DD301860A9

DD301860A9 - Methode zur Bildung von Metallmatrixverbundkoerpern durch ein Verfahren mit selbsterzeugtem Vakuum und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte

Info

Publication number: DD301860A9
Application number: DD34281990A
Authority: DD
Inventors: Robert C Kantner; Ratnesh K Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1994-05-26
Also published as: NO902979L; AU5878490A; CS354890A3; RU1825325C; HU904203D0; JPH03153832A; FI91613C; CN1051591A; CA2020672A1; IL94959A0; NO902979D0; KR910009601A; YU47108B; EP0427658A3; FI91613B; FI903609A0; HUT64933A; AU641666B2; IE902463A1; TR27133A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur direkten Formung von Metallmatrixverbundkörpern von Nettoform. Dabei wird ein geschmolzenes Matrixmetall in einem undurchlässigen Behälter in wenigstens zeitweiser Gegenwart einer reaktiven Atmosphäre mit einer Masse eines Füllstoffs oder einer Vorform in Berührung gebracht. Durch die Reaktion des geschmolzenen Matrixmetalls mit der reaktiven Atmosphäre wird ein Vakuum erzeugt, unter dessen Einfluß eine Infiltration des geschmolzenen Matrixmetalls in den Füllstoff bzw. die Vorform ohne Anlegen eines äußeren Drucks oder Vakuums bis zu einem Sperrelement erfolgt, das die Nettoform des erhaltenen Metallmatrixverbundkörpers bestimmt.{Metallmatrixverbundkörper; Formung; Nettoform; Matrixmetall; Füllstoff; Vorform; reaktive Atmosphäre}

Description

Hierzu 15 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Metallmatrixverbundkörpern. Im einzelnen wird ein flüssiges Matrixmetall mit einem Füllmaterial oder einer Vorform bei Anwesenheit einer reaktiven Atmosphäre in Kontakt gebracht, und wenigstens zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens reagiert das flüssige Matrixmetall, entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig, mit der reaktiven Atmosphäre, wodurch das flüssige Matrixmetall veranlaßt wird, das Füllmaterial oder die Vorform auf Grund, wenigstens teilweise, der Bildung eines selbsterzeugten Vakuums zu infiltrieren. Diese Infiltration durch selbsterzeugtes Vakuum erfolgt ohne Anwendung eines äußeren Drucks oder Vakuums.

Ausgangssituation der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einem Matrixmetall und einer festigenden oder verstärkenden Phase, wie dispersen keramischen Bestandteilen, Whiskern, Fasern oder ähnlichen, bestehen, sind vielversprechend für eine Vielzahl von Anwendungen, weil sie eine gewisse Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der verstärkenden Phase mit der Dehnbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix verbinden. Im allgemeinen weist ein Metallmatrixverbundstoff Verbesserungen bei solchen Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Beibehaltung der Festigkeit bei erhöhten Temperaturen gegenüber dem Matrixmetall in monolithischer Form auf, der Grad aber, in welchem eine gegebene Eigenschaft verbessert sein kann, ist im wesentlichen von den speziellen Bestandteilen, deren Volumen- oder Gewichtsfraktion und davon abhängig, wie sie bei der Bindung des Verbundstoffes verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundstoff auch von geringerem Gewicht als das Matrixmetall an sich sein. Aluminiummatrixverbundstoffe, die mit keramischen Stoffen, wie Siliciumcarbid in Partikulat-, Plättchen- oder Whiskerform verstärkt sind, sind bespielsweise auf Grund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und Hochtemperaturfestigkeit im Verhältnis zu Aluminium von Interesse.

Es wurden verschiedene metallurgische Verfahren für die Fertigung von Aluminiummatrixverbundstoffen beschrieben, einschließlich solcher Methoden, die auf Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrationstechniken basieren, bei denen Druckguß-, Vakuumguß-, Rühr- und Benetzungsmittel genutzt wurden.

Bei Pulvermetallurgietechniken werden das Metall in Form eines Pulvers und das Verstärkungsmittel in Form eines Pulvers, von Whiskern, zerkleinerten Fasern usw. miteinander gemischt und dann entweder kaltgepreßt und gesintert oder warmgepreßt. Die Produktion von Metallmatrixverbundstoffen durch Pulvermetallurgietechniken unter Anwendung herkömmlicher Verfahren legt hinsichtlich der Charakterisierung der erreichbaren Produkte bestimmte Beschränkungen auf. Die Volumenfraktion der keramischen Phase im Verbundstoff ist begrenzt, bei dispersen Bestandteilen im typischen Fall auf etwa 40%. Außerdem auferlegt der Preßvorgang eine Grenze für die erreichbare praktische Größe. Ohne anschließende Dearbeitung (z. B. Formen oder maschinelles Bearbeiten) oder ohne Zuhilfenahme komplexer Pressen sind nur verhältnismäßig einfache Erzeugnisformen möglich. Außerdem kann während des Sinterns ein ungleichmäßiges Schrumpfen sowie Uneinheitlichkeit der MikroStruktur auf Grund von Seigerung in den Preßlingen und Kornwachstum auftreten.

US-PS 3970136 vom 20.JuIi 1976, J. C. Cannell u.a., beschreibt ein Verfahren zur Bildungeines Metallmatrixverbundstoffes unter Einbeziehung einer fasrigen Verstärkung, z. B. von Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxidwhiskern, der ein festgelegtes Schema der Faserorientierung hat. Der Verbundstoff wird so hergestellt, daß parallele Matten oder Filze von coplanaren Fasern in eine Form mit einem Reservoir des flüssigen Matrixmetalls, z. B. Aluminium, zwischen wenigstens einigen der Matten gegeben werden und Druck auf die Metallschmelze ausgeübt wird, um die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umschließen. Metallschmelze kann auf den Mattenstapel gegossen werden, während sie unter Druck zum Fluß zwischen den Matten gebracht wird. Es wurden Füllungen bis zu etwa 50 Vol.-% der Verstärkungsfaser angegeben.

Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß unterliegt angesichts der Abhängigkeit von äußerem Druck, um das flüssige Grundmetall durch den Stapel fasriger Matten zu drücken, den Unwägbarkeiten von druckinduzierten Fließverfahren, d.h., möglicher Ungleichmäßigkeit der Matrixbildung, Porosität usw. Eine Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften ist selbst dann möglich, wenn die Metallschmelze an einer Vielzahl von Stellen innerhalb der fasrigen Anordnung eingeführt wird. Folglich müssen komplizierte

Matten-Reservoir-Anordnungen und Flußbahnen geschaffen werden, um eine angemessene und einheitliche Durchdringung des Stapels der Fasermatten zu erreichen. Außerdom gestattet die genannte Druckinfiltrationsmethodo nur eine verhältnismäßig geringe Verstärkung der Matrixvolumenfraktion, was auf die Schwierigkeiten zurückzuführen ist, die der Infiltration eines großen Mattenvolumons eigen sind. Außerdem müssen die Formen die Metallschmelze unter Druck enthalten, wodurch die Kosten des Verfahrens erhöht werden. Schließlich ist das genannte Verfahren, das auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht auf die Bildung von Metallmatrixverbundstoffen gerichtet, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.

Bei der Fertigung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxidfüllstoff-Verbundstoffen benetzt das Aluminium das Aluminiumoxid nicht ohne weiteres, wodurch es schwierig ist, ein kohärentes Produkt herzustellen. Gleiche Erwägungen gelten bei andoren Grundmetall-Füllstoff-Kombinationen. Es wurden verschiedene Lösungen dieses Problems vorgeschlagen. Eines dieser Verfahren besteht darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall (z. B. Nickel oder Wolfram) zu beschichten, welches dann zusammen mit dem Aluminium warmgepreßt wird. Bei einer anderen Methode wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet werden. Diese Verbundstoffe weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abschwächen, oder die Matrix enthält Lithium, was die Eigenschaften der Matrix beeinträchtigen k.inn.

US-PS 4232091 von R.W. Grimshaw u. a. überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf dem Gebiet, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxid-Verbundstoffen auftreten. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um Aluminiumschmelzri (oder flüssige Aluminiumlegierung) in eine f asrige oder Whiskermatte aus Aluminiumoxid zu drücken, die auf 70O°C bis 1050⁰C vorerhitzt worden ist. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall in dem resultierenden fostan Gußstück beträgt ¹A. Auf Grund der Abhängigkeit von äußerer Kraft zum Erreichen der Infiltration unterliegt dieses Verfahren vielen der Mängel, die oben für das Patent von Cannell u.a. angegeben wurden. EP-PA115 742 beschreibt die Herstellung von Aluminium-Aluminiumoxid-Verbundstoffen, die besonders als Komponenten elektrolytischer Zellen geeignet sind, durch Füllen der Hohlräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit flüssigem Aluminium. Die Anmeldung unterstreicht die Nichtbentzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und daher werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid überall in der Vorform zu benetzen. Beispielsweise wird das Aluminiumoxid mit einem Benetzungsmittel aus Diborid von Titan, Zircon, Hafnium oder Niob oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel, Zircon oder Hafnium, beschichtet. Um das Benetzen zu erleichtern, wird mit einer inerten Atmosphäre, wie Argon, gearbeitet. Diese Referenz zeigt auch den Einsatz von Druck, um das Durchdringen einer unbeschichteten Matrix durch Aluminiumschmelze zu b wirken. Nach diesem Aspekt wird die Infiltration durch Evakuieren der Poren und anschließende Ausübung von Druck auf die Aluminiumschmelze in einer inerten Atmosphäre, z. B. Argon, erreicht. Als Alternative dazu kann die Vorform durch Dampf phasenablagerung von Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Hohlräume durch Infiltration mit flüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Halten des Aluminiums in den Poren der Vorform zu gewährleisten, ist eine Wärmebehandlung, z. B. bei 1400°C bis 1800⁰C, entweder im Vakuum oder in Argon erforderlich. Andernfalls führen entweder die Exponierung des druckinfiltrierten Materials gegenüber Gas oder die Wegnahme des Infiltrationsdruckes zu einem Verlust des Aluminiums aus dem Körper. Der Einsatz von Benetzungsmitteln, um die Infiltration einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit Metallschmelze zu bewirken, wird auch in EP-PA 94 353 gezeigt. Diese Publikation beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytisches Metallgewinnen mit einer Zelle, die eine Katodenstromspeiseleitung als Zellbeschichtung oder -substrat hat. Um dieses Substrat vor flüssigem Kryolith zu schützen, wird vor dem Anfahren der Zelle oder während des Eingetauchtseins in das durch den elektrolytischen Prozeß hergestellte Aluminium ein dünner Überzug eines Gemische aus einem Benetzungsmittel und einem Solubilitätsunterdrücker auf das Aluminiumoxidsubstrat aufgebracht. Als Benetzungsmittel werden Titan, Zircon, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium offengelegt, und Titan wird als das bevorzugte Mittel angegeben. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in der Aluminiumschmelze angegeben. Die Referenz sieht jedoch nicht die Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen vor.

Neben dem Einsatz von Druck und Benetzungsmitteln wurde offengelegt, daß ein angelegtes Vakuum das Eindringen der Aluminiumschmelze in ein keramisches poröses Preßteil unterstützt. Beispielsweise berichtet US-PS 3 718 441 vom 21. Februar 1973, R. L. Landingham, über die Infiltration eines keramischen Preßteils (z. B. Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) durch flüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10"⁶ Torr. Ein Vakuum von 10~^J bis 10~⁶ Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch die Metallschmelze in einem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die keramischen Hohlräume floß. Es wurde jedoch angegeben, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10~^e Torr verringert wurde.

US-PS 3 864154 vom 4. Februar 1975, G.E. Gazza u. a., zeigt ebenfalls den Einsatz eines Vakuums zum Erreichen von Infiltration. Das Patent beschreibt die Einbringung eines kaltgepreßten Preßteils aus AIB,₂-Pulver auf ein Bett aus kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde oben auf das Preßteil aus AIB₁₂-Pulver weiteres Aluminium gegeben. Der Schmelztiegel, der mit dem AIB₁₂-Preßteil, zwischen die Schichten des Aluminiumpulvers geschichtet, beladen war, wurde in einen Vakuumofen gebracht. Der Ofen wurde auf etwa 10~⁶ Torr evakuiert, um das Entgasen zu ermöglichen. Anschließend wurde die Temperatur auf 1100°C erhöht und 3 Stunden bei diesem Wert gehalten. Unter diesen Bedingungen drang die Aluminiumschmelze in das poröse AIB₁₂-Preßteil ein.

Eine Methode zur Herstellung von Verbundstoffen, die ein verstärkendes Material, wie Fasern, Drähte, Pulver, Whisker oder ähnliches, enthalten, wird in der EP-PA 045 002, die am 3. Februar 1982 auf den Namen von Donomoto veröffentlicht wurde, offengelegt. Ein Verbundmaterial wird so hergestellt, daß ein poröses, verstärkendes Material (z. B. ausgerichtete Fasern von Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder Bor), das mit der Atmosphäre nichtreaktiv ist, und eine Metallschmelze (z. B. Magnesium oder Aluminium) in einen Behälter mit einem offenen Abschnitt gegeben werden, in den Behälter im wesentlichen reiner Sauerstoff geblasen wird, dieser Behälter dann in einen Pool der Metallschmelze getaucht wird, wodurch die Metallschmelze die Zwischenräume des verstärkenden Materials infiltriert. Die Publikation legt offen, daß die Metallschmelze mit dem im Behälter vorhandenen Sauerstoff reagiert, um eine feste, oxidierte Form des Metalls zu bilden, wobei im Behälter ein Vakuum entsteht, welches Metallschmelze durch die Zwischenräume des verstärkenden Materials und in den Behälter zieht. Bei einem alternativen

Ausführungsbeispiel legt die Publikation die Anordnung eines Sauerstoff-Getter-Elementes (z.B. Magnesium) innerhalb des Behälters offen, um mit dem Sauerstoff in dem Behalter zu reagieren und ein Vakuum zu schaffen, welches, unterstützt durch dio Unterdrucksetzung der Metallschmelze durch 50 kg/cm² Argon, die Metallschmelze (z. B. Aluminium) in den Behälter zieht, der mit dem verstärkenden Material (z. B. ausgerichteten Kohlenstoffasorn) gefüllt ist.

US-PS 3 867 177 vom 18.Februar 1975, J.J.Ott u.a., legt eine Methode zur Imprägnierung eines porösen Körpers mit einem Metall offen, wobei der Körper zuerst mit einem „AktivatormetaH" kontaktiert und dann der Köiper in ein „Füllmetall" eingetaucht wird. Im einzelnen wcden eine poröse Matte oder ein verdichteter Körper aus Füllmaterial in ein flüssiges Aktivatormetall über eine Zeitspanne getaucht, die ausreicht, um die Zwischenräume des Körpers vollständig mit flüssigem Aktivatormetall nach der Metho io von Reding u. a., Patent 3 36<* 976, das unten behandelt wird, zu füllen. Anschließend, nachdem sich das Aktivatormotall verfestigt hat, wird der Verbundkörper vollständig in ein zweites Metall getaucht und in diesem über eine ausreichende Zeitspanne gehalten, damit das zweite Metall das Aktivatormetall im gewünschten Umfang ersetzen kann. Dann läßt man den gebildeten Körper abkül '-"> Möglich ist es auch, das Füllmaterial zumindest teilweise aus dem Innerendes porösen Körpers zu entfernen und mit wenigstens einem dritten Metall zu ersetzen, wiederum durch teilweises oder vollständiges Eintauchen des porösen Körpers in ein flüssiges Austauschmaterial über eine ausreichende Zeitspanne, um eine gewünschte Menge des Austauschmaterials in den porösen Körper aufzulösen oder zu diffundieren. Der resultierende Körper kann auch intermetallische Phasen der Metallo in den Zwischenräumen zwischen dem Füllmaterial enthalten. Die Anwendung eines mehrstufigen Verfahrens, einschließlich des Einsatzes eines Aktivatormetalls zur Bildung eines Verbundstoffes mit der gewünschten Zusammensetzung, ist zeitlich wie auch finanziell aufwendig. Außerdem beschränken die Begrenzungen hinsichtlich der Verarbeitung auf der Grundlage von z. B. der Kompatibilität der Metalic (d. h. der Löslichkeit, des Schmelzpunktes, der Reaktivität usw.) die Möglichkeit, die Eigenschaften des Materials für einen gewünschten Zweck maßzuschneidern.

US-PS 3 529 655 vom 22. September 1970, G. D. Lawrence, legt ein Verfahren zur Bildung von Verbundstoffen aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen und Siliciumcarbidwhiskern offon. Im einzelnen wird eine Form, die wenigstens eine Öffnung zur Atmosphäre hat und im Innenvolumen der Form Siliciumcarbidwhisker enthält, in ein Bad aus Magnesiumschmelze getaucht, so daß sich alle Öffnungen in der Form unter der Oberfläche der Magnesiumschmelze über eine ausreichende Zeitspanne befinden, damit das Magnesium das verbleibende Volumen des Formhohlraumes füllen kann. Es wird gesagt, daß die Metallschmelze, wenn sie in den Formhohlraum eintritt, mit der darin enthaltenen Luft reagiert, um geringe Mengen an Magnesiumoxid und Magnesiumnitrid zu bilden, wodurch ein Vakuum entsteht, das zusätzliche Metallschmelze in den Hohlraum und zwischen die Whisker des Siliciumcarbids zieht. Die gefüllte Form wird anschließend aus dem flüssigen Magnesiumbad genommen, und man läßt das Magnesium in der Form fest werden.

US-PS 3 364 976 vom 23. Januar 1968, John N. Reding u. a., legt die Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper offen, um das Eindringen einer Metallschmelze in den Körper zu vergrößern. Im einzelnen wird ein Körper, z. B. eine Graphit- oder Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in eine Metallschmelze, z. B. Magnesium, Magnesiumlegierung oder Aluminiumlegierung, eingetaucht. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas, z. B. Luft, das mit der Metallschmelze reaktiv ist, gefüllt ist, mit dem außen befindlichen flüssigen Metall durch wenigstens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, erfolgt das Füllen des Hohlraumes, das bei der Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und der Metallschmelze ein Vakuum erzeugt wird. Insbesondere ist das Vakuum das Ergebnis der Bildung einer festen, oxydierten Form des Metalls.

US-PS 3 396 777 vom 13. August 1968, John N. Reding jr., legt die Schaffung eines selbsterzeugten Vakuumszur Verstärkung des Eindringens einer Metallschmelze in einen Körper aus Füllmaterial offen. Im einzelnen beschreibt das Patent einen Stahl- oder Eisenbehälter, der an einem Ende zur Atmosphäre hin offen ist, wobei der Behälter einen porösen, festen Partikulatstoff, z. B. Koks oder Eisen, enthält, und der am offenen Ende mit einem Deckel versehen ist, welcher Perforationen oder Durchgangslöcher von kleinerem Durchmesser als die Teilet ι ngröße des porösen, feste"« Tüllmaterials aufweist. Der Behälter nimmt innerhalb der Porosität des Füllstoffs auch eine Atmosphäre, z. B. Luft, auf, die zumindest teilweise mit der Metallschmelze, z. B. Magnesium, Aluminium usw., reaktiv ist. Der Deckel des Behälters ist in ausreichender Entfernung unter die Oberfläche der Metallschmelze getaucht, um den Eintritt von Luft in den Behälter zu verhindern, und der Deckel wird über eine ausreichende Zeitspanne unter der Oberfläche gehalten, damit die Atmosphäre im Behälter mit der Metallschmelze reagieren kann, um ein festes Produkt zu bilden. Die Reaktion zwischen der Atmosphäre und der Metallschmelze führt innerhalb des Behälters und des porösen, festen Stoffs zu niedrigem Druck oder im wesentlichen zu Vakuum, welche die Metallschmelze in den Behälter und in die Poren des porösen, festen Stoffs ziehen.

