DE10034631A1 - Preform für Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix aus Magnesium - Google Patents
Preform für Verbundwerkstoffe mit einer Metallmatrix aus MagnesiumInfo
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Abstract
Verfahren für die Herstellung eines Preform für den Einsatz in einem Verbundwerkstoff, der eine Metallmatrix enthält, insbesondere in einem Verbundwerkstoff aus Magnesiummetall, und eines Verbundwerkstoffes mit einer Metallmatrix, die üblicherweise unter Verwendung dieses Preform durch ein Spritzdruckverfahren hergestellt wird. Das Verstärkungsmaterial in dem Preform besteht üblicherweise aus Siliziumkarbid, Bornitrid, Kohlenstoff oder Graphit. Der in dem Preform verwendete Binder besteht aus Magnesiumfluorid, wodurch die bekannten Probleme vermieden werden, die sich aus der hohen Reaktionsfähigkeit des Magnesiummetalls mit anderen Bindern, wie zum Beispiel Kieselsäureanhydrid und Aluminiumoxid, ergeben und zu der Ausbildung von Magnesiumoxid in dem verstärkten Verbundwerkstoff führt. Die Anwesenheit von kristallinem Magnesiumoxid in der Metallmatrix hat einen nachteiligen Einfluss auf die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf als Verstärkung verwendete
Preforms, welche für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einer
Metallmatrix und des daraus resultierenden verstärkten Metalls eingesetzt
werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Preforms, die für
die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einer Metallmatrix aus
Magnesium verwendet werden.
Es ist allgemein bekannt, dass viele Metalle, und insbesondere die
sogenannten Leichtmetalle, die im allgemeinen Aluminium, Magnesium
und Legierungen dieser Metalle umfassen, obwohl sie viele der Vorteile
eines Metalls aufweisen, wie zum Beispiel die Eignung für das Schweißen,
und den besonderen Vorteil eines niedrigen Gewichtes haben, trotzdem
den Nachteil haben, dass sie relativ niedrige Eigenschaften der Festigkeit
haben. In der Vergangenheit wurde dadurch die Verwendbarkeit dieser
Metalle eingeschränkt. Eine der Methoden, die vorgeschlagen wurden, um
diese Nachteile zu überwinden, bestand darin, die Metalle in Form eines
Verbundwerkstoffes einzusetzen, um dadurch zu erreichen, dass dieser
Verbundwerkstoff die unzureichenden mechanischen, physikalischen und
andere fehlende Eigenschaften mehr als ausgleicht. Übliche Materialien,
die in solchen Verbundwerkstoffen als Verstärkung eingesetzt werden,
umfassen Kohlenstoff, Graphit, Siliziumkarbid, Titanborid, Borkarbid und
Bornitrid. Techniken, die für die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit
einer Metallmatrix verwendet werden, die sowohl aus Aluminium, als
auch aus Magnesium hergestellt wird, sind weitgehend bekannt und
wurden zum Beispiel in der US 4,279,289, der US 4,715,442, der
US 4,995,444 und der US 5,791,397 beschrieben.
Diese Methoden beinhalten im wesentlichen eine aus zwei
Verfahrensschritten bestehende Technik. Im ersten Verfahrensschritt wird
ein Preform aus dem Verstärkungsmaterial hergestellt, das mit Hilfe eines
Binders zusammengehalten wird. Die üblicherweise verwendeten Binder
bestehen aus Keramikwerkstoffen, unter denen Kieselsäureanhydrid wohl
das am meisten verwendete Material ist. Das Verstärkungsmaterial wird
im allgemeinen in das Bindersystem eingefügt und anschließend
gebrannt, um sowohl organische Materialien auszubrennen, welche für
die Verbindung mit dem Binder verwendet werden, als auch den Binder
in Kieselsäureanhydrid umzuwandeln. Im zweiten Verfahrensschritt wird
das Preform mit dem geschmolzenen Metall vermischt, um einen
Verbundwerkstoff herzustellen, wofür üblicherweise das sogenannte
Spritzdruckverfahren eingesetzt wird, bei dem das geschmolzene Metall
in einer Gussform in das Preform gepresst wird, in welcher das Preform
unter einem hohen Druck gehalten wird.
