专利名称：构件制造方法和构件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述构件的制造方法和构件，该构件至少部分地具有如权利要求前序部分所述的陶瓷-金属-复合材料，这两者都可从作为本发明基础的DE-P…中得知。
从尚未公开的DE-P中可知陶瓷-金属-复合材料构件的一种制造方法，该方法中，陶瓷原料制成的牺牲体内填充热软化金属-主要是铝-和/或金属合金。填充温度低于反应温度，在该反应温度下将在陶瓷原料中的金属和填充金属中的金属之间发生置换反应。在尽可能地填满牺牲体后，填满的牺牲体加热至反应温度或更高，然后发生刚刚提到的反应。在该反应使构件由陶瓷-金属-复合材料制成，材料具有陶瓷相和金属相，其金属相有一种陶瓷金属与填充金属的金属间化合物。
通过在低于金属与牺牲体材料反应温度下将加热软化的金属填充到牺牲体内，在填充过程中以及之后的填充金属与牺牲体材料间的反应过程中获得陶瓷基体。理想情况下完全填满牺牲体的孔，从而使在化学计量合适地使用上述物质时构件完全反应并无裂纹和气隙。
这里有利的方式是，待填充金属为铝，陶瓷金属为钛，从而在优选的置换反应后具有陶瓷相TiBx和/或TiCy和/或TiCN和Al2O3，而金属相的金属间化合物为耐高温的TiAl。
这种陶瓷-金属-复合材料的材料性能很好。例如由铝作填充金属(BMe)而Ti作陶瓷牺牲体金属(KMe)制成的陶瓷-金属-复合材料，具有密度3.4g/cm3，该密度略高于所谓MMCs(金属-基体-复合材料)，而只有可比铸铁密度的42％。尤其在优选型式下，以金属化合物TiAl形式存在的耐高温化合物使构件的应用范围达到至少800℃，远远超过灰铸铁的范围。
制出的陶瓷-金属-复合材料可特别用来制造盘式制动器的摩擦环。这种摩擦环通过机械连接技术如螺钉旋接等固定到制动盘体部。
本发明的目的在于，改进现有同类方法，使具有前述陶瓷-金属-复合材料的构件的制造更简单，更快，特别是更便宜。
该目标通过权利要求1等分类所述特征实现。在填充牺牲体的同时在同一个压铸模具内压铸整个构件-即牺牲体部分和自由于牺牲体之外的中间件-可以省去迄今为止总要进行的事后的构件各部位的机械连接。
本发明适当的型式从其他从属权利要求中可知。此外借助图示实施例阐述本发明。其中图示为
图1装入粉末的牺牲体压模，图2嵌入牺牲体的压铸模具，图3牺牲体部分被填充并感应加热的铸件，图4嵌入两个牺牲体的压铸模具。
在开始描述图1至图4之前，下面先借助车用制动盘描述构件的制造原理。
首先制造牺牲体1，为此以适当的方式将TiO2和具有一个或多个含硼(B)和/或碳的原料，特别是含硼或碳的陶瓷，混合成混合物。该混合物加热到置换温度900℃-1900℃，最好在1100℃-1400℃之间，并且低于会导致自催化反应，甚至引起爆炸的温度，并焙烧，这时在该置换温度下初始材料和TiO2发生置换反应，反应产物为TiBx和/或TiCy，其中0≤x≤20≤y≤1这样从反应产物中就可以特别是通过压制制造出形状稳定、多孔的牺牲体1。
在牺牲体1的这种制造过程中，本发明所提供方法的另一种形式有更大的优点，因为其通过放弃非常昂贵的TiC作牺牲体1的初始材料，从而不仅使原料而且使工艺技术的成本费用降低。这样本发明例如在制造制动盘时，可以使制动盘在大批量生产时的单件价格降到铸铁盘的水平。