Das Verfahren von Reding jr. ist gewissermaßen mit den Verfahren verwandt, die in der EP-PS 045 002 und in den US-PS 3 867 177,3 529 655 und 3 364 976 beschrieben werden, die alle vorstehend behandelt wurden. Im einzelnen sieht dieses Patent von Reding jr. ein Bad flüssigen Metalls vor, in welches ein Behälter, der einen Füllstoff enthält, ausreichend tief eingetaucht wird, um eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und der Metallschmelze zu induzieren und um den Hohlraum mit dem flüssigen Metall abzudichten. Nach einem anderen Aspekt dieses Patentes wird die Oberfläche des flüssigen Bades des Grundmetalls, das im flüssigen Zustand der Oxydation unterliegen kann, wenn es mit der Luft in Kontakt kommt, mit einer Schutzschicht oder mit Flußmittel bedeckt. Das Flußmittel wird ausgespült, wenn der Behälter in das flüssige Metall eingeführt. ird, aber trotzdem können Kontaminanten aus dem Flußmittel in das Bad des flüssigen Grundmetalls und/oder in den Behälter und das zu infiltrierende, poröse, feste Material einbezogen werden. Diese Kontamination kann selbst bei sehr niedrigen Werten schädlich für die Bildung des Vakuums im Behälter sowie für die physischen Eigenschaften des resultierenden Verbundstoffes sein. Außerdem kann auf Grund der Gravitationskräfte bei der Entnahme des Behälters aus dem Bad des flüssigen Grundmetalls und der Ableitung von überschüssigem Grundmetall aus dem Behälter ein Verlust an Grundmetall aus dem infiltrierten Körper auftreten.

Demzufolge besteht seit langem die Notwendigkeit für ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zur Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen, das sich nicht auf die Anwendung eines außen angelegten Druckes oder Vakuums stützt, ebenso wenig auf schädigende Benetzungsmittel oder die Nutzung eines Pools der Grundmetallschmelze, mit den damit verbundenen, oben genannten Nachteilen. Außerdem besteht seit langem die Notwendigkeit für ein Verfahren, das die abschließenden maschinellen Bearbeitungsoperationen minimiert, die für die Herstellung eines Metallmatrixverbundkörpers erforderlich sind.

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Notwendigkeiten durch die Schaffung eines Verfahrens, das ein selbsterzeugtes Vakuum zur Infiltration eines Materials (z. B. eines keramischen Materials) einschließt, welches in einer Vorform mit einer Grundmetallschmelze (z. B. Aluminium, Magnesium, Bronze, Kupfer, Gußeisen usw.) bei Anwesenheit einer reaktiven Atmosphäre (ζ. B. Luft, Stickstoff, Sauerstoff usw.) unter normalen atmosphärischen Drücken gebildet werden kann.

Diskussion von verwandten Patenten und Patentanmeldungen derselben Anmelder

Eine neuartige Methode zur Bildung eines Metallmatrixverbundstoffs durch Infiltration einer durchlässigen Masse eines Füllstoffs, welche in einer Keramikmatrixverbundform enthalten ist, wird in US-PA, Serien-Nr. 142 385, vom 11 .Januar 1988, Dwivedi u.a., unter dem Titel „Method of Making Metal Matrix Composites" (Methode zur Herstellung von Metallmatrixverbundstoffen) offenbart, die nun in den USA geschützt wurde. Nach der Methode der Erfindung von Dwivedi u.a. wird eine Form durch die gerichteto Oxydation eines flüssigen Vorläufermetalls oder Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel gebildet, um ein polykristallines Oxydationsreaktionsprodukt zu entwickeln oder wachsen zu lassen, welches wenigstens einen Abschnitt einer Vorform einbettet, die aus einem geeigneten Füllstoff (als „erster Füllstoff" bezeichnet) besteht. Die gebildete Form des Keramikmatrixverbundstoffs wird dann mit einem zweiten Füller versehen, und der zweite Füllstoff und die Form werden mit Metallschmelze in Kontakt gebracht, und der Inhalt der Form wird hermetisch abgedichtet, im typischsten Fall durch die Einführung von wenigstens einer Metallschmelze in den Eingang oder die Öffnung, welche die Form verschließen. Die hermetisch abgeschlossene Einbettung kann mitgeführte Luft enthalten, aber die mitgeführte Luft und der Forminhalt sind isoliert oder hermetisch abgeschlossen, um so die Außen- oder Umgebungsluft auszuschließen oder abzuschalten. Durch die Schaffung der hermetischen Umgebung wird eine wirksame Infiltration des zweiten Füllstoffs bei mäßigen Temperaturen der Metallschmelze erreicht, wodurch die Notwendigkeit von Benetzungsmitteln, speziellen Legierungsbestandteilen im flüssigen Matrixmetall, angewandtem mechanischen Druck, angelegtem Vakuum, speziellen Gastemperaturen oder anderen Infiltrationshilfsmitteln überflüssig oder ausgeschaltet wird.

Die Methode von Dwivedi u.a. wurde von Kantner u.a. in einer im gemeinsamen Besitz befindlichen und hiermit im Zusammenhang stehenden US-PA, Serien-Nr. 07/381 523, vom 18. Juli 1989 mit dem Titel „A Method of Forming Metal Matrix Composite Bodies by a Self-Generated Vacuum Process, and Products Produced Therefrom" (Methode zur Bildung von Metallmatrixverbundkörpern durch ein Verfahren mit selbsterzeugtem Vakuum und nach diesem Verfahren hergestellte Produkte) verbessert. Nach der Methode von Kantner u.a. wird ein undurchlässiger Behälter hergestellt und in den Behälter ein Füllmaterial oder eine Vorform gegeben. Dann wird ein Matrixmetall verflüssigt und mit dem Füllmaterial oder der Vorform in Kontakt gebracht. Dann wird ein Abdichtungselement gebildet, um die umgebende Atmosphäre gegenüber der reaktiven Atmosphäre, die in dem Füllmaterial oder der Vorform enthalten ist, zu isolieren. Dann wird innerhalb des Behälters ein selbsterzeugtes Vakuum geschaffen, was dazu führt, daß das flüssige Matrixmetall das Füllmaterial oder die Vorform infiltriert. Anschließend wird das Matrixmetall abgekühlt (z. B. gerichtet verfestigt), und der gebildete Metallmatrixverbundkörper wird aus dem Behälter entnommen. Kantner u.a. legen eine Reihe unterschiedlicher Matrixmetall- und Füllmaterialkombinationen offen, die für den Einsntz in der darin offengelegten Erfindung geeignet sind. Eine weitere Erfindung von Kantner u.a. ist in einer im gemeinsamen Besitz befindlichen und hiermit im Zusammenhang stehenden US-PA, Serien-Nr. 07/383 935, vom 21.JuIi 1989, unter dem Titel „A Method of Forming Macrocomposite Bodies By Self-Generated Vacuum Techniques, and Products Produced Therefrom" (Methodezur Bildung von Makroverbundkörpern durch eine Methode mit selbsterzeugtem Vakuum und nach dieser Methode hergestellte Produkte) enthalten. Nach der Methode von dieser Anmeldung von Kantner u. a. wird ein ähnliches Reaktionssystem wie das in der PA, Serien-Nr. 07/381 523 offengelegte verwendet. Bei dieser Erfindung wird jedoch vor der Infiltration das Füllmaterial oder die Vorform indie Nähe eines oder in Kontakt mit wenigstens einem zweiten Material gebracht, so daß nach der Infiltration des Füllmaterials oder der Vorform das infiltrierte Material an wenigstens einen Abschnitt des zweiten Materials gebunden ist, wodurch ein Makroverbundkörper entsteht.

Die oben beschriebenen, im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen beschreiben Methoden für die Herstellung von Metallmatrixverbundkörpern und die neuartigen Körper (sowohl Metallmatrixverbund- als auch Makroverbundkörper), die danach hergestellt werden. Die vollständigen Offenbarungsschriften jeder dieser im gemeinsamen Besitz befindlichen Patentanmeldungen werden hier ausdrücklich als Referenz einbezogen.

Summarische Darstellung der Erfindung

Bei der Methode der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Metallmatrixverbundkörper durch eine neuartige Technik eines selbsterzeugten Vakuums produziert, wobei eine Matrix- oder Grundmetallschmelze eine durchlässige Masse des Füllmaterials oder eine Vorform infiltriert, welche sich in einem undurchlässigen Behälter befinden. Im einzelnen sind sowohl eine Matrixmetallschmelze als auch eine reaktive Atmosphäre mit einer durchlässigen Masse, zumindest zu einem Punkt während des Verfahrens, in Verbindung, und nach dem Kontakt zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial und/oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter wird ein Vakuum erzeugt, was dazu führt, daß flüssiges Matrixmetall das Füllmaterial oder die Vorform infiltriert.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Reaktionssystem geschaffen, das besteht aus einem undurchlässigen Behälter und einem darin befindlichen Füllmaterial, dom Kontaktieren eines flüssigen Matrixmetalls bei Vorhandensein einer reaktiven Atmosphäre und einem Dichtungselement zum Abdichten des Reaktionssystems gegenüber der umgebenden Atmosphäre. Die reaktive Atmosphäre reagiert, teilweise oder im wesentlichen vollständig, mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial und/oder dem undurchlässigen Behälter, um ein Reaktionsprodukt zu bilden, welches ein Vakuum erzeugen kann, wodurch flüssiges Matrixmetall zumindest teilweise in das Füllmaterial gezogen wird. Die Reaktion unter Einbeziehung der reaktiven Atmosphäre und des flüssigen Matrixmetalls und/oder des Füllmaterials und/oder des undurchlässigen Behälters kann über eine ausreichende Zeitspanne andauern, um es dem flüssigen Matrixmetall zu ermöglichen, das Füllmaterial oder die Vorform entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig zu infiltrieren. Vorgesehen werden kann ; η außon gelegenes Dichtungselement zum Abdichten des Reaktionssystems, welches eine vom Matrixmetall verschiedene Zusammensetzung hat.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Matrixmetall mit der umgebenden Atmosphäre reagieren, um eine innewohnende chemische Abdichtung zu schaffen, welche eine vom Matrixmetall verschiedene Zusammensetzung hat, die das Reaktionssystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichtet.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann statt der Schaffung eines außen gelegenen Dichtungselomentes zur Abdichtung des Roaktionssystems eine innewohnende physische Dichtung durch das Matrixmetall, welches den undurchlässigen Behälter benetzt, geschaffen werden, wodurch das Reaktionssystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgedichtet wird. Außerdem kann es möglich sein, legierende Zusätze in das Matrixmetall einzubeziehen, welche die Benetzung des undurchlässigen Behälters durch das Matrixmetall erleichtern, so daß das Reaktionssys'.am gegenüber d°r umgebenden Atmosphäre abgedichtet wird.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiol kann das Füllmaterial, zumindest teilweise, mit der reaktiven Atmosphäre reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen, das flüssiges Matrixmetall in das Füllmateria! oder die Vorform zieht. Außerdem können in das Füllmaterial Zusätze einbezogen werden, welch9 entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig mit der reaktiven Atmosphäre reagieren können, um ein Vakuum zu erzeugen sowie um die Eigenschaften des resultierenden Körpers zu erweitern. Außerdem kann neben dem oder anstelle des Füllmaterials und des Matrixmetalls der undurchlässige Behälter zumindest teilweise mit der reaktiven Atmosphäre reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen.

Definitionen

In der vorliegenden Patentbeschreibung und den angefügten Ansprüchen werden die untenstehenden Begriffe folgendermaßen definiert:

„Leglerungsstello", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Stellen eines Metallmatrixverbundstoffes, die anfänglich das flüssige Matrixmetall kontaktiert, bevor dieses flüssige Metall die durchlässige Masse des Füllmaterials oder der Vorform infiltriert.

»Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und schließt im wesentlichen reines Metall ein (z. B. ein relativ reines, kommerziell verfügbares, unlegiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metallegierungen, wie die kommerziell verfügbaren Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. Eine Aluminiumlegierung ist für den Zweck dieser Definition eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, in welcher Aluminium der Hauptbestandteil ist.

„Umgebende Atmosphäre", wio der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet die Atmosphäre außerhalb des Füllmaterials oder der Vorform und des undurchlässigen Behälters. Sie kann im wesentlichen die gleichen Bestandteile wie die reaktive Atmosphäre haben, oder sie kann unterschiedliche Bestandteile haben.

,Sperre" oder „Sperreloment", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet in Verbindung mit den Metallmatrixverbundkörpern jedes geeignete Element, welches die Wanderung, Bewegung oder ähnliches des flüssigen Matrixmetalls über die Oberflächengrenze einer durchlässigen Masse des Füllmaterials oder der Vorform hinaus, wobei diese Oberflächengrenze durch dieses Sperrelement definiert ist, beeinträchtigt, unterbindet, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrelement kann jedes Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder ähnliches sein, welches unter Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrelement verflüchtigt sich nicht in einem solchen Maße, daß es nicht mehr als Sperre funktionell ist).

Außerdem schließen geeignete „Sperrelemente" Stoffe ein, die durch das wandernde, flüssige Matrixmetall unter den angewendeten Verfahrensbedingungen entweder benetzbar oder nichtbenetzbar sind, solange die Benetzung des Sperrelementes nicht wesentlich über die Oberfläche des Sperrmaterials hinausgeht (d. h. Oberflächenbenetzung). Eine Sperre dieses Typs scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das flüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllmaterials oder der Vorform wird durch das Sperrelement verhindert oder unterbunden. Die Sperre verringert jede abschließende maschinelle Bearbeitung oder jedes Schleifen, die erforderlich sein können, und definiert wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche des resultierenden Metallmatrixverbundproduktes.

»Bronze", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und schließt eine an Kupfer reiche Legierung ein, welche Eisen, Zinn, Zink, Aluminium, Silicium, Beryllium, Magnesium und/oder Blei enthalten kann. Spezielle Bronzelegierungen schließen die Legierungen ein, bei denen der Kupferanteil etwa 90%, der Siliciumanteil etwa 6% und der Eisenanteil etwa 3% beträgt.

„Grundkörper" oder „Grundkörper des Matrixmetalls", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf jeden ursprünglichen Körper des Matrixmetalls, der verbleibt und während der Bildung des Metallmatrixverbundkörpers nicht verbraucht wurde und, wenn man ihn abkühlen läßt, im typischen Fall wenigstens im partiellen Kontakt mit dem Metalmatrixverbundkörper, der gebildet wurde, bleibt. Es ist davon auszugehen, daß der Grundkörper auch ein zweites oder Fremdmetall enthalten kann.

„Gußeisen", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Familie der Eisenlegierungen, wobei der Anteil an Kohlenstoff wenigstens etwa 2% beträgt.

„Kupfer", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die kommerziellen Qualitäten des im wesentlichen reinen Metalls,

z. B. 99% Kupfer mit unterschiedlichen Mengen von darin enthaltenen Verunreinigungen. Außerdem bezieht er sich auf Metalle, die Legierungen oder intermetallische Verbindungen sind, welche nicht in die Definition der Bronze gehören und die Kupfer als Hauptbestandteil enthalten.

„Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, soll entweder einzelne Bestandteile oder Gemische von Bestandteilen einschließen, die im wesentlichen mit dem Matrixmetall nichtreaktiv sind und/oder von begrenzter Löslichkeit im Matrixmetall sind und einzel- oder mehrphasig sein können. Füllstoffe können In einer breiten Vielfalt von Formen, wie Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whiskern, Blasen usw., vorhanden und entweder dicht oder porös sein. Dor Begriff „Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe, wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, zerkleinerten Fasern, dispersen Bestandteilen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder ähnlichem, und keramisch beschichtete Füllstoffe, wie Kohlenstoffasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid zum Schutz des Kohlenstoffs vor dem Angriff durch beispielsweise ein flüssiges Aluminiumgrundmetall beschichtet sind, einschließen. Füllstoffe können auch Metalle einschließen.

„Undurchlässiger Behälter", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen Behälter, der eine reaktive Atmosphäre und ein Füllmaterial (oder eine Vorform) und/oder ein flüssiges Matrixmetall und/oder ein Dichtungselement unter Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und der ausreichend undurchlässig für den Transport von gasförmigen oder Dampfspezies durch den Behälter ist, so daß ein Druckunterschied zwischen der umgebenden Atmosphäre und der reaktiven Atmosphäre hergestellt werden kann.

„Matrixmetall" oder „Matrixmetallegierung", wie der Begriff hier verwundet wird, bezeichnet das Metall, das zur Bildung eines Metallmatrixverbundstoffes (z. B. vor der Infiltration) verwendet wird, und/oder das Metall, das mit einem Füllmaterial vermischt ist, um einen Metallmatrixverbundkörper zu bilden (z. B. nach der Infiltration). Wenn ein spezielles Metall als Matrixmetall angegeben wird, ist davon auszugehen, daß dieses Matrixmetall dieses Metall als ein im wesentlichen reines Metall, als kommerziell verfügbares Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, als intermetallische Verbindung oder als Legierung, in welcher dieses Metall der vorherrschende oder Hauptbestandteil ist, einschließt.

„Metal'matrlxverbundstoff" oder „MMC", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet ein Material, das aus einem zwei- oder dreidimensional untereinander verbundenen Legierungs- oder Matrixmetall besteht, welches eine Vorform oder ein Füllmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente einschließen, um in dem resultierenden Verbundstoff speziell gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu erreichen.

Ein Metall, das sich vom Matrixmetall „unterscheidet", bezeichnet ein Metall, das als primären Bestandteil nicht dasselbe Metall wie das Matrixmetall enthält (z. B. könnte, wenn der primäre Bestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, das „unterschiedliche" Metall beispielsweise Nickel als primären Bestandteil haben).

„Vorform" oder „durchlässige Vorform", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllmaterial, die mit wenigstens einer Oberflächengrenze gefertigt wird, welche im wesentlichen eine Grenze für die Infiltration des Matrixmetalls definiert, wobei diese Masse ausreichende Formintegrität und Grünstandfestigkeit behält, um vor der Infiltration durch das Matrixmetall ohne äußere Auflagemittel Dimensionstreue zu gewährleisten. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die Infiltration des Matrixmetalls zu ermöglichen. Eine Vorform besteht im typischen Fall aus einer gebundenen Reihe oder Anordnung von Füllstoff, homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeigneten Material (z. B. keramischen und/oder Metallpartikulatteilchen, Pulvern, Fasern, Whiskern usw. und jeder von deren Kombinationen) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Baugruppe vorhanden sein.

„Reaktionssystem", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf die Kombination von Stoffen, die die selbsterzeugte Vakuuminfiltration eines flüssigen Matrixmetalls in ein Füllmaterial oder eine Vorform aufweist. Ein Reaktionssystem umfaßt wenigstens einen undurchlässigen Behälter mit einer darin befindlichen durchlässigen Masse an Füllmaterial oder Vorform, eine reaktive Atmosphäre und ein Matrixmetall.

„Reaktive Atmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder Füllmaterial (oder der Vorform) und/oder dem undurchlässigen Behälter reagieren kann, um ein selbsterzeugtes Vakuum zu bilden, wodurch die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial (oder die Vorform) nach Bildung des selbsterzeugten Vakuums bewirkt wird.

„Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bezeichnet einen gesonderten Körper des Matrixmetalls, der relativ zu fiiner Masse von Füllstoff - ier zu einer Vorform angeordnet ist, so daß dieses, wenn das Metall geschmolzen ist, fließen kann, um den Abschnitt, das Segment oder die Quelle des Matrixmetalls aufzufüllen oder, in einigen Fällen, zunächst zu bilden und dann aufzufüllen, die mit dem Füllstoff oder der Vorform in Kontakt sind.

„Dichtung" oder „Dichtungselement", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf eine unter Verfahrensbedingungen gasundurchlässige Dichtung, die unabhängig vom (z. B. eine außen gelegene Dichtung) oder durch das Reaktionssystem (z. B. eine innewohnende Dichtung) gebildet werden kann, welche die umgebende Atmosphäre gegenüber der reaktiven Atmosphäre isoliert. Die Dichtung oder das Dichtungselement können eine Zusammensetzung haben, die von der des Matrixmetalls unterschiedlich ist.

„Dichtungshilfsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, ist ein Material, welches die Bildung einer Dichtung bei Reaktion des Matrixmetalls mit der umgebenden Atmosphäre und/oder dem undurchlässigen Behälter und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform erleichtert. Das Material kann dem Matrixmetall zugesetzt werden, und die Anwesenheit des Dichtungshilfsmittels kann, wenn es im Matrixmetall enthalten ist, die Eigenschaften des resultierenden Verbundkörpers erweitern. „Benetzungssteigorungsmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bezieht sich auf jedes Material, das, wenn es dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform zugesetzt wird, die Benetzung des Füllmaterials oder der Vorform durch das flüssige Matrixmetall steigert (z. B. die Oberflächenspannung des flüssigen Matrixmetalls reduziert). Das Vorhandensein des Benetzungssteigerungsmittels kann auch die Eigenschaften des resultierenden Metallmatrixverbundkörpers steigern, beispielsweise durch Steigerung der Bildung zwischen dem Matrixmetall und dem Füllmaterial.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Die folgenden Abbildungen sollen das Verständnis der Erfindung unterstützen, sie sind jedoch nicht dazu gedacht, den Rahmen der Erfindung einzugrenzen. Soweit das möglich war, wurden gleiche Bezugszahlen zur Bezeichnung ähnlicher Komponenten in den einzelnen Abbildungen verwendet. In den Zeichnungen ist

Abb. 1 ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung nach der Methode der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines außen gelegenen Dichtungselements;

Abb. 2 ein veieinfachtes Ablaufschema der Methode der vorliegenden Erfindung, angewendet bei einer Standardanordnung; Abb.3 ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, welche zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers mit einer Nettoform-Außenfläche angewendet wird; Abb.4 ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung nach der Methode der vorliegenden Erfindung, welche zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers mit einem Nettoform-Innenhohlraum angewendet wird; Abb. 5 ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung nach der Methode der vorliegenden Erfindung, welche zur Bildung eines Nettoform-Verbundkörpers mit Nettoform-Innen-und Außenabmessungen angewendet wird;

Abb.6 ein schematischer Querschnitt einer typischen Form nach der vorliegenden Erfindung, welche zur Bildung eines Nottoform-Metallma'rixverbundkörpers angewendet wird;

Abb. 7 eine Fotografie, welche den nach Beispiel 1 hergestellten Proben entspricht; Abb.8 eine Fotografie, die der nach Beispiel 2 hergestellten Probe entspricht; Abb. 9 a eine Fotografie, welche der nach Beispiel 3 hergestellten Probe entspricht; Abb.9b eine Fotografie, welche der nach Beispiel Λ hergestellten Probe entspricht; Abb. 10a ein schematischer Querschnitt einer typi ichen Anordnung nach der Methode der vorliegenden Erfindung, welcho zur Herstellung von Nettoform-Metallmatrixverbundkö^rparn angewendet wird;

Abb. 10b eine Fotografie, welche dei nach Beispiel 0 hergestellten Probe entspricht; Abb. 11 a eine Fotografie, welche der unfertigen Probe entspricht, die nach Beispiel β hergestellt wurde; Abb. 11 b eine Fotografie, welche der fertigen Probe entspricht, die nach Beispiel 6 hergestellt wurde; Abb. 12 eine Fotografie, welche der nach Beispiel 7 hergestellten Probe entspricht; Abb. 13 eine Fotografie, welche der nach Beispiel 8 hergestellten Probe entspricht; Abb. 14: ein schematischer Querschnitt einer typischen Anordnung mit geteilter Form nach der Methode der vorliegenden Erfindung, welche zur Herstellung von nettoförmigen Metallmatrixverbundkörpern angewendet wird; Abb. 15: eine Fotografie, welche der nach Beispiel 10 hergestellten Probe entspricht:

Abb. 16a ein schematischer Querschnitt eines Schemas, wie es im Beispiel 11 angewendet wird; Abb. 16b eine Fotografie, welche der nach Beispiel 11 hergestellten Probe entspricht; Abb. 17 eine Fotografie, welche der nach Beispiel 12 hergestellten Probe entspricht.

Detaillierte Beschreibung der trflndung und bevorzugter Ausführungsbelsplele Unter Bezugnahme auf die Abb. 1 wird eine typische Anordnung 10 zur Bildung eines Metallmatrixverbundstoff3 durch eine Methode des selbsterzeugten Vakuums nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Im einzelnen werden ein Füllmaterial oder eine Vorform 11, die aus jedem geeigneten Material bestehen können, wie das unten ausführlicher behandelt wird, in einem undurchlässigen Behälter 12 angeordnet, der ein flüssiges Matrixmetall 13 und eine reaktive Atmosphäre aufnehmen kann. 3eispielswoise kann das Füllmaterial 11 mit einer reaktiven Atmosphäre (z. B. der Atmosphäre, die innerhalb der Porosität des Füllmaterials oder der Vorform vorhanden ist) über eine ausreichende Zeit in Kontakt gebracht werden, um es der reaktiven Atmosphäre zu ermöglichen, das Füllmaterial 11 in dem undurchlässigen Behälter 12 entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig zu durchdringen. Das Matrixmetall 13, entweder in flüssiger Form oder in Form eines festen Blocks, wird dann mit dem Füllmaterial 11 in Kontakt gebracht. Wie unten in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel detaillierter beschrieben wird, können eine außen gelegene Dichtung oder ein Dichtungselement 14, beispielsweise auf der Oberfläche des Matrixmetalls 13, vorgesehen werden, um die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre 17 zu isolieren. Das Dichtungselement, ganz gleich, ob es außen gelegen oder innewohnend ist, kann bei Zimmertemperatur als Dichtungselement fungieren, muß es aber nicht, unter Verfahrensbedingungen aber (z. B. bei oder über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls) sollte es als Dichtungselement fungieren. Die Anordnung 10 wird anschließend in einen Ofen gegeben, der entweder Zimmertemperatur aufweist oder auf die Verfahrenstemperatur vorerwärmt wurde. Unter Verfahrensbedingungen arbeitet der Ofen bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, um die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial oder die Vorform durch die Bildung eines selbsterzeugten Vakuums zu ermöglichen.

Es wird auf die Abb. 2 Bezug genommen. Sie zeigt ein vereinfachtes Ablaufschema der Verfahrensschritte zur Ausführung der Methode der vorliegenden Erfindung. Im Schritt 1 kann ein geeigneter undurchlässiger Behälter gefertigt oder anderweitig bereitgestellt werden, welcher die angemessenen Eigenschaften hat, die unten ausführlicher beschrieben werden. Beispielsweise ist ein einfacher, oben offener Stahlzylinder (z. B. aus rostfreiem Stahl) als Form geeignet. Der Stahlbehälter kann dann wahlweise mit GRAFOIL®-Graphitband (GRAFOIL* ist ein eingetragenes Markenprodukt der Union Carbide) ausgekleidet werden, um die Entfernung des Metailmatrixverbundkörpers zu erleichtern, der in dem Behälter gebildet werden soll. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, können auch andere Materialien, wie B2O3, das innen in den Behälter gestäubt wird, oder Zinn, das dem Matrixmetall zugesetzt wird, eingesetzt werden, um die Freigabe des Metallmatrixverbundkörpers aus dem Behälter oder der Form zu erleichtern. Der Behälter kann dann mit der gewünschten Menge eines geeigneten Füllmaterials oder der Vorform versehen werden, die wahlweise zumindest teilweise mit einer weiteren Schicht GRAFOIL*-Band abgedeckt werden können. Die Lage Graphitband erleichtert die Trennung des Metailmatrixverbundkörpers von jedem möglichen Grundkörper des Matrixmetalls, der nach der Infiltration des Füllmaterials bleibt.

Dann kann in den Behälter eine Menge flüssigen Matrixmetalls, z. B. Aluminium, Bronze, Kupfer, Gußeisen, Magnesium usw., gegossen werden. Der Behälter könnte Zimmertemperatur aufweisen, oder er könnte auf eine geeignete Temperatur vorerwärmt sein. Außerdem könnte anfangs Matrixmetall in Form von festen Blöcken von Matrixmetall bereitgestellt und anschließend erhitzt werden, um die Blöcke zum Schmelzen zu bringen. Es kann ein geeignetes Dichtungselement (das unten ausführlicher beschrieben wird), welches aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem außen gelegenen Dichtungselement und einem innewohnenden Dichtungselement gebildet wird, geformt werden. Wenn es beispielsweise gewünscht würde, eine außen gelegene Dichtung zu bilden, kann ein außen gelegenes Dichtungselement, wie eine Glasfritte (z. B. B₂O₃), auf die Oberfläche des Pools des flüssigen Matrixmetalls im Behälter aufgebracht werden. Die Fritte schmilzt dann und bedeckt im typischen Fall die Oberfläche des Pools, aber eine vollständige Abdeckung ist, wie unten ausführlicher beschrieben wird, nicht erforderlich. Nachdem das flüssige Matrixmetall mit einem Füllmaterial oder der Vorform in Kontakt gebracht worden ist und das Matrixmetall und/oder Füllmaterial gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch ein außen gelegenes Dichtungselement abgedichtet wurde, wenn das erforderlich ist, wird der Behälter in einen geeigneten Ofen gebracht, der auf die Verarbeitungstemperatur vorerwärmt sein kann, und bleibt dort über eine ausreichende Zeitspanne, damit die Infiltration auftreten kann. Die Verarbeitungstemperatur im Ofen kann für unterschiedliche Matrixmetalle unterschiedlich sein (beispielsweise etwa 950⁰C für bestimmte Aluminiumlegierungen und etwa 1100⁰C für bestimmte Bronzelegierungen als wünschenswerte Werte). Die geeignete Bearbeitungstemperatur variiert in Abhängigkeit vom Schmelzpunkt und anderen Eigenschaften des Matrixmetalls sowie von speziellen Eigenschaften der Komponenten im Reaktionssystem und im

Dichtungselement. Nach einer geeigneten Zeltspanne bei der Temperatur Im Ofen wird Innerhalb des Füllmaterials oder der Vorform ein Vakuum erzeugt (das unten ausführlicher beschrieben wird), wodurch das flüssige Matrixmetall das Füllmaterial oder die Vorform infiltrieren kann. Der Behälter kann dann aus dem Ofen genommen und abgekühlt werden, wozu er beispielsweise auf eine Schreckplatte gebracht wird, um das Matrixmetall gerichtet fest werden zu lassen. Dor Metallmatrixverbundstoff kann dann auf jede geeignete Weise aus dem Behälter entnommen und vom Grundkörpor des Mattixmetalls, soweit vorhanden, getrennt werden.

Es ist offensichtlich, daß die vorstehenden Beschreibungen der Abbildungen 1 und 2 einfach sind, um die herausragenden Merkmale der vorliegenden Erfindung zu unterstreichen. Weitere Einzelheiten zu den Schritten im Verfahren und zur Charakterisierung der Stoffe, die im Verfahren eingesetzt werden können, werden unten dargestellt. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, wird angenommen, daß beim Kontakt eines geeigneten Matrixmetalls, im typischen Fall im flüssigen Zustand, mit einem geeigneten Füllmaterial oder einer Vorform bei Vorhandensein einer geeigneten reaktiven Atmosphäre in einem undurchlässigen Behälter ein« Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter auftreten kann, die zu einem Reaktionsprodukt (z. B. einem festen Stoff, einer Flüssigkeit oder einem Dampf) führt, welches weniger Volumen als das ursprüngliche Volumen einnimmt, das durch die reagierenden Komponenten eingenommen wurde. Wenn die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre isoliert wird, kann in dem durchlässigen Füllmaterial oder der Vorform oin Vakuum geschaffen werden, welches flüssiges Matrixmetall in die Hohlräume des Füllmaterials zieht. Außerdem kann die Bildung eines Vakuums die Benetzung verstärken. Die fortgesetzte Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform und/oder dem undurchlässigen Behälter kann zur Infiltration des Füllmaterials oder dor Vorform durch Matrixmetali führen, wenn zusätzliches Vakuum erzeugt wird. Die Reaktion kann über eine ausreichende Zeit fortge .atzt worden, um es dem flüssigen Matrixmetall zu ermöglichen, die Masse des Füllmaterials oder der Vorform entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig zu infiltrieren. Das Füllmaterial oder die Vorform sollten ausreichend durchlässig sein, um die Durchdring jrig der Masse des Füllmaterials oder der Vorform durch die reaktive Atmosphäre zumindest teilweise zu ei möglichen.

Diese Anmeldung behandelt verschiedene Matrixmetalle, die zu einem Zeitpunhkt während der Bildung eines Metallmatrixverbundstoffes mit einer reaktiven Atmosphäre in Kontakt kommen. Es werden daher verschiedene Verweise auf besondere Kombinationen oder Systeme von Matrixmetall/reaktiver Atmosphäre, welche die Bildung eines selbsterzeugten Vakuums aufweisen, vorgenommen. Im einzelnen wurde das Verhalten des selbsterzeugten Vakuums bei Aluminium-Luft-System, dem Aluminium-Sauerstoff-System, dom Aluminium-Stickstoff-System, dem Bronze-Luft-System, dem Bronze-Stickstoff-System, dom Kupfer-Luft-System, dem Kupfor-Stickstoff-System und dem Gußeisen-Luft-System beobachtet. Es ist jedoch selbstverständlich, daß sich andere Systeme aus Matrixmetall und reaktiver Atmosphäre als die in dieser Anmeldung speziell behandelten in ähnlicher Weise verhalten können.

Um die Methode des selbsterzeugten Vakuums dieser Erfindung praktizieren zu können, muß die reaktive Atmosphäre physisch gegenüber der umgebenden Atmosphäre isoliert werden, so daß dor verminderte Druck der reaktiven Atmosphäre, der während der Infiltration vorhanden ist, nicht durch ein aus der umgebenden Atmosphäre transportiertos Gas signifikant nachteilig beeinflußt wird. Ein undurchlässiger Behälter, der bei der Methode dor vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, kann ein Behälter jeder Größe, Form und/oder Zusammensetzung sein, der mit dem Matrixmetall und/oder der reaktiven Atmosphäre nichtreaktiv sein kann, aber nicht zu sein braucht, und der unter Verfahrensbedingungen für die umgebende Atmosphäre undurchlässig ist. Im einzelnen kann der undurchlässige Behälter aus jedem Material (z. B. Keramik, Metall, Glas, Polymer usw.) bestehen, das den Verfahrensbedingungen standhalten kann, so daß dieser seine Größe und Form behält, und das den Transport der umgebenden Atmosphäre durch den Beh.. 'tr verhindert oder ausreichend unterbindet. Durch die Verwendung eines Behälters, der für den Transport von Atmosphäre durch den Behälter ausreichend undurchlässig ist, ist es möglich, innerhalb des Behälters ein selbsterzeugtes Vakuum zu bilden. Außerdem kann, in Abhängigkeit vom besonderen eingesetzten Reaktionssystem, ein undurchlässiger Behälter verwendet werden, der zumindest teilweise mit der reaktiven Atmosphäre und/oder dem Matrixmetall und/oder dem Füllmaterial reaktiv ist, um ein selbsterzeugtes Vakuum innerhalb des Behälters zu schaffen oder dessen Schaffung zu unterstützen.

Die Charakteristika eines geeigneten, undurchlässigen Behälters sind Freiheit von Poren, Rissen odor reduzierbaren Oxiden, die jede einzeln die Entwicklung oder Erhaltung eines selbsterzeugten Vakuums ungünstig beeinflussen können. Es ist also selbstverständlich, daß eine breite Vielfalt von Materialien für die Bildung der undurchlässigen Behälter eingesetzt werden kann. Beispielsweise können gepreßtes oder gegossenes Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid eingesetzt werden, ebenso Metall mit begrenzter oder geringer Löslichkeit im Matrixmotall, z. B. rostfreier Stahl für Aluminium-, Kupfer- und Bronzematrixmetalle. Außerdem können ansonsten ungeeignete Materialien, wie poröse Materialien (z. B. keramische Körper) durch die Bildung eines geeigneten Überzugs auf wenigstens einem Abschnitt undurchlässig gemacht werden. Diese undurchlässigen Überzüge können aus einer Vielzahl von Glasuren und Gelen bestehen, die zur Bindung an das und zum Abdichten des porösen Materials geeignet sind. Außerdem kann ein geeigneter undurchlässiger Überzug bei Verfahrenstemperaturen flüssig sein, in diesem Fall sollte das Beschichtungsmittel ausreichend stabil sein, um unter dem selbsterzeugten Vakuum undurchlässig zu bleiben, beispielsweise durch zähflüssige Haften am Behälter oder dem Füllmaterial oder der Vorform. Zu den geeigneten Beschichtungsmaterialien gehören glasartige Stoffe (z. B. 82O₃), Chloride, Carbonate usw., vorausgesetzt, daß die Porengröße des Füllstoffs oder der Vorform ausreichend klein ist, so daß der Überzug die Poren wirksam blockieren kann, um einen undurchlässigen Überzug zu bilden.

Das Matrixmetall, das bei der Methode der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann jedes Matrixmetall sein, das, wenn es unter Verfahrensbedingungen flüssig ist, das Füllmateria! oder die Vorform nach Schaffung eines Vakuums innerhalb des Füllmaterials infiltriert. Beispielsweise kann das Matrixmetall ein Metall oder jeder Bestandteil innerhalb eines Metalls sein, die unter Verfahrensbedingungen mit der reaktiven Atmosphäre, entweder teilweise oder im wesentlichen vollständig, reagieren, wodurch das flüssige Matrixmetall veranlaßt wird, das Füllmaterial oder die Vorform auf Grund, zumindest teilweise, der Schaffung eines Vakuums in diesem zu infiltrieren. Außerdem kann das Matrixmetall, in Abhängigkeit vom eingesetzten System, entweder teilweise oder im wesentlichen nichtreaktiv mit der reaktiven Atmosphäre sein, und oin Vakuum kann auf Grund der Reaktion der reaktiven Atmosphäre mit wahlweise einer oder mehreren anderen Komponenten des Reaktionssystems geschaffen werden, wodurch das Matrixmetall das Füllmaterial infiltrieren kann.

Bei einem bevorzugton Ausführungsbolspiol knnn das Mettixmolell miloinom Uonotiungisteigerungiiniltol logimt »oin, (im die Bonetzungsfähigkoit dos Matrixmetalle iu erleichtern, um boispioltweitodio Bildung einer Bindung iwi«cliendem Matrixmoull und dem Füllstoff zu erleichtern, dio Porosität in dom gebildeten MetellmelrlxverburuUtoff tu verringern, die O«uer dor notwendigen Zeit für eino vollständige Infiltration zu verkürzen usw. Außordom kann ein Mntorinl, de» ein Benetzungssteigorungsmittol oinschlioßt, auch als Dichtungshilfsmittol, vvio das unten botchriobon wird, dionon, um l>oi di<r Isoliorung der reaktiven Atmosphflro gogondbor dor umgobendon Atmosphäre hilfreich zu sein. Außordom kann lioi einom woitersn bevorzugton Ausführungsboispiol das BonoUungsstOigorungsmittol dirokl in das f ullmntminl «inheiogpn »pin, »teil mit dom Matrixniotall legiert zu worden.

So kann die Benetzung des Füllmatorials durch dos Matrixmeloll die Eigenschaften (ζ. Γι. dio Zugfestigkeit, CiosionfbotlAmiiykon usw.) des resultierenden Verbundkörpois erweitern. Außordom kann dio Oonotzung dos Fiillmatorials durch dos flüssige Mntrixmetall eino einheitliche Dispersion des Füllstoffs durch den gohildottin MotallmatrixvorbuiuUtoff ermöglirhon und din Bindung dos Füllstoffs an das Motrixmotall vorbessorn. Zu den brauchbaren Bonotzungtstoigorungtmittoln ftir oin Aluminiummatrixmetoll gehören Magnosium, Wismut, Bloi, Zinn usw., und für Kupfer und Bronze gohftron dazu Srlon, Tellur, Schwefel usw. Außerdem kann, wie obon ausgeführt wurdo, dom Metrixmotall und'odor Füllmaterial wonlgMens «in Benetzungssteigorungsmittel zugesetzt worden, um dem resultiorondon Motallmnlrixvoibundkorpor gowunschto (!igonsr haften zu vermitteln.