Obwohl diese Methoden mehr oder weniger erfolgreich im Falle von
Aluminium und Aluminiumlegierungen eingesetzt werden können, sind
sie weniger erfolgreich, wenn sie für die Herstellung von
Verbundwerkstoffen verwendet werden, in denen das Metall aus
Magnesium oder einer Magnesium enthaltenden Legierung besteht. Die
Schwierigkeiten entstehen aufgrund der Tatsache, dass geschmolzenes
Magnesium ein sehr reaktives Material ist, wodurch sich zwei
Konsequenzen ergeben.
Die erste Konsequenz besteht darin, dass die Verwendung von
Kieselsäureanhydrid als Binder für das Preform fraglich wird, weil die
folgende Reaktion eintritt:
2 Mg + SiO2 → Si + 2 MgO
Das gebildete Silizium löst sich in Magnesium, um eine Phase aus Silizium
und Magnesium zu bilden, die im allgemeinen keine nachteilige Wirkung
auf die Eigenschaften des Magnesiummetalls und damit auf den
hergestellten Verbundwerkstoff hat. Das Magnesiumoxid entsteht jedoch
in Form eines mehr oder minder kristallinen Feststoffes, welcher sich in
dem Magnesiummetall nicht lösen kann. Die Anwesenheit dieser Kristalle
des Magnesiumoxids hat gezeigt, dass sie eine negative Wirkung auf die
gesamten Eigenschaften des Verbundwerkstoffes hat, wenn eine
ausreichende Menge davon vorhanden ist. Daher kann man erkennen,
dass diese Reaktion deutliche Limitierungen für den Binder des Preform
bedeutet, der verwendet werden kann, wenn die Entstehung von
Magnesiumoxid verhindert werden soll.
Die zweite Konsequenz besteht darin, dass vergleichbare Reaktionen
ebenfalls bei verschiedenen anderen Materialien auftreten, die
üblicherweise entweder als Binder oder Verstärkung verwendet werden.
Es ist bekannt, dass alle der nachfolgend genannten Reaktionen auftreten
können:
3 Mg + Al2O3 → 2 Al + 3 MgO
2 Mg + TiO2 → Ti + 2 MgO Mg3(PO4)2 + 8 Mg → 8 MgO + P
2 Mg + TiO2 → Ti + 2 MgO Mg3(PO4)2 + 8 Mg → 8 MgO + P
Die Legierung aus Aluminium und Titan mit dem Magnesium und dem
Phosphor wird verdampft. Obwohl das Aluminium und das Titan nur
eine geringe oder sogar überhaupt keine Wirkung auf die Eigenschaften
des hergestellten Verbundwerkstoffes haben, gilt dies in den ersten beiden
Fällen nicht für die Kristalle des Magnesiumoxids, die in allen drei Fällen
erzeugt werden. Die Anwesenheit von spröden und schwachen Kristallen
des Magnesiumoxids bewirkt, dass der Verbundwerkstoff zur Bildung
von Rissen neigt. Man kann ebenfalls erkennen, dass diese Reaktionen
wesentliche Einschränkungen für die Materialien bilden, die eingesetzt
werden können, um das Magnesium zu verstärken, wenn die Entstehung
von Magnesiumoxid vermieden werden soll.
Es besteht daher der Wunsch nach einem Bindersystem, das für die
Herstellung von Preforms verwendet werden kann, die für die Produktion
von Verbundwerkstoffen eingesetzt werden können, in denen das
verwendete Metall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.
Außerdem sollte ein solches Bindersystem zweckmäßigerweise in gleicher
Weise sowohl für Verstärkungsmaterialien in Form von Partikeln als auch
in Form von Fasern verwendbar sein, und es sollte potentiell auch
geeignet sein, mit anderen weniger reaktiven Metallen eingesetzt zu
werden.
Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren für die Herstellung
eines Preforms für einen Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix aus
Magnesium vorgeschlagen werden, in dem ein Bindersystem für das
Preform verwendet wird, welches mit dem geschmolzenen Magnesium
nicht reagiert, keine unerwünschten Feststoffe in dem das Magnesium
enthaltenden Verbundwerkstoff produziert und mit den
Verstärkungsmaterialien eingesetzt werden kann, die üblicherweise
zusammen mit Magnesium verwendet werden, und nicht die Entstehung
von Magnesiumoxid während des Gießprozesses verursacht. Außerdem
soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Herstellung
eines Preforms angeboten werden, das in Verbundwerkstoffen eingesetzt
werden kann, in denen das verwendete Metall kein Magnesium ist, wie
zum Beispiel in Verbundwerkstoffen, die aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen bestehen.
So wird im Rahmen einer ersten Ausführungsart der vorliegenden
Erfindung ein Verfahren für die Herstellung eines Preform vorgeschlagen,
das in einem Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix verwendet werden
kann und das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- a) Herstellung einer Schlämme aus dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesiumfluorid in einer wässrigen Lösung aus Magnesiumchlorid;
- b) Einfüllen der Schlämme in eine Gussform;
- c) Abwarten, bis sich die Schlämme in der Gussform gesetzt hat, um ein geformtes grünes Preform herzustellen;
- d) Trocknen des grünen Preforms, um Wasser zu entfernen, und
- e) Aushärten des grünen Preforms bei einer Temperatur von etwa 1100°C, um ein fertiges Preform herzustellen, in dem der Binder aus einem gesinterten Magnesiumfluorid besteht.
Nach einer zweiten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren für die Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit einer
Metallmatrix vorgeschlagen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
- a) Herstellung einer Schlämme aus dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesiumfluorid in einer wässrigen Lösung aus Magnesiumchlorid;
- b) Einfüllen der Schlämme in eine Gussform;
- c) Abwarten, bis sich die Schlämme in der Gussform gesetzt hat, um ein geformtes grünes Preform herzustellen;
- d) Trocknen des grünen Preforms, um Wasser zu entfernen, und
- e) Aushärten des grünen Preforms bei einer Temperatur von etwa 1100°C, um ein fertiges Preform herzustellen, in dem der Binder aus einem gesinterten Magnesiumfluorid besteht;
- f) Einlegen des Preform in eine zweite Gussform; und
- g) Infiltrieren des Preform in der zweiten Gussform mit geschmolzenem Metall, um einen metallischen Verbundwerkstoff herzustellen.
Nach einer dritten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung wird ein
Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix vorgeschlagen, der ein Preform
für die Verstärkung enthält, welches mit Hilfe von gesintertem
Magnesiumfluorid gebunden ist.
Vorzugsweise ist das verwendete Metall ein Leichtmetall. Noch
bevorzugter besteht das verwendete Metall aus Aluminium, Magnesium
oder einer Legierung dieser Metalle. Besonders bevorzugt besteht das
verwendete Metall aus Magnesium oder ein Magnesiumlegierung.
Im Verfahrensschritt (b) wird bevorzugt eine poröse Gussform verwendet.
Vorzugsweise besteht die in dem Preform verwendete Verstärkung aus
mindestens einem Element der Gruppe, die Kohlenstoff, Graphit,
Borkarbid, Siliziumkarbid, Titandiborid, Bornitrid und deren Gemische
umfasst.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt (a) eine aus Partikeln bestehende
Verstärkung verwendet. Alternativ kann im Verfahrensschritt (a) eine
Verstärkung aus Fasern, Werg oder Whisker verwendet werden. In einer
weiteren Alternative kann im Verfahrensschritt (a) eine Mischung aus
Partikeln und/oder Fasern und/oder Werg und/oder Whisker als
Verstärkung verwendet werden, so dass man einen hybriden Werkstoff
erhält, der mehr als eine Verstärkung in einer oder mehreren
physikalischen Formen enthält.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt (d) das grüne Preform in einem
Ofen luftgetrocknet. Noch bevorzugter wird im Verfahrensschritt (d) das
grüne Preform in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 45°C
luftgetrocknet.
