DE19820832A1 - Production of a solid body used, e.g., as brake disk - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines festen Körpers, wobei ein Rohstoffversatz, der ein Roh stoff-Pulver und mindestens einen Zuschlagstoff enthält, zuerst einem Formgebungsprozeß und dann einem Verfestigungsprozeß unter zogen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen durch dieses Verfahren herstellbaren Körper sowie die Verwendung eines solchen Körpers.The present invention relates to a method for manufacturing of a solid body, a raw material offset, the raw one Contains powder and at least one aggregate first a molding process and then a solidification process under is pulled. The present invention further relates to a through this process manufacturable body as well as the use of a such body.
Gattungsgemäße Körper, die aus gesinterten oder rekristallisier ten Werkstoffen wie z. Bsp. Siliziumcarbid (RSiC) Borcarbid (RB4C) oder Bornitrid (RBN) bestehen, sind bekannt. Sie werden im allgemeinen durch Sintern von Rohstoffversätzen gewonnen, die Rohstoffpartikel und ggf. Zuschlagstoffe enthalten.Generic body made of sintered or recrystallized materials such. For example, silicon carbide (RSiC) boron carbide (RB 4 C) or boron nitride (RBN) are known. They are generally obtained by sintering raw material offsets that contain raw material particles and possibly aggregates.
Der gebräuchlichste Werkstoff ist Siliziumcarbid; in Form von gesintertem Siliziumcarbid (SSiC) oder rekristallisiertem Silizi umcarbid (RSiC). Das SSiC gewinnt man aus feinkristallinen SiC-Partikeln unter Zusatz von Bindemitteln, Sinteradditiven zur Ak tivierung und Kohlenstoff zum Dichtsintern (beispielsweise Zusät ze von Bor und Kohlenstoff oder Aluminium und Kohlenstoff). Der Rohstoffversatz wird einem Formgebungsprozeß unterworfen. Im re sultierenden Grünkörper ist das Rohstoffpulver mit Hilfe des Bin demittels verfestigt. Der Grünkörper wird bei ca. 2000°C drucklos gesintert. Man erhält ein dichtes Produkt mit über 96% der theo retischen Dichte. Die bei der Sinterung auftretende Verdichtung führt allerdings zu einer Schwindung. Rekristallisiertes Silizi umcarbid (RSiC) erhält man durch Sintern von Siliziumcarbid-Par tikeln vorzugsweise bimodaler Kornverteilungen. Dieses Verfah ren ist z. Bsp. aus der US 2,964,823, der DE-OS 28 37 900 und der DE 31 49 796 bekannt. Diese Partikel werden bei ca. 2000°C zu ei nem porösen Körper gesintert. Man benötigt unter Umständen Binde mittel, um den Grünkörper zu verfestigen, aber keine Sinteraddi tive. Bei der Sinterung findet keine Verdichtung statt, so daß man auch keine Schwindung beobachtet. Man erhält reines, unver dichtetes poröses Siliziumcarbid.The most common material is silicon carbide; in the form of sintered silicon carbide (SSiC) or recrystallized silicon carbide (RSiC). The SSiC is obtained from fine crystalline SiC particles with the addition of binders, sintering additives to the Ak Activation and carbon for sealing sintering (for example, add ze of boron and carbon or aluminum and carbon). Of the Raw material offset is subjected to a shaping process. In the right the resulting green body is the raw material powder with the help of the bin solidified. The green body is depressurized at approx. 2000 ° C sintered. You get a dense product with over 96% of theo retic density. The compression that occurs during sintering however, leads to shrinkage. Recrystallized silicon Umcarbide (RSiC) is obtained by sintering silicon carbide par particles preferably bimodal grain distributions. This procedure ren is z. Example from US 2,964,823, DE-OS 28 37 900 and DE 31 49 796 known. These particles become egg at approx. 2000 ° C sintered in a porous body. You may need a bandage medium to solidify the green body, but no sinteraddi tive. No compaction takes place during sintering, so that no shrinkage is observed. You get pure, non sealed porous silicon carbide.
