DE2657685A1 - Siliciumcarbidverstaerkte verbundstoffe und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundstoffe mit einer Leichtmetallmatrix, die mit Siliciumcarbidfasern verstärkt sind und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundstoffe, insbesondere von Verbundstoffen auf Basis von Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung, die mit Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt sindr

Aluminium ist ein Leichtmetall und besitzt eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit und weist daher verschiedene ausge-

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zeichnete Eigenschaften als Metall auf. Wenn Kupfer, Magnesium, Silicium, Mangan, Zink, Nickel und dergl. allein oder zusammen zu Aluminium hinzugefügt werden, werden die mechanischen Eigenschaften bemerkenswert verbessert und neben
den ausgezeichneten Eigenschaften von reinem Aluminium wird die Festigkeit bei Raumtemperatur und einer hohen Temperatur beträchtlich erhöht und die Eigenschaften, v/ie beispielsweise
eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Abriebfestigkeit, ein niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient und
dergl. werden dazuerhalten und ausgezeichnete Werk-und Baustoffe, die jedem Anspruch genügengönnen erhalten werden. Diese Materialien werden auf einem breiten Gebiet angewendet, etwa bei Haushaltsgegenständen, Luftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Schiffen, Bauwerken
und dergl.. und der Anwendungsbedarf wird jährlich vergrößert.

Magnesium besitzt ein spezifisches Gewicht von 1,7^ und ist das leichteste Metall unter den Werk-und Baumetallstoffen und es wird daher hauptsächlich als Flugzeugmaterial verwendet. Die mechanischen Eigenschaften von
Magnesiumlegierungen sind nicht geringer als diejenigen
von Aluminiumlegierungen und ferner ist die mechanische
Verarbeitungsfähigkeit sehr gut, jedoch ist bisher das Basismetall mit der technisch erforderlichen Reinheit sehr wenig korrosionsbeständig und dies ist der größte Nachteil. Um
die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, sind verschiedene rostschützende Oberflächenbehandlungen versucht worden,
jedoch ist es unmöglich gewesen, diesen Nachteil zu überwinden. Wenn Magnesiumlegierungen als Gußlegierung verwendet werden, treten Sprünge bzw. Risse in den Kristallkornrändern infolge der Mikroschrumpfung auf oder Suboxide werden wegen der Oxidation von geschmolzenem Metall zugemischt und daher ist es schwierig, einwandfreie und zuverlässige
Produkte herzustellen. Wenn Magnesiumlegierungen ferner als Schmiedematerial verwendet werden, besitzt Magnesium hexagonal dichteste Kugelpackung, so daß die Kaltverarbeitbarkeit

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verglichen mit derjenigen von Aluminium und Kupfer mit kubischer Kristallstruktur gering ist und deshalb ist der Bedarf an Magnesium und: Magnesiumlegierungen bis in neuester Zeit gering gewesen.

Seit dem 2.Weltkrieg und in den Nachkriegsjähren ist die Geschwindigkeit von Flugzeugen immer höher geworden und Düsenmaschinen wurden rasch entwickelt. Da Magnesium leicht ist und der Nachteil, daß es schwierig ist, ein Ziehen oder Gleiten beim Verarbeiten zu bewirken als ein Vorteil angesehen,nsmlich, daß eine Deformation bei einer hohen Temperatur praktisch kaum erfolgt wurde die Entwicklunq von Magnesium als hitzebeständige Leichtlegierung vorangetrieben und Untersuchungen von hitzebeständigen Magnesiumlegierungen intensiv durchgeführt. Die Untersuchungen wurden im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit durchgeführt, welche ein Nachteil von Magnesium ist und kürzlich wurde die Qualität des Basismetalls durch Fortschritt eines Verfahrens zur Reinigung von Magnesium in bemerkenswerter Weise verbessert, so daß die Korrosionsbeständigkeit von Magnesium sehr hoch wurde und die Kristallkörner durch Zugabe von Zirkonium und dergl. sehr fein gemacht wurden..Es wurde möglich, einwandfreie Gußlinge mit einer zuverlässigen Druckbeständigkeit zu erzeugen. Durch Zugabe von seltenen Erdmetallen, beispielsweise 'Cer, Mischmetall, Thorium usw. wurden ferner hitzebeständige Magnesiumlegierungen mit einem ausgezeichneten Kriechverhalten bei einer hohen Temperatur erzeugt und verschiedene Eigenschaften von Magnesiumlegierungen wurden in bemerkenswerter Weise verbessert.

Es ist ferner vorgeschlagen worden, daß die dem Magnesium eigene hexagonal dichteste Kugelpackung in eine kubische Kristallstruktur durch Zugabe von Lithium verändert wird, um eine Kaltverarbeitbarkeit zu liefern.

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Bisher wurden Untersuchungen von Verbundstoffen, bestehend aus Siliciumcarbidfasern und Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung im Hinblick auf Siliciumcarbidmetallspitzen durchgeführt, weil praktisch verwendete Siliciumcarbidfasern Metallspitzen gewesen sind. Jedoch sind Siliciumcarbidmetallspitzen, die aus SiC alleine zusammengesetzt sind, wenig mit Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung benetzbar und die Länge der Metallspitzen beträgt höchstens wenige mm, so daß es sehr schwierig ist, Metallspitzen regulär anzuordnen. Ferner ist die Zugfestigkeit gering, der Young-Modul ist niedrig und die Kosten sind hoch und daher wurden die Metallspitzen praktisch nicht verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen verschiedenen Nachteile von Aluminium-, Aluminiumlegierungs-oder Magnesiumlegierungsverbundstoffen, die mit Siliciumcarbidmetallspitzen verstärkt sind, zu vermeiden und Aluminium-, Aluminiumlegierungs-oder MagnesiumlegierungsVerbundmaterialien, die mit Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt sind, zu schaffen, welche eine hohe Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und einer hohen Temperatur und einen hohen Young-Modul besitzen.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend genannten Verbundstoffe geschaffen, indem neue Siliciumcarbidendlosfasern als Verstärkungsfasern verwendet werden. Es wurde gefunden, daß wenn ein Verbundstoff aus den neuen Siliciumcarbidfasern mit einer hohen Festigkeit und mit einem Gehalt von wenigstens 0,01 Gew.-% an freiem Kohlenstoff und Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung hergestellt wird, die gegenseitige Benetzbarkeit von beiden Substanzen, verbessert wird.

Die für die Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstoffe zu verwendenden Siliciumcarbidfasern mit einem

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Gehalt von wenigstens 0,01 Gew.-% freiem Kohlenstoff werden durch ein Verfahren hergestellt, das in der deutschen Patentanmeldung Nr. P 26 18 15Ο.Ο beschrieben ist.

Der Grund, weshalb die Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von wenigstens 0,01 Gew.-? freiem Kohlenstoff bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstoffe auf Basis von Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung verwendet werden, die mit den Siliciumcarbidfasern verstärkt sind, besteht darin, ^aß die Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von weniger als 0,01 Gew.-% freiem Kohlenstoff mit Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung wenig benetzbar sind und sogar bei der Bildung des Verbundstoffes, während ein solches Verbundmaterial den Einflüssen von Temperatur und äußeren Kräften unterworfen wird, kann die gegenseitige verstärkende Wirkung nicht entwickelt werden, weil es Lücken zwischen den Fasern und der Metallmatrix gibt.

Erfindungsgemäß können Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 1-40 Gew.-? freiem Kohlenstoff verwendet werden. Die Beziehung der Zugfestigkeit und des Young-Moduls eines Aluminiumverbundstoffes mit einem Gehalt von 25 Volumen-? der Siliciumcarbidfasern mit verschiedenen Mengen an freiem Kohlenstoff zur Menge des freien Kohlenstoffs ist in Fig. 1 gezeigt.

Wenn die Menge des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbidfasern 5 Gew.-? beträgt, steigt die Zugfestigkeit des Verbundmaterials an und wenn die Menge 5 Gew.-? bis 20 Gew.-? beträgt, vermindert sich die Zugfestigkeit allmählich. Wenn die Menge des freien Kohlenstoffs 2o Gew.-? überschreitet, nimmt die Zugfestigkeit des Verbundstoffes stark ab.

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Der Young-Modul des Verbundmaterials variiert bei einer Menge des freien Kohlenstoffs von mehr als 1 Gew.-% im wesentlichen nicht.

Der Grund, weshalb die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Aluminium-oder Aluminxumlegxerungsverbundstoffe, die mit den Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt an freiem Kohlenstoff verstärkt sind, größer als diejenige ist, bei der die Siliciumcarbidfasern ohne einen Gehalt an freiem Kohlenstoff verwendet werden, beruht vermutlich auf der Tatsache, daß der in den Siliciumcarbidfasern enthaltene freie Kohlenstoff mit Aluminiummetall zur Bildung von AIuminiumcarbid reagiert, wie durch die folgende chemische Reaktionsgleichung (1) gezeigt ist,wodurch eher eine chemische Anziehung als eine physikalische Adhäsion erhalten wird.