Außordom ist os möglich, ein Resorvoir aus Matrixmotoll zu verwendon, um dio vollste¹ ndigo Infiltration dos Metr ixmotall« in dn» Füllmatorial zu gewährleisten und/odor ein zwoitos Motnll zuzuführon, welches oino von dor ersten Ouollo fur Mntiixmotnll unterschiedliche Zusammensetzung hat. Im einzolnen kann es in oinlgon Fflllon wünschenswert sein, Im Reservoir oln Matrixmetall zu verwendon, das sich in dor Zusammensetzung von dor dor orston Ouollo von Matiixmotall untorscht.· l«i Wenn beispielsweise eino Aluminiumlegierung nls orsto Quello von Matrixmotall vorwondot wird, dann könnto praktisch jodo» Andere Metall oder jodo andere Motallogiorung, die boi Boarboitungstomporetur flüssig ist, als Rosorvoirnietell verwendet weiden Flüssige Metalle sind oft niitoinondor sehr mischbar, was zu oinem Mischen dos Rosorvoirmotnll« mit der ortton Quollt von Matrixmetall führen würde, wenn eine angemossono Zuitspanno für dns Eintreton dos Mischorts voihandon Ist So ist os durch die Verwendung oinos Rrsorvoirmotalls, das sich in der Zusommonsotzung von dor der orston Quölle von Motrixmotall unterscheidet, möglich, die Eigonschafton dos Matrixmotalls auf dio vorschiodcnon Oporation$.orfordornisso obzuMimmon und damit dio Eigenschafton dos Motallmatrixvorbundkörpors maßzuschneidorn.

Dio Temperatur, welcher das Reaktionssystem ausgesetzt ist (z.B. dio Bonrboitungstemporatur), knnn in AbhAnglgkoit von den Matrixmetallen, den Füllstoffmaterialien oder Vorformon und den reaktiven Atmosphären, die eingesetzt worden, variieren. Uoi einom Aluminiummatrixmotall beispielsweise erfolgt dor vorliogondo solbstorzougto VrtkuumprozoS im nllgomolnon boi oinnr Temporatur von wenigstens etwa 70O⁰C und vorzugsweise bei otwa 850'C und mehr. Tomporaturon ubni 1000'C sind im allgemuinen nicht notwondig, und oin bosondors nützlicher Bereich liogt zwischon 650'C und 1000'C Ooi einem Hron/o· οΊιί Kupformatrixmetall sind im allgomoinon Tomporaturon von etwa 1050'C bis zu otwn 1125'C gooignot, und t>oi Gußniton könnon Temperaturen von etwa 1250"C bis zu etwa 1400'C angewendet worden. Im nllgomeinon können Temperaturen, dio ubnr dom Schmelzpunkt, aber unter dom Verdampfungspunkt des Matrixmetalls liegen, angewendet wordenEs ist möglich, die Zusammensetzung und/oder die MikroStruktur dor Metallmatrix wAhrond der Bildung dos Verbundstoffe gezielt aufzubauon, um dem resultierenden Produkt gewünschte Eigenschafton zu gobon. Beispielsweise können bei einem gegebenen System die Vsrfahronsbodingungon se gowählt wordon, daß dio Bildung von z.B. intermetallischen Verbindungen. Oxidon, Nitriden usw. gesteuert wird. Außerdem können neben dem goziolton Aufbau der Zusammonsotzung dos Verbundkörpers andere physikalische Eigenschaften, z.B. die Porosität, durch Kontrollo dor Abkuhliingsrato dos Metallmatrixverbundkörpers modifiziert werden. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, daß dor Metallmatrixverbundstoff gerichtet fest wird, wozu beispielsweise der Behältor, in wolchom sich dor goformto Metallmatrixvorbundstoff befindet, auf eino Schrockplatto gebracht wird und/odor Isoliermaterial selektiv um den Behälter gelegt wird. Außerdem könnon zusätzliche Eigenschaften (z.B. die Zugfestigkeit) dos goformton Motellmutrixvorbundstoffcs durch Anwendung einer Wärmebehandlung gesteuert werden (z.B. oino warmestandardbohandlung, dio i.n wesentlichen einer Wärmebehandlung allein des Matrixmetalls entspricht, oder eine toilwoise odor signifikant modifiziorte Buhnndlung). Unter den Bedingungen, die bei der Methode dor vorliogondon Erfindung angowendot wordon, sollte dio Mnsso dos Fullmntcr ink oder der Vorform ausreichend durchlässig sein, damit dio reaktive Atmosphäre das Füllmaterial odor dio Vorform nn einom Punkt während des Verfahrens vor der Isolierung dor umgobendon Atmosphäre gegenüber der renktivon Atmosphäre durchsetzen oder durchdringen kann. In den untenstohondon Boispiolon wurdo eino ausreichende Mongo der reaktiven Atmosphäre innerhalb lose gepackte Teilchen gehalten, welche Toilchongrößon von otwa Korngröße 54 bis zu otwn 220 hauen Durch Verwendung oinos solchen Füllmatorials kann dio reaktive Atmosphäre beim Kontakt mit dom flüssigen Matrixmotnll und/oder Füllmaterial und/oder undurchlässigen Behälter ontwodor teilweise oder im wosontlichon vollständig roegioron, was zur Bildung eines Vakuums führt, welches das flüssige Matrixmotall in das Füllmaterial zieht. AuC ordern braucht dio Voneilunj der reaktiven Atmosphäre innorhalb des r-'üllmaterials nicht im wesentlichen einheitlich zu sein, abor eine im wosontlichen einheitliche Vorteilung e'er reaktiven Atmosphäre kann die Bildung eines wünschonsworton Motallmatrixvorbundkörpors unterstützen.

Die Methode der Erfindung zur Bildung eines Motallmatrixvorbundkörpors kann auf oino broito Violfalt von Füllmotorinlien angewendet werden, und die Auswahl der Materialien ist hauptsächlich von solchon Faktoren wio dom Matrixmotall, don Bearbeitungsbedingungen, der Reaktivität dos flüssigen Matrixmetalls mit der reaktivon Atmosphäre, dor Reaktivität dos . Füllmaterials mit der reaktiven Atmosphäre der Reaktivität des flüssigen Matrixmotalls mit dom undurchlässigen Behälter und den für das fertige Verbundprodukt angestrebton Eigenschaften abhängig. Wonn das Matrixmotall Loispiolswoiso Aluminium umfaßt, gehören zu don geeigneten Füllmaterialien (a) Oxide (z.B. Aluminiumoxid); (b) Carbido (z. B. Siliciumcarbid); (c) Nitrido (z. B. Titannitrid) und (d) Boride (z.B. 1 itandiborid). Wonn beim Füllmaterial die Tendonz bestoht, nachteilig mit dom flüssigon Matrixmetall zu reagieren, könnte diese Reaktion durch Minimierung der Infiltrationszeit und -tomporatur oder durch Schaffung eines nichtreaktiven Überzugs auf dem jllstoff angepaßt worden. Das Füllmatorial kann cir. Substrat aufwoison, wie Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das oinon keramischon Überzug tragt, um das Substrat vor Angriff odor Abbau ju schützen. Zu den goeignoton keramischen Überzügen gohöron Oxido, Carbido, Nitrido und Borido. Zu don keramischen Stoffen,

die für don Einsatz bei dur vorliegenden Ei findungsmethodo bevorzugt worden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in Form von Partikeln, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unterbrochen (in zerkleinerter Form) oder in Form von kontinuierlichen Fäden, wie mohrftklige Mode, sein. Aullordom können die Zusammensetzung und/oder Form des Füllmaterials oder der Vorform homogon odor heterogen soin.

Größe und Form dos Füllnuiiorials können so sein, wie das zum Erroichen der gewünschten Eigenschaften im Verbundstoff erforderlich ist. So kann das Material die Form von Partikeln, Whiskom, Plättchen oder Fasern haben, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllmaterials boschrenkt wird. Andoro Formen, wie Kugeln, Tubulusse, Pellets, feuerfestes Faserzeug und ähnliche, können eingesetzt worden. Außerdem begrenzt auch die Größe dos Materials nicht die Infiltration, obwohl oino höhere Tomporntur oder oino längoro Zeitspanne erforderlich sein können, um die vollständige Infiltration oiner Masse kleinerer Toilchon als dio einor Masso größerer Teilchon zu erroichen. Durchschnittsgrößen des Füllmaterials, die von einer Korngröße von woniger als 24 bis zu etwa 500 Korngröße reichen, worden für die meisten technischen Anwendungen bevorzugt. Außerdom können durch Kontrollo dor Größe (z.B. des Teilchendurchmessers usw.) der durchlässigen Masse des Füllmaterials oder der Vorform die physikalischen und/odor mechanischen Eigenschaften des gebildeten Metallmatrixverbundstoffes abgestimmt werden, um oiner unbegrenzten Anzahl industrieller Anwendungen gerechnet werden zu können. Außerdem kann durch Einboziohung einos Füllmaterials, da·= unterschiedliche Teilchengrößen des Füllmaterials aufweist, eine höhere Packung des Füllmntorials orroicht werden, um dt» /erbundkörpor maßzuschne'dern. Außerdem ist es, wenn das gewünscht wird, möglich, durch Rühren dos Füllmaterial (z.B. durch Schütteln des Behälters) während der Infiltration und/oder durch Mischen von pulverisiertem Matrixmotall mit dom Füllmaterial vor der Infiltration eine geringere Teilchenbeschickung zu erreichen. Dio roaktivo Atmosphäre, die bei der Methode dor vorliegenden Erfindung angewendet wird, kann jede Atmosphäre sein, die wenigstens teilweise oder im wesentlichen vollständig mit dem flüssigen Matrixmotall und/oder dem Füllmaterial und/odor dem undurchlässigen Bohälter reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu bilden, das ein Volumen einnimmt, welches kleiner als das Volumen ist, das von der Atmosphäre und/oder den Reaktionskomponenten vor der Reaktion eingenommen wird. Im einzelnen kann die reaktive Atmosphäre bei Kontakt mit dem flüssigen Matrixmetall und/oder Füllmaterial und/oder undurchlässigen Bohältor mit elne^r oder mehreren Komponenten des Reaktionssystems reagieren, um ein festes, flüssiges oder Dampfphasenroaktionsprodukt zu bilden, welches ein kleineres Volumen als die kombinierten einzelnen Komponenten oinnimmt, wodurch ein Hohlraum oder Vakuum entsteht, welches das Hineinziehen des flüssigen Matrixmetalls in das Füllmaterial odor die Vorform unterstützt. Die Roaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und einem oder mehreren der Komponenten Matrixmetall und/oder Füllmaterial und/oder undurchlässiger Behälter kann über eine Zeitspanne andauern, die ausroicht, damit das Matrixmetall das Füllmaterial zumindest teilweise oder im wesentlichen vollständig infiltrieren kann. Wenn beispielsweise Luft als reaktive Atmosphäre genutzt wird, kann eine Reaktion zwischen dem Matrixmetall (z. B. Aluminium) und Luft zur Bildung von Reaktionsprodukten (z. B. Aluminiumoxid und/oder Aluminiumnitrid usw.) führen. Unter den Verfahrensbodingungon tondiert das Reaktionsprodukt (tendieren die Reaktionsprodukte) dazu, ein kleineres Volumen als das Gesamtvolumen einzunehmen, welches das flüssige Aluminium, welchos reagiert, und die Luft einnehmen. Im Ergebnis der Reaktion wird ein Vakuum erzeugt, wodurch das flüssige Matrixmetall bewegt wird, das Füllmaterial oder die Vorform zu infiltrieren. In Abhängigkeit von dem verwendeten System können das Füllmaterial und/oder der undurchlässige Behälter mit der reaktiven Atmosphäre auf ähnliche Weise reagieren, um ein Vakuum zu erzeugen, wodurch die Infiltration des flüssigen Matrixmetalis in das Füllmaterial unterstützt wird. Die Reaktion des selbsterzeugten Vakuums kann über eine ausreichende Zeit weitergeführt werden, die zur Bildung des Metallmatrixverbundkörpers führt.

Außerdem wurde festgestellt, daß eine Dichtung oder ein Dichtungselement vorgesehen werden sollten, um dazu beizutragen, den Gasstrom aus der umgebenden Atmosphäre in das Füllmaterial oder die Vorform zu verhindern oder zu beschränken (z. B. don Strom der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre zu verhindern). Es wird wieder auf die Abb. 1 Bezug genommen, die reaktive Atmosphäre innerhalb des undurchlässigen Behälters 12 und das Füllmaterial 11 sollte gegenüber der umgebenden Atmosphäre 17 ausreichend isoliert sein, so daß, wenn die Reaktion zwischen der reaktiven Atmosphäre und dem flüssigen Matrixmetall 13 und/oder dem Füllmaterial oder der Vorform 11 und/oder dem undurchlässigen Behälter 12 vorangeht, zwischen der reaktiven und der umgebenden Atmojphäre ein Druckunterschied aufgebaut wird und erhalten bleibt, bis die gewünschte Infiltration erreicht ist. Es ist selbstverständlich, daß die Isolierung zwischen der reaktiven und der umgebenden Atmosphäre nicht perfekt zu sein braucht, sondern nur „ausreichend", so daß ein Nettodruckunterschied vorhanden ist (z. B. könnte ein Dampfphasenstrom aus der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre auftreten, solange die Strömungsgeschwindigkeit niedriger als die wäre, die unmittelbar zum Auffüllen der reaktiven Atmosphäre notwendig wäre). Wie oben beschrieben wurde, wird ein Teil der erforderlichen Isolierung der reaktiven Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre durch die Undurchlässigkeit des Behälters 12 erreicht. Der Pool des flüssigen Matrixmetalls 13 bildet einen anderen Teil der notwendigen Isolation, da auch die meisten Matrixmetalle für die umgebende Atmosphäre ausreichend undurchlässig sind. Es ist jedoch wichtig festzustellen, daß die Grenzfläche zwischen dem undurchlässigen Behälter 12 und dom Matrixmetall einen Leckweg zwischen der umgebenden und der reaktiven Atmosphäre bilden kann. Dementsprechend sollte eine Dichtung vorgesehen werden, welche dieses Lecken im ausreichenden Maße unterbindet oder verhindert.

Geeignete Dichtungen oder Dichtungselemente können als mechanisch, physikalisch oder chemisch klassifiziert werden, und jede einzelne davon kann weiter als außen gelegen oder innewohnend klassifiziert werden. Unter „außen gelegen" versteht man, daß die Dichtungswirkung unabhängig vom flüssigen Matrixmetall oder zusätzlich zu einer Dichtungswirkung auftritt, welche vom flüssigen Matrixmetall ausgeht (beispielsweise von einem Material, das anderen Elementen des Reaktionssystems zugesetzt wurde); unter „innewohnend" versteht man, daß die Dichtungswirkung ausschließlich aus einem oder mehreren Charakteristika des Matrixmetalls entsteht (beispielsweise aus der Fähigkeit des Matrixmetalls, den undurchlässigen Behälter zu benetzen). Eine innewohnende mechanische Dichtung kann dadurch gebildet werden, daß einfach ein ausreichend tiefer Pool des flüssigen Matrixmetalls vorgesehen oder das Füllmaterial oder die Vorform eingetaucht werden, wie das in den oben genannten Patenten von Reding und Reding u. a. und den damit in Verbindung stehenden Patenten beschrieben wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß innewohnende mechanische Dichtungen, wie sie beispielsweise von Reding jr. beschrieben werden, bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen unwirksam sind, und sie können übermäßig große Mengen an flüssigem Matrixmetall erforderlich machen. Nach der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß außen gelegene Dichtungen und die

physikalischen und chemischen Klassen der innewohnenden Dichtungen diese Nachteile einer innewohnenden mechanischen Dichtung überwinden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer außen gelegenen Dichtung kann ein Dichtungselement außen auf din Oberfläche des Matrixmetalls in Form eines festen oder flüssigen Materials aufgebracht werden, das unter Verfahrensbedingungen mit dem Matrixmetall im wesentlichen nichtreaktiv ist. Es wurde festgestellt, daß eine solche außen gelegene Dichtung den Transport von Dampfphasenbestandteilen aus der umgebenden Atmosphäre in die reaktive Atmosphäre verhindert oder zumindest ausreichend unterbindet. Geeignete Stoffe für die Verwendung als außen gelegenes, physikalische Dichtungselemente können entweder feste Stoffe oder Flüssigkeiten, einschließlich Gläser (z. B. Bor- oder Siliciumgläser, B₂O₃, flüssige Oxide usw.), oder andere(s) Material(ien) sein, die den Transport der umgebenden Atmosphäre zur reaktiven Atmosphäre unter Verfahrensbedingungen ausreichend unterbinden.

Eine außen gelegene, mechanische Dichtung kann durch vorheriges Glätten oder Polieren oder anderweitiges Formen der Innenfläche des undurchlässigen Behälters, welche mit dem Pool des Matrixmetalls in Kontakt kommt, gebildet werden, so daß der Gastransport zwischen der umgebenden Atmosphäre und der reaktiven Atmosphäre ausreichend unterbunden wird. Glasuren und Überzüge, wie B₂O₃, die auf den Behälter aufgebracht werden können, um ihn undurchlässig zu machen, können auch eine geeignete Dichtung bilden.

Eine außen gelegene chemische Dichtung könnte durch Aufbringen eines Materials auf die Oberfläche eines flüssigen Matrixmetalls geschaffen werden, welches beispielsweise mit dem undurchlässigen Behältor reaktiv ist. Das Reaktionsprodukt könnte eine intermetallische Verbindung, ein Oxid, ein Carbid usw. einschließen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer innewohnenden, physikalischen Dichtung kann das Matrixmetall mit der umgebenden Atmosphäre reagieren, um eine Dichtung oder Dichtungselemente mit einer Zusammensetzung zu schaffen, die sich von der Zusammensetzung des Matrixmetalls unterscheidet. Beispielsweise kann sich bei der Reaktion des Matrixmetalls mit der umgebenden Atmosphäre ein Reaktionsprodukt (z.B. MgO und/oder Magnesium-Aluminat-Spinell bei einer Al-Mg-Legierung, die mit Luft reagiert, oder Kupferoxid bei einer Bronzelegierung, die mit Luft reagiert) bilden, welches die reaktive Atmosphäre gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichten kann. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer innewohnenden, physikalischen Dichtung kann dem Matrixmetall ein Dichtungshilfsmittel zugesetzt werden, um die Bildung einer Dichtung nach der Reaktion zwischen dem Matrixmetall und der umgebenden Atmosphäre zu erleichtern (z.B. durch den Zusatz von Magnesium, Wismut, Blei usw. bei Aluminiummatrixmetallen oder durch den Zusatz von Selen, Tellur, Schwefel usw. bei Kupfer- oder Bronzematrixmetallen). Bei der Bildung eines innewohnenden, chemischen Dichtungselementos kann das Matrixmetall mit dem undurchlässigen Behälter reagieren (z. B. durch partielle Auflösung des Behälters oder seines Überzugs (innewohnend) oder durch die Bildung eines Reaktionsproduktes oder von intermetallischen Verbindungen usw., welche das Füllmaterial gegenüber der umgebenden Atmosphäre abdichten können.

Außerdem ist es offensichtlich, daß die Dichtung in der Lage sein sollte, sich volumetrischen (d.h., Expansions- oder Kontraktions-) oder anderen Änderungen im Reaktionssystem anzupassen, ohne daß die umgebende Atmosphäre in das Füllmaterial fließen kann (z. B. Fluß in die reaktive Atmosphäre). Im einzelnen kann, wenn das flüssige Matrixmetall in die durchlässige Masse des Füllmaterials oder der Vorform infiltriert, die Tiefe des flüssigen Matrixmetalls im Behälter dazu neigen, sich zu verringern. Geeignete Dichtungselemente für ein solches System sollten ausreichend anpassungsfähig sein, um den Gastransport aus der umgebenden Atmosphäre auf das Füllmaterial zu verhindern, wenn der Pegel des flüssigen Matrixmetalls im Behälter abnimmt.

