DE2413977C3

DE2413977C3 - Verfahren zum Tränken eines porösen Körpers mit einem Tränkmetall

Info

Publication number: DE2413977C3
Application number: DE2413977A
Authority: DE
Inventors: Yasuhisa Toyota Kaneko; Yoshiro Okazaki Komiyama; Katsumi Kondo; Hideki Murakami; Fumiyoshi Noda; Kunihiko Okazaki Aichi Ushida
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1973-03-26
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1978-07-20
Also published as: DE2413977A1; JPS539254B2; US3949804A; JPS49121810A; DE2413977B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Tränken eines porösen Körpers mit einem Tränkmetall, bei dem der poröse Körper in einem Vakuumofen evakuiert und dann bei Unterdruck in eine Schmelze des Tränkmetalls eingetaucht danach gegebenenfalls in dem Vakuumofen mit einem Gasdruck beaufschlagt und nach dem Erstarren der Schmelze durch erneutes Erhitzen vom Überschuß derselben getrennt wird.

Zum Tränken eines porösen Körpers mit einer schinelzflüssigen Legierung gibt es zwei übliche Verfahren. Nach der einen Verfahrensweise, dem sogenannten Autoklav-Verfahren, wird ein poröser Körper mit einem schmelzflüssigen Metall unter Vakuum in einem Druckgefäß imprägniert und dann unter erhöhtem Druck, der durch verschiedene Gase ausgeübt wird, weiter mit diesem geschmolzenen Metall imprägniert Nach der zweiten Verfahrensweise wird ein Vakuumgefäß, in dem ein poröser Körper dicht eingeschlossen ist, in das geschmolzene Metall eingetaucht, das sich in einer Metallform befindet, worauf unter Anwendung von erhöhtem Druck dieses Gefäß zerbrochen wird (vergleiche »Metall«, Mai 1963, S. 433-436 und US-PS 26 12 443).

Diese beiden bekannten Methoden sind insofern nachteilig, als sie sich nicht für die Massenproduktion von mit Tränkmetallen imprägnierten porösen Körpern einsetzen lassen, da sie die Verwendung von Imprägnierungsgefäßen erfordern, die außerordentlich hohen Drücker und Temperaturen standhalten müssen und daher sehr kostspielig sind. Außerdem ist die mit den bekannten Methoden erzielbare Metalltränkung unzureichend.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, diese Nachteile der bisher bekannten Verfahren ;;u beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs geschilderten Gattung dadurch gelöst, daß der in dem Vakuumofen mit der Metallschmelze getränkte Körper zusammen mit der Metallschmelze in eine Metallform überführt und darin mit einem Flüssigkeitsdruck von I bis 2 t/cm² beaufschlagt wird.

Erfindungsgemäß erfolgt daher die Tränkung des

porösen Körpers mit dem geschmolzenen Metall in zwei Stufen. In der ersten Stufe erfolgt eine Imprägnierung in einem Vakuumofen durch Eintauchen des evakuierten, zu tränkenden porösen Körpers in einer Metallschmelze unter Unterdruck, gegebenenfalls unter zusätzlicher Anwendung eines Gasüberdruckes in der Größenordnung von 5 bis 30 at, und in der zweiten Stufe durch Anwendung eines Flüssigkeitsdruckes in der Größenordnung von 1 bis 2 t/cm² nach dem Überführen des vorgetränkten Körpers zusammen mit der Metallschmelze in eine Metallform. Dadurch wird vermieden, daß zur Durchführung des Verfahrens ein Vakuumofen verwendet werden muß, der hohen Temperaturen und auch hohen Drucken standhalten muß, was die Durchführung des Verfahrens technisch kompliziert macht und außerordentlich hohe Anforderungen an die eingesetzten Apparaturen stellt

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei rieai die Tränkung in zwei getrennten Stufen durchgeführt wird, ist nicht nur technisch einfacher durchführbar, sondern führt auch zu einem Endprodukt mit einem wesentlich besseren imprägnierungsgrad und eignet sich außerdem für eine Massenproduktion, da viele poröse Körper auf einmal getränkt werden können und in der Metalllform wesentlich höhere Drucke (Flüssigkeitsdrucke) angewendet werden können als in den bisher zum Tränken verwendeten Apparaturen.

