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Die
Erfindung betrifft ein Metallmatrixkomposit (MMC) und einen Keramikformkörper, der
zur Herstellung des Metallmatrixkomposits verwendet wird.
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Herkömmlich ist
ein Metallmatrixkomposit bekannt, wo ein Metall in einen Hohlraum
(nachfolgend als „Zelle" bezeichnet) innerhalb
eines Keramikformkörpers
gepackt wird (siehe z. B. Absätze
0008 bis 0013 und
6 und
10 der
JP 06-170514 A ).
Der für
das Metallmatrixkomposit verwendete Keramikformkörper ist ein solcher, in dem
eine Vielzahl poröser
Zellen ausgebildet werden, in dem aus Korund und dergleichen bestehende
Keramikpulver gesintert werden. Weil das Metallmatrixkomposit, welches
man erhält,
in dem man ein Metall in eine Zelle eines solchen Keramikformkörpers füllt, eine
ausgezeichnete mechanische Festigkeit hat, wie etwa Verschleiß verhindernde
Eigenschaften und dergleichen, wird er bevorzugt für eine Feinschliffplatte für eine Papierherstellungsmaschine,
eine Turbinenschaufel und dergleichen verwendet.
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Weil
in diesem Metallmatrixkomposit ein thermischer Ausdehnungskoeffizient
von Metall größer ist
als jener eines Kermaikformkörpers,
haben die Stärke
und Orientierung der thermischen Ausdehnung des in die Zelle gepackten
Metalls einen starken Einfluss auf den gesamten thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Metallmatrixkomposits. Weil andererseits in einem Keramikformkörper (siehe
z. B. die
JP 09-170514
A ), der für
ein herkömmliches
Metallmatrixkomposit verwendet wird, dessen Zelle aus amorphen Porositäten aufgebaut
ist, dehnt ein in eine solche Porosität gepacktes Metall in einer
Streckungsrichtung der Porosität
thermisch aus. In anderen Worten, es kommt zu einer Anisotrophie
in der thermischen Ausdehnung der Metallverteilung innerhalb des
Metallmatrixkomposits.
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Im
Ergebnis wird es schwierig, den gesamten thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Metallmatrixkomposits zu reduzieren, weil in dem herkömmlichen
Metallmatrixkomposit (siehe z. B. die
JP 06-170514 A ), welche
unterschiedlich große
und unregelmäßig verteilte
Poren zeigt), die Anisotrophie in der thermischen Ausdehnung des
Metalls auftritt.
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Obwohl
es eine exzellente mechanische Festigkeit hat, kann daher dieses
herkömmliche
Metallmatrixkomposit nicht als ein Element verwendet werden, das
einer starken thermischen Änderung
unterliegt und eine Dimensionsstabilität erfordert.
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Die
DE 100 13 378 A1 zeigt
einen ähnlichen
Keramikformkörper
zum Gießen
eines Metall-Keramik-Verbundwerkstoffs mit unregelmäßig verteilten
Poren unterschiedlichen Durchmessers, dessen Keramikmaterial eine
Vielzahl hohler, kugelförmiger
Zellen enthält,
wobei benachbarte Zellen durch Verbindungsporen miteinander verbunden
sind, sodass die kugelförmigen
Zellen und die Verbindungsporen in dem Keramikmaterial gemeinsam
eine hohle dreidimensionale Netzstruktur bilden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen zur Bildung eines Metallmatrixkomposits
geeigneten Keramikformkörper
sowie ein einen Keramikformkörper
enthaltendes Metallmatrixkomposit anzugeben, womit sich die thermische
Ausdehnung des Metallmatrixkomposits verringert lässt.
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Zur
Lösung
des obigen Problems wird erfindungsgemäß ein Keramikformkörper nach
Anspruch 1, sowie ein Metallmatrixkomposit nach Anspruch 2 angegeben.
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Der
Keramikformkörper
ist ein solcher zur Herstellung eines Metallmatrixkomposits und
umfasst im Inneren eine Vielzahl hohler kugelförmiger Zellen, in die ein Metall
gepackt sind und die in einer dichtest gepackten Gitterstruktur
angeordnet sind. Wenn das Metallmatrixkomposit hergestellt wird,
wird eine Metallschmelze in die kugelförmigen Zellen gegossen. Weil
in diesem Fall die einander benachbarten kugelförmigen Zellen durch Verbindungsporen
in Verbindung stehen und eine dreidimensionale Netzwerkstruktur
bilden, wandert die Metallschmelze durch die Verbindungsporen um
jede der kugelförmigen
Zellen herum. Das Metallmatrixkomposit wird durch Festwerden der
Metallschmelze hergestellt.
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Weil
in einem Metallmatrixkomposit, das mittels des Keramikformkörpers hergestellt
ist, ein in eine kugelförmige
Zelle gepacktes Metall kugelförmig
ist, tritt in der thermischen Ausdehnung des Metalls keine Anisotrophie
auf. Darüber
hinaus wird in dem Metallmatrixkomposit das Metall durch eine kugelförmige Zelle
eingebunden, bildet darin eine dreidimensionale Netzwerkstruktur
und verteilt sich gleichmäßig. Ferner
wird das Verhältnis
(M
d/M
D) des Medianwerts
(M
d) von Durchmessern der Verbindungsporen
zu dem Medianwert (M
D) von Durchmessern
der kugelförmigen
Zellen kleiner als 0,5 eingestellt. Im Ergebnis ist der thermische
Ausdehnungskoeffizient des mittels des Keramikformkörpers hergestellten
Metallmatrixkomposits kleiner als bei einem herkömmlichen Metallmatrixkomposit
(siehe z. B. die
JP
06-170514 A ).
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In
dem Keramikformkörper
sind die kugelförmigen
Zellen so angeordnet, dass sie eine dichtestmöglich gepackte Gitterstruktur
bilden, in der sie ein flächenzentriertes
kubisches Gitter bilden.
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Der
Keramikformkörper
erhöht
einen Reduktionseffekt eines erhaltenen Metallmatrixkomposits, in dem
er so angeordnet wird, dass die kugelförmigen Zellen eine dichtestmöglich gepackte
Gitterstruktur bilden. Im Ergebnis kann ein Volumenverhältnis verringert
werden, welches erforderlich ist, um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu erhalten, der jenem eines herkömmlichen Metallmatrixkomposits
entspricht. Demzufolge kann mit dem Keramikformkörper die Permeabilität für Metallschmelze
erhöht
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine Perspektivzeichnung eines Keramikformkörpers in Bezug auf eine Ausführung der
Erfindung;
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2A, 2B und 2C sind
Zeichnungen zur Darstellung „einer
dichtestmöglich
gepackten Strukturanordnung kugelförmiger Zellen";
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3 ist
eine Zeichnung, die einen Teilschnitt entlang der Linie A-A in 1 zeigt;
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4 ist
eine Zeichnung eines Metallmatrixkomposits, das mittels eines Keramikformkörpers in
Bezug auf eine Ausführung
der Erfindung hergestellt ist;
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5 ist
eine Prozessdarstellung eines Herstellungsprozesses eines Keramikformkörpers in
Bezug auf eine Ausführung
der Erfindung;
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6 ist
eine Konzeptzeichnung eines „mit
Keramikpartikeln beschichteten Kügelchens", hergestellt in
einem Füllprozess,
der einen Herstellungsprozess eines Keramikformkörpers in Bezug auf eine Ausführung der
Erfindung darstellt;
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7 ist
eine Konzeptzeichnung eines Formkörpermaterials, hergestellt
in einem Füllprozess,
der einen Herstellungsprozess eines Keramikformkörpers in Bezug auf eine Ausführung der
Erfindung darstellt;
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8 ist
eine Konzeptzeichnung eines sinterbaren Formkörpers, hergestellt in einem
Verdampfungsprozess, der einen Herstellungsprozess eines Keramikformkörpers in
Bezug auf eine Ausführung
der Erfindung darstellt; und
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9 ist
ein Graph einer Beziehung zwischen einem Innendurchmesser (μm) einer
kugelförmigen
Zelle und der Existenzwahrscheinlichkein (%) der kugelförmigen Zelle
in einem Keramikformkörper.