In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung kann auch ein Sperrelement eingesetzt werden. Im einzelnen kann ein Sperrelement, das bei der Methode dieser Erfindung genutzt werden kann, jedes geeignete Element sein, welches die Wanderung, Bewegung oder ähnliches des flüssigen Matrixmetalls über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials hinaus stört, unterbindet, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrelemente können jedes Metall, jede Verbindung, jedes Element, jede Zusammensetzung oder ähnliches sein, welche unter den Verfahrensbedingungen der Erfindung eine gewisse strukturelle Integrität bewahren, nicht flüssig sind und in der Lage sind, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die definierte Oberfläche des Füllmaterials hinaus lokal zu unterbinden, zu stoppen, zu stören, zu verhindern oder ähnliches. Sperrelemente können während der selbsterzeugten Vakuuminfiltration oder in jedem undurchlässigen Behälter benutzt werden, der in Verbindung mit der Methode des selbsterzeugten Vakuums zur Bildung von Metallmatrixverbundstoffen eingesetzt wird, wie das unten ausführlicher behandelt wird.

Zu den geeigneten Sperrelementen gehören Materialien, die unter den angewendeten Verfahrensbedingungen durch das wandernde, flüssige Matrixmetall benetzbar oder nicht-benetzbar sind, solange die Benetzung des Sperrelementes nicht wesentlich über die Oberfläche des Sperrmaterials hinausgeht (d. h. Oberflächenbenetzung). Ein Sperrelement dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität zu der flüosigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrelement verhindert oder unterbunden. Die Sperre verringert die abschließende maschinelle Bearbeitung oder das Schleifen, die am Metallmatrixverbundprodukt notwendig sein können.

Geeignete Sperrelemente, die besonders nützlich für Aluminiummatrixmetalle sind, sind die, welche Kohlenstoff enthalten, vor allem die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen durch die flüssige Aluminiumlegierung nicht benetzbar. Zu den besonders bevorzugten Graphitmaterialien gehören die Graphitfolienprodukte PERMA-FOIL® und GRAFOIL·, die Eigenschaften aufweisen, welche die Wanderung der flüssigen Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllmaterials hinaus verhindern. Diese Graphitfolien sind auch wärmebeständig und im wesentlichen chemisch inert. GRAFOIL®-Graphitfolie und PERMA-FOIL® sind flexibel, kompatibel, anschmiegsam und elastisch und können in eine Vielzahl von Formen gebracht werden, um sich den meisten Sperrelementanwendungen anzupassen. Graphitsperrelemente können auch als Aufschlämmung oder Paste oder sogar als Anstrichfilm um die und an der Grenze des Füllmaterials oder der Vorform aufgebracht werden. GRAFOIL®-Graphitfolie und PERMA-FOIL® werden besonders bevorzugt, da sie die Form einer flexiblen Graphitfolie haben. Eine Methode der Verwendung dieser papierartigen Graphitfolienmaterialien besteht darin, das Füllmaterial oder die Vorform, die infiltriert werden sollen, in eine Lage des Graphitfolienmaterials einzuwickeln. Als Alternative dazu kann aus dem Graphitfolienmaterial eine Negativform mit der Form geschaffen werden, die für den Metallmatrixverbundkörper gewünscht wird, und diese Negativform kann mit dem Füllmaterial gefüllt werden.

Außerdem können andere feingemahlene Partikulatstoffe, beispielsweise Aluminiumoxid mit einer Korngröße 600, als Sperre in bestimmton Situationen dienen, solange die Infiltration des Partikulatsperrmaterials mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die langsamer als die Infiltrationsgeschwindigkeit des Füllmaterials ist.

Das Sperrelement kann auf jede geeignete Weise aufgebracht werden, beispielsweise durch Abdecken der definierten Oberflächengrenze mit einer Lage des Sperrelementes. Eine solche Lage oder Schicht des Sperrelementes kann durch Anstreichen, Tauchen, Siebdruck, Aufdampfen oder Aufbringung des Sperrelementes in flüssiger, Brei- oder Pastenform oder durch lonenstrahlzerstäubung eines verflüchtigbaren Sperrelementes oder durch Aufbringung einer dünnen Schicht oder eines festen Films des Sperrelementes auf die definierte Oberflächengrenze aufgebracht werden. Wenn das Sperrelement aufgebracht ist, wird die selbsterzeugte Vakuuminfiltration im wesentlichen beendet, wenn das infiltrierende Matrixmetall die definierte Oberflächengrenze erreicht und das Sperrelement berührt.

Die vorliegende Methode der Bildung eines Metallmatrixverbundstoffs durch die Methode des selbsterzeugten Vakuums biotet in Verbindung mit der Anwendung eines Sperrelementes signifikante Vorteile gegenüber den bekannten technischen Lösungen. Im einzelnen kann durch die Anwendung der Methode der vorliegenden Erfindung ein Metallmatrixverbundkörper geschaffen werden, ohne daß eine aufwendige oder komplizierte Bearbeitung erforderlich ist. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein undurchlässiger Behälter, der kommerziell erhältlich oder auf die speziellen Erfordernisse abgestimmt sein kann, ein Füllmaterial oder eine Vorform von gewünschter Form, eine reaktivo Atmosphäre und ein Sperrelement zur Verhinderung der Infiltration des Matrixmetalls über eine gewünschte Oberfläche hinaus enthalten. Beim Kontakt der reaktiven Atmosphäre mit dem Matrixmetall, das in den undurchlässigen Behälter und/oder das Füllmaterial unter Verfahrensbedingungen gegossen werden kann, kann ein selbsterzeugtes Vakuum geschaffen werden, wodurch das flüssige Matrixmetall veranlaßt wird, das Füllmaterial zu infiltrieren. Bei der vorliegenden Methode entfällt die Notwendigkeit komplexer Bearbeitungsschritte, z. B. die maschinelle Bearbeitung der Formen zu komplexen Formen, die Aufrechterhaltung von Metallschmelzebehältern, die Entfernung von geformten Teilen aus komplex geformten Formen usw. Außerdem wird die Verschiebung des Füllmaterials durch flüssiges Matrixmetall im wesentlichen durch das Vorhandensein eines stabilen Behälters, der nicht in ein Schmelzbad des Metalls getaucht wird, minimiert.

Obwohl die Abb. 1 eine einfache Methode der Bildung eines Metallmatrixverbundstoffs in einer definierten Form veranschaulicht, d.h. der Form des undurchlässigen Behälters, können komplexere Formen durch Anwendung von Formungsmethoden und -vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung geschaffen werden.

Wie in der Abb.3 veranschaulicht wird, können alternative Anordnungen 20 der vorliegenden Erfindung für die Herstellung von Formen aufgebaut werden, welche sich von der Form des undurchlässigen Behälters unterscheiden. Beispielsweise kann eine Form 21, welche Innenabmessungen hat, die mit den gewünschten Außenabmessungen der zu bildenden Metallmatrixverbundkomponente übereinstimmen, mit einem zu infiltrierenden Füllmaterial 11 gefüllt werden. Die mit Füllstoff gefüllte Form 21 kann dann in ein Bett 23 gesetzt werden, das im wesentlichen undurchlässig für die Infiltration des flüssigen Matrixmetalls ist. Dieses undurchlässige Bett kann beispielsweise aus jedem geeigneten Partikulatsperrmaterial, wie feinmaschigem Aluminiumoxid, bestehen. Wie unten und in den Beispielen ausführlicher behandelt wird, können geeignete Formen aus beschichteten oder unbeschichteten Metallen, wie rostfreiem Stahl, Graphit, keramischen Werkstoffen, keramischen Verbundstoffen, Ton, Gips, Aluminiumoxid oder Siliciumdioxidgußteilen oder anderem feuerfesten Material bestehen, welches ein geeignetes Sperrelement darstellt, um die Infiltration zu unterbinden, oder welches beschichtet wurde, oder geeignete Sperrelemente können auf andere Weise zwischen die Form und das zu infiltrierende Füllmaterial eingefügt werden. Die Formen werden vorzugsweise ökonomisch hergestellt und können wiederverwendbare oder Einwegformen sein. Außerdem werden die Formen vorzugsweise einfach ausgeführt, um die Form des gewünschten Endverbundstoffs zu replizieren. Obwohl die Formen bei bestimmten Anwendungen an den fertigen Verbundstoff gebunden und als dessen Teil beibehalten werden, sollten die Formen in den meisten Anwendungen vorzugsweise leicht von dem abschließend gebildeten Metallmatrixverbundkörper getrennt und abgenommen werden können und nicht an diesen gebunden sein oder mit diesem reagieren. Nach der Anordnung der füllstoffgefüllten Form in dem wesentlichen undurchlässigen Bett 23 können eine Graphitfolie 22 oder ein anderes geeignetes Material über der Form angeordnet werden, um die Trennung der Form und des fertigen Verbundstoffes von anhaftondem Matrixmetall nach Abschluß der Infiltration zu erleichtern, aber dieser Schritt ist nicht zwingend notwendig. Für den Fall, daß ein Material 22 (z.B. Graphitfolie) zwischen das Matrixmetall 13 und die Form 21 eingefügt wird, sollten ein geeigneter Kanal oder Raum 24 vorgesehen werden, um die effektive Infiltration des Matrixmetalls 13 in das Füllmaterial 11 zu ermöglichen.

Dann wird flüssiges Matrixmetall 13 über das im wesentlichen undurchlässige Bett 23, die Form 21 und das Füllmaterial 11 gegossen, und über dem flüssigen Matrixmetall 13 wird eine außen gelegene Dichtung 14 gebildet, oder eine innewohnende Dichtung (nicht gezeigt) wird zwischen dem Matrixmetall 13 und dem undurchlässigen Behälter 12 gebildet. Die Anordnung 20 wird dann in einen Ofen mit Luftatmosphäre nach der Methode der vorliegenden Erfindung gegeben. Die Infiltration des Füllmaterials 11 innerhalb der Form 21 durch das flüssige Matrixmetall 13 erfolgt ohne Infiltration des im wesentlichen undurr 'llässigen Betts 23, welches die Form 21 umgibt.

Bei einem alternativen, verallgemeinerten Ausführungsbeispiel 30 der vorliegenden Erfindung, die in der Abb. 4 veranschaulicht wird, können ein Glied oder ein Dorn 31, die für das flüssige Matrixmetall undurchlässig sind, verwendet werden, um als Sperrelement zu dienen, das eine Form einer zu bildenden Metallmatrixverbundkomponente bildet. Das undurchlässige Glied 31 kann aus jedem Material gebildet werden, das unter Verfahrensbedingungen im wesentlichen uninfiltriert bleibt. Wenn das Glied 31 entfernt werden muß, sollte es aus einem Material hergestellt werden, welches die Entnahme erleichtert, z. B. durch physikalische, chemische oder mechanische Mittel. Wie in der Abb.4 gezeigt wird, können diese Sperrelemente nur eine definierte Grenze der zu bildenden Komponente definieren. Als Alternative dazu könnte eine Vielzahl solcher Elemente verwendet werden, um komplexe Formen zu definieren. Geeignete Materialien für Sperrelemente 31 sind die hier als geeignete Formmaterialien genannten.

Wie in der Abb. 4 gezeigt wird, wird das geformte Sperrelement 31 in einen Behälter 12 aus rostfreiem Stahl oder einem anderen geeigneten undurchlässigen Material gegeben, und der Raum zwischen dem Element 31 und dem Behälter wird mit einem Füllmaterial 11 nach den oben behandelten Methoden durchsetzt. Anschließend wird flüssiges Matrixmetall 13 über das Füllmaterial 11 gegossen, wodurch das Glied 31 eingeschlossen wird, und es wird eine außen gelegene oder innewohnende

Dichtung 14 gebildet. Danach wird die gesamte Anordnung 30 in einen Ofen mit Luftatmosphäre gegeben, wobei das oben behandelte Verfahren des selbsterzeugten Vakuums wirksam wird. Zwischen das Matrixmetall 13 und das Füllmaterial 11 können auf die oben beschriebene Weise Graphitfolie oder ein anderes geeignetes Trennmittel 22 eingefügt werden. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine alternative Anordnung 40, die in der Abb. 5 gezeigt wird, sowohl die Innen- als auch die Außenform einer zu bildenden Metallmatrixverbundkomponente. Als Beispiel werden eine Form 21, die Innenabmessungen hat, welche mit den gewünschten Außenabmessungen der Metallmatrixverbundkomponente übereinstimmen, und ein Glied oder Dorn 26, der Außenabmessungen hat, die mit den gewünschten Innonabmessungen der zu bildenden Metallmatrixverbundkomponente übereinstimmen, hergestellt. Der Dorn 26 kann entweder ein Abschnitt der Sperrform sein oder kann in die Sperrform eingesetzt werden, nachdem die Form ausgeführt worden ist. Wenn der Dorn 26 entfernt werden soll, sollte er vorzugsweise aus einem Material hergestellt werden, welches die Entfernung erleichtert (das z. B. durch physikalische, chemische oder mechanische Mittel entfernt werden kann). Eine Vielzahl solcher Elemente kann verwendet werden, um komplexe innere Formen zu definieren. Der Raum zwischen der Form 21 und dem Dorn 26 kann mit einem zu infiltrierenden Füllmaterial 11 gefüllt werden, und die Form 21 kann in ein im wesentlichen undurchlässiges Bett 23 gesetzt werden. Ein solches undurchlässiges Bett kann beispielsweise aus einem geeigneten Partikulatsperrmaterial bestehen, wie ein feinkörniges Aluminiumoxid, das unter den Verfahrensbedingungen nicht durch das flüssige Matrixmetall infiltriert wird. Wie unten und in den Beispielen ausführlicher dargestellt wird, können geeignete Formen und Dorne aus beschichteten oder unbeschichteten Metallen, wie rostfreiem Stahl, Graphit, keramischen Werkstoffen, keramischen Verbundstoffen, Ton, Gips, Aluminiumoxid- oder Siliciumdioxidgußteilen orter f.nderen feuerfesten Stoffen hergestellt werden, welche ein geeignetes Sperrelement darstellen, um die Infiltration zu untPi binden, oder die beschichtet sind, oder es können anderweitig geeignete Sperrelemente zwischen die Form und den Dorn und den zu infiltrierenden Füllstoff eingefügt werden. Die Formen und Dorne werden vorzugsweise ökonomisch hergestellt und können wiederverwendbare oder Eins /eqelemente sein. Außerdem werden die Formen und Dorne vorzugsweise leicht gebildet, um die Form des gewünschten, zu bildenden abschließenden Metallmatrixverbundstoffes zu replizieren. Obwohl die Formen und Dorne bei bestimmten Anwendungen an den fertigen Verbundstoff gebunden sind und dessen integralen Bestandteil darstellen, sollten die Formen und Dorne in den meisten Anwendungen vorzugsweise leicht von der gebildeten Metallmatrixverbundkomponente trenn- und abnehmbar sein und sich nicht an diese binden oder mit dieser reagieren.

Nach Einbringung der mit Füllstoff gefüllten Form in das Bett können eine Graphitfolie 22 oder ein anderes geeignetes Material über der Form mit dem Dorn angeordnet werden, um die Trennung der Form und des fertigen Verbundstoffs von restlichem Matrixmetall nach Abschluß der Infiltration zu erleichtern, aber dieser Schritt ist nicht zwingend. Für den Fall, daß ein Material 22 zwischen die Matrixmetallegierung 13 und die den Dorn 26 enthaltende Form 21 eingefügt werden soll, sollten ein geeigneter Kanal oder Raum 24 vorgesehen werden, um die effektive Infiltration des Matrixmetalls in das Füllmaterial zu ermöglichen. Dann wird flüssige Matrixmetallegierung 13 über die Einbettung, die Form und das Füllmaterial gegossen, und anschließend sollten eine außen gelegene oder innewohnende Dichtung 14 gebildet werden. Dann wird die Anordnung in einem Kastenofen mit Luftatmosphäre nach der Methode der vorliegenden Erfindung untergebracht. Es tritt die Infiltration des Füllstoffs innerhalb der Form ohne Infiltration der Einbettung, welche die Form und den Füllstoff umgibt, auf, nachdem ein selbsterzeugtes Vakuum mit der undurchlässigen Form in Kontakt gekommen ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können verschiedene spezielle Formungsverfahren und -vorrichtungen angewendet werden. Eine Urkomponente kann eingesetzt werden, um eine Form aus Gips, kolloidalem Aluminiumoxid, kolloidalem Siliciumdioxid oder einem anderen geeigneten Mittel herzustellen. Die Urkomponente kann direkt für die Herstellung einer Endform verwendet werden, oder sie kann genutzt werden, um eine Zwischenform (z. B. eine Gummi-, Plast-, Wachs- oder andere geeignete Form) für die Verwendung bei der Bildung der Endform herzustellen. Es ist jedoch signifikant, daß die Endform und der Dorn chemisch und physikalisch in der Lage sein müssen, den Verfahrensbedingungen ohne Beschädigung oder Infiltration standzuhalten, und daß sie die Urkomponente duplizieren, so daß netto- oder annähernd nettoförmige Komponenten aus der Endform nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ausführlich in den Beispielen 3-4 behandelt wird, wird aus einer Urkomponente eine negative Gummiform hergestellt, und anschließend wird aus der negativen Gummiform eine positive Gummiform hergestellt. Die positive Gummiform wird dann zur Formung einer Sperrform genutzt, die als Endform dient, um das Füllmaterial aufzunehmen, das durch das flüssige Matrixmetall infiltriert wird. Auf einigen Formen können Überzüge erforderlich sein, um zu gewährleisten, daß die Infiltration nicht in die Form weitergeht, wodurch gewährleistet wird, daß eine gute Oberflächenausführung und gute Nettoformeigenschaften erreicht werden. Zu den befriedigenden Überzügen zur Verwendung mit einigen Formen gehören kolloides Siliciumdioxid, kolloides Aluminiumoxid, kolloides Vermiculit, kolloides Graphit, Aluminiumbronze und andere Überzüge. Diese Überzüge können auch die Trennung der Form von der fertigen Metallmatrixverbundkomponente begünstigen.

Bei einer modifizierten Form des oben beschriebenen Ausfuhrungsbeispiels, die ausführlich im Beispiel 1 behandelt wurde, wird statt der Bildung einer Gummipositivform aus der Gumminegativform eine Gipspositivform hergestellt, die mit einem Antihaftmaterial beschichtet wird. Aus der Gipspositivform wird eine Negativform aus Gips, kolloidem Aluminiumoxid, kolloidem Siliciumdioxid oder einem anderen geeigneten Material(ien) hergestellt. Anschließend wird die Gipspositivform von der Gipsnegativform durch geeignete Mittel abgenommen. Danach wird die Negativhülle mit einem geeigneten Sperrüberzug versehen und als Sperrform für die Aufnahme von Füllmaterial zur Infiltration durch das flüssige Matrixmetall verwendet. Wachs- und Schaumstoffausschmelzverfahren können ebenfalls angewendet werden, um Formen herzustellen, die im Verfahren mit selbsterzeugtem Vakuum eingesetzt werden, wie das ausführlicher in den Beispielen behandelt wird. Im einzelnen wird zunächst die gewünschte Endform eines Metallmatrixverbundkörpers aus Wachs oder Polystyrolschaumstoff oder einem anderen geeigneten Material gebildet, welches beim Erhitzen physikalisch entfernt, chemisch entfernt und/oder verdampft werden kann. Dieses Wachs, Schaumstoff oder andere Material werden dann in ein Formmaterial der oben ausgeführten Typen eingebettet. Dann wird das Formmaterial einer entsprechenden chemischen oder Wärmebehandlung unterzogen, wie sie notwendig ist, um das Formmaterial zu entfernen oder zu verdampfen, wodurch im Formmaterial ein Hohlraum entsteht. Dieser Hohlraum kann anschließend mit Füllmaterial gefüllt und nach der vorliegenden Erfindung infiltriert werden.

Obwohl die Abbildungen 3,4 und 5 die Verwendung einer einzelnen Form in dem jeweiligen undurchlässigen Behälter veranschaulichen, kann eine Vielzahl von Formen gestapelt und/oder nebeneinsrider in einem besonderen Behälter für die Bearbeitung angeordnet werden.