4AU +3C--> AZ₄C₃ (1)

Im Falle der Magnesiumlegierungsverbundstoffe reagiert ferner der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern mit den in die Magnesiumlegierung zugesetzten Elementen zur Bildung eines Carbids des Legierungselementes auf der Oberfläche der Siliciumcarbidfasern, wodurch vermutlich eine chemische Bindung und keine physikalische Adhäsion erhalten wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Reaktion des freien Kohlenstoffs mit Aluminium oder einem in eine- Magnesiumlegierung zugesetzten Element diffundiert der Kohlenstoff aus dem inneren Teil der Siliciumcarbidfaser mit einem Gehalt an freiem Kohlenstoff an die Oberfläche und reagiert mit Aluminium oder einem in eine: Magnesiumlegierung zugesetzten Element und ferner diffundiert Aluminium oder ein in einer Magnesiumlegierung zugesetztes Element in den inneren Teil der Siliciumcarbidfaser und reagiert mit dem freien Kohlenstoff, so daß die Benetzbarkeit der Silicium-

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carbidfaser und dem Aluminium oder einem Element, das in eine Magnesiumlegierung zugesetzt ist _t sehr gut wird. Die Umsetzung des freien Kohlenstoffs mit Aluminium oder einem in eine Magnesiumlegierung zugesetzten Element ist sehr rasch, jedoch ist die Diffusionsgeschwindigkeit, mit welcher der freie Kohlenstoff aus dem inneren Teil der Siliciumcarbidfaser diffundiert und die Diffusionsgeschwindigkeit, mit welcher Aluminium oder ein in eine Magnesiumlegierung zugesetztes Element in den inneren Teil der Siliciumcarbidfaser diffundiert langsam, so daß es im allgemeinen vorteilhaft ist, daß das geschmolzene Mstall und die Siliciumcarbidfaser mit einem Gehalt an freiem Kohlenstoff in Kontakt gebracht und für mehr als 10 Minuten lang umgesetzt werden. Die mikroskopische Aufnahme des Querschnittes des Aluminiumverbundmaterials in Fig. 2 zeigt, daß es keine Lücken um die Paser des Verbundmaterials gibt, das durch eine solche chemische Reaktion erhalten wird, und daß die vorstehend beschriebene Benetzbarkeit sehr hoch ist.

Wenn jedoch der Verbundstoff, der unter Verwendung der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt einer großen Menge an freiem Kohlenstoff erzeugt wird_;bei einer relativ niedrigen Temperatur für eine lange Zeitspanne verwendet wird, reagiert der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern mit dem Metallelement in der Metallmatrix, welche zur Bildung eines Carbids in der Lage ist, zu einem Carbid, wodurch die mechanische Festigkeit der Siliciumcarbidfasern nicht nur herabgesetzt wird, sondern auch die Zusammensetzung und die mechanische Festigkeit der Matrix selbst allmählich variiert und insbesondere die Brüchigkeit zunimmt.

Wenn insbesondere die Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von mehr als 5 Gew.-# an freiem Kohlenstoff verwendet werden, scheint dies leicht vorzukommen und wenn die

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Menge des freien Kohlenstoffs mehr als 20 Gew.-5& beträgt, wird der nachteilige Einfluß der Biläungsreaktion des Carbids merklich und wie in Fig. 1 gezeigt ist, erniedrigt sich die Zugfestigkeit des Verbundstoffes. Es ist eine Folge der hältenden Funktion des gebildeten Carbids, daß der Young-Modul nicht variiert, wie in Fig. 1 gezeigt ist, sogar wenn die Menge des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbidfasern variiert.

Demgemäß ist es bei den Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt einer großen Menge des freien Kohlenstoffs notwendig, die Bildungsreaktion des Carbids unter Beibehaltung der Benetzbarkeit zu bremsen. Wenn die Oberfläche der Siliciumcarbidfaser mit einem Metall oder Keramikstoffen mit einer angemessenen Bindefähigkeit zu der Faser beschichtet wird, können die beschichteten Fasern die Aluminium-, Aluminiumlegierungs-oder Magnesiumlegierungsmatrix verstärken und können die Änderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Matrix hemmen, welche durch die Diffusion des freien Kohlenstoffs in die vorstehend beschriebene Matrix verursacht wird, wodurch die Eigenschaften der Verbundmaterialien im wesentlichen nicht beeinträchtigt werden, sogar falls der Verbundstoff für eine lange Zeitspanne bei einer hohen Temperatur verwendet wird.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Siliciumcarbidfasern können hergestellt werden, indem man hochmolekulare organische Siliciumverbindungen verspinnt und die gesponnenen Fasern backt bzw. sintert, um Siliciumcarbidendlosfasern zu erzielen, jedoch können im Verlauf der Herstellung, falls die Stufe zur Entfernung von Kohlenstoff weggelassen oder gesteuert wird, die Siliciumcarbidendlosfasern mit einem Gehalt von weniger als 40 % freiem 'Kohlenstoff erhalten werden.

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Es werden im folgenden das Verfahren zur Herstellung der Siliciumcarbidfasern und die Eigenschaften erläutert.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 0,01 bis 40 Gew.-? freiem Kohlenstoff können aus den Organosilxcxumverbindungen hergestellt werden, die durch die folgenden Gruppen (1) bis (10) klassifiziert sind.

(1) Verbindungen mit nur Si-C Bindung.

(2) Verbindungen mit Si-H Bindung zusätzlich zur Si-C Bindung.

(3) Verbindungen mit Si-HaI Bindung.

(4) Verbindungen mit Si-N Bindung.

(5) Verbindungen mit Si-OR Bindung (R:Alkyl-oder Arylgruppe).

(6) Verbindungen mit Si-OH Bindung.

(7) Verbindungen mit Si-Si Bindung.

(8) Verbindungen mit Si-O-Si Bindung.

(9) Ester von Organosilxcxumverbindungen und

(10) Peroxide von Organosilxcxumverbindungen.

Wenigstens eine der Organosilxcxumverbindungen, die zu den vorstehend beschriebenen Gruppen (I)-(IO) gehören, wird einer Polykondensationsreaktion unter Anwendung vom Bestrahlung, Erhitzung, und/oder Zugabe eines PoIykondensationskatalysators unterworfen, um hochmolekulare Organosilxcxumverbindungen mit Silicium und Kohlenstoff als Hauptskelettkomponenten zu bilden. Beispielsweise werden Verbindungen mit den folgenden Molekülstrukturen hergestellt.

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α-: _ lc \ν,_ο-ϊ _η_ *^

(a) -Si-(C)Ii-Si-O-

!Ί¹

(b) -Si-O-(C)_n-O-

I I

ι I

(c) -Si-(On-

(d) Verbindungen mit den obigen beschriebenen Skelettkoraponenten (a) - (c) als wenigstens eine Teilstruktur in linearen, ringförmigen und dreidimensionalen Strukturen oder eine Mischung der Verbindungen mit den vorstehend beschriebenen Skelettkomponenten (a)-(c).

Die Verbindungen mit den vorstehend·.beschriebenen Molekülstrukturen sind beispielsweise folgende:

(a) CH₃ CH₃

-Si - (On- Si-O-

I I I

UH, OhL,

n=l, Poly(silmethylensiloxan), n=2, Poly(siläthylensiloxan), η=6, Poly(silphenylsiloxan) _f

(b) CH

-Si-O-(O-n-0-CH₃ '

n=l, Poly(methylenoxysiloxan), n=2, Poly(äthylenoxysilosan), n=6, Poly(phenylenoxysiloxan), n=12,Poly(diphenylenoxysiloxan)

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ι«/

(C) CH,

! ^ I
-Si-(C)_n

I I
CH₃

n=l, Polysilmethylen, n=2, Polysiläthylen,

(d) Verbindungen mit den vorstehend beschriebenen Skelettkomponenten als wenigstens eine Teilstruktur in linearen, ringförmigen oder dreidimensionalen Strukturen oder Mischungen der Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Skelettkomponenten (a)-(c).

Die vorstehend beschriebenen hochmolekularen Organosiliciumverbindungen werden versponnen und die versponnenen Fasern werden vorläufig unter einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt und danach bei einer hohen Temperatur unter wenigstens einer Atmosphäre von Vakuum, Inertgas, CO-Gas und Wasserstoffgas zur Bildung von Siliciumcarbidfasern mit einer sehr hohen Festigkeit und mit einem hohen Young-Modul gesintert.

Das Verhältnis von Silicium und Kohlenstoff, das in dem vorstehend beschriebenen hochmolekularen Organisiliciumverbindungen (a)-(d) enthalten ist, welche als Ausgangsmaterial der vorstehend beschriebenen Siliciumcarbidendlosfasern verwendet werden, liegt bei zwei Siliciumatomen auf wenigstens 5 Kohlenstoffatome, so daß, falls die hochmolekularen Organosiliciumverbindungen versponnen werden und die versponnenen Fasern gesintert werden, sich viele Kohlenstoff atome, die als Seidenkette der'hochmolekularen Verbindungen gebunden sind, als Kohlenwasserstoffe oder als

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Organisiliciumverbindungen verflüchtigen, jedoch verbleiben 0,01 bis 40 Gew.-? Kohlenstoff als freier Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern.