Vorzugsweise wird im Verfahrensschritt (g) ein Spritzdruckverfahren
durchgeführt.
In diesen Verfahren wird zuerst eine Schlämme aus dem
Verstärkungsmaterial hergestellt, das zum Beispiel aus Partikeln des
Siliziumkarbid besteht, welche in einer Magnesiumchloridlösung mit
Magnesiumfluorid vermischt werden. Die Schlämme wird in eine poröse
Gussform gegossen, um zum Beispiel ein scheibenförmiges Preform
herzustellen, und man wartet dann, bis die Schlämme abgebunden hat.
Während dem Prozess der Abbindung wird hydriertes
Magnesiumchlorid, MgCl2 6 H2O, erzeugt, welches als Binder bei
niedrigen Temperaturen dient, um das grüne Preform
zusammenzuhalten. Die gegossene Scheibe wird dann luftgetrocknet,
üblicherweise durch sanftes Erwärmen in einem Ofen bei einer
Temperatur von etwa 45°C. Die Verwendung einer porösen Gussform
stellt sicher, dass das Preform in dem Verfahrensschritt der Trocknung
gleichmäßig trocknet, ohne dass Risse oder andere Verformungen
auftreten. Das hydrierte Magnesiumchlorid verleiht dem grünen Preform
eine ausreichende Festigkeit, so dass es mit entsprechender Sorgfalt gut
bearbeitet werden kann.
Das getrocknete Preform wird anschließend bei einer Temperatur von
etwa 1100°C gebrannt. In dem Verfahrensschritt des Brennens zersetzt
sich das Magnesiumchlorid und wird im wesentlichen ausgeschieden.
Gleichzeitig wird das Magnesiumfluorid gesintert und bindet das
Siliziumkarbidpulver, um einen porösen Körper zu bilden. Die dadurch
erreichte gebrannte Scheibe ist ebenfalls fest genug, um bearbeitet zu
werden.
Zum Zwecke der Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus einem
Magnesiummetall wird das geformte Preform in eine zweite Gussform
eingelegt und dann mit geschmolzenem Magnesium oder einer
geschmolzenen Magnesiumlegierung infiltriert. Typische
Legierungselemente umfassen Aluminium, Beryllium, Calcium, Kupfer,
Lithium, Mangan, Metalle aus der Gruppe seltener Erden, Silizium, Silber,
Thorium, Zinn, Zink, Zirkon und Yttrium, sowie Kombinationen von
solchen Metallen. Vorzugsweise wird die Infiltration des Preform für die
Herstellung des gewünschten metallischen Verbundwerkstoffes mit Hilfe
des Spritzgussverfahrens durchgeführt.
Man kann daher erkennen, dass der erfindungsgemäße Binder die
Schwierigkeiten vermeidet, welche mit der Verwendung eines Binders
zusammenhängen, mit dem das geschmolzene Magnesium reagieren
kann. Untersuchungen von Magnesium enthaltenden
Verbundwerkstoffen, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, und
in denen die Verstärkung aus Siliziumkarbid besteht, haben gezeigt, dass
der größte Teil des Magnesiumfluorids mit dem Siliziumkarbid
verbunden bleibt. Es zeigt sich, dass ein gewisser Anteil losplatzt und
keine erkennbar negative Auswirkung auf die Eigenschaften des
Verbundwerkstoffes hat.
Obwohl der Binder aus Magnesiumfluorid, der in dem
erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, in einzigartiger Weise für
den Einsatz in Preforms geeignet ist, die später mit geschmolzenem
Magnesium oder einer geschmolzenen Magnesiumlegierung infiltriert
werden, da er nicht mit ihnen reagiert, so ist er jedoch nicht auf solche
Einsätze limitiert. Er ist auch für eine Verwendung mit anderen Metallen
geeignet, bei denen das Problem einer Reaktion nicht auftritt, und zwar
insbesondere mit Aluminium und Aluminiumlegierungen.
