DD301869A9

DD301869A9 - Methode zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Metallgrundmasse

Info

Publication number: DD301869A9
Application number: DD32493389A
Authority: DD
Inventors: Ratnesh K Dwivedi; Jr Virgil Irick
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-01-11
Filing date: 1989-01-09
Publication date: 1994-06-01
Also published as: KR970002030B1; AU621072B2; MX165625B; BR8900067A; DK7989D0; ATE94522T1; PH25592A; FI93945B; DK7989A; CN1034688A; TR23959A; RO103408B1; FI93945C; FI890121A0; IL88868A0; EP0324706A3; DE68909061D1; CA1321055C; RU1797603C; EP0324706B1

Abstract

Ein Verbundstoff mit Aluminiummetallgrundmasse umfaßt eine Aluminiummetallgrundmasse, in die ein zweiter Füllstoff wie ein keramischer zweiter Füllstoff eingebettet ist, und wird dadurch gebildet, daß beispielsweise ein geschmolzenes Aluminiummetall mit einer durchlässigen Masse eines zweiten Füllstoffs in einer keramischen undurchlässigen Form kontaktiert wird, die durch Hineinwachsen eines polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukts in einen ersten Füllstoff gebildet wird. Durch hermetisches Abdichten des zweiten Füllstoffs in der Form mit einem Körper geschmolzenen Aluminiummetalls infiltriert letzteres spontan die Masse des zweiten Füllstoffs bei mäßigen Temperaturen, z. B. bei ca. 900 Grad C, ohne daß irgendwelche anderen Infiltrationshilfen erforderlich sind. Die den infiltrierten keramischen Füllstoff enthaltende geschmolzene Masse wird verfestigt, um den Verbundstoff mit Metallgrundmasse zur Verfügung zu stellen, der aus der Form gewonnen werden kann. Die Verfestigung kann unter Bindungsbedingungen durchgeführt werden, bei denen das sich verfestigende Material in direktem Kontakt mit der keramischen Form gehalten wird, um den Verbundstoff mit Metallgrundmasse verbunden mit der Form oder einem Teil davon als einem Strukturelement zur Verfügung zu stellen.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Methode zum Formen eines Verbundstoffs mit Metallgrundmasse in einer keramischen Vorform durch die spontane Infiltration einer in der Vorform befindlichen durchlässigen Füllstoffmasse mit geschmolzenem Aluminium oder Magnesium oder Legierungen davon. Die Erfindung betrifft auch Verbundstoffkörper und -strukturen mit Aluminium- und Magnesiummetallgrundmasse.

Ausgangssituation und Beschreibung des Standes der Technik

Verschiedene Verbundstoffprodukte, die aus einer Metallgrundmasse und einer darin eingebetteten festigkeitserhöhenden oder Verstärkungsphase, bestehend aus einem Füllstoff wie Keramikteilchen, -whiskern, -fasern oder ähnlichem, bestehen, berechtigen für eine Vielzahl von Anwendungen zu den besten Hoffnungen, da sie die Festigkeit und Härte der Verstärkungsphase mit der Dehnbarkeit und Zähigkeit der Metallgrundmasse kombinieren.

Im allgemeinen zeigt ein Verbundstoffkörper mit Mqtallgrundmasse an und für sich schon eine Verbesserung bei solchen Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Beibehaltung der Festigkeit bei hohen Temperaturen gegenüber dem Metall der Grundmasse. In einigen Fällen können die Verbundstoffkörper sogar gewichtsmäßig leichter sein als Körper des Grundmassenmetalls entsprechender Größe. Allerdings ist der Grad, bis zu dem eine gegebene Eigenschaft verbessert werden kann, in hohem Maße von den verwendeten spezifischen Bestandteilen, deren entsprechenden Volumina oder Gewichtsanteilen in den Verbundstoffkörpern und deren Verarbeitungsweise beim Formen der

Verbundstoifkörper abhängig. Verbundstoffe mit Aluminiumgrundmasse, die durch keramische FUIistoffe wie SiiJziumcarbid in Parlikulat-, Plättchen- oder Whiskerform als Beispiel verstärkt sind, sind aufgrund ihrer höheren Steifigkeit sowie größeren Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit im Vergleich zu Aluminium ohne Füllstoff von Interesse.

Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundstoffen mit Aluminiumgrundmasse einschließlich Methoden auf der Basis von pulvermetallurgischen Verfahren und Methoden auf der Basis der Flüssigmetallinfiltration von Verstärkungsmaterialien wie durch Druckgießen beschrieben worden.

Bei pulvermetallurgischen Verfahren werden das Metall in Form eines Pulvers und das keramische Verstärkungsmaterial in Form eines Pulvers, Whisker, zerkleinerten Fasern usw. vermischt und anschließend entweclur kaltgepreßt und gesintert odor heißgepreßt. Die Heistellung von Verbundstoffen mit Metallgrundmasse durch die Pulvermetallurgie unter Anwendung von herkömmlichen Verfahren bringt gewisse Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Eigenschaften der Produktb mit sich. Der Volumenanteil der keramischen Phase in dem Verbundstoff ist begrenzt, im Normalfall auf ca. 40%, der Preßvorgang setzt der erreichbaren praktischen Größe Grenzen, und nur relativ einfache Produktformen sind ohne oine nachfolgende Verarbeitung (z. B. Formen oder maschinelle Bearbeitung) oder ohne Zurückgreifen auf komplexe Pressen möglich. Des weiteren kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen kommen, auch ist eine Ungleichmäßigkeit der MikroStruktur infolge von Segregation in den Preßkörpern und Kornwachstum möglich.

Wenn geschmolzenes Aluminium beispielsweise bei der Herstellung von Verbundstoffen mit Aluminiumgrundmasse und Tonerdefüllstoff verwendet wird, werden die verstärkenden Tonerdestoffe nicht ohne weiteres von dem geschmolzenen Aluminium benetzt, wodurch es schwierig ist, ein kohärentes Produkt zu bilden. Nach dem Stand der Technik werden für dieses Problem verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Dazu gehören das Beschichten der Tonerde (oder anderer Füllstoffe) mit einem Benetzungsmittel, das Anwenden von Druck zum Hineindrücken des geschmolzenen Aluminiums in das verstärkende Material oder Füllstoff, das Anwenden eines Vakuums zum Hineinziehen des geschmolzenen Aluminiums in den Füllstoff, das Arbeiten bei sehr hohen Temperaturen, weit über dem Schmelzpunkt von Aluminium, und eine Kombination dieser Verfahrensweisen. Diese Verfahrensweisen neigen dazu, die Verarbeitung zu komplizieren, erfordern teure Ausrüstungen wie Pressen, Vakuumapparate, Steuerungen usw., limitieren die Größen und Formen der Produkte, die geformt werden können, und bringen manchmal unerwünschte Komponenten in das Produkt in Form von Benetzungsmitteln oder ähnlichem ein. üie Anwendung einer in einer Form eingeschlossenen reaktiven Atmosphäre zur Erleichterung der Infiltration von geschmolzenem Metall ist durch das US-Patent 3.364.976 von J. N. Reding et al. beschrieben. Dieses Patent beschreibt eine Methode zum Gießen von Metallen wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen, bei der ein Formhohlraum, der einen geeigneten Füllstoff enthalten kann, eine Atmosphäre enthält, die mit dem zu gioßenden geschmolzenen Metall reaktionsfähig ist und ein festes Reaktionsprodukt mit geringem Volumen bildet. Die Form wird wirksam verschlossen, so daß die Reaktion mit dem geschmolzenen Metall die eingeschlossene Atmosphäre verbraucht und innerhalb des Formhohlraums ein Vakuum erzeugt, wodurch das geschmolzene Metall hineingezogen wird. So ist zum Beispiel in Spalte 3, Zeile 55ff. die Reaktion von geschmolzenem Magnesium mit dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft unter Bildung von Magnesiumoxid und Magnesiumnitrid beschrieben, wodurch ein ausreichend großes Vakuum erzeugt wird, um im wesentlichen vollständig die Form mit geschmolzenem Magnesium zu füllen. Die Zeichnungen veranschaulichen eine kastenförmige Form 10 mit einer einzelnen Öffnung 12, die zu einem Hohlraum 14 führt, welcher eine Atmosphäre enthält, die mit dem geschmolzenen Matall 16 entsprechend reaktionsfähig ist. Das Eintauchen der Form in einen Körper geschmolzenen Metalls, wie in Figur 3 dargestellt ist, wird angegeben, um der Notwendigkeit vorzubeugen, daß die Form völlig gas- oder flüssigkeitsundurchlässig (Spalte 2, Zeilen 57-61) sein muß, und die Reaktion der in der Form eingeschlossenen Atmosphäre bringt das geschmolzene Metall dazu, die Form zu füllen. Die Beispiele 5 bzw. 10 veranschaulichen die Infiltration eines Tonerdekorns mit geschmolzener Magnesiumlegierung bei 13OG⁰F (704°C) und die Infiltration eines Siliziumcarbids mit geschmolzener Aluminiumlegierung, die 5% Magnesium enthält, bei 1400"F (760⁰C).

Die US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 049.171, angemeldet am 13. Mai 1987 unter dem Namen Danny R. White et al. und unter dem Titel „Verbundstoffe mit Metallgrundmasse", die an den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen worden ist, beschreibt eine Methode zur Herstellung von Verbundstoffen mit Aluminiumgrundmasse. Nach dieser Methode wird geschmolzenes Aluminium, das mindestens ca. 1 Ma.-% Magnesium und vorzugsweise mindestens ca. 3Ma.-% Magnssium enthält, in Gegenwart eines Gases, bestehend zu ca. 10 bis 100Vol.-% aus Stickstoff und dem Restanteil aus nichtoxydierendem Gas, z. B. Argon oder Wasserstoff, mit einer durchlässigen Masse eines keramischen Füllstoffs kontaktiert. Die geschmolzene Aluminiumlegierung, die eine Temperatur von ca. 700⁰C bis 1200⁰C haben kann, infiltriert spontan den durchlässigen Füllstoff, d.h. infiltriert den Füllstoff ohne die Notwendigkeit des Aufbringens von mechanischem Druck oder Vakuum zur Unterstützunp der Infiltration. Der geschmolzene Körper kann sich verfestigen, um einen Körper mit Metallgrundmasse zu bilden, in den de/ keramische Füllstoff eingebettet ist, d. h. einen Verbundkörper mit Metallgrundmasse. Zu den keramischen Füllstoffen gehören zum Beispiel Oxide, Carbide, Boride und Nitride, z.B. Tonerde.

Summarische Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung stellt allgemein eine Methode zum Formen von Verbundstoffen mit Metallgrundmasse durch spontane Infiltration von geschmolzenem Aluminium oder Magnesium in eine Masse oder ein Bett eines Füllstoffs (nachfolgend als „zweiter Füllstoff" bezeichnet) in einer Form, die in einer im wesentlichen hermetischen Umgebung gehalten wird, zur Verfügung. Die Form wird durch die direkte Oxydation eines geschmolzenen Vorläufermetalls oder Grundmetalls mit einem Oxydationsmittel unter der Entwicklung oder des Wachsens eines polykristllinen Oxydationsreaktionsprodukts, welches mindestens einen Teil einer Vorform, bestehend aus einem geeigneten Füllstoff (nachfolgend als „erster Füllstoff" bezeichnet), einbettet, ausgebildet. Das hermetisch verschlossene Bett kann eingeschlossene Luft enthalten, doch die eingeschlossene Luft und der Forminhalt jind so isoliert oder abgeschlossen, daß äußere oder Umgebungsluft ausgeschlossen sind. Die Form wird reichlich mit dem zweiten Füllstoff gefüllt und mit geschmolzenem Metall kontaktiert, und der Forminhalt wird hermetisch verschlossen, was im typischsten Fall durch Verschließen des Einlaufs oder der Öffnung der Form geschieht. Indem eine hermetische Umgebung geschaffen wird, wird eine wirksame spontane Infiltration des zweiten Füllstoffs bei mäßigen Temperaturen des geschmolzenen

Metalls erreicht, so daß keine Benetzungsmittel, spezielle Legierungsbestandteil in dem geschmolzenen Aluminiummetall oder Magnesiummetall, das Anwenden von mechanischem Druck oder Vakuum, spezielle Gasatmosphären oder andere Infiltrationshilfen nötig sind.

Es wird aL ) zunächst eine im wesentlichen undurchlässige Form nach der Methode der gerichtöton Oxydation geformt, die in den unten dargelegten, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen beschrieben ist. Eine durchlässige Vorform, die aus einem ersten Füllstoff besteht und mit einem Hohlraum von gewünschter Konfiguration versehen ist, wird mit einem geschmolzenen Grundmetall in Kontakt und mit einem Oxydationsmittel zur Reaktion gebracht. Diese Reaktion bildet ein undurchlässiges Oxydationsrpaktionsprodukt und wird in einem Temperaturbereich durchgeführt, der sich von einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Grundmetalls bis zu einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsprodukts erstreckt. Während der Reaktion wird der Kontakt zwischen mindestens einem Tei! des Oxydationsreaktionsprodukts und dem geschmolzenen Grundmetall und dem Oxydationsmittel, zwischen denen sich das Oxydationsreaktionsprodukt erstreckt, aufrechte falten, damit zunehmend geschmolzenes Grundmetall durch das Oxydationsreaktionsprodukt zum Oxyddliunbimttel hin und in die Vorform gezogen wird, so daß sich weiterhin Oxydationsreaktionsprodukt innerhalb der Vorform an der Grenze zwischen Oxydationsmittel und zuvor gebildetem Oxydationsreaktionsprodukt bildet. Die Oxydationsreaktion wird innerhalb des vorgenannten Temperaturbereichs fortgesetzt, um in dem Oxydationsreaktionsprodukt durch Wachstum des letzteren mindestens einen Teil der Vorform einzubetten und dadurch die undurchlässige Form als einen keramischen Körper, in dem der erste Füllstoff eingebettet ist, zur Verfügung zu stellen. Zum Beispiel kann mindestens der Teil der Vorform, der den Hohlraum definiert, in dem Oxydationsreaktionsprodukt eingebettet sein. Auf jeden Fall wird der geformte Hohlraum der undurchlässigen Form zumindest teilweise mit einer durchlässigen Masse eines zweiten Füllstoffs gefülh und anschließend genügend lange mit geschmolzenem Aluminium kontaktiert, um die Masse des zweiten Füllstoffs spontan zu infiltrieren, während der ganze Aufbau in einer hermetischen Umgobung gehalten wird. Bei Vollendung der spontanen Infiltration wird das geschmolzene Metall unter Bildung des Verbundkörpers mit Metallgrundmasse verfestigt.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein stehender Körper oder Behälter von geschmolzenem Aluminium oder Magnesium, der sich über den Formhohlraum hinaus erstreckt, benutzt, um die hermetische Umgebung für den Forminhalt zu bewirken. Die Hohlraumöffnung oder -einführung wird im typischen Fall durch einen stehenden Körper oder Kopf von geschmolzenem Aluminium verschlossen.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Verbundkörper mit Metallgrundmasse nach Verfestigung des geschmolzenen Metalls an die Form gebunden. Unter den Prozeßbedingungen wird das sich verfestigende geschmolzene Metall in Kontakt mit der undurchlässigen Form oder einem Teil davon gehalten, um den entstehenden Verbundstoff mit Metallgrundmasse an mindestens einen Teil der Form zu binden. Auf diese Weise wird der Verbundstoff mit Metallgrundmasse in einem Stück mit der Form oder einem Teil davon geformt, um ein Metallgrundmasseverbundstofi-Keramik-Laminat oder Struktur zu bilden.

Bei einer noch anderen Ausführungsform wird der Hohlraum der Form vorgeformt, so daß er eine vorherbestimmte Geometrie hat, und der entstehende Verbundstoff mit Metallgrundmasse entspricht dann dieser Geometrie. Wenn die Form von dem Verbundstoff mit Metallgrundmasse getrennt wird, sind die Oberflächen des Verbundstoffs mit Metallgrundmasse eine umgekehrte Nachbildung der Geometrie des Hohlraums. Es können somit nach dieser Erfindung geformte Verbundkörper mit Metallgrundmasse hergestellt werden.

Definitionen

Hier und in den Patentansprüchen haben die ι chfolgenden Begriffe die angegebenen Bedeutungen. Die Begriffe „Aluminium" und „Magnesium" bedeuten und beinhalten im wesentlichen reines Metall, z.B. ein relativ reines, handelsübliches unlegiertes Aluminium oder Magnesium sowie andere Sorten von Metall und Metallegierungen wie die handelsüblichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen wie Eisen, Silizium, Kupfer, Magnerium, Mangan, Chrom, Zink usw. Ein'ä Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung ist im Sinne dieser Definition eine Legierung, bei der Aluminium bzw. Magnesium der Hauptbestandteil ist.

Der Begriff „Grundmetall" bedeutet das Metall, z.B. Aluminium, Silizium, Titanium, Zinn oder Zirconium, welches der Vorläufer eines polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes ist und schließt dieses Metall als ein im wesentlichen reines Metall oder ein handelsübliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen ein. Eine Metallegierung im Sinne dieser Definition ist eine Legierung, in der dieses Vorläufermetall der Hauptbestandteil ist.