Wenn d«*r Gehalt des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbidfasern weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, ist die Menge des freien Kohlenstoffs, welcher aus dem inneren Teil der Siliciumcarbidfasern in. die Metallmatrix diffundiert und mit dem Matrixmaterial reagiert zu gering, so daß die Zugfestigkeit der Leichtmetallverbundstoffe, die mit den Siliciumcarbidfasern verstärkt sind, nicht verbessert wird. Die Siliciumcarbidfasern, die aus den hochmolekularen Organosiliciumverbindungen erzeugt werden, können nicht mehr als HO Gew.-% freien Kohlenstoff enthalten. Demgemäß muß der Gehalt des freien Kohlenstoffs, der in den Siliciumcarbidfasern enthalten ist, die für die Herstellung der mit den Siliciumcarbidfasern verstärkten Leichtmetallverbundstoffen verwendet werden sollen, 0,01 bis 40 Gew.-% betragen.

Die Zugfestigkeit und der Young-Modul der erfindungsgemäß verwendbaren Siliciumcarbidfasern sind in der folgenden Tabelle gezeigt und die Siliciumcarbidfasern mit einer solch hohen Zugfestigkeit sind bisher nicht bekannt.

Tabelle Zugfestigkeit 300 - 600 kg/mm²

spezifische Festigkeit etwa 4 ,Ox 10' cm

Young-Modul etwa 20-40 t/mm²

spezifischer Young-Modul etwa 1,10x10° cm

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Der Young-Modul der Siliciumcarbidfasern gemäß der Erfindung ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige von Kohlenstoffasern, welche den höchsten Young-Modul unter zahlreichen bisher bekannten Fasern besitzen.

Wenn ein Verbundmaterial aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung und den Siliciumcarbidfasern hergestellt wird, reagiert der in den Siliciumcarbidfasern enthaltene freie Kohlenstoff mit dem Aluminium nach der folgenden_/vorstehend beschriebenen Gleichung (1) zur Bildung von AIuminiumcarbid (Al^C,).

Die Änderung der freien Standardenergie in der vorstehenden Formel ist negativ und die Bildung von Aluminiumcarbid erfolgt sehr leicht, so daß der freie Kohlenstoff auf der Oberfläche der Siliciumcarbidfasern mit Aluminium zur Bildung von Aluminiumcarbid reagiert. Dieses Aluminiumcarbid verbindet die Siliciumcarbidfasern und die Matrix von Aluminiummetall, so daß das Aluminiumcarbid zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Fasern zu Aluminium oder einer Aluminiumlegierung beiträgt.

Wenn jedoch die Siliciumcarbidfasern eine Menge des freien Kohlenstoffs enthalten, welche die zur Verbesserung der Benetzbarkeit notwendige Menge überschreitet, diffundiert der freie Kohlenstoff allmählich hinein und reagiert mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Bildung des Carbide in der Metallmatrix. Dieses Carbid beeinträchtigt die Zähigkeit der Metallmatrix des Verbundstoffes und macht das Verbundmaterial brüchig. Daher wird die Zugfestigkeit der mit Siliciumcarbidfaser verstärkten Aluminiumverbundstoffe erriiedrigt.

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Wenn eine Aluminiumlegierung für die Matrix verwendet wird, reagieren die für die Bildung von Aluminiumlegierungen zuzusetzenden Elemente, etwa Hafnium, Zirkonium, Titan, Calcium, Vanadium, Chrom, Silicium, Mangan, Molybdän, Niob, Tantal und Wolfram mit dem freien Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern zur Bildung von Carbiden, welche bei einer niedrigen Temperatur stabil sind und die Benetzbarkeit der Siliciumcarbidfasern zu der Aluminiumlegierung weiter verbessern. Eisen, Kupfer und Nickel reagiert mit SiC, so daß die Zugabe dieser Elemente zum Aluminium oder zu einer Aluminiumlegierung die Benetzbarkeit der Siliciumcarbidfasern zu Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verbessern kann. Magnesium alleine wird kaum als Werk-und Baustoff verwendet und es werden immer Magnesiumlegierungen verwendet. Wenn jedoch ein Verbundmaterial aus einer Magnesiumlegierung und den Siliciumcarbidfasern hergestellt wird, reagiert der in den Siliciumcarbidfasern enthaltene freie Kohlenstoff mit einem in der Magnesiumlegierung enthaltenen Metall, welches zur Bildung eines Carbides in der Lage'ist,wie Al, Mn, Zr, Si, Ca, Y und andere seltene Erdmetalle , Th usw. Wenn die Menge des gebildeten Carbids zu klein ist, beeinflußt in diesem Falle das gebildete Carbid die mechanischen Eigenschaften der Metallmatrix nicht stark, wenn jedoch die Menge groß wird, werden die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit der Metallmatrix erniedrigt und das gebildete Verbundmaterial wird brüchig. Insbesondere bei Verbundmaterialien, die aus einer hitzebeständigen Magnesiumlegierung und den Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von mehr als 5 % des freien Kohlenstoffs zusammengesetzt sind, schreitet während der Verwendung der Verbundmaterialien bei einer hohen Temperatur die Bildungsreaktion der vorstehend beschriebenen Carbide fort und wenn solche Verbundstoffe für eine lange Zeitspanne verwendet werden, werden die Verbundstoffe allmählich brüchig.

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Sogar falls Zink oder Berillium in der Magnesiumlegierung enthalten ist, verhindern diese Elemente die Bildung des Carbids mit dem freien Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern nicht, so daß es nicht notwendig ist, den Einfluß dieser Metalle zu betrachten.

Wenn die Verbundstoffe unter Verwendung von Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt an freiem Kohlenstoff hergestellt werden, welcher die zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Siliciumcarbidfasern zu der Matrix notwendigen Menge überschreitet, werden die Oberflächen solcher Siliciumcarbidfasern mit einem Metall oder Keramikstoffen beschichtet, um die Reaktion des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbidfasern mit dem Matrixmetall, welches das notwendige Ausmaß überschreitet, zu verhindern und um die der Metallmatrix innewohnenden Eigenschaften beizubehalten und die Metallmatrix mit Silxciumcarbidendlosfasern zu verstärken. Danach wird die Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsmatrix mit den beschichteten Siliciumcarbidfasern zur Bildung eines Verbundmaterials verstärkt.

Insbesondere wenn ein Verbundmaterial, das unter Verwendung der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 5 bis kO Gew.-% des freien Kohlenstoffs hergestellt wird, bei einer hohen Temperatur,verwendet wird, werden die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials infolge der Bildungsreaktion zu dem Carbid beeinträchtigt; wenn jedoch Siliciumcarbidfasern mit einem Metall oder Keramik beschichtet werden und ein Verbundmaterial unter Verwendung solcher beschichteten Fasern als Verstärkungsfasern hergestellt wird, sogar falls ein solches Verbundmaterial bei einer hohen Temperatur für eine ausgedehnte Zeitspanne verwendet wird, werden die der Metallmatrix innewohnenden Eigenschaften beibehalten und die zahlreichen ausgezeichneten physikalischen und chemischen Eigenschaften der vorstehend

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beschriebenen Siliciumcarbidendlosfasern können vollständig entwickelt ..werden.

Das Beschichten der vorstehend beschriebenen SiIi-

ciumcarbidfasern mit einem Metall, einer Legierung oder mit Keramikstoffen kann durch folgende sieben Verfahren bewirkt werden, nämlich (1) ein chemisches Darrmfabscheidungsverfahren (2), Flammenschmelzsprühbeschichtungs-

verfahren (3) Zerstäubungsbeschichtungs-

verfahren, (4) Verdampfungsbeschichtungsverfahren, (5) Elektroplattierungsverfahren, (6) Pulversinterverfahren und

(7) Nichtelektrodenplattierungsverfahren.

(1) Chemisches Dampfabscheidungsverfahren:

Ein Gas einer Metallverbindung alleine oder zusammen mit Wasserstoffgas, Sauerstoffgas, CO-Gas, einem Kohlenwasserstoffgas oder einem anderen Gas wird thermisch bei einer Temperatur im Bereich von 5OO-27OO°C zur Bildung des vorstehend beschriebenen Metallüberzugs auf der Faseroberfläche thermisch zersetzt. Beispielsweise wird im Fall von Wolframchlorid und Wasserstoffgas ein Wolframmetallüberzug bei etwa 500⁰C gebildet. Wenn Zirkoniumjodidgas bei einem Temperaturbereich von 13OO-l8OO°C thermisch zersetzt wird, wird ein Metallüberzug aus Zirkonium gebildet. Wenn ein gemischtes Gas aus Platinchlorid und CO-Gas thermisch zersetzt wird, wird ein Platinüberzug gebildet.

(2)' Flammenschmelzsprühbeschichtungsverfahren:

Ein Metall, eine Legierung oder keramische Stoffe werden durch eine Flamme mit einer hohen Temperatur geschmolzen und das geschmolzene Metall, die geschmolzene Legierung und die geschmolzenen Keramikstoffe werden auf die

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Siliciuracarbidfaseroberfläche zur Bildung eines Überzugfilmes gesprüht. Als Flamme kann eine Sauerstoff-Acetylengasflamme und eine Plasmastichflamme verwendet werden.

(3) Zerstäubungsbeschichtungsverfahren:

Ein Argonplasma wird durch eine Hochfrequenzladung unter Argonatmosphäre gebildet und das Plasma beschießt einen Auffangsschirm eines Metalls, einer Legierung oder von Keramikstoffenj um das Metall, die Legierung oder die Keramikstoffe zu verdampfen und den überzug auf der Siliciumcarbidfaseroberfläche zu bilden.

