专利名称：：用于制备氧化铝/铝化钛复合体的牺牲体的生产方法
技术领域：
：本发明涉及一种用特定原料混合物生产牺牲体(sacrificialbody)的方法，该特定原料混合物是用于生产按照权利要求1的前序部分Al2O3／铝化钛复合材料部件的原料；本发明还涉及一种用于生产牺牲体的按照权利要求16的前序部分原料和按照权利要求27前序部分的牺牲体，其所有内容可从DE19605858A1中获知，它形成前序部分内容的基础。DE19605858A1公开了一种生产Al2O3／铝化钛复合材料部件的方法，该陶瓷／金属复合材料兼顾了陶瓷相和金属相的各种性能，并具有较高的强度和断裂韧性。在形成前序性内容基础的该方法中，生成特别是含有氧化物化合物的原料混合物，该化合物可被铝还原从而同时形成铝化物和氧化铝。原料混合物中所提到的一种成分是TiO2，用该原料混合物生产形状接近其最终形状的牺牲体，并随后渗入Al。在加压渗入Al之前压力烧结该牺牲体，以便使其稳定，并且特别是使铝填充其中。烧结后，将牺牲体的温度确定在填充温度处，而填充温度高于铝和／或铝合金(为简单起见以下也称作铝)的熔融温度。还有，填充温度低于反应温度，在该反应温度时，在铝和原料混合物中至少一种成分之间发生SHS反应。SHS反应(自蔓延高温合成)是一种在其反应温度之上进行很快的反应。该反应放热量很大，并且几乎无法控制。在填充温度下，经加压将铝填充在牺牲体中，并进行再加热。随后在铝和牺牲体的各成分之间发生交换反应，从而形成Al2O3／铝化钛复合材料。然而，牺牲体通常仅在一定区域被转变成Al2O3／铝化钛复合材料，而且，从DE19605858A1中可以看出含有TiO2的牺牲体仅在一定情况下才能被铝完全填充。还有，这种特性的牺牲体仅在特定的情况下才能够完全形成连续的铝化钛相。未在先公开的DE-P19710671．4公开了一种生产金属／陶瓷复合材料部件的方法。其中，包括陶瓷前驱体材料的牺牲体被热软化的金属、特别是铝-和／或金属合金所填充。填充温度低于反应温度，在该反应温度时，陶瓷前驱体材料中的金属和填充金属中的金属发生交换反应。在牺牲体尽可能地完全填充之后，将所填充的牺牲体加热到转变温度或之上，其结果是随后发生上述的交换反应。该交换反应形成由金属／陶瓷复合材料构成的部件，该复合材料包括金属相和陶瓷相，并且在陶瓷中的金属和填充金属中的金属之间有金属间结合作用。结果是被金属填充的牺牲体在低于反应温度时被软化，而在反应温度时，在填充金属和牺牲体材料之间发生交换反应，在填充过程和随后在引入的金属和牺牲体材料的交换反应过程中，陶瓷基体被保持下来。理想的是牺牲体的孔隙被完全填充，以便当上述物质按计量数量使用时，部件能够充分反应并且没有缝隙和裂纹。填充金属优选地是铝，而陶瓷金属优选地是钛，以便在优选的交换反应之后，陶瓷相包括TiBx和／或TiCY和／或TiCN和Al2O3，金属相的金属间化合物是耐高温的铝化钛特别是TiAl。该金属／陶瓷复合材料的材料各性能是良好的。所以，例如，用铝作为填充金属、而用Ti作为陶瓷牺牲体的金属生产的金属／陶瓷复合材料具有3．4克／立方厘米的密度；该密度略微高于MMC(金属基复合材料)，但其仅是类似的铸铁密度的42％。特别是在优选的技术方案中，其中耐高温化合物是金属间化合物TiAl形式，该部件的使用范围将扩展到至少800℃，明显高于灰口铸铁的数值。特别是使用如此生产的金属／陶瓷复合材料生产盘式制动器摩擦表面的摩擦环。随后通过机械接合措施如螺丝等将这些摩擦环安装到制动器盘的轮毂上。然而，在用金属或合金填充牺牲体之前，必须加热牺牲体的原料，在各前驱体材料之间发生第一交换反应，反应期间，交换的各材料形成高等级的昂贵前驱体材料。在用金属填充之后，由这些昂贵的前驱体材料和金属形成陶瓷相和金属相。在该情况下，在前驱体材料和填充金属之间的又一次交换反应用于形成这些相。