DE2252797B2 - Leichtgewichtiges, abriebbestaendiges, zusammengesetztes material aus aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen material und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Leichtgewichtiges, abriebbestaendiges, zusammengesetztes material aus aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen material und verfahren zu dessen herstellung

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DE2252797B2 DE19722252797 DE2252797A DE2252797B2 DE 2252797 B2 DE2252797 B2 DE 2252797B2 DE 19722252797 DE19722252797 DE 19722252797 DE 2252797 A DE2252797 A DE 2252797A DE 2252797 B2 DE2252797 B2 DE 2252797B2
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Description

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Die Erfindung betrifft ein leichtgewichtiges, abriebbeständiges, zusammengesetztes Material aus Aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen Material, das für die Herstellung von Maschinenteilen geeignet ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Das Material ist insbesondere als Lagermaterial, Tragfläche oder als Unterlage geeignet und kann für Gleitkontakte, Schleifkontakte oder Schiebekontakte mit harten Oberflächen bei hohen Temperaturen verwendet werden.
Zusammengesetzte Materialien aus Metall und verschleißfesten anorganischen Teilchen wie harten Metalloxiden, Carbiden u. ä. wurden zum Bau von Maschinenteilen verwendet, die hohen Temperaturen bei Betriebsbedingungen unterworfen werden. Sie werden insbesondere als Lagermaterial, das mit harten Oberflächen in Schleifkontakt steht, wie mit harten, plattierten Oberflächen, oder als Flammensprühoberflächenbeschichtung für keramische Strukturen verwendet wegen ihrer Härte, Abriebbeständigkeit und anderer Eigenschaften. Diese guten Eigenschaften werden durch Kombination der Festigkeit, die den Metallen eigen ist, und der Verschleißfestigkeit und Wärmebeständigkeit, die den verschiedenen anorganischen, keramischen und feuerfesten Verbindunger, eigen ist, erhalten.
Im allgemeinen besitzen die Grundmetalle, die in zusammengesetzten Materialien dieser Art in der Vergangenheit verwendet wurden, einen relativ hohen Schmelzpunkt. Man hat beispielsweise Eisen, Nickel, Chrom, Kupfer usw. verwendet. Im Hinblick auf die überragende, thermische Leitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, das leichte Gewicht und andere Eigenschaften würde Aluminium als Grundmetall besondere Vorteile mit sich bringen, wenn man es in solchen zusammengesetzten Materialien verwendet, wie in Lagermaterialien bei Teilen in Schleifkontakten, /.. B. als Kolben in Verbrennungsmotoren und als elektrische Kontaktpunkte bzw. Punktkontakte, die hohen Temperaturen von 300 bis 5000C unterworfen werden. Da jedoch Aluminium einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt als die üblicherweise verwendeten Metalle, hat man befürchtet, daß zusammengesetzte Lagermaterialien, die sich von Aluminium ableiten, bei hohen Betriebstemperaturen einem Anfressen unterliegen, bedingt durch ein oberflächiges Schmelzen der Aluminiummatrix.
In der US-PS 25 99 185 werden aluminiumhaltige, verschleißfeste Materialien beschrieben, die eine gute thermische Stoßbeständigkeit und Festigkeit aufweisen. Diese Materialien sollen starke und plötzliche Temperatur- und Druckänderungen aushalten und als Auskleidungen für Auspuffe oder als Auskleidungen in Brennkammern oder in katalytischen Reaktoren verwendet werden. Die bekannten Materialien werden aus Aluminium und Aluminiumoxid hergestellt. Die Abriebbeständigkeit und Biegefestigkeit des bekannten Materials ist jedoch nicht ausreichend, so daß dieses Material nicht als Lagermaterial verwendet werden kann.
