DE19810544A1 - Metallisches, poröses Produkt und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Metallisches, poröses Produkt und Verfahren zur Herstellung desselben

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein metallisches, poröses Produkt, welches als eine Verstärkung für die Herstellung eines Leichtmetall-Verbundprodukts bzw. eines Leichtmetallegierung-Verbundprodukts verwendet wird, das eine Alumini­ umlegierung oder eine Magnesiumlegierung als Strukturmetall enthält, und ein Verfahren zur Herstellung des metallischen, porösen Produkts, und genauer auf ein metallisches, poröses Produkt, welches in seiner Verschleißfestigkeit ver­ bessert ist, ohne eine Verschlechterung der Festigkeit zu bewirken, welche eine der wesentlichen physikalischen Eigenschaften ist, die Metallen natürlich zu eigen ist, und ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt, welches unter Verwen­ dung des metallischen, porösen Produkts mit einer Wirkung hinsichtlich der Ver­ besserung seiner physikalischen Eigenschaften hergestellt ist, und ein Verfahren zur Herstellung des metallischen, porösen Produkts und des Leichtmetallegierung-Verbundprodukts.
Kolben und die ihnen zugehörigen Teile eines Dieselmotors werden typischer­ weise aus einer hoch Silicium-haltigen Aluminiumlegierung, wie AC8A, spezifiert durch den japanischen Industriestandard, gefertigt, welche eine niedrige ther­ mische Ausdehnung und eine hohe Verschleißfestigkeit besitzt. Beispielsweise wird ein Kolben einer außerordentlichen Schub- bzw. Druckkraft unterworfen, welche wiederholt auf Kolbenringe, die in Kolbenringnuten des Kolbens einge­ setzt sind, beim Arbeits- bzw. Expansionshub ausgeübt werden, und eine Zone des hoch Silicium-haltigen Aluminiumlegierung-Kolbens, in welchem die Kolben­ ringnuten gebildet sind, ist nicht immer adäquat in Bezug auf die Verschleiß­ festigkeit und Ermüdungsdeformationsbeständigkeit. Aus diesem Grund war eine weitere Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Kolbens lange erwünscht.
Die Erfinder dieser Anmeldung führten Untersuchungen zur Verbesserung von Leichtmetallegierung-Verbundprodukten und metallischen, porösen Produkten, welche vorbereitend für die Herstellung von Leichtmetallegierung-Verbund­ produkten zur Verfügung gestellt wurden, durch. Als ein Ergebnis dieser Unter­ suchung wurde, wie dies in den japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 2-30790 und 3-30708 beschrieben ist, eine verwendbare Technik zur Verbesse­ rung der physikalischen Eigenschaften von Leichtmetallegierung-Verbundproduk­ ten durch Imprägnieren eines metallischen, porösen Produkts als eine Verstär­ kung eines Leichtmetallegierung-Verbundprodukts mit einer geschmolzenen Leichtmetallegierung gefunden, um dadurch eine intermetallische Verbindung an einer Grenzfläche zwischen diesen metallischen, porösen Produkten und dem imprägnierten Leichtmetall herzustellen. Wie dies in der japanischen Patentver­ öffentlichung Nr. 1-15347 beschrieben ist, wurde auch ein Leichtmetallegierung-Verbund­ produkt gefunden, welches durch Füllen von Metallteilchen, kerami­ schen Teilchen oder Kohlenstoffteilchen in offene Poren eines metallischen, porösen Produkts und Imprägnieren desselben mit einer geschmolzenen Leicht­ metallegierung zur Verfügung gestellt wird. Diese metallischen, porösen Produkte haben eine hohe Porosität und werden aufgrund ihres hohen Füllfaktors für einen Katalysator oder als ein aktives Material weit verbreitet beispielsweise als Kataly­ satorträger und Batteriegrundmaterialien verwendet.
Als eines der Verfahren zur Herstellung von metallischen, porösen Elementen, welche eine Porosität von mehr als etwa 90% besitzen, waren ein Metall­ plattierverfahren, wie es beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patent­ veröffentlichung Nr. 57-174484 beschrieben ist, in welchem ein Metall auf einem geschäumten Harz abgeschieden wird, und ein Aufschlämmungsbeschich­ tungsverfahren, wie es beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patent­ veröffentlichung Nr. 5-339605 beschrieben ist, in welchem ein metallisches, poröses Produkt durch Sintern einer metallischen Skelettstruktur, welche durch Verbrennen eines geschäumten Harzblattes, das mit einer Metallteilchenauf­ schlämmung imprägniert ist, hergestellt wurde.
In den Leichtmetall- bzw. Leichtmetallegierung-Verbundprodukten gemäß dem Stand der Technik sind noch einige Probleme ungelöst geblieben. Beispielsweise besitzen selbst die Leichtmetallegierung-Verbundprodukte, welche in den vor­ genannten japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungen Nr. 2-30790 und 3-30708 beschrieben sind, eine Härte zwischen etwa 150 und 700 Micro-Vickers. In einigen Anwendungen der Leichtmetallegierung-Verbundprodukte wird die gewünschte Verschleißbeständigkeit, welche von der Härte eines metallischen, porösen Produkts oder der Härte einer intermetallischen Verbin­ dung, die an einer Grenzfläche zwischen dem metallischen, porösen Produkt und einem Grundmetall aus der Leichtmetallegierung gebildet ist, abhängt, nicht immer durch die Härte des Leichtmetallegierung-Verbundprodukts geliefert. Insbesondere wenn das Leichtmetallegierung-Verbundprodukt als ein Material für einen Teil eines Kolbens verwendet wird, in welchem Kolbenringnuten ausge­ bildet sind, läßt es eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften zu. Während die Verschleißbeständigkeit durch eine Erhöhung des Volumenanteils der metallischen, porösen Einheit bzw. Struktur relativ zu dem Leichtme­ tallegierung-Verbundprodukt verbessert werden kann, führt dies zu einer un­ zureichenden Porosität, mit dem Ergebnis, daß ein erhöhter Druck von etwa 30 bis 300 kg/cm2 erforderlich ist, um eine geschmolzenes Leichtmetallegierung zu imprägnieren.
