DE19712808B4

DE19712808B4 - Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponenten im Verbund mit Vorformling-Strukturen

Info

Publication number: DE19712808B4
Application number: DE19712808A
Authority: DE
Inventors: Makoto Fujita; Nobuyuki Oda; Kazuo Sakamoto; Yukihiro Sugimoto; Yukio Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: DE19712808A1

Abstract

Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, umfassend:
– eine Vorformling-Struktur, umfassend:
Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen, ersten Whiskern, zweiten Whiskern und anorganischem Bindemittel,
wobei die keramischen Teilchen an den Oberflächen der ersten Whisker anhaften,
wobei die zweiten Whisker eine bessere Sintereigenschaft aufweisen und kleinere Durchmesser und kürzere Längen der Fasern besitzen, als jene der ersten Whisker, die keramischen Teilchen sowohl mit den ersten, als auch den zweiten Whiskern durch die anorganischen Bindemittel verbunden sind und die keramischen Teilchen direkt mit den zweiten Whiskern verbunden sind, wobei das Volumenverhältnis der ersten Whisker, bezogen auf das Volumen der keramischen Teilchen, 10–40% beträgt, die zweiten Whisker ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 5% oder weniger aufweisen, und die Verstärkungsmaterialien ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 30% oder weniger aufweisen,
– Aluminium oder...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente im Verbund mit einer Vorformling- bzw. Rohling-Struktur.
Komponenten bzw. Maschinenteile, wie Ringnuten von Kolben, die in Automotoren angeordnet sind, Bremsscheibenrotoren in Bremssystemen und Ventilstößel von Motoren weisen Gleitteile auf, die auf anderen Teilen gleiten und derartige Gleitteile müssen eine gewünschte Verschleiß- und Abriebfestigkeit besitzen. Es ist herkömmlicherweise bekannt, daß dann, wenn solche Komponenten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, das Aluminium oder die Aluminiumlegierung als Grundmetall verwendet wird und mit dem Verfahren des Mischens geschmolzener Metalle mit einem Verstärkungsmaterial verstärkt wird, welches eine gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit aufweist.
In dem vorgenannten herkömmlichen Verfahren werden jedoch die Komponenten insgesamt mit dem Verstärkungsmaterial verstärkt, ebenso wie die Gleitteile, welche eine Verschleiß- und Abriebfestigkeit aufweisen müssen. Deshalb muß eine große Menge an Verstärkungsmaterial verwendet werden, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Ferner wird das Verstärkungsverfahren oder das Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs komplex, da das geschmolzene Metall mit einer gewünschten Viskosität so bereitgestellt werden muß, daß sich das Verstärkungsmaterial nicht in dem geschmolzenen Metall durch Aufschwemmen desselben aufkonzentriert.
Es wird beispielsweise in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 3-151158 offenbart, daß eine Vorformling-Struktur durch Sintern eines Gemisches von SiC- Whiskern und Aluminiumlegierungspulvern so hergestellt ist, daß sie eine vorbestimmte Form aufweist, wonach die Vorformling-Struktur auf eine vorbestimmte Stelle in einer Gußform eingesetzt wird, geschmolzenes Aluminium dann unter einem hohen Druck in die Gußform gegossen wird, und ein Verbund der Vorformling-Struktur mit dem geschmolzenen Aluminium hergestellt wird.
Gemäß diesem Verfahren kann eine Komponente, welche teilweise einen verstärkten Teil aufweist, hergestellt werden. Da jedoch die Tendenz besteht, daß zu viele SiC-Whisker in dem verstärkten Teil enthalten sind, muß der Gießdruck des geschmolzenen Aluminiums während des Verstärkungsverfahrens hoch sein, und es ist schwierig, ein notwendiges Kompositmaterial bzw. einen Verbundwerkstoff mit niedrigem Volumenverhältnis herzustellen. Deshalb werden die Herstellungskosten hoch und das erhaltene Kompositmaterial bzw. der erhaltene Verbundwerkstoff kann andere Komponenten, die auf ihm gleiten, brechen.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 63-54057 offenbart ein Verfahren zur wirksamen und kostengünstigen Herstellung einer Legierung mit einer guten Effizienz bei niedrigen Kosten und einer vorbestimmten Struktur. Ein poröser Körper oder eine Vorformling-Struktur werden aus feinen, festen Teilen hergestellt, welche eine Verbindung eines ersten Metalls und Sauerstoff sind. Der poröse Körper wird in ein geschmolzenes Metall, welches eine zweites Metall einschließt, getaucht, und dann wird das geschmolzene Metall unter Druck gesetzt, um in den porösen Körper zu infiltrieren. Das Oxid des ersten Metalls wird desoxidiert, während das zweite Metall oxidiert wird. Somit wird eine Legierung durch einen Teil des geschmolzenen Metalls und den porösen Körper hergestellt, während der restliche Teil des geschmolzenen Metalls das Metalloxid wird, welches in der Legierung fein dispergiert ist.
Das offengelegte japanische Patent Nr. 63-295050 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Metall-Verbundwerkstoff-Komponente. Gemäß diesem Verfahren wird eine kleine Menge eines Verstärkungsmaterials homogen in den Metallkomponenten dispergiert. D. h. eine Gerüststruktur mit einem vorbestimmten Muster wird aus einem Fasermaterial, einschließlich Cellulose und dergleichen und Kunststofffasern, hergestellt. Fasern und Teilchen von Verstärkungsmaterialien werden entlang der Gerüststruktur dispergiert und danach wird das Muster der Gerüststruktur in dem geschmolzenen Metall so aufgelöst oder zersetzt, daß es mit dem geschmolzenen Metall verstärkt oder mit ihm zum Verbund gebracht ist. Ferner werden Aluminiumoxidfasern und dergleichen als das Muster verwendet, so daß gewährleistet ist, daß das Verstärkungsmaterial dispergiert ist.
Keramische Teilchen, wie Titandioxid und SiC sind billig und besitzen eine Verschleiß- und Abriebfestigkeit als Verstärkungsmaterialien und deshalb sind sie mehr bevorzugt als Whisker, kurze Fasern und dergleichen. Wenn eine Vorformling-Struktur aus Verstärkungsmaterialien hergestellt ist, welche aus solchen keramischen Teilchen gebildet sind, die so wie es in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 3-151158 offenbart ist, gepreßt und gesintert sind, wird das Volumenverhältnis der keramischen Teilchen hoch, das Volumenverhältnis ist schwierig zu kontrollieren, wie in dem Fall, in dem Verstärkungsmaterialien aus Whiskern hergestellt sind, und das Volumenverhältnis hat eine untere Grenze. Deshalb wird, wenn das Gießen des Aluminiums unter hohem Druck durchgeführt wird, das geschmolzene Aluminium oder die Legierung nicht in die Vorformling-Struktur dispergiert und deshalb kann die Vorformling-Struktur bei hohem Druck gebrochen werden.
Das vorgenannte, in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 63-54057 offenbarte Verfahren kann angewendet werden, wenn ein Oxid, wie Titandioxid, als keramische Teilchen verwendet wird, jedoch nicht, wenn ein Nicht-Oxid verwendet wird. Die Vorformling-Struktur kann jedoch selbst dann, wenn Titandioxid als keramische Teilchen verwendet wird und dieses Verfahren angewendet wird, während der Oxidations- und Desoxidationsreaktionen leicht brechen. Da ferner eine häufig verwendete Aluminiumlegierung Silicium einschließt und das Titan durch eine Desoxidationsreaktion des Titandioxids hergestellt wird, wird das Titan mit dem Silicium und dem Aluminium kombiniert bzw. verbunden, wobei eine Al-Ti-Si-Verbindung erzeugt wird. Obwohl diese Verbindung die Härte und Verschleiß- und Abriebfestigkeit der Vorformling-Struktur erhöht, wird die Vorformling-Struktur spröde und kann daher noch leichter brechen.