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Nachfolgend
wird eine Ausführung
der Erfindung im Detail anhand der 1 bis 4 beschrieben. In 1 sind
der Einfachheit halber nur einige kugelförmige Zellen eines Keramikformkörpers gezeigt.
Ferner sind der Einfachheit halber in den 2A, 2B und 2C nur
einige kugelförmigen
Zellen und gestrichelten Kugeln gezeigt.
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Keramikformkörper
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Wie
in 1 gezeigt, sind innerhalb eines Keramikformkörpers 1 eine
Vielzahl kugelförmiger
Zellen 2 ausgebildet. Die kugelförmigen Zellen 2 sind
Bereiche, wo ein Metall 6 (siehe 4) eingefüllt wird
und kugelförmige
Blasen gebildet werden, wenn ein später beschriebenes Metallmatrixkomposit 5 (siehe 4)
mittels des Keramikformkörpers 1 hergestellt
wird. Übrigens
ist in der Ausführung
ein Innendurchmesser jeder der kugelförmigen Zellen 2 gleichmäßig ausgeführt. „Gleichmäßig" bedeutet hier einen
Fall, dass der Innendurchmesser jeder der kugelförmigen Zellen 2 gleich
ist, und umfasst ferner einen Fall, das ein CV (Varianzkoeffizient:
Verhältnis
der Standardabweichung zu einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser)
Wert des Innendurchmessers der kugelförmigen Zelle 2 nicht
größer als
10% ist.
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Obwohl
ferner der Innendurchmesser jeder der kugelförmigen Zellen 2 nicht besonders
eingeschränkt ist,
kann er in seinem Medianwert von 10 mm bis 100 mm gelegt werden.
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Die
kugelförmigen
Zellen 2 sind als dichtest gepackte Gitterstruktur in dem
Keramikformkörper 1 so aufgereiht,
dass sie ein flächenzentriertes
kubisches Gitter bilden.
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Daher
ist die „dichtest
gepackte Gitterstruktur der kugelförmigen Zellen 2", wie in 2C gezeigt,
eine virtuelle Kugel 4, die in ihrem inneren jede kugelförmige Zelle 2 enthält, so dass
sie einer Innenwandfläche 2a der
kugelförmigen
Zelle 2 näher
kommt. Wenn man einen Fall annimmt, dass ein Durchmesser jeder virtuellen Kugel 4 der
gleiche ist, werden die virtuellen Kugeln 4 so angeordnet,
dass sie eine dichtest gepackte Struktur darstellen. Zum Beispiel
ist die „dichtest
gepackte Gitterstruktur der kugelförmigen Zellen 2" aufgebaut aus: wie
in 2A gezeigt, einer ersten Schicht L1, in der jede
virtuelle Kugel 4 sechs sie umgebende virtuelle Kugeln 4 kontaktiert;
wie in 2B gezeigt, einer zweiten Schicht
L2, deren virtuelle Kugeln 4 auf der ersten Schicht L1
derart angeordnet sind, dass sie je drei einander kontaktierende
virtuelle Kugeln 4 der ersten Schicht L1 kontaktieren;
wie in 2C gezeigt, einer dritten Schicht
L3, deren virtuelle Kugeln 4 auf der zweiten Schicht 12 derart
angeordnet sind, dass sie je drei einander kontaktierende virtuelle
Kugeln 4 der zweiten Schicht 12 kontaktieren;
und ferner eine Mehrzahl von Schichten (nicht gezeigt), die der
Reihe nach auf der dritten Schicht L3 genauso wie die zweite Schicht 12 und
die dritte Schicht L3 gestapelt sind.
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Weil
in der „dichtest
gepackten Gitterstruktur der kugelförmigen Zellen 2" die virtuellen Kugeln 4 so
aufgebaut sind, dass sie die dichtest gepackte Gitterstruktur darstellen,
wird eine Lücke
zwischen jeder der virtuellen Kugel 4 minimal. Wenn nämlich die
Innendurchmesser der kugelförmigen
Zellen 2 gleichmäßig sind,
sind diese daher in der Ausführung
so angeordnet, dass sie die dichteste Gitterstruktur bilden, wobei
jede der kugelförmigen
Zellen 2 im Ergebnis präzise
und gleichmäßig innerhalb
des Keramikformkörpers 1 angeordnet
ist.
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In
diesen kugelförmigen
Zellen 2 stehen, wie in 3 gezeigt,
die einander benachbarten kugelförmigen
Zellen 2 durch Verbindungsporen 3 miteinander
in Verbindung. Im Ergebnis wird innerhalb des Keramikformkörpers 1 eine
dreidimensionale Netzwerkstruktur 7 (siehe auch 1)
gebildet.
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Die
Verbindungsporen 3 sind, wie in 3 gezeigt,
zwischen jeder kugelförmigen
Zelle 2 ausgebildet und stehen damit in Verbindung. Die
Verbindungsporen 3 bewirken, dass geschmolzenes Metall
innerhalb jeder kugelförmigen
Zelle 2 herumläuft,
um durch Verbindung der jeweiligen kugelförmigen Zellen 2 die
dreidimensionale Netzwerkstruktur 7 aufzubauen, wenn das
Metallmatrixkomposit 5 (siehe 4) unter
Verwendung des Keramikformkörpers 1 hergestellt
wird.
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Die
Innendurchmesser der Verbindungsporen 3 sind entsprechend
jenen der kugelförmigen
Zellen 2 eingestellt und genauer gesagt, beträgt ein Verhältnis (Md/MD) eines Medianwerts
(Md) vom Innendurchmesser der Verbindungsporen 3 zu
einem Medianwert (MD) des Innendurchmessers
der kugelförmigen
Zeilen 2 weniger als 0,5. Bevorzugt ist Md/MD größer als
0,01 und kleiner als 0,5. Durch diese Einstellung der Innendurchmesser
der Verbindungsporen 3 wird ein thermischer Ausdehnungskoeffizient
des Metallmatrixkomposits 5 (siehe 4), das
unter Verwendung des Keramikformkörpers 1 hergestellt
wird, merklich reduziert, im Vergleich zu jenem eines herkömmlichen
Metallmatrixkomposits.