(4) Verdampfungsbeschichtungsverfahren unter Vakuum:

Ein Metall, eine Legierung oder Keramik wird erhitzt und in Vakuumatmosphäre zur·Bildung des Überzugs auf der Siliciumcarbidfaseroberflache verdampft.

(5) Elektroplattierungsverfahren:

Ein Elektrolyt mit einem Gehalt eines Metallions wird der Elektrolyse unter Verwendung der Siliciumcarbidfasern als Kathode unterworfen, um den Metallüberzug auf die Siliciumcarbidfasern zu plattieren.

(6) Pulversinterverfahren:

Feinverteilte Pulver eines Metalls, einer Legierung oder von Keramik werden hergestellt und die Pulver werden in einem Lösungsmittel suspendiert und danach werden die Siliciumcarbidfasern in der Suspension eingetaucht, um die Pulver auf den Fasern abzuscheiden. Danach wird das Lösungsmittel verdampft und dann wird erhitzt, um den Metallüberzug auf den Siliciumcarbidfasern zu bilden.

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(7) Nichtelektrodenplattierungsverfahren:

Die Sxliciumcarbidfaseroberfläche wird mit einem Metall ohne Verwendung von elektrischer Energie plattiert, indem eine chemische Substitution von entsprechenden Metallen und ein Reduktionsschritt vorgenommen wird. Die Zusammensetzung des bei diesem Verfahren zu verwendenden Plattierungsbades besteht aus einem Metallsalz, einem Reduktionsmittel und einer Pufferlösung.

Unter den Keramiküberzügen kann ed n Oxidüberzug durch sechs Verfahren unter Ausschluß des vorstehend beschriebenen Verfahrens (5) gebildet werden.

Ein anderes Verfahren als die vorstehend beschriebenen sechs Verfahren ist möglich, um einen Oxidfilm durch Erhitzen der Siliciumcarbidfasern oder der mit einem Metall oder einer Legierung bei einer hohen Temperatur beschichteten Siliciumcarbidfasern zu bilden. Der Oxidüberzug kann durch Erhitzen solcher Fasern einer Temperatur von 5OO-25OO°C 0,1 -50 Stunden lang unter einer oxidierenden Atmosphäre gebildet werden. Bei einer Temperatur unter 500⁰C ist die Oxidationstemperatur zu niedrig und der Oxidüberzug wird nicht vollständig ausgebildet und bei einer Temperatur über 250O⁰C schreitet die Zersetzung und die Verdampfung von Siliciumcarbid übermäßig fort, so daß die Erhitzungstemperatur 5ΟΟ-25ΟΟ C sein muß. Die Erhitzungsdauer unter einer oxidierenden Atmosphäre benötigt bei einer Temperatur von weniger als 500°C eine lange Zeit von 30 Stunden, während bei einer Temperatur von so hoch wie 2500 C ein gutes Ergebnis in 0,2 Stunden erzielt werden kann. Als oxidierende Atmosphäre für den Erhitzungsvorgang ist Luft am wirtschaftlichsten und der Oxidüberzug kann sogar unter Verwendung eines gemischten Gases aus Ozon und Luft gebildet werden.

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Falls das vorstehend beschriebene Erhitzen unter wenigstens einer gasförmigen Atmosphäre, etwa Stickstoffgas, Ammoniakgas oder einem gemischten Gas· aus Ammoniakgas und Wasserstoffgas bewirkt wird, kann ein Metallnitrid gebildet werden und die Erhitzungstemperatur beträgt in diesem Fall vorzugsweise 500-250O⁰C.

Wenn die Siliciumcarbidfaseroberfläche mit einem Metall oder einer Legierung beschichtet wird, ist die Benetzbarkeit des vorstehend beschriebenen Metalls oder der vorstehend beschriebenen Legierung mit der Aluminium-, AIuminiumlegierungs-oder Magnesiumlegierungsmatrix sehr gut, weil der Kontaktwinkel der gegenseitigen Metalle zueinander weniger als 90° beträgt und klein ist. Dementsprechend verbessert der überzug der Siliciumcarbidfaseroberflache mit einem Metall oder einer Legierung die Benetzbarkeit der Aluminium-, Aluminiumlegierungs-oder Magnesiumlegierungsmatrix zu den Siliciumcarbidfasern und der überzug verhindert ferner wirksam die Reaktion zur Bildung von Aluminiumcarbid oder Carbiden der in der Metallmatrix enthaltenen Elemente, welche zur Bildung von Carbiden fähig sind, so daß die Eigenschaften der Aluminium-, Aluminiumlegierungs-oder Magnesiumlegierungsverbunds toffe, die auf diese Weise hergestellt werden, erheblich verbessert v/erden. Wenn die Metallelemente B, Mn, Mo, Al, W, Si, Cr, Ca, Ce, V, U, Th, Nb, Ta, Ti, Zr und Hf unter den beschichteten Metallen und Legierungen entsprechend zusammen mit dem freien Kohlenstoff erhitzt werden, werden stabile Carbide gebildet. Dementsprechend wird der vorstehend beschriebene Metallüberzug teilweise oder vollständig zu dem Carbidüberzug durch Erhitzen umgesetzt, wenn der Verbundstoff gebildet wird und der Carbidüberzug verhindert die Diffusion des freien Kohlenstoffes aus dem inneren Teil der Siliciumcarbidfasern und die Umsetzung des freien Kohlenstoffs mit Aluminium oder dem Metallelement in der Magnesiumlegierung zur Bildung des Carbids.

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Die vorteilhafterweise zur Beschichtung der Siliciumcarbidfasern verwendbaren Metalle sind u.a. die vorstehend beschriebenen Metalle, die zur Bildung der Carbide in der Lage sind, etwa Be, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Pt, Au und Pb und Legierungen von wenigstens zwei Metallelementen der vorstehend beschriebenen Metallelememte.

Zu vorteilhaften Keramikstoffen, die zur Beschichtung der Siliciumcarbidfasern verwendbar sind, gehören MgO, Al₂O , SiO₂, TiO₂ und ZnO als Oxide und AlN, Mg₃N₂, Si₃N₄, TiN und ZrN als Nitride und TiC, ZrC und WC als Carbide.

Wenn die Stärke des Films, der auf den vorstehend beschriebenen Siliciumcarbidfasern aufgebracht ist, weniger als 100 A beträgt, ist der aufgebrachte Film zu dünn und die Diffusion des freien Kohlenstoffs kann nicht wirksam verhindert werden, während bei einer Stärke von mehr als 2000 Ä die Fähigkeit zur Verhinderung der Diffusion des freien Kohlenstoffes nicht von dem Fall verschieden ist,

0 bei dem die Stärke nicht mehr als 2000 A beträgt, so daß eine solch große Dicke nicht notwendig ist. Dementsprechend beträgt die Stärke des Films zum Beschichten der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 0,01-40 Gew.-% an freiem Kohlenstoff vorzugsweise 100-2000 A.

Die Verbundstoffe, die aus den Siliciumcarbidfasern und Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung zusammengesetzt sind, können durch die folgenden Verfahren zur Herstellung von üblichen mit Fasern verstärkten Metallverbundstoffen hergestellt werden, beispielsweise:

(1) Diffusionsbindeverfahren

(2) Flüssiginfiltrationsverfahren

(3) Schmelzsprühverfahren

(4). Elektroabscheidungsver fahren

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(5) Heißextrudier-und Heißwalzenverfahreif,^ ^ ' " O

(6) Chemisches Dampfabscheidungsverfahren und

(7) Kaltpreß-und Sinterverfahren.

(1) Diffusionsbindeverfähren:

Die Siliciumcarbidfasern und die Matrixmetalldrähte werden alternierend in einer Richtung angeordnet, die Oberfläche und die Unterfläche der aufgeschichteten Siliciumcarbidfasern und der Metalldrähte werden mit dünnen Filmen des Matrixmetalles bedeckt oder nur die Bodenfläche wird mit dem vorstehend beschriebenen dünnen Film bedeckt und die obere Fläche wird mit Matrixmetallpulvern, die mit einem organischen Bindemittel gemischt sind, überzogen, um Verbundschichten zu bilden. Diese Schichten werden in wenigen Lagen aufgeschichtet und danach wird der gebildete Schichtaufbau unter einem Druck zur Bildung eines Verbundmaterials das aus Siliciumcarbidfasern und dem Matrixmetall zusammengesetzt ist, erhitzt. Als organisches Bindemittel sind Substanzen, welche sich vor dem Erhitzen auf eine Temperatur verflüchtigen, bei welcher das Matrixmetall und der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern reagieren und das Carbid bilden,erwünscht und beispielsweise können Stärke, CMC, Paraffin, Harz, Ammoniumchlorid, Mineralöl, Polyvinylalkohol, Polystyrol, organische Polymere usw. verwendet werden.

Alternativ werden die Siliciumcarbidfasern, die mit Matrixmetallpulvern, gemischt mit einem organischen Bindemittel/ beschichtet sind, angeordnet und aufgestapelt und das gebildete Laminat wird unter Erhitzen zur Bildung eines Verbundstoffes gepreßt.