下面详细介绍牺牲体1的制造。
粉状反应初始材料在玻璃烧瓶中混合，其中初始材料特别按事先计算好的化学比例称好。混合物中也适当地添加一些过剩碳和/或过剩氧气。通过碳过剩可使TiO2的反应更好，而氧气过剩可使铝更好地氧化为Al2O3。
紧接着添加一种溶解于丙酮中的黏合剂(聚丙烯碳酸脂)到粉状混合物。这种滑泥状物在一旋转蒸发器中彻底混合同时烘干。烘干后的材料由又大又硬的附聚物组成，这些附聚物必须再放到一离心式碾磨机中细化。
由此获得的混合物在一圆形压模中单轴压制成一多孔生坯(型模直径为60mm，100mm，330mm)。
压制之后，具有陶瓷基体的未加热生坯在制造陶瓷多孔牺牲体1的置换温度下进行热处理。
这里热处理和压制可以交换进行。即也可以先在混合物置换温度下进行热处理，然后再从加热或焙烧过的混合物中压制出陶瓷多孔牺牲体1，或者也可以用烧结法。
也可以在压制出生坯或者牺牲体1之前往混合物中以本身已公开的方式添加纤维和/或毛毡和/或织物-以下统称为纤维，并与混合物混合。较有利的是，例如可加入短纤维，其长度小于15mm大于3mm。纤维最好以Al2O3和/或SiC和/或金属，主要是钢，和/或矿物质为基制成。
置换温度在900℃-1900℃之间，最好在1100℃-1400℃范围内，但必须总低于一个温度，该温度导致达到自催化温度，甚至引起爆炸，温度程序在其上升斜度(Rampen)和保持时间段上与反应机理相适合。通常使用石墨加热的冷壁反应器在真空中加热。
这样获得的多孔陶瓷牺牲体1接着定位于一压铸模具的压铸型模中并且位置固定地嵌入压铸型模。然后闭合压铸型模，压铸型模浇铸成整个制动盘形状。在浇铸压铸型模时，牺牲体1填充有金属和/或具有金属的合金，同时保留的中间部分2(该区域没有牺牲体1)浇铸成体部(中间件3)。
以特殊的方式使牺牲体1部位备有适当的材料输入通道5。这样牺牲体1可以与保留的中间部分2分开地填充，中间部分2可通过独立可控的浇铸口6供料。通过压铸模具的这种结构形式，压铸型模比如在牺牲体1部位可以以另一种压力冲击并/或甚至也可填充与保留的中间部分2的材料不同的材料。
这种可变型性使待制造构件可以与其各自应用目的适当匹配。因此可以，比如在一工序中用第一种金属-低熔点轻金属如铝填充牺牲体1，而在中间部分3浇铸另一种与第一种金属和/或复合材料相结合的耐高温物质。
至少牺牲体1的填充是在填充温度下完成，该填充温度在一温度间隔中，其上限对应填充金属(BMe)主要是铝和/或镁与牺牲体1金属(KMe)的反应温度，下限根据填充金属(BMe)的软化点或者说软化温度确定。对于铝作填充金属(BMe)时填充温度低于1000℃，最好低于900℃。
填充后，将制动盘在预备作摩擦环的摩擦面7部位加热至反应温度或更高。这种加热也可根据制动盘选择。可通过电感加热或通过摩擦加热。第一种情况使用感应器8，而第二种情况制动盘的摩擦面经历一次例如类似制动的过程，此时填满的牺牲体至少局部地获得了反应必需的热量。
为了在特别是使用铝作体部(中间件3)和填充金属时，铸造制动盘的金属化部分在加热到或超过反应温度过程中不被加热过度，体部例如可通过与其贴靠的尤其是形状匹配的冷却体冷却，从而使体部的加热可以保持在临界温度以下。冷却体特别可为热交换器。另外一种有利而且也很便宜的情况是，使液体或气体冷却剂流经冷却体内侧。