In der BE-PS 6 61 802 werden elektrisch leitfähige Metall-Keramikverbundstoffe beschrieben, bei denen das Aluminium zum Verbinden der Materialien verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein leichtgewichtiges, abriebbeständiges, zusammengesetztes Material aus Aluminium und einem nichtmetalischen anorganischen Material zu schaffen, das eine hohe Biegefestigkeit besitzt und die Nachteile der bekannten Materialien nicht aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist ein leichtgewichtiges, abriebbeständiges, zusammengesetztes Material aus Aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen Material, enthaltend eine metallische Matrix, die im wesentlichen aus Aluminium besteht, und in der Matrix mehr als 50%, bezogen auf das Gesamtvolumen des zusammengesetzten Materials, feinverteilte Teilchen aus einem nichtmetallischen, abriebbeständigen anorganischen Material dispergiert enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Teilchen aus einer einheitlichen Mischung aus groben Teilchen mit einem Durchmesser von 20 bis 100 μ und feinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 9 μ in einem Volumenverhältnis von 1,5 bis 4 :1 bestehen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen, abriebbeständigen Materials aus Aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen Material durch Erwärmen, Komprimieren und Abkühlen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man bei hohem Druck in eine Form eine kompakte Teilchenmasse aus einem keramischen Material gibt, wobei die Teilchenmasse aus einer
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einheitlichen Mischung ;iiis groben Teilchen mit einem Durchmesser von 20 bis lOÜ μ und leinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 4 μ m einem Volumenverhältnis von 1,5 bis 4 : I besteht, die Teilchenmasse erwärmt, geschmolzenes Matrixmetall, s das im wesentlichen aus Aluminium besteht, in einer Menge, die geringer ist als das Volumen der Teilchenmasse, zu der Teilchenmasse zugibt und man, während das entstehende, zusammengesetzte Material bei hohem Druck gehalten wird, das Mairixmetall ,,, abkühlt, bis es fest ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Material wird ein Anfressen vermieden oder zumindest stark vermindert.
Bei dem hohen Volumenverhältnis von feinverteiltem Material zu Matrixmaterial enthält das erfindungsgemä- ι s Ik zusammengesetzte Material die Teilchen darin in dicht dispergiertem Zustand im Gegensatz zu bekannten zusammengesetzten Materialien, insbesondere zu solchen, die als Materialien der gesinterten Metallart bezeichnet werden und die im allgemeinen durch einen >o mehr oder weniger porösen Zustand charakterisiert sind.
Die erfindungsgemäßen Materialien können hergestellt werden, indem man Pulver aus dem verschleißfesten Material in eine Form füllt und anschließend bei einem bestimmten Druck geschmolzenes Aluminium oder geschmolzene Aluminiumlegierung injiziert und den Inhalt der Form unter einem hohen Druck, der im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend Atmosphären liegt, verfestigt. Alternativ kann das Matrixmetaü in situ durch Erwärmen einer Mischung aus Aluminium oder Aluminiumlegierungspulver und einer ausreichenden Menge an Pulver aus verschließfestem Material in einer Form auf eine Temperatur, die ausreicht, das Metallpulver zu schmelzen, geschmolzen werden und anschließend kann man wie zuvor bei hohem Druck verfestigen. Die erfindungsgemäßen zusammengesetzten Materialien besitzen daher eine dichte, kohärente, kontinuierliche Matrix aus Aluminium oder Aluminiumlegierung.
Die allerwichtigsten Eigenschaften des zusammengesetzten Materials, das als Lagerstellenmaterial verwendet werden soll, sind Festigkeit, insbesondere Biegefestigkeit, und Abriebbeständigkeit. Ausgedehnte Untersuchungen über die Wirkung der Teilchengrößenverteilung auf die Biegefestigkeit und die Abriebbeständigkeit des aluminiumhaltigen, zusammengesetzten Materials, das man durch Hochdrucksinterverfahren wie oben beschrieben erhält, haben gezeigt, daß relativ grobe Teilchen zu der Verbesserung der Abriebbeständigkeit beitragen und daß grobe Teilchen, die größer sind als 20 μ, in ausreichender Menge vorhanden sein sollten, so daß die Abriebbeständigkeit des zusammengesetzten Materials verbessert wird. Andererseits ergeben grobe Teilchen allein sehr schlechte Biegefestigkeit und die Zugabe von feinen Teilchen in der Größenordnung einiger Mikrons in geeigneter Menge ist wesentlich, um eine zufriedenstellende Biegefestigkeit zu erzielen.