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Als
Material des insoweit beschriebenen Keramikformkörpers 1 kann eine
technische Keramik genannt werden, wie z. B. SiC, Al2O3, Si3N4 und
AlN.
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Metallmatrixkomposit
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Als
nächstes
wird das Metallmatrixkomposit 5 (siehe 4)
beschrieben, das mittels des Keramikformkörpers 1 hergestellt
wird.
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Wie
in 4 gezeigt, ist das Metallmatrixkomposit 5 ein
Bauteil, wo das Metall 6 in die kugelförmigen Zellen 2 und
die Verbindungsporen 3 des Keramikformkörpers 1 hinein gefüllt ist.
Dementsprechend wird in dem Metallmatrixkomposit 5 jedes
Metall, das in jede der kugelförmigen
Zellen 2 gefüllt
ist, zu einer Kugel geformt, die einen gleichmäßigen Durchmesser hat und innerhalb
der kugelförmigen
Zelle 2 eingegrenzt ist. Das kugelförmige Metall 6 verteilt
sich innerhalb des Metallmatrixkomposits 5, so dass es
die dichtest gepackte strukturelle Anordnung einnimmt.
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Somit
ist jedes Metall 6, das in jede kugelförmige Zelle 2 gefüllt ist,
wie in 4 gezeigt, durch ein Metall 6 verbunden,
das in die Verbindungsporen 3 gefüllt ist, und das Metall 6 innerhalb
des Metallmatrixkomposits 5 breitet sich innerhalb des
Metallmatrixkomposits 5 aus, um die dreidimensionale Netzwerkstruktur 7 zu bilden.
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Zusätzlich ist
in dem Metallmatrixkomposit 5, das unter Verwendung des
Keramikformkörpers 1 hergestellt
ist, wobei das Verhältnis
(Md/MD) des Medianwerts
(Md) der Innendurchmesser der Verbindungsporen 3 zu
dem Medianwert (MD) der Innendurchmesser
der kugelförmigen
Zellen 2 kleiner als 0,5. In Folge dessen ist ein Verhältnis eines
Medianwerts von Außendurchmessern
des in die Verbindungsporen 3 gefüllten Metalls 6 zu
einem Medianwert von Außendurchmessern
des in die kugelförmigen
Zellen gefüllten
Metalls 6 gleich Md/MD und
kleiner als 0,5.
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Als
Metall 6, das für
das insoweit beschriebene Metallmatrixkomposit 5 verwendet
wird, kann z. B. Al, Al-Legierung, Si, Si-Legierung, Cu, Cu-Legierung, Mg, Mg-Legierung
und dergleichen genannt werden.
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Herstellungsverfahren eines
Keramikformkörpers
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Als
nächstes
wird ein Herstellungsverfahren eines Keramikformkörpers in
Bezug auf eine Ausführung anhand
der 5 bis 8 beschrieben.
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Ein
Herstellungsverfahren des Keramikformkörpers 1 ist, wie in 5 gezeigt,
hauptsächlich
aufgebaut aus einem Prozess (Herstellungsprozess von Feinkugeln)
der Herstellung einer Feinkugelverdampfung bei einer voreingestellten
Temperatur, einem Prozess (Füllprozess)
zum Füllen
der Feinkugeln und von Keramikpulver in eine Form, einem Prozess
(Verdampfungsprozess) der Verdampfung der Feinkugeln, sowie einem
Prozess (Sinterprozess) zum Sintern des Keramikpulvers.
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Herstellungsprozess von Feinkugeln
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Eine
Feinkugel verdampft bei einer voreingestellten Temperatur und ist
aus einem wahren kugelförmigen
Partikel aufgebaut. Als Feinkugel wird eine solche ausgewählt, die
bei einer Temperatur verdampft, die geringer ist als jene des später beschriebenen
Sinterprozesses, bevorzugt 250 bis 750 Grad Celsius. Bevorzugt ist
die Feinkugel eine organische Kugel, die aus einem Harz gebildet
ist und bevorzugt eine solche, die aus einem Harz wie etwa Poly(meta)methylacrylat
und Polystyrol gebildet ist. Die aus diesem Harz gebildete Feinkugel
kann auch durch Suspensionspolymerisierung eines vorbestimmten Monomers
mit einem Suspensionspolymerisationsverfahren erhalten werden. Ferner
kann die Feinkugel auch im Handel bezogen werden.
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Die
Feinkugel ist bevorzugt so ausgewählt, dass der CV (Bedeutung
wie oben) Wert ihres Außendurchmessers
nicht größer als
10% wird. Übrigens
verdampft die Feinkugel in dem später beschriebenen Verdampfungsprozess,
wodurch sie die kugelförmigen
Zellen 2 des Keramikformkörpers 1 bildet, und
der Außendurchmesser
beträgt
bevorzugt nicht weniger als 10 μm
und nicht mehr als 1000 μm.
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Füllprozess
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In
dem Füllprozess
werden die Feinkugeln und das Keramikpulver in eine Form gefüllt. In
dem Füllprozess
wird, bevor die Feinkugeln in die Form gefüllt werden, wie in 6 gezeigt,
eine Oberfläche
einer jeden Feinkugel 10 mit Keramikpulver 11 beschichtet.
Das Keramikpulver 11 ist jeweils aus Feinkugeln aufgebaut,
die wahre Kugeln mit gleichmäßigem Durchmesser
sind. Im Ergebnis wird ein Außendurchmesser
der „mit
Keramikpulver 11 beschichteten Feinkugel 10" gleichmäßig. Bevorzugt
ist der Außendurchmesser
der Keramikpulverpartikel 11 nicht kleiner als 0,1 μm und nicht
größer als
100 μm.
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Das
Keramikpulver 11 wird in dem später beschriebenen Sinterprozess
gesintert und bildet ein Skelett des Keramikformkörpers 1.
Dementsprechend wird als Material des Keramikpulvers 11 eine
technische Keramik ausgewählt,
z. B. SiC, Al2O3,
Si3N4 und AlN.
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Das
Beschichten der Feinkugeln 10 mit dem Keramikpulver 11 kann
durchgeführt
werden, indem beide vermischt werden, während auf einem darin enthaltenen
Bestandteil eine Scherkraft ausgeübt wird. Ein Mischverhältnis der
Feinkugel 10 zum Keramikpulver 11 liegt bevorzugt
im Bereich von 0,1 ≤ W1/M2 ≤ 10 in einem
Massenverhältnis
(W1/W2), unter der Annahme, dass eine Masse der Feinkugeln 10 W1
ist und dass der Keramikpulver W2 ist. Das Mischen der Feinkugeln 10 und
des Keramikpulvers 11 mit diesem Mischverhältnis führt dazu,
dass die Oberflächen
der Feinkugeln 10 ringsum mit dem Keramikpulver 11 beschichtet
werden. Übrigens
kann bei einem Beschichten der Feinkugel 10 mit dem Keramikpulver 11 ein
sie enthaltender Bestandteil mit einem Bindemittel vermischt werden,
wie etwa Polyvinylalkohol.
