КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ДЕТАЛЬ ИЗ НЕГО, А ТАКЖЕ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ДЕТАЛИ ИЗ НЕГО Российский патент 2012 года по МПК C04B41/88 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к композиционному материалу, детали из него и к способу изготовления металлокерамического композиционного материала или детали из него.

Композиционные материалы и детали из них широко известны. Так, например, из DE 10350035 А1 известны способ изготовления детали из композиционного материала и металлокерамическая деталь. Таким способом изготавливают металлический композиционный материал, т.е. композиционный материал с металлической матрицей, для чего керамическую заготовку без приложения давления или с приложением внешнего давления пропитывают, соответственно заполняют расплавленным металлом, который содержит реакционноспособный легирующий компонент, вступающий во взаимодействие с реакционноспособным компонентом керамической фазы.

Керамико-металлические композиционные материалы можно получать, например, в виде литого металлического композита, для получения которого к разливаемой металлической фазе примешивают керамические волокна или частицы в количестве до 20%, или же в виде металлического композита на основе предварительно отформованной заготовки, содержание керамической фазы в котором в некоторых случаях может превышать 60% и который благодаря этому обладает более высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью по сравнению с литым металлическим композитом.

Недостаток известных способов состоит в неполноте требуемой реакции между реакционноспособным легирующим компонентом и реакционноспособным компонентом керамической фазы, из-за чего главным образом при изготовлении крупных деталей образуется исключительно неоднородная структура, а изготовленная деталь имеет по меньшей мере локальные значительно сниженные показатели теплопроводности. Помимо этого, при изготовлении деталей из композиционных материалов известными из уровня техники способами не исключена возможность образования пористости, снижающей прочность детали из композиционного материала.

Краткое изложение сущности изобретения

Объектом изобретения является способ изготовления композиционного материала или детали из него, заключающийся в том, что на первой стадии из керамической исходной массы, содержащей основной керамический компонент и дополнительный керамический компонент, изготавливают пористую керамическую заготовку и на второй стадии пористую керамическую заготовку пропитывают расплавленным металлом, отличающийся тем, что основной керамический компонент представляет собой оксид, а дополнительный керамический компонент содержит по меньшей мере Cu₂О, который на первой стадии и/или на второй стадии, по меньшей мере частично, реагирует с основным керамическим компонентом.

Преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в связывании металлической фазы, соответственно расплавленного металла, состоящей/состоящего предпочтительно из обладающего высокой теплопроводностью материала, с керамической фазой, соответственно с заготовкой. Подобное связывание на границе раздела, соответственно все химические процессы, протекающие на границе раздела между заготовкой (керамической фазой) и металлической фазой, придают композиционному материалу, соответственно изготовленной из него детали, высокую прочность и повышенную теплопроводность. Согласно изобретению достигается это благодаря тому, что керамическая исходная масса детали из композиционного материала, соответственно композиционного материала, содержит основной керамический компонент и дополнительный керамический компонент. На долю дополнительного керамического компонента в исходной керамической массе предпочтительно должно приходиться от примерно 0,05 до примерно 30 мас.%, более предпочтительно от примерно 1 до примерно 3 мас.%. В процессе изготовления керамической заготовки спеканием либо в процессе пропитки заготовки расплавленным металлом или же в ходе обоих процессов - спекания и пропитки расплавленным металлом происходит реакция между основным керамическим компонентом исходной массы и ее дополнительным керамическим компонентом с образованием связанной на границе раздела с основным компонентом и тем самым очень прочно сцепленной с ним поверхностной фазы, соответственно граничной фазы в качестве продукта реакции. Основной компонент и дополнительный компонент выбирают касательно их химической природы с таким расчетом, чтобы образующаяся поверхностная фаза, соответственно граничная фаза, прочно связывалась с металлом, которым пропитывается керамическая фаза. Предлагаемый в настоящем изобретении способ пригоден главным образом для изготовления деталей, к которым предъявляются высокие требования касательно их теплопроводности и одновременно с этим касательно их способности выдерживать высокие механические нагрузки, например, в условиях сильного трения и износа. К другим преимуществам предлагаемого в изобретении металлокерамического композиционного материала относятся также возможность целенаправленного варьирования характеристик его теплового расширения и исключительно высокие демпфирующие свойства. Так, например, при использовании металла с высокой температурой плавления в качестве металлической фазы композиционного материала предлагаемым в изобретении способом можно изготавливать автомобильные тормозные диски, максимальная рабочая температура которых составляет преимущественно более 700°С. Изготовленная предлагаемым в изобретении способом деталь из композиционного материала отличается высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью, высокой стойкостью к повреждениям и высокой теплопроводностью.

Согласно изобретению пористость заготовки предпочтительно должна составлять от примерно 20 до примерно 70 об.%, более предпочтительно от примерно 40 до примерно 50 об.%. Использование заготовки с такой пористостью позволяет благодаря сбалансированному соотношению между керамической фазой заготовки и металлической фазой достичь особо высокой прочности предлагаемой в изобретении детали из композиционного материала, а также обеспечить прочное соединение обеих фаз между собой. Помимо этого, благодаря высокой доле керамики, т.е. благодаря использованию заготовки с пористостью, например, от примерно 40 до примерно 50 об.%, деталь из композиционного материала обладает высокой коррозионной стойкостью и высокой износостойкостью.