Die erfindungsgemäßen zusammengesetzten Materialien besitzen überragende Biegefestigkeit und Abriebbeständigkeit, wenn sie als Lagerflächenmaterial verwendet werden, und zwar aus den folgenden Gründen:
Grobe Teilchen, die größer sind als 20 μ und die mehr als die Hälfte des abriebsfesten Pulvers, das in dem zusammengesetzten Material vorhanden ist, ausmachen, haften stark an der aluminiumhaltigen Matrix und verleihen dem zusammengesetzten Material Steifheit und Abnebhestiindigkeil. Die leinen Teilchen, die kleiner als 9 μ sind und die in dem zusammengesetzten Material in geringerer Menge vorhanden sind, verbessern die Wärmebeständigkeil und Festigkeit des Aluminiumgruiidstofles und verleihen dem zusammengesetzten Material hohe Biegefestigkeit und verhindern das Anfressen der aluminiumhaltigen Matrix an der lederoberfläche. Die Verwendung grober Teilchen, die einen Durchmesser besitzen, der größer ist als 100 μ, oder die Zugabe grober Teilchen im Überschuß des Verhältnisses von ungefähr 1,5 bis 4:1 von groben Teilchen zu feinen Teilchen verursachen eine beachtliche Abnahme in der Biegefestigkeit des zusammengesetzten Materials, während die Verwendung feiner Teilchen, die kleiner sind als 0,5 μ, oder die Zugabe feiner Teilchen im Überschuß über das obige Verhältnis eine beachtliche Abnahme in der Abriebbeständigkeit des zusammengesetzten Materials bewirken. Wenn der Gehalt an dem Pulver in dem zusammengesetzten Material geringer als 50 Vol.-% des gesamten Volumens des zusammengesetzten Materials ist, neigt das Aluminium dazu, an der Lageroberfläche angefressen zu werden, wenn diese einer Berührung bzw. einem Kontakt bei hohen Geschwindigkeiten unterworfen wird.
Die überraschenden Ergebnisse der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden Versuchswerte näher erläutert
In Tabelle 1 ist der Effekt gezeigt, wenn man die Volumenverhältnisse der groben Teilchen (30 μ im Durchmesser) zu feinen Teilchen (2 μ im Durchmesser) ändert, bezogen auf die Biegefestigkeit und die Abriebbeständigkeit des bestehenden zusammengesetzten Materials. In Tabelle 2 ist die Wirkung der Änderung im Durchmesser beider Arten der Teilchen, bezogen auf die Biegefestigkeit und die Abriebsfestigkeit des entstehenden zusammengesetzten Materials, gezeigt, wobei das Volumenverhältnis von groben Teilchen zu feinen Teilchen konstant bei 3 :1 gehalten wird.
Tabelle 1
Verhältnis Biegefestigkeit Abrieb
(grob/fein) (kg/mm2) (mmJ)
6:1 31,5 0,41
4:1*) 46,2 0,41
3:1*) 63,0 0,45
2:1*) 62,7 0,48
1,5:1*) 64,1 0,63
1 :1 66,1 1,85
0,5:1 72,5 4,22
*) Erfindungsgemäßes zusammengesetztes Material.
Tabelle 2
Durchmesser Durchmesser Biege Abrieb
der groben der feinen festigkeit
Teilchen Teilchen
(μ) (μ) (kg/mm2) (mm3)
125 3 32,3 0,24
100*) 3 46,5 0,27
75*) 3 55,6 0,26
50*) 3 63,3 0,31
25*) 3 64,3 0,42
Ι· Drlscl/ιιημ DlllvllMU'SSt.T liiege- <\hn
DuivllMlL'SSI.'!1 (IlT U'ilR'll li-siiykeH
der groben I eilchen
Teilchen (μ) (kjj/itim-1) (111! 11
(μ) 3 64,1 0,7 b
15 10 38,5 0,31
30 5 59,1 0,28
30*) 1 63,5 0,37
30*) 0,5 64,3 0,48
30*) 0,1 69,0 1,75
30
*) Erfindungsgemäßes zusanimcrigesclztcs Material.
