DE19629064A1

DE19629064A1 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE19629064A1
Application number: DE1996129064
Authority: DE
Inventors: Elmar Dipl Ing Boehm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Boehm & Co Kg De GmbH
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: DE19629064C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus einem metallischen Matrixwerkstoff und einer Verstärkungskomponente.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von partikel- oder faserverstärkten Metallen bekannt. Bei pulvermetallurgischen Verfahren werden oft sehr gute Eigenschaften erreicht, außerdem bieten derartige Verfahren große Flexibilität in der Werkstoffauswahl. Dabei werden die Metall- und die keramischen Pulver miteinander vermischt und anschließend durch Pressen oder Sintern verdichtet. Eine andere Möglichkeit zur Herstellung von Verbundwerkstoffen ist das Reaktionsmahlen von z. B. Aluminium, bei dem Nitride und Carbide entstehen. Das so erzeugte Pulver wird dann üblicherweise durch Strangpressen weiter verarbeitet. Jedoch ist dieses Verfahren nicht für alle Werkstoffe geeignet. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes mit einer Verstärkungsphase ist ein Verfahren, welches Pulverherstellung, Mischung mit einer Verstärkungsphase und einen ersten Kompaktierungsschritt vereint, daß Osprey bzw. Cosprey Verfahren. Hierbei wird eine metallische Schmelze verdüst und in den Schmelztröpfchenstrahl werden die Verstärkungspartikel eingeblasen. Der Strahl trifft auf ein Substrat, dort erstarrt das Gemisch aus metallischer Schmelze und Partikeln. Die entstehenden Rohlinge können durch umformende Verfahren, wie z. B. Strangpressen weiterverarbeitet werden.

Auch bei Gußverfahren sind mehrere Möglichkeiten bekannt, partikelverstärkte Werkstoffe herzustellen. Das Einrühren der Partikel in die Schmelze ist bei einigen Werkstoffkombinationen möglich. Die Schmelze kann dann bei niedrigen Partikelgehalten durch konventionelle Verfahren, bei höheren Gehalten durch das Squeeze-Cast-Verfahren vergossen werden. Ferner ist das Einbringen feinster Teile der Partikel in die Schmelze auch durch chemische Reaktion möglich. Eine Anwendung ist das Einleiten von Azetylen in Aluminiumschmelze, wobei Aluminiumkarbide gebildet werden. Auch dieses Verfahren ist auf einige wenige Werkstoffkombinationen beschränkt.

Ein anderer Weg ist die Verwendung von porösen Formkörpern. Diese können Partikel, Fasern oder eine Mischung aus beiden enthalten. Diese Formkörper werden üblicherweise durch Aufschlämmen der Fasern- und/oder Partikel in Wasser unter Zugabe eines Stärke- und eines keramischen Binders durch Pressen und anschließendes Trocknen hergestellt. Die Rohlinge werden vor der Verarbeitung aufgeheizt, dabei verflüchtigt sich der Stärkebinder, der keramische Binder sintert an die Fasern bzw. Partikel und sorgt damit für eine genügende Festigkeit des Rohlings. Üblicherweise werden diese Rohlinge (Preforms) mit Hilfe des Squeeze-Cast-Verfahrens infiltriert. Die von der Preform abgelöste Fasern/Partikel können Verschleiß an den Verarbeitungsmaschinen verursachen, da sie stark abrasiv wirken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen/Preforms anzugeben, das einfach in der Durchführung ist und bei dem neben der/den gewünschten Verstärkungsphasen keine weitere Phase/Binder in den Werkstoff eingebracht wird.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Die Verstärkungskomponente, Fasern, Hartstoff-Partikel oder eine Mischung aus beiden wird in eine Metallfolie verpackt. Für Einzelstücke oder Kleinstserien kann das manuell durchgeführt werden. Um eine bestimmte Geometrie zu erreichen, kann eine Form verwendet werden. Die verwendete Folie muß in der Metallschmelze der Matrixlegierung aufschmelzen. Besonders geeignet sind Folien aus Materialien, welche mit der Metall-Schmelze des Matrixwerkstoffes eutektische Systeme bilden. Auch geeignet sind Folien die aus Legierungen gleicher Basiskomponenten wie die Metallschmelze bestehen. Die Matrixlegierung wird durch die verwendete Folie in geringem Maß auflegiert. Durch eine gezielte Einstellung des Gasgehaltes in der Preform kann das Verfahren vorteilhaft erweitert werden. Bei manuell gefertigten, undichten Verpackungen strömt die sich bei der Erwärmung ausdehnende Luft durch die Falzstellen aus der Preform heraus. Wird die Verpackung hermetisch dicht verschlossen, sollte ein Vakuum so eingestellt werden, daß bei der gewünschten Vorwärmtemperatur kein Überdruck in der Preform herrscht. Reaktionen zwischen der Gasathmosphäre und der Verstärkungskomponente während des Aufheizvorganges müssen beachtet werden zum Beispiel:
2C+O2 → 2CO, Volumenzunahme: 2Mg + O2 → 2MgO und 3Mg + N₂ → Mg₃N₂, Volumenabnahme. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß kein Binder verwendet wird, und daß ein Ansintern der Partikel bzw. Fasern aneinander, um die Festigkeit der Preform zu erreichen, nicht nötig ist. Insgesamt verläuft das Verfahren schneller, einfacher und billiger als die bekannten Verfahren. Eine gezielte Einstellung der Atmosphäre in der Preform ist möglich. Die Verstärkungskomponente liegt normalerweise als Schüttung vor. Um einen höheren Partikel- bzw. Faservolumenanteil zu erreichen kann die Verstärkungskomponente gepreßt werden. Das Infiltrieren der Preform durch die Metallschmelze des Matrixwerkstoffes kann im Rahmen eines Preß- bzw. eines Gießverfahrens erfolgen. Dazu sind besonders geeignet z. B. das Squeeze-Cast-Verfahren, das Druck guß-Verfahren, das Kokillengußverfahren, das Sandgußverfahren und das Feingußverfahren. Die Anordnung aus Partikel- oder Faserschüttung und Folie kann auch eine bestimmte Geometrie aufweisen. Weist die Partikelschüttung der Verstärkungskomponente zusätzlich ein Metallpulver gleicher Zusammensetzung wie die Schmelze auf, so wird der Faser- oder Partikelgehalt im fertigen Gußstück gesenkt. Weist die Verstärkungskomponente Metallpulver anderer Zusammensetzung als die Schmelze auf, so wird der Faser- oder Partikelgehalt im fertigen Gußstück gesenkt und die Schmelze gleichzeitig auflegiert. Als Verstärkungskomponente können sowohl keramische Partikel oder Fasern, als auch metallische Partikel oder Fasern oder eine Mischung aus beiden verwendet werden.