Bei dem in der US-PS 26 12 443 beschriebenen Verfahren handelt es sich um ein Imprägnierverfahren, bei dem ein poröser Körper in eine Form eingesetzt, ein Block aus einem Metall, mit dem der poröse Körper imprägniert werden soll, auf den porösen Körper aufgesetzt und beide dann unter Anwendung von Druck erhitzt werden, so daß das sich verflüssigende Metall von oben her in den porösen Körper eindringt Nach diesem bekannten Verfahren kann stets nur ein Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt imprägniert werden, wä'.rend erfindungsgemäß gleichzeitig mehrere Formkö/per mit dem geschmolzenen Metall imprägniert werden können.

Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren, das eigentlich au» zwei Ausfuhrungsformen besteht und zwar (1) der Methode, die ohne Beaufschlagung mit einem Inertgasdruck durchgeführt wird, und (2) der Methode, die unter Beaufschlagung mit einem Inertgasdruck durchgeführt wird, und dem aus der genannten US-PS bekannten Verfahren sind folgende:

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemiißen Verfahrens (Methode 1) wird wie folgt durchgeführt:

Eine Vielzahl von porösen Körpern wird auf der Oberfläche einer Metallschmelze in einem Ofen gehalten. Wird die Luft aus dem Ofen abgesaugt und nimmt der Druck ab, dann entweicht auch die Luft innerhalb der Poren des porösen Körpers. Anschließend wird der poröse Körper in das Metallbad eingetaucht Anschließend wird die Luft in den Ofen eingelassen, um seine Atmosphäre wieder auf Normaldruck zu bringen, wodurch das geschmolzene Metall von der gesamten Oberfläche des porösen Körpers her in seine Piaren eindringt, wobei jedoch das Eindringungsvermö|;en begrenzt ist. Dann wird die den porösen Körper enthaltende Metallschmelze bei Normaldruck in eine Metallform überführt. In der Metallform wird sie mit einem Flüssigkeitsdruck beaufschlagt, wodurch das Innere der Poren des porösen Körpers mit dem geschmolzenen Metall gefüllt wird. Während der Anwendung des Flüssigkeitsdruck? läßt man die

Metallschmelze abkühlen, so daß sie erstarrt und im erstarrten Zustand den mit dem Metall imprägnierten Körper enthält Die Metallschmelze wird dann wieder erwärmt, so daß der mit dem Metall imprägnierte Körper daraus entnommen werden kann.

Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens (Methode 2) wird, während sich der Körper in dem Ofen befindet, ein Gas unter Druck eingeleitet Dabei tritt jedoch nur eine mäßige Druckerhöhung auf (5 bis 30 kg/cm²).

Das aus der genannten US-PS bekannte Verfahren läuft wie folgt ab:

Um einen porösen Körper in eine Form einsetzen zu können, und ihn mit einem geschmolzenen Metall tränken zu können, muß die Form die gleiche Gestalt haben wie der poröse Körper, und die erforderliche Menge an Metall, die für die Imprägnierung erforderlich ist muß genau eingestellt werden, während dem gegenüber die erfindungsgemäß verwendete Metallform eine beliebige Größe und Form haben kann und darüber hinaus eine große Anzahl von porösen Körpern aufzunehmen vermag.

Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann gemäß der genannten US-PS nur ein Körper mit dem Metall imprägniert werden, während sich erfindungsgemäß mehrere poröse Körper mit dem Metall imprägnieren lassen, wodurch der Wirkungsgrad des Verfahrens wesentlich erhöht wird.

Im Falle des bekannten Verfahrens dringt das geschmolzene Metall von oben her in den porösen Körper ein, was dazu führt, daß ein poröser Körper mit einer ungleichmäßigen Imprägnierung und einer ungleichmäßigen Dichteverteilung crhalter *ird, während erfindungsgemäß die Imprägnierung durch die gesamte Oberfläche des Körpers erfolgt unter Au^-ildung eines gleichmäßig imprägnierten Körpers.

Im Falle des bekannten Verfahrens erfolgt die Imprägnierung in einer Stufe unter Anwendung eines mechanischen Druckes, dem die verwendete Apparatur standhalten muß, während erfindungsgemäß die Imprägnierung in zwei Stufen durchgeführt wird, wobei nur in der zweiten Stufe, d. h. in der Metallform, ein hoher Flüssigkeitsdruck angewendet wird.