另一种方法同样描述了将铝渗入陶瓷牺牲体中的过程(US-A-4988645)。在该方法中，使用SHS反应生产陶瓷体(SHS反应自蔓延高温合成，指用自蔓延反应点燃反应混合物并且提供理想的陶瓷基体作为反应产物〕。然而，用该方法生产的一些部件气孔率不是令人满意的，并且致使不合格品较高。特别是填充含有TiO2作为牺牲体的前驱体材料的牺牲体时，质量更差。WO84／02927公开了一种用所谓的挤压浇注法生产纤维增强的含铝模浇注部件的方法。在该方法中，首先是对特别是含纤维的原料加压形成多孔生坯，并且随后将铝填充到该生坯中。为了稳定该多孔生坯和保持在生坯中布置的纤维的取向，向原料混合物中加入胶结剂，并在填充生坯的过程中通过热方法除去该胶结剂。由于孔隙和胶结剂强度的存在，生坯不会产生任何变形，或最多只有微乎其微的变形。在该情况下，在填充的铝和生坯原料之间没有化学反应，所以无法知道该反应对后面的模浇注部件的结构和形式有什么影响。通常说，上述所有的方法有较高的能量需求，这特别是由于各种热处理如烧结、第一次交换反应、填充和随后在高于填充温度的温度下进行的第二次交换反应所致，这些能量需求使这些方法较为昂贵。本发明的目的就是按以下方式进一步改进已知的方法，即使金属／陶瓷复合材料部件的生产更加简单、快捷、特别是低廉和能效率更高；同时复合体的基体可靠地达到最大程度地形成铝化钛。对于作为本发明基础的牺牲体而言，通过实现权利要求1的特征而达到本发明的目的。通过使用压力稳定的优选地含被还原的氧化钛TiOx(式中X=1，1．5，1．67)或特别是可被碳还原的TiO2、并优选地成型和／或机械加工成形式接近与最终形式的牺牲体，甚至可能使熔融的铝自然地渗入，并因此特别是使铝实现非常好的压力渗入。将铝和牺牲体材料转变为由原料形成的Al2O3／铝化钛复合材料的两个已知交换反应可在一个热操作过程中进行。转变温度优选地在填充温度以下，优选地在铝的熔融温度以下，特别优选地在400℃以下。这样，所需要的能量消耗和生产时间将会减少。为了用铝或铝合金填充牺牲体，将牺牲体加热。而为了生产牺牲体，特别是使用TiO2和C是合适的，因为当加热时，在一定的场合下，被还原的氧化钛TiOX(TiO、Ti2O3和／或Ti3O5)可特别由TiO2和C形成。然而，令人吃惊的是在将铝压力渗入到牺牲体的过程中，还没有形成Al203／铝化钛复合材料的交换反应。Al2O3／铝化钛复合材料的形成仅通过固相反应发生，其工艺温度低于铝的熔融温度。本发明其它合适的构思给出在相应的其它权利要求中。但是，参考以下所述的一系列实施例更详细地解释本发明。将粉碎后的含有碳和TiO2的陶瓷原料混合物和胶结剂和填料混合，并随后加压成型。通过在真空或保护气体特别是氮气或二氧化碳中进行低温加热，温度在350-700℃之间、特别是400℃，特别是填料如果需要还包括胶结剂，在真空或保护气体中烧掉，从而形成多孔、未烧结、压力稳定的陶瓷牺牲体。为了方便起见，同时进行热重量分析(TG)，用于证实胶结剂和填料(如果需要)是否已被清除干净。控制填料和胶结剂的加入量，以便准确地达到预定的气孔率、气孔结构和强度，并因此使铝压力渗入到牺牲体中得以顺利进行。本发明的优点之一是在这种金属／陶瓷复合材料部件的整个生产过程中，即从牺牲体的生产开始到用铝填充牺牲体以便通过交换反应形成复合材料结束，不需要进行800℃以上、特别是700℃以上的加热步骤。另一方面，生产时间较短，特别是用压力浇注进行填充。还有，将铝转换为耐高温的铝化钛。另外，使用非常有利的原料；材料价格目前大约是4德国马克／千克。为了生产原料混合物，首先，特别是将二氧化钛和石墨按各自预定的化学计量比混合。随后，加入1-3重量％胶结剂、优选为聚乙烯醇PVA和／或聚乙二醇PEG水溶液从而形成均匀的混合物。接着捏练。