Der Begriff „Keramik" bedeutet und beinhaltet, jedoch nicht ausschließlich, die klassische Definition dieses Begriffes als einem Material, das gänzlich aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen besteht, umfaßt jedoch in seiner Bedeutung auch ein Material, welches bezüglich der Zusammensetzung oder der vorherrschenden Eigenschaften überwiegend keramisch ist, obwohl der Körper wesentliche Mengen eines oder mehrerer von dem Gi undmetall abgeleiteter Metalle, am typischsten im Bereich von ca. 1-40VoI.-%, aber auch noch mehr Metall enthalten kann.

Der Begriff „Füllstoff" bedeutet und umfaßt jeden in der praktischen Anwendung der Erfindung geeigneten Füllstoff einschließlich keramische Füllstoffe per se wie Tonerde oder Siliziumcarbid als Faser, zerkleinerte Faser, Partikulate, Whisker, Blasen, Kugeln, Fasersteine oder ähnliches und keramisch überzogene Füllstoffe wie Kohlefasern, die zum Schutz der Kohle gegen den Angriff durch geschmolzenes Aluminiummetall mit Tonerde oder Siliziumcarbid überzogen sind. Der Begriff „erster Füllstoff" bedeutet mindestens ein Füllmaterial, das zur Einbettung in einem polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukt geeignet ist, welches durch die gerichtete Oxydation eines Grundmetalls gewonnen wird, wie nachfolgend ausführlich beschrieben ist.

Der Begriff „zweiter Füllstoff" bedeutet mindestens ein Füllmaterial, welches zur Infiltration durch geschmolzenes Aluminiumoder Magnesiummetall zur Einbettung in einer Grundmasse des verfestigten Metalls geeignet ist.

Der Begriff „undurchlässig" bedeutet in der Anwendung zur Beschreibung einer Form oder eines anderen Materials, Struktur oder Umgebung im wesentlichen für Luft undurchlässig, d.h. im wesentlichen luftdicht.

-β- 301 369 Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eino schematische Querschnittsdarstellung eines Aufbaus aus einem geschmolzenen Aluminiumkörper und einer undurchlässigen Form, in der eine Masse eines zweiten Füllstoffes in einem Zwischenstadium des spontanen Infiltriertwerdens durch das geschmolzene Aluminiummetall nach einer AusführungclOrm der Erfindung gezeigt ist.

Figur 2 ist eine Ansicht entsprechend Figur 1, die »sine Struktur nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, welche aus einem Verbundstoff mit Motallgrundinasse besteht, der von einer Keramikhülle oder Trägermaterial umhüllt und damit verbunden ist.

Figur 3 ist eine Querschniitsdarstellunr;, die eine andere Aufführungsform eines Aufbaus aus einem geschmolzenen Aluminiummetallkörper und einer undurchlässigen keramischen Form oder Kapsel mit einem zweiten Füllstoff darin <;eigt.

Figur 4 ist eine schematische Quorschnittsdarstollung im Aufriß von einem Aufbau zur Durchführung einer anderen Ausführungsform der Erfindung durch Eintauchen einer Masse eines zweiten Füllstoffs in geschmolzenes Aluminium zur Isolierung des Füllstoffs von der Umgebungsluft.

Figur 5 ist eino schematische Querschnittsdarstellung im Aufriß von einem Aufbau aus einem Grundmetall und einer Vorform zur Herstellung einer Form, die zum Gießen oines Verbundkörpers mit Motallgrundmasse nach bestimmten Ausführungsformen der Erfindung geeignet ist.

Figur 6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung im Aufriß von einem Aufbau eines in einer Masse eines ersten Füllstoffs eingebetteten, ausschmelzbaren Modellkörpers, der zur Herstellung einer keramischen Verbundform nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung geeignet ist.

Figur 7 ist eine Ansicht entsprechend Figur 6, dio einen späteren Schritt in dem Verfahren der Anwendung des Aufbaus von Figur 6 zur Herstellung der keramischen Vorbundform zeigt.

Figur 8 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der keramischen Verbundform, die durch Anwendung des Aufbaus von Figur 6 und 7 gewonnen wurde.

Figur 9 ist eine schematische Querschnittsdarstellung im Aufriß von einem Aufbau aus einem Grundmetall und einer ersten Füllstoffvorform, der zur Herstellung einer keramischen Verbundform nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.

Figur 10 ist eine Fotografie einer nach Beispiel 10 hergestellten Nockenwelle.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Entsprechend der praktischen Ausführung einer Ausführungsform der Erfindung wird geschmolzenes Aluminium oder Magnesium mit einer Oberfläche einer durchlässigen Masse eines zweiten Füllstoffs, z.B. einer Masse keramischer Teilchen, Whisker oder Fasern, kontaktiert oder zu dieser hingeleitet. Der zweite Füllstoff wird mit dem geschmolzenen Metall in einer hermetischen Umgeb jng, in der Luft eingeschlossen sein kann, kontaktiert, doch da die Form im wesentlichen undurchlässig ist, wird die eingeschlossene Luft, wenn sie mit dem geschmolzsnen Aluminium oder Magnesium reagiert oder anderweitig durch dieses verbraucht wird, nicht wiederaufgefüllt (oLiwohl hierin stets speziell Luft angeführt wird, ist dies so zu verstehen, daß jedes beliebige Gas, das mit mindestens einem Bestandteil in dem geschmolzenen Metall reagieren kann, als das eingeschlossene gasförmige Medium genutzt werden könnte). Unter diesen Bedingungen infiltriert das geschmolzene Aluminium oder Magnesium spontan und fortschreitend die durchlässige Masse des zweiten Füllstoffs innerhalb der Form, was zur Bildung eines Verbundproduktes mit Metallgrundmasse führt, in dem der zweite Füllstoff von der Metallgrundmasse eingebettet ist. Der Verbundkörper mit Metallgrundmasse nimmt die Gestalt der Form an und kann von ca. 10 bis ca. 45Vol.-%, vorzugsweise von ca. 45 bis ca. 65Voi.-% zweiten Füllstoff enthalten.

Unter den bei der erfindungsgemäßen Methode angewendeten Bedingungen wird im typischen Fall bei Zugabe des zweiten Füllstoffs zu der Form Luft eingeschlossen, die die Masse oder das Bett durchdringt. Diese Füllstoffmasse ist auch ausreichend durchlässig, um eine Infiltration von geschmolzenem Aluminium oder Magnesium unter den Prozeßbedingungen zu gestatten. Wenn jedoch die Luft innerhalb der Form nicht aufgefüllt wird, wird der zweite Füllstoff, selbst wenn durch geschmolzenes Aluminium in Gegenwart von Luft normalerweise nicht benetzbar, spontan von dem geschmolzenen Aluminium oder Magnesium unter Bildung eines Verbundstoffs mit Aluminiummetallgrundmasse oder mit Magnesiummetallgrundmasse bei mäßigen Temperaturen des geschmolzenen Metalls infiltriert. Die Infiltration findet statt, ohne daß auf hohe Temperaturen, das Anwenden von Vakuum, mechanischen Druck, spezielle Gasatmosphären, Benetzungsmittel oder ähnliches zur Herbeiführung der Infiltration zurückgegriffen werden muß. Der Prozeß ist allgemein für Außenluft undurchlässig, indem der Forminhalt innerhalb einer undurchlässigen Form hermetisch abgeschlossen ist und alle Öffnungen zu der Form abgedichtet werden oder indem die Form, die die Masse des zweiten Füllstoffs enthält, in einen Körper geschmolzenen Aluminiums oder Magnesiums zum Schutz oder Abschirmen des zweiten Füllstoffs vor Umgebungsluft eingetaucht wird.

Der Umfang der spontanen Infiltration und Bildung der Metallgrundmasse richtet sich nach einer gegebenen Menge von Prozeßbedingungen wie den Legierungsbestandteilen und dem Gehalt an Aluminium und Magnesium, dem Vorhandensein von wahlweise einsetzbaren Benetzungsmitteln, der Größe, dem Oberflächenzustand und dem Typ des verwendeten zweiten Füllmaterials, der Zeit der Infiltrationskontaktbehandlung und der angewendeten Metalltemperatur. Die Temperatur, bei der das kontaktierende geschmolzene Aluminium oder Magnesium gehalten wird, richtet sich nach den unterschiedlichen Metallegierungen und den verschiedenen zweiten Füllstoffen. Im allgemeinen kommt es im Falle eines geschmolzenen Aluminiummetalls zur spontanen und fortschreitenden Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ca. 700°C, vorzugsweise von mindestens ca. 800°C oder mehr je nach den Bedingungen. Temperaturen über 1000°C sind allgemein nicht erforderlich, und ein besonders nützlicher Temperaturbereich ist der von ca. 800°C bis ca. 1000°C, vorzugsweise von ca. 850°C bis ca. 95O⁰C.

Indem die erfindungsgemäße Methode nicht von der Anwendung von äußerlich aufgebrachtem mechanischem Druck zum Hineinpressen des geschmolzenen Metalls in eine Masse keramischen Materials abhängig ist, gestattet sie die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Verbundstoffen mit Aluminiummetallgrundmasse oder Magnesiummetallgrundmasse mit

einem hohen Volumenanteil an dem zweiten Füllstoff und von niedriger Porosität. Der Volumenanteil an einem zweiten Füllstoff für eine Reihe von Prozeßbediogungen kann durch Anwendung einer Masse eines zweiten Füllstoffs mit niedriger Porosität, d. h. geringem Interstitialvolumen, verändert oder erhöht werden. Höhere Volumenanteile an dem^weiten Füllstoff können auch erreicht werden, wenn die Masse des zweiten Füllstoffs durch herkömmliche Verfahrensweisen verdichtet wird, bevor sie mit dem geschmolzenen Motall kontaktiert wird, vorausgesetzt, die Masse des zweiten Füllstoffs wird weder in eino kompakte Masse mit geschlossener Zellporosität noch in eine Struktur umgewandelt, die so dicht ist, daß sie die Infiltration durch geschmolzenes Aluminium oder Magnesium vorhindert.

Es ist beobachtet worden, daß bei der Aluminium- oder Magnesiuminfiltration und Grundmassenbildung bei einem gegebenen System von Metall und zweitem Füllstoff die Benetzung des zwei'.an Füllstoffs durch das geschmolzene Metall oder die Schaffung eines Vakuums in einer geschlossenen Umgebung durch Reaktion des geschmolzenen Metalls entweder mit Sauerstoff oder mit Stickstoff aus der geschlossenen Umgebung oder eine Kombination aus diesen zwei Mechanismen die vorherrschenden Infiltrationsmechanismen sind. Wenn Luft in das System nachgefüllt wird, und wenn der Prozeß bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt v\,ic, d.h. nicht über ca. 1000⁰C, kommt es zu einem vernachlässigbaren oder minimalen Maß an Benetzung und Infiltration dos zweiten Füllstoffs. Im Falle eines geschmolzenen Aluminiummetalls jedoch wird durch Abdichten des zweiten Füllstoffs in der Form, so daß die Luft nicht wiederaufgefüllt werden kann, d.h. durch hermetisches Abschließen des Infiltrationsprozesses, die spontane Infiltration bei Temperaturen erreicht, die 10OO⁰C nicht übersteigen, vorzugsweise nicht über ca. 95O⁰C liegen. So ist zum Beispiel eine Temperatur von ca. SOO⁰C als zufriedenstellend dafür gefunden worden, daß sie in vielen Fällen hoch genug ist, um die spontane Infiltration innerhalb eines annehmbaren Zeitraums ohne übermäßigen Zerfall des zweiten Füllstoffs oder Angriff von feuerfesten Behältern, Bauteilen und ähnlichem stattfinden zu lassen. Figur 1 zeigt einen generell mit 10 bezeichneten Aufbau einer undurchlässigen Hülle oder Form 12 von allgemein zylindrischer, muffenähnlicher Konfiguration mit einer dort hindurch verlaufenden zentralen zylindrischen Bohrung B und mit einem darin ausgebildeten Paar in Längsrichtung getrennter, scheibenförmiger Kammern „a" und „b", die darin mit einem größeren Durchmesser als dem von Bohrung B ausgebildet sind. Der untere Teil von Bohrung B (in der Betrachtungsweise von Figur 1) ist von einem Boden 14 der Form 12 verschlossen, wie durch die gestrichelte Linie des Profils von Bohrung B in Figur 1 wiedergegeben ist. Die Wände (nicht nummoriert) der undurchlässigen Form 12 bestehen aus einem keramischen Material, das durch Anwendung einer oder mehrerer Verfahrensweisen von bestimmten, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen, die nachfolgend beschrieben sind, hergestellt worden ist. Demzufolge besteht die undurchlässige Form 12 aus einem keramischen polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukt, das einen geeigneten Füllstoff einbettet, der hierin als erster Füllstoff bezeichnet wird und z. B. Tonerde, Siliziumcarbid oder joder andere geeignete keramische Füllstoff oder Kombinationen daraus sein kann. Der erste Füllstoff kann in jeder gewünschten Form wie Partikulate, Kugeln, Whisker, zerkleinerte Fasern, Bläschen, Pellets, Fasersteine usw. oder jede beliebige Kombination daraus vorliegen. Die Bohrung B und die Kammern mit vergrößertem Durchmesser „a" und „b" sind mit einem geeigneten zweiten Füllstoff 22 gefüllt, welcher wie auch der erste Füllstoff jedor gewünschte geeignete Füllstoff sein kann und die Form von Partikulaten, Kugeln, Whiskern, Fasern, zerkleinerten Fasern, Bläschen, Pellets, Fasersteinen usw. oder jede beliebige Kombination daraus haben kann. Das Einbringen des zweiten Füllstoffs in die Bohrung B von Form 12 kann ohne Bereitstellung einer Spezialgasatmosphäre durchgeführt werden, d. h. das Füllen kann in Luft stattfinden, so daß die Luft in dem zweiten Füllstoff mitgeführt wird und in der Bohrung B der undurchlässigen Form 12 enthalten sein wird.

Ein feuerfester Behälter 16 mit einer am Unterteil oder Boden ausgebildeten kreisrunden Öffnung 18 ist in der in Figur 1 dargestellten Weise oben auf der Form 12 angeordnet, wo ein Dichtungsring 24 für eine im wesentlichen luftdichte (d. h. zumindest metalldichte) Abdichtung zwischen dem Behälter 16 und der Form 12 sorgt. Der die Form 12 überragende Behälter 16 wird dann mit geschmolzenem Aluminium gefüllt, oder es wird, wenn gewünscht, ein Körper aus festem Aluminium in den Behälter 16 gegeben, und der ganze Aufbau wird zum Schmelzen des Aluminiummetalls in dem Behälter 16 erhitzt. Obwohl die Erfindung unter spezieller Bezugnahme auf Aluminium beschrieben wird, ist es selbstverständlich, daß auch Magnesium verwendbar ist. In beiden Fällen dichtet eine Masse von geschmolzenem Aluminiummetall 20 die einzige Öffnung oder Zugang zu der undurchlässigen Form 12 gegen die Außenluft ab, so daß der zweite Füllstoff 22 auf wirksame Weise hermetisch von der Außenluft abgeschlossen ist und das geschmolzene Metall sich in Kontakt mit dem zweiten Füllstoff 22 an der oberen Oberfläche desselben in der Bohrung B befindet. Unter diesen Bedingungen wird das peschrnolzene Aluminium erfindungsgemäß spontan den zweiten Füllstoff 22 infiltrieren, während es durch dieses hindurch nach unten fortschreitet. Der Aufbau 10 kann während der Verarbeitung ohne negative Auswirkungen auf die spontane Infiltration in einer normalen Luftatmosphäre gehalten werden. Figur 1 zeigt eine Zwischenstufe der spontanen Infiltration, bei der das geschmolzene Aluminium 20 etwa die Hälfto des Bettes des zweiten Füllstoffes 22 bis zu einem etwa auf der Hälfte zwischen den Kammern „a" und „b" liegenden Punkt infiltriert hat. Nach einer bestimmten Zeit wird das Aluminium das gesamte Bett des zweiten Füllstoffs 22 bis zu dem Boden 14 der Form 12 infiltriert haben, wobei die Temperatur hoch genug gehalten wird, um das Aluminium 20 im geschmolzenen Zustand zu halten, d. h. bei ca. 900°C. Diese spontane Infiltration findet statt, ohne daß die Zufuhr von Benetzungsmitteln zu dem Füllstoff (obwohl solche Mittel verwendet werden können), die Anwendung von mechanischem Druck auf das Metall 20 oder von Vakuum auf das Bett des zweiten Füllstoffs 22, das Arbeiten bei erhöhten Temperaturen, z. B. weit über 1000⁰C, das Spülen des Bettes des zweiten Füllstoffs 22 mit einer Atmosphäre eines inerten oder anderen speziellen Gases oder die Anwendung von anderen Infiltrationshilfen erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Methode ist insofern äußerst vorteilhaft, als daß der gesamte Vorgang einschließlich der Herr teilung dar Form 12 (wie nachfolgend beschrieben), des Füllens der Form 12 mit dem zweiten Füllstoff 22 und des Erhitzens zur Durchführung der Infiltration in Luft durchgeführt werden kann, ohne daß auf den Einsatz von Spezialgasatmosphären mit den damit verbundenen Kosten und Umständen zurückgegriffen werden muß. Ohne zu wünschen, daran gebunden zu sein, nimmt man an, daß die spontane Infiltration des zweiten Füllstoffs 22 durch das geschmolzene Aluminium dadurch erreicht wird, daß in den Zwischenräumen des Bettes des zweiten Füllstoffs 22 eingeschlossene Luft mit dem geschmolzenen Aluminium reagiert und durch dieses verbraucht wird und ein Wiederauffüllen der mitgeführten oder eingeschlossenen Luft durch die verschlüssele, undurchlässige Form 12 ausgeschlossen ist. Wenn jedoch die verbrauchte Luft wiederaufgefüllt werden würde, was der Fall wäre, wenn die Form 12 entweder aufgrund der eigenen Porosität oder infolge nichtabgedichteter Öffnungen oder darin gebildeter Risse oder Spalten luftdurchlässig wäre, würde dia wiederaufget'üllte Luft

eine solche spontan Infiltration verhindern. Die unten angeführton Vergleichsbeispiele scheinen diese Erklärung zu unterstützen.