Problematisch ist hierbei, daß der Grünkörper bei Verwendung her kömmlicher keramischer Binder beim Aufheizen auf die Sintertempe ratur eine Festigkeitslücke durchläuft, das heißt, bei Temperatu ren ab etwa 200°C zunächst labil wird. Der Grünkörper kann sogar zerfallen.The problem here is that the green body in use conventional ceramic binder when heating to the sintering temperature passes through a gap in strength, that is, at Temperatu ren becomes unstable at around 200 ° C. The green body can even disintegrate.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und Erzeugnisse der o. g. Art bereitzustellen, mit denen auf einfache und billige Weise feste Körper erhältlich sind, die keine Festigkeitslücke aufweisen und unterhalb von etwa 200°C beim Erwärmen thermopla stische Eigenschaften besitzen.The object of the invention is therefore a method and products the above Provide way with which on simple and cheap Ways solid bodies are available that have no strength gap have and below about 200 ° C when heating thermopla possess statistical properties.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 und den daraus herstellbaren Erzeugnissen. The solution is a procedure with the characteristics of the contractor Proverb 1 and the products that can be made from it.
Im folgenden wird der Begriff "Saccharide" als Oberbegriff für Monosaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide verwendet.In the following, the term "saccharide" is used as a generic term for Monosaccharides, oligosaccharides and polysaccharides are used.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich also dadurch aus, daß als Bindemittel ein oder mehrere Monosaccharide, Oligosaccha ride oder Polysaccharide verwendet werden, die bei ihrer Zerset zung das Rohstoffpulver verfestigen. Das erfindungsgemäße Verfah ren führt zu festen Körpern, die durch die Zersetzung der Saccha ride entstandenen Kohlenstoff enthalten, formstabil sind und kei ne Festigkeitslücke aufweisen. Saccharide sind im Gegensatz zu herkömmlichen Bindemitteln wie z. Bsp. Harzen leicht zu verarbei ten, benötigen keine organischen Lösemittel und zeigen ein einfa ches, unkritisches thermisches Verhalten. Sie sind ungiftig, ein fach zu handhaben, billig und leicht verfügbar. Beim Erwärmen zeigen sie ein thermoplastisches Verhalten, die Viskosität kann über den Temperaturverlauf gesteuert werden. Der Rohstoffversatz kann daher beim Verfestigen auch verpreßt und damit weiter ver dichtet werden, da die zugemischten Saccharide bei höheren Tempe raturen zunächst erweichen, bevor sie sich zersetzen. Außerdem kommt es durch die bei der Zersetzung entstehenden Gase zu einer gleichmäßigen offenen Porosität, die eine Flüssiginfiltration be günstigt.The method according to the invention is therefore characterized in that that as a binder one or more monosaccharides, oligosaccha ride or polysaccharides are used in their decomposition solidify the raw material powder. The inventive method ren leads to solid bodies by the decomposition of the saccha The resulting carbon contain, are dimensionally stable and kei have a strength gap. Saccharides are in contrast to conventional binders such. E.g. resins easy to process ten, do not require organic solvents and are easy to use ch, uncritical thermal behavior. You are non-toxic, one easy to handle, cheap and easily available. When warming up show a thermoplastic behavior, the viscosity can can be controlled via the temperature curve. The raw material offset can therefore also be pressed during solidification and thus further ver be sealed, since the admixed saccharides at higher temperatures Soften the fittings first before they decompose. Furthermore The gases generated during the decomposition lead to a uniform open porosity that be a liquid infiltration favorable.
Die Festigkeit der erfindungsgemäßen Körper ist mit gesinterten Körpern vergleichbar. Die erfindungsgemäßen Körper können ohne Sinterung weiterverarbeitet werden. Die für die Verfestigung nö tigen Temperaturen sind viel niedriger als die üblichen Sinter temperaturen. Damit sind das erfindungsgemäße Verfahren und folg lich das damit erhältliche Erzeugnis auch preisgünstiger und so mit für breite industrielle Anwendungen geeignet.The strength of the body according to the invention is sintered Bodies comparable. The body according to the invention can without Sintering can be processed further. The nope for the consolidation temperatures are much lower than the usual sinter temperatures. So that the inventive method and follow Lich the product available with it also cheaper and such suitable for wide industrial applications.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü chen. Der Formgebungsprozeß wird vorzugsweise bei einer Tempera tur unterhalb etwa 500°C, bspw. in einem Bereich von etwa 50 bis 250°C, der Verfestigungsprozeß bei einer Temperatur von etwa 120 bis etwa 1000°C durchgeführt.Advantageous further developments result from the dependent claims chen. The molding process is preferably at a tempera tur below about 500 ° C, for example. In a range of about 50 to 250 ° C, the solidification process at a temperature of about 120 performed up to about 1000 ° C.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht die Verwendung von Sacchariden oder Saccharid-Lösungen, vorzugsweise wäßrigen Lösungen vor. Geeignete wasserlöslichen Saccharide sind bspw. Glucose, Fructose, Saccharose, insbesondere in Form von gewöhnlichem Haushaltszucker und lösliche Stärke (Amylose), aber auch andere wasserlösliche Mono-, Oligo- und Po lysaccharide. Die Konzentration der Saccharid-Lösung soll vor zugsweise 10 bis 80 Gew.-% betragen. Schon mit einer 10%igen Lösung beobachtet man eine Verfestigung. Bei der Herstellung hö her konzentrierter Lösungen empfiehlt es sich, das Saccharid bzw. die Saccharide unter leichtem Erwärmen zu lösen. Hochkonzentrier te Saccharid-Lösungen können eine leicht sirupöse Konsistenz auf weisen.A preferred embodiment of the method according to the invention sees the use of saccharides or saccharide solutions, preferably aqueous solutions. Suitable water soluble Saccharides are, for example, glucose, fructose, sucrose, in particular in the form of ordinary table sugar and soluble starch (Amylose), but also other water-soluble mono-, oligo- and Po lysaccharides. The concentration of the saccharide solution should be before preferably 10 to 80 wt .-%. Already with a 10% The solution is observed to solidify. In the production of high concentrated solutions, it is recommended that the saccharide or dissolve the saccharides with gentle warming. Highly concentrated Te saccharide solutions can have a slightly syrupy consistency point.