在加入胶结剂后，向混合物中加入水溶性的有机填料粉末或填料纤维、优选为纤维素衍生物、特别是乙酸纤维素酯，接着再进行捏练。优选地以粉末形式加入的填料特别具有10-100μm，优选20μm的平均粒径。将混合物干燥或在潮湿状态下静置(残余水分大约10-20％H2O)，并在特别是300巴的压力下进行单轴加压。单轴加压操作之后任选地进行另一冷等静压操作。将优选地被加压成型为形状接近于最终形状的牺牲体机械加工为最终尺寸，并将其放在模浇注模中，接着在部件的后续生产工序中将液态铝填充到牺牲体中。牺牲体的强度、弹性模量、气孔率和气孔结构对于在模浇注过程中将铝填充到牺牲体中是至关重要的。胶结剂、填料、填料的数量和加压压力的不同选择能够影响这些性能。还有，陶瓷粉末(TiO2等)和填料的粒径也对这些性能起作用。在影响的参数和目的参数之间的关系定性地表示在下面的表1中。表1工艺参数对牺牲体各性能的影响<tablesid="table1"num="001"><table>影响参数目的参数生坯强度弹性模量气孔率孔结构填料类型+++++填料数量++++++加压压力+++++++++粒径+++++++</table></tables>+=轻微影响；++=中等影响；+++=较大影响随后，将铝压力填充到牺牲体中。在填充之后，在低于铝的熔点的温度下对它们进行热处理，结果形成包括复合材料的部件，复合材料特别含有均匀分布的TiC、Al2O3、和Al3Ti。在此应该特别指出在随后的热处理过程中发生固相反应，从而形成复合材料。因此，该反应能够在铝的熔点温度以下进行。均匀的复合材料优选地是耐高温的和耐水的。本发明方法以及本发明原料混合物或本发明牺牲体特别适合于生产摩擦系统或发动机部件和／或交通工具部件和／或制动器盘的摩擦表面和／或制动器盘的摩擦表面。摩擦系统应按其本意进行理解，除了制动器外，还优选地包括喷气发动机和电动机的结构部件，特别是滑动触的轴承和切割材料。权利要求1．一种由原料混合物生产牺牲体的方法，该原料混合物是生产Al2O3／铝化钛复合体的原料，在该方法中，向原料混合物中加入特别是氧化物的钛，并将原料混合物加压成型为成型体，在转变温度下对该成型体进行热处理，以便形成牺牲体，经加压将铝和／或铝合金-为简单起见，以下称为铝-填充到该牺牲体中，并且牺牲体的材料和铝反应从而形成Al2O3／铝化钛复合体，其特征在于向原料混合物中加入碳和／或其前驱体、填料和胶结剂，以便将该原料混合物加压成型为成型体，并使原料混合物中的各成分至少在一定的区域内相互结合在一起，通过使用胶结剂使成型体处于压力稳定的形式中，其中，将填料优选还包括胶结剂的分解温度选择为低于或等于填充温度，以便使填料和胶结剂(如果需要)在后面用铝对牺牲体进行填充的过程中或之前被除去，该牺牲体是对原料进行加压成型而形成的，而且将转变温度确定为低于填充温度，以便在将其加热到填充温度以进行后面的压力填充的过程中将成型体转变为牺牲体。2．根据权利要求1的方法，其特征在于加压成型而未烧结的牺牲体用铝进行填充。3．根据权利要求1的方法，其特征在于生产其形状接近于最终形状的牺牲体。4．根据权利要求1的方法，其特征在于加压成型牺牲体，并随后将其机械加工为形状接近于其最终形状。5．根据权利要求1的方法，其特征在于所用的钛的氧化物是TiO和／或Ti2O3和／或Ti3O5和／或优选地TiO2。6．根据权利要求1的方法，其特征在于所用的钛的氧化物是TiO2，其中TiO2被碳还原，而优选地在热去除填料和／或胶结剂的过程中，起还原作用的碳作为最终产物形成并保留在牺牲体中。7．根据权利要求1的方法，其特征在于在填充温度以下将填料气化和／或转变为碳。8．根据权利要求1的方法，其特征在于在填充温度以下将胶结剂气化和／或转变为碳。9．根据权利要求1的方法，其特征在于所选择的填料是有机材料，优选地是热塑性或热固性材料，特别优选地是淀粉和／或面粉和／或纤维素衍生物，特别是乙酸纤维素酯。