Nachdem die Infiltration des zweiten Füllstoffs 22 abgeschlossen Ist, wird die Temperatur reduziert, was durch Herausnehmen des Aufbaus aus dem Ofen oder Abstellen des Ofens geschieht, so daß sich das geschmolzene Material in der undurchlässigen Form 12 abkühlen und verfestigen kann. Die so entstandene Verbundstruktur 26, die aus der Form und dem Metallgrundmassenverbundkern besteht und in Figur 2 dargestellt ißt, wird d.inn von dem Aufbau von Figur 1 getrennt. Wie dargestellt ist, kann die Struktur 26 im wesentlichen die gesamte Form 12 umfassen (die in Figur 2 als Bauteil oder Form oder Schalenteil 12' bezeichnet ist) oder, wo gewünscht, nur einen Teil davon und dazu den Metallgrundmassenverbundkern 28 enthalten.

Die Flüssigmetallinfiltration und Verfestigung können unter geeigneten Bedingungen durchgeführt werden, um eine Bindung zwischen der Form und dem Kern zu bewirken. Diese Bindung kann beispielsweise orreicht werden, indem eine gewisse Benetzung zwischen dem geschmolzenen Metall und der Form 12 erreicht wird, indem das geschmolzene Material in direktem Kontakt mit den Innenwänden der Form 12 gehalten wird, indem die Abkühlgeschwindigkeit (d. h. Spannungsverminderung infolge Glühens) gesteuert wii d, indem die relativen Koeffizienten der Wärmeausdehnung der Form 12 und des Verbundstoffs mit Metallgrundmasse eingestellt werden und/oder indem eine beträchtliche Höhe des Metallbehälters aufrechterhalten wird, um die Trennung des sich verfestigenden geschmolzenen Materials von den Formwänden wesentlich zu reduzieren oder auszuschließen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient für den Verbundstoff mit Meiallgrundmasse ist größer als der für die keramische Form, und wenn dieser Unterschied zu groß und die Benetzung zu minimal ist. Ist die Bindefestigkeit nicht ausreichend, um den Wärmekontraktionsversatz zu überstehen. Das heißt, der Verbundstoff mit Metallgrundmasse kann beim Kühlen von der Innenwand der Form wegschrumpfen. Das zweite Füllmaterial, das beim Formen des Verbundkörpers mit Metallgrundmasse verwendet wird, vermindert die Wärmeausdehnung des letzteren und reduziert somit den Vers· iz bei der Wärmeausdehnung zwischen Kern und Form. Die Wirkung, die der Füllstoff auf die Reduzierung der Wärmeausdehnung hat, kann weitgehend vom Typ, der Geometrie und dem Längenverhältnis des Füllstoffs abhängen. Eine gute Bindung kann erreicht werden, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht allzusehr voneinander abweichen. Vorzugsweise hat der Metallgrundmassenkern einen etwas höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Schale, um Druckspannungen auf die Schale zu induzieren. Es ist gefunden wordon, daß im wesentlichen globulitische Siliziumteilchen (der Maschorv-iahl 24) bei einer Dosierung von ca. 47 Vol.-% in Aluminium den Wärmeausdehnungskoeffizient von dem des reinen Aluminiums (ca. 25 x 10~⁶ Zoll/Zoll/°C) auf ca. 12-16 χ 10"^β Zoll/Zoll/'C reduzieren. Siliziumcarbidwhisker haben die gleiche Wirkung, jedoch bei weitaus geringeren Dosierungen. Durch Steuerung von einer oder mehreren Bedingungen wird somit das verfestigte geschmolzene Material, d.h. der Verbundstoff mit Metallgrundmasse an das Bauteil 12' der Struktur 26 gebunden (Figur 2). In Struktur 26 ist der Verbundstoff mit Metallgrundmasse 28 als der Kern von der Form oder dem Gehäuse- bzw. Schalenteil 12' umhüllt und daran gebunden.

Nach dem Kühlen und Verfestigen des geschmolzenen Materials kann aber auch die Form 12' zerbrochen oder anderweitig von dem Metallgrundmassenverbundkern 28 entfernt werden, um letzteren als einen gesonderten, von der Form 12' unbelasteten Körper zur Verfugung zu stellen. In diesem Fall wird die Form 12' so dünn wie möglich und nötig gemacht, um undurchlässig zu sein und während der Verarbeitung unversehrt zu bleiben. Auch sollte in diesem Falle der Prozeß unter Bedingungen durchgeführt werden, bei denen eine Bind'mg zwischen der Form 12' und dem Metallgrundmassenverbundkern 28 so gering wie möglich gehalten wird, um die Gewinnung des Kerns zu erleichtern. Während des Füllens und Verarbeitens kann um die Form 12 eine geeignete Umhüllung (in Figur 1 nicht dargestellt) zur mechanischen Verstärkung und Stützung angeordnet sein. Bezugnehmend auf Figur 1 kann anstelle von geeigneten Dichtungsmitteln wie dem Dichtungsring 24 die Vorratskammer 16 auch in einem Stück mit der undurchlässigen Form 12 ausgebildet sein, indem zum Beispiel eine oder mehrere der in den in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen beschriebenen Verfahrensweisen angewendet werden. Nach dem Kühlen und Verfestigen des geschmolzenen Materials kann das gewünschte Produkt von der aus einem Stück bestehenden Form/Behälter abgeschnitten werden. In Figur 3 ist zum Beispiel eine solche Einheit aus Form und Behälter dargestellt, die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäß einsetzbaren Aufbaus veranschaulicht. Ein allgemein mit 30 bezeichneter Hohlkörper jeder gewünschten Konfiguration umfaßt eine Schale aus undurchlässigem keramischem Material wie einem Verbundkeramikmaterial, das nach den Verfahrensweisen der in gemeinsamem Besitz befindlichen Patentanmeldungen hergestellt wird, die an späterer Stelle erörtert werden sollen. Darüber hinaus ist es möglich, eine Schale aus undurchlässigem keramischem Material nach den Methoden zu formen, die in der gleichzeitig schwebenden und in gemeinsamem Besitz befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 908.119 beschrieben sind, die am 16. September 1986 unter dem Namen von Ratnesh K. Dwivedi und unter dem Titel „Poröser keramischer Verbundstoff mit dichter Oberfläche" angemeldet worden ist und deren Gegenstand hier mit aufgenommen ist. Der Hohlkörper 30, der im Querschnitt die Form eines Zapfenlagers hat, hat einen kreisrunden Umfangsrand30a um sein Hauptkörperteil und einen koaxial ausgerichteten zylindrischen Schaft 30 b sowie die sich an der entgegengesetzten Seite erstreckende Nabe 30c. Der Schaft 30b hat eine nach außen aufgeweitete Öffnung 3Od, die eine trichterförmige Struktur aufweist, in der geschmolzenes Aluminium 20' oben auf und in Kontakt mit einem Bett 22' des zweiten Füllstoffs gebracht werden kann. Die Öffnung 3Od ist die einzigste Öffnung des Hohlkörpers 30 und ist von der umgebenden Atmosphäre oder Luft durch die anstehende Höhe von geschmolzenem Aluminium 20' abgedichtet, wodurch auf wirksame Weise der zweite Füllstoff 22' von der Umgebungs- oder Außenluft hermetisch abgeschlossen wird. Die spontane Infiltration des zweiten Füllstoffs 22' erfolgt wie unter Bezugnahme auf die Ausführungsform von Figur 1 beschrieben, und wie bei der Ausführungsform von Figur 1 kann der Vorrat an geschmolzenem Metall 20' nach Bedarf aufgefüllt werden, um genügend Aluminiummetall zur Verfügung zu haben, damit die Infiltration vollendet werden kann und eine stehende Masse 20' von geschmolzenem Aluminium zur Abdichtung von Öffnung 3Od, dem einzigen Zugang zu dem Hohlkörper 30, gegen Außenluft bis zum Abschluß der Infiltration aufrechterhalten wird. Bei Verfestigung unter Bindungsbedingungen des geschmolzenen Materials, das durch Infiltration des zweiten Füllstoff? 22' gewonnen wurde, entsteht eine Struktur, die aus Hohlkörper 30 als einem Gefügeelement, welches einen Verbundstoff mit Metallgrundmasse umhüllt, besteht. Der Hohlkörper 30 kann aber auch beispielsweise durch Zerbrechen entfernt werden, um einen Verbundkörper mit Metallgrundmasse zu bekommen, dessen Außenfläche die Form oder Geometrie der Innenfläche des Hohlkörpers 30 umgekehrt nachbildet. Nach der Verfestigung kann die entstandene Struktur entlang der Linie C-C geschnitten werden, um eine Struktur zu bekommen, die mit

dem Schaft 30b endet. Rückverfestigtes Aluminium kann in dem Schaft 30b zurückgelassen werden, oder aber das rückverfestigte Aluminium in dem Schaft 30b kann teilweise oder völlig entfernt und durch ein anderes Material ersetzt werden, z. B. durch ein anderes Metall, das in geschmolzener Form eingebracht werden kann und sich darin verfestigen kann. Als andere* Alternative könnte aber auch der Schaft 30b am Anfang teilweise oder ganz mit dem zweiten Füllstoff 22' gefüllt worden sein, so daß der entstandene Verbundkörper mit Metallgrundmasse sich durch den Schaft 30b erstreckt. Im letzteren Fall wird eine Verlängerung von Schaft 30b oder ein gesonderter Vorratsbehälter (wie der Behaltet 16 der Ausführungsform in Figur 1) zum Fassen des geschmolzenen Aluminiumrr.etalls angewendet.

Figur 4 zeigt eine andere Verfahrensweise zur Durchführung der spontanen Infiltration eines zweiten Füllstoffs, bei der ein feuerfester Behälter 32 oino Masse geschmolzenen Aluminiums 20" enthält, in die ein feuerfester perforierter Behälter 34 eingetaucht ist. Der Behälter 34 befindet sich in einem Abstand von den Innenwänden (nicht nummeriert) des feuerfesten Behälters 32, so daß der perforierte Behälter 34 und sein Inhalt durch geschmolzenes Aluminiummetall 20" vor der umgebenden Atmosphäre völlig abgeschirmt oder abgedichtet sind. Der perforierte Behälter 34 hat eine Vielzahl von darin ausgebildeten Löchern 36 und wird durch ein Kabel oder eine Stange 38 getragen, das bzw. die durch ein geeignetes Verbindungselement 40 daran befestigt ist. Eine Masse eines zweiten Füllstoffs, die in einer geeigneten Form mit einer oder mehreren Öffnungen darin enthalten ist, befindet sich in dem Behälter 34. (Die Form und der zweite Füllstoff sind in Figur 4 nicht zu sehen.) Die Löcher 36 sorgen für den Eintritt des geschmolzenen Aluminiums 33 in den Behälter 34, damit es darin zum Kontakt mit der Masse des zweiten Füllstoffs und der folgenden Infiltration spontaner Art kommen kann. Der perforierte Behälter 34. das Kabel oder die Stange 38 und das Verbindungselement 40 können aus einem geeigneten feuerfesten Material gefertigt sein, das einem längeren Kontakt mit dem geschmolzenen Aluminium 33 standhalten kann. Wenn gewünscht, kann der Behälter 34 ausgeschlossen werden, und die Form, die oben eine Öffnung hat und den zweiten Füllstoff enthält, wird in das geschmolzene Metall ein- oder untergetaucht. Es kommt dann zur Infiltration, und der Verbundkörper mit Metallgrundmasse wird gewonnen, wie oben beschrieben ist.

Die Figuren 5 bis 9 veranschaulichen die Herstellung einer undurchlässigen keramischen Form nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise, es ist jedoch selbstverständlich, daß die Methode für die Herstellung der Form auch auf andere Ausführungsformen dieser Erfindung anwendbar ist. Die so hergestellte Form kann, wie oben bereits erwähnt, entweder zur Gewinnung des verfestigten Verbundstoffs mit Metallgrundmasse zerbrochen werden, oder sie kann als ein mit dem Verbundstoff mit Metallgrundmasse verbundenes oder daran gebundenes Teil des Produkts erhalten werden.

In gemeinsamem Eigentum befindliche Patentanmeldungen

Verfahrensweisen für die Herstellung von solchen keramischen Stoffen, die oben erörtert sind, sind in einer Reihe von in gemeinsamem Besitz befindlichen Patentanmeldungen beschrieben, die auf den Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen worden sind und neue Methoden zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Stoffen einschließlich selbsttragender keramischer Verbundstoffe, in denen ein geeigneter erster Füllstoff in den keramischen Stoff eingebettet ist, beschreiben.

Die Methode des Wachsens eines keramischen Oxydationsprodukts ist gattungsmäßig in dem in gemeinsamem Besitz befindlichen US-Patent Nr. 4.713.360 (das der am 25.September 1985 veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 0155831 entspricht) unter dem Namen von Marc S.Newkirk et al. und dem Titel „Neue keramische Stoffe und Methoden zur Herstellung derselben" beschrieben. Diese Entdeckung einer Oxydationserscheinung, die durch die Anwendung eines in das Grundmetall legierten hemmenden Zusatzes gefördert wird, liefert selbsttragende keramische Körper, die als das Oxydationsreaktionsprodukt des Vorläufergrundmetalls gewachsen sind.

Eine weitere Entwicklung stellt eine neue Methode zur Herstellung eines selbsttragenden keramischen Verbundstoffs durch Wachsen des Oxydationsreaktionsprodukts aus einem Grundmetall in ein durchlässiges Füllstoffbett zur Verfügung, wie in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 819.397, angemeldet am 17. Januar 1986 (die der am 3. September 1986 veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 0193292 entspricht), al? einer Teilfortführung der laufei iden Nummer 697.878, angemeldet am 4. Februar 1985 (jetzt aufgegeben), beide unter dem Namen Marc S. Newkirk, et al. und dem Titel „VerbundkeramikartikV und Methoden zu deren Herateilung", beschrieben ist. Die obigen Methoden wurden durch d,e Anwendung von äußeren Zusätzen verbessert, die auf die Oberfläche des Vorläufergrundmetalls aufgetragen wurden, wie in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 822.999 (die der am 22. Januar 1986 veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr.0169067 entspricht), die am 27. Januar I986 unter dem Namen Marc S. Newkirk et al. und dem Titel „Methoden zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Stoffen" veröffentlicht wurde, beschrieben ist.

Das Verfahren zur Herstellung von selbsttragenden keramischen Verbundstoffen, in die ein Füllstoff eingebettet ist, das in der obengennanten Anmeldung der laufenden Nummer 819.397 beschrieben ist, ist nützlich, aber kann dem entstehenden keramischen Verbundkörper keine vorgewählte Form oder Geometrie verleihen. Diesem Bedürfnis wurde allerdings durch weitere Entwicklungen der vorstehenden Methoden Rechnung getragen, die die Ausbildung von keramischen Verbundstrukturen ermöglichen, welche das positive Modell eines Vorläufergrundmetalls umgekehrt nachbilden. Diese Methoden sind beschrieben in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 823.542, die am 27. Januar 1986 unter dem Namen von Marc S. Newkirk et al. und dem Titel „Methode der Nachbildung der umgekehrten Form zur Herstellung von keramischen Verbundartikeln und dadurch hergestellte Artikel" angemeldet worden ist (entspricht der am 2. September 1987 veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung der Nummer 0234704), und in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 896.157, die am 13. August 1986 unter dem Namen von Marc S. Newkirk und dem Titel „ Methode zur Herstellung von keramischen Verbundartikeln mi' formnachgebildeten Oberflächen und dadurch hergestellte Artikel" angemeldet worden ist. Die Nachbildung der umgekehrten Form durch Anwendung eines ausschmelzbaren Modellkörpers ist auch in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 907.919 beschrieben, die am 16. September 1986 unter dem Namen von Andrew W. Urquhart et al. und dem Titel „Methode zur Herstellung von keramischen Verbundartikeln durch Nachbildung der umgekehrten Form eines ausschmelzbaren Modells" veröffentlicht worden ist.