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Als
nächstes
wird ein Gemisch der „mit
Keramikpulver 11 beschichteten Feinkugeln 10" (siehe 6) und
einem später
beschriebenen Keramikschlamm hergestellt. Der Keramikschlamm ist
ein solcher, wo das Keramikpulver in einem Dispersionsmittel wie
etwa Wasser dispergiert wird, und man erhält es, in dem man das Keramikpulver
und das Dispersionsmittel mittels einer Kugelmühle und dergleichen vermischt.
Die Menge von Keramikpulver in dem Keramischlamm kann auf 50 Massen%
bis 90 Massen% eingestellt werden.
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Die
Viskosität
des Keramikschlamms kann auf 0,05 Pa Sekunden bis 5 Pa Sekunden
eingestellt werden. Die Viskosität
des Keramikschlamms wird in diesen Bereich eingestellt, damit der
Keramikschlamm ausreichend um einen Zwischenraum jeder der „mit Keramikpulver 11 beschichteten
Feinkugeln 10" herumläuft (siehe 6),
und eine später
beschriebene Kontraktion des Keramikformkörpers 1 (siehe 1)
unterdrückt wird.
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Das
Keramikpulver wird in dem später
beschriebenen Sinterprozess gesintert, und bildet zusammen mit dem
Keramikpulver 11 (siehe 6) ein Skelett
des Keramikformkörpers 1 (siehe 1).
Als Material des Keramikpulvers wird das gleiche ausgewählt wie
im Keramikpulver 11, nämlich
eine technische Keramik, wie etwa SiC, Al2O3, Si3N4 und
AlN. Das Keramikpulver wird so ausgewählt, dass sein Partikeldurchmesser
nicht kleiner als 0,1 μm
und nicht größer als
100 μm ist.
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Im übrigen kann
in dem Keramikschlamm ein Entflockungsmittel und ein Bindemittel
enthalten sein. Das Entflockungsmittel kann an sich bekannt sein,
und kann z. B. ein quaternäres
Amoniumsalz, ein Acrylat-Oligomer, Monoethylamin und dergleichen
sein. Als das Bindemittel können
z. B. Polyvinylalkohol, Acrylemulsion, Polyvinylbutyral, Methylcellulose, β-1,3 Glukan
und dergleichen genannt werden.
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Ein
Gemisch dieses Keramikschlamms und der „mit Keramikpulver 11 beschichteten
Feinkugel 10" ist bevorzugt
so eingestellt, dass ein Verhältnis
eines Volumens V1 der „mit
Keramikpulver 11 beschichteten Feinkugel 10" zu einem Volumen
V2 des Keramikschlamms V1:V2 = 6:4 bis 9:1 ist.
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Bevorzugt
beträgt
der pH des Gemischs 8 bis 10, besonders bevorzugt 8,5 bis 9. Durch
die pH-Einstellung des Gemischs innerhalb dieser Bereiche wird die
Dispergierbarkeit des Keramikpulvers in dem Gemisch verbessert.
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Als
nächstes
wird das Gemisch in eine Form fließen gelassen, wo das Gemisch
unter reduziertem Druck filtriert werden kann. Als die Form kann
z. B. eine solche genannt werden, die aus einem porösen Element
wie etwa Gesso bestimmt wird, und eine andere, wo auf dessen Boden
Filterpapier angeordnet ist. Das Gemisch wird die Form unter dem
reduzierten Druck filtrieren. Im Ergebnis wandert das Dispersionsmittel
in den Keramikschlamm einer flüssigen
Gemischzusammensetzung aus dem Gemisch heraus, und das Gemisch wird
in einer Druckabnahmerichtung komprimiert. Im Ergebnis schmiegen
sich, (wie in 7 gezeigt), die „mit Keramikpulver 11 beschichteten
Feinkugeln 10" einer
festen Zusammensetzung in dem Gemisch aneinander an, wodurch die
Feinkugeln 10 wie eine dichtest gepackte Gitterstruktur
angeordnet werden und ein Formkörpermaterial 13 erhalten
wird, und ein geformtes Körpermaterial 13 erhalten
wird, wo das Keramikpulver 12 zwischen die „mit Keramikpulver 11 beschichteten
Feinkugeln 10" gefüllt sind.
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Ferner
wird das geformte Körpermaterial 13 getrocknet
und danach in einem als nächstes
beschriebenen Verdampfungsprozess behandelt. Übrigens erfolgt das Trocknen
des geformten Körpermaterials 13 bevorzugt
dadurch, dass es für
etwa 5 Stunden bis 40 Stunden unter einer Atmosphäre von nicht
weniger als 10 und nicht mehr als 30 Grad Celsius belassen wird,
und dann für
etwa 1 Stunde bis 20 Stunden unter einer Atmosphäre von nicht weniger als 30
und nicht mehr als 120 Grad Celsius belassen wird. Das unter diesen
Bedingungen getrocknete geformte Körpermaterial 13 wird
effizient getrocknet, ohne dass Risse und Biegungen entstehen. Übrigens
entspricht in diesem geformten Körpermaterial 13 „die mit
Keramikpulver 11 beschichtete Feinkugel 10 (siehe 6 und 7)
der virtuellen Kugel 4 (siehe 2C) und
bildet darin eine dichtest gepackte Gitterstruktur.
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Verdampfungsprozess
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Als
nächstes
wird der Verdampfungsprozess in Bezug auf die 7 und 8 beschrieben.
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In
dem Verdampfungsprozess werden die Feinkugeln 10 (siehe 7)
innerhalb des geformten Körpermaterials 13 (siehe 7)
verdampft. In dem Verdampfungsprozess wird das geformte Körpermaterial 13 mit
einer vorbestimmten Programmierungsrate innerhalb eines Ofens erhitzt.
Wenn das geformte Körpermaterial 13 erhitzt
wird, werden die Feinkugeln 10 (siehe 7)
innerhalb des geformten Körpermaterials 13 (siehe 7)
verdampft. Hierdurch werden, wie in 8 gezeigt,
jene Bereiche, wo sich diese zuvor befanden, hohl und werden zu
den kugelförmigen
Zellen 2. Andererseits werden die die Feinkugeln 10 beschichtenden Keramikpartikel 10 durch
Gasdruck weggeblasen, der erzeugt wird, wenn die Feinkugeln 10 verdampft
werden. Hierbei werden die Keramikpartikel 11 an der Stelle,
wo die einander benachbarten kugelförmigen Zellen 2 eng
beieinander liegen, vorrangig beseitigt. Im Ergebnis werden, wie
in 8 gezeigt, die Verbindungsporen 3 zur
Verbindung der kugelförmigen
Zellen 2 miteinander gebildet.
