DE10261116A1

DE10261116A1 - Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE10261116A1
Application number: DE2002161116
Authority: DE
Inventors: Kenichi Kawaguchi; Makoto Katsumata; Tatsuya Kato
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2003-07-10
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: GB2384201A; US20030129437A1; GB0230065D0; JP2003191066A; DE10261116B4

Abstract

Die Erfindung sieht einen Verbundwerkstoff vor, der eine weitestgehend gleichmäßige mechanische Festigkeit und eine möglichst hohe mechanische Festigkeit im Vergleich mit Verbundwerkstoffen gemäß dem Stand der Technik aufweist. Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen desselben vor. Anorganische hohle Partikel 20 und wenigstens eine anorganische Faserlage 30 werden in einer Gießform 11 übereinander angeordnet. Geschmolzenes Metall 40 wird unter Druckbeaufschlagung in die Gießform 11 gegossen. Nachfolgend wird das geschmolzene Metall 40 abgekühlt, wodurch ein Verbundwerkstoff erzielt wird, bei dem eine erste Verbundwerkstoffschicht 1 und eine zweite Verbundwerkstoffschicht 2 in einer Metallmatrix einen einzigen Körper bilden, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht 1 wenigstens eine anorganische Faserlage 30 und die zweite Verbundwerkstoffschicht 2 anorganische hohle Partikel 20 enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung basiert auf der prioritätsbegründenden japanischen Patentanmeldung Nr. 2001-391693 (Anmeldetag: 25. 12. 2001), deren gesamter Inhalt als in diese Anmeldung einbezogen gelten soll.

Hintergrund zur Erfindung

1. Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix, die anorganische Faserlagen, beispielsweise aus einem Stoff oder einem Filz, und anorganische hohle Partikel umfaßt.

2. Stand der Technik

Solche herkömmlichen Verbundwerkstoffe weisen in einer Matrix unregelmäßig verteilt anorganische Füller, beispielsweise anorganische Fasern oder anorganische hohle Partikel, auf, um die mechanische Festigkeit der Werkstoffe zu verbessern oder das Gewicht zu verringern. Die japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen S48-22327 A und S55-22182A beschreiben beispielsweise Verbundwerkstoffe, bei denen hohle glasartige Shirasu Ballons in einer Metallmatrix, beispielsweise Aluminium, unregelmäßig verteilt sind. Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. H11-29831 beschreibt einen Verbundwerkstoff, der hohle keramische Partikel, anorganische Fasern und keramische Partikel in einer Metallmatrix aufweist.
Im allgemeinen werden diese Verbundwerkstoffe durch Anordnen eines anorganischen Füllers in einer Gießform und Einfüllen eines geschmolzenen Metalls in die Gießform, während sie mit Druck beaufschlagt wird, hergestellt. Wenn aber der Unterschied des spezifischen Gewichts des anorganischen Füllers und des Metalls groß ist, schwimmt der anorganische Füller in dem geschmolzenen Metall auf und der anorganische Füller sondert sich leicht in dem Verbundwerkstoff zu einer Seite ab. Bei dem Verbundwerkstoff, der die anorganischen hohlen Partikel und die anorganischen Faser als anorganischen Füller enthält, wird, da das spezifische Gewicht auch zwischen diesen wirksam ist, die angestrebte gleichmäßige Verteilung nicht erreicht, d. h. verschlechtert. Aufgrund der Absonderung des anorganischen Füllers variiert die mechanische Festigkeit im Verbundwerkstoff. Diese ungleichmäßige Verteilung ist ein großes Problem bei der Erzielung der gewünschten gleichmäßigen mechanischen Festigkeit des Verbundwerkstoffs.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgrund der oben beschriebenen Probleme ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, bei dem die mechanische Festigkeit möglichst wenig variiert, d. h. eine möglichst gleichmäßige Verteilung des anorganischen Füllers erzielt wird, und der eine möglichst große mechanische Festigkeit im Vergleich zu Verbundwerkstoffen gemäß dem Stand der Technik aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung desselben vorzusehen.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe sieht die Erfindung einen Verbundwerkstoff vor, umfassend
eine erste Verbundwerkstoffschicht, die eine Metallmatrix und wenigstens eine anorganische Faserlage umfaßt, und
eine zweite Verbundwerkstoffschicht, die die Metallmatrix und anorganische hohle Partikel umfaßt,
wobei die erste Verbundwerkstoffschicht und die zweite Verbundwerkstoffschicht einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden.
Ferner ist bei diesem Verbundwerkstoff vorgesehen, daß die anorganischen Faserlagen, die anorganischen hohlen Partikel und die Metallmatrix nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht gemischt vorliegen.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe sieht die Erfindung den Verbundwerkstoff vor, bei dem eine Lage, die aus einem Metall, das die Metallmatrix bildet, besteht, die sich kontinuierlich über die erste Verbundwerkstoffschicht oder die zweite Verbundwerkstoffschicht erstreckt.
Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der gleichen Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs vor, welches die folgenden Schritte umfaßt
Anordnen der anorganischen hohlen Partikel und wenigstens einer anorganischen Faserlage in einer Gießform,
Einfüllen eines geschmolzenen Metalls in die Gießform, in der die anorganischen Fasern und die anorganischen Faserlagen aufgenommen sind, unter Beaufschlagung mit einem Druck und
Abkühlen.
Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs vor, das die folgenden Schritte umfaßt:
Einfüllen eines geschmolzenen Metalls in eine Gießform bis zu einer vorbestimmten Höhe,
Anordnen anorganischer hohler Partikel und wenigstens einer anorganischen Faserlage übereinander auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Gießform,
weiteres Eingießen von geschmolzenem Metall in die Gießform unter Beaufschlagung mit Druck und
Abkühlen des geschmolzenen Metalls.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Schnitt, der die erste Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der Gießvorrichtung darstellt, die zur Herstellung des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung geeignet ist.
Fig. 3 ist ein Schnitt, der die zweite Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt; und
Fig. 4 ist ein Schnitt, der die dritte Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt.