Предпочтительно далее наличие в заготовке других компонентов, которые (химически) инертны по отношению к основному керамическому компоненту или по отношению к расплавленному металлу и которые представлены главным образом в виде частиц или волокон из оксида, карбида, нитрида или борида. Согласно изобретению преимущество, связанное с наличием подобных высокопрочных компонентов в детали из композиционного материала, состоит в том, что они позволяют придать ей исключительно высокую прочность и термостойкость. Под оксидом при этом подразумевается, например, диоксид циркония (ZrO₂), а также такие оксиды, как Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, MgO, ZrO₂ и Y₂O₃, под карбидом подразумевается, например, карбид кремния (SiC), под нитридом подразумеваются, например, нитрид кремния (Si₃H₄), нитрид бора (BN), нитрид алюминия (AlN), нитрид циркония (ZrN) или нитрид титана (TiN), а под боридом подразумевается, например, борид титана (TiB₂). Инертные компоненты заготовки могут служить прежде всего армирующими и/или функциональными элементами в изготовленной из композиционного материала детали. Так, например, карбид кремния или нитрид алюминия повышают теплопроводность готовой детали.

Благодаря тому, что дополнительный керамический компонент содержит оксид меди(I) (Cu₂O), изобретение позволяет оптимально согласовывать свойства заготовки с конкретно применяемым основным керамическим компонентом в качестве реагента. При использовании, например, Al₂O₃ в качестве основного керамического компонента и Cu₂O в качестве дополнительного керамического компонента в качестве связанной с Al₂O₃ граничной фазы образуется фаза в виде CuAlO₂ или CuAl₂O₄, которая прочно связывается также с металлом, расплавом которого пропитана заготовка, например с чистой медью.

Объектами настоящего изобретения являются далее композиционный материал и изготовленная из него деталь, прежде всего тормозной диск, фрикционный элемент (диск) сцепления или торцевое уплотнение, с образующей поры керамической фазой и с находящейся в этих порах металлической фазой, отличающийся/отличающаяся тем, что он/она имеет механическую прочность более 600 МПа и теплопроводность более примерно 120 Вт/(м·K) и получен(а) путем изготовления из керамической исходной массы, содержащей основной керамический компонент и дополнительный керамический компонент, пористой керамической заготовки и пропитки указанной пористой керамической заготовки расплавленным металлом, причем основной керамический компонент представляет собой оксид, а дополнительный керамический компонент содержит по меньшей мере Cu₂O, который при изготовлении пористой керамической заготовки и/или ее пропитке, по меньшей мере частично, реагирует с основным керамическим компонентом. Согласно изобретению предлагаемую в нем деталь из композиционного материала, соответственно предлагаемый в нем композиционный материал с подобными показателями прочности и теплопроводности можно эффективно использовать во многих областях. Наличие высокой теплопроводности особенно важно прежде всего у работающих в условиях высоких трибологических нагрузок деталей, поскольку благодаря этому удается исключить или уменьшить высокие температурные градиенты, соответственно высокие температурные напряжения, соответственно также термомеханические напряжения, которые могут возникать, например, вследствие выделения большого количества тепловой энергии при трении.

Другие преимущества и предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения и в последующем описании.

Описание варианта(ов) осуществления изобретения

В первом варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа сначала на первой стадии изготавливают пористую керамическую заготовку, которой можно придавать любую форму. Заготовке можно придавать, например, типичную для тормозного диска форму, однако ей можно придавать и любую иную форму. Заготовка имеет, например, пористость примерно 20 об.%, примерно 30 об.%, примерно 40 об.%, примерно 50 об.%, примерно 60 об.% или примерно 70 об.%. Пористость заготовки варьируется, например, в пределах от примерно 20 до примерно 70 об.%, предпочтительно от примерно 40 до примерно 50 об.%.

Согласно изобретению предлагаемым в нем способом получают металлокерамический композиционный материал, в процессе изготовления которого происходит связывание металлической фазы, предпочтительно обладающей высокой теплопроводностью, с керамической фазой, предпочтительно обладающей высокой износостойкостью. При этом металлическая фаза в предпочтительном варианте представляет собой чистую медь или же иной металл, предпочтительно обладающий высокой теплопроводностью металл, в основном в чистом виде или в виде сплава. С целью обеспечить связывание металлической фазы с керамической фазой к керамике, т.е. к исходной массе, добавляют дополнительный компонент. В процессе спекания или в процессе пропитки расплавом этот дополнительный компонент реагирует с основным керамическим компонентом с образованием связанной с основным керамическим компонентом граничной фазы, которая, кроме того, прочно связывается с металлической фазой, расплавом которой пропитывается керамическая фаза. В качестве дополнительного керамического компонента (керамической фазы, соответственно заготовки) согласно изобретению используют прежде всего Cu₂O. На долю такого дополнительного керамического компонента в керамической исходной массе согласно изобретению должно приходиться от примерно 0,05 до примерно 30 мас.%, предпочтительно от 1 до 3 мас.%. При этом граничная фаза представляет собой преимущественно CuAlO₂ или CuAl₂O₄ в том случае, когда основной керамический компонент (исходная масса) представляет собой оксид алюминия, например Al₂O₃.