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Es
wird möglich
gemacht, die Größe der Verbindungsporen 3 (siehe 8)
einzustellen, in dem man die Höhe
des Gasdrucks steuert, der erzeugt wird, wenn die Feinkugeln 10 (siehe 7)
verdampft werden. Anders ausgedrückt,
je größer der
Gasdruck ist, desto größer werden
die Innendurchmesser der Verbindungsporen 3. Das Steuern
des Gasdrucks erfolgt durch Einstellen eines Drucks, einer Programmierrate
bis zu einer vorbestimmten Heiztemperatur, einer Haltezeit, der
Heiztemperatur und dergleichen in einem Ofen, wo das geformte Körpermaterial 13 (siehe 7)
angeordnet wird.
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Um
daher den Keramikformkörper 1 (siehe 3)
zu erhalten, worin das Verhältnis
(Mtd/MD) des Medianwerts
(Md) von Innendurchmessern der Verbindungsporen 3 zu
dem Medianwert (MD) von Innendurchmessern
der kugelförmigen
Zellen 2 kleiner als 0,5 ist, genauer gesagt in einem Fall,
dass der Druck in dem Ofen auf etwa 1 Pa bis 1 MPa eingestellt wird
und die Heiztemperatur auf nicht kleiner als 300 und nicht größer als 600
Grad Celsius eingestellt wird, besteht die Möglichkeit, dass die Programmierrate
bis zu der vorbestimmten Heiztemperatur auf nicht weniger als 5
und nicht mehr als 120 Grad Celsius pro Stunde eingestellt wird
und die Haltezeit auf etwa 30 Minuten bis 10 Stunden eingestellt
wird. Genauer gesagt, wenn z. B. Poly(meta)methacrylat als die Feinkugeln 10 angewendet
wird, besteht die Möglichkeit,
dass: der Druck innerhalb des Ofens auf 0,1 MPa eingestellt wird,
dann, zusammen mit dem Beginn des Aufheizens aus Raumtemperatur,
die Programmierrate bis zu 500 Grad Celsius auf 10 Grad Celsius
pro Stunde eingestellt wird und die Haltezeit auf etwa 3 Stunden
eingestellt wird.
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In
dem Verdampfungsprozess wird das geformte Körpermaterial 13 (siehe 7)
erhitzt, und hierdurch wird ein sinterbarer Formkörper 14,
wie in 8 gezeigt, hergestellt. In anderen Worten, wie
in 8 gezeigt, werden innerhalb des sinterbaren Formkörpers 14 die
kugelförmigen
Zellen 2 und die Verbindungsporen 3 ausgebildet. Übrigens
sind in dem sinterbaren Formkörper 14 eine
Vielzahl kugelförmiger
Zellen 2 so angeordnet, dass sie eine dichtest gepackte
Gitterstruktur bilden, wobei die einander benachbarten kugelförmigen Zellen 2 durch
die Verbindungsporen 3 in Verbindung stehen und die dreidimensionale
Netzwerkstruktur 7 bilden.
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Sinterprozess
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In
dem Sinterprozess wird der sinterbare Formkörper 14 gesintert
(siehe 8). In dem Sinterprozess wird der sinterbare Formkörper 14 (siehe 8)
gesintert, wodurch die die kugelförmigen Zellen umgebenden Keramikpartikel 11 und
das Keramikpulver 12 gesintert und vereinigt werden. Im
Ergebnis wird der sinterbare Formkörper 14 zu dem in 3 gezeigten
Keramikformkörper 1.
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Eine
Backtemperatur des sinterbaren Formkörpers 14 kann auf
eine Sintertemperatur der Keramikpartikel 11 und des Keramikpulvers 12 eingestellt
werden, genauer gesagt auf nicht weniger als 1000 und nicht mehr
als 2300 Grad Celsius. Genauer gesagt, wenn z. B. SiC für die Keramikpartikel 11 und
das Keramikpulver 12 verwendet wird, kann die Backtemperatur
auf etwa 1500 Grad Celsius eingestellt werden, und die Backzeit kann
auf etwa 2 Stunden bis 6 Stunden eingestellt werden.
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Herstellungsverfahren von
Metallmatrixkomposit
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Als
nächstes
wird ein Herstellungsverfahren des Metallmatrixkomposits 5 (siehe 4)
beschrieben, welches für
den Keramikformkörper 1 (siehe 3)
verwendet wird.
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Wie
in 4 gezeigt, wird das Metallmatrixkomposit 5 hergestellt,
in dem die Metallschmelze 6 in die kugelförmigen Zellen 2 und
die Verbindungsporen 3 des im Sinterprozess erhaltenen
Keramikformkörpers 1 gegossen
wird. Als Metall 6 kann irgend eines der oben erwähnten Al,
Al-Legierung, Si,
Si-Legierung, Cu, Cu-Legierung, Mg, Mg-Legierung und dergleichen
gewählt
werden. Das Gießen
der Metallschmelze 6 in die kugelförmige Zelle 2 und
die Verbindungsporen 3 kann mittels eines bekannten Gießverfahrens
erfolgen, nachdem der Keramikformkörper 1 in einer Metallform
angeordnet und vorgeheizt ist. Letztendlich ist ein Druckgussverfahren
mit langsamen linearen Fluss bevorzugt.
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Weil
in dem Metallmatrixkomposit 5, das durch das in soweit
beschriebene Herstellungsverfahren erhalten ist, das in die kugelförmigen Zellen 2 gefüllte Metall 6 kugelförmig ist,
tritt bei der thermischen Ausdehnung des Metalls 6 keine
Anisotrophie auf. Darüber
hinaus ist in dem Metallmatrixkomposit 5 das Metall 6 innerhalb
der kugelförmigen
Zellen 2 eingegrenzt und verteilt sich so, dass darin die
dreidimensionale Netzwerkstruktur 7 gebildet wird.
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Im
Ergebnis wird das Metallmatrixkomposit
5 in der thermischen
Ausdehnung des dort eingefüllten Metalls
gleichmäßig. Das
Verhältnis
(M
d/M
D) des Medianwerts
(M
d) von Innendurchmessern der Verbindungsporen
3 zu
dem Medianwert (M
D) von Innendurchmessern
der kugelförmigen
Zellen
2, wo das Metall
6 eingefüllt wird,
ist auf weniger als 0,5 eingestellt. Dementsprechend ist der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallmatrixkomposits
5 kleiner
als in dem herkömmlichen
Metallmatrixkomposit (siehe z. B.
JP 06-170514 A ).
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Weil
ferner das Metallmatrixkomposit 5 derart angeordnet ist,
dass das in die kugelförmigen
Zellen 2 gefüllte
Metall eine dichtest gepackte strukturelle Anordnung bildet, nimmt
der Reduktionseffekt des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu.
Im Ergebnis kann, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten äquivalent
jenen des herkömmlichen
Metallmatrixkomposits zu erhalten, ein Volumenverhältnis, welches
für den angewendeten
Keramikformkörper 1 erforderlich
ist, im Metallmatrixkomposit 5 gesenkt werden. Anders gesagt,
es kann die Permiabilität
der Metallschmelze für
den Keramikformkörper 1 verbessert
werden.