Wenn das vorgenannte, in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 63-295050 offenbarte Verfahren angewendet wird, kann die Menge an Verstärkungsmaterialien vorzugsweise herabgesetzt werden, jedoch können die Verstärkungsmaterialien nicht homogen entlang des Musters dispergiert werden und daher wird die Verschleiß- und Abriebfestigkeit der Vorformling-Struktur herabgesetzt. Wenn das Muster durch das geschmolzene Aluminium zerstreut bzw. ausgebreitet bzw. aufgelöst wird, wird ferner ein Aluminiumcarbid erzeugt, wodurch die Vorformling-Struktur spröde wird. Darüberhinaus müssen dann, wenn Aluminiumoxidfasern und dergleichen als das Muster verwendet werden, eine große Anzahl von Aluminiumoxidfasern zugegeben werden und daher wird die Festigkeit der Vorformling-Struktur erniedrigt und es ist schwierig, in die Vorformling-Struktur wegen einer schlechten Luftdurchlässigkeit zu infiltrieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Komposit- bzw. Verbundwerkstoff-Material bereitzustellen, welches mit Verstärkungsmaterial oder keramischen Teilchen verstärkt ist, welche billig sind und eine hohe Verschleiß- und Abriebfestigkeit aufweisen.
Diese und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Bereitstellen einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente erreicht, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, umfassend:

– eine Vorformling-Struktur, umfassend: Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen, ersten Whiskern, zweiten Whiskern und anorganischem Bindemittel, wobei die keramischen Teilchen an den Oberflächen der ersten Whisker anhaften, wobei die zweiten Whisker eine bessere Sintereigenschaft aufweisen und kleinere Durchmesser und kürzere Längen der Fasern besitzen, als jene der ersten Whisker, die keramischen Teilchen sowohl mit den ersten, als auch den zweiten Whiskern durch die anorganischen Bindemittel verbunden sind und die keramischen Teilchen direkt mit den zweiten Whiskern verbunden sind, wobei das Volumenverhältnis der ersten Whisker, bezogen auf das Volumen der keramischen Teilchen, 10–40% beträgt, die zweiten Whisker ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 5% oder weniger aufweisen, und die Verstärkungsmaterialien ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 30% oder weniger aufweisen,
– Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, welches bzw. welche in einen Verbund mit der Vorformling-Struktur gebracht ist.

Grundsätzlich wird die Herstellung einer Vorformling-Struktur, welche in einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente verwendet wird, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, in einem Verfahren erreicht, das die Schritte des Herstellens einer Aufschlämmung durch Mischen von Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen und ersten Whiskern bzw. haarförmigen Einkristallen bzw. Faserkristallen bzw. Einkristallfasern, mit durch Verbrennen entfernbaren Pulvern und Flüssigkeit, des Filterns der in der Aufschlämmung enthaltenen flüssigen Komponenten, um eine entwässerte Struktur bereitzustellen, und des Sinterns der keramischen Teilchen mit den ersten Whiskern nach dem Verbrennen der durch Verbrennen entfernbaren Pulver in der entwässerten Struktur, umfaßt.
Darüber hinaus handelt es sich bei einer Vorformling-Struktur grundsätzlich um eine solche, welche in einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente verwendet wird, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, umfassend Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen und ersten Whiskern, wobei die keramischen Teilchen mit den ersten Whiskern bei der Bedingung gesintert wurden, daß die keramischen Teilchen an den Oberflächen der ersten Whisker anhaften.
Des Weiteren wird die Herstellung einer Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, grundsätzlich in einem Verfahren erreicht, umfassend die Schritte des Herstellens einer Aufschlämmung durch Mischen von Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen und ersten Whiskern, mit durch Verbrennen entfernbaren Pulvern und Flüssigkeit, des Filterns der in der Aufschlämmung enthaltenen flüssigen Komponenten, um eine entwässerte Struktur bereitzustellen, des Sinterns der keramischen Teilchen mit den ersten Whiskern nach dem Verbrennen der durch Verbrennen entfernbaren Pulvern in der entwässerten Struktur, um eine Vorformling-Struktur bereitzustellen, und des Gießens von geschmolzenem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in die Vorformling-Struktur, um einen Verbund des Aluminiums oder der Legierung und der Vorformling-Struktur herzustellen.
Die vorstehenden und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die für bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beigefügten Zeichnungen deutlich. In den beigefügten Zeichnungen ist:
1 eine Schnittansicht eines Teils einer Kolbenkomponente für einen Automotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht der Kolbenkomponente mit einer vereinfachten Form;
3 eine Schnittansicht eines Gefäßes, in welchem eine Aufschlämmung zur Herstellung der Vorformling-Struktur hergestellt wird;
4 eine Schnittansicht einer Filtrationseinrichtung zum Filtern von Flüssigkeit in der Aufschlämmung;
5 eine Schnittansicht eines Gefäßes, in welchem eine entwässerte Struktur gepreßt wird;
6 eine Schnittansicht einer Aluminiumgießmaschine zum Gießen eines Aluminiums, wodurch ein Verbund zwischen der Vorformling-Struktur und einem Aluminium oder einer Legierung hergestellt wird;
7 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Verstärkungsmaterial-Volumenverhältnissen und Festigkeiten der Vorformling-Strukturen zeigt;
8 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur einer Vorformling-Struktur zeigt, in welcher das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung 13% beträgt;
9 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur einer Vorformling-Struktur zeigt, in welcher das Volumenverhältnis der Verstär kungsmaterialien, welche aus TiO₂-Teilchen ohne Whisker bestehen, 13% beträgt;
10 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Verstärkungsmaterial-Volumenverhältnissen und Zugfestigkeiten von Verbundwerkstoffmaterialien bei Raumtemperatur zeigt;
11 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Verstärkungsmaterial-Volumenverhältnissen und Festigkeiten von Verbundwerkstoffmaterialien bei einer hohen Temperatur zeigt;
12 eine perspektivische Ansicht einer Scheibe und eines Rings, auf welchen Abriebtests durchgeführt werden;
13 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Scheibenmaterialien und Abriebverlusten von Scheiben und Ringen zeigt;
14 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur eines Verbundwerkstoffmaterials zeigt, in welchem das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung 8% beträgt;
15 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur eines Verbundwerkstoffmaterials zeigt, in welchem das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung 13% beträgt;
16 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur eines Verbundwerkstoffmaterials zeigt, in welchem das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung 24% beträgt;
17 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur eines Verbundwerkstoffmaterials, welches nur TiO₂-Teilchen ohne Whiskern einschließt, zeigt;
18 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Scheibenmaterialien und Abriebverlusten von Scheiben und Ringen zeigt;
19 eine graphische Darstellung, welche das Verhältnis zwischen Verstärkungsmaterial-Volumenverhältnissen und Festigkeiten von ersten und zweiten Vorformling-Strukturen zeigt;
20 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur einer ersten Vorformling-Struktur zeigt;
21 eine Mikrophotographie, welche eine innere Struktur einer zweiten Vorformling-Struktur zeigt; und
22 eine Schnittansicht, welche eine dritte Vorformling-Struktur und ein Aluminium oder eine Legierung, welche mittels einem Gasdruck-Gießverfahren zum Verbund gebracht wurden, zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nun durch Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen und die Zeichnungen erklärt.