Es sind auch andere Methoden zur Herstellung von keramischen Verbundkörpei η oder -strukturen mit vorgewählter Form oder Geometrie entwickelt worden. Diese Methoden schließen die Nutzung oinei geformten Vorform oder durchlässigen Füllstoffs ein, in die die keramische Grundmasse durch Oxydation eines Grundmetallvorläufers hineinwächst, wie in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US Patentanmeldung der laufenden Nummer 861.02S beschriebet, ist, dio "m 8. Mai 1986 unter dem Namen von Marc S. Newkirk et al. und dem Titel „Goformte keramische Verbundstoffe und Methode, ι zur Herstellung derselben" veröffentlicht worden ist (entspricht der am 11. November 1987 veröffentlichten Europäischen Patentanmeldung Nr. 0245192) Eine andere Muthode zur Herstellung solcher geformter keramischer Verbundstoffe beinhaltet die Anwendung eines Sperrmittels zur Hemmung oder Verzögerung des Wachstums des Oxydationsreaktionsprodukts an einer gowählten Grenze, die dio Form oder Geometrie der keramischen Verbundstruktur bestimmt. Diese Verfahrensweise ist in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 861.024 beschrieben, die am 8. Mai 1986 unter dem Namen von Marc S. Newkirk et al. und dem Titel „Methode zur Herstellung von geformten keramischen Verbundstoffen unter Anwendung eines Sperrmittels" veröffentlicht worden ist (entspricht der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0245193, die am 11. November 1987 veröffentlicht worden ist).

Die Nutzung eines Vorratsbehälters für das Grundmetall zur Erleichterung der Herstellung von keramischen Verbundkörpern oder Strukturen, insbesondere von geformten Körpern oder Strukturen, war eine weitere Entwicklung, indem ein Grundmetallbohälter vorgesehen wurdo, der Fließverbindung mit dem Grundmetallkörper als dem Vorläufer für dio Oxydationsreaktion hat Durch Wiederauffüllen des Vorrats an Grundmetall ermöglicht diese Verfahrensweise das Wachstum großer Volumina von Oxydationsreaktionsprodukt aus Stellen, die nur begrenzte Mengen Grundmetall fassen können. Dieses Verfahren der Speisung aus dom Vorratsbehälter ist in der in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldung der laufenden Nummer 908.067 beschrieben, die am 16. September 1986 unter dem Namen von Marc S. Newkirk et al. und dem Titel „Behälterspeisemeihode zur Herstellung von keramischen Verbundstrukturen und dadurch hergestellte Strukturen" veröffentlicht worden ist.

Die gesamten Beschreibungen aller vorstehenden in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmoldungen sind hiermit ausdrücklich aufgenommen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Füllstoff, in den entsprechend den Verfahren einer odor mehrerer der oben beschriebenen Patentanmeldungen das Oxydationsreaktionsprodukt hineinwächst, um die luftundurchlässige keramische Verbundform zur Verfügung zu stellen, als erster Füllstoff zur Unterscheidung von dom zweiten Füllstoff bezeichnet, in den d v, geschmolzene Aluminium oder Magnesium spontan infiltriert wird, um den Verbundstoff mit Metallgrundmasso zur Vorfügung zu stellen. Zur Verwendung sowohl als erster als auch als zweiter Füllstoff sind viele Stoffe geeignet; domentsprechond können in einem gegebenen Fall der erste und der zweite Füllstoff gleich oder verschiedenartig sein, und im typischen Fall sind die Füllstoffe mit dom geschmolzenen Grundmetall und dem geschmolzenen Aluminium oder Magnesium unter den Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht reaktionsfähig.

In den Figuren 5 und 5A ist ein Aufbau 42 zur Herstellung einas keramischen Verbundkörpers dargestellt, der zur Verwendung entweder als zerbrechliche Form, au? der der Verbundkörper mit Metallgrundmasse gewonnen wird, oder als Form bzw. Struktursloment, das an den Verbundstoff mit Metallgrundmasse gebunden ist, geeignet ist. Der Aufbau 42 schließt einen Sperrmittelbehälter 44 ein, der in toiner Form im wesentlichen zylindrisch ist und eine Innenfläche hat, die von einem Sieb 46 (am besten in Figur 5 A zu sehen) bestimmt ist, das in einem perforierten Zylinder 48 enthalten ist und durch diesen verstärkt wird. Der perforierte Zylinder dient als ein äußeres, starres Teil, welches das zylindrische Sieb 46 verstärkt. Anstolle von Sieb 46 kann ein gelochtes Blech, z. B. ein gelochtes rostfreies Stahlblech, verwendet werden. Der perforierte Zylinder 48 hat über seine gesamte Oberfläche ein Muster von Löchern 50 ausgebildet und ist ausreichend steif, um während der Verarbeitung die Form einer Masse oder eines Körpers eines ersten Füllstoffs 52 zu hai. n, welcher ein formbarer Füllstoff sein kann, d.h. aus Teilchen, Whiskern, Fasern oder ähnlichem bestehen kann und diese in einer Masse einschließt, die in ihrer Form der Form des Körpers 66 des in dem Bett des ersten Füllstoffs 52 eingebetteten Giundmetalls entsteht. Der formbare erste Füllstoff entspricht auch der Form des 'nneren des zylindrischen Siebs 46. Das Bett des formbaren erston Füllstoffs 52 besteht somit aus einer durchlässigen Vorform mit einem Hohlraum gewünschter Formen, die darin dm ,Ji den Gr indmetallkörper 66 ausgebildet sind, wobei der Hohlraum am Anfang mit dem Grundmetallkörper gefüllt wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der erste Füllstoff 52 durch herkömmliche Methoden wie Schlickergießen o.a. bei Verwendu ig von Teilchen, Fasern, Pulvern usw., denen ein geeignetes Bindemittel für die Grünfestigkeit hinzugegeben werden kann, zu ι ner kohärenten Masse vorgeformt werden. In einem solchen Fall kann das Grundmotall in den Hohlraum der Vorform in gesch. lolzenem Zustand eingegeben werden. Die Öffnungen (nicht numeriert) von Sieb 46 befinden sich mit vie an der Löcher 50 in Zylinder 48 in einer Linie, so daß der Sperrmittelbehälter 44 für den Eintritt der umgebenden Atmosphäre offen ist. Eine Vielzahl von Winkelbändern aus rostfreiem Stahl 54 befindet sich im Abstand um die Peripherie der Außenfläche von Zylinder 48 herum und wird durch Klemmringe 56 festgehalten, die zur baulichen Verstärkung von Aufbau 42 dienen. Der unterste der Klemmringe 56 ist in Figur 5 teilweise weggebrochen, und die restlichen Klemmringe 56 in Figur 5 und in Figur 5A sind im Querschnitt dargestellt. Ein Boden 58 verschließt den unteren Teil des Sperrmittelbehälters 44. Ein Speicherkörper 60 des Grundmetalls ist in einem Bett 62 von inertem Material angeordnet, wexhes sich im oberen Teil von Sperrmittelbehälter befindet und von dem Bett des ersten Füllstoffs 52 durch eine Platte 64 getrennt ist. Das Bett 62 von inertem Material kann ein Bett aus inertem partikuliertem Material (wie El Alundum der Körnung # 90 von der Norton Co. bei Aluminium als dem Grundmetall) sein, welches das Wachsen des polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukts darin unter Prozeßbedingungen nicht unterstützt.

Die Platte 64 hat eine mittlere Öffnung (unnummeriert) für den Durchtritt eines oberen Abschnitts eines Grundmetallkörpers 66, der in dem Bett des ersten Füllstoffs 52 eingebettet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform hat der Grundmetallkörper 66 eine längliche, zylindrische Form und weist <iin Paar scheibenförmiger Vorsprünge 66a, 66b auf, die in Längsrichtung getrennt voneinander angeordnet sind. Der Grundmetallkcrper 66 erstreckt sich somit wie ein Grundmetallkern innerhalb und unter Berührung des Bettes des ersten Füllstoffs 52. Ein oder mehrere Zusätze zur Erleichterung der Oxyriationsreaktion des Grundmetalls können in dem Grundmetallkörper 66 und dein Speicherkörper 60 des Grundmetnüs legiert sein und/oder können äußerlich auf den Grundmetallkörper 66 aufgetrage η werden und/oder, zumindest in der Nähe des Grundmetallkörpers 66, auf den ersten Füllstoff 52 aufgetragen oder darin verteilt werden.

Bviim Erhitzen von Aufbau 42 In Gegenwart elnoe Oxydationsmittel« bis zu einem Temperaturhereich, der von oberhalb dei Schmolzpunkts des Grundmetalls hw unterhalb dos Schmolzpunkts dos Oxydatlonsroaktionsprodukts reicht, das daraus /u bilden ist, und Aufrechterhalten der Temperatur Innerhalb diosos Borolrhs unter Einwirkuno oinor oxydiorondon Umgebung win Luft auf don Aufbau 42 bildet sich an der Grenzfläche zwischon dom geschmolzenen Grundmotallköwor GO und dom Hott up« ersten Füllstoffs 52 Oxydationsrooktionsprodukt. Wio in oinor odor mohroron do. in gomoineomom Eigentum bofindlichnii Patontnnmoldungon beschriobon ist, kann das Oxydationsmittel fest, flüssig odor gasförmig odor oino Kombination daran« soin So kann zum Beispiel Luft in Kombination mit einem In don orston Füllstoff eingebauten foston Oxydationsmittel vorwom'oi worden (z.B. Kiosoloide vormischt mit Tonordofüllstoff), und das goschmolzono Grundmotall wild boim Kontakt mit beiden Oxydationsmitteln oxydiort. Goschmolzonos Grundmotall aus dom Grundmotallkörpor 66, jo nach Bedarf wioilornufgofulll αι.» dom Vorratskörper 60 des Grundmotolls, wird in Kontakt mit dom wachsondon Oxydationsronklionsprodukt gohnlton, dm durch Sauerstoff odor ein anderes oxydiorondes Gas kontaktiort wird, welches durch dio Löchor 50 in Zylinder 48 und dnnn durch Sioh 46 und durch das Bett des orsten Füllstoffs 52 strömt, um mit dor wachsenden Front dos Oxydatinniroaktionsproduktm in Berührung zu kommen. Die umgebende oxydierende Atmosphäre wird boispiolswoiso durch ziikuliorondo Luft innoihnlb oinns Ofens, in dem sich der Aufbau 42 befindet, aufgefüllt odor ersetzt, indem beispielsweise dor Ofon oinfach mit oinor entsprechenden Ventilation für die Zufuhr von Luft ausgorüstot wird. Mit fortschroitondor Oxydolionsroaktion bildot sich woiIpi Oxydationsrooktionsprodukt in dom Bott dos ersten Füllstoffs 52 an dor GronzHHcho zwischon dom Oxydationsmittel und zuvor gebildetem Oxydationsreaktionsprodukt, und dio Reaktion wird fortgesetzt, um mindestens oinon Toil das Bottos dos ersten Füllstoffs 52 in dem Oxydationsroaktionsprodukt einzubetten.

Falls gewünscht, kann die Reaktion beendet werden, wonn das wachsondo Oxydotionsronklionsprodukt otwn bis zu »Inn Maltan gewachsen ist, dio durch die gostrichelto Linio 68 in Figur 5 angodoutot sind. Obwohl dio gostricholto Linio G8 in Figur 5 mit mehr oder wonigor goomotrischer Genauigkeit gozoichnot ist, wird man orkonnon, daß, wonn dio Oxydationsrrnktion gesteppt wird, nachdem sicn eine Schicht polykristallinon Oxydationsroaktionsprodukts gooignotor Oicko nus dom Grumlmittolkorpoi 00 gebildet hat, die äußere Form dos keramischen Toils otwas unregelmäßig soin kann, was jodoch dio Verwundung dos entstandenen keramischen Teils als eine undurchlässige Form zum Ausbilden dos Vorbundstoffs mit Motallufimdmosso nicht negativ booinflusson wird. Wio in den ontsprechondon, in gomoinsamom Eigontum befindlichen Patentanmeldungen orklArt ist, wird das Innere der gowachsonen Keramik dio Form des Grundmotallkörpors 66 umgokohrt nachbildon. Gs kann aber auch ein Sperrmaterial, das gebrannten Gips und Calciumcarbonat oder oin Material einschließt, wolchos aus oinom Material wir dom des Siobs 46 gebaut ist, so gestaltet werdoi, daß es oinon Hohlraum im wosontlichon von dor Form dor gestrichelten Linio f>8 abgibt, um das Wachstum dos Oxydationsroaktionsprodukts zu stoppon oder zu begrenzen, damit oino Schalo aus koramischom Material von der umgokohrton Form der Innenfläche dos Sporrtoils, z\.i dom os wächst, zur Vorlüguno gostollt wird. Auf dioso Weise kann die geometrischo Form dor Außenfläche dor ontstohendon koramischon Vorbundschalo gonau gostounrt worden, was die keramische Verbundschalo als bleibendes, mit dom Verbundkörper mit Motallgrundmasso vorbundonos Hnuolomcnt nützlich macht. Bei der Ausführungsform von Figur 5 wird dio geometrische Form dor Außonflächo dor gowachsonon Koramik durch die Form des Inneren von Sieb 46 gosteuert.

Wonn die keramische Verbundschale oinfach als Form vorwondot wird, aus dor der Verbundkörper mit Motallgrundrnat se gewonnen wird, wird sie normalerweise nur so dick wie nötig gemacht, um eine ausreichende strukturollo Fostigkeit zu besitzen und für die Verwendung in dem Prozeß undurchlässig zu ;ein. Nach Verfestigung und Abkühlung dos Verbundkörper mit Metallgrundmasse wird die Form zerbrochen und von dom Vorbundkörpor mit Motallgrundmasso gotronnt. Nachdom sich zum Beispiel das geschmolzene Material vorfestigt hat, der Aufbau jedoch noch immer oino orhöhto Tomporatur untorhalb dos Schmelzpunkts des Aluminiummetalls, z.B. 30O-500°C hat, kann dor von dor Form umschlossene Vor bundkör por mit Metallgrundmasso durch Eintauchen in eine Kühlflüssigkeit wio Wassor abgoschreckt wordon, so daß durch don ontstohondon Wärmeschock die den Verbundkörper mit Metallgrundmasse oinschlioßondo dünno Schalenform zorbrcchon wird. Dio Form kann aber auch mit mechanischen Mitteln zerbrochon worden. Die Oborflächon des ontstohondon Vorbundkörpors mit Metallgrundmasse bilden im wesentlichen die Innengeometrio dor Form umgokohrt nach. Darüber hinaus kann os wünschenswert sein, eine Bindung zwischen dom Verbundkörper mit Motallgrundmasso und dor Schale zu vormoidon, um dio Entfernung derselben von dem Verbundkörper zu erleichtern.

Wenn die keramische Verbundschale oder -körper oder ein Teil davon als Strukture'emont das Endprodukts dient, wird die Schale mit dem Verbundstoff verbunden oder an diosen gebunden. Das keramischo Struktureloment odor Bauteil kann in dor fur den gewünschten Endzweck erforderlichen Form vorgeformt sein. So kann zum Beispiel boi dor in don Figuron 5 und 5Λ veranschaulichten Ausführungsform die Oxydationsreaktion fortgesetzt werden, um das ganze Bott dos orston Füllstoffs 52 in dem wachsenden polykristallinen Oxydationsroaktionsprodukt einzubr tton, so daß das Sperrmittel 44 dazu diont, das Wachstun) des Oxydationsreaktionsprodukts zu stoppen odc zu hemmen, wobei dio äußoro Geomotrio dos Endprodukts als kreisrunder Zylinder definiert wird. Wenn das Sperrmittel aus oinom Siob oder perforiertem Material bostoht, wird dio Außonflrtcho dos entstehenden Keramikzylindors rauh oder gemustert sein. Die Außenfläche dos Zylinders kann maschinell boarbcitot, geschliffen, poliert o. ä. werden.

Das Sperrmittel 44 kann aber auch oino relativ glatto Oborflücho haben und somit dom Vorbundkörpor oino glätte Außonflrtcho verleihen. So kann zum Beispiel ein Brei aus gebranntem Gips (vorzugsweise mit Calciumcarbor.at oder Calciumsilikat vermischt) auf die Grenze des Betts 52 aufgetragen werden, don man aushärten läßt. Dio Schicht aus gobranntom Gips vorhindert ein Überwachsen des polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukts, und nach Abi ;hluß des Prozessos wird das Sperrmittel leicht durch Strahlputzen, Abschaben oder ähnliches entfernt, wodurch man einen Vorbundkörpor mit rolativ glattor Oborflücho bekommt. Auf jeden Fall ist dio keramische Schale so ausgelegt, daß sie strukturoll nützlich ist und für oino guto Bindung mit dom Verbundkörper mit Metallgrundmasse sorgt, so daß oine ganzhoitlicho Struktur gebildet wird.

Wenn der Grundmetallkörper 66 während des Oxydationsreaktionsprozesses aus dem Speichorkörper 60 ausreichend wiederaufgefüllt wird, wird das Innere des entstehenden hülsenförmigen Keramikkörpers mit einem Grundmetallkorn gefüllt sein. Dieses Grundmotall kann noch im geschr -Olzenen Zustand einfach durch Ablassen odor Dokanticron aus dor entstandenen keramischen Hülse ontfernt werden. Wenn man don Korn geschmolzenen Grundmetnils wiodorerstorron läßt odor wonn oin Metallrest zurückbleibt und sich verfestigt, kann zumindest eino gowünschto Mongo Rostmotall durch maschinolle Bearbeitung und/oder durch Säureätzung, z.B. mit einer Salzsäurelösung im Falle eines Aluminiumgrund notalls, aus dor entstandenen

keramischen Hülse ontfernt werden, wobei (tine keramische Hülse mit einem hohlen Kern zurückbleibt, der die Form des Grundmetallkörpors 66 umgekehrt nachbildet. Dor hohle Kern kann dann als Formhohlraum benutzt werden, in den der zweite Füllstoff eingogebon und mit dom geschmolzenen Aluminium odor Magnosium unter Bildung des Verbundkörpers mit Motallgrundmasso in Berührung gebracht wird.