Das erfinderische Verfahren wird anhand zwei Ausführungsbeispielen nachfolgend genauer beschrieben:

Beispiel 1 Verschiedenartige Materialien von Folie und Schmelze

Magnesium bildet mit Aluminium ein eutektisches System, die eutektische Temperatur liegt bei 437°C. Als Matrixlegierung wurde die Magnesiumgußlegierung AZ9i benutzt. Diese Legierung enthält ca. 9% Aluminium, daher ist kein Einfluß der Aluminiumfolie auf die Matrixeigenschaften zu erwarten. Für erste Versuche wurden manuell rechteckige "Preforms" gefertigt. Dazu wurden die abgewogenen Partikel auf die Aluminiumfolie geschüttet, welche dann zu einer rechteckigen Platte geformt und zugefaltet wurde. Die Dicke der verwendeten handelsüblichen Aluminiumfolie beträgt 30 µm, die Folie wurde daher doppelt gelegt, um eine größere Festigkeit der Verpackung zu erreichen. Diese "Preforms" wurden auf 630°C vorgeheizt, dann mit auf 780°C überhitzter AZ9i Schmelze im Squeeze-Cast-(Preßgieß-)Verfahren infiltriert. In Fig. 1 ist eine aufgetrennte Magnesiumplatte mit lokaler SiC-Partikelverstärkung dargestellt. Die vollständige Infiltration des verstärkten Bereiches ist deutlich zu erkennen.

Beispiel 2 Gleichartige Materialien von Folie und Schmelze

Eine runde "Preform" aus SiC-Partikeln und Aluminiumfolie mit einem Durchmesser von 205 mm wurde mit der konventionellen Umschmelzlegierung AlSi9Cu3 infiltriert. Die Preform wurde dazu auf 630°C, die Schmelze auf 750°C vorgewärmt. Es wurde das Preßgießverfahren zur Infiltration verwendet. Auch bei diesem Versuch ergab sich eine vollständige Infiltration.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus einem metallischen Matrixwerkstoff und einer Verstärkungskomponente mit folgenden Schritten:

- Kapselung der Verstärkungskomponente in eine Metallfolie
- Aufschmelzen der so hergestellten Kapsel in der Metallschmelze des Matrixwerkstoffes.
- Infiltration der Verstärkungskomponente durch die Metallschmelze des Matrixwerkstoffs.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungskomponente Hartstoffpartikel verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungskomponente Fasern verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungskomponente eine Hartstoffpartikel-/Metallpartikelmischung verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungskomponente eine Faserpartikel-Metallpartikelmischung verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie und die Metallschmelze des Matrixwerkstoffs aus Legierungen gleicher Basiskomponenten bestehen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschmelze und die Metallfolie aus verschiedenen Materialien bestehen, wobei durch das Material der Folie die Schmelze auflegiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente von Schmelze und Folie ein eutektisches System bilden.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Folie gekapselte Verstärkungskomponente samt der Folie vorgewärmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kapsel ein Vakuum eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltration der Verstärkungskomponente durch die Metallschmelze durch ein Preßguß- oder ein anderes Gußverfahren erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verstärkungskomponente, welche aus Faser oder Partikelschüttung besteht, zusätzlich Metallpulver gleicher Zusammensetzung wie die Metallschmelze eingebracht wird.

13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Faser- oder Partikelschüttung (Verstärkungskomponente) zusätzlich Metallpulver anderer Zusammensetzung als die Schmelze eingebracht wird.