1 zeigt einen Teil einer Kolbenkomponente A eines Automotors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Kolbenkomponente A ist eine Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente, deren Grundmetall ein Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist, und in welcher nur die Kolbenringnuten 1 mit Verstärkungsmaterialien verstärkt sind.
Als das wie vorstehend genannte Grundmetall wird beispielsweise AC8A verwendet, welches im japanischen Industriestandard (Japanese Industrial Standard, JIS) H5202 bestimmt ist. Die Verstärkungsmaterialien schließen keramische Teilchen und Whisker ein, wobei Titandioxid (TiO₂) als keramische Teilchen und Aluminiumborat-Whisker als Whisker verwendet werden. Als keramische Teilchen kann auch Aluminiumoxid (Al₂O₃), SiC und dergleichen verwendet werden. Die Whisker sind keine kurzen Fasern sondern Kristalle, die so gewachsen sind, daß sie eine Nadelform aufweisen. Die Whisker können wirkliche Whisker sein, welche natürlich gewachsene Kristalle von Metall und dergleichen sind, oder können nicht-wirkliche Whisker sein, welche aus flüssiger Phase oder einer Gasphase oder durch chemische Rekationen gewachsen sind. Als Whisker können auch SiC-Whisker und dergleichen verwendet werden.
Die Kolbenringnuten 1 werden mit AC8A, welches ein Grundmetall ist, oder einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zwischen den keramischen Teilchen oder TiO₂-Teilchen infiltriert, und die Bindungskraft der z. B. TiO₂-Teilchen wird verstärkt, da die z. B. Aluminiumborat-Whisker homogen zwischen den TiO₂-Teilchen dispergiert sind.
Bevor das AC8A in die Kolbenringnuten 1 infiltriert wird, werden zwei Vorformling-Strukturen 5 bereitgestellt, wobei jede mit einem Nutbereich im Zentrum in einer senkrechten Richtung entlang des Umfanges derselben versehen ist. Die jeweiligen Vorformling-Strukturen 5 werden dadurch erhalten, daß TiO₂-Teilchen mit Aluminiumborat-Whiskern bei der Bedingung gesintert werden, daß die TiO₂-Teilchen an den Oberflächen der Aluminiumborat-Whisker anhaften. Die Vorformling-Strukturen 5 weisen Poren oder Hohlräume zwischen den TiO₂-Teilchen auf, und das geschmolzene AC8A-Metall wird in die Poren oder Hohlräume durch ein Hochdruck-Gießen infiltriert. Zusätzlich können anorganische Binder zugegeben werden, so daß die TiO₂-Teilchen mit den Aluminiumborat-Whiskern durch die anorganischen Binder gesintert werden.
Die jeweiligen Vorformling-Strukturen 5 schließen die Verstärkungsmaterialien ein, deren Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, 30% oder weniger beträgt, um eine gewünschte Verschleiß- und Abriebfestigkeit zu erhalten.
Das Volumenverhältnis der, Aluminiumborat-Whisker, bezogen auf das Volumen der TiO₂-Teilchen in den Verstärkungsmaterialien, beträgt 10–40%. Wenn das Volumenverhältnis der Aluminiumborat-Whisker kleiner ist, als 10%, ist die Durchlässigkeit des geschmolzenen Metalls nicht ausreichend und die Festigkeit der Vorformling-Strukturen 5 ist die gleiche, wie die einer Vorformling-Struktur, welche nur TiO₂-Teilchen aufweist, und daher kann die Festigkeit der Vorformling-Strukturen 5 nicht erhöht werden. Wenn dieses Volumenverhältnis größer ist, also 40%, ist die Durchlässigkeit des geschmolzenen Metalls ausreichend. Die Vorformling-Strukturen 5 schließen jedoch viel mehr Whisker als keramische Teilchen ein und deshalb ist die Steifigkeit der Vorformling-Strukturen herabgesetzt und die Vorformling-Strukturen können leicht während des Verstärkungsverfahrens unter Verwendung des geschmolzenen Metalls zusammengepreßt und gebrochen werden. Ferner werden dann, wenn dieses Verhältnis größer als 40% ist, die Kosten der Vorformling-Strukturen wegen der benötigten großen Anzahl an Aluminiumborat-Whiskern erhöht und das Verhältnis von Poren oder Hohlräumen ist herabgesetzt. Als Ergebnis zeigt sich, daß der Bereich von 10–40% bevorzugt ist.
Verfahren zur Herstellung der Vorformling-Strukturen 5 und der Kolbenkomponenten A, welche durch Verbund der Vorformling-Strukturen 5 und des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung AC8A erhalten werden, werden nachfolgend beschrieben. Zur Erleichterung des Verständnisses werden in 2 eine Vorformling-Struktur 5 und eine Kolbenkomponente A jeweils mit vereinfachter Form gezeigt.
Zur Herstellung einer Vorformling-Struktur 5 wird zuerst eine Aufschlämmung hergestellt. Wie in 3 gezeigt, werden Verstärkungsmaterialien, einschließlich TiO₂-Teilchen und Aluminiumborat-Whisker, durch Verbrennen entfernbare Pulver und Flüssigkeit, wie Wasser, in ein Gefäß 11 mit einer Bodenoberfläche eingebracht und dann durch die Mischflügel 12 so gemischt, daß eine Aufschlämmung 13 erhalten wird. Während der Herstellung der Aufschlämmung werden anorganische Binder mit einem Volumenverhältnis von 3%, bezogen auf das Volumen der Verstärkungsmaterialien, vorzugsweise zusätzlich zugemischt. Hochmolekulares Koagulans und Essigsäure in Wasser werden als Additionsmittel zugegeben.
Graphitpulver, Harzpulver und dergleichen sind als durch Verbrennen entfernbare Pulver, und Siliciumdioxidsole, Aluminiumoxidsole und dergleichen als anorganische Binder bevorzugt.
Nach dem Vorstehenden werden, wie in 4 gezeigt, die in der Aufschlämmung 13 enthaltenen flüssigen Komponenten, wie Wasser, mittels einer Filtereinrichtung 14 gefiltert bzw. diese entwässert. Die Filtereinrichtung 14 ist mit einem Gefäß 15 mit einer Bodenoberfläche, einer in der Bodenoberfläche angeordneten Saugöffnung 16, einem Plattenteil 18, welches viele Schlitze 17 für die Entwässerung aufweist und etwa in der Mitte der senkrechten Richtung des Gefäßes 15 horizontal befestigt ist und einem Filterpapier 19, welches an der oberen Oberfläche des Plattenteils 18 angeordnet ist, ausgerüstet. Nach dem Gießen der Aufschlämmung 13 auf das Filterpapier 19 in dem Gefäß 15, wird eine Unterdruck erzeugende Kraft an die Saugöffnung 16 angelegt. Auf diese Weise werden die flüssigen Komponenten, wie Wasser und dergleichen, sowohl durch das Filterpapier 19 als auch die jeweiligen Schlitze 17 des Plattenteils 18 filtriert, so daß eine entwässerte Struktur 21 (siehe 5) erhalten wird.
