专利名称：用于摩擦用途的金属－陶瓷复合材料以及基于该材料的限定滑动/摩擦对的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于摩擦/滑动用途的金属—陶瓷复合材料，其中为了保证或改善作用效果，所使用的材料/材料组合具有很高的导热性和/或只产生很小的摩擦热和/或趋于产生很小的静摩擦，此外本发明还涉及基于这种材料的限定滑动/摩擦对。
在滑动对和在摩擦对中，必须要顺畅地将所形成的摩擦热从摩擦/滑动区域中排导出。为此就要求保持一层润滑膜或者是维持恒定的摩擦值。对于滑动对，特别是在混合摩擦区或在干式运转时，根据现有技术就需要使用基于碳化硅代替碳的滑动对，如记载在W.Tietze，Handbuch Dichtungspraxis，第2版，Vulkan出版社，2000中的那些。
由于碳的导热能力比较低，例如，根据Schunk Kohlenstofftechnik GmbH公司的Technologien in Kohlenstoff，Geschftsbereich 1，Lager- undDichtumgstechnik，Werkstoffkennwerte，Standardwerkstoffe，Schunk，30.14(1997)测得的该材料特征值为8至17W/mK，会导致管缝中的温度显著升高。这种温度升高导致连接系统和灌注料的热应力，致使材料发生改变，又带来不利的滑动条件。尽管摩擦特性变差，但是，碳化硅的导热性却很高，例如达80-130W/mK。
滑动对偶件温度的升高会影响管缝中的各流体并导致摩擦/滑动条件的改变。溶解的产品也会由于温度变化而结晶出来，而这就会使得静止状态后启动或是运转力矩提高并会在不利的情况下导致滑动对偶件的粘结。
上述这些情况无论在旋转运动还是在平移运动的密封件上都会发生。
另外，滑动对偶件的机械性能值，如抗拉强度、抗弯强度和硬度值都很低，例如碳只有30至80MPa，这就限制了上述密封件的使用范围。填料，特别是灌注料会部分地受到侵蚀。化学腐蚀性介质是渗透的罪魁祸首并会因此而改变摩擦条件。这也就成了管缝中温度升高的又一原因。
温度和压力会改变几何尺寸并因此而改变滑动对偶件原始的设计状态，于是这就通常会导致作用效果变差。
因此本发明的任务在于提供一种便利的摩擦/滑动系统，其特征在于满足以下要求恒定的摩擦/滑动性、较高的导热能力、由于很高的E模量而具有的不变形性和很高的坚韧性。
该项任务的解决在于选择某种特定的材料和材料对。
具有所需性能的本发明的材料包括金属-陶瓷复合材料，即MKV材料，其由一个或多个比例为30至75体积％的金属相和一种或多种比例为25至70体积％的非金属无机组分组成。作为金属相，优选的是铝及其合金。非金属陶瓷组分则是陶瓷材料，优选为碳化硅、氧化铝、氧化钛和硅酸盐。
基于Al2O3和Al的一种优选的MKV材料，其组成为40至60体积％的Al2O3和60至40体积％的Al，且导热能力大于50W/mK，抗弯强度例如为300MPa以及E模量为例如160GPa。
基于SiC和Al的另一种优选的MKV材料，其组成为60至80体积％的SiC和40至20体积％的Al，且导热能力为例如180W/mK，抗弯强度为例如300MPa，以及E模量为例如200GPa。
具有的金属比例大于50体积％的金属-陶瓷复合材料称为金属基质复合材料(MMC)。而如果陶瓷比例超过50体积％，这种材料则称为陶瓷基质复合材料(CMC)。
在被加工的作用面上，得到的表面品质其Ra值小于1μm。但如果使用合适的硬度加工方法，也能改变该值并因此而根据摩擦对偶件的不同将其调整到最佳值。
通过在MKV材料和表面品质方面对材料进行选择，可以减少在摩擦/滑动使用场合中产生的热量。另外，由于材料较高的导热能力，在密封缝中形成的热量也能顺畅地释放到环境中去。正是由于此，密封缝温度下降并且能在实质上减小密封缝中破裂、结晶析出和膜层形成这些现象的发生。其结果便是获得更为有益和恒定的摩擦系数和磨损值。
此外，较好的不变形性也减少了边缘释放的可能性。这样就降低了温度峰值并使得密封缝中的液体膜更稳定，也从而再次降低了摩擦功和热量产生。
在所谓的硬/软对中，如果用陶瓷材料或复合材料取代诸如碳或塑料的软质对偶件，则整个系统的机械性能都会得到改善并且由此拓展了使用可能。另外，由于避免了易于隆起和/或受化学腐蚀严重的摩擦对偶件，摩擦条件也就得到了改善。因此，与至今以来的材料相比，可以将对偶件设计得使其公差极限更小。
在所谓的硬/硬对中，如果使用MKV材料，则摩擦对的干式运转情况或是自润滑性都会得到改善。
通过降低磨损就能延长摩擦对的使用寿命并延长维修间隔期。
如果使用本发明的材料和材料对，则在工业领域，特别是在汽车和消费品工业方面能获得巨大的改善效果。
一般而言，通过有目的地设计材料，即在渗透结构中选择陶瓷和金属的组合，对偶件的摩擦性就能适于以下示例性列举出的各种应用场合。
冷却水泵中的滑动密封件，特别是MKV/碳、MKV/Al2O3、MKV/SSiC、MKV/MKV、MKV/HM(硬质金属)、MKV/ZTA(Al2O3+ZrO2)。
餐具喷洗机中的滑动密封件，特别是MKV/碳、MKV/Al2O3、MKV/SSiC、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/塑料；适当时经纤维增强。
汽油直接喷射泵中的滑动密封件，特别是MKV/碳、MKV/SSiC、MKV/Al2O3、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/ZTA。
CO2压缩机中的滑动密封件，特别是MKV/SSiC、MKV/Al2O3、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/ZTA。