Die obenstehenden Ausführungen beschreiben zwar Anordnungen, bei denen die Formen innerhalb getrennter, gasundurchlässiger Behälter angeordnet werden, es ist aber außerdem möglich, auf einen gesonderten, gasundurchlässigen Behälter vollständig zu verzichten. Es kann vielmehr eine gasundurchlässige Form verwendet werden, oder eine durchlässige Form kann undurchlässig gemacht werden. Anschließend kann das Dichtungselement direkt über die Form gelegt werden, so daß die Form als ein undurchlässiger Behälter wirkt. Wie in der Abb. β gezeigt wird, hat eine Form 51 eine undurchlässige Oberfläche (oder Oberflächen) 52 und einen Hohlraum, der mit Füllmaterial 11 gefüllt ist. Neben dem Füllstoff wird Matrixmetall 13 angeordnet und durch ein Dichtungselement 14 abgedichtet. Die Anordnung der Abb. 6 ist also eine selbständige Form und ein undurchlässiger Behälter, aus welcher eine Komponente mit der Konfiguration des Hohlraums der Form hergestellt werden kann.

In die anschließend folgenden Beispiele wurden verschiedene Demonstrationen der vorliegenden Erfindung einbezogen. Diese Beispiele sollten jedoch nur als Veranschaulichung betrachtet werden, sie grenzen den Rahmen der Erfindung, wie sie durch die Patentansprüche definiert wird, in keiner Weise ein.

Beispiel 1

Dieses Beispiel demonstriert Negativformtechniken mit geschlossener Fläche für die Bildung von netto- oder annähernd nettoförmigen Metallmatrixverbundkörpern von komplexen Formen über die Methoden des selbsterzeugten Vakuums. Im einzelnen demonstriert dieses Beispiel die Herstellung von kleinen Kugelventilen aus einem einzelnen Originalteil mit einem Außendurchmesser von etwa 1,25ZoII (32 mm) mit einem zylindrischen Hohlraum mit einem Durchmesser von etwa 0,73 Zoll (19mm). Abb. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung, die ähnlich der ist, welche für die Bildung der unten beschriebenen, annähernd nettoförmigen Metallmatrixverbundkörper angewendet wird.

Es wurde eine negative Gummiform des Original- oder Ur-Teils durch Gießen einer Formgummiverbindung (Gl-1000, Plastic Tooling Supply Ο., Easton, PA, etwa 1 Gewichtsteil Aktivierungsmittel und etwa 10 Gewichtsteile Gummibasismaterial) um das Originalteil hergestellt. Sobald die Gumminegativform ausreichend abgebunden hatte, wurden von der Gumminegativform drei Replikate unter Verwendung eines Gemischs angefertigt, das auf Gewichtsgrundlage aus etwa 5%Polyvinylacetat-Kleber (ELMER'S* Kleber, Bondex Co., Columbus, OH), etwa 6% gebranntem Gips (Bondex, Bondex International Inc., Brunswick, OH), etwa 26% Wasser und etwa 63% AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co., Worcester), Korngröße 500, bestand. Die Replikate des Originalteils, die sich in den Gumminegativformen befanden, wurden in ein Gefriergerät gegeben, das eine Temperatur von etwa -18°C aufwies. Nach etwa zwei Stunden bei etwa -18°C wurden die Gumminegativformen und die Replikate des Originalteils getrennt. Die Replikate des Originalteils wurden dann in einem Luftofen bei etwa 46°C getrocknet. Sobald die Replikate ausreichend getrocknet waren, wurden sie mit zwei Schichten Silberbronze (P-1140, vertrieben von Pep Boys, Philadelphia, PA) besprüht.

Nachdem die Replikate des Ur- oder Originalteils in der oben beschriebenen Weise geformt und mit einem Anstrich versehen worden waren, wurden drei Sperrformen 21 durch Mischen von etwa einem Teil kolloidem Siliciumdioxid (NYACOL® 2040 NH₄, Nyacol Products, Ashland, MA), etwa zwei Teilen AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), Korngröße 500, etwa einem Teil AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), Korngröße 220, und etwa 0,2 Teilen Wasser, alles auf Gewichtsgrundlage, hergestellt. Nachdem dieses Sperrgemisch entschäumt und entlüftet war, wurde es über die Replikate des Originals gegossen und noch etwa zwei Stunden bei Zimmertemperatur abhärten gelassen. Nach etwa zwei Stunden wurde das überschüssige Wasser aus dem Sperrgemisch abgegossen, und die Replikate des Originalteils, umschlossen von der Sperrform, wurden in ein Gefriergerät gegeben und dort etwa 8 Stunden lang bei etwa -18⁰C gehalten. Die von den Sperrformen umschlossenen Originalteilreplikate wurden dann in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben und bei etwa 1000⁰C etwa eine Stunde gehalten. Nach der Entnahme pus dem Ofen zerfielen die Replikate des Originalteils, und die Pulverreste der Replikate des Originalteils wurden dann aus dem Inneren der Sperrformen 21 geblasen. Dann wurde in die Sperrformen ein Beschichtungsgemisch gegossen, das zu etwa 50% aus kolloidem Vermiculit (Microlite M 903, W. R. Grace & Co., Lexington, MA) und etwa 50% Wasser bestand. Dieses Beschichtungsgemisch verblieb etwa 2 Minuten in den gebrannten Sperrformen 21, anschließend wurde es ausgegossen, in dieser Zeit bildete sich ein Überzug 25 auf den Sperrformen 21. Anschließend wurden die beschichteten Sperrformen 21 für etwa zwei Stunden in einen Ofen gegeben, der auf etwa 11O⁰C eingestellt war. Nach etwa zwei Stunden Verweilzeit wurden die beschichteten Sperrformen 21 etwa eine Stunde lang bei etwa 1000⁰C gebrannt. Dann wurden die drei beschichteten Sperrformen 21 in einen undurchlässigen Behälter 12 gegeben, der aus rostfreiem Stahl, Typ 304, Stärke 16 (1,6mm stark) hergestellt worden war und einen Innendurchmesser von etwa 3 Zoll (76mm) und eine Höhe von etwa 3,25ZoII (83 mm) hatte. Anschließend wurde der Raum zwischen den beschichteten Sperrformen 21 und dem rostfreien Stahlbehälter 12 mit einer Schicht 23 gefüllt, die aus AI₂O₃ (38-Alundum von der Norton Co.), Korngröße 500, bestand. Eine Sperrform 21 wurde mit einem Füllmaterialgemisch 11 gefüllt, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 50% AI₂O₃, Korngröße 54, und etwa 50% AI₂O₃, Korngröße 90 (beide 38-Alundum, Norton Co.), bestand. Eine zweite Sperrform 21 wurde mit einem Füllmaterial 11 gefüllt, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 50% AI₂O₃ und dem Rest ZrO₂ (MCA 1360, Norton Co.) bestand, und die dritte Sperrform 21 wurde mit einem Füllmaterialgemisch 11 gefüllt, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 98% AI₂O₃ (E 1-Alundum, Norton Co.) Korngröße 220, und etwa 2% Magnesiumpulver (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), Siebgröße -325, besteht.

Diese mit Füllstoff gefüllten Sperrformen 21 wurden dann jeweils mit einem Stück Graphitfolie 22 (Permafoil von TT America, Portland, Oregon) bedeckt. Ein Matrixmetall 13, das aus einer kommerziell erhältlichen Aluminiumlegierung mit der Bezeichnung 6061 bestand und zusätzlich etwa 2% Magnesium enthielt, das damit legiert war, wurde geschmolzen, und etwa 270g wurden in den rostfreien Stahlbehälter 12 und auf die mit Füllmaterial gefüllten Sperrformen gegeben. Anschließend wurde pulverisiertes B₂O₃ über das flüssige Matrixmetall 13 gegossen, und die Anordnung 40 wurde in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben, der auf etwa 900⁰C eingestellt war. Man ließ etwa 15 Minuten verstreichen, damit das B₂O₃-Pulver im wesentlichen schmelzen konnte, entgasen und eine gasundurchlässige Dichtung 14 bilden. Die Anordnung 40 wurde etwa weitere zwei Stunden bei etwa 900^cC gehalten, anschließend wurden die Anordnung 40

und ihr Inhalt aus dem Ofen genommen und auf eine wassergekühlte Kupferschreckplatte gebracht, um die Metallmatrixverbundstoffe gerichtet fest worden zu lassen.

Sobald der rostfreie Stahlbehälter 12 Zimmertemperatur erreicht hatte, wurde dieser von dem verfestigten restlichen Matrixmetall und den beschichteten Sperrformen abgeschnitten. Es wurde beobachtet, daß die einzelnen Abschnitte an Graphitband 22 die Trennung des Grundkörpers des Matrixmetalls von den drei aus Metallmatrixverbundstoff bestehenden Kugelventilen, die gebildet worden waren, erleichterten. Außerdem wurde beobachtet, daß das Matrixmetall 13 das Bett oder die Schicht 23 aus AI₂O₃ mit Korngröße 500 nicht infiltriert hatte. Anschließend wurden die beschichteten Sperrformen 21 in ein Sandstrahlgebläse gegeben, und die drei beschichteten Sperrformen 21 wurden weggestrahlt, wodurch drei nettoförmige Kugelventile zum Vorschein kamen, die aus einem Aluminiumr stallmatrixverbundkörper bestanden. Abb. 7 zeigt zwei der Aluminiummatrixkugelventile 61. Also veranschaulicht dieses Beispiel die Verwendung von unterschiedlichen Materialtypon, wie sehr feinen Pulvern, Graphitmaterialien und feinem, gebundenen Pulver, als Sperrmaterialien während der Bildung von nettoförmigen Aluminiummatrixverbundkörpern nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums.

Beispiel 2

Dieses Beispiel veranschaulicht die Negativformtechnik mit geschlossener Fläche zur Bildung von netto- oder annähernd nettoförmigen Verbundkörpern von komplexer Form über die Methode des selbsterzeugten Vakuums unter Einsatz eines Bronzematrixmstalls.

Die experimentellen Verfahren waren im wesentlichen die gleichen wie im Beispiel 1, abgesehen vom Matrixmetall und der Bearbeitungstemperatur. Die experimentelle Anordnung 40, die im Beispiel 2 verwendet wurde, war der in der Abb. 5 gezeigten ähnlich. Das Bronzematrixmetall 13 bestand, auf Gewichtgrundlage, aus etwa 6% Si, 0,5% Fe, 0,5% Al und dem Rest Kupfer. Der rostfreie Stahlbehälter 12 hatte einen Innendurchmesser von etwa 1,63 Zoll (41 mm) und eine Höhe von etwa 2,63 Zoll (67 mm). Das Füllmaterial 11 war AI₂O₃ (E 1 -Alundum, Norton Co.) mit einer Korngröße 90. Die Anordnung wurde über eine Zeitspanne von etwa 2,25 Stunden bei etwa 1100⁰C in einem widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gehalten, bevor sie auf einer wassergekühlten Kupferschreckplatte gerichtet erstarren konnte.

Bei Zimmertemperatur wurde die Anordnung 40 auseinandergenommen, und es wurde, wie im Beispiel 1 festgestellt, daß die Graphitfolie 22 die Trennung des Grundkörpers des Matrixmetalls 66 von dem neuen Kugelventil 63 aus Matrixverbundstoff, das in der Abb. 8 gezeigt wird, erleichterte. Außerdem wurde festgestellt, daß das Matrixmetall 13 die Schicht 23 aus AI₂O₃ von Korngröße 500 nicht infiltriert hatte. Die beschichtete Sperrform 21 wurde dann in ein Sandstrahlgebläse gegeben, und der beschichtete Sperrmantel 21 wurde weggeblasen, wodurch ein nettoförmiges Kugelventil aus einem Bronzemetallmatrixverbundstoff sichtbar wurde. Im einzelnen zeigt die Abb. 8 eine Fotografie des Kugelventils 63 aus Bronzemetallmatrixverbundstoff, Reste der Graphitfolie 22 und den Grundkörper aus Bronzematrixmetall 66, der daran haftet. Dieses Beispiel veranschaulicht also, daß unterschiedliche Materialtypen, wie sehr feine Bettungen, Graphitmaterialien und gebundene, feine Pulver, als Sperrmaterialien während der Bildung von Bronzematrixverbundkörpern nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums dienen können.

Beispiele 3 bis 4

Diese Beispiele veranschaulichen Positivformtechniken mit offener Fläche für die Herstellung von netto- oder annähernd nettoförmigen Metallmatrixverbundkörpern mit komplexen Formen nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums. Im einzelnen beschreiben die Beispiele 3 und 4 die Verwendung eines Aluminiummatrixmetalls bzw. eines Bronzematrixmetalls zur Herstellung von zwei Zahnrädern aus Metallmatrixverbundstoff von einem Originalteil mit einem Außendurchmesser von etwa 1,5ZoII (38mm) und einer maximalen Stärke von etwa 0,4 Zoll (10mm). Die in den Beispielen 3 und 4 verwendeten experimentellen Anordnungen waren den in der Abb. 3 gezeigten ähnlich.

Aus einem Ur- oder Originalteil wurde eine Gumminegativform durch Gießen einer Gummiformverbindung (GI-1000, Plastic Tooling Co., Easton, PA, etwa 1 Gewichtsteil Aktivierungsmittel und etwa 10 Gewichtsteile Gummigrundlage) um das Originalteil hergestellt. Sobald die Gumminegativform ausreichend ausgehärtet war, wurden das Originalteil und die Gumminegativform getrennt, und die Gumminegativform wurde zweimal mit einem trockenen Schmiermittel auf Fluorkohlenstoffbasis (MS-122, Miller-Stephenson Chemical Company, Inc., Danbury, CT), ausgesprüht. Dann wurde aus der Gumminegativform erneut mit einem GI-1000-Formgummi, wie er oben beschrieben wurde, eine Gummipositivform gegossen. Sobald die Gummipositivform ausreichend abgebunden war, wurde sie von der Gumminegativform genommen und anschließend zur Formung von zwei Sperrformen 21 für die entsprechenden Teile verwendet, wie das unten ausgeführt wird.

Oie Sperrformen 21 wurden durch Mischen von einem Gewichtsteil kolloiden Siliciumdioxid (NYACOL®2040 NH₄, Nyacol Products of Ashland, MA), t twa 2 Gewichtsteilen AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 500, etwa einem Gewichtsteil AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 220, und etwa 0,2 Gewichtsteilen Wasser hergestellt. Nachdem dieses Gemisch entschäumt und entlüftet worden war, wurde es über die Gummipositivform gegossen und konnte etwa zwei Stunden bei Zimmertemperatur aushärten. Nach etwa 2 Stunden wurde das überschüssige Wassei aus dem gehärteten Gemisch abgegossen und die Gummipositivform mit dem Sperrformmaterial in ein Gefriergerät gegeben, das auf etwa -18°C eingestellt war. Dort blieb es etwa 8 Stunden. Dann wurde die Gummipositivform von den einzelnen gefrorenen Sperrformen 21 getrennt, und jede Sperrform 21 wurde in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1000⁰C für die Dauer von etwa einer Stunde gegeben. In den Hohlraum jeder Sperrform 21 wurde ein Beschichtungsgemisch aus etwa 50% kolloidem Vermicult (Microlite Nr. 903, W. R. Grace & Co., Lexington, MA) und etwa 50% Wasser gegeben. Man beließ das Beschichtungsgemisch etwa 2 Minuten in den gebrannten Sperrformen 21 und goß es anschließend aus, in dieser Zeit wurde in dem Hohlraum jeder Sperrform 21 ein Überzug (in der Abb. 3 nicht gezeigt) gebildet. Anschließend wurden die beschichteten Sperrelementformen 21 etwa 2 Stunden lang bei etwa 110⁰C in einem Ofen gehalten. Nach etwa zwei Stunden wurden die beschichteten Sperrformen 21 erneut bei etwa 1000⁰C für die Dauer von etwa einer Stunde gebrannt. Anschließend wurde jede beschichtete Sperrform 21 in einen gesonderten rostfreien Stahlbehälter 12 gegeben, der im wesentlichen dem in Beispiel 1 beschriebenen ähnelte. Der Raum zwischen der Sperrform 21 und dem rostfreien Stahlbehälter 12 wurde dann mit einem Bett 23 gefüllt, das aus AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 500, bestand. Im Beispiel 3 wurde

ein Füllmaterial 11, das aus AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 90, bestand, In die beschichtete Sperrform 21 gegebon und nivelliert. Im Beispiel 4 wurde ein Füllmaterial 11, das aus AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 90, bestand, in die beschichtete Sperrform 21 gegeben und nivelliert. Die mit Füllmaterial gefüllte Sperrform 21, die mit dem Bronzematrixmetall verwendet wurde, wurde mit einem Stück Graphitfolie 22 (Permafoll von TT America, Portland, OR) bedeckt. Im Beispiel 3 wurde ein flüssiges Aluminiummatrixmetall 13, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 7,5 bis 9,5% Si, 3,0-4,0% Cu, S 2,9% Zn, 0,2 bis 0,3% Mg, ^ 1,3% Fe, S 0,5% Mn, ä 0,35% Sn und dem Ausgleich Al bestand, bis zu einer Tiefe von etwa 0,5 Zoll (13 mm) in den rostfreien Stahlbehälter 12 und über die mit Füllmaterial gefüllte Sperrform 21 gegossen. Im Beispiel 4 wurde ein flüssiges Bronzematrixmetall 13, das auf Gewichtsgrundlage aus etwa 6% Si, etwa 0,5% Fe, etwa 0,5% Al und dem Ausgleich Cu bestand, auf eine Tiefe von etwa 0,5 Zoll (1,3mm) in den rostfreien Stahlbehälter 12 über die mit Graphitfolie 22 bedeckte Sperrform 21 gegossen. Anschließend wurde pulverisiertes B₂O₃ über die flüssigen Matrixmetalle 13 gegeben, um sie im wesentlichen vollständig zu bedecken, und die Anordnungen 20 wurden in widerstandsbeheizte Kastenöfen mit Luftatmosphäre gegeben, die eine Temperatur von etwa 900⁰C im Beispiel 3 und von etwa 1100"C im Beispiel 4 aufwiesen. Man ließ etwa 15 Minuten verstreichen, damit das B₂O₃-Pulver im wesentlichen schmelzen, sich entgasen und eine gasundurchlässige Dichtung 14 bilden konnte. Die Anordnung 20 im Beispiel 3 wurde für etwa 2 Stunden bei etwa 900⁰C gehalten, und die Anordnung im Beispiel 4 wurde für etwa 2 Stunden bei etwa 1100⁰C gehalten, nach dieser Zeit wurden die entsprechenden Anordnungen 20 aus den Öfen genommen und auf eine wassergekühlte Kupferschreckplatte gesetzt, damit das Matrixmetall 13 gerichtet erstarren konnte.

Sobald Zimmertemperatur erreicht war, wurden die rostfreien Stahlbehälter 12 von den entsprechenden Sperrformen 21 weggeschnitten. Im Beispiel 4 wurde festgestellt, daß die Graphitfolie 22 die Trennung des Grundkörpers des Matrixmetalls von dem gebildeten Metallmatrixverbundstoff ermöglichte. Außerdem wurde festgestellt, daß bei beiden Beispielen 3 und 4 vollständig infiltrierte Metallmatrixverbundkörper mit ausgezeichneten, annähernd netzförmigen Charakteristika erreicht wurden. Die Abb.9a zeigt speziell eine Fotografie, die dem Aluminiummatrixzahnrad 70 entspricht, das im Beispiel 3 hergestellt wurde, und Abb. 9 b zeigt eine Fotografie, die dem im Beispiel 4 hergestellten Bronzematrixzahnrad 71 entspricht.

Beispiel5

Dieses Beispiel demonstriert die Anwendung der Wachsausschmelzmethode bei der Herstellung eines netz- oder annähernd netzförmigen Metallmatrixverbundkörpers von komplexer Form nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums. Im einzelnen bezieht sich Beispiel 5 auf die Herstellung eines Aluminiummetallmatrixverbundkolbens für einen Verbrennungsmotor aus einem Ur- oder Originalteil mit einem Außendurchmesser von etwa 0,75 Zoll (199mm) und einer Maximalhöhe von etwa 0,75 Zoll (19mm). Abb. 10a ist ein schematischer Querschnitt der im Beispiel 5 verwendeten experimentellen Anordnung. Eine Gumminegativform wurde durch Gießen einer Formgummiverbindung (GI-1000, Plastic Tooling Co., Easton, PA, etwa 1 Gewichtsteil Aktivierungsmittel und etwa 10 Gewichtsteile Gummibasis) um das Ur- oder Originalteil hergestellt. Sobald eine ausreichende Abbindung erfolgt war, wurde ein positives Replikat des Originalteils durch Gießen von flüssigem Wachs (rotes Preßwachs Nr. 9, Casting Supply House, New York, NY) in die Gumminegativform hergestellt. Nachdem das Wachs erstarrt war, wurde die Gummiform vom positiven Wachsreplikat des Kolbens abgestreift.