Danach wird, wie in 5 gezeigt, das entwässerte Teil 21 ausgequetscht oder gepreßt. Das das entwässerte Teil 21 enthaltende Filterelement 14 wird nämlich auf einem stationären Tisch 20 angeordnet und dann wird das entwässerte Teil 21 von dessen oberem Teil mittels eines Stempels 22 so ausgequetscht oder zusammengepreßt, daß die preßgeformte Vorformling-Struktur 5 mit einer gewünschten Form erhalten wird.
Wenn der den Unterdruck erzeugende Saugdruck während des vorgenannten Filterschrittes so eingestellt wird, daß das entwässerte Teil 21, welches die durch Verbrennen entfernbaren Pulver einschließt, ein Volumenverhältnis von 10% aufweist, kann die selbe Wirkung, wie die durch den Kompressionsschritt erhalten werden und deshalb kann der vorgenannte Kompressionsschritt auch weggelassen werden.
Danach wird das entwässerte Teil 21 gefärbt und dann in zwei Schritten gesintert. In dem ersten Schritt des Sinterns werden durch Einstellen der Temperatur dergestalt, daß ein vollständiges Entfernen der durch Verbrennen entfernbaren Pulver möglich ist, diese durch Verbrennen entfernbaren Pulver in dem entwässerten Teil 21 vollständig weggebrannt. in dem zweiten Schritt werden die TiO₂-Teilchen und die Aluminiumborat-Whisker in der entwässerten Struktur 21 durch Einstellen einer höheren Temperatur, als in dem ersten Schritt, derart gesintert, daß die TiO₂-Teilchen mit den Aluminiumborat-Whiskern verbunden werden. Somit wird die Vorformling-Struktur 5 unter einer Bedingung erhalten, bei der die TiO₂-Teilchen auf den Oberflächen der Aluminiumborat-Whisker anhaften.
Die erhaltene Vorformling-Struktur 5 weist Poren oder Hohlräume auf, wo die durch Verbrennen entfernbaren Pulver zuvor anwesend waren, und daher ist das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur 5, durch das Volumen der durch Verbrennen entfernbaren Pulver herabgesetzt. Im Ergebnis kann durch Variieren der Menge der durch Verbrennen entfernbaren Pulver das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien kontrolliert und herabgesetzt werden. Ferner kann aufgrund der Tatsache, daß die TiO₂-Teilchen nicht nur miteinander, sondern auch durch die homogen dispergierten Aluminiumborat-Whisker verbunden sind und deshalb die Bindung der TiO₂-Teilchen mehr verstärkt ist, als bei dem Verstärkungsmaterial, welches nur TiO₂-Teilchen enthält, die Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 selbst dann beibehalten werden, wenn das Volumenverhältnis klein wird. Im Ergebnis kann das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien ohne Herabsetzen der Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 herabgesetzt werden, und das geschmolzene Metall kann leicht in die Poren oder Hohlräume in der Vorformling-Struktur 5 während des Gießverfahrens der Vorformling-Struktur 5 infiltriert werden. Deshalb kann die Vorformling-Struktur 5 vor einem Brechen während des Gießverfahrens bewahrt werden.
Ferner werden die TiO₂-Teilchen durch zusätzliches Zugeben oder Vermischen der anorganischen Binder mit den Aluminiumborat-Whiskern durch die anorganischen Binder gesintert. Deshalb werden die Bindungen der TiO₂-Teilchen untereinander und die Bindungen der TiO₂-Teilchen und der Aluminiumborat-Whisker in hohem Maße weiter verstärkt. Im Ergebnis kann die Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 selbst dann beibehalten werden, wenn die Sintertemperatur relativ niedrig ist, und die Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 kann weiter erhöht werden, wenn die Sintertemperatur die selbe ist, wie in dem Fall, in dem keine anorganischen Binder zugegeben werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der Kolbenkomponente A durch Verwendung der vorgenannten Vorformling-Struktur 5 beschrieben.
Wie in 6 gezeigt, wird eine Aluminium-Gießmaschine 24 bereitgestellt, welche eine Metall-Gießform oder -Preßform 26 an ihrem Boden, eine Metall-Gießform oder -Preßform 27 an ihren Seiten und eine Heizeinrichtung 28 an ihrem Umfang, einschließt. Die Vorformling-Struktur 5 wird in die Aluminium-Gießmaschine 24 eingesetzt und die Metall-Gießformen 26, 27 und die Vorformling-Struktur 5 werden auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten. Dann wird ein geschmolzenes Aluminium oder eine Aluminiumlegierung (oder ein geschmolzenes Metall) 25 in das Innere der durch die Metall-Gießformen 26, 27 umgebenen Gießmaschine 24 gegossen, und das geschmolzene Metall 25 wird von oben durch einen Stempel 29 zusammengepreßt. Der Gießdruck wird so eingestellt, daß er etwa 100 MPa beträgt. Zu diesem Zeitpunkt könnte angenommen werden, daß die Vorformling-Struktur 5 durch den Kompressionsdruck gebrochen oder deformiert würde, da das Volumenverhältnis des Verstärkungsmaterials, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, 30% oder weniger beträgt. Grundsätzlich weist die Vorformling-Struktur 5 jedoch eine ausreichende Festigkeit auf, um dem Druck von etwa 100 MPa zu widerstehen, und deshalb kann das Gießen durchgeführt werden, ohne daß die Vorformling-Struktur 5 gebrochen oder deformiert wird. Der Erhalt der gewünschten Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 wird durch die Aluminiumborat-Whisker, die homogen zwischen den TiO₂-Teilchen dispergiert sind, sichergestellt.
Durch Zusammenpressen des geschmolzenen Metalls 25, wird das geschmolzene Metall 25 in die Poren oder Hohlräume in der Vorformling-Struktur infiltriert, und dadurch wird ein Verbund zwischen der Vorformling-Struktur 5 und dem geschmolzenen Metall 25 hergestellt. Danach verfestigt sich das geschmolzene Metall 25 und die Kolbenkomponente A, welche teilweise mit den TiO₂-Teilchen verstärkt ist, wird letztendlich erhalten.
Selbst wenn der Gießdruck gleich 100 MPa oder weniger beträgt, kann ein Verbund zwischen der Vorformling-Struktur 5 und dem geschmolzenen Metall 25 bei einem Druck von etwa 1 MPa erhalten werden.
Gemäß dem vorgenannten Verfahren kann aufgrund der Tatsache, daß die Vorformling-Struktur 5 Poren oder Hohlräume aufweist, in welche das geschmolzene Aluminium oder die Aluminiumlegierung 25 leicht infiltriert werden kann und die Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 durch die Aluminiumborat-Whisker beibehalten wird, die Kolbenkomponente A, welche teilweise durch das Verstärkungsmaterial oder die TiO₂-Teilchen verstärkt ist, durch das Gießverfahren erhalten werden, während es sichergestellt ist, daß das Brechen und die Deformation der Vorformling-Struktur 5 verhindert werden.