刹车、轴承、密封或驱动元件间特定的滑动/摩擦对，例如在升降机、自动扶梯、起重机、干式离合器中、在活塞和气缸中的泵和压缩机中、在斜轴轮盘、径向轴承或端轴承中、在研磨柱的轴承中和在轴密封圈的滑动对偶件中。
通过对各种使用情况有目的地选择出适合的摩擦对偶件材料，就能将其应用于全新的使用场合，特别是在无润滑剂使用领域，如在制药和化妆品工业或在食品技术中。
特别是在那些在一段静态时间之后密封缝中会出现粘合和堆积并伴随较高启动力矩的场合中，推荐将本发明的材料用作为摩擦对偶件，例如作为用于Espresso、卫生和工业装置中或制动阀中的密封板。
其他的应用场合是汽油泵或转向助力泵中的侧板。在这种使用场合下，除了耐磨损性外还要求有很高的尺寸精度，而这一点则由于部件很低的收缩性而得到了保证。由此泵的工作效率就得到了提高，也由此使得更小、更紧凑和更简便的使用方式成为可能。
可以用作如内燃机、密封件或排气阀中的滚轮和/或轴承件。
如在诸如柴油机中高要求的阀动装置中的应用也是对于当前较为昂贵的解决方案的一种可选方法。
通常，可以专门根据顾客图样和顾客特殊要求来制造滑动件。典型的大批量生产的滑动环的尺寸是外直径18至28mm，内直径8至20mm，高2至5mm。
权利要求
1.用于摩擦/滑动用途的金属-陶瓷复合材料，特征在于其基本组成由一种或多种比例为30至75体积％且优选为铝及其合金的金属相，以及一种或多种比例为25至70体积％且优选碳化硅、氧化铝、氧化钛和硅酸盐作为陶瓷材料的非金属无机组分构成。
2.如权利要求1的金属-陶瓷复合材料，其特征在于组成中含有40至60体积％的Al2O3和60至40体积％的Al。
3.如权利要求2的金属-陶瓷复合材料，其特征在于导热能力大于50W/mK，抗弯强度为约300MPa，且弹性模量为约160GPa。
4.如权利要求1的金属-陶瓷复合材料，其特征在于组成中含有60至80体积％的SiC和40至20体积％的Al。
5.如权利要求4的金属-陶瓷复合材料，其特征在于导热能力为至少180W/mK，抗弯强度为约300MPa，且弹性模量为约200GPa。
6.如权利要求1至5之一的金属-陶瓷复合材料，其特征在于与摩擦/滑动对偶件相接触的表面具有小于1μm的Ra值。
7.滑动环，其由如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料制成。
8.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料的或是基于如权利要求7的滑动环的滑动/摩擦对，其特征在于以下的对由一金属-陶瓷复合材料(MKV)构成的偶件，和一由MKV或碳或Al2O3或SSiC或硬质金属(HM)或ZTA(Al2O3和ZrO2)或塑料，必要时经纤维增强，构成的偶件组成。
9.如权利要求8的在冷却水泵中作为滑动密封件的滑动/摩擦对，其特征在于有以下材料对MKV/碳、MKV/Al2O3、MKV/SSiC、MKV/MKV、MKV/HM(硬质金属)、MKV/ZTA(Al2O3+ZrO2)。
10.如权利要求8的在餐具喷洗机中作为滑动密封件的滑动/摩擦对，其特征在于有以下材料对MKV/碳、MKV/Al2O3、MKV/SSiC、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/塑料，适当时经纤维增强。
11.如权利要求8的作为汽油直接喷射泵的滑动密封件的滑动/摩擦对，其特征在于有以下材料对MKV/碳、MKV/SSiC、MKV/Al2O3、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/ZTA。
12.如权利要求8的在CO2压缩机中作为滑动密封件的滑动/摩擦对，其特征在于有以下材料对MKV/SSiC、MKV/Al2O3、MKV/MKV、MKV/HM、MKV/ZTA。
13.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料的滑动/摩擦对，其位于刹车、轴承、密封或驱动元件之间，例如在升降机、自动扶梯、起重机、干式离合器中、在活塞和气缸中的泵和压缩机中、在斜轴轮盘、径向轴承或端轴承中、在研磨柱的轴承中和在轴密封圈的滑动对偶件中。
14.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料且用在无润滑剂领域内如在制药和化妆品工业中或者在食品技术中的滑动/摩擦对。
15.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料且用在卫生领域或工业装置中的滑动/摩擦对。
16.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料且用在汽油泵或转向助力泵侧板上的滑动/摩擦对。
17.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料且用在内燃机、密封件或排气阀中的滚轮和/或轴承件上的滑动/摩擦对。
18.基于如权利要求1至6之一的金属-陶瓷复合材料且用在柴油机内阀动装置上的滑动/摩擦对。
全文摘要
在滑动对和在摩擦对中，必须要顺畅地将所形成的摩擦热从摩擦/滑动区域中排导出。为此就要求保持一层润滑膜或者是维持恒定的摩擦值。因此本发明在于使用用于摩擦/滑动的金属－陶瓷复合材料，其特征在于其基本组成由一种或多种比例为30至75体积％且优选为铝及其合金的金属相，以及一种或多种比例为25至70体积％且优选碳化硅、氧化铝、氧化钛和硅酸盐作为陶瓷材料的非金属无机成分构成。
文档编号C22C29/00GK1639480SQ03805130
公开日2005年7月13日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年3月5日
发明者G·迈尔, I·伦克 申请人:创新陶瓷工程技术公司