Während das Leichtmetallegierung-Verbundprodukt gemäß dem Stand der Tech­ nik, welches in der oben erwähnten, japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-15347 beschrieben ist, zu einer verbesserten Verschleißbeständigkeit aufgrund der Metallteilchen, Keramikteilchen oder Kohlenstoffteilchen, welche in die offenen Poren des metallischen, porösen Produkts gefüllt werden, führt, tendie­ ren jedoch die Teilchen dazu, sich zu aggregieren, wenn sie in die offenen Poren gefüllt werden, und folglich bleibt das Problem, daß der Druck ansteigen muß, welcher erforderlich ist, um ein geschmolzenes Leichtmetall zu imprägnieren, ungelöst.
Zur Erlangung einer für das Leichtmetallegierung-Verbundprodukt signifikant verbesserten Verschleißbeständigkeit war es unter Berücksichtigung der obigen Probleme lange Zeit erwünscht, keramische Teilchen nahezu gleichmäßig in dem metallischen, porösen Produkt zu dispergieren, und zur Imprägnierung einer geschmolzenen Leichtmetallegierung den erforderlichen Druck auf einen so kleinen Wert wie möglich zu reduzieren.
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein metallisches, poröses Produkt mit einer verbesserten Verschleißbeständigkeit und ein hoch­ qualitatives Leichtmetallegierung-Verbundprodukt, welches unter Verwendung des metallischen, porösen Produkts hergestellt werden soll, zur Verfügung zu stellen.
Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines hoch verschleißbeständigen, metallischen, porösen Produkts und eines qualitativ hochwertigen Leicht­ metallegierung-Verbundprodukts, welches unter Verwendung des metallischen, porösen Produkts hergestellt werden soll, bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellen eines metallischen, porösen Produkts gelöst, welches eigenschaftsmodifizierende Teilchen enthält, die nahezu gleich­ förmig in einer Gerüst- bzw. Skelettstruktur davon dispergiert oder mit dieser legiert sind. Das gerüst- bzw. skelettbildende Metall umfaßt wenigstens eines der Metalle, einschließlich Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu) und Legierun­ gen, und Legierungen, welche Nickelmatrix-, Eisenmatrix- und Kupfermatrix-Legierungen einschließen. Die eigenschaftsmodifizierenden Teilchen umfassen wenigstens eines aus Metallen und Keramiken, welche Siliciumcarbid (SiC), ein Siliciumoxid (SiO2), ein Aluminiumoxid (Al2O3), ein Titanoxid (TiO2), ein Silicium­ nitrid (Si3N4), ein Aluminiumnitrid (AlN) und ein Titannitrid (TiN) einschließen. Der Keramikgehalt des metallischen, porösen Produkts liegt zwischen 5 und 30 Vol.-%.
In dem metallischen, porösen Produkt, dessen skelettbildendes Metall Nickel (Ni) oder eine der Nickelmatrixlegierungen ist, enthält das metallische, poröse Pro­ dukt Chrom (Cr), welches als das Eigenschaftsmodifikationsmittel verwendet wird, in einem Gehalt zwischen etwa 25 und 35 Gew.-%.
Die metallische Skelettstruktur ist nahezu gleichmäßig mit einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung ("light alloy") imprägniert, um ein Leichtmetalle­ gierung-Verbundprodukt zu bilden, welches beispielsweise für Teile eines Kol­ bens für eine Verbrennungskraftmaschine geeignet verwendbar ist.
Das metallische, poröse Produkt wird durch ein Verfahren hergestellt, umfassend die Schritte des Herstellens eines brennbaren, porösen Schaums, der offene Poren aufweist, des Aufbringens einer Aufschlämmung aus einem Gemisch von skelettbildenden Metallteilchen und eigenschaftsmodifizierenden Teilchen auf den brennbaren, porösen Schaum, des Verbrennens des mit dem Aufschlämmungs­ gemisch versehenen, brennbaren, porösen Schaums durch Hitze, um ein metalli­ sches Grundgerüst bzw. Skelett zurückzulassen, und des Sinterns des metalli­ schen Skeletts.
Die geschmolzene Leichtmetallegierung wird in eine Form, in welcher das metalli­ sche, poröse Produkt eingebracht wird, zur Imprägnierung des metallischen, porösen Produkts mit der in offene Poren des metallischen, porösen Produkts gefüllten, geschmolzenen Leichtmetallegierung gefüllt, wodurch ein Leicht­ metallegierung-Verbundprodukt bereitgestellt wird. Die Imprägnierung des metal­ lischen, porösen Produkts, welches wünschenswerterweise derart hergestellt wird, daß es eine Porosität zwischen 80 und 95% aufweist, mit der geschmol­ zenen Leichtmetallegierung erfolgt unter einem Manometerdruck von mehr als 0,15 kg/cm2.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende, detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ist eine diagrammartige Ansicht, welche den Zusammenhang zwischen der Härte und dem Chromgehalt eines metallischen, porösen Produkts zeigt.