In den vorgenannten Ausführungen sind die Kolbenringnuten 1 jeweils durch die Vorformling-Strukturen 5, einschließlich der TiO₂-Teilchen und der Aluminiumborat-Whisker, gebildet. Deshalb können aufgrund der Tatsache, daß die TiO₂-Teilchen eine gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit aufweisen und billig sind und die Aluminiumborat-Whisker eine hohe Festigkeit besitzen, welche die Festigkeit der Verbindungen bzw. Kombinationen von TiO₂-Teilchen erhöht, die Verschleiß- und Abriebfestigkeit und die Festigkeit der Kolbenkomponente A ohne Anstieg der Kosten derselben erhöht werden. Kolbenringe mit C-förmigem Querschnitt werden in die jeweiligen Kolbenringnuten 1 eingepaßt, und die Kolbenringe und die oberen und unteren Oberflächen der Nuten 1 erzeugen große Reibung, wenn sich die Kolbenkomponenten A in Zylindern auf- und abbewegen. Da jedoch die Kolbenkomponente A eine verbesserte Verschleiß- und Abriebfestigkeit aufweist, besitzt die Kolbenkomponente A eine verbesserte Haltbarkeit.
Ferner wird an der Verbundwerkstoff-Kolbenkomponente A vorzugsweise eine Wärmebehandlung, wie eine T6-Wärmebehandlung durchgeführt. Wenn eine solche Wärmebehandlung nicht durchgeführt wird, wird eine Al-Ti-Si-Verbindung erzeugt, welche eine spröde intermetallische Verbindung ist und durch eine Kombination bzw. Verbindung von Titan mit in dem Aluminium und der Aluminiumlegierung enthaltenem Silicium und Aluminium gebildet wird. Andererseits wird auch bei Durchführung einer solchen Wärmebehandlung die Al-Ti-Si-Verbindung durch Titan erzeugt, welches leicht mit in dem Aluminium und der Aluminiumlegierung enthaltenem Silicium und Aluminium kombiniert wird. Da jedoch die Aluminiumborat-Whisker homogen in dem Verstärkungsmaterial dispergiert sind, kompensieren die Whisker die Sprödigkeit der Al-Ti-Si-Verbindung und dadurch kann die Herabsetzung der Festigkeit der Kolbenkomponente A verhindert werden. Ferner kann die Verschleiß- und Abriebfestigkeit der Kolbenkomponente A weiter verbessert werden, weil die Al-Ti-Si-Verbindung die Härte der Kolbenkomponente A erhöht.
In den vorgenannten grundsätzlichen Ausführungen schließt das Verstärkungsmaterial nur die TiO₂-Teilchen und die Aluminiumborat-Whisker ein. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Alumina- oder Aluminiumoxid-Kurzfasern, welche größere Durchmesser und größere Längen aufweisen, als jene der Aluminiumborat-Whisker, zugegeben oder damit vermischt werden und werden beispielsweise Kaliumtitanat-Whisker als zweite Whisker, welche eine bessere bzw. höhere Sintereigenschaft aufweisen, als die Aluminiumborat-Whisker und kleinere Durchmesser und kürzere Längen besitzen, als jene der Aluminiumborat-Whisker, den Verstärkungsmaterialien zusätzlich zu den TiO₂-Teilchen und den Aluminiumborat-Whiskern als zweite Whisker zugegeben oder damit vermischt. In dieser Ausführungsform sind die Volumenverhältnisse der optionalen Aluminiumoxid-Kurzfasern und der beispielsweise Kaliumtitanat-Whisker jeweils gleich oder geringer als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, und das Volumenverhältnis der Aluminiumborat-Whisker, bezogen auf das Volumen der TiO₂-Teilchen, beträgt bevorzugt 10 bis 30%.
Gemäß dieser Ausführungsform sind aufgrund der Tatsache, daß die TiO₂-Teilchen mit den Aluminiumborat-Whiskern durch die anorganischen Binder, welche mit den Aluminiumoxid-Kurzfasern verbunden sind, gesintert werden, die Verschleiß- und Abriebfestigkeit der Kolbenkomponente A durch das zusätzliche Vermischen einer kleinen Menge der Aluminiumoxid-Kurzfasern in einem hohen Maß verbessert. Die Luftdurchlässigkeit zwischen den Aluminiumoxid-Kurzfasern wird ferner durch zusätzliches Vermischen von Kaliumtitanat-Whiskern verbessert, da die Kaliumtitanat-Whisker etwa die selbe Größe aufweisen, wie die TiO₂-Teilchen und eine gute bzw. hohe Sintereigenschaft besitzen, und deshalb die Kaliumtitanat-Whisker nicht nur leicht an den Aluminiumborat-Whiskern, den TiO₂-Teilchen und den Aluminiumoxid-Kurzfasern anhaften, sondern auch größtenteils nahe der Aluminiumborat-Whisker, der TiO₂-Teilchen und der Aluminiumoxid-Kurzfasern gesintert sind. Das bedeutet, daß die TiO₂-Teilchen sowohl mit den Aluminiumborat-Whiskern, als auch den Kaliumtitanat-Whiskern durch die anorganischen Binder verbunden sind, welche mit den Aluminiumoxid-Kurzfasern verbunden sind, und die TiO₂-Teilchen sind direkt mit den Kaliumtitanat-Whiskern verbunden. In dieser Ausführungsform ist das Volumenverhältnis der Aluminiumoxid-Kurzfasern gleich oder weniger als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, da die Festigkeit und die Luftdurchlässigkeit der Vorformling-Struktur 5 jeweils herabgesetzt sind und die Homogenität der TiO₂-Teilchen erniedrigt wird, wenn das Volumenverhältnis der Aluminiumoxid-Kurzfasern größer ist, als 5%. Das Volumenverhältnis der Kaliumtitanat-Whisker ist gleich oder geringer als 5%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, da die Vorformling-Struktur während des Verbundverfahrens erweicht wird und deshalb leicht zusammengepreßt und gebrochen wird, wenn das Volumenverhältnis der Kaliumtitanat-Whisker größer ist, als 5%. Wenn das Volumenverhältnis der Aluminiumborat-Whisker kleiner ist, als 10%, bezogen auf das Volumen der TiO₂-Teilchen, können die Festigkeit und die Luftdurchlässigkeit der Vorformling-Struktur 5 nicht verbessert werden, was auch der Fall ist, wenn das Verstärkungsmaterial nur die TiO₂-Teilchen und Aluminiumborat-Whisker einschließt. Wenn andererseits dieses Volumenverhältnis größer ist, als 30%, ist die Steifigkeit der Vorformling-Struktur 5 weiter erniedrigt und die Vorformling-Struktur bricht deshalb leicht während des Verbundverfahrens, da die Aluminiumoxid-Kurzfasern und die Kaliumtitanat-Whisker weiter gemischt werden. Im Ergebnis wird das Volumenverhältnis der Aluminiumborat-Whisker vorzugsweise zu 10–30%, bezogen auf das Volumen der TiO₂-Teilchen, bestimmt, so daß die Festigkeit der Vorformling-Struktur 5 beibehalten und die Luftdurchlässigkeit derselben weiter verbessert werden kann.
In den vorgenannten Ausführungsformen werden die Vorformling-Strukturen 5 in den Kolbenringnuten 1 der Kolbenkomponente A bereitgestellt, und das Grundmetall wird durch die verstärkenden Vorformling-Strukturen verstärkt. Die vorliegende Erfindung kann auf andere Komponenten, welche eine gute Verschleiß- und Abriebfestigkeit benötigen, wie Bremsscheibenrotoren in einem Bremssystem eine Automobils und Ventilstößeln eines Motors, angewendet werden.
In den vorgenannten Ausführungsformen werden nur Teile der Komponenten, wie die Kolbenringnuten 1, durch das Verstärkungsmaterial verstärkt bzw. ein Verbund mit dem Verstärkungsmaterial hergestellt. Die vorliegende Erfindung kann auch auf Komponenten angewendet werden, die vollständig verstärkt werden.