(2) Flüssiginfiltrationsverfahren

Die Abstände,zwischen den ausgerichteten Siliciumcarbidfasern werden mit dem geschmolzenen Aluminium, einer

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geschmolzenen Aluminiumlegierung oder einer geschmolzenen Magnesiumlegierung gefüllt. Da in diesem Fall die Benetzbarkeit der mit dem Metall beschichteten Siliciumcarbidfasern zu dem Matrixmetall gut ist, können die Lücken zwischen den angeordneten Fasern weitgehend mit dem Matrixmetall gefüllt werden.

(3) Schmelzsprühverfahren

Die Oberflächen der ausgerichteten Siliciumcarbidfasern werden mit dem Matrixmetall durch Besprühung mit einer Plasmaschmelze oder Besprühung mit einer Gasschmelze zur Erzeugung eines bandartigen Verbundstoffes überzogen. Dieses bandartige Verbundmaterial wird unmittelbar verwendet oder die bandartigen Verbundstoffe werden aufgeschichtet, und der gebildete Schichtstoff wird dem vorstehend beschriebenen Diffusionsbindeverfahren (1) unterworfen, wobei ein Verbundstoff gebildet wird.

(4) Elektrolytisches Abscheidungsverfahren bzw. Galvanisierungsverfahren

Das Matrixmetall wird elektrolytisch auf die Oberflächen der Fasern zur Bildung eines Verbundstoffes abgeschieden. Ferner ist es möglich, die gebildeten Verbundstoffe auszurichten und aufzuschichten und der gebildete Schichtstoff wird dem vorstehend beschriebenen Diffusionsbind ever fahr en unterworfen.

(5) Heißextrudier-und Walzenverfahren:

Die Siliciumcarbidfasern werden in einer Richtung angeordnet und die so ausgerichteten Siliciumcarbidfasern werden zwischen die Matrixmetallfolien in eine Sandwichform gelegt und danach durch erhitzte Walzen geleitet, um die Fasern und das Matrixmetall zu verbinden, wodurch ein Ver-

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^B7T657685

bundstoff · erzeugt wird. **'

(6) Chemisches Dampfabscheidungsverfahren:

In einem Heizofen werden die Siliciumcarbidfasern eingeführt und beispielsweise ein gemischtes Gas von Aluminiumchlorid und Wasserstoffgas darin eingeleitet. Das Aluminiumchlorid wird zur Abscheidung von Aluminiummetall auf die Oberflächen der Siliciumcarbidfasern und zur Bildung eines Verbundstoffes thermisch zersetzt. Ferner können die metallüberzogenen Fasern ausgerichtet und gestapelt v/erden und der gebildete Schichtstoff wird dem vorstehend beschriebenen Diffusionsbindeverfahren (1) unterworfen.

(7) Kaltpreß-und Sinterverfahren:

Die Lücken zwischen den angeordneten Fasern werden mit Matrixmetallpulvern gefüllt und der Aufbau wird unter Druck geformt und der gebildete Formling wird erhitzt und unter Druck oder ohne Druck zur Bildung eines Verbundstoffes gesintert.

Wenn die Verbundstoffe unter Verwendung der Siliciumcarbidfasern, die mit dem Metall oder den Keramikstoffen beschichtet sind, erzeugt werden, können die vorstehend beschriebenen sieben Verfahren (1)-(7) verwendet werden.

Die Zugfestigkeit (Tc) des Verbundstoffes, das aus den Siliciumcarbidfasern und der Metallmatrix erzeugt wird, ist durch die Formel (2) dargestellt.

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Zugfestigkeit des Verbundstoffes. Zugfestigkeit von SiC-Fasern

c/ : Zugfestigkeit der Metallmatrix

V_v: Vol.-% SiC Fasern V_M: Vol.-% der Metallmatrix.

Wie sich aus der vorstehenden Formel (2) ergibt, wird die Zugfestigkeit des Verbundstoffes mit Zunahme des Volumenprozentanteils der Siliciumcarbidfasern in dem Verbundmaterial größer. Dementsprechend wird zur Herstellung des Verbundstoffes mit einer höheren Zugfestigkeit eine Erhöhung des Volumenprozentanteils der zugesetzten Siliciumcarbidfasern benötigt. Wenn jedoch die Menge der Siliciumcarbidfasern 70 Vol.-% überschreitet, ist die Menge der Metallmatrix zu klein, so daß es unmöglich ist, die Lücken zwischen den Siliciumcarbidfasern _mit Metallmatrix vollständig auszufüllen und dementsprechend ist es unmöglich, die durch die vorstehende Formel (2) gezeigte Zugfestigkeit in dem gebildeten Verbundmaterial vollständig zu entwickeln. Wenn die Menge der Fasern kleiner wird, nimmt die Zugfestigkeit des Verbundstoffes ab, so daß nicht weniger als 20 VoI,-% der Siliciumcarbidfasern zugesetzt werden sollten, um praktisch brauchbare Verbundstoffe zu erhalten.Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Leichtmetallverbundstoffes, der mit den Siliciumcarbidfasern verstärkt ist, muß demgemäß die Menge der zuzusetzenden Siliciumcarbidfasern 20 bis 70 Vol.-% betragen.

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⁷⁸2£57685

Der Young-Modul (Ec) des Verbundstoffes ist durch die folgende Formel (3) dargestellt.

^Ec ⁼ Vf ^{+ V}m ^E _m ⁽³⁾

E : Young-Modul des Verbundstoffes

Ejp: Young-Modul von SiC Fasern E : Young-Modul der Metallmatrix V_f: Vol.-% SiC Fasern

V : Vol.-% der Metallmatrix,
m

Wie sich aus der vorstehenden Formel ergibt, wird der Young-Modul des Verbundstoffes mit Zunahme der Menge der zu der Metallmatrix zuzusetzenden Siliciumcarbidf&sern größer. Wenn jedoch die Rate der Fasern zu groß wird, wird die Zähigkeit der Verbundstoffe gering, so daß die Verbundstoffe brüchig werden und in ihrer Zuverlässigkeit nachlassen.

Die Erfindung wird nun im einzelnen erklärt:

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnungen bezug genommen.

Fig. 1 zeigt die Kurvenverläufe einer Beziehung zwischen der Menge an freiem Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern und der Zugfestigkeit und dem Young-Modul einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundstoffes.

Fig. 2 zeigt eine mikroskopische Aufnahme ^eS Querschnitts eines Aluminiumverbundstoffes gemäß der Erfindung.

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E 7844

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Querschnitts der mit den Siliciumcarbidfasern
verstärkten Aluminiumverbundfolie, die im
Beispiel 11 erhalten wird.

Fig. 4 zeigt eine optische mikroskopische Aufnahme

des Querschnitts eines Aluminiumverbundmaterials, das mit den Siliciumcarbidfasern, die mit Kupfer beschichtet sind, verstärkt ist.

Fig. 5 zeigt eine Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Temperaturänderung bei Aluminiumverbundstoffen, die unter Verwendung der mit verschiedenen Metallen beschichteten Siliciumcarbidf asern erzeugt werden.

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Ein Beispiel zur Erzeugung der erfindungsgemäßen verwendbaren Siliciumcarbidendlosfasern wird nachstehend erklärt.

Dimethyldichlorsilan und Natrium wurden zur Erzeugung von Polydimethylsilan umgesetzt. 250 g Polydimethylsilan wurden in einen Autoklaven mit einer Kapazität von einem Liter eingespeist und Luft wurde in dem Autoklaven durch Argongas ersetzt und danach wurde die Reaktion bei 47O°C 14' Stunden lang durchgeführt. Nach Vollendung der Umsetzung wurde das gebildete Polycarbosilan als eine n-Hexanlösung entleert.
Diese n-Hexanlösung wurde zur Entfernung von Verunreinigungen filtriert und danach wurde η-Hexan unter einem verminderten Druck verdampft. Danach wurde der Rückstand in einem ölbad

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bei 280 C unter Vakuum 2 Stunden lang zur Konzentrierung erhitzt. Polycarbosilan wurde in einer Ausbeute von 40 % bezogen auf Dimethyldichlorsilan erhalten. Das durchschnittliche Molekulargewicht des gebildeten Polycarbosilans betrug 1700. Unter Verwendung eines üblichen Spinngerätes wurde das Polycarbosilan erhitzt und bei 33O°C unter einer Argonatmosphäre zur Bildung einer Spinnschmelze geschmolzen und die Spinnschmelze wurde bei einer Spinnrate von 200 m/Min zur Erzielung von Polycarbosilanfasern versponnen.¹ Die Fasern wurden erhitzt, indem man die Temperatur von 20 C auf 190 C in Luft innerhalb 6 Stunden erhöht und diese Temperatur wurde 1 Stunde lang gehalten, um eine Behandlung ohne Verschmelzung durchzuführen. _{Die S}o behandelten Fasern wurden auf 1300 C bei einer Teinperaturanstiegsrate von iOO°C/h unter Vakuum von 1x10 mm Hg erhitzt und diese Temperatur wurde 1 Stunde lang zur Bildung von SiC Fasern beibehalten. Die gebildeten SiC Fasern besaßen einen mittleren Durchmesser von 10 ,um, eine durchschnittliche Zugfestigkeit

2
von 350 kg/mm , einen durchschnittlichen Young-Modul von

3 2 3

23x10 kg/mm und ein spezifisches Gewicht von 2,7 g/cm .