Dio Figuren 6 bis 8 veranschaulichen schomntlsch die Herstellung einer undurchlässigen keramischen Verbundform, hergestellt nnch oinor Mothodo, die einen ausschmolzbaron Modollkörper verwendet Figur 6 zeigt einon feuerfesten Behälter 70 wie einen Tonordobehitltor, dor oin Bett eines passenden ersten Füllstoffs 72 enthält, in dem ein auss:hmolzbarer Modellkörper 74 oingcbottot ist, um in dom Bott 72 on dor Grenzfläche zwischon dem orsten Füllstoff und dem ausschmelzbaren Modellkörper 74 eine goformto Hohlraumwand von Bott 72 zu bilden. Die Geometrie der Formwandung stimmt mit der der Außenfläche des iiusschmolzbaren Modollkörpers 74 überein, d.h. sie ist die umgekehrte Nachbildung denselben. Der ausschmelzbare Modellkörpor 74, der aus jodem geeigneten vordampfbaren oder brennbaren Material wie Polystyrolschaumstoff oder Wachs gofortigt soin knnn, hat einen mittleren Abschnitt 76, der allgemein von zylindrischer Form ist, und einen Endabschnitt 78, der axial kürzer, ahor von größorom Durchmesser als der mittlere Abschnitt 76 ist. Ein geeignetes Sperrmittel 80 (nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnot), das ein Sieb aus rostfreiem Stahl oder ein perforierter Stahlzylinder sein kann, legt die äußeren Grenzen des herzustellenden keramischen Verbundkörpers fest. Das Sperrmittel 80 kann aber auch aus einem Teil aus gebranntem Gips und Calciumsilikat bostt, ;n, das durch Auftragen eines Breis aus dem Material auf ein Trägermaterial oder Versteifung wio Pappo und Fostwerdenlasson des Breis gewonnen wird. In jedem Fall ist das Sperrmittel 80 so gebaut, daß es das Wachstum dos Oxydationsreaktionsproduktes hemmt und somit die Grenze des Produktes festlegt. Wio in Figur 7 dargestollt ist, kann das geschmolzene Grundmetall 02 aus einem geeigneten Behälter 84 direkt auf den eingebettcton ausschmolzbaron Modellkörper 74 gegossen werden. Das geschmolzene Grundmetall läßt den Polystyrolschaumstoff oder ein anderes verdampfbaros Material des ausschmelzbaron Modellkörpers 74 verdampfen, und das verdampfte Matorial verläßt den Aufbau entweder durch das Bett des ersten Füllstoffs 72 oder nach oben über (ie gleiche Fläche, in dor das geschmolzene Grundmetall hinzugegeben wird, oder über eine gesonderte Entlüftungsöffnung (nicht dargestellt), die vorgesehen werden kann. Nachdem das geschmolzene Grundmetall den gesamten ausschmelzbaren Modellkörper 74 ersetzt hat, wird dor Aufbau auf eine Wachstumstemperatur in oinem Bereich über dem Schmelzpunkt des Grundmetalls, aber unterhalb dos Schmelzpunktes des Oxydationsreaktionsprodukts erhitzt bzw. bei dieser Temperatur gehalten. Das Oxydationsmittel in der Dampfphase durchdringt das durchlässige Bett von Füllstoff 72 und kontaktiort das goschmolzene Metall zur Oxydation dossolben unter Bildung oines polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukts, wie oben beschrieben, das durch die Vorform und in Kontakt zu dem Sperrmaterial 80 wächst. Wo gewünscht, kann ein festes Oxydationsmittel oder ein flüssiges Oxydationsmittel in Bett 72 oder den Abschnitt des Bettes, der durch das Sperrmittel 80 begrenzt ist, eingebaut werden. Das geschmolzene Metall reagiert mit dem Oxydationsmittel in der Einbettung, wodurch das Oxydationsreaktionsprodukt entwickelt wird. Es können auch zwei oder mehr Oxydationsmittel in Kombination verwendet werden, z. B. durch Einsatz eines reaktionsfähigen Silikats in dem Bott und Durchführung des Prozesses an der Luft. Wenn erforderlich, kann das geschmolzene Grundmotall 82 zur Aufrechterhaltung von dessen Niveau oben am Füllstoffbett 72 wiederaufgefüllt werden. Wie in den zuvor erwähnten, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen der laufenden Nummern 823.542 und 907.919 beschrieben ist, ist das Füllstoffbett 72 oder zumindest eine Stützzone 86 davon, die den ausschmelzbaren Modellkörper 74 umschließt, in Höhe oder über einer Selbstbindetemperatur, did vorzugsweise nahe an, aber unter der Oxydationsreaktionstemperatur liegt, selbstbindend an sich, um ein Zusammenbrechen oder Verformen der Formwandung zu verhindern. Wenn also der erste Füllstoff 72 (oder eine Stützzone davon 86) bis auf seine Selbstbindetemperatur erhitzt wird, sintert oder bindet or sich anderweitig an sich selbst und hängt in ausreichendem Maße an dem wachsenden Oxydationsreaktionsprodukt, so daß dem das geschmolzene Grundmetall umgebenden ersten Füllstoff in den Anfangsstadien dos Oxydationsreaktionsproduktwachstums eine angemessene mechanische Festigkeit verliehen wird. Die mechanische Festigkeit dos solbstbindcndon Füllstoffs hält dorn Druckdifferential stand und bewahrt die strukturelle Unversehrtheit des Hohlraums, bis sich eine ausreichende Dicke des keramischen Verbundmaterials entwickelt hat.

Nachdem das Oxydationsreaktionsprodukt bis zu der von Sperrmittel 90 festgelegten Grenze gewachsen ist, kann restliches oder nichmmgesetztes geschmolzenes Metall 82 aus der durch den Prozeß gebildeten keramischen Verbundform 88 entfernt werden (Fig. 8). Die keramische Vorbundform 88 hat ein Halsteil 90 und ein unteres Teil 92 von größerem Durchmesser als das Halsteil 90. Ein Formhohlraum 94 ist in der Form 88 abgegrenzt und hat eine Öffnung 94a, die Zugang dazu gewährt. Es ist zu sehen, daß der Formhohlraum 94 die Geometrie des ausschmelzbaren Modallkörpers 74 umgekehrt nachbildet. In Figur 9 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der ein Aufbau aus einem feuerfesten Behälter 96 darin ein durchlässiges Bett eines inerten Materials 98 hat, in dem ein fester Grundmetallkörper 100 und eine aus einom ersten Füllstoff gefertigte Vorform 102 eingebettet sind. Die Vorform 102 ist als ein kohärenter, geformter Artikel mit ausreichender Grünfestigkeit ausgebildet, so daß sie Handhabung und Einbettung in dem Bett aus inertem Material 98 aushalten kann. Die Teilchen des ersten Füllstoffs können also zur Vorform 102 geformt werden, indem ein geeignetes Bindemittel mit Teilchen des ersten Füllstoffs vermischt wird und daraus die Vorform 102 fomgapreßt oder anderweitig geformt wird. Die Vorform 102 kann aus einer Vielzahl von Stücken bestehen. So kann zum Beispiel das untere Stück 102a der Vorform 102 allgemein tassenförmig sein, so daß die geformte Hohlraumwandung 104 davon einen Hohlraum 106 von gewünschter Geometrie definiert. Das Deckstück 102b der Vorform hat eine darin ausgebildete Öffnung 106a und ist auf dem unteren Stück 102 a angeordnet. Die Vorform 102 ist für das Wachstum des Oxydationsreaktionsproduktes durchlässig.

Der dargestellte Aufbau von Figur 9 wird auf eine Wachstumstemperatur in einem Bereich über den Schmelzpunkt von Grundmetall 98, aber unter dem Schmelzpunkt des daraus zu gewinnenden Oxydationsreaktionsprodukts erhitzt. Wie oben erwähnt und in einigen der obenerwähnten gleichzeitig schwebenden und in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen beschrieben ist, hält das Bett 98 von inertem Material dem Wachstum des Oxydationsreaktionsprodukts nicht stand, sondern das Oxydationsreaktionsprodukt wächst durch und in die Vorform 102 des ersten Füllstoffs hinein. Der Vorgang wird über eine Zeit durchgeführt, die genügend lang ist, um die gesamte Vorform 102 in dem keramischen Oxydationsreaktionsprodukt einzubetten, so daß eine keramische Verbundform mit einem Formhohlraum 106 und einer Zugang dazu gewährenden Öffn jng 106a zur Verfügung gestellt wird. Es kann auch erforderlich soin, zur Verhinderung oder zur Hemmung des Wachstums des Oxydationsreaktionsprodukts ein Sperrmittel (wie oben bereits erörtert) 150 vorzusehen.

Wie in don nachfolgenden Beispielen gezeigt ist, die speziell au? Aluminiummetalle ausgerichtet sind, infiltrieren geschmolzene Aluminiumnv-alle spontan die durchlässige Masse des zweiten Füllstoffs, die in der undurchlässigen Form enthalten ist, wenn die Masse von der umgebenden Atmosphäre, d. h. Umgebungsluft, isoliert ist. Das orfindungsgemäß angewendete Aluminium kann generell verschiedene Legierungselemente enthalten, um die gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften in dem Verbundkörper mit Metallgrundmasse zu erreichen. So können beispielsweise Kupferzusätze in dem Aluminiummetall enthalten sein, um eine Grundmasse zur Verfügung zu stellen, rJie zur Erhöhung von Härte und Festigkeit hitzebehandelt werden kann.

Beispiel 1

Luftundurchlässige, zylindrisch geformte keramische Verbundkörper wurden nach den Verfahrensweisen der oben beschriebenen, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen hergestellt. Es wurden speziell drei luftdurchlässige zylindrische Vorformen von jeweils 6 Zoll (15,24cm) Höhe und 2 Zoll (5,08cm) Außendurchmesser zuerst schlickergegossen, wobei ein Schlicker verwendet wurde, der aus einem Gemisch aus 49,5 Ma.-% grünem Siliziumcarbid der Körnung 1000 (geliefert von der Exolon-ESK Company, Tonawanda, N. Y„ unter der Handelsbezeichnung Carbolon F1000), 19,8% „ 100GL" grünem Siliziumcarbid (geliefert von dor Superior Graphite Company, Chicago, IL) und 30,7 Ma.-% destilliertem Wasser bestand. Die durchschnittliche Teilchengröße von Carbolon F1000 betrug ca. 4 Mikrometer und die von 100GL ca. 0,8 Mikrometer. Der Schlicker wurde hergestellt, indem zuerst das 100GL, Wasser, eine kleine Menge von „Darvan-7" (geliefert von R.T. Vanderbilt and Company, Norwalk, CT) und eine kleine Menge Ammoniumalginat eine Stunde lang in der Kugelmühle vorgemahlen wurden. Die zugesetzte Menge Darvan-7 machte etwa 1,6g auf 1228g verwendetes Wasser aus, und die verwendete Menge Ammoniumalginat betrug etwa 4g auf 1228g verwendetes Wasser. Nachdem dieses Gemisch eine Stunde lang in der Kugelmühle gemahlen worden war, wurde ca. eine Hälfte des gesamten Carbolon F1000 dem Gemisch zugesetzt, und dieses neue Gemisch wurde dann eine halbe Stunde lang in der Kugelmühle gemahlen. An dieser Stelle wurde das restliche Carbolon F1000 zugesetzt, und das gesamte Gemisch wurde 24 Stunden lang in der Kugelmühle gemahlen. Am Ende dieser 24 Stunden wurden der pH-Wert und die Viskosität überprüft und durch langsames Hinzugeben geringer Mengen an Darvan-7 eingestellt, bis die Viskosität bei ca. 200-500CPS und der pH-Wert bei ca. 6-7 lagen. Als dies erreicht war, wurde das Endgemisch 48 Stunden lang in der Kugelmühle gemahlen, bevor es als Schlicker verwendet wurde.

Die aus dem Schlicker hergestellten schlickergegossenen Zylinder wurden bei 9O⁰C in einem Ofen getrocknet und anschließend bei 1100⁰C 10 Stunden lang in Luft gebrannt und danach auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Aufheizgeschwindigkeit betrug 200°C/Stunde, während die Abkühlgeschwindigkeit bei ca. 100°C/Stuncio !ag. Nach dem Brennen und Kühlen wurde das Innere eines jeden Zylinders mit einem Grenzflächenüberzug aus Siliziumpulver der Körnung 500 (von Atlantic Equipment Engineers, Borgenfield, N.J., geliefert) überzogen. Das Äußere der zylindrischen Vorformen wurde mit einer Sperrschicht überzogen, die aus einem Brei aus 35Ma.-% gebranntem Gips („Bondex" von der International Inc., Brunswick, OH), 15Ma.-% „Minusil" der Körnung 500 (US Silica Co., Berkeley Spring, W. Va.) und 50 Ma.-% Wasser bestand. Die vorbereiteten Vorformen wurden dann in einem widerstandsbeheizten Ofen auf 900'C erhitzt, und anschließend wurden 450g einer geschmolzenen Aluminiumlegierung bei 900°C in jede Vorform gegossen. Die Aluminiumlegierung bestand nominell aus ca. 2,5-3,5 Ma.-% Zn, 3-4 Ma.-% Cu, 7,5-9,5Ma.-% Si, 0,8-1,5Ma.-% Fe, 0,2-0,3 Ma.-% Mg und maximal ca. 0,5Ma.-% Mn, 0,5Ma.-% Ni, 0,001 Ma.-% Be, 0,01 Ma.-% Ca sowie 0,35Ma.-% Sn, den Restanteil bildete Aluminium. Durch das durchlässige Sperrmittel und Vorform diffundierende Luft oxydierte die geschmolzene Aluminiumlegierung unter Bildung eines polykristallinen Oxydationsreaktionsproduktes. Diese Oxydationsroaktion wurde über 100 Stunden fortgesetzt, und in dieser Zeitspanne ist die geschmolzene Legierung in jede zylindrische Vorform hineingewachsen und hat diese im wesentlichen vollständig infiltriert. Am Ende der lOOstündigen Reaktionsperiode wurde die restliche geschmolzene Legierung abgelassen, um hohle keramische Verbundkörper in Zylinderform zu bekommen, die für die umgebende Atmosphäre undurchlässig waren. Diese Zylinder waren an einem Ende geschlossen und an dem andere/» Ende offen. Noch bei 900⁰C wurde dann jeder keramische Verbundzylinder teilweise mit einem zweiten Füllstoff gefüllt, üTnd zwar so weit unter den oberen Rand, daß ein Freivolumen von 100 Millilitern oberhalb des Füllstoffbettes in jedem Zylinder zurückblieb. Die in den drei Zylindern verwendeten drei bzw. zweiten Füllstoffe waren 1. ein 150-g-Pett aus grünen Siliziumcarbidteilchen der Körnung 24 (Crystolon 39) von der Norton Company, 2. ein 200-g-Bett a"s Alundum-38-Teilchen der Körnung 24 von der Norton Company, 3. ein 100-g-Bett aus Sand bestehend aus Siliziumdioxidteilchen der Körnung 100 von Pennsylvania Foundry Supply and Sand Co., Philadelphia, PA. Etwa 100 Milliliter (oder ungefähr 220g) nominell reiner 1100 Aluminiumlegierung in geschmolzenem Zustand wurden oben auf jedes Bett des zweiten Füllstoffs in den Zylindern draufgegossen. Die entstandenen stehenden Körper geschmolzenen Aluminiums füllten den Freiraum in den Zylindern über den Füllstoffbetten aus und dichteten die einzige Öffnung der Zylinder über den Infiltrationsprozeß ab, wodurch die Betten des zweiten Füllstoffs vor der Umgebungsluft abgedichtet oder isoliert wurden. Die Einheiten wurden bei einer Temperatur von 900⁰C gehalten, und die spontane Infiltration des geschmolzenen Aluminiummetalls in die Betten des zweiten Füllstoffs begann beinahe sofort und war meist innerhalb von 20 Minuten abgeschlossen. Nach 5 Stunden bei 900⁰C wurde das Erhitzen abgebrochen, und die Einheiten kühlten sich auf Umgebungstemperatur ab. Es wurden Verbundkörper mit Metallgrundmasse gewonnen, die aus der Aluminiumlegierung bestanden, in die die unterschiedlichen Füllstoffe eingebettet waren. In dem System nvt Sand als dem zweiten Füllstoff reagierte jedoch das gesamte Siliziumdioxid in dem Sand mit dem infiltrierten Aluminium unter Bildung vonTonerde und Siliziummetall. Das durch diese Reaktion freigesetzte Siliziummetall löste sich in das geschmolzene Aluminium unter Bildung einer Aluminium-Silizium-Legierung. Der durch diese Reaktion gewonnene tndverbundkörper mit Metallgrundmasse bestand somit aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, in die ein Tonerdefüllstoff eingebettet war. Die oben beschriebenen Infiltrationsprozesse wurden in einer Umgebungsluftatmosphäre ohne Anwendung von äußerlich angelegtem Vakuum, mechanischem Druck, Benetzungsmitteln oder anderen Verfahrensweisen zur Erleichterung der Infiltration durchgeführt.