Das positive Wachsreplikat wurde dann in einen zylindrischen, rostfreien Stahlbehälter 12 gegeben. Eine Sperrmischung, die aus etwa 3 Teilen AI₂O₃ (38-Alundum, Norton Co.), Korngröße 500, und etwa einem Teil kolloidem Aluminiumoxid (Bluonic A, vertrieben von der Wesbond Corporation, Wilmington, DE) bestand, wurde bis zu einer Tiefe, die im wesentlichen der Höhe des positiven Wachsreplikates entsprach, in den rostfreien Stahlbehälter 12 gegossen. Nach wenigstens etwa 6 Stunden war die Sperrmischung erhärtet und bildete einen Sperrmantel 21. Der rostfreie Behälter 12 und sein Inhalt wurden umgedreht und in einen Ofen mit Luftatmosphäre gegeben, der auf etwa 180⁰C eingestellt war. Nach etwa 3 Stunden bei etwa 180°C war das positive Wachsreplikat geschmolzen und bildete einen Hohlraum in der Sperrform 21. Dann wurden der rostfreie Stahlbehälter und sein Inhalt in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben, der auf etwa 1000⁰C eingestellt war, und dort etwa eine Stunde gehalten, um verbleibendes Wachs herauszubrennen, wodurch das Negativbild des Originalteils in der Sperrform 21 verfeinert wurde.

Der Hohlraum, der in der Sperrform 21 durch das verdampfte Wachs gebildet wurde, wurde dann mit einem Füllmaterial 11 gefüllt, das aus SiC (39-Crystolon, Norton Co.), Korngröße 220, bestand. Anschließend wurde ein Aluminiummatrixmetall 13, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 7,5-9,5% Si, 3,0 bis4,0% Cu, < 2,9% Zn, 0,2-0,3% Mg, s 1,3% Fe, < 0,5% Mn, < 0,35% Sn und dem Rest Aluminium bestand, geschmolzen und in den Behälter aus rostfreiem Stahl und über die mit SiC, Korngröße 220, gefüllte Sperrform 21 bis zu einer Tiefe von etwa 0,5ZoII (13mm) gegossen. Pulverisiertes B₂O₃ (Fisher Scientific) wurdezum Abdecken der Oberfläche des flüssigen Matrixmetalls verwendet.

Die Anordnung 160, die aus dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dessen Inhalt besteht, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben, der auf etwa 850"C eingestellt war. Nach etwa 16 Stunden bei 85O⁰C, während der Zeit das B₂O₃ geschmolzen und entgast war und eine gasundurchlässige Dichtung 14 gebildet hatte, wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen und abgekühlt.

Sobald die Anordnung auf Zimmertemperatur abgekühlt war, wurde der rostfreie Stahlbehälter 12 weggenommen, und die Sperrform 21 wurde im Sandstrahlverfahren entfernt, um einen annähernd nettoförmigen Aluminiummetallmatrixverbundkolben freizulegen. Im einzelnen ist die Abb. 10b eine Fotografie, die dem Aluminiummetallmatrixverbundkolben 80 entspricht, nachdem die Außenfläche 82 maschinell bearbeitet wurde. Abb. 10 b zeigt den Innenhohlraum 81 des replizierten Kolbens.

Beispiel 6

Im wesentlichen wurde die Methode aus Beispiel 5 wiederholt, die Sperrform 21 bestand jedoch aus einem Gemisch von etwa 2 Teilen AI₂O₃, Korngröße 220, und etwa einem Teil AI₂O₃, Korngröße 500 (beide 38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), und einem Teil kolloidern Aluminiumoxid (Bluonic A, vertrieben von Wesbond Corporation, Wilmington, DE); das Füllmaterial 11 bestand aus SiC, Korngröße 90 (39-Crystolon, Norton Co.) und das Originalteil hatte einen Außendurchmesser von etwa 2,75 Zoll (70mm) und eine Höhe von etwa 2,5 Zoll (64mm).

Die Anordnung 160, die wie im Beispiel 5 aufgebaut war, wurde etwa 4 Stunden lang bei 85O⁰C gehalten und dann auf einer wassergekühlten Ki'pferschreckplatte gerichtet verfestigt. Wie im Beispiel 5 hatte das Matrixmetall 13 das Füllmaterial 11 vollständig infiltriert, und es wurde ein annähernd nettoförmiger Aluminiummetallmatrixverbundkolben entnommen. Im einzelnen ist di 3 Abb. 11 a eine Fotografie, die dem Aluminiummetallmatrixverbundkolben 90 entspricht, der nach diesem Beispiel hergestellt wurde, im sandgestrahlten Zustand; Abb. 11 b ist eino Fotografie, die demselben Aluminiummetallmatrixverbundkolben 90 mit maschinell bearbeiteter Außenfläche 91 entspricht.

Beispiel 7

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung einer Graphitform zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers unter Anwendung der Methode des selbsterzeugten Vakuums. Die experimentelle Anordnung 20, die bei diesem Beispiel verwendet wird, ist der in der Abb. 3 gezeigten ähnlich.

Eine Graphitform 21 (Graphit-Güte ATJ von der Union Carbid, bezogen von MGP, Womelsdorf, PA) mit einem Innendurchmesser von etwa 1,25 Zoll (32 mm), einer Höhe von etwa 2 Zoll (51 mm) und einer Wandstärke von etwa 0,5 Zoll (13mm) wurde auf den Boden eines rostfreien Stahlbohälters 12 mit einem Innendurchmesser von etwa 2,6 Zoll (67mm) und einer Höhe von 3,5 Zoll (89 mm), hergestellt aus rostfreiem Stahl, Typ 304, Stärke 16 (1,6 mm stark), gesetzt. Der Raum zwischen der Graphitform 21 und dem rostfreien Stahlbehälter 12 wurde im wesentlichen bis zur Oberkante der Graphitform 21 mit einer Schicht gefüllt, die aus AI₂O₃, Korngröße 500 (E 1-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), besteht. Dann wurde der zylindrische Hohlraum der Graphitform 21 im wesentlichen mit etwa 80g eines Füllmaterials 11 gefüllt, das aus AI₂O₃, Korngröße 90 (38-Alundum, Norton Co.), besteht. Die Oberfläche der Schicht 23 oben auf der Graphitform 21 wurde im wesentlichen, aber nicht vollständig mit einem Stück Graphitfolie 22 (Perma-Foil von TT America, Portland, OR) bedeckt. Etwa 1 Zoll (25mm) eines flüssigen Bronzematrixmetalls 13, das auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 6% Si, etwa 0,5% Fe, etwa 0,5% Al und dem Ausgleich Kupfer bestand, mit einer Temperatur von etwa 1100⁰C wurde in den rostfreien Stahlbehälter 12 und über die Graphitfolienabdeckung der Graphitform 21 gegossen. Etwa 20g pulverisiertes B₂O₃ (Aesar*, Johnson Matthey, Seabrook, NH) wurden verwendet, um die Oberfläche des Bronzematrixmetalls 13 im wesentlichen abzudecken. Die Anordnung 20, die aus dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dessen Inhalt besteht, wurde in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben, der eine Temperatur von etwa 1100X aufwies. Nach etwa 2 Stunden bei etwa 1100°C, während der Zeit das B₂O₃Im wesentlichen schmolz, entgaste und eine gasundurchlässige Dichtung 14 bildete, wurde die Anordnung 20, die aus dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dessen Inhalt bestand, aus dem Ofen genommen und auf eine wassergekühlte Kupferschreckplatte gegeben, um das Bronzematrixmetall gerichtet erstarren zu lassen.

Sobald Zimmertemperatur erreicht war, wurde die Anordnung 20 auseinandergenommen, und es wurde festgestellt, daß das Bronzematrixmetall 13 das Füllmaterial 11 infiltriert hatte, um einen Bronzemetallmatrixverbundzylinder mit einer guten Oberflächenausführung auf allen Oberflächen zu bilden. Im einzelnen zeigt die Abb. 12 eine Fotografie, die dem Bronzemetallmatrixverbundzylinder 100 entspricht, der nach den in diesem Beispiel beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.

Beispiele

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung eines Graphitelementes oder -dorns zur Formung der Innenfläche eines Metallmatrixverbundkörpers, der unter Anwendung der Methode des selbsterzeugten Vakuums hergestellt wurde. Die bei diesem Beispiel verwendete experimentelle Anordnung war der im Beispiel 4 gezeigten ähnlich. Im einzelnen wurde ei. Graphitdorn 31 (AGSX-Graphit, Union Carbid) verwendet, der mit Rippen versehen war, einen Innendurchmesser von etwa 1 Zoll (24 mm) und eine Höhe von etwa 1,5ZoII (38mm) hatte, wobei die Rippen etwa alle 20° auf dem Umfang des Doms 31 angeordnet waren, etwa 0,16 Zoll (1,6mm) über den Umfang des Dorns vorstanden und eine Breite von etwa 0,1 Zoll (2,5mm) hatten und sich über eine Länge von 1,5ZoII (38mm) des Graphitdorns 31 erstreckten, um einen Metallmatrixverbundkörper mit einem gerippten Innendurchmesser herzustellen, der dem Außendurchmesser von Dorn 31 entspricht, und mit einem glatten .Außendurchmesser. Der Graphitdorn 31, der als Negativ der gewünschten Konfiguration des Inneren des gewünschten fertigen Verbundproduktes ausgeführt war, wurde in einen Behälter 12 mit einem Innendurchmesser von etwa 1,9 Zoll (48mm) und einer Höhe von etwa 3,5 Zoll (89mm) gegeben, der aus rostfreiem Stahl, Typ 304, Stärke 16 (1,6mm stark) hergestellt worden war. Ein Füllmaterial 11, das aus 95% SiC, Korngröße 90 (39-Crystolon, Norton Co.) und etwa 5% Zinn, Siebgröße -325 (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ) bestand, wurde in den Ring gegossen, der zwischen dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dem gerippten Graphitdorn 31 definiert wurde. In den rostfreien Stahlbehälter und auf das Füllmaterial 11 aus SiC, Korngröße 90, welches den gerippten Graphitdorn 31 umschloß, wurden etwa 1,5 Zoll (38mm) flüssiges Bronzematrixmetall 13 gegossen, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 5% Si, etwa 2% Fe, etwa 3% Zn und dem Rest Kupfer bestand. Dann wurden etwa 20g pulverisiertes B₂O₃ (Aesar®, Johnson Matthey, Seabrook, NH) eingesetzt, um die flüssige Bronzemetalloberfläche im wesentlichen vollständig zu bedecken. Die Anordnung 30, die aus dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre bei etwa 1100⁰C gegeben. Nach etwa 2 Stunden bei etwa 1100°C, während der Zeit das B₂O₃ im wesentlichen geschmolzen und entgast war und eine gasundurchlässige Dichtung 14 gebildet hatte und festgestellt worden war, daß der Pegel des Matrixmetalls 13 gefallen war, wurde die Anordnung 30 aus dem Ofen genommen, damit der Bronzematrixverbundstoff erstarren konnte. Bei Zimmertemperatur wurde die Anordnung 30 auseinandergenommen und legte einen Bronzematrixverbundkörper frei, welcher den gerippten Graphitdorn 31 umschloß. Der gerippte Graphitdorn 31 wurde dadurch aus dem Bronzemetallmatrixverbundkörper entfernt, daß der Bronzemetallmatrixverbundkörper, welcher den gerippten Graphitdorn 31 umschloß, in einen widerstandsbeheizten Kastenofen mit Luftatmosphäre gegeben wurde, der auf etwa 600⁰C eingestellt war. Nach etwa 12 Stunden bei etwa 600⁰C war der gerippte Graphitdorn 31 ausreichend vollständig oxydiert, und es wurde ein Bronzemetallmatrix /erbundkörper mit einem Innendurchmesser gewonnen, welcher den gerippten Graphitdorn negativ replizierte. Im einzelnen zeigt die Abb. 13 eine Fotografie, die dem Bronzematrixverbundzylinder 110 mit bearbeiteter Außenfläche 112 und einer Innenfläche 111 entspricht, welche die Außenfläche des Graphitdorns 31 umgekehrt repliziert.

Beispiel 9

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung einer geteilten Form für die Herstellung eines Metalimatrixverbundkörpers nach der Methode des selbsterzeugten Vakuums. Abb.14 ist eine schematische Querschnittansicht der in diesem Beispiel verwendeten Anordnung.

Eine Urform mit einem Außendurchmesser von etwa 1,75 Zoll (45mm) und einer Höhe von etwa 0,81 Zoll (21 mm) mit einem halbkugelförmigen Hohlraum mit einem Durchmesser von 1,38 Zoll (35mm) wurde maschinell aus einer kommerziell erhältlichen Aluminiumlegierung hergestellt. Die Urform wurde koaxial in ein kommerziell erhältliches PVC-Rohr mit einem Außendurchmesser von etwa 3 Zoll (76mm), einer Höhe von etwa 1,5 Zoll (38 mm) und einer Wandstärke von etwa 0,38 Zoll (9,5 mm) gegeben. Eine Gumminegativform wurde durch Gießen einer Formgummiverbindung (GI-1000, Plastic Tooling Co., Easton, PA, etwa 1 Gewichtsteil Aktivierungsmittel und etwa 10 Gewichtsteile Gummibasis) in den ringförmigen Raum zwischen dem PVC-Rohr und der Urform aus Aluminium hergestellt.

Sobald die Gumminegativform ausreichend ausgehärtet war, wurden aus der Gumminegativform gegossene Positivsperrformen 21 aus einem Gemisch hergestellt, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 1 Teil kolloidem Siliciumdioxid (NYACOL*20401 NH₄, Nyacol Products, Ashland, MA), etwa 2 Teilen AIjO₃, Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co.), etwa 1 Teil AI₂O₃, Korngröße 220 (38-Alundum, Norton Co.) und 0,2 Teilen Wasser bestand. Man ließ die positiven Sperrformgußteile etwa 2 Stunden bei etwa Zimmertemperatur aushärten. Nach etwa 2 Stunden wurde das überschüssige Wasser aus dem Gußteilgemisch abgegossen, und die Gumminegativformen mit den Sperrformen 21 wurden in ein Gefriergerät gegeben, das auf etwa -18°C eingestellt war, Dauer etwa 8 Stunden. Die Gumminegativformen wurden dann von den positiven Sperrformen 21 getrennt, und die positiven Sperrformen 21 wurden anschließend in einen widerstandsbeheizten Kammerofen mit Luftatmosphäre, der auf etwa 1000⁰C eingestellt war, für die Dauer von etwa einer Stunde gegeben. Anschließend wurde längs der Achse des Außendurchmessers einer Sperrform und dann durch den halbkugelförmigen Hohlraum eine etwa 0,38 Zoll (9mm) starke Bohrung 121 gebohrt (wie das in der Abb. 14 gezeigt wird). Die positive Sperrform 21 mit der darin ausgeführten Bohrung wurde mit einer anderen positiven Sperrform 21 in Kontakt gebracht, so daß ein kugelförmiger Hohlraum mit einem Durchmesser von etwa 1,38ZoII (35mm) in diesen gebildet wurde. Die beiden positiven Sperrformen 21 bildeten also eine geteilte Form 122. Ein Beschichtungsgemisch, das aus 50% kolloidem Vermiculit (W. R. Grace & Co., Lexington, MA) und 50% Wasser bestand, wurde durch die Bohrung 121 in den kugelförmigen Hohlraum gegossen. Man beließ das Beschichtungsgemisch etwa 2 Minuten i ι der geteilten Form und goß es dann aus, in dieser Zeit bildete sich im kugelförmigen Hohlraum der geteilten Form 122 ein Übei zug 25. Anschließend wurde die beschichtete, geteilte Form 122 in einen Ofen, der auf etwa 11O⁰C eingestellt war, für die Dauer von etwa 2 Stunden gegeben. Nach etwa 2 Stunden Verweilzeit wurde die beschichtete geteilte Form 122 für die Dauer von etwa einer Stunde bei etwa 1000°C gebrannt.

Das Innere der beschichteten geteilten Form 122 wurde mit einem Füllmaterial 11 gefüllt, welches aus SiC, Korngröße 90 (39-Crystolon, Norton Co.), bestand. Dann wurde die geteilte Form 122 in einen rostfreien Stahlbehälter 12 in einem Bett 23 gegeben, das aus AI2O3, Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co.), bestand. Die Bohrung 121 im unteren Abschnitt der geteilten Form 122 wurde im wesentlichen mit Graphitfolie 22 (Perma-foil, TT America, Portland, OR) bedeckt. Ein flüssiges Bronzematrixmetall 13, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 5% Si, etwa 2% Fe, etwa 3% Zn und dem Rest Kupfer bestand, wurde dann in den rostfreien Stahlbehälter 12 und auf die geteilte Form 122, die von der Feineinbettung 23 umschlossen war, gegeben, und über das flüssige Matrixmetall wurde eine Schicht B₂O₃-Pulver geschüttet. Die Anordnung 120, die aus dem rostfreien Stahlbehälter 12 und dessen Inhalt bestand, wurde dann in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 1100°C eingestellt war. Nach etwa 3 Stunden bei 1TOO⁰C wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen, um den Bronzemetallmatrixverbundkörper erstarren zu lassen. Sobald Zimmertemperatur erreicht war, wurde die geteilte Form 122 auseinandergenommen, und es wurde sichtbar, daß das flüssige Bronzematrixmetall 13 das Füllmaterial 11 infiltriert hatte, um eine Bronzemetallmatrixverbundkugel zu bilden. Neben der Verwendung von geteilten Formen demonstriert dieses Beispiel, daß Matrixmetalle nach oben in Sperrformen gezogen werden können, um das Füllmaterial zu infiltrieren und einen Metallmatrixverbundkörper zu bilden.

Beispiel 10

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung eines Sperrdorns, der aus einer feinkörnigen Einbettung und einem Bindemittel besteht, um die Innenform eines Metallmatrixverbundstoffs zu definieren. In diesem Beispiel wurde mit einer ähnlichen Anordnung wie der in der Abb.4 gezeigten gearbeitet.

Im einzelnen wurde ein Innenrad hergestellt, wozu zuerst ein Sperrelement oder-dorn 31 mit der Negativform der gewünschten Innenkonfiguration des Rades aus einem Gemisch hergestellt wurde, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 20% gebranntem Gips (Bondex, Bondex International Inc., Brunswick, OH) und 80% AIjO₃, Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co.), bestand. Nachdem der Sperrdorn 31 ausreichend abgebunden hatte und getrocknet war, wurde er in einem zylindrischen, rostfreien Stahlbehälter 12 mit einem Innendurchmesser zentriert, der mit dem gewünschten Außendurchmesser des zu formenden, fertigen Metallmatrixverbundteiles übereinstimmte. Der Raum zwischen dem Sperrdorn 31 und dem rostfreien Stahlbehälter 12 wurde anschließend mit einem Füllmaterial 11 gefüllt, welches aus 90% AI₂O₃, Korngröße 90 (38-Alundum, Norton Co.) und 10% Zinn, Siebgröße -325 (Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), bestand. In den rostfreien Stahlbehälter 12 über das Füllmaterial 11 wurde biszu einerTiefe von etwa 1 Zoll (25mm) ein flüssiges Bronzematrixmetall 13, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 5% Si, etwa 2% Fe, etwa 3% Zn und dem Rest Kupfer bestand, gegossen, und über das flüssige Matrixmetall wurde B₂O₃-PuIvOr gegossen, um nach dessenSchmelzen eine außen gelegene Dichtung 14 zu bilden.