Es können beliebige Rohstoffpulver bzw. Rohstoffpulvermischungen zur Herstellung der Rohstoffversätze für die erfindungsgemäßen Körper eingesetzt werden, um bestimmte Eigenschaften einzustel len. Beispielsweise werden Siliziumcarbid-, Borcarbid-, Alumini umnitrid- und/oder Titancarbid-Pulver bzw. Mischungen aus einem oder mehreren dieser Pulver verwendet. Any raw material powder or raw material powder mixtures can be used for the production of raw material offsets for the inventive Bodies are used to set certain properties len. For example, silicon carbide, boron carbide, aluminum umnitrid- and / or titanium carbide powder or mixtures of one or more of these powders are used.
Zur Herstellung des festen Körpers sind grundsätzlich zwei Ver fahrensvarianten geeignet. Eine erste Variante sieht vor, eine Saccharid-Lösung vorzulegen und damit das Rohstoff-Pulver, vor zugsweise bis zu etwa 70 Gew.-%, bezogen auf die Saccharid-Lösung, und ggf. weitere Zuschlagstoffe zu mischen. Bei einer zweiten Va riante wird zuerst ein Schlicker aus dem Rohstoff-Pulver und ggf. Zuschlagstoffen hergestellt und dann das oder die Saccharide zu gemischt werden. Die Saccharid-Menge sollte etwa 10 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die in dem Schlicker enthaltene Flüssigkeitsmenge, betragen.Basically, two Ver suitable driving variants. A first variant provides for one Submit saccharide solution and thus the raw material powder preferably up to about 70% by weight, based on the saccharide solution, and if necessary to mix additional aggregates. In a second Va riante first becomes a slip from the raw material powder and, if necessary, Aggregates produced and then the or the saccharides be mixed. The amount of saccharide should be about 10 to 80% by weight, based on the amount of liquid contained in the slip, be.
Bei der Korngrößenverteilung hat man die Wahl zwischen mehreren Möglichkeiten. Sie kann monomodal, aber auch bimodal mit einer Feinkorn- und einer Grobkorn-Fraktion sein. Auch ein trimodaler Aufbau mit einem feinem, einem mittelgroben und einem groben Korn ist denkbar. Bei der Herstellung faserverstärkter Keramiken soll te die Korngröße vorzugsweise auf den Faserdurchmesser abgestimmt sein.With the grain size distribution you have the choice between several Possibilities. It can be monomodal, but also bimodal with one Fine grain and a coarse grain fraction. Also a trimodal Structure with a fine, a medium-coarse and a coarse grain is conceivable. In the manufacture of fiber-reinforced ceramics te the grain size preferably matched to the fiber diameter be.