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Weil
dieses Metallmatrixkomposit 5 eine exzellente mechanische
Festigkeit und eine geringere thermische Ausdehnung hat, ist sein
Anwendungsbereich weiter. Genauer gesagt, kann das Metallmatrixkomposit 5 bevorzugt
z. B. für
die Umgebung einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine verwendet
werden, eine Dichtfläche
eines Zylinderkopfs, einen Bolzenbefestigungsflansch, um ein Zapfenlager
herum, einen Einpressabschnitt eines Ventilblatts, einen Einpressabschnitt
einer Ventilführung
und dergleichen.
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Obwohl
die Ausführung
der Erfindung insoweit beschrieben wurde, ist die Erfindung hierauf
nicht beschränkt.
Obwohl z. B. in der Ausführung
die kugelförmigen
Zellen 2 so angeordnet sind, dass sie ein flächenzentriertes
kubisches Gitter bilden und wie eine flächenzentrierte dichtestmögliche Gitterstruktur
aufgereiht sind, besteht in der Erfindung auch die Möglichkeit,
dass beliebige der kugelförmigen
Zellen 2 in einer hexagonal dichtest gepackten Gitterstruktur
angeordnet sind.
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Obwohl
ferner in der Ausführung
der Keramikformkörper 1 angenähert die
Form eines Würfels
hat, ist die Form hierauf nicht beschränkt, und kann entsprechend
der hergestellten Form des Metallmatrixkomposits 5 verändert werden.
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Beispiel
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Nachfolgend
wird ein Beispiel beschrieben, wo sich die Wirkung der vorliegenden
Erfindung bestätigt hat.
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Beispiel 1
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Herstellung des Keramikformkörpers
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(i) Herstellungsprozess feiner Kugeln
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Um
einen Keramikformkörper
herzustellen, wurde eine organische Feinkugel bereitgestellt bestehend aus
Polymethylmethacrylat-Harz. Der Außendurchmesser der organischen
Feinkugel beträgt
im Medianwert davon 90 μm.
Die organische Feinkugel entspricht der Feinkugel 10 in 6.
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(ii) Füllprozess
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Als
nächstes
wurde die Oberfläche
der organischen Feinkugel mit Keramikpartikeln, bestehend aus SiC,
beschichtet. Der Außendurchmesser
der Keramikpartikel betrug im Medianwert davon 0,5 μm. Der Keramikpartikel
entspricht den Keramikpartikeln 11 in 6. Übrigens
erfolgte die Beschichtung der Keramikpartikel auf die Oberfläche der
organischen Feinkugel durch Mischen der organischen Feinkugel, der
Keramikpartikel und von Polyvinylalkohol in einem Konstituentenverhältnis, bestehend
aus 1 Masseneinheit organischer feiner Kugeln, 1 Masseneinheit Keramikpartikel
und 0,1 Masseneinheit Polyphenylalkohol, während darauf eine Scherkraft
ausgeübt
wird. Das Mischen erfolgte in einem AM-15F Mischer, hergestellt
von HOSOKAWAMICRON CORP. Hierbei wurde die Drehzahl des Mischers
auf 1000 Upm, die Mischzeit auf 30 Minuten, und ein Abstand eines
Innenteils davon auf 1 mm eingestellt.
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Als
nächstes
wurde ein Gemisch „der
mit Keramikpartikeln beschichteten Feinkugeln" und Keramikschlamm eingestellt. Das
Gemisch wurde so eingestellt, dass ein Verhältnis des Volumens V1 „der mit
Keramikpartikeln beschichteten organischen Feinkugeln" zu einem Volumen
V2 des Keramikschlamms in einem Bereich von V1:V2 = 6:4 bis 9:1
liegen kann.
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Zusätzlich wurde
der Keramikschlamm eingestellt durch Vermischen eines Keramikpulvers,
bestehend aus SiC von 61,7 Masseneinheiten, einem quaternären Amoniumsalz
von 2,8 Masseneinheiten, eine Acrylemulsion von 1,9 Masseneinheiten
und destilliertem Wasser von 33,6 Masseneinheiten. Übrigens
betrug der Partikeldurchmesser des Keramikpulvers im Medianwert
davon 0,5 μm.
Der Keramikpartikel entspricht dem Keramikpulver 12 in 7.
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Als
nächstes
wurde eine Form vorbereitet, in die das Gemisch fließen sollte.
Die Form hatte einen Hohlraum von 25 mm Länge, 35 mm Breite und 45 mm
Tiefe, und am Boden der Form war ein Saugloch vorgesehen, das mit
der Innenseite des Hohlraums in Verbindung stand. Auf dem am Boden
der Form befindlichen Saugloch wurde Filterpapier (Porendurchmesser
0,7 μm)
hergestellt, aus Glasfasern angeordnet.
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Als
nächstes
wurde das Gemisch in die Form fließen gelassen, durch das Saugloch
angesaugt und hierdurch unter reduziertem Druck filtriert. Somit
wurde innerhalb des Hohlraums ein geformtes Körpermaterial erhalten. Das
geformte Körpermaterial
entspricht dem in 7 gezeigten geformten Körpermaterial 13.
Das geformte Körpermaterial
wurde, nach Entfernung aus der Form, getrocknet. Das Trocknen des
geformten Körpermaterials
erfolgte, in dem es für
20 Stunden unter einer Atmosphäre
von 20 Grad Celsius belassen wurde und dann weiter für 1 Stunde
unter einer Atmosphäre
von 90 Grad Celsius.
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(iii) Verdampfungsprozess
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Als
nächstes
wurde das getrocknete geformte Körpermaterial
in einem Ofen erhitzt. Der Druck innerhalb des Ofens wurde dann
auf 0,1 MPa eingestellt. Dann wurde das Aufheizen aus Raumtemperatur
heraus gestartet, wobei eine Programmierrate bis zu 500 Grad Celsius
auf 100 Grad Celsius pro Stunde eingestellt wurde und eine Haltezeit
von 500 Grad Celsius auf etwa 3 Stunden eingestellt wurde. Durch
dieses Aufheizen des geformten Körpermaterials
wurde ein sinterbarer Formkörper
erhalten. Der sinterbare Formkörper
entspricht dem in 8 gezeigten sinterbaren Formkörper 14.
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(iv) Sinterprozess
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Als
nächstes
wurde der so erhaltene sinterbare Formkörper in einem Ofen gebacken.
Der Druck innerhalb des Ofens wurde auf 0,1 MPa eingestellt, eine
Backtemperatur davon auf 2100 Grad Celsius, und eine Backzeit davon auf
3 Stunden. Durch dieses Backen wurde ein Keramikformkörper erhalten.
Der Kermaikformkörper
entspricht dem in den 1 und 3 gezeigten
Keramikformkörper 1.
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Analyse des Keramikformkörpers
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Als
nächstes
wurde der so erhaltene Keramikformkörper mittels eines dreidimensionalen
CT analysiert (3D-CT (Computertomographie)). Im Ergebnis wurden
in dem Keramikformkörper
die Keramikpartikel und das Keramikpulver gesintert und vereinigt.
