DE19503464A1

DE19503464A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE19503464A1
Application number: DE19503464A
Authority: DE
Inventors: Theodore Dipl Ing Dr Schmitt
Original assignee: Electrovac AG
Current assignee: Hoffmann and Co Elektrokohle AG
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2015-02-04
Also published as: FR2715881A1; ITUD950020A1; AT406837B; US5787960A; IT1280127B1; GB2287205A; GB9502464D0; CH689012A5; ATA25894A; DE19503464B4; GB2287205B; ITUD950020A0; FR2715881B1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix- Verbundwerkstoffen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Metall-Matrix-Verbundmaterialien (Metal Matrix Composites MMC) sind Werkstoffe, bei denen ein nichtmetallisches Verstärkungsmaterial und ein Metall in unterschiedlichen Mengenverhältnissen ineinander eingebettet vorliegen. Das Verstärkungsmaterial kann in Form von Teilchen, Fasern oder porösen Körpern mit Metall umgeben bzw. mit Metall infiltriert werden. Durch Auswahl der Art, Form, Menge und Porosität des Verstär kungsmaterials sowie der Art der Infiltrationsmetalle lassen sich die mechanischen, elektri schen und thermischen Eigenschaften der entstehenden Werkstoffe den Anforderungen ent sprechend variieren.

Eine bekannte Art von MMC-Werkstoffen entsteht durch Infiltration eines porösen Körpers aus Verstärkungsmaterial mit dem schmelzflüssigen Metall. Meist werden die gewünschten Gegenstände aus MMC-Material direkt in Gestalt der gewünschten Formkörper hergestellt. Die Vorformen werden dabei zuerst unter Vakuum gesetzt und anschließend bei erhöhter Temperatur unter Druckbeaufschlagung mit dem schmelzflüssigen Metall infiltriert. Die Abkühlung erfolgt stets unter Druck, da das Verstärkungsmaterial in der Regel von dem Metall schlecht benetzt wird und das noch flüssige Metall ohne Druckeinwirkung bei der Abkühlung wieder aus der Vorform quellen würde.

Es ist üblich, dieses Verfahren in einer einzigen Vorrichtung durchzuführen. Diese muß demzufolge sowohl vakuumdicht als auch druckfest sein. Der angelegte Unterdruck bei der Vakuumvorbehandlung liegt in der Regel in der Größenordnung von 0,1 mbar bis 0,01 mbar. Der Gasdruck während des Infiltrationsvorgangs kann mehr als 100 MPa betragen. Die Druckdifferenz, der die Vorrichtung somit ausgesetzt ist, ist daher beträchtlich. Zusätzlich dazu muß der Behälter mit einer Heizeinrichtung versehen sein, um die notwendigen Schmelztemperaturen der eingesetzten Metalle zu erreichen.

Derartige multifunktionelle Vorrichtungen sind aufwendig in der Herstellung, sehr kostenintensiv und störungsanfällig. Die Herstellungskosten von MMC-Materialien sind daher außerordentlich hoch.

Überraschenderweise hat sich nun herausgestellt und dies ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung, daß das Verstärkungsmaterial in Gestalt einer Vorform ohne vorherige Vakuumbehandlung durch Gasdruckbeaufschlagung allein mit dem aufgeschmol zenen Metall infiltriert werden kann, worauf der entstehende Verbund wie bei den bisherigen Verfahren unter Druck abkühlen gelassen wird.

Die Vorteile eines solchen Verfahrens sind beträchtlich. Es entfällt die gesamte Vakuumanlage und das Verfahren verläuft wieder einstufig.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Aufnahme der Vorform ein Halter aus porösem Material verwendet, der während der Druckbehandlung das durch die Metallinfiltration aus der Vorform verdrängte Gas aufnimmt.

Zu diesem Zweck können Halter aus Graphit oder poröser Keramik verwendet werden. Es ist jedoch bekannt, daß derartige Vorformhalter meist nur einmal verwendbar sind.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann zur Aufnahme der Vorform ein Halter aus Stahl oder aus gasdichter Keramik, wie z. B. Aluminiumtitanat verwendet werden, wobei der Halter gegebenenfalls Teile aus einem porösen Material aufweist. Der besondere Vorteil derartiger Vorformhalter liegt in ihrer Wiederverwendbarkeit. Stahl und Aluminiumtitanat sind nicht porös und das ursprünglich in der Vorform enthaltene Gas bleibt in derselben erhalten. Es läßt sich jedoch mit Hilfe der Gleichung für das ideale Gasgesetz (pV = nRT) errechnen, daß das bei dieser Verfahrensvariante in der Vorform eingeschlossene Gasvolumen wegen der bei dem Verfahren eingesetzten Drücke und Temperaturen im Endprodukt nicht einmal 0,5% des Gesamtvolumens ausmacht. Es ist also eher vernachlässigbar, insbesondere da die hergestellten Werkstücke kaum einer starken mechanischen Beanspruchung, wie Zug, Druck oder Biegung, ausgesetzt sind. Für den Fall, daß dennoch z. B. wegen erhöhter Homogenität ein sehr geringes Gasvolumen gewünscht wird, können Halterteile aus porösem Material zur Gasaufnahme vorgesehen werden.

Im Detail kann diese Berechnung anhand folgender beispielhafter Werte wiedergegeben werden:

- Vorformgröße: 2,54×2,54 cm, Dicke 0,1 cm;
- Porosität der Vorform: 30 Vol.-%;
- Infiltrationstemperatur: 700°C
- Infiltrationsdruck: 70 bar;

Unter Einsatz der oben genannten Parameter erhält man nach Beendigung des Verfahrens für das als Beispiel angegebene Plättchen, dessen Volumen etwa 645 mm³ beträgt, ein Restgasvolumen von 2,81 mm³. Dieses entspricht etwa 0,43% des Plättchenvolumens oder einem Würfel mit einer Kantenlänge von 1,41 mm bzw. einer Kugel mit einem Durchmesser von 1,75 mm.