Fig. 2 ist eine photomikrographische Abbildung, welche eine metallographische Struktur eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts zeigt, das unter Verwen­ dung eines metallischen, porösen Produkts, dessen Titanoxidgehalt 20 Vol.-% ist, zur Verfügung gestellt wurde.
Fig. 3 ist eine photomikrographische Abbildung, welche eine metallographische Struktur eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts zeigt, das durch die Ver­ wendung eines metallischen, porösen Produkts, welches kein Titanoxid enthält, zur Verfügung gestellt wurde.
Fig. 4 ist eine diagrammartige Ansicht, welche den Zusammenhang zwischen der Härte und dem Titanoxidgehalt eines metallischen, porösen Produkts zeigt.
Fig. 5 ist eine diagrammartige Ansicht, welche ein Ergebnis eines Ring-Scheiben-Verschleißtests eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist eine diagrammartige Ansicht, welche die Härte eines Aluminium­ legierung-Verbundprodukts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 7 ist eine diagrammartige Ansicht, welche ein Ergebnis eines Ring-Scheiben-Verschleißtests von Aluminiumlegierung-Verbundprodukten gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht eines ringförmigen, brennbaren Schaums.
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht eines Leichtmetallegierung-Verbund­ produkts, welches unter Verwendung des ringförmigen, brennbaren Schaums hergestellt wurde, der als eine Kolbenringnuten-Verstärkung verwendet wird.
Fig. 10 ist eine photomikrographische Abbildung, welche eine metallographische Struktur eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts zeigt, das unter Verwen­ dung des in Fig. 9 gezeigten, metallischen, porösen Produkts, dessen Titanoxid­ gehalt 20 Vol.-% beträgt, zur Verfügung gestellt wurde.
Fig. 11 ist eine diagrammartige Ansicht, welche ein Ergebnis eines Ring-Schei­ ben-Verschleißtests von Aluminiumlegierung-Verbundprodukten zeigt, die durch Verwendung des in Fig. 9 gezeigten, metallischen, porösen Produkts, dessen Titanoxidgehalt 20 Vol.-% beträgt, zur Verfügung gestellt wurden.
Fig. 12 ist eine diagrammartige Ansicht, welche ein Ergebnis eines Ring-Schei­ ben-Verschleißtests von Aluminiumlegierung-Verbundprodukten zeigt, die durch Verwendung eines metallischen, porösen Produkts, welches Siliciumcarbid oder ein Siliciumoxid anstelle eines Aluminiumoxids enthält, zur Verfügung gestellt wurden.
Erfindungsgemäß wird ein metallisches, poröses Produkt, welches eine ver­ besserte physikalische Eigenschaft oder Verschleißbeständigkeit besitzt, und ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt, welches in seinen physikalischen Eigen­ schaften durch die Verwendung des metallischen, porösen Produkts verbessert ist, bereitgestellt, wobei das erfindungsgemäße metallische, poröse Produkt signifikant in seiner Verschleißbeständigkeit verbessert ist, indem Metallteilchen oder harte, keramische Teilchen in einem gerüst- bzw. skelettbildenden Metall des metallischen, porösen Produkts dispergiert sind, und wobei das erfindungs­ gemäße Leichtmetallegierung-Verbundprodukt, welches signifikant in seiner Verschleißbeständigkeit verbessert ist, durch die Verwendung des erfindungs­ gemäßen metallischen, porösen Produkts als eine Verstärkung bereitgestellt wird.
Das erfindungsgemäße metallische, poröse Produkt umfaßt ein skelettbildendes Metall, welches ein Metall, ausgewählt aus einer Gruppe aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu), und/oder einer Legierung, ausgewählt aus einer Gruppe von Nickelmatrixlegierungen, Eisenmatrixlegierungen und Kupfermatrixlegie­ rungen, umfaßt. Jedes dieser Metalle ist befähigt, mit einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung, wie einer Aluminiumlegierung, Legierungen zu bilden, welche das Metall durch umhüllendes Gießen abdeckt und zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des metallischen, porösen Produkts beiträgt. Das skelettbildende Metall kann in Form von legierten Teilchen zur Verfügung gestellt werden, wenn eine Aufschlämmung des skelettbildenden Metalls hergestellt wird, oder es kann als ein Gemisch von zwei oder mehreren verschiedenen Metallen zur Verfügung gestellt werden, welche miteinander legiert werden, wenn sie gesintert werden. Der letzte Fall umfaßt denselben Herstellungsweg wie der Fall, in welchem Metallteilchen als ein Modifikationsmittel verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften des skelettbildenden Metalls zu verbessern.