10．根据权利要求1的方法，其特征在于原料混合物的原料是均匀分散的。11．根据权利要求1的方法，其特征在于向原料混合物中加入1-3重量％的胶结剂。12．根据权利要求1的方法，其特征在于所选择的胶结剂是聚乙烯醇(PVA)和／或聚乙二醇(PEG)，优选地为水溶液。13．根据权利要求1的方法，其特征在于所选择的填料是粒径优选为1O-100μm、特别优选为大约20μm的粉末。14．根据权利要求1的方法，其特征在于在填充温度时向原料混合物中加入非挥发性的添加剂、特别是TiC和／或SiC和／或BaC和／或TiB2。15．根据权利要求1的方法，其特征在于向原料混合物中加入纤维、特别是无机纤维和／或陶瓷纤维。16．一种用于生产牺牲体的原料混合物，所述牺牲体通过在转变温度下对成型体进行热处理而得到，该成型体由对原料混合物进行加压成型而形成，原料混合物含有优选为氧化物的钛，在填充温度下将铝和／或铝合金-为简便起见，以下称为铝-填充到牺牲体中，以便牺牲体的材料与铝反应，从而在反应中由Al2O3／铝化钛复合材料形成部件，其特征在于原料混合物中含有碳和／或其前驱体、填料和胶结剂，以便通过使用胶结剂使原料混合物中的各成分至少在一定的区域内相互结合在一起，使成型体处于压力稳定的形式中，其中，将填料优选还包括胶结剂的分解温度选择为低于或等于填充温度，以便使填料和胶结剂在用铝对牺牲体进行填充的过程中或之前被除去，该牺牲体是对原料进行加压成型而形成的并且未烧结，而且转变温度低于或等于填充温度，以便在将其加热到填充温度的过程中将成型体转变为牺牲体。17．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于钛的氧化物TiO和／或Ti2O3和／或Ti3O5和／或TiO2与起还原作用的碳反应。18．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于钛的氧化物是TiO2，其中相对于TiO2来说碳具有还原作用，并且碳是在去除胶结剂和／或填料的过程中形成的最终产物。19．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于填料和胶结剂(如果需要)可在填充温度下或低于填充温度的温度下气化和／或转化为碳。20．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于填料是有机材料，优选地是热塑性或热固性材料，特别优选地是淀粉和／或面粉和／或纤维素衍生物，特别是乙酸纤维素酯。21．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于原料混合物中的原料在经加压形成牺牲体之前被均匀分散。22．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于原料混合物含有1-3重量％的胶结剂。23．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于胶结剂是聚乙烯醇(PVA)和／或聚乙二醇(PEG)，优选地为水溶液。24．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于填料是粒径优选为10-100μm、特别优选为大约20μm的粉末。25．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于原料混合物含有在牺牲体的填充温度时不挥发性的添加剂、特别是TiC和／或SiC和／或BaC和／或TiB2。26．根据权利要求16的原料混合物，其特征在于原料混合物中含有纤维，特别是无机纤维和／或陶瓷纤维。27．