Beispiel 1 demonstriert somit die Bildung von Verbundkörpern mt Metallgrundmasse durch spontane Infiltration eines geschmolzenen Metalls in ein mitgerissene Luft enthaltendes Füllsioffbett. Die Infiltration wurde in einer den zweiten Füllstoff enthaltenden undurchlässigen Form oder Behälter durchgeführt, wobei diese undurchlässige Form oder Behälter gegen die Atmosphäre durch das geschmolzene Metall hermetisch abgeschlossen war.

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Beispiel 2

Ein 150 Milliliter großer poröser Tontiegel (DFC Tiegel * 28-1000 hergestellt von J. H. Berge Co., South Plainfield, N.J.) wurde mit 300g geschmolzener Aluminiumlegierung als Grundmetall gefüllt. Die Aluminiumlegierung war von der gleichen Zusammensetzung wie die in Beispiel 1 erwähnte erste Aluminiumlegierung. Der aus dem Tiegel und der geschmolzenen Aluminiumlegierung bestehende Aufbau wurde in einem widerstandsbeheizten Ofen 3 Stunden lang bei 900⁰C in einer Luftatmosphäre erhitzt, um, gemäß den Verfahrensweisen der oben beschriebenen, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen, ein polykristallines Oxydationsreaktionsprodukt aus dem geschmolzenen Aluminiumgrundmetall in die Vorform hineinwachsen zu lassen. Das restliche geschmolzene Aluminiumgrundmetall wurde dar», ι aus dem Tiegel abgegossen, und es wurde beobachtet, daß die Innenflächen des Tiegels von einem polykristallinen Oxydationsreaktionsprodukt bis zu einer Tiefe von ca. 1 bis 2 Millilitern infiltriert worden waren, wodurch ein luftundurchlässiger keramisch ausgekleideter Tiegel zur Verfügung gestellt wurde. Es sollte erwähnt werden, daß das geschmolzene Aluminiumgrundmetall während dieser Infiltration sowohl mit der Luft als auch mit dem Tiegel selbst reagiert hat. Noch bei 900⁰C wurden 130g grüne Siliziumcarbidteilchen der Körnung 24 (Crystolon 39, Norton Company) in den 150ml großen Tiegel so weit unter den oberen Rand desselben gefüllt, daß sich ein Bett aus Siliziumcarbidfüllstoff mit einem Freivolumen von ca. 60ml innerhalb des Tiegels über dem Bett ergab. Etwa 130g geschmolzenes Aluminium 1100 (nominell rein) wurden oben auf das Bett aus Siliziumcarbidfülistoff gegossen, um einen stehenden Körper aus geschmolzenem Aluminium zu bilden, der das offene Oberteil des Tiegels abdichtete und das Bett aus Siliziumcarbidfüllstoff vor der Umgebungsluft isoliert hat. Der gefüllte Tiegel wurde in dem gleichen Ofen auf 900⁰C erhitzt, der L ereits an früherer Stelle in dem Beispiel erwähnt worden ist, und über einen Zeitraum von 10 Stunden bei 900⁰C gehalten. In dieser Zeit hat das geschmolzene Aluminiummetall das gesamte Bett des Siliziumcarbidfüllstoffs infiltriert. Danach konnte sich der Aufbau genügend lange abkühlen, damit sich das Aluminiummetall verfestigen konnte. Noch bei einer Temperatur von ungefähr 500⁰C wurde der gesamte Aufbau In Wasser getaucht, wodurch der Tontiegel einschließlich dem dünnen Keramikbelag auf der Innenfläche des Tiegels zerbrochen wurde. Es wurde ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse bestehend aus 1100 Aluminiumlegierung, in die die Siliziumcarbidteilchen eingebettet waren, gewonnen. Die Außenfläche des Verbundkörpers war dabei im wesentlichen eine umgekehrte Nachbildung der Form oder Geometrie des Inneren des ursprünglichen Tontiegels. Beispiel 2 zeigt, daß ein poröses Material wie ein Tontiegel als Form genutzt werden kann, wenn es durch das Wachsen oiner dünnen Schicht aus Oxydationsreaktionsprodukt in den Tontiegel luftundurchlässig gemacht wird, wobei dös Oxydationsreaktionsprodukt durch gerichtete Oxydation eines Grundmetalls mit Luft gemäß den vorgenannten, in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen erzeugt wird. Die entstandene dünne Schicht aus luftundurchlässigem keramischen Verbundmaterial machte den sonst durchlässigen Tontiegel luftundurchlässig, wodurch der Tiegel als eine undurchlässige Kapsel und als eine Form für das Verbundmaterial mit Metallgrundmasse dienen konnte.

Beispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 2 wurde unter Verwendung von zwei verschiedenen Aluminiumlegierungen und dem gleichen Typ des zweiten Füllmaterials zweimal wiederholt. Im ersten Lauf wurde eine Aluminiumlegierung, die nominell aus ca. 2,5-3,5 Ma.-% Zn, 3-4Ma.-% Cu, 7,5-9,5 Ma.-% Si, 0,8-1,5Ma.-% Fe, 0,2-O,3Ma.-% Mg und einem Maximum von ca. 0,5Ma.-% Mn,0,5Ma.-% Ni, 0,001 Ma.-% Be, 0,01 Ma.-To Ca und 0,35Ma.-% Sn sowie dem Restanteil Aluminium bestand, mit einem zweiten Füllstoff, bestehend aus Tonerdeteilchen der Sorte 38 Alundum und der Körnung 90 von der Norton Company verwendet. Es wurde ein Verbundstoff mit Metallgrundmasse, bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Tonerdeteilchen eingebettet waren, gebildet. Im zweiten Lauf wurde eine nominell reine 1100 Aluminiumlegierung mit dem zweiten Füllstoff 38 Alundum der Körnung 90 verwendet. Auch hier wurde ein Verbundstoff mit Metallgrundmasse bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Tonerdeteilchen eingebettet waren, gebildet. Dieses Beispiel zeigt, daß es möglich ist, Tonerdefüllmaterial einer feineren Körnung als in Beispiel 2 zu verwenden und trotzdem die erfindungsgemäßen Verbundstoffe mit Metallgrundmasse zu bekommen. Des weiteren zeigt dieses Beispiel, daß es mögich ist, dieses feinere Tonerdefüllmaterial mit einer 1100 Aluminiumlegierung zu verwenden und trotzdem die erfindungsgemäßen Verbundstoffe mit Metallgrundmassezu bekommen.

Beispiel 4

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde mit einem zweiten Füllstoff, bestehend aus grünen Siliziumcarbidteilchen der Körnung 100 wiederholt. Die verwendete infiltrierenc's Aluminiumlegierung war 1100 Aluminiumlegierung mit ca. 1 Ma.-% Lithiumzusatz. Ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Siliziumcarbidteilchen eingebettet waren, wurde innerhalb von ca. 5 Minuten ab dem Zeitpunkt gebildet, da die geschmolzene Aluminiumlegierung auf das Bett gegossen wurde.

Das Verfahren diese Beispiels wurde mit einem zweiten Füllstoff bestehend aus grünem Siliziumcarbid der Körnung 220 wiederholt. Auch hier wurde ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Siliziumcarbidteilchen eingebettet waren, innerhalb von 5 Minuten ab dem Zeitpunkt gebildet, da die geschmolzene Aluminiumlegierung oben auf das Bett gegossen wurde.

Dieses Beispiel zeigt, daß es möglich ist, dio erfindungsgemäßen Verbundkörper mit Metallgrundmasse mit zweiten Füllstoffen unterschiedlicher Körnung zu bilden, wenn 1100 Aluminiumlegierung mit ca. 1 Ma.-% Lithium als das infiltrierende Metall verwendet wird.

Beispiel 5

Ziel der nachfolgend beschriebenen Experimente war es, zu bestimmen, ob ein Beschichten der Füllstoffteilchen mit einer natriumhaltigen Verbindung die Bildung von Verbundkörpern mit Metallgrundmasse erleichtern würde. Es wurde das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren mit der Ausnahme angewendet, daß die Füllstoffteilchen aus grünen Siliziumcarbidteilchen der Körnung 220 mit einem Na₂O-Überzug bestanden. Dieser Überzug wurde dadurch gebildet, daß die Siliziumcarbidteilchen zuerst in einer Natriumhydroxidlösung 3 bis 4 Stunden getränkt wurden. Durch dieses Tränken wurde ein Natriumhydroxidüberzug auf den Teilchen gebildet, der bei Entfernung aus der Lösung und anschließendem Trocknen in einem Ofen im wesentlichen ein Na₂O-Überzug wurde. Diese beschichteten Teilchen wurden mit Mörser und Pistill zur Entfernung von Klumpen, die sich beim Trocknen gebildet hatten, gemahlen. Als die beschichteten Siliziumcarbidteilchen wieder in partikulierter

Form vorlagen, wurden sie als Füllmaterial in dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren eingesetzt. Die verwendete infiltrierende Aluminiumlegierung bestand nominell aus 2,5-3,5Ma.-% Zn, 3-4Ma.-% Cu, 7,5-9,5Ma.-% Si, 0,8-1,5Ma.-% Fe, 0,2-0,3Ma.-% Mg und maximal aus ca. 0,5Ma.-% Mn, 0,5Ma.-% Ni, 0,001 Ma.-% Be, 0,01 Ma.-% Ca und 0,35Ma.-% Sn, den Restanteil bildete Aluminium. Es wurde ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse, bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die beschichteten Silfciumcarbidteilchen eingebettet waren, gebildet.

Das unmittelbar oben beschriebene Experiment wurde mit unbeschichteten grünen Siliziumcarbidteilchen der Körnung 220 wiederholt. Die Aluminiumlegierung hat das Bett aus Siüziumcarbidteilchen nicht infiltriert, so daß kein Verbundkörper mit Metallgrundmasse gebildet wurde. Dieses Beispiel zeigt, daß es möglich ist, Na₂O-UbBrZUgO auf Füllstoffteilchen zur Förderung der Infiltration einer Aluminiumlegierung in noch feinere Teilchen durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden.

3elspiel6

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde mit einem zweiten Füllstoff, bestehend aus Siliziumcarbid der Körnung 54 und einer Grundmasse aus 1100 Aluminiumlegierung mit ca. 5% Magnesiumzusatz durchgeführt. Ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse, bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Siliziumcarbidteilchen eingebettet waren, wurde innerhalb von 5 Minuten gebildet, da die geschmolzene Aluminiumlegierung oben auf das Bett aufgegossen wurde. Die oben beschriebene Verfahrensweise wurde unter Verwendung von Siliziumcarbidteilchen der Körnung 90 als Füllmaterial wiederholt. Wiederum entstand innerhalb von 5 Minuten nach Aufgieß jn der geschmolzenen Aluminiumlegierung auf das Bett ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse, bestehend aus der Aluminiumlegierung, in die die Siliziumcarbidteilchen eingebettet waren.

Beispiel 7

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde bei drei niedrigeren Infiltrationstemperaturen wiederholt, um die Wirkung der Temperatur auf die Infiltrationszeit zu bestimmen. Die Infiltrationsversuche wurden bei 800⁰C, 75O⁰C und 700°C durchgeführt, und die entsprechenden Infiltrationszeiten lagen bei 10 Minuten, 40 Minuten bzw. 90 Minuten. Dieses Beispiel zeigt, daß die für eine vollständige Infiltration des geschmolzenen Metalls in das Füllstoffbett erforderliche Zeit mit abnehmender Prozeßtemperatur zunimmt.

Beispiele

Das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde mit einem grünen Siliziumcarbidfüllstoff der Körnung 90 wiederholt. Dieses Füllmaterial war viel feiner als das in Beispiel 2 verwendete Siliziumcarbidfüllmaterial der Körnung 24. Ein Verbundkörper mit Metallgrundmasse, bestehend aus 1100 Aluminiumlegierung, in die die Silizumcarbidteilchen eingebettet waren, wurde innerhalb von 5 Minuten gebildet, da die geschmolzene Aluminiumlegierung oben auf das Füllstoffbett aufgegossen wurde. Der Verbundkörper hatte eine äußere Oberfläche, die im wesentlichen die umgekehrte Nachbildung der Form oder Geometrie des Inneren des ursprünglichen Tontiegels war. Dieses Beispiel zeigt, daß feinere Sorten Füllmaterial mit nominell reinem 1100 Aluminium eingesetzt werden können und dennoch die erfindungsgemäßen Verbundkörper mit Metallgrundmasse gewonnen werden können.

Beispiel 9

Zu Vergleichszwecken wiederholt dieses Beispiel die Bedingungen der erfindungsgemäßen Methode mit der Ausnahme, daß es keine hermetische Isolierung des in die Vorform eingebraenten Füllstoffbettes vorsieht.

A. Ungefähr 100g der in Beispiel 2 verwendeten grünen Siliziumcarbidteilchen der Körnung 24 (Crystolon 39, Norton Company) wurden in einen luftdurchlässigen Ton-Graphit-Tiegel (bezeichnet als „#6" Ton-Graphit-Tiegel von der Ferro Company Inc., buffalo, N. Y.) bis zu einer Höhe unterhalb des oberen Randes des Tiegels gegeben, daß darin ein Bett des Füllstoffs mit einem Freivolumen von ca. 90ml indemTiegal über dem Bett vorhanden war. Etwa 190g der in Beispiel 1 beschriebenen ersten Aluminiumlegierung wurden oben auf das Bett aus Siliziumcarbidfüllstoff gegeben, und der Aufbau wurde in einen widerstandsbeheizten Ofen gegeben und in Luft auf 900°C über 15 Stunden erhitzt, um das Aluminium zu schmelzen. Es wurde ausreichend Aluminiumlegierung verwendet, um ehen stehenden Körper aus geschmolzenem Aluminiummetall oben auf dem Füllstoffbett aufrechtzuerhalten, wodurch der obere Teil des Tiegels abgedichtet wurde, so daß der Füllstoff durch die geschmolzene Aluminiumlegierung nur am oberen Teil des Tiegels vor der Umgebungsluft abgedichtet war. Nach 15 Stunden bei 900⁰C ließ man den Aufbau zur Verfestigung der Aluminiummetallegierung sich abkühlen. Beim Ausbringen des Inhalts aus dem Tiegel wurde beobachtet, daß es im wesentlichen zu keinei Infiltration des geschmolzenen Metalls in das Bett aus Siliziumcarbidfüllstoff gekommen war.

B. Der Versuch von Abschnitt A wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß als Füllstoff 50g vorgebrannte Siliziumcarbidteilchen der Körnung 500 (Crystolon 39, Norton Company) in einem 100ml großen Zylinder aus rekristallisierter Tonerde (geliefert von der McDanel Refractory Company, Beaver Falls, PA) verwendet wurden, der durch einen Riß am Boden des Zylinders luftdurchlässig gemacht wurde. Der Aufbau wurde in einem widerstandsbeheizten Ofen auf 900°C erhitzt, und ca. 150g geschmolzenes Aluminium 1100 (nominell rein) wurden dann über das Füllstoffbett gegossen, um dieses mit einem stehenden Körper aus geschmolzenem Aluminium zu bedecken und somit den offenen oberen Teil des Tiegels abzudichten. Der Tiegel wurde 5 Stunden lang bei 900⁰C in dem Ofen gehalten, wobei das geschmolzene Aluminiummetall die Öffnung abdichtete, und danach wurden die Siliziumcarbidteilchen und das geschmolzene Aluminium mit einem Stahlstab umgerührt. Das Siliziumcarbid war trotz des Umrührens nicht von dem geschmolzenen Aluminiummetall infiltriert oder benetzt.

C. Der Versuch von Abschnitt B wurde in einem luftdurchlässigen Ton-Graphit-Tiegel des in Abschnitt A beschriebenen Typs wiederholt, wobei die Innenflächen des Tiegels mit luftdurchlässigem Calciumsulfat (gebrannter Gips, „Bondex" von International, Inc., Brunswick, OH) beschichtet waren, um zu verhindern, daß das Oxydatiunsreaktionsprodukt des geschmolzenen Aluminiums mit Luft in die Tiegelwände wächst, wie in Beispiel 2 beschrieben ist. Es wurden die gleichen Ergebnisse wie in Abschnitt B gewonnen, d. h. die Siliziumcarbidfüllstoffmasse war von dem geschmolzenen Aluminiummetall weder infiltriert noch benetzt worden.

D. Der Versuch von Abschnitt B wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß nach der 5stündigen Kontaktzeit das geschmolzene Aluminium mit 1,5Ma.-% Magnesium legiert wurde. Die entstandene Legierung aus geschmolzenem Aluminium und Magnesium ließ man weitere 3 Stunden bei 900⁰C in Kontakt mit dem Füllstoff stehen. Die Beobachtung zeigte im wesentlichen keine Infiltration oder Benetzung des Siliziumcarbldfüllstoffs durch das geschmolzene Metall.