Das metallische, poröse Produkt mit einer metallischen Skelettstruktur, die mit einer Leichtmetallegierung durch Füllen seiner offenen Poren mit einer geschmol­ zenen Leichtmetallegierung imprägniert ist, stellt ein Leichtmetallegierung-Ver­ bundprodukt mit einer signifikant verbesserten Verschleißbeständigkeit zur Verfügung. Da das metallische, poröse Produkt, unterschiedlich zu Verfahren gemäß dem Stand der Technik, zur Verfügung gestellt wird, ohne daß es mit Metall-, Keramik- oder Kohlenstoffteilchen in seinen offenen Poren gefüllt ist, bevor es mit einer geschmolzenen Leichtmetallegierung imprägniert wird, wird die Imprägnierung mit einer geschmolzenen Leichtmetallegierung leicht unter einem relativ niedrigen Druck erreicht. Während Metalle, Keramiken oder Kohlen­ stoff alleine oder in Kombinationen als Eigenschaftsmodifikationsmittel für die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften verwendet werden können, wie dies in der vorgenannten japanischen Patentveröffentlichung 1-15347 beschrie­ ben wird, sind Keramiken oder Metalle, welche befähigt sind, mit dem gerüst- bzw. skelettbildenden Metall durch Sintern Legierungen zu bilden, noch wün­ schenswerter. Solange ein Metall befähigt ist, mit dem skelettbildenden Metall beim Sintern Legierungen zu bilden und als ein Ergebnis davon physikalische Eigenschaften, wie die Verschleißbeständigkeit, des metallischen, porösen Produkts zu verbessern, ist dies nicht immer auf spezifische Arten beschränkt. In den Fällen, in welchen Nickel und/oder eine Nickelmatrixlegierung als das ske­ lettbildende Metall verwendet wird bzw. werden, ist Chrom als Modifizierungs­ mittel bzw. Modifikator für das skelettbildende Metall geeignet und der Chrom­ gehalt des metallischen, porösen Produkts liegt vorzugsweise zwischen 25 und 35 Gew.-%.
Fig. 1 ist eine diagrammartige Ansicht, welche den Zusammenhang zwischen dem Chromgehalt und der Härte des metallischen, porösen Produkts zeigt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, macht, während das metallische, poröse Produkt in seiner Härte, d. h. in seiner Verschleißbeständigkeit, mit einem Anstieg in seinem Chromgehalt ansteigt, das Chrom das metallische, poröse Produkt brüchig, wenn es im Übermaß enthalten ist, woraus resultierend das metallische, poröse Pro­ dukt (welches typischerweise preßgeformt wird), welches als eine Verstärkung eines Leichtmetallegierung-Verbundprodukts verwendet wird, eine Verringerung in seiner Formbarkeit erleidet. Es ist erforderlich, daß die Verstärkung für ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt eine Vickershärte von etwa 200 aufweist. Aus diesem Gesichtspunkt liegt ein wünschenswerter Bereich des Chromgehalts des metallischen, porösen Produkts zwischen 25 und 35 Gew.-%.
Als Keramiken, welche als Modifikatoren erhältlich sind, existieren ein Carbid von Aluminium (Al), Titan (Ti) oder Chrom (Cr), ein Nitrid von Aluminium (Al), Titan (Ti) oder Chrom (Cr), ein carbonisiertes Nitrid von Aluminium (Al), Titan (Ti) oder Chrom (Cr), ein Oxid von Aluminium (Al), Titan (Ti) oder Chrom (Cr), ein Carbid von Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta), ein Nitrid von Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta), ein carbonisiertes Nitrid von Vanadium (V), Niob (Nb) oder Tantal (Ta), welche als hochfeste, hitzebeständige Keramiken gut bekannt sind. Im Hinblick auf die Wirksamkeit hinsichtlich der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit ist es wünschenswert, eine oder mehrere Keramiken, wie ein Siliciumcarbid (SiC), ein Siliciumoxid (SiO2), ein Aluminiumoxid (Al2O3), ein Titanoxid (TiO2), ein Siliciumnitrid (Si3N4), ein Aluminiumnitrid (AlN), ein Titannitrid (TiN) und dgl. zu verwenden. Der Keramikgehalt des metallischen, porösen Produkts liegt wünschenswerterweise zwischen 5 und 30 Vol.-%. Wenn das metallische, poröse Produkt einen Keramikgehalt von weniger als 5 Vol.-% aufweist, ergeben die keramischen Teilchen keine Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der metallischen, porösen Struktur bzw. Einheit. Wenn auf der anderen Seite das metallische, poröse Produkt einen Keramikgehalt von über 30 Vol.-% aufweist, werden weniger Metallteilchen gebunden, was immer in einer Verminderung der Festigkeit des metallischen, porösen Produkts resultiert. Wie oben beschrieben, bringt die Imprägnierung des metallischen, porösen Produkts mit einer Leichtmetallegierung bezüglich seiner metallischen Skelettstrukturen eine signifikante Verbesserung der Verschleißbe­ ständigkeit des Leichtmetallegierung-Verbundprodukts, welches für Kolbenteile einer Verbrennungskraftmaschine annehmbar ist.
Das metallische, poröse Produkt wird mit einem Verfahren hergestellt, welches grundsätzlich eine Anwendung des zuvor beschriebenen Aufschlämmungs­ beschichtungsverfahrens ist. Eine Aufschlämmung wird durch Zusetzen eines Gemisches von Teilchen, welche aus einer Metallgruppe aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu) und/oder einer Gruppe von Nickelmatrixlegierungen, Eisen­ matrixlegierungen und Kupfermatrixlegierungen als ein skelettbildendes Metall und Keramikteilchen aus einem Siliciumcarbid (SiC), einem Siliciumoxid (SiO2), einem Aluminiumoxid (Al2O3), einem Titanoxid (TiO2), einem Siliciumnitrid (Si3N4), einem Aluminiumnitrid (AlN) oder einem Titannitrid (TiN) oder legie­ rungsbildenden Metallteilchen von Chrom (Cr) als ein Eigenschaftsmodifikator in einem Lösungsmittel hergestellt. Obwohl ein wasserlösliches Phenolharz als das Lösungsmittel in dieser Ausführungsform verwendet wird, kann jedes verfügbare Lösungsmittel verwendet werden.
