的另一方案中，为制备制动盘，制备含对钛起氧化剂作用的反应性组分的陶瓷预制件。该预制件在压铸模中经低共熔组成、钛含量为25原子％、其熔点为885℃的CuTi合金的金属熔体渗入。借助于陶瓷预制件中的有氧化作用的组分使金属熔体的钛反应生成二氧化钛TiO2。铜保留作为所制得的金属陶瓷构件的金属相。
本发明不限于上述的实施例，特别是不限于制动盘的制备。更确切地说可大量应用适配各种情况的形状的陶瓷预制件，该预制件包含对合金组分呈反应性的组分，使得在渗入由铜和另一金属组成的合金的金属熔体时，该另一金属可反应生成陶瓷相，该制成的构件的金属相基本上由纯铜组成。