通过对被填充的牺牲体1进行感应或摩擦加热，可使只在表面或其附近区域进行热量输入，由此在牺牲体1内部保留了一个芯部4，其材料未参与反应。
摩擦环的相的组成可这样横向于摩擦面方向调整，使得反应生成的陶瓷-金属-复合材料所占比例不断减少，直至摩擦环的两个摩擦面之间的中心。这种减少可达以下程度，即位于中心的芯保持不参加反应并且即使在加热到反应温度时仍然具有铝成分，这对耐损伤性和制动过程中所产生热量的散发很有好处。
此外更有意义的是，摩擦面的相的组成也具有一梯度，使陶瓷-金属-复合材料所占比例沿到体部方向逐渐减少，从而热量的流动到体部逐渐改善，因为一般来说金属(这里是铝)的导热性比陶瓷-金属-复合材料好。
带有摩擦环的制动盘的合理制造工序如下，其中摩擦环至少在摩擦面7部位具有陶瓷-金属-复合材料，·用于牺牲体1材料的原料最好以粉末状特别称量好。·可以往原料中加入纤维，·另外添加黏合剂并湿润混合，·然后烘干，接着研磨混合物(例如在离心式碾磨机中)，·单轴压制混合物，在压制前或后对牺牲体热处理，·紧接着牺牲体1定位于压铸型模内并固定安装，·压铸型模和牺牲体1填充金属，·铸件在牺牲体1部位可选择地加热至反应温度，其中必要时构件的中间件3可以冷却，·接着进行最终处理。
对上述陶瓷-金属-复合材料的制造有两个在相互独立工序中的反应—从牺牲体1材料的附加制造开始。在第一步中涉及一个固体-固体反应(置换反应)，第二步中涉及一个固体-液体反应(最终反应)。两个反应对应于化学的氧化还原反应。这里是一种陶瓷化合物与一种金属发生反应，反应过程中生成一种新的陶瓷化合物并置换出另外一种金属。下面以铝作填充金属为例描述本发明。本发明不一定限于下述例子，而是也可用于比如从US5,214,011可知的其他金属/陶瓷类型。
如已提到过的，以铝和氧化钛的反应为例，其反应如下。
这里在详细描述反应进行的细节之前，先借助图解说明作一概述。
TiB2+TiC+Al2O3+AlxTiy该例中有一个特别的好处，即熔点较低价格便宜的金属(铝)与熔点较高价格昂贵的金属(钛)发生置换。形成的陶瓷组成成分中也出现类似的情况，也是便宜的物质转换为昂贵的物质。a)置换反应第一步反应涉及上述混合物或者说生坯的焙烧，这里只涉及生坯的焙烧。压制出的陶瓷生坯，由以化学计算比例混合的B4C/3Ti和2TiO2组成，该生坯经过热处理，其中发生的反应主要如下所述
因此这里在B4C和Ti之间发生了置换反应，生成反应产物TiB2和TiC。TiO2尽管被还原到较低的氧化级，但这不影响前面所述反应，因此其性质可以描述为半惰性。
选择B4C和Ti之间进行置换反应，因为反应产物TiB2和TiC可望有很好的摩擦特性。在本发明范围内可以通过适当的温度程序控制反应进行。
在该步工序中，可以控制以后生成产物的成分和特性。在B4C/Ti置换反应过程中，体积出现强烈的变化。这意味着孔隙率大大提高--这种孔隙率压模体本来就有，在焙烧金属基体后孔隙率通常为40％-55％之间。这时在该工序中精确调节孔隙率很有意义，因为孔隙率决定以后填充牺牲体1过程中参加反应的铝(金属)量从而决定最终的相的构成。
为调到某一孔隙率，一方面可以改变生坯成分，另一方面可以借助合适的温度程序影响反应。
生坯成分的改变应举例详细描述，因为在此B4C/Ti置换反应产物，即TiB2和(或)TiC可以立即全部或部分地添加到生坯中。现在为止用到的化学计算的配料表达式如下O.5B4C/1.5Ti/TiB2/0.5TiC/2TiO22TiB2/TiC/2TiO23TiC/0.7N/0.3 2TiO2