Ein brennbarer Schaum, welcher offene Poren aufweist, wird mit dem Auf­ schlämmungsgemisch imprägniert, um eine Beschichtung mit der Aufschläm­ mung über die gesamte Oberfläche desselben aufzubringen. Es kann jeder brennbare bzw. verbrennbare, poröse Schaum, welcher brennt und verschwin­ det, wenn er erhitzt wird, verwendet werden. Ein Polyurethanharz ist eines der typischen Materialien, welche geschäumt werden, um den brennbaren Schaum zur Verfügung zu stellen, und welche leicht brennen und bei Hitze verschwinden. Folglich wird der poröse Schaum bis zum Verbrennen und Verschwinden erhitzt, was eine metallische Skelettstruktur zurückläßt. Diese metallische Skelettstruktur wird gesintert, um sie in ein metallisches, poröses Produkt umzuwandeln, wobei der Eigenschaftsmodifikator, wie Keramikteilchen und Metallteilchen, in dem ske­ lettbildenden Metall dispergiert ist. Nachdem der poröse Schaum verbrannt wurde und verschwunden ist, kann das metallische, poröse Produkt einen geringen Gehalt an Verunreinigungen, wie darin zurückgebliebenen Kohlenstoff, enthalten.
In einem Verbundverfahren wird ein geschmolzenes Leichtmetall bzw. eine geschmolzene Leichtmetallegierung in eine Form, welche das metallische, poröse Produkt enthält, gegossen und gefüllt und in offene Poren des metallischen, porösen Produkts imprägniert, wobei als Ergebnis dieses Leichtmetall bzw. Leichtmetallegierung und das metallische, poröse Produkt zu einem Leicht­ metallegierung-Verbundprodukt zusammengesetzt werden.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben ferner einen praktikabelen Schritt unter­ sucht, um ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt mit verbesserter Verschleiß­ beständigkeit selbst durch Imprägnieren eines metallischen, porösen Produkts mit einer geschmolzenen Leichtmetallegierung unter einem so niedrig wie mögli­ chen Druck zur Verfügung zu stellen. Als Ergebnis dieser Untersuchungen zeigte sich, daß in dem Verbundverfahren, in welchem ein Leichtmetallegierung-Ver­ bundprodukt durch Gießen und Füllen einer geschmolzenen Leichtmetallegierung in eine Form mit einem porösen Produkt, welches aus einem in die Form einge­ brachten Metall oder Material, das hauptsächlich aus einem Metall zusammenge­ setzt ist, besteht, um das metallische, poröse Produkt mit der Leicht­ metallegierung zu imprägnieren, hergestellt wurde, ein spezifischer Bereich der Porosität des metallischen, porösen Produkts eine gewünschte physikalische Eigenschaft des Leichtmetallegierung-Verbundprodukts ergibt, selbst wenn das Imprägnieren der metallischen, porösen Legierung mit der geschmolzenen Leicht­ metallegierung unter einem so niedrig wie möglichen Druck durchgeführt wird.
Insbesondere ist es in dem Verbundverfahren, in welchem die Imprägnierung bei einem Manometerdruck im Bereich zwischen etwa 0,15 und 10 kg/cm2 durch­ geführt wird, damit das metallische, poröse Produkt mit der Leichtmetallegierung mit einem beabsichtigten Effekt hinsichtlich der Verbesserung der physikalischen Eigenschaften imprägniert wird, erforderlich, daß ein Volumen von 5 bis 20%, d. h. eine Porosität von 80 bis 95%, vorliegt. Wenn das untere Limit über­ schritten wird, zeigt das Leichtmetallegierung-Verbundprodukt, welches aus dem metallischen, porösen Produkt zusammengesetzt ist, nicht die beabsichtigten, physikalischen Eigenschaften. Wenn auf der anderen Seite das obere Limit überschritten wird, steigt der niedrigste Manometerdruck, welcher für die Im­ prägnierung erforderlich ist, im Übermaß an. Da grundsätzlich das Be­ schichtungsverfahren mit der Aufschlämmung für die Herstellung eines metal­ lischen, porösen Produkts verwendet werden kann, stellt das erfindungsgemäße Verfahren, in welchem eine metallische Skelettstruktur durch Sintern derselben hergestellt wird, nachdem ein brennbarer Schaum mit einer Aufschlämmungs­ beschichtung aus einem Gemisch von skelettbildendem Metall und einem darauf aufgebrachten Modifikator verbrannt wurde, ein metallisches, poröses Produkt und daher ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt mit einer signifikant ver­ besserten physikalischen Eigenschaft, d. h. Verschleißbeständigkeit, zur Verfü­ gung.
Leichtmetallegierung-Verbundprodukte gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wurden hergestellt und in Bezug auf ihre Härte ausgewertet.