Weder aus der US-PS 26 12 443 noch aus der Literaturstelle »Metall« läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren herleiten, da aus keiner dieser beiden Entgegenhaltungen die Anregung zu entnehmen ist, das Tränken in zwei getrennten Stufen sowie in zwei getrennten Apparaturen unter verschiedenen Druckbedingungen durchzuführen.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Beispiel 1

Zehn Sinterkörper aus Siliciumnitrid (10 mm χ 10 mm χ 80 mm) mit einer Porosität von 20,0 bis 21,0% wurden in einen Vakuumofen eingebracht und in ein Schmelzbad einer Aluminiumlegierung mit 10% Mg bei 75O°C unter 10^JmmHG eingetaucht. Wenn hierauf Luft eingeleitet wurde, wurde die gesinterte Oberfläche mit dieser Aluminiumlegierung getränkt

Diese Sinterkörper aus Siliciumnitrid wurden dann aus dem Schmelzbad genommen und die Tränktiefe der Aluminiumlegierung im Bereich der Oberfläche gemessen. Sie betrug durchschnittlich 0,6 mm. Diese Sinterkörper wurden dann 5 Minuten lang wieder in das Schmelzbad eingetaucht. In diesem Zustand wurde das Schmelzbad aus der Aluminiumlegierung in eine Metallform eingebracht, worauf die Sinterkörper aus Siliciumnitrid unter einem Druck von 2000 kg/cm² weiter mit dieser Aluminiumlegierung imprägniert wurden. Nach der Verfestigung wurden die Sinterkörper durch Wiederaufschmelzen der Aluminiumlegierung aus dieser herausgenommen. Bei diesen Sinterkörpern ergab sich ein Grad der Tränkung von 93,4 bis 97,3% und ihre Bruchfestigkeit lag im Bereich von 24,20 bis 26,75 kp/mm². Die Bruchfestigkeit wurde dadur?h

in ermittelt daß ein Probekörper (10 mm χ 35 mm χ 6 mm) mit einer Stützweite von 30 mm aufgelegt und in der Mitte mit einer Geschwindigkeit von 0,2 mm/Minute belastet wurde, worauf die Größe der Last gemessen wurde, unter der der Probekörper brach.

Beispiel 2

Die Oberflächen von Sinterkörpern aus Siliciumnitrid (10 mm χ 50 mm χ 100 mm) mit einer Porosität von 36,7%, die in einem Vakuumofen in der gleichen Weise

2ij wie in Beispiel 1 behandelt wurden, wurden mit einer Aluminiumlegierung mit 10% Mg imprägniert Es ergab sich eine Tränktiefe von etwa 13 mm. Die Sinterkörper wurden danach wie im Beispiel 1 behandelt worauf sich ein Grad der Tränkung von 98,1% und eine Bruchfestigkeit von 17,53 kp/mm² ergab.

Beispiel 3

Zehn Sinterkörper aus Aluminiumoxid (10 mm χ 50 mm χ 80 mm) mit einer Porosität von

w 19,5% wurden in einen Vakuumofen (3 χ ΙΟ-² mmHG) in ein Schmelzbad einer Silberlegierung mit 5% Cu bei HOO⁰C unter Vakuum eingetaucht Beim Einleiten von Luft wurde die gesinterte Oberfläche mit der Silberlegierung imprägniert

Nach der Behandlung betrug die Tränktiefe etwa 1,6 mm. Hierauf wurden die Sinterkörper 5 Minuten lang wieder in das Schmelzbad eingetaucht das währenddessen in eine Metallform eingebracht wurde. Hierauf wurde unter einem Druck von 1000 kg/cm² nochmals getränkt Danach wurde die Behandlung wie in Beispiel 1 weitergeführt und die Aluminiumoxid-Körper wiesen einen Grad der Tränkung von 983% und eine Bruchfestigkeit von 32,10 kp/mm² auf.