Spezifische Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.

Erste Ausführungsform

Der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung ist, wie im Schnitt in Fig. 1 gezeigt, derart ausgebildet, daß eine erste Verbundwerkstoffschicht 1 und eine zweite Verbundwerkstoffschicht 2 in der Metallmatrix derart vorgesehen sind, daß sie einen einzigen Körper darstellen, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht Gewebe oder Filz aus einer anorganischen Faser und die zweite Verbundwerkstoffschicht anorganische hohle Partikel aufweist. Es existiert kein deutlich abgegrenzter Grenzbereich (der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist) zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht. Nahe dem Grenzbereich sind anorganische Faserlagen, anorganische hohle Partikel und Metall gemischt vorhanden.
Die anorganischen Fasern sind nicht besonders auf eine oder bestimmte Arten begrenzt. Es können solche anorganischen Fasern verwendet werden, die üblicherweise zum Mischen mit Metallen verwendet wurden. Verschiedene Arten von Keramikfasern, beispielsweise Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxidsiliciumdioxidfasern, Mullitfasern, Siliciumcarbidfasern, Siliciumnitridfasern, Aluminiumboridfasern, Kaliumtitanitfasern, Kohlenstofffasern oder Steinfasern können abhängig vom Verwendungszweck des Verbundwerkstoffs eingesetzt werden. Als Lagen können Stoffstücke oder Filzstücke verwendet werden. Ferner können diese Arten von Lagen alleine oder in Kombination verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Stoffstück als anorganische Faserlage 30 verwendet.
Auch die anorganischen hohlen Partikel sind nicht auf eine spezifische Art begrenzt, sondern es können solche, die üblicherweise zum Mischen mit Metallen verwendet wurden, verwendet werden. Beispielsweise können Aluminiumoxid, Silicium, hohle Partikel, die aus Mullit gebildet sind, oder Shirasu Ballons abhängig von dem Verwendungs- oder Gebrauchszweck verwendet werden.
Auch das Metall ist nicht auf eine spezifische Art beschränkt, sondern Aluminium oder Legierungen, die auf Aluminium basieren, Kupfer oder Legierungen, die auf Kupfer basieren, können abhängig vom Verwendungs- oder Gebrauchszweck ausgewählt werden.
Zur Herstellung der ersten Verbundwerkstoffschicht wird beispielsweise eine Gießvorrichtung 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet. Die Gießvorrichtung 10 besteht aus den folgenden Hauptelementen, nämlich einer Gießform 11, einem Schmelztiegel 12 und einer Heizvorrichtung 13 zum Erwärmen der Gießform 11 und des Schmelztiegels 12. Bei der Herstellung werden zunächst die anorganischen hohlen Partikel 20 in einer vorbestimmten Menge in die Gießform 11 gegeben, auf die die anorganischen Faserlagen 30 mit einer vorbestimmten Dicke gelegt werden. Die Dicke der anorganischen Faserlagen 30 und die Menge der anorganischen hohlen Partikel 20 werden in Relation zur Menge des geschmolzenen Metalls 40 festgelegt, wobei die gewünschte Verringerung des Gewichts des Verbundwerkstoffs oder die gewünschte mechanische Festigkeit berücksichtigt werden.