In diesem Zusammenhang wird auf die ältere, nicht vorveröffent lichte Patentanmeldung 197 36 560.4-45 verwiesen, deren Offenba rung hiermit in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.In this context, the older, not pre-published light patent application 197 36 560.4-45, whose Offenba tion is hereby incorporated into the present application.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten zur Formgebung des jeweiligen Grünkörpers. Bevorzugt wird die Herstellung im Schlickerguß-Ver fahren. Denkbar sind auch Druckguß und Folienguß. Hat man ein pastöses Ausgangsmaterial, eignen sich Extrudierverfahren, Spritzguß, isostatisches Pressen, axiales Pressen, Heißpressen, RAM-Pressen und vergleichbare Verfahren. Wichtig sind bei der Verwendung von Langfasern oder Fasergeweben auch die klassischen bekannten Wickel- und Ablegetechniken, bei denen die Faser bzw. das Gewebe in einer Aufschlämmung des Rohstoffversatzes getaucht und anschließend gewickelt bzw. gelegt und verpreßt oder ander weitig verarbeitet wird.There are numerous ways of shaping each Green body. Production in slip casting is preferred drive. Die casting and foil casting are also conceivable. Do you have one pasty starting material, extrusion processes are suitable, Injection molding, isostatic pressing, axial pressing, hot pressing, RAM presses and comparable processes. Are important at The use of long fibers or fiber fabrics also the classic ones known winding and laying techniques in which the fiber or the fabric is immersed in a slurry of raw material offset and then wound or laid and pressed or otherwise is widely processed.
Zur Einstellung der Porengröße und Porenstruktur sind neben der Korngröße und der Kornverteilung auch die jeweiligen Formgebungs verfahren zur Herstellung der Grünkörper mit einzubeziehen. Bei der Herstellung faserverstärkter Körper wird die Matrix auch um und in die Faserbündel eingelagert und hält dadurch Infiltrati onskanäle offen. Die Fasern werden vollständig in die poröse Ma trix eingebettet.To adjust the pore size and pore structure are in addition to Grain size and the grain distribution also the respective shaping process for producing the green bodies. At The matrix is also used to manufacture fiber reinforced bodies and stored in the fiber bundle and thereby keeps infiltrati on channels open. The fibers are completely in the porous Ma trix embedded.
Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliche Körper kann anschließend mit anorganischen oder organischen Stoffen, bspw. Kohlenstoff, Kohlenstoff-Precursoren oder anderen Stoffen, bspw. Metallen gefüllt werden. Zur Herstellung bspw. faserverstärkter Siliziumcarbid-Keramiken wird der poröse Körper mit Kohlenstoff oder einem Kohlenstoff-Precursor imprägniert. Dabei kann das Koh lenstoff-Angebot über den Precursortyp, also über seine Kohlen stoff-Ausbeute oder über den Verdünnungsgrad des Kohlenstoffs bzw. Precursors im Lösemittel oder Suspensionsmittel gesteuert werden. Die anschließende Silizierung erfolgt unter den üblichen Bedingungen.The body obtainable by the method according to the invention can then with inorganic or organic substances, e.g. Carbon, carbon precursors or other substances, e.g. Metals are filled. For manufacturing, for example, fiber-reinforced Silicon carbide ceramics become the porous body with carbon or impregnated with a carbon precursor. The Koh Lenstoff offer on the Precorsortyp, so its coal Yield or over the degree of dilution of the carbon or Precursors controlled in the solvent or suspending agent become. The subsequent siliconization takes place under the usual Conditions.
Zur Herstellung der faserverstärkten Körper geeignet sind alle bekannten Fasern Verstärkungsfasern, inklusive Whisker oder Pla telets. Dazu gehören Kohlenstoff-Fasern, keramische Fasern, oxi dische Fasern und nichtoxidische Fasern. Diese Fasern können so wohl als Kurzfasern als auch als kontinuierliche Fasern, auch in Form von Fasergeweben eingebracht werden.All are suitable for producing the fiber-reinforced bodies known fibers reinforcing fibers, including whiskers or pla telets. These include carbon fibers, ceramic fibers, oxi fibers and non-oxide fibers. These fibers can do so probably as short fibers as well as continuous fibers, also in Form of fiber fabrics are introduced.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin dung anhand der beigefügten Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:Exemplary embodiments of the present invention are described below dung described in more detail with the help of the attached figures. It demonstrate:
Fig. 1 und 2 Anschliffbilder verschiedener erfindungsgemäßer Körper, die aus verschiedenen Siliziumcarbid-Ver sätzen mit unterschiedlichem Saccharidanteil erhalten wurden; Figures 1 and 2 polished sections of various bodies according to the invention, which were obtained from different silicon carbide Ver sets with different saccharide content.
Fig. 3 und 4 Anschliffbilder verschiedener erfindungsgemäßer Composites, die durch Silizierung von Matrices aus Siliziumcarbid-Versätzen mit unterschiedli chem Saccharidanteil erhalten wurden. FIGS. 3 and 4 Anschliffbilder various inventive composites, the chem by silicidation of matrices of silicon carbide offsets with differing saccharide were obtained.