Beispiel 4 Sinterkörper aus Siliciumnitrid

(10 mm χ 10 mm χ 100 mm) mit einer Porosität von 27,1% wurden in einem Schmelzbad aus 11% Si, 1,5% Cu, 1,5% Ni, 1,0% Mg, 0,4% Fe, 0,15% Ti und

■so Aluminium als Rest getränkt und zwar unter einem Teilvakuum von 10-²mmHg bei 750⁰C in einem Vakuumofen, der einem Druck von 5 at standhält Hierauf wurde Stickstoffgas eingeleitet und der Ofen 10 Minuten lang unter einem Druck von 5 at gehalten.

Das Stickstoffgas wurde dann durch Luft ersetzt Anschließend wurde die Tränktiefe mit etwa 0,9 mm gemessen. Hierauf folgte die gleiche Behandlung wie in Beispiel 1: die Sinterkörper wiesen einen Grad der Tränkung von 95,7% und eine Bruchfestigkeit von

bo 21,65 kp/mm²auf.

Beispiel 5

Ein Kohlenstoffkörper (10 mm χ 50 mm χ 100 mm) mit einer Porosität von 16,7% und ein Barren aus einer t,5 Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 4 wurden in einen Autoklav eingebracht und auf 750° C in einem Teilvakuum (5 χ 10-² mmHG) erhitzt, bis dieser Kohlenstoffkörper in Legierungsschmelze untergetaucht war.

Danach wurde ein Druckgefäß durch Einleiten von Stickstofgas bis 30 at unter Druck gesetzt und 10 Minuten lang auf diesem Druck gehalten, um den darin befindlichen Kohlenstoff-Körper zu tränken. Nach Wiederherstellen des Umgebungsdrucks wurde ■; der Grad der Tränkung mit 85,4% und die Bruchfestigkeit mit 11,70 kp/mm² ermittelt

Der Kohlenstoff-Körper wurde dann 5 Minuten lang nochmals in die Legierungsschmelze eingetaucht. Daran schloß sich eine Behandlung wie in Beispiel 1 an. Der κι Kohlenstoff-Körper wies einen Grad der Tränkung von 98,7% und eine Bruchfestigkeit von 21,70 kp/mm² auf.

Beispiel 6

Siliciumnitridpulver mit weniger als 10 μπι Durchmesser wurde in einer Metallform unter einem Druck von 1500 kg/cm² zu einem Block von 10 cm Länge, 10cm Breite und lern Höhe gepreßt; seine Dichte betrug 2,03 g/cm³. Der Block wurde in ein Schmelzbad einer Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 4 in einem Vakuumofen (3 χ 10² mmHg) eingetaucht. Es ergab sich eine Tränktiefe von etwa 1 mm.

Der Block wurde dann wie in Beispiel 1 behandelt und hatte eine Bruchfestigkeit von 19,70 kp/mm².

Wie sich aus den vorstehenden Ausführungen ergibt, führt die Erfindung zu einem für die Massenproduktion geeigneten Verfahren zur Herstellung eines mit Metall getränkten Körpers, bei dem kein Schmelzofen erforderlich ist, der einem hohen Druck standhält, wie es bei der bekannten Verfahrensweise der Fall ist, und bei dem auch nicht die Gefahr besteht, daß das Druckgefäß zerplatzt. Außerdem führt die erfindungsgemäße Verfahrensweise zu einem hohen Grad der Tränkung und weist eine Reihe weiterer Vorteile auf.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Tränken eines porösen Körpers mit einem Tränkmetall, bei dem der poröse Körper in einem Vakuumofen evakuiert und dann bei Unterdruck in eine Schmelze des Tränkmetalls eingetaucht, danach gegebenenfalls in dem Vakuumofen mit einem Gasdruck beaufschlagt und nach dem Erstarren der Schmelze durch erneutes Erhitzen vom Überschuß derselben getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Vakuumofen mit der Metallschmelze getränkte Körper zusammen mit der Metallschmelze in eine Metallform überführt und darin mit einem Flüssigkeitsdruck von 1 bis 2 t/cm² beaufschlagt wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf poröse Formkörper oder Sinterkörper aus Siliciumnitrid, Aluminiumoxyd oder Kohlenstoff.

3. Anwendung nach den Ansprüchen 1 und 2 auf Tränkmetalle aus einer Aluminiumlegierung oder Silberlegierung.