Claims (17)
1. Verfahren für die Herstellung eines Preforms für die Verwendung in
einem Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix, das folgende
Verfahrensschritte umfasst:
- a) Herstellung einer Schlämme aus dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesiumfluorid in einer wässrigen Lösung des Magnesiumchlorid;
- b) Einfüllen der Schlämme in eine Gussform;
- c) Abwarten, bis die Schlämme in der Gussform abgebunden hat, um ein geformtes grünes Preform herzustellen;
- d) Trocknen des grünen Preforms, um das Wasser auszuscheiden, und
- e) Aushärten des grünen Preforms bei einer Temperatur von etwa 1100°C, um ein fertiges Preform herzustellen, in dem der Binder aus einem gesinterten Magnesiumfluorid besteht.
2. Verfahren für die Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall,
das folgende Verfahrensschritte umfasst:
- a) Herstellung einer Schlämme aus dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesiumfluorid in einer wässrigen Lösung aus Magnesiumchlorid;
- b) Einfüllen der Schlämme in eine erste Gussform;
- c) Abwarten, bis die Schlämme in der Gussform abgebunden hat, um ein geformtes grünes Preform herzustellen;
- d) Trocknen des grünen Preforms, um Wasser auszuscheiden, und
- e) Aushärten des grünen Preforms bei einer Temperatur von etwa 1100°C, um ein fertiges Preform herzustellen, in dem der Binder aus einem gesinterten Magnesiumfluorid besteht;
- f) Einlegen des Preform in eine zweite Gussform; und
- g) Infiltrieren des Preform in der zweiten Gussform mit einem geschmolzenen Metall, um einen metallischen Verbundwerkstoff herzustellen.
3. Verbundwerkstoff aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung
mit einem Preform für die Verstärkung, welches mit gesintertem
Magnesiumfluorid verbunden ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in dem Preform verwendete Verstärkungsmaterial mindestens aus
einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus
Kohlenstoff, Graphit, Siliziumkarbid, Titandiborid, Borkarbid,
Bornitrid und deren Gemischen besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in dem Preform verwendete Verstärkungsmaterial mindestens aus
einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
Kohlenstoff, Graphit, Siliziumkarbid, Titandiborid, Borkarbid,
Bornitrid und deren Gemischen umfasst.
6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das in dem Preform verwendete Verstärkungsmaterial mindestens aus
einem Element besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
Kohlenstoff, Graphit, Siliziumkarbid, Titandiborid, Borkarbid,
Bornitrid und deren Gemische umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Verfahrensschritt (a) verwendete Verstärkungsmaterial eine
physikalische Form hat, die mindestens aus einem Element der
Gruppe besteht, die Partikel, Fasern, Werg, Whisker und deren
Gemische umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Verfahrensschritt (a) verwendete Verstärkungsmaterial eine
physikalische Form hat, die mindestens aus einem Element der
Gruppe besteht, die Partikel, Fasern, Werg, Whisker und deren
Gemische umfasst.
9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das im Verfahrensschritt (a) verwendete Verstärkungsmaterial eine
physikalische Form hat, die mindestens ein Element aus einer Gruppe
besteht, die Partikel, Fasern, Werg, Whisker und deren Gemische
umfasst.
10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Preform eine mit Hilfe von gesintertem Magnesiumfluorid
gebundene partikelförmige Verstärkung enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt (b) eine poröse Gussform verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt (b) eine poröse Gussform verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das grüne Preform im Verfahrensschritt (d) in einem Ofen
luftgetrocknet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das grüne Preform im Verfahrensschritt (d) in einem Ofen
luftgetrocknet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das grüne Preform im Verfahrensschritt (d) in einem Ofen bei einer
Temperatur von etwa 45°C luftgetrocknet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das grüne Preform im Verfahrensschritt (d) in einem Ofen bei einer
Temperatur von etwa 45°C luftgetrocknet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Verfahrensschritt (g) ein Spritzdruckverfahren eingesetzt wird.
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