E. Der Versuch von Abschnitt B wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß als Füllstoff 50g grüne Siliziumcarbidteilchen der Körnung 24 (Crystolon 39, Norton Company) verwendet wurden. Anstelle von Magnesium wurden 2 bis 3 Ma.-% Silizium nach der anfänglichen 5stündigen Kontaktzeit mit dem geschmolzenen Aluminium legiert. Die entstandene Legierung aus geschmolzenem Aluminium und Silizium ließ man weitere 3 Stunden bei 9OO⁰C in Kontakt mit dem Füllstoff stehen. Die Beobachtung zeigte im wesentlichen keine Benetzung oder Infiltration des Siliziumcarbldfüllstoffs durch das geschmolzene Metall.

Beispiel 10

Dieses Beispiel beschreibt eine Methode zur Herstellung von Nockenwellen, die Verbundschalen (Masken) mit keramischer Grundmasse und Verbundkerne mit Metallgrundmasse haben. Es wurden zunächst Schalen- bzw. Maskenvorformen für die Nockenwellen hergestellt, indem Schlicker in eine Nockenwellenform aus gebranntem Gips gegossen wurden. Die Nockenwellenform aus gebranntem Gips war von der Hollande Mold Company, Trenton, N.J., hergestellt worden. Der in diesem Beispiel verwendete Schlicker hatte die gleiche Zusammensetzung wie der in Beispiel 1 beschriebene Schlicker und wurde nach der gleichen Methode hergestellt. Die durchschnittliche Teilchengröße von 100GL betrug ca. 0,8 Mikrometer und die von Carbolon F1000 4 Mikrometer. Die schlickergegossenen Nockenwellenschalenvorformen wurden mindestens 4 Stunden lang bei 90°C getrocknet, wobei 20 Stunden eine gebräuchlichere Trocknungszeit waren. Nach diesem Verfahren hergestellte Vorformen waren ungefähr 5mm dick, ihr Gewicht lag je nach Dicke zwischen 380-48Og. Diese Vorformen waren an dem einen Ende offen und an dem anderen Ende geschlossen, woboi das offene Ende die Form eines Trichters hatte. Nach Beendigung des Trocknens wurden die Nockenwe'lenvorformen mit der geschlossenen Seite nach oben in einen Ofen gegeben und 5-20 Stunden bei 1025-1100⁰C gebrannt. Die am häufigsten angewendete Brenntemperatur lag bei 1025⁰C für einen Zeitraum von 20 Stunden. Der Ofen mit don Vorformen wurde über einen 5stündigen Zeitraum von Umgebungs- auf die Brenntemperatur erhöht und am Ende des Versuchs über einen 5stündigen Zeitraum von der Brenntemperatur auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Während dieses B' ennprozesses naiim jede Nockenwellenvorform ca. 11 % an Gewicht zu. Die lineare und diametrale Ausdehnung einer jeden Vorform während des Vorbrennens betrug ca. 3% und die Ausdehnung in der Dicke ca. 8%.

Nach dem Brennen wurde die gesamte Innenfläche einer jeden Vorform mit einem Brei überzogen, der Siliziummetall (Körnung 500, Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, N.J.) enthielt. Die Überzugschichtdicke war bei den einzelnen Nockenwellen unterschiedlich und lag zwischen Null und ungefähr 0,1 Zoll (0,254cm) als maximale Überzugschichtdicke. Die Überzugschichtdicke wurde deshalb variiert, um die optimale Dicke hinsichtlich eines gleichmäßigen Wachstums und Wachstumsgeschwindigkeit zu bestimmen. Diese optimale Überzugschichtdicke wurde zwischen ungefähr 0,005 und 0,01 Zoll (0,127 mm und 0,254mm) bestimmt. Nachdem die Vorformen innen mit Siliziummetallbrei beschichtet waren, wurden sie getrocknet und anschließend außen mit einem Brei bestehend aus 35Ma.-% „Bondex" (gebrannter Gips von der International, Inc., Brunswick, OH), 15Ma.-% S1O2 der Körnung 500 („Minusil", U.S. Silica Company, Berkeley Spring, W.Va.) und 50Ma.-% destilliertem Wasser überzogen. Dieser zweite Überzug wurde in einem Ofen ca. 2 Stunden lang bei 90⁰C getrocknet, und anschließend wurden die Vorformen in einen Ofen gegeben und über einen 5stündigen Zeitraum von Umgebungstemperatur auf 900⁰C erhitzt. Nach Erreichen einer Ofentemperatur von 900°C wurden die Vorformen eine Zeit bei dieser Temperatur gehalten, bevor die geschmolzene Aluminiumlegierung in jede Vorform gegossen wurde. Die Zeitspanne zwischen Erreichen einer Ofentemperatur von 900⁰C und der Zugabe von geschmolzener Aluminiumlegierung wurde absichtlich zwischen den Vorformen variiert. Bei einigen Vorformen wurde die geschmolzene Aluminiumlegierung fast unmittelbar nach Erreichen der Ofentemperatur von 900⁰C hinzugegeben, während bei anderen die Zugabe der Legierung upäter erfolgte. Die maximale Zeitspanne zwischen dem Erreichen einer Ofentemperatur von 900⁰C und der Zugabe der geschmolzenen Aluminiumlegierung betrug 4 Stunden.

Die zu einer jeden Vorform hinzugegebene Menge an geschmolzener Aluminiumlegierung betrug 330g. Diese Aluminiumlegierung war von der gleichen Zusammensetzung wie die in Beispiel 1 beschriebene erste Aluminiumlegierung. Die geschmolzene Aluminiumlegierung wurde in die Vorformen eingebracht, indem die geschmolzene Aluminiumlegierung in das trichterförmige offene Ende der Vorform gegossen wurde, während sich diese im Ofen bei 900⁰C befand. Die Trichterform des offenen Endes erleichterte das Eingießen des geschmolzenen Metalls in die Vorformen und schuf darüber hinaus einen Vorratsbehälter für das geschmolzene Metall. Da Luft die durchlässigen Wände der Vorformen durchdringt, wurde die geschmolzene Aluminiumlegierung oxydiert. Das Wachstum von Oxydationsreaktionsprodukt, das sich aus dieser Oxydation der geschmolzenen Aluminiumlegierung ergab, infiltrierte die Wände einer jeden Vorform gemäß den Verfahrensweisen der oben beschriebenen in gemeinsamem Eigentum befindlichen Patentanmeldungen. Mit fortschreitendem Wachstum wurde die verbrauchte Aluminiumlegierung durch geschmolzene 1100 Aluminiumlegierung bei 900⁰C wiederaufgefüllt. Der Wachstumsprozeß wurde 100-150 Stunden lang durchgeführt. Obwohl das meiste Wachstum in den ersten 30 Stunden stattfand, ergab die zusätzliche Reaktionszeit ein gleichmäßigeres Produkt hinsichtlich der Wachstumsphase. Nachdem das Oxydationsreaktionsprodukt die Wände einer joden Vorform vollständig infiltriert hatte und somit keramische Verbundnockcnwellenschalen gebildet hatte, wurde die geschmolzene Aluminiumlegierung aus den Schalen herausgegossen, während diese immer noch eineTemperatur von 900⁰C hatten. Die keramischen Verbundnockenwellenschalen (immer noch bei 90O⁰C) wurden dann mit grünem SiC der Körnung 24 (Crystolon 39, Norton Company) als dem zweiten Füllstoff gefüllt und mit einer Metallgrundmassenlegierung bei 900⁰C bedeckt. Es wurden eine Reihe von Metallgrundmassenlegierungen verwendet. Dazu gehören die Aluminiumlegierung 1100, die in Beispiel 1 beschriebene erste Aluminiumlegierung, eine Aluminiumlegierung, bestehend aus 1100 Aluminiumlegierung mit ca. 0,25-0% Li-Zusatz,oine Aluminiumlegierung, bestehend aus 1100 Aluminiumlegierung mit ca. 0,5-5% Mg-Zusatz, eine Aluminiumlegierung, bestehend aus der in Beispiel 1 beschriebenen ersten Aluminiumlegierung mit ca. 0,25-3% Li-Zusatz und die in Beispiel 1 beschriebene erste Aluminiumlegierung mit ca. 0,5-5% Mg-Zusatz. Unmittelbar nachdem das SiC-Bett in einer jeden Vorform mit der

Grundmassenlegierung bedeckt war, kam es zur Infiltration der Grundmassenlegierung in das Bett, die innerhalb von ca. 20 Minuten beendet war. Während dieser 20 Minuten wurde je nach Bedarf zusätzliche Grundmassenlegierung zu jeder Vorform hinzugegeben, so daß jedes Bett stets mit Grundmassenlegierung bedeckt war. Nach Beendigung der Infiltrationsperiode wurden die Nockenwellen im Verlaufe von 12-15 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt, gereinigt, getrennt und nach Vorschrift geschliffen. Die gewachsenen Nockenwellen wurden durch Sandstrahlen gereinigt und mit Hilfe eher Diamanttrennschleife auf entsprechende Länge geschnitten. Das Schleifen von zylindrischen Oberflächen wurde mit Hilfe von kunstharzgebundenen Diamantschleifscheiben der Körnung 100 durchgeführt. Das Nockenschleifen wurde mittels kunstharzgebundenen Diamantschleifscheiben der Körnung 220 durchgeführt. Die Vorschubgeschwindigkeit betrug ca. 0,002-0,003 Zoll (0,05-0,076mm) beim Schneiden und ca. 0,0005-0,0008 Zoll (0,0127-0,02 mm) beim Schleifen. Eine nach diesem Verfahren hergestellte Nockenwelle ist in Figur 10 dargestellt.

Beispiel 10 zeigt, daß eine Vorrichtung komplizierter und schwieriger Geometrie so hergestellt werden kann, daß sie eine Verbundschale mit keramischer Grundmasse und einen Verbundkern mit Metallgrundmasse hat. Die Verbundschale mit keramischer Grundmasse wird hergestellt, indem zuerst eine geformte Vorform, bestehend aus einem ersten Füllmaterial mit dem Oxydationsreaktionsprodukt einer Aluminiumlegierung mit Luft infiltriert wird. Danach wird der Verbundkern mit Metallgrundmasse durch die spontane Infiltration von geschmolzenem Aluminium in ein hermetisch abgeschlossenes Bett eines zweiten Füllstoffs, in dem mitgerissene Luft enthalten ist, hergestellt, wobei der zweite Füllstoff sich in dem hohlen Inneren der Verbundschale mit keramischer Grundmasse befindet. Diese Verfahrensweise ergibt ein Endprodukt, das die kombinierten Eigenschaften eines Verbundkörpers mit keramischer Grundmasse und eines Verbundkörpers mit Melallgrundmasse hat. Die erfindungsgemäßen Methoden sind auf eine große Vielfalt von zweiten Füllstoffen, insbesondere keramischen Füllstoffen anwendbar, und die Wahl des zweiten Füllstoffs ist von solchen Faktoren abhängig, wie dem jeweils verwendeten Aluminiumoder Magnesiummetall, der Art und der Größe des zweiten Füllstoffs und den für das Endverbundprodukt mit Metallgrundmasse gesuchten Eigenschaften. Der zweite Füllstoff, d. h. das verstärkende oder festigkeitssteigernde Mittel für den Verbundstoff mit Metallgrundmasse, ist vorzugsweise mit dem geschmolzenen Aluminiummetall oder Magnesiummetall unter den Prozeßbedingungen nicht reaktionsfähig. Geeignete zweite Füllstoffe sind beispielsweise (a) Oxide, z. B. Tonerde, Magnesia, Titania, Zirconia und Hafnia; (b) Carbide, z.B. Siliziumcarbid und Titaniumcarbid; (c) Boride, z. B. Titaniumdiborid, Aluminiumdodecaborid und (d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Zirconiumnitrid. Wenn der zweite Füllstoff dazu neigt, mit dem geschmolzenen Aluminium oder Magnesium zu reagieren, so kann dem durch Minimieren der Infiltrationszeit und Temperatur oder durch Vorsehen eines nichtreaktionsfähigen Überzugs auf dem Füllstoff Rechnung getragen werden. Der zweite Füllstoff kann ein Material wie Kohle oder ein anderes nichtkeramisches Material umfassen, das zum Schutz des Substrats vor Angriff oder Abbau einen keramischen Überzug trägt. Keramische Stoffe, die zur Verwendung in der erfahrungsgemäßen Methode besonders gut geeignet sind, sind Tonerde und Siliziumcarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können diskontinuierliche Einzelfäden wie multifile Elementarfadenkabel sein. Des weiteren kann der zweite Füllstoff entweder eine homogene oder heterogene Masse oder Vorform einschließen.

Siliziumcarbid neigt zur Reaktion mit reinem geschmolzenen Aluminium unter Bildung von Aluminiumcarbid, und wenn Siliziumcarbid als zweiter Füllstoff verwendet wird, ist es angebracht, diese Reaktion zu verhindern oder minimieren, da Aluminiumcarbid für den Angriff durch Feuchtigkeit empfindlich ist, der den Verbundkörper mit Metallgrundmasse potentiell schwächt. Daher kann zur Minimierung oder Verhinderung dieser Reaktion das Siliziumcarbid in Luft unter Bildung eines reaktiven Kieselerdeüberzugs darauf vorgebrannt werden, oder das Aluminium kann mit Silizium legiert werden, oder beides ist möglich. In jedem Fall besteht die Wirkung darin, daß der Siliziumgehalt in der Legierung zur Ausschaltung der Bildung von Aluminiumcarbid erhöht wird. Zur Verhinderung unerwünschter Reaktionen mit anderen zweiten Füllstoffen können ähnliche Methoden angewendet werden.

Die Größe und Form des zweiten Füllstoffs können in Abhängigkeit von den zu erreichenden gewünschten Eigenschaften des Verbundprodukts oder -körpers mit Metallgrundmasse beliebig sein. Der zweite Füllstoff kann demnach in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration des zweiten Füllstoffs durch das geschmolzene Aluminiummetall nicht durch die Form der zweiten Füllstoffmasse eingeschränkt wird. Andere Formen wie Kugeln, Röhrchen, Pellets, feuerfester Faserstoff und ähnliche können ebenfalls angewendet werden. Zudem wird die Infiltration nicht durch die Größe der zweiten Füllstoffmasse begrenzt, obwohl für eine vollständige Infiltration einer Masse kleinerer Teilchen eine höhere Temperatur oder eine längere Zeit erforderlich sein können als für größere Teilchen. Der zweite Füllstoff kann entweder in seiner Fließdichte vorliegen oder auf eine mäßige Dichte gepreßt sein.

Im Vergleich zur herkömmlichen Technologie von Verbundstoffen mit Metallgrundmasse umgeht die Erfindung die Notwendigkeit von Spezialgasatmosphären und hohen Drücken, hohen Temperaturen, äußerlich angelegtem Vakuum oder mechanischem Druck zum Hineinpressen des geschmolzenen Aluminiums oder Magnesiums in den zweiten Füllstoff. Die Erfindung gestattet das Arbeiten in Umgebungsluftatmosphären und ermöglicht die Herstellung von Verbundkörpern mit Aluminiummetallgrundmasse oder Magnesiummetallgrundmasse bei einer großen Vielfalt von zweiten Füllstoffen, einem Dosierungsbereich für den zweiten Füllstoff und mit niedriger Porosität.

Beispiel 11

Dieses Beispiel veranschaulicht eine Variation des Verfahrens zur Herstellung eines Formteils mit Metallgrundmasse. In diesem Fall wurde ein Schaumstoffmodell von ca. 4 Zoll χ 2ZoII χ 1 Zoll (10,16cm χ 5,08cm χ 2,54cm) mit einem Brei Leecote® (LX-60, Acme Resin Corp., Madison, OH) überzogen, indem das Modell in ein Becherglas mit Leecote® eingetaucht wurde. Das Modell wurde da nach mit einem dünnen, auf den Außenflächen haftendem Überzug aus Leecote® herausgezogen. Noch klebrig, wurde das Modell mit 38 Alundum der Körnung # 90 bespritzt, das auf dem Überzug aus Leecote® haften blieb. Das Modell mit dem Leecote*-Überzug wurde getrocknet, und der Prozeß des Tauchbeschichtens mit Leecote® und Bespritzens mit Alundum # 90 wurde mehrere Male wiederholt, um einen ca. Ve Zoll (ca. 0,32cm) dicken Überzug aus Leecote®/* 90 Alundum 38 auf dem Schaumstoffmodell zu bekommen. Das beschichtete Modell wurde dann getrocknet und über einen Zeitraum von 4 Stunden auf ca. 900°C erhitzt. Das Schaumstoffmodell verflüchtigt sich während des Erhitzungsprozesses unter Zurücklassung eines Hohlraums, der die umgekehrte Nachbildung der äußeren Form des Schaumstoffmodells ist.