一种用于生产Al2O3／铝化钛复合材料部件的牺牲体，该牺牲体含有特别为氧化物的钛，并且将铝和／或铝合金-为简便起见，以下称为铝-填充到该牺牲体中，以便使牺牲体中的材料与铝反应，从而在反应期间形成由Al2O3／铝化钛复合材料构成的部件，通过在转变温度下对成型体进行热处理从而形成牺牲体，而成型体是对原料混合物进行加压成型而形成的，其特征在于未烧结的牺牲体在大于1个大气压的压力下是稳定的，其中牺牲体含有碳和／或其前驱体、填料和胶结剂，以便使胶结剂将牺牲体中的各成分至少在一定的区域内相互结合在一起，使牺牲体处于压力稳定的形式中，其中，填料优选还包括胶结剂的分解温度低于或等于填充温度，以便在用铝对加压后但未烧结的牺牲体进行填充的过程中或之前除去填料和胶结剂，而且转变温度低于或等于填充温度。28．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于钛的氧化物是TiO和／或Ti2O3和／或Ti3O5和／或TiO2。29．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于钛的氧化物是TiO2，其中相对于TiO2来说碳具有还原作用，并且碳是在去除胶结剂和／或填料的过程中形成的最终产物。30．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于填料和胶结剂(如果需要)可在填充温度下和／或低于填充温度的温度下气化和／或转化为碳。31．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于填料是有机材料，优选地是热塑性或热固性材料，特别优选地是淀粉和／或面粉和／或纤维素衍生物，特别是乙酸纤维素酯。32．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于原料在牺牲体中是均匀分散的。33．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于牺牲体含有1-3重量％的胶结剂。34．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于胶结剂是聚乙烯醇(PVA)和／或聚乙二醇(PEG)，优选地为水溶液。35．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于填料是粒径优选为10-100μm、特别优选为大约20μm的粉末。36．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于牺牲体含有在填充温度时不挥发的添加剂、特别是TiC和／或SiC和／或BaC和／或TiB2。37．根据权利要求27的牺牲体，其特征在于牺牲体中含有纤维，特别是无机纤维和／或陶瓷纤维。38．一种根据权利要求1的方法用于生产摩擦系统的摩擦表面或发动机部件和／或交通工具部件和／或制动器盘和／或制动器盘的摩擦表面的应用。39一种根据权利要求16的原料混合物用于生产摩擦系统的摩擦表面或发动机部件和／或交通工具部件和／或制动器盘和／或制动器盘的摩擦表面的应用。40．一种根据权利要求27的牺牲体用于生产摩擦系统的摩擦表面或发动机部件和／或交通工具部件和／或制动器盘和／或制动器盘的摩擦表面的应用。全文摘要本发明涉及了一种由特定原料混合物生产牺牲体的方法、一种用于生产该牺牲体的特定原料混合物和一种牺牲体,该特定原料混合物是生产Al文档编号B22D17/00GK1279659SQ98811544公开日2001年1月10日申请日期1998年11月14日优先权日1997年11月28日发明者T·豪格,C·赫塞尔曼,S·劳舍尔,M·舍戴克申请人:戴姆勒-克莱斯勒股份公司