Aluminium wurde erhitzt und in einer Vakuumkammer von 3-6 χ 10 mmHg bei 800°C geschmolzen. Ein Bündel Siliciumcarbidendlosfasern mit einem Durchmesser von 10 ^m und mit einem Gehalt von 5 Gew.-% freiem Kohlenstoff wurde in ein Aluminiumoxidrohr parallel eingeführt, von dem ein Ende verschlossen war. Dieses Aluminiumoxidrohr wurde in die vorstehend beschriebene Vakuumkammer eingeführt. Danach wurde das offene Ende des mit den Fasern beschickten Aluminiumoxidrohres in das bereits geschmolzene Aluminiummetallbad eingetaucht und danach wurde Argongas in die Vakuumkammer geleitet, um den Druck in der Kammer auf eine Atmosphäre zu erhöhen.

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β 7844

Das geschmolzene Aluminium wurde in das Aluminiumoxidrohr eingedrückt und zwischen die Siliciumcarbidendlosfasern gefüllt und reagierte mit dem freien Kohlenstoff in den Fasern zur Bildung von Al.C^. Der geschmolzene Zustand von Aluminium wurde 1 Stunde lang' beibehalten, um diese Bildungsreakticn vollständig durchzuführen und um die Benetzbarkeit der Siliciumcarbidendlosfasern und des Aluminiums höher zu machen. Die Menge der Siliciumcarbidfasern in dem mit den Siliciumcarbidfasern verstärkten Aluminiumverbundstoff, der in dem Aluminiumoxidrohr erhalten wurde, betrug 41 Vol.-%. Die Zugfestigkeit des erzielten Verbund-

2
stoffes betrug 105 kg/mm .

Während die Zugfestigkeit des Aluminiumgußlings etwa 10 kg/mm beträgt, besitzt der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Verbundstoff eine Zugfestigkeit etwa 10 Mal so hoch ist wie diejenige der Aluminiumgußlinge.

Beispiel 2

Eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 0,3 Gew.-% Silicium und 0,5 Gew.-% Magnesium wurde erhitzt und in einer Vakuumkammer mit 1x10 mmHg bei 7O5°C geschmolzen und der geschmolzene Zustand wurde beibehalten.

Ein Bündel der Siliciumcarbidendlosfasern, bei denen jede Faser 4 % Gew.-% freien Kohlenstoff enthielt und einen Durchmesser von 8 pm besaß, wurde in ein Aluminiumoxidrohr parallel eingesetzt, dessen beide Enden geöffnet waren . Ein Ende des Rohres wurde dann verschlossen, und das andere Ende des Rohres wurde: ^mit einem Vakuumgerät verbunden und das Rohr wurde in die Vakuumkammer gelegt und erhitzt und die Siliciumcarbidendlosfasern wurden entgast. Danach wurde das andere Ende des Aluminiumoxidrohres in die 'vorstehend beschriebene geschmolzene Aluminium-Silicium-Magnesiumlegierung eingetaucht, wonach Argongas in die vorstehend beschriebene

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9 R R 7 R R R

Vakuumkammer zur Erhöhung des Druckes in der Kammer auf 5 mmHg eingeleitet wurde. Der Druck in dem Aluminiumoxidrohr betrug 1x10 mmHg Vakuum und die geschmolzene Aluminium-Silicium-Magnesiumlegierung wurde in das Aluminiumoxidrohr, das die Siliciumcarbidendlosfasern umhüllt, aufgesogen. Die aufgesaugte Aluminiumlegierung wurde in dem geschmolzenen Zustand 40 Minuten lang zur Umsetzung des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbidfasern mit Aluminium und Silicium beibehalten, um einen Aluminiumlegierungsverbunds toff, der mit den Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt ist zu bilden. Die Menge der Siliciumcarbidfasern in dem vorstehend beschriebenen Verbundstoff betrug 48 Vol.-% und die

2 Zugfestigkeit des Verbundstoffes betrug 130 kg/mm .

Beispiel 3

In gleicher Weise wie im Beispiel 2 wurde die

geschmolzene Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 4,5 Gew.-% Kupfer mit den Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 3 Gew.-% freiem Kohlenstoff 30 Minuten lang in Kontakt gebracht, um die Benetzbarkeit der Fasern zu der Aluminium-Kupferlegierung höher zu machen, wodurch der mit den Siliciumcarbidfasern verstärkte Aluminiumlegierungsverbundstoff erhalten wurde. Das erhaltene Verbundmaterial enthielt 28 Vol.-% Siliciumcarbidfasern und besaß eine Zugfestigkeit von 86 kg/mm .

Beispiel 4

In gleicher Weise wie im Beispiel 2 wurde eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 0,3 Gew.-% Silicium, 0,6 Gew.-.% Eisen und 5 Gew.-% Kupfer mit den Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 5,5 Gew.-% freiem Kohlenstoff 20 Minuten lang in Kontakt gebracht, um die Benetzbarkeit der Siliciumcarbidfasern zu der vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierung höher zu machen,

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bundstoff enthielt 34 Vol.-% Siliciumcarbidfasern und besaß

wodurch der mit den Siliciumcarbidfasern verstärkte Aluminiumlegierungsverbundstoff erzielt wurde. Der erhaltene Verbundstoff enthielt 34 Vol.-% SiIi
eine Zugfestigkeit von 103 kg/mm'

Beispiel 5

Ein Netz mit einer lichten Maschenweite von 64 (250 meshes) , welches durch Stricken der Siliciumcarbidfasern mit einem Durchmesser von 10-15 um und mit einem Gehalt von 3 Gew.-% freiem Kohlenstoff erhalten wurde und Aluminiumfolien wurden abwechselnd aufgestapelt und einer

2 Heißpresse unter Anwendung eines Druckes von 5 t/cm unter Vakuum bei einer Temperatur von 600°C 40 Minuten lang unter worfen, wobei ein mit den Siliciumcarbidfasern verstärkter Aluminiumverbundstoff erhalten wurde. Der erzielte Verbundstoff enthielt 21 Vol.-% Siliciumcarbidfasern und besaß

2
eine Zugfestigkeit von 54 kg/cm .

Beispiel 6

Eine Siliciumcarbidendlosfaser mit einem Durchmesser von 10 μια. und mit einem Gehalt von 6 Gev/,-% freiem Kohlenstoff wurde durch ein Bad mit einer Länge von 1 Meter und mit einem Gehalt von bei 800⁰C erhitztem , geschmolzenem Aluminium unter einer Argonatmosphäre bei einer Speiserate von 8 cm/Min geleitet, um die Benetzbarkeit der Siliciumcarbidendlosfaser zu dem Aluminium höher zu machen, wodurch ein mit der Siliciumcarbidendlosfaser verstärkter Aluminiumverbunddraht erhalten wurde. Der gebildete Draht besaß einen

2 Durchmesser von 30 ,um, eine Zugfestigkeit von 51 kg/cm , welche etwa 5 Mal so hoch ist,wie diejenige von Aluminium und einen Young-Modul von 15,0 χ 10 kg/mm ,welcher etwa 2 mal so hoch ist wie derjenige von'Aluminium.

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Beispiel 7

Eine Magnesiumlegierung bestehend aus 10 Gew.-% Aluminium, 0,5 Gew.-% Mangan und Rest Magnesium wurde erhitzt und in eine Kammer unter einer Argonatmosphäre bei 1O5O°C geschmolzen. Ein Bündel der Siliciumcarbidfasern, wobei jede Faser einen Durchmesser von 10 um aufwies und 4 Gew.-% freien Kohlenstoff enthielt, wurde in ein Magnesiumoxidrohr parallel eingesetzt, dessen beide Enden geöffnet waren . Ein Ende des Rohres wurde verschlossen und das andere Ende wurde mit einem Vakuumsystem verbunden und das Rohr wurde unter Erhitzen entgast. Danach wurde das Rohr in die vorstehend beschriebene Kammer unter Argonatmosphäre gelegt und die Dichtung wurde entfernt. Das geöffnete Ende dieses Magnesiumoxidrohres wurde in die vorstehend beschriebene geschmolzene Magnesiumlegierung eingetaucht und das andere Ende wurde evakuiert. Die geschmolzene Magnesiumlegierung wurde in das Magnesiumoxidrohr hineingedrückt und zwischen die Siliciumcarbidfasern eingefüllt. Der geschmolzene Zustand der Magnesiumlegierung wurde 30 Minuten lang beibehalten, um einen mit den Siliciumcarbid— fasern verstärkten Magnesiumlegierungsverbundstoff zu erhalten. Der erhaltene Verbundstoff enthielt 25 Vol.-% der Fasern und besaß eine Zugfestigkeit von 73 kg/mm . Diese Zugfestigkeit war etwa 4 mal so hoch wie diejenige der Magnesiumlegierung ohne einen Gehalt von Siliciumcarbidfasern. Aus diesem Ergebnis ergibt sich, daß der verstärkende Einfluß der Siliciumcarbidfasern vollständig entwickelt ist. Der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbidfasern reagiert mit Aluminium in der Magnesiumlegierung und die Benetzbar— keit der Faser zu der Metallmatrix ist gut.