第一步反应之后，陶瓷牺牲体1成分几乎同一，只有孔隙率发生了变化。用该方法可以事先精确确定起作用的陶瓷组成部分，并可调节某些材料特性，如摩擦系数。b)最终反应进行最终反应之前，往多孔的陶瓷牺牲体1填充铝。为实现填充，比如直径100mm厚度15mm的牺牲体1置于一压铸型模内，往里灌注温度位于熔点、主要在600-900℃间的铝。灌注时间共40ms，压力800Bar。所用熔融物为99.9％纯度的铝和/或铝合金，主要是Al/Sil2。
紧接着填满的牺牲体1在真空中加热至温度超过1000℃。铝熔融，而在反应温度以上Al和Ti2O3相互反应。该反应按其成分大致遵循下列方程。
该反应过程中，陶瓷成份TiB2和TiC保持惰性，而这部分成份在制好的陶瓷-金属-复合材料中表现为起作用的组分。Al和Ti2O3反应使得最后产生至少密度大得多的型体。
另外一个实例是在存在元素碳，例如煤粉或石墨形式的碳情况下铝和氧化钛之间的反应，总的反应可见下式
这里也是铝与钛转换。类似的情况出现在形成的陶瓷组成成分中，此处也是便宜的物质转换为昂贵的物质。
下面借助图解对此加以说明，以便更好的了解。
+Al(液态)填充 最终反应TiC+Al2O3+AlxTiya)置换反应第一步反应涉及上述混合物或者说生坯的焙烧，而该例中只涉及混合物的焙烧。由以化学计算比例混合的C，Ti和TiO2组成的混合物进行热处理，其中主要发生如下反应
反应产物为Ti2O3和TiC，从中可压制出牺牲体。压制过程中，考虑到以后陶瓷-金属-复合材料半成品，牺牲体1制造成接近最终形状。
在该工序中也可以控制以后生成物的成分和特性。
最终反应不再描述，因为其与前面的例子类似。举例例1化学计量成分为B4C/3Ti/2TiO2的粉末混合物添加一种黏合剂(聚丙烯碳酸脂)并单轴向压制成圆形盘。该盘接着在一石墨加热冷壁反应器中在温度1200℃-1400℃之间真空焙烧30分钟。由此产生的陶瓷牺牲体1化学计量成分为2TiB2/TiC/Ti2O3并具有55％的孔隙率。牺牲体1定位于一压铸型模内并相对压铸模具位置固定，压铸模具闭合。铝压入闭合压铸模具的压铸型模中，由此填充牺牲体1和中间部分2。填充后的牺牲体1紧接着至少部分地电感加热至大约1100℃，同样也在真空中加热1.5小时。加热过程中冷却铝制成的中间件3。产生的陶瓷-金属-复合材料由大约20％体积TiB2，10％TiC，15％Al2O3，45％Al3Ti和10％Al组成。
其他例子中只描述牺牲体1或者说陶瓷-金属-复合材料，因为其他方法步骤是类似的可以简单地推广。例2
化学计量成分为2TiB2/TiC/2TiO2的粉末混合物在例1所述同样条件下处理和焙烧。陶瓷牺牲体1的成分与例1相同，但孔隙率为45％。与事先填充的铝反应后，陶瓷-金属-复合材料具有大约52％Al3Ti和3％Al的金属成分，而陶瓷成分同例1所述。例3TiO2/C粉末混合物在很小的N2分压(＜1mbar)1800℃下焙烧，生成化合物TiCxNy粉末(x，y取决与N2分压)。粉末与TiO2以3∶2的比例混合并如例1所述处理。产生的陶瓷-金属-复合材料陶瓷相只有TiCxNy和Al，金属相成份与例1相同。