BEISPIELE
Zuerst wurde eine Vorformling-Struktur durch das vorgenannte Verfahren hergestellt. Die keramischen Teilchen, welche verwendet wurden, waren TiO₂-Teilchen, die von Wako Junyaku Kogyo Kabushiki Kaisha erhältlich sind und einen mittleren Durchmesser von 0,3 μm aufweisen, die Whisker waren Aluminiumborat-Whisker (Handelsname "ALBOREX-M12"), welche von Shikoku Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha erhältlich sind, und Fasern mit einem Durchmesser von 0,5–1,0 μm und einer Länge von 10–30 μm aufweisen, und die Pulver, welche die Eigenschaft aufweisen, durch Verbrennen entfernbar zu sein, waren Graphitpulver, die von Nishimura Kokuen Kabushiki Kaisha erhältlich sind, und einen mittleren Durchmesser von 45 μm aufweisen. Diese TiO₂-Teilchen, Aluminiumborat-Whisker und Graphitpulver wurden mit 500 cm³ Wasser gemischt. Das Volumenverhältnis der Aluminiumborat-Whisker war 25%, bezogen auf das Volumen der TiO₂-Teilchen. Siliciumdioxidsole wurden als anorganische Binder zugegeben, so daß sie ein Volumenverhältnis von 3%, bezogen auf das Gesamtvolumen der TiO₂-Teilchen und der Aluminiumborat-Whisker aufwiesen. Die Sintertemperatur wurde im Bereich von 800°C–1200°C variiert, und die Sinterdauer betrug 2 Stunden. Die erhaltenen Vorformling-Strukturen hatten jeweils Ausmessungen von 62·36·15 mm, und es wurden drei Arten von Vorformling-Strukturen hergestellt, deren jeweilige Verstärkungsmaterialien Volumenverhältnisse (Vf) von 8%, 13% und 24%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Strukturen, aufwiesen.
Um vorbestimmte Volumenverhältnisse (Vf) der Verstärkungsmaterialien in Bezug auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Strukturen zu erhalten, wurden die jeweiligen Mischungsverhältnisse der TiO₂-Teilchen, der Aluminiumborat-Whisker und der Graphitpulver unter Berücksichtigung der Tatsache bestimmt, daß das Verhältnis der Poren oder Hohlräume vor dem Wegbrennen der Graphitpulver etwa 65% beträgt, d. h. das Gesamtvolumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien und Graphitpulver ist etwa 35%. Wenn nämlich das Volumenverhältnis der Verstärkungsmaterialien (TiO₂-Teilchen + Aluminiumborat-Whisker) auf 1:2, bezogen auf das Volumen der Graphitpulver, festgelegt wird, um z. B. eine Vf von 13% zu erhalten, und dann die Verstärkungsmaterialien und die Graphitpulver dem Wasser zugegeben werden, wird das Gesamtvolumenverhältnis der TiO₂-Teilchen und der Aluminiumborat-Whisker etwa 13%, was etwa 1/3 von 35% ist. Somit wurden die Mengen des Graphits auf Basis der gewünschten Volumenverhältnisse der Verstärkungsmaterialien variiert.
Als nächstes wurden die Kompressionsfestigkeiten der jeweiligen Vorformling-Strukturen, wie in 7 gezeigt, gemessen. Zu Vergleichszwecken wird in 7 auch die Vorformling-Struktur, welche nur TiO₂ ohne Whisker als Verstärkungsmaterial einschließt, gezeigt. In 7 ist die durch die gestrichelte Linie angezeigte Festigkeit die minimale Festigkeit, die zur Durchführung eines Aluminium-Gießens notwendig ist. Es heißt, daß diese Festigkeit abnimmt, wenn das Volumenverhältnis (Vf) kleiner wird, jedoch kann gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung das Aluminium-Gießen bei einer Sintertemperatur von 1200°C selbst dann durchgeführt werden, wenn Vf 8% ist, und die Festigkeit wird durch die Whisker selbst dann beibehalten, wenn die Sintertemperatur relativ niedrig ist, wenn Vf groß ist.
8 zeigt eine innere Struktur der Vorformling-Struktur mit einem Vf von 13%. 9 zeigt eine innere Struktur der Vorformling-Struktur eines Vergleichsbeispiels mit einem Vf von 13%, welche nur TiO₂-Teilchen ohne Whisker einschließt. Die in 8 und 9 gezeigten inneren Strukturen sind beide 3000-fach vergrößert. Es ist so zu verstehen, daß die Whisker als Gerüstteile wirken und die TiO₂-Teilchen jeweils miteinander kombiniert bzw. verbunden sind und deshalb die Festigkeit der Vorformling-Struktur erhöht ist.
Als nächstes wurde Aluminium-Gießen in der vorbeschriebenen Weise durchgeführt, um drei Arten von Vorformling-Strukturen herzustellen, und dann wurden drei Arten von Verbundwerkstoff-Materialien, in welchen geschmolzenes Aluminium oder geschmolzene Aluminiumlegierungen in die Vorformling-Strukturen infiltriert wurden und dann ein Verbund zwischen dem Aluminium oder den Aluminiumlegierungen mit den Vorformling-Strukturen hergestellt wurde, erhalten. Das Aluminium-Gießen wurde jeweils bei der Bedingung durchgeführt, daß das Aluminium oder die Aluminiumlegierungen das vorgenannte AC8A waren, die Temperatur des geschmolzenen Metalls 760°C betrug, die Temperaturen der Metall-Gießformen oder -Preßformen 260°C betrugen, die Temperatur der Vorformling-Strukturen 300°C war, und der angewendete Druck 100 MPa betrug. Ferner wurde nach dem Verbundverfahren die T6-Wärmebehandlung durchgeführt. Das heißt, die Verbundwerkstoff-Materialien wurden für etwa 4 Stunden bei etwa 510°C und für etwa 10 Stunden bei etwa 170°C gehalten, und schließlich mittels Luft abgekühlt.
Danach wurden von den drei Arten von Komposit-Materialien bzw. Verbundwerkstoff-Materialien Rundstab-Teststücke mit 5 mm Durchmessern in parallelen Stücken davon hergestellt. Zugversuche wurden an den Rundstab-Teststücken bei einer Kreuzkopf- bzw. Traversen-Geschwindigkeit von 0,0177 m/s und bei zwei Temperaturen, nämlich Raumtemperatur und einer hohen Temperatur (260°C) durchgeführt. In dem Test bei der hohen Temperatur wurden die Messungen durchgeführt, nachdem die Teststücke 20 Stunden lang bei 260°C vorgeheizt wurden.
Ferner wurden Abriebtests durchgeführt. Das bedeutet, daß scheibenförmige Teststücke 40 aus den Verbundwerkstoff-Materialien hergestellt wurden, und, wie in 12 gezeigt, wurde ein Ring 41, der aus SCr40 (HRc45) gebildet ist, auf jedes der jeweiligen scheibenförmigen Teststücke 40 aufgelegt. Die scheibenförmigen Teststücke 40 wurden fixiert und die Ringe 41 wurden unter einem Oberflächendruck von 10 MPa, einer Umfangsgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer Schmieröltemperatur von 100°C entlang einer Achse rotiert. Wenn die gesamte Umfangsdistanz 5000 m erreicht hatte, wurden die Abriebverluste in den scheibenförmigen Teststücken 40 und den Ringen 41 gemessen.