Um als ein Beispiel ein Aluminiumlegierung-Verbundprodukt zur Verfügung zu stellen, wurde eine Aufschlämmung durch Zusetzen eines Gemisches aus reinen Nickelteilchen, welche eine mittlere Korngröße von 4 µm aufweisen, und Teil­ chen aus Titanoxid (TiO2), welche eine durchschnittliche Korngröße von 0,5 µm aufweisen, zu einem Lösungsmittel von einem wasserlöslichen Phenolharz hergestellt. Der Titanoxidgehalt des Gemisches betrug maximal etwa 40 Vol.-%. Ein Polyurethanharzschaum mit 30 offenen Poren pro Inch wurde in das Auf­ schlämmungsgemisch getaucht und mit diesem imprägniert, um darauf eine Beschichtung von dem Aufschlämmungsgemisch auszubilden. Danach wurde der Polyurethanharzschaum getrocknet und verbrannt, um zu verschwinden, wobei eine Skelettstruktur aus gesintertem Nickel mit Teilchen von Titanoxid (TiO2), welche nahezu gleichmäßig in dem skelettbildenden Nickel dispergiert sind, zurückblieb. Das so zur Verfügung gestellte, poröse Nickelprodukt hat eine Porosität von 6%. Das poröse Nickelprodukt wurde mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung imprägniert, welche als AC8A in dem japanischen Industrie­ standard spezifiziert ist, um ein Aluminiumlegierung-Verbundprodukt zur Verfü­ gung zu stellen. Die Fig. 2 und 3 sind photomikrographische Aufnahmen, welche metallographische Strukturen eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts, das durch die Verwendung eines metallischen, porösen Produkts, enthaltend eine Metallmischung mit einem Gehalt von 20 Vol.-% Titanoxid, zur Verfügung gestellt wurde, und eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts, das durch die Verwendung eines metallischen, porösen Produkts, enthaltend eine Metall­ mischung, welche kein Titanoxid enthält, zur Verfügung gestellt wurde, zeigen. Wie anhand der Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, ergibt das Aluminiumlegierung-Verbundprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung eine gleichmäßige Dispersion von Titanoxidteilchen (TiO2).
Fig. 4 zeigt Messungen der Vickershärte des porösen Nickelprodukts in Bezug auf den Titanoxid (TiO2)-Gehalt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, steigt die Härte des porösen Nickelprodukts mit einem Anstieg seines Titanoxid (TiO2)-Gehalts an, was anzeigt, daß die Imprägnierung von keramischen Teilchen einen Beitrag zur Verbesserung der Härte dies metallischen, porösen Produkts liefert. Das poröse Nickelprodukt hat die höchste Härte bei einem Titanoxid (TiO2)-Gehalt von 30 Vol.-%, zeigt jedoch eine Verschlechterung der Härte bei Titanoxid (TiO2)-Gehalten von mehr als 30 Vol.-% als ein Ergebnis. Dies liegt daran, weil das poröse Nickelprodukt als Ergebnis eines übermäßigen Gehalts an Keramikteil­ chen brüchig wird und daher einen Abfall im Metallanteil des porösen Nickel­ produkts ergibt.
Ein Verschleißtest wurde durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit von ver­ schiedenen Titanoxid (TiO2)-Gehalten von porösen Nickelprodukten, die in Fig. 3 gezeigt sind, auszuwerten. Der Verschleißtest, dessen Ergebnis in Fig. 5 ge­ zeigt ist, wurde mit Schleifscheiben, welche aus porösen Nickelprodukten hergestellt wurden, und einem Ring durchgeführt, wobei beide geschmiert wurden. Die Bedingungen waren wie folgt spezifiziert:
Ringmaterial: SCr420 (HRc45)
Oberflächendruck: 10 MPa
Schmieröltemperatur: 373 K
Gleitgeschwindigkeit: 0,5 m/s
Gesamtgleitweg: 5.000 m.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ergibt im Vergleich mit dem Aluminiumlegierung-Verbundprodukt, welches unter Verwendung eines porösen Nickelprodukts, das kein Titanoxid (TiO2) enthält, hergestellt wurde, das Aluminiumlegierung-Verbundprodukt, welches durch Verwendung eines porösen Nickelprodukts hergestellt wurde, dessen spezifischer Titanoxid (TiO2)-Gehalt in einem spezi­ fischen Bereich liegt, eine signifikante Verbesserung hinsichtlich der Verschleiß­ beständigkeit. Wenn der Titanoxid (TiO2)-Gehalt ein Ausmaß von 40 Vol.-% aufweist, wird das poröse Nickelprodukt aufgrund einer unzureichenden Menge an Nickelteilchen, welche miteinander gesintert sind, brüchig, was einen Abfall in der Verschleißbeständigkeit bewirkt und zu einem Verschleiß aufgrund des Weglassens der Titanoxidteilchen führt.