Zunächst soll beispielhaft die Herstellung eines Siliziumcarbid-Körpers im Schlickerguß-Verfahren beschrieben werden. Das Schlic kergußverfahren ist an sich bekannt und in den o.g. Druckschrif ten beschrieben. Der Einsatz dieses Verfahrens ist aber nicht zwingend.First of all, the production of a silicon carbide body should be exemplary be described in the slip casting process. The Schlic Kergußverfahren is known per se and in the above. Block letters described. However, the use of this method is not imperative.
Zunächst wird Wasser mit einem Verflüssiger vermischt. Dabei kann es sich um einen Verflüssiger auf der Basis von Ammoniumhydroxid oder auf organischer Basis handeln. Der pH-Wert der mit Ammonium hydroxid verflüssigten Lösung wird auf 11,4 eingestellt. Ein mo nomodaler Siliziumcarbid-Versatz mit einer mittleren Korngröße von etwa 1 µm wird in die Lösung eingerührt. Auf diese Weise wird ein homogener wässriger Schlicker mit einem Feststoffanteil von etwa 50 bis 60% hergestellt. In den Schlicker wird üblicher Haushaltszucker eingerührt. Der resultierende Rohstoff-Versatz wird in einer porösen Form entwässert und anschließend bei etwa 50 bis 110°C getrocknet. Der Formkörper wird dann 4 Stunden bei 200°C an der Luft verfestigt. Der resultierende erfindungsgemäße Körper kann mit bloßen Händen nicht zerbrochen werden.First, water is mixed with a condenser. It can it is a liquefier based on ammonium hydroxide or act on an organic basis. The pH of those with ammonium hydroxide liquefied solution is adjusted to 11.4. A mo Nomodal silicon carbide offset with a medium grain size about 1 µm is stirred into the solution. That way a homogeneous aqueous slurry with a solids content of made about 50 to 60%. In the slip is more common Table sugar stirred in. The resulting raw material offset is dewatered in a porous form and then at about 50 to 110 ° C dried. The molded body is then 4 hours 200 ° C solidified in air. The resulting invention Body cannot be broken with bare hands.
Der resultierende feste Körper wurde mit einem Phenolharz im Va kuum imprägniert und bei 175°C und 7 bar im Autoklaven ausgehär tet. Der Körper wurde anschließend bei einer Temperatur von 1000°C unter Schutzgas pyrolysiert. Die darauf folgende Flüs sigsilizierung erfolgte mittels Dochtinfiltration bei 1560°C. Die Haltezeit betrug 10 Minuten.The resulting solid was washed with a phenolic resin in Va vacuum impregnated and cured at 175 ° C and 7 bar in an autoclave tet. The body was then at a temperature of Pyrolyzed 1000 ° C under protective gas. The following rivers sigilization was carried out by wick infiltration at 1560 ° C. The Holding time was 10 minutes.
In den Rohstoff-Versatz können auch Verstärkungsfasern u. dgl. eingemischt werden. Dabei sollte der Saccharidgehalt des Roh stoffversatzes vorteilhafterweise mindestens etwa 10 Gew.-% be tragen.In the raw material offset, reinforcing fibers and. the like to be mixed in. The saccharide content of the raw material offset advantageously at least about 10 wt .-% be carry.
Im Rahmen einer Meßreihe wurden mit dem soeben beschriebenen Ver fahren feste Körper aus einem Rohstoff-Versatz mit einem Zucker gehalt von 10, 20, 30, 40, 50, 60 und 70 Gew.-% hergestellt und vermessen. Als Nullprobe wurde ein Rohstoff-Versatz ohne Binde mittel verarbeitet. As part of a series of measurements with the Ver drive solid bodies from a raw material offset with a sugar content of 10, 20, 30, 40, 50, 60 and 70 wt .-% manufactured and measured. A raw material offset without bandage was used as a zero sample medium processed.
Insbesondere die faserverstärkten Materialien sind für tribologi sche Anwendungen, wie z. B. Bremseinheiten und Gleitelemente und für Strukturanwendungen, z. Bsp. in Automobilbau und Rennsport, Triebwerksbau und Raumfahrt geeignet.In particular, the fiber-reinforced materials are for tribologi cal applications, such as B. brake units and sliding elements and for structural applications, e.g. E.g. in automobile construction and racing, Suitable for engine construction and space travel.
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DE19820832A DE19820832A1 (en) | 1998-05-09 | 1998-05-09 | Production of a solid body used, e.g., as brake disk |
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