Bei diesen Versuchen werden gegossene Aluminiumlegierung AC7A (Mg: 4,5%, Rest Aluminium) als Grundlegierung verwendet und Aluminiumoxydpulver wurde als dispergierte Teilchen verwendet. Die Proben des zusammengesetzten Materials wurden auf folgende Weise hergestellt: Das Aluminiumoxydpulver, gemischt in dem angegebenen Bereich von groben zu feinen Teilchen, wurde auf 700° C vorerwärmt und dann in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 160 mm bis zu einer Höhe von 60 mm gepackt. Anschließend wurde geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form bis zu einer Höhe von 45 mm gegossen und ein 100 Atmosphären-Druck wurde angewendet, indem man einen Druckkolben verwendete, so daß das geschmolzene Aluminium gezwungen wurde, in die Zwischenräume zwischen den Teilchen einzutreten. Die geschmolzene Legierung konnte sich bei einem Druck von 400 Atmosphären verfestigen. Man erhielt so zusammengesetzte Materialien, die 52 bis 56 Vol.-% Pulver enthielten. Die Biegefestigkeit wurde gemäß bekannten Verfahren bestimmt, bei denen eine Belastung auf die Mitte eines Probeiistabs, der an seinen Enden befestigt war, angebracht wurde. Die Abriebbeständigkeit wurde mit einem Abriebversuchsgerät der Drehtisch-Art bestimmt, wobei wasserbeständiges Polierpapier mit Nr. 400 Siliciumcarbid auf den Drehtisch aufgebracht wird und der Abrieb mit einer vertikalen Belastung von 3 kg/cm2 auf die Probe des zusammengesetzten Materials bei einer Geschwindigkeit von 5 m/Sek. während 1,5 Stunden in feuchtem Zustand bestimmt wurde, wobei der Verlust der Dicke in mm gemessen wurde, so daß hohe Werte ein schlechtes Verhalten anzeigen.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, nimmt, wenn das Verhältnis von groben Teilchen zu feinen Teilchen 4 überschreitet, die Biegefestigkeit des zusammengesetzten Materials schnell ab, während die Abriebfestigkeit des zusammengesetzten Materials stark abnimmt, wenn das Verhältnis kleiner wird als 1,5. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Verwendung von groben und feinen Teilchen, die einen größeren Durchmesser besitzen als der erfindungsgemäße Bereich, mit sich bringt, daß die Biegefestigkeit des zusammengesetzten Materials stark abnimmt und daß die Verwendung von groben und feinen Teilchen, deren Durchmesser kleiner ist als der erfindungsgemäße Bereich, mit sich bringt, daß die Abriebfestigkeit abnimmt.
Zusätzlich zu Aluminium kann irgendeine der üblichen Legierungen als Matrixmaterial verwendet werden. Eine Vielzahl solcher Legierungen stehen zur Verfügung und diese enthalten im allgemeinen einen kleineren Teil, üblicherweise bis zu insgesamt ungefähr 10 Gew.-%, eines oder mehrere weitere Bestandteile einschließlich Magnesium, Mangan. Chrom, Silicium um! Kupier. Die Auswahl der besonderen Legierung wird hauptsächlich durch die Bedürfnisse der besonderen beabsichtigten Verwendung bestimmt.
Als abriebLrständiges anorganisches Iuinverteiltes Material stehen wesentlich mehr Materialien /ur Verfugung. In diesem Zusammenhang sollen bestimmte verschiedene Oxyde, beispielsweise Aluminiumoxyd. Siliciumdioxyd. Magnesiumoxyd, Titandioxyd, Chromoxyd, Zirkondioxyd, Berylliumoxyd, Calciumoxyd usw. und die verschiedenen natürlichen oder synthetischen Materialien, die Mischungen von diesen in verschiedenen Anteilen enthalten, erwähnt werden. Die meisten dieser Materialien werden üblicherweise als feuerfeste Materialien verwendet und sind daher wertvoll, um den zusammengesetzten Materialien Wärmebeständigkeil zu verleihen. Ebenfalls von Wichtigkeit sind die Carbide, d.h. Siliciumcarbid, Borcarbid, Titancarbid, Kobaltcarbid, Tantalcarbid, Zirkoncarbid, Wolframcarbid usw., wobei es gleichgültig ist, ob diese synthetischen oder natürlichen Ursprungs sind. Dieser Liste sollen weiterhin die neueren fremderen Materialien des »Raumzeitalters« zugefügt werden, einschließlich der Nitride, d. h. Bornitrid, Titannitrid, Siliciumnitrid usw., die Eioride, die Silicide, die »Cermts« und intermetallische Verbindungen mit vergleichbaren Eigenschaften.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel!