Ein Aluminiumlegierung-Verbundprodukt wurde als ein weiteres Beispiel aus einem porösen Eisenprodukt hergestellt. Um das poröse Eisenprodukt zur Verfü­ gung zu stellen, wurde eine Aufschlämmung hergestellt, indem zu einem Lö­ sungsmittel aus wasserlöslichem Phenolharz ein Gemisch von Teilchen der Eisengruppenmetalle und entweder 15 Vol.-% Siliciumcarbidteilchen oder 25 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen zugesetzt wurden. Das Eisengruppenmetall wies einen 0,1%-igen Eisengehalt und einen 0,7%-igen Chromgehalt und einen 0,5%-igen Molybdängehalt auf und die Teilchen wiesen eine durchschnittliche Korngröße von 4 µm auf. Die Siliciumcarbidteilchen oder die Aluminiumoxid­ teilchen hatten eine durchschnittliche Korngröße von 1 µm. Ein Polyurethanharz­ schaum mit 30 offenen Poren pro Inch wurde in das Aufschlämmungsgemisch getaucht und mit diesem imprägniert, um ein Aufschlämmungsgemisch darauf zu beschichten. Danach wurde der Polyurethanharzschaum getrocknet und ver­ brannt, um zu verschwinden, was eine Skelettstruktur von gesintertem Eisen­ gruppenmetall mit Teilchen aus Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, welche nahezu gleichmäßig in dem skelettbildenden Eisengruppenmetall dispergiert sind, zurückließ. Das poröse Produkt des Eisengruppenmetalls, welches so zur Verfü­ gung gestellt wurde, hatte eine Porosität von 6%.
Es wurden Messungen in Bezug auf die Härte des porösen Produkts aus dem Eisengruppenmetall und in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit eines Alumini­ umlegierung-Verbundprodukts, welches durch Imprägnieren des porösen Pro­ dukts des Eisengruppenmetalls mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung, welche als AC8A durch den japanischen Industriestandard spezifiziert wurde, hergestellt wurde, unter denselben Bedingungen wie die Messungen in dem vorhergehenden Beispiel durchgeführt.
Fig. 6 und 7 zeigen Messungen der Vickershärte bzw. der Verschleißrate des porösen Produkts aus dem Eisengruppenmetall. Wie aus den Fig. 6 und 7 er­ sichtlich, ergibt die Imprägnierung von keramischen Teilchen einen Beitrag zur Verbesserung der Härte und Verschleißbeständigkeit des porösen Produkts aus dem Eisengruppenmetall.
Es wurde ferner ein Aluminiumlegierung-Verbundprodukt aus einem porösen Nickel-Chrom-Produkt mit Titanoxidteilchen, welche in dem skelettbildenden Metall verteilt sind, hergestellt. Eine Aufschlämmung wurde durch Zugeben eines Gemisches von reinen Nickelteilchen, Chromteilchen und Titanoxidteilchen zu einem Lösungsmittel aus einem wasserlöslichen Phenolharz hergestellt. Die Nickelteilchen wiesen eine durchschnittliche Korngröße von 4 µm und die Chrom­ teilchen eine durchschnittliche Korngröße von 15 µm auf. Das Gewichts­ verhältnis von Nickel und Chrom betrug 70 : 30 und der Titanoxidgehalt des Gemisches maximal etwa 40 Vol.-%.
Ein ringförmiger Polyurethanharzschaum, wie er in Fig. 8 gezeigt ist, wurde hergestellt und mit dem Aufschlämmungsgemisch imprägniert, um ein Auf­ schlämmungsgemisch darauf zu beschichten. Danach wurde der Poly­ urethanharzschaum getrocknet und in einem Gasgemisch aus gecracktem Ammoniakgas und Kohlendioxid bei einer Temperatur von 800°C verbrannt, um zu verkoken bzw. verkohlen und zu verschwinden. Eine metallische Skelettstruk­ tur, welche als ein Ergebnis des Verbrennens des Polyurethanharzschaums zu­ rückblieb, wurde in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1100°C gesintert und in ein metallisches, poröses Produkt umgewandelt, wel­ ches eine metallische Skelettstruktur, die durch Legieren von Nickel mit Chrom gebildet ist, und gleichmäßig in der Metallskelettstruktur verteilte Titanoxidteil­ chen umfaßt.
Das metallische, poröse Produkt wurde druckgeformt, um einen Ring zu bilden, wie er in Fig. 9 gezeigt ist, welcher für eine Verstärkung einer Kolbenringnut geeignet ist. Der metallische, poröse Ring hatte ein Volumen von 13% und daher eine Porosität von 87%. Der metallische, poröse Ring wurde in einer Form zum Formen eines Kolbens positioniert. Eine geschmolzene Aluminiumlegierung, welche als AC8A durch den japanischen Industriestandard spezifiziert wurde, wurde in die Form gegossen und gefüllt und unter einem Manometerdruck von 1,5 kg/cm2 belassen, um den metallischen, porösen Ring zu imprägnieren, um so einen Kolben zur Verfügung zu stellen, dessen Ringnut durch den Aluminiumle­ gierung-Verbundring verstärkt ist.
Fig. 10 ist eine photomikrographische Abbildung, welche eine metallographische Struktur eines Aluminiumlegierung-Verbundprodukts zeigt, das durch die Verwendung eines metallischen, porösen Produkts, enthaltend ein Metallgemisch mit einem Gehalt von 20 Vol.-% Titanoxid, zur Verfügung gestellt wurde. Wie aus Fig. 10 ersichtlich, ist es deutlich, daß die Aluminiumlegierung, welche eine Matrix darstellt, mit dem metallischen, porösen Produkt legiert wird und daß die Titanoxidteilchen gleichmäßig in dem skelettbildenden Metall des metallischen, porösen Produkts verteilt sind. Das metallische, poröse Produkt hatte einen Härte von 210 Mikro-Vickers, wenn es nur ein Metallgemisch aus Nickel und Chrom in einem Gehaltsverhältnis von 30 : 70 enthielt, und eine Härte von 270 Mikro-Vickers, wenn es 20 Vol.-% Titanoxid-Gehalt in dem Metallgemisch enthielt.