Es bestätigte
sich, dass innerhalb des Keramikformkörpers unzählige kugelförmige Zellen
gleichmäßig über den
gesamten Keramikformkörper
verteilt waren und die einander benachbarten kugelförmigen Zellen
durch die Verbindungsporen in Verbindung standen. Zusätzlich bestätigte sich
auch, dass wegen der Verbindung durch die Verbindungsporen die kugelförmigen Zellen
eine dreidimensionale Netzwerkstruktur bildeten. Die kugelförmigen Zellen
und die Verbindungsporen entsprechen den kugelförmigen Zellen 2 und
den Verbindungsporen 3 in 8.
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Ferner
wurde der Medianwert (MD) der Innendurchmesser
der kugelförmigen
Zellen auf der Basis von Analysedaten des dreidimensionalen CT auf
80 μm berechnet.
Andererseits wurde der Medianwert (Md) der Innendurchmesser
der Verbindungsporen mittels Quecksilber-Porosimetrie erhalten.
Der Medianwert (Md) der Innendurchmesser
der Verbindungsporen betrug 16 μm.
In anderen Worten, das Md/MD des
Keramikformkörpers
betrug 0,2.
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Ferner
wurden in dem Keramikformkörper
Schwankungen der Innendurchmesser der kugelförmigen Zellen auf der Basis
der Analysedaten des dreidimensionalen CT erhalten. Das Ergebnis
davon ist in 9 gezeigt. 9 zeigt
in einem Graph die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser (μm) einer
kugelförmigen Zelle
und der Existenzwahrscheinlichkeit (%) der kugelförmigen Zelle
in einem Keramikformkörper.
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Herstellung von Metallmatrixkomposit
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Der
oben beschriebene Keramikformkörper
wurde auf eine Größe von 20
mm Länge,
30 mm Breite und 40 mm Höhe
geschnitten. Ein Metallmatrixkomposit wurde hergestellt, in dem
eine Aluminiumlegierung in die kugelförmigen Zellen und die Verbindungsporen
des Keramikformkörpers
gefüllt
wurde. Das Füllen
der Aluminiumlegierung in die kugelförmigen Zellen und die Verbindungsporen
erfolgte mittels eines Druckgussverfahrens mit langsamen linearen
Fluss, und Gießen
der Aluminiumlegierungsschmelze in die kugelförmige Zelle und die Verbindungsporen.
Hierbei wurde die Vorheiztemperatur des Keramikformkörpers auf
500 Grad Celsius, die Temperatur der Aluminiumlegierungsschmelze
auf 680 Grad Celsius, eine Einspritzgeschwindigkeit der Aluminiumlegierungsschmelze
auf 0,2 m pro Sekunde und einen Gießdruck auf 75 MPa eingestellt.
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Das
so erhaltene Metallmatrixkomposit hatte ein Volumenverhältnis Vf
des Keramikformkörpers
von 30%.
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Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Metallmatrixkomposits
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An
dem Metallmatrixkomposit wurde ein Messtest des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
durchgeführt.
Bei der Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurde ein
zylindrisches Teststück (Durchmesser
4 mm und Höhe
15 mm) verwendet, das aus dem so hergestellten Metallmatrixkomposit
ausgeschnitten wurde. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
wurde das Ausdehnungsmesskoeffizienteninstrument TMA8410 verwendet,
hergestellt von Rikagaku Electric Corp. Das Ergebnis davon ist in
Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 ist in der Spalte „Kontinuität" das Vorhandensein
oder Fehlen (Vorhandensein oder Fehlen der Kontinuität von „Zellen" in den später beschriebenen
Vergleichsbeispielen) einer Folge kugelförmiger Zellen beschrieben,
die in dem verwendeten Keramikformkörper gebildet waren. Zusätzlich ist
in der Spalte „Gleichmäßigkeit" das Vorhandensein
oder Fehlen (Vorhandensein oder Fehlen von Gleichmäßigkeit einer
Verteilung von „Zellen" in den später beschriebenen
Vergleichsbeispielen) der Gleichmäßigkeit der Verteilung kugelförmiger Zellen
in einem verwendeten Keramikformkörper beschrieben.
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Vergleichsbeispiel 1
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Es
wurde ein Schaum-Keramikformkörper
bereitgestellt. Der Schaum-Keramikformkörper bildet ein formbares Harz
mit durchgehenden Poren, die Keramikpartikel stützen, dann lässt man
sie ausbrennen und sintert die Keramikpartikel. Hierbei wurden als
die Keramikpartikel, genauso wie in Beispiel 1, SiC verwendet.
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Der
Schaum-Keramikformkörper
wurde, wie Beispiel 1 einer Analyse mit dreidimensionalem CT unterzogen.
Im Ergebnis bestätigte
sich, dass sich in dem Schaum-Keramikformkörper eine Vielzahl durchgehender Zellen
befanden. Die benachbarten Zellen verschmolzen miteinander und wurden
durch gemeinsame Öffnungen
verbunden. Zusätzlich
war die Größe und Form
jeder Zelle und die Verteilung der Zellen in dem Schaum-Keramikformkörper ungleichmäßig.
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Dann
wurden, wie in Beispiel 1, der Medianwert (MD)
der Innendurchmesser der Zellen und der Medianwert (Md)
der Innendurchmesser der Öffnungen,
die die jeweiligen Zellen verbunden, ermittelt. Hierbei wurden der
Medianwert (MD) der Innendurchmesser der
Zellen und der Medianwert (Md) der Innendurchmesser der Öffnungen
ermittelt, in dem die Durchmesser der Zellen und der Öffnungen
gemessen wurden. Im Ergebnis betrug der Medianwert (MD)
der Innendurchmesser der Zellen 100 μm und betrug der Medianwert
(Md) der Innendurchmesser der Öffnungen
20 μm. In
anderen Worten, das Md/MD des
Schaum-Keramikformkörpers
betrug 0,2.
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Ferner
wurden in dem Schaum-Keramikformkörper Schwankungen der Innendurchmesser
der Zellen auf der Basis von Analysedaten des dreidimensionalen
CT ermittelt. Das Ergebnis davon ist in 9 gezeigt.
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Als
nächstes
wurde, wie in Beispiel 1, ein Metallmatrixkomposit mittels des Schaum-Keramikformkörpers hergestellt.
Das Metallmatrixkomposit hatte ein Volumenverhältnis Vf des Schaum-Keramikformkörpers von
30%. Dann wurde in dem so erhaltenen Metallmatrixkomposit, wie in
Beispiel 1, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient gemessen.
Das Ergebnis davon ist in Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 2
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Das
gleiche Metall, das in den Keramikformkörper 1 eingefüllt wurde,
d. h. ein Metallmatrixkomposit, wo aus SiC bestehende Keramikpartikel
in der Aluminiumlegierung verteilt waren, wurde hergestellt. Der
Partikeldurchmesser der Keramikpartikel betrug 15 μm im Medianwert
davon. Zusätzlich
wurde eine Dispersionsmenge der Keramikpartikel in der Aluminiumlegierung
so eingestellt, dass das Volumenverhältnis der Keramikpartikel in
dem Metallmatrixkomposit 30% wurde. Dann wurde in dem erhaltenen
Metallmatrixkomposit, wie in Beispiel 1, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
gemessen. Das Ergebnis davon ist in Tabelle 1 gezeigt.