Beispiel 8

Eine Magnesiumlegierung, bestehend aus S3,4 Gew.-% Magnesium, 0,6 Gew.-% Zirkonium, 2 Gew.-% Yttrium und 4 Gew.-% Zink wurde erhitzt und in einer Kammer unter Argongasatmos-

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phäre bei 80O⁰C geschmolzen. Ein Bündel der Siliciumcarbidfasern , wobei jede Faser einen Durchmesser von 15 um aufwies und 6 Gew.-% freien Kohlenstoff enthielt, wurde in ein Magnesiarohr eingesetzt, dessen beide Enden geöffnet viaren . In gleicher Weise wie im Beispiel 7 beschrieben ist, wurden die Lücken zwischen den Siliciumcarbidfasern mit der geschmolzenen Magnesiumlegierung gefüllt und der geschmolzene Zustand der Magnesiumlegierung wurde 1 Stunde lang gehalten, wobei ein mit den Siliciumcarbidfasern verstärkter Magnesiumlegierungsverbundstoff erhalten wurde. Der erhaltene Verbundstoff enthielt 32 Vol.-% der Siliciumcarbidfasern und

ο besaß eine Zugfestigkeit von 87 kg/mm . Der Verbundeffekt zwischen den Fasern und dem Metall ist offensichtlich. Der freie Kohlenstoff in den Fasern reagiert mit den zugesetzten Elementen in der Legierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Fasern zu der Legierung und der Eigenschaften, während der Verbundstoff entwickelt wurde.

Beispiel 9

Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 5 Gew.-% freiem Kohlenstoff wurden parallel aufgeschichtet und die Lücken zwischen den Siliciumcarbidfasern wurden mit Magnesiumlegierungspulvern, bestehend aus 1 Gew,-% Mangan, 0,1Gew.-% Calcium, 0,25 Gew.-% Silicium, 0,03 Gew.-% Kupfer, 0,008 Gew.-% Nickel, 0,2 Gew.-% eines weiteren Elementes und 98,412 Gew.-% Magnesium gefüllt, um einen Formling mit 20 mm χ 50 mm χ mm zu bilden. Dieser Formling wurde einer

Heißpresse unter einem Druck von 0,5 Tonnen/cm unter einer Argonatmosphäre bei 550 C 4 Stunden lang unterworfen, um einen mit den Siliciumcarbidfasern verstärkten Magnesiumlegierungsverbundstoff zu erhalten. Der erzielte Verbundstoff enthielt 30 Vol.-% der Fasern und besaß eine Zug -

2 ,

festigkeit von 30 kg/mm . Diese Zugfestigkeit war etwa 2 mal so hoch wie diejenige der Magnesiumlegierung ohne einen Gehalt an Fasern, so daß der Verbundeffekt deutlich wird.

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Dies zeigt, daß der freie Kohlenstoff in den Fasern mit den zugesetzten Elementen in der Magnesiumlegierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Fasern zu der Legierung reagiert.

Beispiel 10

Ein aus den Siliciumcarbidfasern zusammengesetztes, gewobenes Tuch, wobei jede Faser einen Durchmesser von 10_/um aufwies und 10 Gew.-% freien Kohlenstoff enthielt, wurde in Scheiben mit einem Durchmesser von 100 mm geschnitten. Die gebildeten Scheiben wurden in einem Abstand von 0,02 mm angeordnet und die so angeordneten Scheiben wurden in eine Kammer unter Argonatmosphäre gelegt. Eine Magnesiumlegierung, bestehend aus 9,5 Gew.-% Aluminium, 0,5 Gew.-% Mangan, 2,1 Gew.-% Zink, 0,2 Gew.-% Silicium, 0,1 Gew.-% Kupfer, 0,05 Gew.-% Nickel, 0,25 Gew.-% der anderen Elemente und 87,3 Gew.-% Magnesium wurde in die Kammer unter einer Argonatmosphäre eingespeist und durch Erhitzen bei 800 C geschmolzen. Die geschmolzene Legierung wurde auf die ausgerichteten, gewobenen Fasergewebe gegossen. Der geschmolzene Zustand der Magnesiumlegierung wurde 30 Minuten lang beibehalten, wobei ein mit den Siliciumcarbidfasern verstärkter Magnesiumlegierungsverbundstoff erhalten wurde. Der erzielte Verbundstoff enthielt 25 Vol.-% der Siliciumcarbid-

fasern und besaß eine Zugfestigkeit von 65 kg/mm . Diese Zugfestigkeit war etwa 3 mal so hoch wie diejenige der Aluminiumlegierung ohne einen Gehalt der Fasern. Dies zeigt, daß der freie Kohlenstoff mit den zugesetzten Elementen in der Legierung zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Fasern zu der Legierung reagiert.

Beispiel 11

Die Oberfläche der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 13 Gew.-% freiem Kohlenstoff (mittlerer Durch-

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messer: 20 pm, mittlere Zugfestigkeit:,. 3Q0 kg/mm , mittlerer

4 2
Young-Modul: 3,0 χ 10 kg/mm ) wurde mit Hilfe eines Vakuumverdampfungsverfahrembeschichtet, um einen Uberzugsfilm mit einer Stärke von 400-500 A Wolfram7 Molybdän-Kupfer-, Silicium-, Magnesium-, Zink-, Eisen-, Mangan-, Nickel-, Titan-oder Silbermetall zu bilden.

Die vorstehend beschriebenen beschichteten Siliciumcarbidfasern wurden in einer Schicht auf einer reinen Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,05 mm parallel angeordnet und danach wurde die ausgerichtete Schicht aus beschichteten Siliciumcarbidfasern mit der Aluminiumfolie bedeckt und der Aufbau wurde durch auf 600⁰C erhitzte heiße Walzen geschickt, um eine Verbundfolie aus den Siliciumcarbidfasern und dem Aluminium zu bilden. Eine schematische Ansicht dieser Verbundfolie ist in der Fig. 3 gezeigt. 20 Verbundfolien wurden übereinander gelegt und einer auf 600 C erhitzten heißen Presse unterworfen, wobei ein Aluminiumverbundmaterial, das mit den Siliciumcarbidfasern verstärkt war, erhalten wurde.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Hierbei handelt es sich um eine Strukturphotographie des unter Verwendung von mit Kupfer beschichteten Siliciumcarbidfasern hergestellten Verbundmaterials, wobei die Struktur des Verbundmaterials mit einem optischen Mikroskop beobachtet wurde. Wie in

Fig. 4 gezeigt ist, ist die Verbindung der Siliciumcarbidfasern mit dem Aluminium sehr gut und die Siliciumcarbidfasern haften eng an dem Aluminium. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundstoffe, die unter Verwendung der mit den Metallen beschichteten Siliciumcarbidfasern erzeugt werden, sind in der folgenden Tabelle I aufgeführt:

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Tabelle I

	Beschichtungsmetallelement	W	Mo	Cu	Si	My	Zn	Fc	Mn	Ni	Ti	Ag
	63	51	72	49	4 8	56	68	60	80	70	73
Zugfestig- ' kai t (kg/mm^)	16	15	14	Ib	Ϊ5	15-	-17	16	14	16	13
Young-Modul (iO3kg/mrrr)	2,3	2/4	2Z1	2,8	3,1	3,3	2,3	2/7	3,0	2,6	3,4
Dehnung (%)

Die Zugfestigkeit von reinem Aluminium beträgt etwa

9 3 2

11 kg/mm , der Young-Modul ist etwa 7 χ1Ο kg/mm und die Dehnung beträgt etwa 25 %. Die Zugfestigkeiten €er Verbundstoffe, die in der vorstehenden Tabelle I gezeigt sind,variieren mehr oder weniger in Abhängigkeit von der Art des Beschichtungsmetalls, jedoch sind sie mehrfach so hoch wie diejenige des reinen Aluminiums. Die Young-Module der Verbundmaterialien sind etwa zweimal so hoch wie der Young-Modul des reinen Aluminiums. Die Dehnungen der Verbundmaterialien sind weit kleiner als diejenige des reinen Aluminiums. Bei dem Verbundmaterial, das aus den Siliciumearbidfasern erzeugt wurde, die nicht mit Metall und reinem Aluminium beschichtet sind, beträgt die Dehnung weniger als 2 % und ist sehr klein. Bei Vergleich mit diesem Wert ergibt sich, daß der Einfluß der Beschichtung bemerkenswert ist. Die Beziehungen der Zugfestigkeiten der vorstehend beschriebenen Verbundstoffe zur Temperaturänderung ist in Fig. 5 zu sehen. Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, ist die Zugfestigkeit bei reinem Aluminium gering, sogar bei Raumtemperatur und wenn die Temperatur 200°C überschreitet, erniedrigt sich die Zugfestigkeit außer-

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ordentlich. Demgegenüber weisen die Verbundmaterialien der Erfindung bis 500 C nur eine kleine Abnahme der Zugfestigkeit auf, und behalten eine ziemlich hohe Festigkeit und diese Verbundmaterialien können bei einer hohen Temperatur verwendet werden. Selbst wenn ferner diese Verbundstoffe bei einer hohen Temperatur von 400 C 150 Stunden lang gehalten werden, wurde eine Änderung der Eigenschaften nicht beobachtet.