Nach im wesentlichen vollständiger Verflüchtigung des Schaumstoffs wurde eine geschmolzene Grundmetallegierung, die nominell aus ca. 2,5-3,5 Ma.-% Zn, 3-4 Ma.-% Cu, 7,5-9,5 Ma.-% Si, 0,8-1,5 Ma.-% Fe, 0,2-0,3 Ma.-% Mg und maximal ca. 0,5 Ma.-% Mn, 0,5Ma.-% Ni, 0,01 Ma.-% Be, 0,01 Ma.-% Ca und 0,35Ma.-% Sn und dem Restanteil aus Aluminium bestand, in den entstehenden Hohlraum gegossen und uur Gewinnung einer undurchlässigen Form für die Bildung eines Verbundkörpers mit Metallgrundmasse 24 Stunden lang der Oxydation unterzogen. Die Form wurde somit nach den Verfahrensweisen der oben beschriebenen, in gemeinsamem Eigentum befindlichen US-Patentanmeldungen gebildet. Restgrundmetallegierung, d.h. Grundmetallegierung, die nicht in das Oxydationsreaktionsprodukt umgewandelt worden war, wurde im Anschluß daran aus der gebildeten Form abgelassen, und die Form wurde mit ca. 166g Siliziumcarbid der Körnung 24 (Crystolon 39, Norton Company) gefüllt und mit 100g einer Aluminiumlegierung bedeckt, die aus ca. 2,5-3,5 Ma.-% Zn, 3-4 Ma.-% Cu, 7,5-9,5 Ma.-% Si, 0,8-1,5Mii.-%Fe₁0,2-0,3Ma.-% Mg und maximal ca. 0,5Ma.-% Mn,0,5Ma.-% Ni,0,01 Ma.-% Be,0,01 Ma.-%Ca und 0,35Ma.-%Sn und dem Restanteil aus Aluminium bestand. Diese Aluminiumlegierung hat nach ca. 5 Minuten das Bett infiltriert und ergab einen Verbundkörper mit Metallgrundmasse, der in der undurchlässigen Form enthalten war. Die Form und ihr Inhalt wurden auf unter 550°C gekühlt und dann in Wasser abgeschreckt, um die Form infolge der durch den Thermoschock hervorgerufenen thormischen Spannungen zu zerbrechen. Die entstandene Verbundform mit Motallgrundmasse hatte im wesentlichen die gleiche Form wie das Ai:sgangsschaumstoffmodell. Dieses Beispiel veranschaulicht somit eine Methode zur Herstellung von kompliziert geformten '.. auteilen mit Metallgrundmasse. Es wird angenommen, daß anstelle eines Schaumstoffmodells oder eines Wachsmodells ebsnso andere Modelle verwendet werden könnten, um im wesentlichen das gleiche Ergebnis zu bekommen.

Beispiel 12

Beispiel 12 ist eine Wiederholung mit der Ausnahme, daß das verwendete Füllmaterial # 500 Alundum 38 war, der Behälter ein geschweißter Zylinder aus rostfreiem Stahl 304 (2 Zoll x 2 Zoll χ 4 Zoll bzw. 5,08cm x 5,08cm χ 10,16cm) war und die Grundmassenlegierung aus nominell 12,5Ma.-% Si, 6Ma.-% Mg, 5 Ma.-% Zn und dem Rest Aluminium bestand. In diesem Falle fand die Infiltration über ca. 2 Stunden statt, und das Metall wurde anschließend gekühlt. Es wurde beobachtet, daß das Alundumbett von der Aluminiumlegierung infiltriert worden war.

Verzeichnis der Bezugszahlen	Aufbau	Form oder Schalenteil	geschmolzenes Aluminium	geschmolzenes Aluminium	Aufbau
Figur 1	undurchlässige Form	Verbundstruktur	zweiter Füllstoff	feuerfester Behälter	Sperrmittelbehälter
10	Boden	Metallgrundmassenverbundkern	Hohlkörper	feuerfester perforierter Behälter	perforierter Zylinder
12	feuerfester Behä'isr	Figur 3	kreisrunder Umfangsrand	Löcher	erster Füllstoff
14	kreisrunde Öffnung	20'	zylindrischer Schaft	Kabel oder Stange	Winkelbänder
16	geschmolzenes Aluminium	22'	Nabe	Verbindungselement	Klemmringe
18	zweiter Füllstoff	30	Öffnung	Figur 5
20	Dichtungsring	30 a	Figur 4	42
22	scheibenförmige Kammern	30b	20"	44
24	scheibenförmige Kammern	30c	32	48
a	zentrale zylindrische Bohrung	3Od	34	52
b	Figur 2	36	54
B	12'	38	56
26	40
28

58	Boden	Aufbau
60	Speichorkörper	Sieb
62	Bett inerten Materials	perforierter Zylinder
64	Platte	Löcher
66	Grundmetallkörper	erster Füllstoff
66a	scheibenförmige Vorsprünge
66b	scheibenförmige Vorsprünge
68	Hohlraum
Figur 5 A
44
46
48
50
52

54 Winkelbänder

56 Klemmringe

66 Grundmetallkörper

66a scheibenförmigeVorsprünge

66b scheibenförmigeVorsprünge

Flgur6

70 feuerfester Behälter

72 Bett des ersten Füllstoffs

74 ausschmelzbarer Modellkörper

76 mittlerer Abschnittdes ausschmtizbaren Modellkörpers

78 Endabschnitt des ausschmelzbaren Modellkörpers

80	Sperrmittel	feuerfester Behälter	keramische Verbundform
86	Stützzone	Bett des ersten Füllstoffs	Halsteil
Figur 7	ausschmelzbarer Modellkörper	unteresTeil
70	Sperrmittel	Formhohlraum
72	geschmolzenes Grundmetall	Öffnung des Formhohlraums
74	Behälter
80	Stützzone
82	Flgur8
84	88
86	90
92
94
94a

Figur 9

96 feuerfester Behälter 98 durchlässiges Bett eines inerten Materials 100 fester Grundmetallkörper 102 aus einem ersten Füllstoff gefertigte Vorform 102a unteresStückderVorform102 102b Deckstück der Vorform 104 geformte Hohlraumwandung 106 Hohlraum

106a Öffnung

150 Sperrmittel

Claims

1. Methode zur Hersteilung eines Verbundstoffs mit Metallgrundmasse, gekennzeichnet durch:

(a) das Formen einer im wesentlichen undurchlässigen Form durch folgende Stufen:

(i) Bereitstellen einer durchlässigen Vorform mit einem Hohlraum und bestehend aus einem ersten Füllmaterial;

(ii) Kontaktieren oines geschmolzenen Grundmetülls mit der Vorform und mit einem Oxydationsmittel innerhalb eines Temperaturbereichs, der sich von einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Grundmetalls bis zu einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Oxydationsreaktionsprodukts erstreckt, um das geschmolzene Grundmetall mit dem Oxydationsmittel unter Bildung eines Oxydationsreaktionsprodukts zur Reaktion zu bringen; (iii) Aufrechterhalten des Kontakts von mindestens einem Abschnitt des Oxydationsreaktionsprodukts zu dem geschmolzenen Grundmetall und dem Oxydationsmittel, zwischen denen sich das Oxydationsreaktionsprodukt erstreckt, damit zunehmend geschmolzenes Grundmetall durch das Oxydationsreaktionsprodnkt zum Oxydationsmittel hin und in die Vorform gezogen wird, so daß sich weiterhin Oxydationsreaktionsprodukt innerhalb der Vorform an der Grenze zwischen Oxydationsmittel und zuvor gebildetem Oxydationsreaktionsprodukt bildet; (iv) Fortsetzen der Oxydationsreaktion innerhalb des genannten Temperaturbereichs zur Einbettung von mindestens einem Teil der Vorform in dom Oxydationsreaktionsprodukt durch Wachstum des Oxydationsreaktionsprodukts, um dadurch eine undurchlässige Form mit dem Hohlraum zur Verfügung zu stellen und

(v) Entfernen von mindestens einem Teil des Metallüberschusses aus dem Hohlraum, der nicht mit dem Oxydationsmittel reagiert hat, um das Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden;

(b) das Einbringen einer durchlässigen Masse eines zweiten Füllstoffs in den Hohlraum der undurchlässigen Form und Kontaktieren der Masse des zweiten Füllstoffs mit mindestens einem geschmolzenen Metall, das aus der aus Aluminium und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählt wird;

(c) das hermetische Verschließen des Forminhalts für einen ausreichend langen Zeitraum, um die Masse des zweiten Füllstoffs mit dem mindestens einen geschmolzenen Metall spontan zu infiltrieren; und

(d) bei Beendigung von Schritt (c) Verfestigen des mindestens einen geschmolzenen Metalls, um den Verbundstoff mit Metallgrundmasse zur Verfügung zu stellen.

2. Methode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine geschmolzene Metall dazu genutzt wird, um das hermetische Abdichten von Schritt (c) zu bewirken.

3. Methode zur Herstellung eines Verbundstoffs mit Metallgrundmasse, gekennzeichnet durch: (a) das Formen einer im wesentlichen undurchlässigen Form durch folgende Stufen:

(i) Bereitstellen einer durchlässigen Vorform, bestehend aus einem ersten Füllmaterial und mit einem Hohlraum darin und mindestens einer Öffnung an einer Außenfläche; (ii) Kontaktieren eines geschmolzenen Grundmetalls mit der Vorform und mit einem Oxydationsmittel innerhalb eines Temperaturbereichs, der sich von einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Grundmetalls bis zu einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Oxydationsreaktionsprodukts erstreckt, um das geschmolzene Grundmetall mit dem Oxydationsmittel zur Reaktion zu bringen;

(iii) Aufrechterhalten des Kontakts von mindestens einem Abschnitt des Oxydationsreaktionsprodukts zu dem geschmolzenen Grundmetall und dem Oxydationsmittel, zwischen denen sich das Oxydationsreaktionsprodukt erstreckt, damit zunehmend geschmolzenes Grundmetall durch das Oxydationsreaktionsprodukt zum Oxydationsmittel hin und in die Vorform gezogen wird, so daß sich weiterhin Oxydationsreaktionsprodukt innerhalb der Vorform an der Grenzfläche zwischen Oxydationsmittel und zuvor gebildetem Oxydationsreaktionsprodukt bildet; und (iv) Fortsetzen der Oxydationsreaktion innerhalb des genannten Temperaturbereichs zur Einbettung von mindestens einem Teil der den Hohlraum umschließenden Vorform in dem Oxydationsreaktionsprodukt durch Wachstum des Oxydationsreaktionsprodukts, um dadurch die undurchlässige Vorform mit dem Hohlraum und der mindestens einen Öffnung zur Verfügung zu stellen;

(ν) Entfernen von mindestens einem Teil des Metallüberschusses aus dem Hohlraum, der nicht mit dem Oxydationsmittel reagiert hat, um das Oxydationsreaktionsprodukt zu bilden;

(b) das Einbringen einer durchlässigen Masse eines zweiten Füllstoffs in den Hohlraum der undurchlässigen Form;

(c) das Einleiten von mindestens einem geschmolzenen Metall, das aus der aus Aluminium und Magnesium bestehenden Gruppe ausgewählt wird, in die mindostens eine Öffnung, um die Masse des zweiten Füllstoffs in dem Hohlraum hermetisch abzudichten und darin den zweiten Füllstoff mit dem mindestens einen geschmolzenen Metall für einen ausreichend langen Zeitraum zu kontaktieren, um die Masse des zweiten Füllstoffs mit dem mindestens einen geschmolzenen Metall spontan zu infiltrieren und dadurch ein geschmolzenes Material zur Verfügung zu stellen, das den zweiten Füllstoff darin dispergiert enthält; und

(d) bei Beendigung von Schritt (c) Verfestigen des mindestens einen geschmolzenen Metalls, us.\ der. Verbundstoff mit Metallgrundmasse zur Verfügung zu stellen.

4. Methodenach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Füllstoff ein Material umfaßt, das aus der aus Tonerde und Siliziumcarbid bestehenden Gruppe ausgewählt wird, das Grundmetall Aluminium umfaßt, der zweite Füllstoff Siliziumcarbid umfaßt und das mindestens eine geschmolzene Metall in Schritt (b) Aluminium umfaßt.

5. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (a)(iv) das Einbetten von mindestens dem Teil der Vorform, der den Hohlraum definiert, in dem Oxydationsreaktionsprodukt einschließt.

6. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß (1) das Kontaktieren von Schritt (a)(ii) in dem Hohlraum der durchlässigen Vorform bewirkt wird.

7. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a)(v) der Metallüberschuß aus dem Hohlraum als geschmolzenes Grundmetall entfernt wird.

8. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Geometrie der im wesentlichen undurchlässigen Form dadurch bestimmt wird, daß mindestens ein Sperrmittel mit der Masse des ersten Füllstoffs in Verbindung gebracht wird, um mindestens eine Wachstumsgrenze für das Oxydationsreaktionsprodukt zu definieren.

9. Methode nach Anspruch 4, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Geometrie der im wesentlichen undurchlässigen Form dadurch bestimmt wird, daß mindestens ein Sperrmittel mit der Masse des ersten Füllstoffs in Verbindung gebracht wird, um mindestens eine Wachstumsgrenze für das Oxydationsreaktionsprodukt zu definieren.

10. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des ersten Füllstoffs ein durchlässiges Bett aus einem formbaren Füllstoff umfaßt und daß die Formwandung in dem Bett dadurch geformt wird, daß ein geformtes Grundmetall mit einem positiven Modellprofil zur Verfügung gestellt wird, das so geformt ist, daß die Nachbildung der umgekehrten Form davon eine gewünschte Geometrie des Formhohlraums beschreibt, und daß mindestens das positive Modellprofil in dem Bett aus dem formbaren Füllstoff eingebettet wird und daß danach das eingebettete Grundmetall auf eine Temperatur innerhalb des genannten Temperaturbereichs erhitzt wird, um daraus das in Kontakt mit der Formwandung befindliche geschmolzene Grundmetall zu bilden.

11. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des ersten Füllstoffs ein durchlässiges Bett aus einem formbaren Füllstoff umfaßt und daß die Formwandung in dem Bett dadurch geformt wird, daß ein ausschmelzbarer Modellkörper zur Verfügung gestellt wird, der so geformt ist, daß die Nachbildung der umgekehrten Form davon eine gewünschte Geometrie des Formhohlraums beschreibt, und daß der ausschmelzbare Modellkörper in dem Bett aus formbarem Füllstoff eingebettet wird und daß danach der eingebettete ausschmelzbare Modellkörper durch das mit der geformten Formwandung in Kontakt befindliche geschmolzene Grundmetall ersetzt wird.

12. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des ersten Füllstoffs ein durchlässiges Bett aus einem formbaren Füllstoff umfaßt und daß die Formwandung in dem Bett dadurch geformt wird, daß ein geformtes Grundmetall mit einem positiven Modellpiofil zur Verfügung gestellt wird, das so geformt ist, daß die umgekehrte Nachbildung davon eine gewünschte Geometrie des Formhohlraums beschreibt, und daß mindestens das positive Modellproiil in dem Bett aus formbarem Füllstoff eingebettet wird und daß danach das eingebettete Grundmetall auf eine Temperatur innerhalb des genannten Temperaturbereichs erhitzt wird, um daraus das in Kontakt mit der Formwandung befindliche geschmolzene Grundmetall zu bilden.

13. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des ersten Füllstoffs ein durchlässiges Bett aus einem formbaren Füllstoff umfaßt und daß die Formwandung in dem Bett dadurch geformt wird, daß ein ausschmelzbarer Modellkörper zur Verfügung gestellt wird, der so geformt ist, daß die umgekehrte Nachbildung davon eine gewünschte Geometrie des Formhohlraums beschreibt, und daß der ausschmelzbare Modellkörper in dem Bett aus formbarem Füllstoff eingebettet wird und daß danach der eingebettete ausschmelzbare Modellkörper durch das mit der geformten Formwandung in Kontakt befindliche geschmolzene Grundmetall ersetzt wird.

14. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstoff mit Metallgrundmasse von der Form getrennt wird.

15. Methode nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstoff mit Metallgrundmasse von der Form getrennt wird, indem diese durch Eintauchen in eine Kühlflüssigkeit bei erhöhter Temperatur durch WärmescliJck zerbrochen wird.

16. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, Jadurt-π gekennzeichnet, daß der Verfestigungsschritt (d) unter Bindungsbedingungen durchgeführt wird, bei denen das sich verfestigende geschmolzene Material in Kontakt mit mindestens einem Teil der undurchlässigen Form gehalten wird, wodurch der Verbundstoff mit Metallgrundmasse in einem Stück mit dem mindestens einen Teil der undurchlässigen Form gebildet wird.

17. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum so geformt ist, daß er eine ausgewählte Geometrie hat, die von dem Verbundstoff mit Metallgrundmasse umgekehrt nachgebildet wird.

18. Methode nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Füllstoff aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus mindestens einem Oxid, Carbid, Borid und Nitrid besteht.

19. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall ein Aluminiumgrundmetall umfaßt.

20. Methode nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel Luft einschließt.

21. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxydationsmittel Luft einschließt.

22. Methodenach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt des geschmolzenen Aluminiums mit dem zweiten Füllstoff bei einer Temperatur von ca. 700⁰C bis 1 000⁰C erfolgt.

23. Methode nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturbereich von ca. 850⁰C bis 95O⁰C liegt.

24. Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß derTemperaturbereich von ca. 85O⁰C bis 950⁰C liegt.

25. Methode nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Grundmetall Aluminium einschließt, der zweite Füllstoff Siliziumcarbidteilchen einschließt und die Siliziumcarbidteilchen mit Na₂O beschichtet sind.