Die Anordnung 30, die aus dem rostfreien Stahlbehälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 1100⁰C eingestellt war. Nach etwa 3 Stunden bei etwa 1100⁰C wurde die Anordnung aus dem Ofen genommen und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Anschließend wurde der Sperrdorn 31 im Sandstrahlverfahren von dem gebildeten Bronzemetallmatrixverbundkörper entfernt, was in dem Metallmatrixverbundkörper eine Innenform ergab, die mit der Außenfläche des Sperrdorns 31 übereinstimmte. Im einzelnen zeigt die Abb. 15 eine Fotografie, die dem Bronzemetallmatrixverbundkörper 130 mit Zähnen 131 im inneren Abschnitt des Bronzematrixverbundkörpers 130 entspricht.

Beispiel 11

Dieses Beispiel demonstriert, daß eine verhältnismäßig komplizierte Metallmatrixstruktur unter Anwendung der Methode des sich verflüchtigenden Dorns hergestellt werden kann. Im einzelnen wurde ein Metallmatrixfachwerk aus einem Original aus Balsaholz hergestellt. Das Balsaholzoriginal wurde durch Verleimen von kommerziell erhäschen Balsaholzstreifen hergestellt, wie das schematisch in der Abb. 16a gezeigt wird. Dann wurde das Balsaholzoriginal mit wenigstens zwei Schichten Silberbronze

(P-1140, vertrieben von Pep Boys, Philadelphia, PA) überzogen. Nachdem die Silberbronze getrocknet war, wurde das Bdlsaholzoriginal am Boden eines Papierbehälters mit den Abmessungen von etwa 5 Zoll (127 mm) mal etwa 2 Zoll (51 mm) mal etwa 1 Zoll (25mm) Höhe mit einem Petrolat (Vaseline* Cheeseborough-Pond's Inc., Greenwich CT) befestigt. Nachdem das Originalteil an dem Papierbehälter befestigt war, wurde ein Gemisch für die Sperrform durch Mischen von etwa

1 Teil kolloidem Siliciumdioxid (NYACOL* 2040 NH₄A, Nyacol Products, Ashland, MA), etwa 2 Teilen AI₂O₃, Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co.), etwa 1 Teil AI₂O₃, Korngröße 220 (38-Alundum, Norton Co.) und etwa 0,2 Teilen Wasser, alles auf Gewichtsgrundlage) hergestellt. Nachdem dieses Sperrgemisch entschäumt und entlüftet worden war, wurde es über das Originalteil aus Balsaholz gegossen und etwa zwei Stunden bei etwa Zimmertemperatur härten lassen. Nach diesen zwei Stunden wurde das überschüssige Wasser aus dem Sperrgemisch mit einem Tuch aufgenommen und AI₂O₃, Korngröße 220 (38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA) auf die Oberfläche des Gußteile gegossen, um überschüssiges Wasser aufzusaugen. Das Sperrgemisch, welches das Balsaholzoriginalteil umschloß, wurde dann in ein Gefriergerät gegeben und etwa 8 Stunden etwa bei -18°C gehalten. Die gehärtete Sperrmaterialform, welche das Balsaholzoriginalteil umschloß, wurde dann für etwa eine Stunde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der bei etwa 1000⁰C gehalten wurde. In dieser Zeit bei etwa 1000⁰C verbrannte das Balsaholz und bildete einen Innenhohlraum in der Sperrform. Nach der Entnahme aus dem Ofen ließ man die Sperrform abkühlen, und dann wurden die Aschereste des Balsaholzes aus dem Inneren der Sperrform geblasen. Die Sperrform wurde auf eine Größe geschnitten, urn sie in den unten beschriebenen undurchlässigen Behälter einpassen zu können. Dann wurde ein Beschichtungsgemisch, das aus etwa 50% kolloidem Vermiculit (Microlito, Nr.903, W. R. Grace & Co., Lexington, MA) und etwa 50% Wasser bestand, in die Sperrform gegossen. Man beließ dieses Beschichtungsgemisch für etwa

2 Minuten in der gebrannten Sperrform, in dieser Zeit bildete sich auf der Sperrform ein Überzug. Anschließend wurde die beschichtete Sperrform für etwa zwei Stunden in einen Ofen gegeben, der auf etwa 60⁰C eingestellt war. Nach etwa 2 otunden bei etwa 60°C wurde die beschichtete Sperrform bei etwa 1000⁰C etwa eine Stunde lang gebrannt.

Die beschichtete Sperrform wurde dann in einen undurchlässigen Behälter gegeben, der aus rostfreiem Stahl, Typ 304, Stärke 16 (1,6 mm stark) hergestellt worden war und Innenabmessungen von etwa 4,9 Zoll (125 mm) Länge mal etwa 1,4 Zoll (36mm) Breite mal etwa 1,7 Zoll (43 mm) Tiefe hatte. Der Raum zwischen der beschichteten Sperrform und dem rostfreien Stahlbehälter wurde dann mit einer Schicht gefüllt, die aus AI₂O₃, Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), bestand. Die beschichtete Sperrform wurde mit einem Material gefüllt, das aus AI₂O₃, Korngröße 220 (38-Alundum, Norton Co., Worcester, MA), bestand. Die mit Füllmaterial gefüllte Sperrform wurde dann mit einem Stück Graphitfolie (PERMA-FOIL·, TT America, Portland, OR) bedeckt. Ein Matrixmetall, das aus einer kommerziell erhältlichen Aluminiumlegierung mit der Bezeichnung 6061 bestand, in die zusätzlich etwa 4 Gew.-% Magnesium legiert worden war, wurde dann geschmolzen und in den rostfreien Stahlbehälter und auf die Graphitfolie gegossen, so daß das Füllmaterial in der Sperrform bedeckt wurde. Anschließend wurde über das flüssige Matrixmetall B₂O₃-Pulver geschüttet, und die Anordnung wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 850⁰C eingestellt war. Man ließ etwa 15 Minuten verstreichen, damit das B₂O₃ schmolzen, entgasen und eine gasundurchlässige Dichtung bilden konnte. Die Anordnung wurde weitere etwa 2 Stunden bei etwa 95O⁰C gehalten, nach dieser Zeit wurden die Anordnung und ihr Inhalt aus dem Ofen genommen und auf eine wassergekühlte Kupferschreckplatte gesetzt, um den Metallmatrixverbundstoff gerichtet erstarren zu lassen.

Sobald Zimmertemperatur erreicht ist, wurde der rostfreie Stahlbehälter von dem erstarrten restlichen Matrixmetall und der beschichteten Sperrform weggeschnitten. Es wurde festgestellt, daß das Graphitband die Trennung des Grundkörpers des Matrixmetalls vom Metallmatrixverbundkörper erleichterte. Die beschichtete Sperrform wurde dann in ein Sandstrahlgebläse gegeben, und die beschichtete Sperrform wurde im Sandstrahlverfahren weggeblasen, wodurch das Fachwerk sichtbar wurde, das aus einem Aluminiummetallmatrixverbundstoff bestand. Im einzelnen zeigt die Abb. 16b eine Fotografie, die dem Aluminiummetallmatnxverbundfachwerk 141 entspricht, das nach diesem Beispiel hergestellt worden ist.

Beispiel 12

Dieses Beispiel demonstriert die Herstellung einer verhältnismäßig komplizierten Metallmatrixstruktur nach der Methode des Wachsausschmelzverfahrens. Im einzelnen wurde ein Metallmatrixfachwerk von einem Original hergestellt. Das Original, das in der Abb. 16a gezeigt wird, 140, wurde durch Verleimen von normalen Wachsbögen (165, Freeman Co., Belleville, NJ) hergestellt.

Das Wachsoriginal wurde dann in einen rostfreien Stahlbehälter mit einer Länge von etwa 6 Zoll (152 mm), einer Breite von etwa 2 Zoll (51 mm) und einer Höhe von etwa 2 Zoll (51 mm) gegeben. Ein Sperrgemisch, das aus etwa 50% Calciumaluminatzement (Secar 71, Lafarge Calcium Aluminates, Chesapeake, VA) und etwa 50% AI₂O₃, Korngröße 500 (39-Alundum, Norton Co.) und einer im wesentlichen ausreichenden Menge Wasser bestand, um das Sperrgemisch gießfähig zu machen, wurde in den rostfreien Stahlbehälter und über das Wachsoriginal bis zur Höhe des Wachsoriginals gegossen.

Nachdem das Sperrgemisch in dem rostfreien Stahlbehälter und um das Wachsoriginal ausreichend abgebunden hatte, wurde

das Wachsoriginal entfernt, wozu zuerst die Anordnung für die Dauer von etwa 3 Stunden in einen Ofen gegeben wurde, der auf |

utwa 15O⁰C eingestellt war, wobei das Wachsoriginal geschmolzen wurde. Dann wurde die Anordnung für die Dauer von etwa

einer Stunde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 800⁰C eingestellt war, um möglicherweise '

noch vorhandenes Wachs auszubrennen, das nach dem Schmelzen verblieben war, was einen Negativsperrmantel des ^!

Originalwachsfachwerks ergab. Der Raum in dem Sperrmantel wurde mit einem Füllmaterial aus SiC, Korngröße 90

(39-Crystolon, Norton Co.), gefüllt. Ein flüssiges Aluminiummatrixmetall, das, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 7,5 bis 9,5% Si, i

3,0-4,0% Cu, s 2,9% Zn, 0,2-0,3% Mg, < 1,3% Fe, < 0,5% Mn, ^ 0,35% Sn und dem Rest Al bestand, wurde in den rostfreien '

Stahlbehälter und auf den mit Füllmaterial gefüllten Sperrmantel bis zu einer Tiefe von etwa 0,5 Zoll (13 mm) gegossen. Dann

wurde B₂O₃-Pulver verwendet, um die Oberfläche des flüssigen Aluminiummatrixmetalls im wesentlichen vollständig zu '

bedecken. Die Anordnung, die aus dem rostfreien Stahlbehälter und dessen Inhalt bestand, wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen bei etwa 85O⁰C gegeben. Nach etwa 4 Stunden bei etwa 85O⁰C, während der das B₂O₃ im wesentlichen

geschmolzen, entgast war und eine gasundurchlässige Dichtung gebildet hatte, wurde die Anordnung herausgenommen und ;

abkühlen lassen auf Zimmertemperatur. Die Anordnung wurde auseinandergenommen, und der Sperrmaterialmantel wurde im j

Sandstrahlverfahren weggeblasen, so daß ein Aluminiummatrixverbundfachwerk sichtbar wurde.

Beispiel 13

Die Methode aus dem Beispiel 1 wurde im wesentlichen wiederholt, um ein Pumpenrad mit einem Außendurchmesser von etwa 3,5 Zoll (89 mm) herzustellen, es wurde nur mit einem anderen Matrixmetall, mit unterschiedlicher Bearbeitungstemperatur und einem unterschiedlichen Sperrmaterialmantel gearbeitet. Der Sperrmaterialmantel wurde aus einem Gemisch "«bildet, das, auf Gewichtsgrundlage, aus 2 Teilen AI₂O_J( Korngröße 500 (38-Alundum, Norton Co.), 1 Teil AIjO₃, Korngröße 90 _v .^-Alundum, Norton Co.), und einem Teil kolloidem Aluminiumoxid (Bluonic A, bezogen von der Wesbond Corp., Wilmington, DE) bestand. Das Matrixmetall 13 war eine Bronzelegierung, die, auf Gewichtsgrundlage, aus etwa 6% SI, etwa 1 % Fe und dem Rest Kupfer bestand, und das Füllmaterial 11 war SiC, Korngröße 90 (39-Crystolon, Norton Co.). Die Anordnung 40 wurde in einen widerstandsbeheizten Luftkammerofen gegeben, der auf etwa 1100⁰C eingestellt war, und man ließ dem Matrixmetall etwa 3,5 Stunden Zeit, das Füllmaterial zu infiltrieren. Im einzelnen zeigt Abb. 17a eine Fotografie, die dem Bronzematrixpumpenrad entspricht, das in diesem Beispiel gebildet wurde.

Bezugszelchenllste

10 Aufbau

11 Füllmaterial

12 undurchlässiger Behälter

13 Matrixmetall

14 Dichtungsmaterial

15 Stahlrohr

16 Platte

17 umgebende Atmosphäre

20 Anordnung

21 operrform

22 Trennmittel (Graphitband)

23 Bett

24 Raum

25 Überzug

26 Dorn

30 Anordnung

31 Dorn

40 Anordnung

50 Anordnung

51 Form

52 undurchlässige Oberfläche

61 Aluminiummatrixkugelventile 63 Kugelventil 66 Matrixmetall

70 Aluminiummatrixzahnrad

71 Bronzematrixzahnrad

80 Aluminiummetallmatrixverbundkolben

81 Innenhohlraum

82 Außenfläche

90 Aluminiurnmetallmatrixverbundkolben

91 Außenfläche

92 Innenraum

100 Bronzemetallmatrixverbundzylinder

110 Bronzemetallmatrixverbundzylinder

111 Innenfläche

112 Außenfläche

120 Anordnung

121 Bohrung

122 geteilte Form

130 Bronzemetallmatrixverbundkörper

131 Zähne

140 Balsaholzoriginal

141 Aluminiummetallverbundfachwerk 150 Bronzemetallmatrixpumpenrad 160 Anordnung

Claims

1. Methode zur Herstellung e ines geformten Metallmatrixverbundkörpers, welche die Schritte umfaßt: Bildung eines Reaktionssystems, welches ein Matrixmetall, eine reaktive Atmosphäre, einen undurchlässigen Behälter, eine durchlässige Masse, die aus wenigstens einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer losen Masse von Füllstoff und einer Vorform von Füllstoff besteht, und ein Sperrelement umfaßt, welches wenigstens einen Abschnitt von wenigstens einer Oberfläche der durchlässigen Masse kontaktiert und welches von dem Matrixmetall wenigstens teilweise räumlich getrennt ist, um wenigstens eine Oberfläche des geformten Metallmatrixverbundkörpers zu bilden; wenigstens teilweise Abdichtung des Reaktionssystems gegenüber einer umgebenden Atmosphäre, welche außerhalb des Reaktionssystems ist, um einen Nettodruckunterschied zwischen der reaktiven Atmosphäre und der umgebenden Atmosphäre zu erreichen, wobei die Dichtung durch wenigstens eines der Elemente außen gelegene Dichtung, innewohnende physikalische Dichtung und innewohnende chemische Dichtung gebildet wird, und Erhitzung des abgedichteten Reaktionssystems, um das Matrixmetall flüssig zu machen und zumindest teilweise die durchlässige Masse durch das flüssige Matrixmetall bis zum Sperrelement infiltrieren zu lassen, um so den geformten Metallmatrixverbundkörper zu bilden, bei welchem wenigstens eine Oberfläche durch das Sperrelement festgelegt ist.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die zumindest teilweise Abdichtung die im wesentlichen vollständige Isolierung der reaktiven Atmosphäre umfaßt.

3. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nettodruckunterschied wenigstens während eines Abschnitts der Infiltration des flüssigen Matrixmetalls in die durchlässige Masse bis zum Sperrelement existiert.

4. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall zumindest ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminium, Magnesium, Bronze, Kupfer und Gußeisen besteht.

5. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionssystem außerdem wenigstens ein Benetzungssteigerungsmittel umfaßt.

6. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionssystem außerdem wenigstens ein Dichtungshilfsmittel umfaßt.

7. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Abdichtung durch eine außen gelegene Dichtung erfolgt, die zumindest ein glasartiges Material umfaßt.

8. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Abdichtung durch eine innewohnende chemische Dichtung erfolgt, die ein Reaktionsprodukt des Matrixmetalls und der umgebenden Atmosphäre umfaßt.

9. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Abdichtung durch eine innewohnende physikalische Dichtung erfolgt, die ein Benetzen des undurchlässigen Behälters durch das Matrixmetall umfaßt.

10. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens teilweise Abdichtung durch eine innewohnende chemische Dichtung erfolgt, die ein Reaktionsprodukt des Matrixmetalls und des undurchlässigen Behälters umfaßt.

11. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Atmosphäre wenigstens teilweise mit einem von Matrixmetall, Füllmaterial und undurchlässigem Behälter reagiert, woraus der Nettodruckunterschied resultiert.

12. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Benetzungssteigerungsmittel mit dem Matrixmetall legiert ist.

13. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium umfaßt und das Benetzungssteigerungsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Magnesium, Wismut, Blei und Zinn besteht.

14. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall wenigstens eines von Bronze und Kupfer umfaßt und das Benetzungssteigerungsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Selen, Tellur und Schwefel besteht.

15. Methode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Benetzungssteigerungsmittel von einer äußeren Quelle zugeführt wird.

16. Methode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt des undurchlässigen Behälters das Sperrelement umfaßt.

17. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Metall, einem keramischen Stoff, einem keramischen Verbundstoff und einem Ton besteht.

18. Methode nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement ein Partikulatmaterial umfaßt, das unter Verfahrensbedingungen nichtinfiltrierbar ist.

19. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Kohlenstoff, Graphit, Titandiborid, gebrannten Gips, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid besteht.

20. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement durch das Matrixmetall im wesentlichen nichtbenetzbar ist.

21. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement innerhalb des undurchlässigen Behälters enthalten ist.

22. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement auf wenigstens eine Oberfläche der durchlässigen Masse durch wenigstens ein Verfahren aufgebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Anstreichen, Tauchen, Siebdrucken, Aufdampfen und Aufsprühen besteht.

23. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement eine flexible Graphitfolie umfaßt, die in Stoßkontakt mit wenigstens der einen Oberfläche gebracht wird.

24. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Trennhilfsmittel umfaßt, welches die Trennung des geformten Metallmatrixverbundstoffs von wenigstens einem von undurchlässigen Behälter, Sperrelement und Matrixmetall erleichtert.

25. Methode nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennhilfsmittel wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Graphit, Boroxid und Zinn besteht.

26. Methode nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennhilfsmittel im Sperrelement enthalten ist.

27. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Masse wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whiskem, Blasen, Fasern, Partikulatmaterial, Fasermatten, zerkleinerten Fasern, Kugeln, Pellets, Tubulussen und feuerfestem Zeug besteht.

28. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Masse wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Oxiden, Carbiden, Boriden und Nitriden besteht.

29. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der undurchlässige Behälter wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einem keramischen Material, einem Metall, einem Glas und einem Polymer besteht.

30. Methode nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der undurchlässige Behälter Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid umfaßt.

31. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktive Atmosphäre wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und einer stickstoffhaltigen Atmosphäre besteht.

32. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium umfaßt und die reaktive Atmosphäre Luft, Sauerstoff oder Stickstoff umfaßt.

33. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall wenigstens eines von Bronzematrixmetall, Kupfermatrixmetall und Gußeisenmatrixmetall umfaßt und die reaktive Atmosphäre Luft, Sauerstoff oder Stickstoff umfaßt.

34. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionssystems höher als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber niedriger als die Verdampfungstemperatur des Matrixmetalls und der Schmelzpunkt des Füllstoffs ist.

35. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium umfaßt und der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Oxiden, Carbiden, Boriden und Nitriden besteht.

36. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abgedichtete Reaktionssystem erhitzt wird auf eine Temperatur von: etwa 700^cC-1000⁰C, wenn das Matrixmetall Aluminium umfaßt, etwa 1050⁰C bis 1125⁰C, wenn das Matrixmetall Bronze oder Kupfer umfaßt, und etwa 1250°C-1400⁰C, wenn das Matrixmetall Gußeisen umfaßt.

37. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete, geformte Metallmatrixverbundkörper außerdem gerichtet erstarren lassen wird.

38. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff wenigstens ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Zirconium, Titannitrid, Borcarbid und deren Gemischen besteht.

39. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest teilweise Abdichtung durch eine außen gelegene Dichtung gebildet wird, welche wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Gläsern, Silioiumgläsern und B₂O₃ besteht, unü welche wenigstens während eines Abschnitts der Infiltration wenigstens tailweise geschmolzen wird.

40. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement eine Form umfaßt, die aus wenigstens einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Vermiculit, Graphit, gebranntem Gips und rostfreiem Stahl besteht.

41. Methode nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Form auch als undurchlässiger Behälter dient.

42. Geformter Metallmatrixverbundkörper, der nach einem der vorstehenden Ansprüche gebildet wurde.