Die bei den Infiltrationsvorgängen eingesetzten Drücke liegen allgemein im Bereich von 60 bar bis 140 bar, vorzugsweise von 60 bar bis 80 bar. Der oben genannte Druck von etwa 70 bar ist besonders bevorzugt.

Je nach dem verwendeten Metall wird die Infiltrationstemperatur gewählt. Diese beträgt z. B. bei Aluminium etwa 800°C.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt eine Vorform mit einer Porosität von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-% verwendet. In speziellen Fällen wird eine Vorform mit einer Porosität von 20 Vol.-% bis 25 Vol.-% eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens kann unter Spülung mit einem Inertgas, vorzugsweise mit einem Edelgas, gearbeitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Vorformen, die im wesentlichen aus Siliciumcarbid-, Aluminiumnitrid-, Siliciumnitrid-Teilchen, Borcarbid oder aus Kohlenstoff bzw. Keramikfasern bestehen.

Als Infiltrationsmetall wird bevorzugt ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silicium, Eisen oder Legierungen derselben verwendet.

Anhand der beigeschlossenen Zeichnung wird nun das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäßen Vorrichtungen näher erläutert:

Fig. 1a zeigt eine komplette Vorrichtung 1, die zur Herstellung der MMC-Formkörper verwendet wird. Im Inneren der Vorrichtung 1 befindet sich ein Vorformhalter 2 zur Aufnahme der Vorform 3. Die Vorform 3 besteht aus dem in gewünschter Weise ange ordneten Verstärkungsmaterial. Die Gesamtheit dieser Anordnung ist in einem Tiegel 6 untergebracht. Die Vorrichtung 1 ist mit Hilfe des Deckels 7 verschließbar, so daß Druck aus einer Druckquelle 10 an die Vorrichtung angelegt werden kann. Auf den Rändern des Vorformhalters 2 liegt ein Block oder Speiser 4 aus aufzuschmelzendem Metall. Unter dem Einfluß der Heizung 5 wird das Metall aufgeschmolzen und unter Druck in die Vorform ein gepreßt; sodann wird die Heizung 5 abgeschaltet und das Metall unter Druck erstarren gelas sen.

Fig. 1b stellt eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Fig. 1a, bei welcher die Heizung weggelassen ist. Hier wird das an anderer Stelle erschmolzene Metall 11 auf die Vorform 3 gegossen, sodann der Deckel 7 geschlossen, das Innere der Vorrichtung mit Druck vermittels der Druckquelle 10 beaufschlagt, hiedurch das flüssige Metall in die Vorform gepreßt, und das Metall erstarren gelassen.

Fig. 2a stellt ein Detail innerhalb der Vorrichtung 1 von Fig. 1 in einer anderen Ausführungsform dar. Für äquivalente Teile wurden die gleichen Bezugszeichen gewählt.

In einem Vorformhalter 2 ist wieder die Vorform 3 eingesetzt. Auf dem Vorformhalter 2 liegt eine Abdeckung 8 mit Bohrungen 9 auf, auf welchem seinerseits der Speiser 4 aufgelegt ist. Der Tiegel 6 umgibt den Vorformhalter 2 mit seinen Ein- und Aufsätzen. Unter der Wirkung der Heizung 5 schmilzt das Speisemetall, gelangt durch die Öffnungen 9 auf die Vorform 3 und infiltriert das Verstärkungsmaterial unter Druckbeaufschlagung durch die Druckquelle 10 bei geschlossenem Deckel 7.

Fig. 2b zeigt eine alternative Ausführungsform zu Fig. 2a, bei welcher ohne Heizung gearbeitet wird. Das an anderer Stelle erschmolzene Metall 11 wird auf die Abdeckung gegossen, sodann der Deckel 7 geschlossen und unter Druckbeaufschlagung vermittels der Druckquelle 10 wird das flüssige Metall in die Vorform gepreßt und das Metall erstarren gelassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen, bei dem ein Verstär kungsmaterial in Gestalt einer Vorform mit schmelzflüssigem Metall ohne vorherige Vakuumbehandlung der Vorform durch Gasdruckbeaufschlagung allein infiltriert und unter Druck erstarren gelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Vorform ein Halter aus porösem Material verwendet wird, der während der Druckbehandlung das durch die Metallinfiltration aus der Vorform verdrängte Gas aufnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Vorform ein Halter aus Graphit oder poröser Keramik verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Vorform ein Halter aus Stahl oder aus gasdichter Keramik, wie z. B. Aluminiumtitanat verwendet wird, wobei der Halter gegebenenfalls Teile aus einem porösen Material aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 60 bar bis 140 bar, vorzugsweise von 60 bar bis 80 bar, insbesondere bei etwa 70 bar, infiltriert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorform mit einer Porosität von 10 Vol.-% bis 30 Vol.-%, vorzugsweise von etwa 20 Vol.-% bis 25 Vol.-%, verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unter Spü lung mit einem Inertgas, vorzugsweise mit einem Edelgas, gearbeitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorform im wesentlichen aus Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Borcarbid-Teilchen oder aus Kohlenstoff- bzw. Keramikfasern verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Infiltra tionsmetall ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silicium, Eisen oder Legierungen derselben verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit einer Druckquelle (10) beaufschlagbaren Druckgefäß (1) eine in einem Vorformhalter (2) angeordnete, mit flüssigem Metall (11) beaufschlagbare Vorform (3) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Druckgefäß (1) eine Heizung (5) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorform (2) eine Abdeckung (8) angeordnet ist.