Ein zusammengesetztes Material aus Aluminium-Keramik, das 65 Vol.-% Keramikpulver enthielt, wurde hergestellt, indem man Siliciumcarbidpulver, das grobe Teilchen (60 μ im Durchmesser) und feine Teilchen (4 μ im Durchmesser) in einem Verhältnis von 3 :1 enthielt, auf 7500C vorerwärmte, dieses Pulver in eine Druckgießform (30 mm χ 160 mm) in einer Höhe bis 80 mm einfüllte und geschmolzenes Aluminium (99,0%) bis zu einer Höhe von 60 mm unter einem Druck von 100 Atmosphären injizierte, wobei das geschmolzene Aluminium in das Pulver eindringen konnte und man anschließend das geschmolzene Aluminium bei einem Druck von 600 Atmosphären verfestigte.
Zum Vergleich wurden Werkstücke aus Aluminium-Keramik hergestellt, wobei man grobes Siliciumcarbidpulver alleine und feines Siliciumcarbidpulver alleine verwendete.
Die Biegefestigkeit und die Abriebbeständigkeit
so dieser zusammengesetzten Materialien wurden gemäß dem gleichen Verfahren wie oben bestimmt. Die erhaltenen Werte sind in der folgenden Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Verwendetes Biege- Abrieb- Bemerkungen
SiC-Pulver festigkeit volumen
(kg/mm2) (mm3)
Gemischtes 68 0,28 erfindungsgemäßes
Pulver zusammengesetztes
Material
Grobes Pul- 18 0,06 zusammengesetztes
ver alleine Vergleichsmaterial
Feines Pul- 52 21,3 zusammengesetztes
ver alleine Vergleichsmaterial
Aus der Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die zusammenge setzten Materialien, die mit groben Teilchen alkine oder feinen Teilchen alleine hergestellt wurden, schlechter sind sowohl bezogen auf die Biegefestigkeit als auch die Abriebbeständigkeit und daß sie zufriedenstellende Lagermaterialeigenschaften nicht aufweisen. Im Gegen-
satz dazu ist ersichtlich, daß das Material, das eine Mischung aus groben Teilchen und feinen Teilchen in einem Verhältnis von 3 :1 enthält, sowohl überragende Biegefestigkeit als auch überragende Abriebbeständigkeit aufweist.
Beispiel
Ein Aluminium-Keramik-Material, das 61 Vol.-% Keramikpulver enthielt, wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel I beschrieben hergestellt, indem man grobe Teilchen (40 μ im Durchmesser) und feine Teilchen (2,5 μ im Durchmesser) aus Siliciumnitridpulver in einem Verhältnis von 3,5 :1 vermischte. Die Biegefestigkeit und die Abriebbeständigkeit des entstehenden Materials waren, wie im folgenden gezeigt wird, zufriedenstellend:
Biegefestigkeit
Abrieb
68,3 kg/mm2
0,36 mmJ

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Leichtgewichiiges, abricbbestündiges, zusammengesetztes Material aus Aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen Material, enthaltend eine metallische Matrix, die im wesentlichen aus Aluminium besteht, und in der Matrix mehr als 50%, bezogen auf das Gesamtvolumen des zusammengesetzten Materials, Feinvcnciltc Teilchen aus einem nichtmetallischen, abriebbeständigen anorganischen Material dispergiert enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus einer einheitlichen Mischung aus groben Teilchen mit einem Durchmesser von 20 bis 100 μ und feinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 9 μ in einem Volumenverhältnis von 1,5 bis 4 : 1 bestehen.
2. Zusammengesetztes Material gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von groben zu feinen Teilchen 2 bis 3 : 1 beträgt.
3. Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen, abriebbeständigen Materials aus Aluminium und einem nichtmetallischen anorganischen Material nach Anspruch 1 durch Erwärmen, Komprimieren und Abkühlen, dadurch gekennzeichnet, daß man bei hohem Druck in eine Form eine kompakte Teilchenmasse aus einem keramischen Material gibt, wobei die Teilchenmasse aus einer einheitlichen Mischung aus groben Teilchen mit einem Durchmesser von 20 bis 100 μ und feinen Teilchen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 9 μ in einem Volumenverhältnis von 1,5 bis 4 :1 besteht, die Teilchenmasse erwärmt, geschmolzenes Matrixmetall, das im wesentlichen aus Aluminium besteht, in einer Menge, die geringer ist als das Volumen der Teilchenmasse, zu der Teilchenmasse zugibt und man, während das entstehende, zusammengesetzte Material bei hohem Druck gehalten wird, das Matrixmetall abkühlt, bis es fest ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von groben zu feinen Teilchen 2 bis 3 : 1 beträgt.
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