本发明的动机为研制一种新型制动盘。该制动盘在其摩擦面7所具有的特性特别适合推广应用到所有出现高温和剧烈摩擦的领域。
这类应用特别适合磨损系统，因而很适于喷气推进装置和发动机中的结构件，特别是滑动轴承或切削刀具，尤其适合制动盘。
另外该复合材料也示应用于适于作防弹护板。
图1所示为装满粉末的牺牲体1的压制模具。压制模具具有上半部9和下半部10。为压制牺牲体1或其他情况下的生坯，将相应的粉末11引入压制型模中，压制模具的上半部和下半部相对运动，直至极限位置12(图中虚线所示)从而压制出牺牲体1或者说生坯。压制体从压制模具中取出并放入压铸模具的压铸型模中，如图2和4实例所示。
为压铸制动盘准备的压铸模具如图2所示，具有上部模型13和下部模型14。牺牲体1置于压铸型模中并部分填满该型模。上部模型13和下部模型14都在牺牲体1部位具有多个材料输入通道5，所以多孔牺牲体1可以迅速填满待填充金属。
由于浇铸制动盘体部(中间件3)相对填充牺牲体1容易实现，因此只在上部模型13上开有一个相应的浇铸口6。
为了实现摩擦环和制动盘体部较好的浇铸结合，压铸型模在牺牲体1和后来形成的体部之间的过渡区至少部分具有一个加厚的区部15，这样浇铸的体部在过渡区呈C状包绕环形牺牲体1的内侧，直接并整体地贴附在填充后的牺牲体1的两个轴向表面上，该轴向表面后来部分形成摩擦面7。
图3所示为带有填充牺牲体1的浇铸制动盘。在已填满牺牲体1的两个轴向表面，也就是后来形成摩擦面7的部位，安装感应器8，该感应器沿两轴向表面加热填满的牺牲体1。加热温度为反应温度或更高，但在加热过程中，牺牲体1在两个轴向表面各自只有三分之一厚度加热到反应温度。因此填满的牺牲体1两侧也只有三分之一层厚反应生成陶瓷-金属-复合材料，所以芯4仍为未反应材料。
图4所示为另一种压铸模具。与图2所示压铸模具的不同之处在于，该压铸模具的压铸型模内可嵌入两个牺牲体1。牺牲体1在压铸模具闭合时相互平行并有一定间隔。这样两个环形牺牲体1之间的中间腔以形成芯4方式灌注材料，所用材料也可以是制造体部即中间件的材料。
权利要求
1.一种部分由陶瓷-金属-复合材料制成的构件的制造方法，该方法中-由陶瓷原料制成一个多孔牺牲体，-在预先给出的等于或高于填充金属软化温度的填充温度下和高压下，将软化的金属和/或金属合金—以下简称为填充金属(BMe)—填充到牺牲体内，-将用金属(BMe)填充的牺牲体加热到高于填充温度的反应温度或更高，-在反应温度或高于反应温度下，填充金属(BMe)和牺牲体陶瓷金属(KMe)之间发生反应，-反应生成陶瓷-金属-复合材料，该材料具有陶瓷相和金属相，-陶瓷相有KMemBx和/或KMenCy和/或KMeoCN和BMepO3，-金属相有一种陶瓷金属(KMe)和填充金属(BMe)的金属间化合物。其特征在于，-将牺牲体(2)定位在一压铸模具中，并相对压铸模具位置固定，并且将压铸型模内牺牲体(1)外的所有自由间隙(2)都填满，-在压铸构件时往牺牲体(1)内填充待填充金属(BMe)，-用压铸模具铸成至少接近最终形状的构件，该构件由被填充的牺牲体(1)和自由于牺牲体外的中间件(3)组成，-铸好的构件在被填充的牺牲体部分加热到反应温度或更高。
2.按权利要求1所述方法，其特征在于，铸件仅在填充后的牺牲体(1)部分加热至反应温度或更高。
3.按权利要求1所述方法，其特征在于，至少部分使用填充金属铸造中间件(3)。