В одном из вариантов осуществления изобретения в предлагаемом в нем металлокерамическом композиционном материале керамическая исходная масса состояла в основном из Al₂O₃ с добавкой Cu₂O в количестве 2 мас.%. В процессе спекания Cu₂O реагировал с Al₂O₃ с образованием фазы CuAlO₂. Полученная керамическая заготовка имела пористость 50 об.%. Эту заготовку пропитывали расплавом чистой меди методом литья выжиманием (squeeze casting). Механическая прочность полученного медного композита, т.е. композиционного материала с медью в качестве металлической матрицы, соответственно механическая прочность детали из такого композиционного материала, составила 720 МПа. Теплопроводность полученного композиционного материала, соответственно детали из него, составила 143 Вт/(м·K). Аналогичный сравнительный медный композит, но без добавки дополнительного керамического компонента, т.е. в данном случае без добавки Cu₂O, имел прочность лишь 285 МПа и теплопроводность 108 Вт/(м·K).

Настоящее изобретение не ограничено рассмотренными выше вариантами его осуществления и прежде всего не ограничено изготовлением тормозных дисков. Более того, настоящее изобретение предполагает возможность использования множества иных керамических заготовок, которым придают форму в соответствии с назначением изготавливаемых из них в последующем деталей и изделий. Керамическая исходная масса при этом должна содержать дополнительный керамический компонент, который в процессе спекания или в процессе пропитки расплавленным металлом реагирует с основным керамическим компонентом с образованием связанной с ним фазы. Эта фаза должна также быть связана с металлической фазой, пропитавшей керамическую фазу.

Изобретение относится к металлокерамическому композиционному материалу и способу изготовления композиционного материала или детали из него и может быть использовано для получения тормозного диска, фрикционного элемента или элемента уплотнения. На первой стадии из керамической исходной массы, содержащей основной керамический компонент в виде оксида и дополнительный керамический компонент, изготавливают пористую керамическую заготовку. На второй стадии пористую керамическую заготовку пропитывают расплавленным металлом. Дополнительный керамический компонент, реакционноактивный по отношению к основному компоненту, содержит Cu₂O и на первой стадии и/или на второй стадии, по меньшей мере, частично реагирует с основным керамическим компонентом. На долю дополнительного компонента в керамической исходной массе приходится 0,05-30 мас.%. В качестве расплавленного металла используют медь или медный сплав. Технический результат изобретения - повышение прочности и теплопроводности детали из композиционного материала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления композиционного материала или детали из него, заключающийся в том, что на первой стадии из керамической исходной массы, содержащей основной керамический компонент и дополнительный керамический компонент, изготавливают пористую керамическую заготовку и на второй стадии пористую керамическую заготовку пропитывают расплавленным металлом, отличающийся тем, что основной керамический компонент представляет собой оксид, а дополнительный керамический компонент содержит, по крайней мере, Cu₂O, который на первой стадии и/или на второй стадии по меньшей мере частично реагирует с основным керамическим компонентом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что основной керамический компонент представляет собой Al₂O₃.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве расплавленного металла используют медь или медный сплав.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве расплавленного металла используют, по существу, чистую медь.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительный керамический компонент представляет собой Cu₂O.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают заготовку с пористостью от 20 до 70 об.%, предпочтительно от 30 до 50 об.%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что заготовка содержит другие компоненты, которые инертны по отношению к расплавленному металлу или по отношению к основному керамическому компоненту.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что другие компоненты заготовки представлены в виде частиц или волокон из оксида, карбида, нитрида или борида.

9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что на долю дополнительного керамического компонента в керамической исходной массе приходится от 0,05 до 30 мас.%, предпочтительно от 1 до 3 мас.%.

10. Композиционный материал или деталь из него, прежде всего тормозной диск, фрикционный элемент сцепления или торцевое уплотнение, с образующей поры керамической фазой и с находящейся в этих порах металлической фазой, отличающийся/отличающаяся тем, что он/она имеет механическую прочность более 600 МПа и теплопроводность более примерно 120 Вт/(м·К) и получен(-а) путем изготовления из керамической исходной массы, содержащей основной керамический компонент и дополнительный керамический компонент, пористой керамической заготовки и пропитки указанной пористой керамической заготовки расплавленным металлом, причем основной керамический компонент представляет собой оксид, а дополнительный керамический компонент содержит, по крайней мере, Cu₂O, который при изготовлении пористой керамической заготовки или ее пропитке по меньшей мере частично реагирует с основным керамическим компонентом.

11. Композиционный материал или деталь из него по п.10, отличающийся/отличающаяся тем, что металлическая фаза содержит металл с температурой плавления выше 700°С

12. Композиционный материал или деталь из него по п.11, отличающийся/отличающаяся тем, что металлическая фаза содержит медь или медный сплав.