Der Schmelztiegel 12 wird nun auf der Gießform 11 angeordnet und ein Metallklumpen, der die Matrix bilden soll, wird in den Schmelztiegel 12 gegeben. Die Heizvorrichtung 13 erwärmt, so daß geschmolzenes Metall 40 entsteht. Das geschmolzene Metall 40 wird dann in die Gießform 11 gegossen, während das geschmolzene Metall 40 mit einem Druck auf der Oberfläche, wie durch "P" gekennzeichnet, mittels einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einem Stickstoffgas oder Argongas oder einem Öldruck beaufschlagt wird. Das geschmolzene Metall 40 tritt daher in den Freiraum zwischen den anorganischen Faserlagen 30 und den anorganischen hohlen Partikeln 20 und füllt den Innenraum der Gießform 11 aus. Hierbei bestand bei den Verbundwerkstoffen gemäß dem Stand der Technik das Problem, daß die anorganischen hohlen Partikel in dem geschmolzenen Metall 40 aufstiegen und sich nicht in der Metallmatrix gleichmäßig verteilten. Bei dem Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung verteilen sich die anorganischen hohlen Partikel 20 gleichmäßig in der zweiten Verbundwerkstoffschicht 2 des Verbundwerkstoffs, der hergestellt werden soll, weil die anorganischen Faserlagen 30 ein Aufschwimmen der anorganischen hohlen Partikel 20 unterdrücken. Das Erwärmen mittels der Heizvorrichtung 13 wird dann beendet und die Gießform 11 wird abgekühlt, wodurch der Verbundwerkstoff erzielt wird.

Zweite Ausführungsform

Es brauchen nicht, wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform jeweils nur eine erste Verbundwerkstoffschicht 1 und eine zweite Verbundwerkstoffschicht 2 vorgesehen zu werden, sondern es können, wie in Fig. 3 gezeigt, drei Lagen vorgesehen werden, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht 1 zwei Lagen und die zweite Verbundwerkstoffschicht 2 eine Lage zwischen den zwei Lagen gebildet.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, der in Fig. 3 gezeigt ist, mittels der Gießvorrichtung 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, werden anorganische Faserlagen 30 in der gesamten Gießform 11 verteilt, auf die die anorganischen hohlen Partikel 20 gegeben werden und auf die wiederum anorganische Faserlagen 30 gelegt werden, um die dreilagige Struktur zu bilden, und das geschmolzene Metall 40 wird dann in die Gießform 11 gegossen.

Dritte Ausführungsform

Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann eine Schicht, die aus dem Metall, das eine weitere Matrix bildet, hergestellt ist, vorgesehen werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist es möglich, zusätzlich zu der ersten Verbundwerkstoffschicht 1 und der zweiten Verbundwerkstoffschicht einen dreilagigen Verbundwerkstoff, der eine Metallschicht 3, die mit der zweiten Verbundwerkstoffschicht 2 einstückig ausgebildet ist, vorzusehen.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, der in Fig. 4 gezeigt ist, mittels der Gießvorrichtung 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird zunächst das geschmolzene Metall 40 in die Gießform 11 bis zu einem vorbestimmten Niveau gegossen. Auf dessen Oberfläche werden die anorganischen hohlen Partikel 20 gegeben und auf diese werden wiederum die anorganischen Faserlagen 30 gelegt, um die dreilagige Struktur zu bilden. Danach wird geschmolzenes Metall 40 in die Gießform 11 gegossen.