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Vergleichsbeispiel 3
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Hier
wurde die organische Feinkugel bereitgestellt, bestehend aus Polymethylmetacrylatharz
mit einem Außendurchmesser
von 90 μm
(Medianwert). Zusätzlich
wurde ein Keramikformkörper
genauso wie in Beispiel 1 hergestellt außer, dass eine Programmierungsrate
innerhalb des Ofens in dem „Verdampfungsprozess" Beispiel 1 auf 30
Grad Celsius pro Stunde verändert
wurde und dass der Druck in dem Ofen auf 40 MPa geändert wurde.
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Dann
wurde an dem so erhaltenen Keramikformkörper eine Analyse durch dreidimentsionales
CT genauso wie in Beispiel 1 durchgeführt. Im Ergebnis bestätigte sich
innerhalb des Keramikformkörpers,
dass unzählige
kugelförmige
Zellen gleichmäßig über den
gesamten Keramikformkörper
verteilt waren und die einander benachbarten kugelförmigen Zellen
durch die Verbindungsporen miteinander in Verbindung standen. Zusätzlich bestätigte sich
auch, dass wegen der gegenseitigen Verbindung durch die Verbindungsporen
der jeweiligen kugelförmigen
Zellen eine dreidimensionale Netzwerkstruktur gebildet wurde.
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Dann
wurden, wie in Beispiel 1, der Medianwert (MD)
der Innendurchmesser der kugelförmigen
Zellen und der Medianwert (Md) der Innendurchmesser
der Verbindungsporen ermittelt: Der Medianwert (MD)
der Innendurchmesser der kugelförmigen
Zellen betrug 100 μm;
der Medianwert (Md) der Innendurchmesser
der Verbindungsporen betrug 50 μm.
In anderen Worten, das Md/MD des
Keramikformkörpers
betrug 0,5.
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Als
nächstes
wurde, wie in Beispiel 1, ein Metallmatrixkomposit unter Verwendung
des Keramikformkörpers
hergestellt. Das Metallmatrixkomposit betrug 30% im Volumenverhältnis Vf
des Keramikformkörpers. Dann
wurde in dem so erhaltenen Metallmatrixkomposit genauso wie in Beispiel
1 dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient gemessen. Das Ergebnis
davon ist in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
| Keramikformkörper | |
| Medianwert
Md (μm) | Medianwert
MD (μm) | Md/MD | Kontinuität | Gleichmäßigkeit | Vf | Thermischer
Ausdehnungskoeffizient (10–6/K) |
Beispiel
1 | 16 | 80 | 0,2 | vorhanden | vorhanden | 30 | 12,3 |
Vergleichsbeispiel
1 | 20 | 100 | 0,2 | vorhanden | fehlt | 30 | 13,4 |
Vergleichsbeispiel
2 | Dispergierte
Partikel: Medianwert der Partikeldurchmesser = 15 μm | - | - | 30 | 14,0 |
Vergleichsbeispiel
3 | 50 | 100 | 0,5 | vorhanden | vorhanden | 30 | 13,5 |
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Auswertung und Betrachtung
des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallmatrixkomposits
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Wie
aus 1 ersichtlich, bestätigte sich, dass der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Metallmatrixkomposits von Beispiel 1
kleiner ist als jener der Metallmatrixkompositte der Vergleichsbeispiele
1, 2 und 3. Zu berücksichtigen
ist, dass: In dem Metallmatrixkomposit des Beispiels 1 wird ein
in die kugelförmigen
Zellen gefülltes
Metall kugelförmig;
bei der thermischen Ausdehnung tritt keine Anisotrophie auf; und
daher ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallmatrixkomposits
von Beispiel 1 kleiner, trotz der Verwendung einer Keramik (Vergleichsbeispiel
1, Keramikformkörper;
und im Vergleichsbeispiel 1 Dispersions-Keramikpartikel) eines Volumenverhältnisses
Vf gleich dem der Vergleichsbeispiele 1 und 2. Zusätzlich ist
zu berücksichtigen,
dass: In dem Metallmatrixkomposit von Beispiel 1 das Metall durch
die kugelförmigen
Zellen eingegrenzt ist; sich dieses verteilt, um innerhalb des Metallmatrixkomposits
eine dreidimensionale Netzwerkstruktur zu bilden, wodurch es sich
darin gleichmäßig verteilt,
und daher der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallmatrixkomposits
des Beispiel 1 kleiner wird.
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Hierbei
sind, wie aus 9 ersichtlich, im Vergleich
zwischen dem Metallmatrixkomposit von Beispiel 1 und jenem des Vergleichsbeispiels
1, die Schwankungen der Innendurchmesser der kugelförmigen Zellen von
Beispiel 1 geringer als jene der Zellen des Vergleichsbeispiels
1. Bei der Verteilung der Innendurchmesser der kugelförmigen Zellen
z. B. 1 erscheint eine scharfe Spitze; wohingegen jene der Innendurchmesser
der Zellen des Vergleichsbeispiels 1 breit ist und darin zwei Spitzen
auftreten.
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Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich, ist der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Metallmatrixkomposits von Beispiel 1 12,3 × 10–6/K,
wohingegen jener des Metallmatrixkomposits des Vergleichsbeispiels
3 13,5 × 10–6/K
beträgt:
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallmatrixkomposits
von Beispiel 1 ist, im Vergleich zu jenen des Vergleichsbeispiels
3, reduziert.
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Zu
Berücksichtigen
ist: dass die thermische Ausdehnung von Metall in einer Erstreckungsrichtung
der Verbindungsporen reduziert ist; die thermische Ausdehnung innerhalb
des Metallmatrixkomposits gleichmäßig gemacht wird; und daher
der thermische Ausdehnungskoeffizient kleiner wird, in dem das Verhältnis (Md/MD) des Medianwerts
(Md) der Verbindungsdurchmesser der Verbindungsporen
zu dem Medianwert (MD) der Innendurchmesser
der kugelförmigen
Zellen kleiner als 0,5 gemacht wird.
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Der
erfindungsgemäße Keramikformkörper (1)
enthält
eine Vielzahl hohler kugelförmiger
Zellen (2). In dem Keramikformkörper (1) stehen die
einander benachbarten kugelförmigen
Zellen (2) durch Verbindungsporen (3) in Verbindung
und bilden eine dreidimensionale Netzwerkstruktur (7).
Ein Verhältnis
(Md/MD) eines Medianwerts
(Md) von Innendurchmessern der Verbindungsporen
(3) zu einem Medianwert (MD) von
Innendurchmessern der kugelförmigen
Zellen (2) ist kleiner als 0,5. In den Keramikformkörper (1),
der zur Herstellung eines Metallmatrixkomposits (5) benutzt
wird, wird ein Metall (6) in die kugelförmigen Zellen (2)
und die Verbindungsporen (3) gefüllt.