10 und 11 zeigen jeweils die Messungen der Zugversuche der Verbundwerkstoff-Materialien, die bei Raumtemperatur und der hohen Temperatur ausgeführt wurden. In 10 sind zu Vergleichszwecken die Zugfestigkeiten von Vergleichsbeispielen bei Raumtemperatur ebenfalls gezeigt. Die Vergleichsbeispiele waren Verbundwerkstoff-Materialien, deren Verstärkungsmaterial nur TiO₂-Teilchen ohne Whisker einschließt. Wie in 10 gezeigt, waren die Zugfestigkeiten der Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele in den Zugversuchen bei Raumtemperatur höher, als jene der Vergleichsbeispiele, obwohl die Zugfestigkeiten der Beispiele ein klein wenig niedriger waren, als jene der Verbundwerkstoff-Materialien, deren Grundmetall AC8A war und an welchen die Wärmebehandlung T6 durchgeführt worden ist. Wie in 11 gezeigt, waren die Zugfestigkeiten der Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele in den Zugversuchen bei der hohen Temperatur höher, als jene der Verbundwerkstoff-Materialien, deren Grundmetall AC8A war und an welchen die Wärmebehandlung T6 durchgeführt worden ist. Folglich waren die Koagulationen der TiO₂-Teilchen durch die Aluminiumborat-Whisker verbessert und deshalb waren die Zugfestigkeiten besonders bei der hohen Temperatur erhöht.
13 zeigt die Messungen der Abriebtests. Zu Vergleichszwecken werden in 13 ebenfalls die Messungen der Abriebtests des Grundmetalls AC8A und eines Ni-Resist Gußeisens, welches gewöhnlich als Kolbenringnuten einer Kolbenkomponente verwendet wurde, gezeigt. Aus 13 ist klar ersichtlich, daß die Verschleiß- und Abriebfestigkeiten der Beispiele, welche die TiO₂-Teilchen und die Aluminiumborat- Whisker einschließen, besser waren, als jene des Ni-Resist Gußeisens und diese Festigkeiten der Beispiele waren viel besser innerhalb eines Bereichs von gleich oder größer als 13% Vf. Es ist daher verständlich, daß die Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele für eine Verwendung als Verstärkungsmaterialien der Kolbenringnuten besser geeignet sind, als das herkömmliche Ni-Resist Gußeisen.
Die 14–16 zeigen die Strukturen (400-fache Vergrößerung) der jeweiligen Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele der vorliegenden Erfindung, deren jeweilige Volumenverhältnisse (Vf) 8%, 13% und 24% betragen. Zu Vergleichszwecken zeigt die 17 die Struktur (100-fache Vergrößerung) eines Vergleichsbeispiels, welches nur TiO₂ ohne Whisker einschließt. In den 14–17 zeigen die schwarzen Bereiche bzw. Teile Konzentrationen der TiO₂-Teilchen, und weiße Bereiche bzw. Teile zeigen die sich im Verbund befindlichen Aluminiumborat-Whisker. Aus den 14–16 ist ersichtlich, daß die TiO₂-Teilchen und die Aluminiumborat-Whisker homogen in den Beispielen dispergiert sind. Das bedeutet, daß die gewünschten Festigkeiten der Verbundwerkstoff-Materialien überall in den jeweiligen Beispielen homogen gehalten werden. Es wurde mittels Röntgenanalyse gefunden, daß die spröde Verbindung Ti-Al-Si in einem Beispiel mit 24% Vf durch die T6-Wärmebehandlung erzeugt wurde. Da die Verbindung Ti-Al-Si allgemein die Härte eines Materials erhöht, kann durch diese Tatsache nachgewiesen werden, daß gute Abriebfestigkeiten der Verbundwerkstoffmaterialien der Beispiele in den Abriebtests erhalten werden können. Andererseits ist es ebenso verständlich, daß die gewünschten Festigkeiten der Verbundwerkstoff-Materialien durch die homogen dispergierten Aluminiumborat-Whisker beibehalten wurden, obwohl die Festigkeiten allgemein durch die Sprödigkeit herabgesetzt sein könnten.
Weiterhin wurden Verbundwerkstoff-Materialien gemäß dem vorgenannten Verfahren durch Mischen von Aluminiumoxid-Kurzfasern mit Durchmessern von 5–10 μm und Längen von 200–500 μm zusätzlich zu den TiO₂-Teilchen und den Aluminiumborat-Whiskern, hergestellt. Die jeweiligen Volumenverhältnisse der TiO₂-Teilchen, der Aluminiumborat-Whisker und der Aluminiumoxid-Kurzfasern, bezogen auf die Volumen der Vorformling-Strukturen, betrugen 6%, 4% und 1%. Abriebtests wurden in der selben, wie vorstehend erklärten Weise mit den Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele durchgeführt und die Abriebverluste wurden gemessen. 18 zeigt diese Messungen der Beispiele. Wie aus 18 ersichtlich ist, sind die Verschleiß- und Abriebfestigkeiten der Verbundwerkstoff-Materialien der Beispiele, welche zusätzlich zu den TiO₂-Teilchen und den Aluminiumborat-Whiskern die Aluminiumoxid-Kurzfasern in einer Menge von etwa 1% einschließen, sehr viel besser, als jene der Beispiele, die nur TiO₂-Teilchen und die Aluminiumborat-Whisker einschließen.
Als nächstes wurden eine erste Vorformling-Struktur und eine zweite Vorformling-Struktur hergestellt. Die erste Vorformling-Struktur schließt als Verstärkungsmaterialien TiO₂-Teilchen, Aluminiumborat-Whisker und Aluminiumoxid-Kurzfasern ein, und die zweite Vorformling-Struktur schließt als Verstärkungsmaterialien Kaliumtitanat-Whisker mit Durchmessern von etwa 0,3 μm und Längen von etwa 10 μm zusätzlich zu den Verstärkungsmaterialien in der ersten Vorformling-Struktur ein. Sowohl die erste, als auch die zweite Vorformling-Struktur wurden jeweils bei einer Sintertemperatur von 1100°C während zwei Stunden gesintert. Die jeweiligen Volumenverhältnisse der TiO₂-Teilchen, der Aluminiumborat-Whisker und der Aluminiumoxid-Kurzfasern, bezogen auf die Volumen der jeweiligen ersten und zweiten Vorformling-Struktur, betrugen 7%, 2% und 1,5%, und das Volumenverhältnis der Kaliumtitanat-Whisker, bezogen auf das Volumen der zweiten Vorformling-Struktur, war 1%. Somit betrug das Volumenverhältnis (Vf) der Verstärkungsmaterialien in der ersten Vorformling-Struktur, bezogen auf das Gesamtvolumen der ersten Vorformling-Struktur, 10,5% und das Volumenverhältnis (Vf) der Verstärkungsmaterialien in der zweiten Vorformling-Struktur, bezogen auf das Gesamtvolumen der zweiten Vorformling-Struktur, war 11,5%. Die Ausmaße der ersten und der zweiten Vorformling-Strukturen waren jeweils 58·36·15 mm.
Danach wurden die Kompressionsfestigkeiten der ersten und der zweiten Vorformling-Struktur gemessen und diese sind in 19 dargestellt. Die Festigkeit der Vorformling-Struktur konnte selbst dann beibehalten werden, wenn die Aluminiumoxid-Kurzfasern zugegeben wurden, um die Verschleiß- und Abriebfestigkeit zu erhöhen, und die Festigkeit der zweiten Vorformling-Struktur, in welcher die Kaliumtitanat-Whisker zusätzlich zugegeben worden sind, war viel mehr verbessert, als jene der ersten Vorformling-Struktur.