(Beispiel)

(Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1)

Ein Verbundwerkstoff A wurde unter Verwendung der Gießvorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, hergestellt, in dem hohle Partikel aus Mullit in die Gießform gegeben wurden, auf welche ein Stoffstück aus Aluminiumoxid gelegt wurde und eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen und dann abgekühlt wurde. Zum Vergleich wurden hohle Mullitpartikel in gleicher Menge in die Form gegeben und in diese dann eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen und abgekühlt, um den Verbundwerkstoff B herzustellen.
Beim Betrachten der so erzielten Verbundwerkstoffe A und B im Schnitt stellt man bei dem Verbundwerkstoff A fest, daß die erste Verbundwerkstoffschicht, die das Stoffstück, das in Fig. 1 gezeigt ist, enthält, und die zweite Verbundwerkstoffschicht, die die hohlen Partikel enthält, gleichmäßig vorgesehen und ferner bei der zweiten Verbundwerkstoffschicht die hohlen Partikel gleichmäßig in der Metallmatrix verteilt sind. Bei dem Verbundwerkstoff B sind jedoch die hohlen Partikel ungleichmäßig, d. h. zu einer Seite hin angeordnet.
Die Erfindung wurde oben im Detail beschrieben und sie ist nicht auf eine der Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Abänderungen sind möglich. Bei der dreilagigen Struktur, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist es beispielsweise möglich, die erste Verbundwerkstoffschicht 1 und die zweite Verbundwerkstoffschicht 2 mehrfach vorzusehen, die schichtweise abwechselnd angeordnet sind, um einen Verbundwerkstoff mit vielen Lagen herzustellen. Bei dem Verbundwerkstoff, der die Metallschicht, wie in Fig. 4 gezeigt, enthält, sind Strukturen mit mehreren Lagen möglich.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der Erfindung möglich, mit einem einfachen Verfahren Verbundwerkstoffe mit einer gleichmäßigeren mechanischen Festigkeit zu erzielen, die aus einer günstigeren Verteilung des anorganischen Füllers resultiert und somit eine deutlich höhere mechanische Festigkeit im Vergleich mit den Verbundswerkstoffen gemäß dem Stand der Technik zu erzielen.

Claims

1. Verbundwerkstoff umfassend
eine erste Verbundwerkstoffschicht (1), die eine Metallmatrix (40) und wenigstens eine anorganische Faserlage (30) umfaßt, und
eine zweite Verbundwerkstoffschicht (2), die die Metallmatrix (40) und anorganische hohle Partikel (20) umfaßt,
wobei die erste Verbundwerkstoffschicht (1) und die zweite Verbundwerkstoffschicht (2) einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden.

2. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei die anorganischen Faserlagen (30), die anorganischen hohlen Partikel (20) und die Metallmatrix (40) nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2) gemischt vorliegen.

3. Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei eine Lage, die aus einem Metall, das die Metallmatrix bildet, besteht, einstückig mit der ersten Verbundwerkstoffschicht (1) oder der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2) ausgebildet ist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, die folgenden Schritte umfassend
Anordnen der anorganischen hohlen Partikel (20) und wenigstens einer anorganischen Faserlage (30) in einer Gießform (11),
Eingießen eines geschmolzenen Metalls (40) in die Gießform (11), in der die anorganischen Fasern (20) und die anorganischen Faserlagen (30) aufgenommen sind, unter Beaufschlagung mit einem Druck (P) und
Abkühlen des geschmolzenen Metalls (40).

5. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, die Schritte umfassend
Eingießen eines geschmolzenen Metalls (40) in eine Gießform (11) bis zu einer vorbestimmten Höhe,
Anordnen anorganischer hohler Partikel (20) und wenigstens einer anorganischen Faserlage (30) übereinander auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls (40) in der Gießform (11),
weiteres Eingießen von geschmolzenem Metall (40) in die Gießform (11) unter Beaufschlagung mit Druck (P) und
Abkühlen des geschmolzenen Metalls (40).