4.按权利要求1所述方法，其特征在于，牺牲体(1)在陶瓷金属与填充金属反应时只有部分参加反应生成陶瓷金属复合材料。
5.按权利要求1所述方法，其特征在于，牺牲体(1)在陶瓷金属与填充金属反应时只有部分参加反应生成陶瓷金属复合材料，在牺牲体(1)内部得到一个未反应的牺牲体材料构成的芯(4)。
6.按权利要求1所述方法，其特征在于，铸件在牺牲体(1)表面部位摩擦，并因此加热至反应温度或更高。
7.按权利要求1所述方法，其特征在于，构件在牺牲体(1)区域感应和/或电容加热到反应温度或更高。
8.按权利要求1所述方法，其特征在于，所铸构件是有摩擦作用的构件时，牺牲体(1)安装于压铸型模中待摩擦的部位。
9.按权利要求1所述方法，其特征在于，所铸构件为车用制动盘时，牺牲体(1)安装于压铸型模中制动盘摩擦环部位并在以后形成制动盘的摩擦环。
10.按权利要求1所述方法，其特征在于，牺牲体(1)按其以后在构件中的形状制造，特别是压制。
11.按权利要求1所述方法，其特征在于，将已经填满但尚未加热至反应温度或更高的牺牲体(1)加工成最后形状。
12.按权利要求1所述方法，其特征在于，构件在牺牲体(1)部位平行于其外表面和/或沿其层厚方向不均匀加热，使牺牲体(1)关于陶瓷-金属-复合材料具有一梯度。
13.具有带陶瓷相和金属相的陶瓷-金属-复合材料的构件，其中陶瓷相有Al2O3和至少一种反应产物TiBx，TiCy和TiCN组的化合物，金属相具有一种Al和Ti的金属间化合物，其特征在于，-构件除了陶瓷-金属-复合材料外，还有中间件(3)，-中间件(3)直接接触或黏附于陶瓷-金属-复合材料，并且是整体构成的，-中间件(3)具有与陶瓷-金属-复合材料不同的另一种材料成份，-中间件(3)制成压铸件。
14.按权利要求13所述构件，其特征在于，在陶瓷-金属-复合材料部位具有一芯(4)，该芯由陶瓷-金属-复合材料的初始材料构成。
15.按权利要求13所述构件，其特征在于，构件沿至少一个空间方向其相的构成具有变化的梯度；也就是说，陶瓷-金属-复合材料的比例沿该空间方向变化。
16.按权利要求13所述构件，其特征在于，构件为一受摩擦作用的构件，陶瓷-金属-复合材料安装于构件的待摩擦表面部位。
17.按权利要求13所述构件，其特征在于，构件是喷气推进装置和发动机中的结构件，特别是滑动轴承或切削刀具或特别是一个防弹护板。
18.按权利要求13所述构件，其特征在于，构件是车用制动盘，陶瓷-金属-复合材料安装于摩擦表面部位，中间件(3)是制动盘体部。
19.按权利要求13所述构件，其特征在于，陶瓷-金属-复合材料具有纤维，主要是短纤维和/或毛毡和/或织物-以下统称为纤维。
20.按权利要求19所述构件，其特征在于，纤维基于Al2O3和/或SiC和/或金属，特别是钢，和/或矿物质而制成。
全文摘要
一种部分由陶瓷－金属复合材料制成的构件及其制造方法。一个陶瓷原料制的牺牲体填充金属和/或金属合金,并加热使填充金属(BMe)和牺牲体陶瓷金属(KMe)发生反应,生成陶瓷－金属复合材料,其中陶瓷相有KMe
文档编号F16D65/12GK1202403SQ9810558
公开日1998年12月23日 申请日期1998年3月13日 优先权日1997年3月14日
发明者蒂尔曼·豪格, 斯特芬·劳舍尔, 米歇尔·沙耶迪克 申请人:戴姆勒－奔驰公司