Die Verschleißbeständigkeit des Aluminiumlegierung-Verbundprodukts wurde mit demselben Ring-Scheiben-Verschleißtest, wie zuvor beschrieben, ausgewertet. Das Testergebnis ist in Fig. 11 gezeigt. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, ergibt im Vergleich mit dem Aluminiumlegierung-Verbundprodukt, welches durch die Ver­ wendung eines porösen Nickelprodukts hergestellt wurde, das Aluminiumlegie­ rung-Verbundprodukt, welches unter Verwendung eines porösen Nickelprodukts, das mit Chrom legiert wurde oder das eine spezifische Menge an Titanoxid enthielt, hergestellt wurde, eine signifikante Verbesserung der Verschleißbestän­ digkeit.
Ferner wurden Aluminiumlegierung-Verbundprodukte als Testproben unter Verwendung von metallischen, porösen Produkten, enthaltend Siliciumcarbid oder ein Aluminiumoxid anstelle eines Titanoxids, hergestellt und wurden dem­ selben Ring-Scheiben-Verschleißtest unterworfen, wobei die Ergebnisse dessel­ ben in Fig. 12 gezeigt sind. Wie aus Fig. 12 ersichtlich ist, tragen Siliciumcarbid und ein Aluminiumoxid zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des Alumi­ niumlegierung-Verbundprodukts bei.

Claims (13)

1. Metallisches, poröses Produkt, umfassend eine metallische Skelettstruktur und eigenschaftsmodifizierende Teilchen, die in einem skelettbildenden Metall der metallischen Skelettstruktur dispergiert oder mit diesem legiert sind.
2. Produkt nach Anspruch 1, worin die eigenschaftsmodifizierenden Teilchen nahezu gleichförmig in dem skelettbildenden Metall verteilt sind.
3. Produkt nach Anspruch 1 oder 2, worin das skelettbildende Metall wenig­ stens eines, ausgewählt aus Metallen und Legierungen, umfaßt, wobei die Metalle Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kupfer (Cu) und Legierungen einschlie­ ßen und die Legierungen Nickelmatrix-, Eisenmatrix- und Kupfermatrix-Legierungen einschließen.
4. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die eigenschaftsmodifi­ zierenden Teilchen wenigstens eines, ausgewählt aus Metallen und Kerami­ ken, umfassen.
5. Produkt nach Anspruch 4, worin die Keramikteilchen wenigstens eines, ausgewählt aus Siliciumcarbid (SiC), einem Siliciumoxid (SiO2), einem Aluminiumoxid (Al2O3), einem Titanoxid (TiO2), einem Siliciumnitrid (Si3N4), einem Aluminiumnitrid (AlN) und einem Titannitrid (TiN), umfassen.
6. Produkt nach Anspruch 5, worin der Keramikgehalt des metallischen, porösen Produkts zwischen 5 und 30 Vol.-% liegt.
7. Produkt nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin das skelettbildende Metall eines von Nickel (Ni) und Nickelmatrix-Legierungen umfaßt und die eigenschaftsmodifizierenden Teilchen Chrom (Cr) umfassen.
8. Produkt nach Anspruch 7, worin der Chrom (Cr)-Gehalt des metallischen, porösen Produkts zwischen 25 und 35 Gew.-% liegt.
9. Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches weiter eine Leicht­ metallegierung umfaßt, mit welcher die metallische Skelettstruktur zur Bildung eines Leichtmetallegierung-Verbundprodukt imprägniert ist.
10. Produkt nach Anspruch 9, worin das Leichtmetallegierung-Verbundprodukt als ein Rohmaterial eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine verwendet wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines metallischen, porösen Produkts, umfassend eine metallische Skelettstruktur und eigenschaftsmodifizierende Teilchen, die nahezu gleichförmig in einem skelettbildenden Metall der metallischen Skelettstruktur dispergiert oder mit diesem legiert sind, umfassend die Schritte:
Herstellen eines brennbaren porösen Schaums, der offene Poren aufweist;
Aufbringen einer Aufschlämmung aus einem Gemisch von skelettbildenden Metallteilchen und eigenschaftsmodifizierenden Teilchen auf den brenn­ baren, porösen Schaum;
Verbrennen des mit dem Aufschlämmungsgemisch versehenen, brenn­ baren, porösen Schaums durch Hitze zur Bereitstellung des metallischen Skeletts; und
Sintern des metallischen Skelett.
12. Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend den Schritt des Füllens einer geschmolzenen Leichtmetallegierung in eine Form, in welche das metallische, poröse Produkt eingebracht wird, zur Imprägnierung des metal­ lischen, porösen Produkts mit der geschmolzenen Leichtmetallegierung, welche in offene Poren des metallischen, porösen Produkts gefüllt wird, um dadurch ein Leichtmetallegierung-Verbundprodukt bereitzustellen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, worin das metallische, poröse Produkt derart hergestellt wird, daß es eine Porosität zwischen 5 und 20% aufweist und die Imprägnierung des metallischen, porösen Produkts mit der geschmolze­ nen Leichtmetallegierung unter einem Manometerdruck von mehr als 0,15 kg/cm2 durchgeführt wird.
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