20 und 21 zeigen jeweils die Strukturen (3000-fache Vergrößerung) der ersten und der zweiten Vorformling-Struktur. In 20 sind dicke und lange Bereiche bzw. Teile Aluminiumoxid-Kurzfasern, dünne und kurze Bereiche bzw. Teile Aluminiumborat-Whisker und weiße Bereiche bzw. Teile TiO₂-Teilchen. Wie aus diesen n ersichtlich ist, haften viel mehr TiO₂-Teilchen als auch Kaliumtitanat-Whisker in der zweiten Vorformling-Struktur an den Aluminiumborat-Whiskern und den Aluminiumoxid-Kurzfasern, als in dem Fall der ersten Vorformling-Struktur, und deshalb ist die Luftdurchlässigkeit der zweiten Vorformling-Struktur besser, als jene der ersten Vorformling-Struktur.
Weiterhin wurde ein Aluminium-Gießen jeweils mit der ersten und der zweiten Vorformling-Struktur durchgeführt, und erste und zweite Verbundwerkstoff-Materialien wurden durch die Infiltration des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in die erste und zweite Vorformling-Struktur erhalten. Das jeweilige Aluminium-Gießen wurde bei der Bedingung durchgeführt, daß das Aluminium oder die Aluminiumlegierung AC8A war, die Temperatur des geschmolzenen Metalls 760°C betrug, die Temperatur der Metall-Gießform oder -Preßform 260°C war, und der angewendete Druck 150 MPa betrug.
Die Härte und Zugfestigkeit des ersten und zweiten Verbundwerkstoff-Materials wurden jeweils gemessen, und die des AC8A selbst wurden zu Vergleichszwecken ebenfalls gemessen. Die gemessene Härte und Zugfestigkeit des ersten Verbundwerkstoff-Materials waren Hv110–115 bzw. 220–230 MPa und die gemessene Härte und Zugfestigkeit des zweiten Verbundwerkstoff-Materials waren Hv115–120 bzw. 220–240 MPa. Die gemessene Härte und Zugfestigkeit des AC8A waren andererseits Hv80 bzw. 170 MPa. Im Ergebnis ist es so zu verstehen, daß die Harte und Zugfestigkeit des ersten Verbundwerkstoff-Materials nahezu gleich waren mit denjenigen des zweiten Verbundwerkstoff-Materials, und jene des ersten und zweiten Verbundwerkstoff-Materials waren sehr viel besser, als jene des AC8A oder Grundmaterials.
Als nächstes wurde eine dritte Vorformling-Struktur hergestellt, welche die gleiche war, wie die vorgenannte zweite Vorformling-Struktur mit dem Unterschied, daß sie eine andere Form aufwies. Die dritte Vorformling-Struktur wurde mit AC8A durch Verwendung des Gasdruck-Gießverfahrens in Verbund gebracht, wodurch ein drittes Verbundwerkstoff-Material erhalten wurde. Das bedeutet, daß eine dritte Vorformling-Struktur 50, welche eine Scheibe mit einem Durchmesser von 95 mm und einer Dicke von 15 mm war, wie in 22 gezeigt, auf eine Bodenoberfläche einer Metall-Form bzw. Metall-Gießform 51 eingesetzt wurde, welche aus einer oberen Form 51a und einer unteren Form 51b zusammengesetzt war. Ein geschmolzenes AC8A oder ein geschmolzenes Metall 52 wurde auf die dritte Vorformling-Struktur 50 gegossen, und das geschmolzene Metall 52 wurde durch Einführen eines Gases, wie Luft oder Stickstoffgas, unter einen Druck von 0,5 MPa gesetzt. Dadurch wurde ein Verbund hergestellt zwischen der dritten Vorformling-Struktur 50 und dem AC8A bzw. dem geschmolzenen Metall und schließlich wurde ein drittes Verbundwerkstoff-Material erhalten. Die Temperaturen des AC8A bzw. des geschmolzenen Metalls 52 und der Metall-Form 51 und die Vorheizungstemperatur der dritten Vorformling-Stuktur betrugen 770°C bzw. 110°C bzw. 70°C.
Die Härte des dritten Verbundwerkstoff-Materials wurde zu Hv110–115 gemessen, welche die selbe war, wie die des zweiten Verbundwerkstoff-Materials, welches durch normales Druckgießen (150 MPa) hergestellt worden war. Das dritte, unter einem Druck von 0,5 MPa hergestellte Verbundwerkstoff-Material wies die selbe Härte auf, wie das zweite Verbundwerkstoff-Material, welches unter hohem Druck hergestellt wurde und das dritte Verbundwerkstoff-Material hatte eine sehr gute Luftdurchlässigkeit. Da ein Druck von 0,5 MPa herkömmlich in Fabriken und dergleichen angewendet wird, kann ein Verbund mit der Vorformling-Struktur leicht hergestellt werden, ohne neue Kompressoren bereitstellen zu müssen.
Wenn mit der vorgenannten ersten Vorformling-Struktur, welcher keine Kaliumtitanat-Whisker zugemischt waren, ein Verbund mittels des Luftdruck-Gießverfahrens hergestellt wurde, wurde der Verbund der ersten Vorformling-Struktur nicht unter einem Druck von weniger als 1 MPa hergestellt, sondern unter einem Druck, der gleich 1 MPa war, und sie wies eine gute Luftdurchlässigkeit auf.

Claims

Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente, in welcher ein Grundmetall von einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit Verstärkungsmaterialien verstärkt ist, umfassend: – eine Vorformling-Struktur, umfassend: Verstärkungsmaterialien, einschließlich keramischer Teilchen, ersten Whiskern, zweiten Whiskern und anorganischem Bindemittel, wobei die keramischen Teilchen an den Oberflächen der ersten Whisker anhaften, wobei die zweiten Whisker eine bessere Sintereigenschaft aufweisen und kleinere Durchmesser und kürzere Längen der Fasern besitzen, als jene der ersten Whisker, die keramischen Teilchen sowohl mit den ersten, als auch den zweiten Whiskern durch die anorganischen Bindemittel verbunden sind und die keramischen Teilchen direkt mit den zweiten Whiskern verbunden sind, wobei das Volumenverhältnis der ersten Whisker, bezogen auf das Volumen der keramischen Teilchen, 10–40% beträgt, die zweiten Whisker ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 5% oder weniger aufweisen, und die Verstärkungsmaterialien ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 30% oder weniger aufweisen, – Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, welches bzw. welche in einen Verbund mit der Vorformling-Struktur gebracht ist.
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach Anspruch 1, wobei die keramischen Teilchen Titandioxid und die ersten Whisker Aluminiumborat-Whisker einschließen.
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die keramischen Teilchen mit den ersten Whiskern durch die anorganischen Bindemittel verbunden sind, die mit kurzen Fasern
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach Anspruch 3, wobei die kurzen Fasern ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Gesamtvolumen der Vorformling-Struktur, von 5% oder weniger aufweisen.
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach Anspruch 3 oder 4, wobei die kurzen Fasern Aluminiumoxid-Kurzfasern einschließen.
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten Whisker ein Volumenverhältnis, bezogen auf das Volumen der keramischen Teilchen, von 10–30% aufweisen.
Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweiten Whisker Kaliumtitanat-Whisker einschließen.
Verwendung der Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Motorkolben.