Beispiel 12

Die Oberflächen der Siliciumcarbidfasern mit einem

Gehalt von 20 Gew.-% freiem Kohlenstoff (Zugfestigkeit:

2 4 2

320 kg/mm , Ypung-Modul: 2,8 χ 10 kg/mm ) wurden mit 18 Cr rostfrei, Inconel X, ASTM 1A Kupferlegierung, Zircalloy 2 und Ti-8Mn Titanlegierung mit Hilfe eines üblichen Flammenschmelzsprühbeschichtungsgerätes überzogen, um jeweils einen Uberzugsfilm mit einer Stärke von etwa 6oo A zu bilden.

Die vorstehend beschriebenen beschichteten Siliciumcarbidfasern wurden parallel angeordnet und in eine rostfreie Folienform mit 2 mm χ 20 mm χ 100 mm eingesetzt. Ein Ende der Form wurde in eine geschmolzene Aluminiumlegierung (1060-H 18 Aluminiumlegierung), die auf 800°C erhitzt wurde, gelegt, und der Druck in der Form wurde vom anderen Ende reduziert, wodurch das geschmolzene Aluminium in die beschichteten Siliciumcarbidfasern aufgesaugt wurde. Danach wurde die Form abgekühlt und die rostfreie Folie aufgebrochen und ein Aluminiumverbundstoff herausgenommen. Die erzielten Aluminiumverbundstoffe besaßen 40 Vol.-% Siliciumcarbidfasern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Verbundstoffe bei Zimmertemperatur sind in der folgenden Tabelle II gezeigt:

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- yr -

ko

Tabelle II

h 7844

	Überzugslegierung	inconcl X	Zircalloy 2	Ti-8Mn	ASTMlA Kupfer- leqier •πι nrr
	18 Cr rostfrei	141	138	115	121
Zugfestigkeit (kg/mm^)	125	22	21	18	19
Young-Modul (103ka/mm2)	21	2,9	- h4	3/1	2,8
Dehnung (% )	2,6

Die Zugfestigkeit der Matrix der 1O6O-H 18 Alu-

miniumlegierung beträgt etwa 13 kg/mm und der Young-Modul

3 2
ist etwa 9 χ 10 kg/mm und die Dehnung beträgt etwa 6 %. Wie aus der Tabelle II bei den Aluminiumverbundstoffen gemäß der Erfindung ersichtlich wird, ist die Zugfestigkeit etwa 10 mal so hoch wie diejenige der Matrix,der Young-Modul ist etwa 2,5 mal so hoch wie derjenige der Matrix und die Dehnung beträgt etwa 3 %. Diese Daten zeigen, daß die Aluminiumverbundstoffe der Erfindung ausgezeichnete Eigenschaften besitzen. Selbst wenn ferner die Verbundstoffe bei einer hohen Temperatur von 45O°C für eine lange Zeitdauer (150 Stunden) gehalten werden, änderten sich die Eigenschaften nicht.

Beispiel 13

Die Oberflächen von Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 5 .Gew.-% freiem Kohlenstoff (Zugfestigkeit: 340 kg/mm , Young-Modul: 35 χ 10 kg/mm ) wurden mit

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ZrN, CaO, TiC, HfB und Nb₁-Si, unter einer Argonatmosphäre mit Hilfe eines bipolaren Hochfrequenzzerstäubungsgerätes beschichtet, wobei ein überzug mit einer Stärke von etwa 800A erhalten wurde. Die überzogenen Siliciumfasern wurden in einer Schicht auf einer Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,2 jum parallel angeordnet und die so angeordnete Siliciumcarbidfaserschicht wurde mit Aluminiumfeinpulver (5154-0 Aluminiumlegierung, Teilchengröße weniger als 50 ;um (325 meshes) bedeckt und der Aufbau wurde einer Heißpresse unter einem Druck von 200 kg/cm bei einer Temperatur von 56O°C zur Erzielung einer Verbundfolie unterworfen. 20 Verbundfolien wurden übereinander gelegt und einer Heißpresse unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend beschrieben, ausgesetzt, wobei Aluminiumverbundstoffe erhalten wurden. Die erzielten Verbundstoffe enthielten 30 Vol.-% der Siliciumcarbidfasern. Die mechanischen Festigkeiten der Verbundstoffe sind in der folgenden Tabelle III aufgeführt.

Tabelle III

	Uberzugskeramik- stoffe	CnO	TiC	HCB	Nb5Si3
2 Zugfestigkeit (kg/mm )	ZrN	98	89	110	101
Young-Modul (103kg/mm2)	104	27	16	21	25
Dehnung ,„, I ■·> J	23	2T9	3,5	2,5	2,2
3,1

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Die Zugfestigkeit der 5140-0 Aluminiumlegierung beträgt 24 kg/mm und die Dehnung beträgt 2 7 %. Wie aus der obigen Tabelle III ersichtlich wird, sind die Zugfestigkeiten der erfindungsgemäßen Verbundstoffe sehr hoch und die Youngmodule sind ebenfalls hoch und die Dehnung beträgt etwa 3 %. Diese Materialien können in befriedigender Weise als Verbundstoff verwendet werden. Sogar wenn diese Verbundstoffe bei 45O°C für eine lange Zeitdauer (150 Stunden) gehalten wurden, änderten sich die Eigenschaften nicht.

Beispiel 14

Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 10 Gew.-% freiem

2 4

Kohlenstoff (Zugfestigkeit: 300 kg/mm , Youngmodul: 2,5 x10 kg/mm , wurden mit Al, Zr, Cr, oder V Metall mit Hilfe eines Vakuumverdampfungsbescnichtungsgerätes beschichtet, wobei ein

ο Überzug mit einer Stärke von 500-1000 A erhalten wurde. Danach wurden die mit dem Al beschichten Siliciumcarbidfasern bei 500 C eine Stunde lang oxidiert, wobei die mit Al₃O₃ beschichteten Siliciumcarbidfasern gebildet wurden. Die anderen Metallüberzüge wurden bei 1000°C in Luft oxidiert, um die mit ZrO₂r ^Cr2°3 oder Vo beschichteten Siliciumcarbidfasern zu bilden.

Die vorstehend beschriebenen, beschichteten Siliciumcarbidfasern wurden mit einer Aluminiumlegierung (5357-H38) auf eine Stärke von 0,1-10 ,um mit Hilfe eines Flammonschmelzsprühbeschichtungsgerätes überzogen. Die mit der Aluminiumlegierung beschichteten Siliciumcarbidfasern wurden in. einer 7 mm χ 10 mm χ 50 mm großen Form aufgeschichtet und einer heißen Presse unter einem Druck von 200 kg/mm bei 500 C unterworfen, wobei Aluminiumverbundstoffe erhalten wurden. Diese Verbundstoffe enthielten 32 Vol.-% der Siliciumcarbidfasern. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundstoffe sind in der folgender. Tabelle IV gezeigt.

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- 9^s ~

Tabelle IV

B 734«

	(kg/mm2)	Überzugskeramikstoffe	3	ZrO2	Cv2O3	V2O5
	(103kg/inm2)	AiLaO		93	78	96
Zugfestigkeit	W	87		18	19	25
Young-Modul	21	3	3,1		2,5
Dehnung	2/

Die Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung (5357-H38)

betrug 2 3 kg/mm . Die Zugfestigkeiten der erfindungsgemäßen Verbundstoffe sind 4-5 mal so hoch wie diejenige der vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierung und Verbundstoffe mit ausgezeichneten Eigenschaften wurden hergestellt. Selbst wenn diese Verbundstoffe bei einer hohen Temperatur von 450 C für eine lange Zeitspanne (1~ Stunden) gehalten wurden, veränderten sich die Eigenschaften nicht.

Beispiel 15

Silicxumcarbidfasern mit einem Gehalt von 13 Gew.-% freiem Kohlenstoff wurden bei 1200⁰C in Luft 2 Stunden lang gesintert_t wobei SiO« Überzugsfilme auf den Oberflächen der Fasern gebildet und gleichzeitig freier Kohlenstoff entfernt wurde. Die mit SiO- beschichteten Siliciumcarbidfasern wurden in einer Schicht auf einer reinen Aluminiumfolie mit einer Stärke von 0,05 mm dicht angeordnet und danach wurde die Siliciumcarbidf aserschicht mit einer reinen Aluminiumfolie mit der gleichen Dicke wie vorstehend beschrieben bedeckt. Der Aufbau wurde einer Heizwalze unter Erhitzen'bei 65O°C zur Bildung einer Verbundfolie unterworfen. 20 Verbundfolien wurden über-

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einandergelegt und einer Heißpresse bei einer Temperatur von 6 40 C eine Stunde lang unterworfen, wobei ein mit den Siliciumcarbidfasern verstärkter Aluminiumverbundstoff erzielt wurde. Der erhaltene Aluminiumverbundstoff enthielt 25 Vol.-% der Siliciumcarbidf asern. . Die Zugfestigkeit

des Verbundmaterials betrug 110 kg/mm , während die Zugfestigkeit des Verbundmaterials, das aus den Siliciumcarbidfasern ohne SiO₂-Beschichtung und Aluminium hergestellt wurde 35 kg/mm² betrug. Aus dem Vergleich wird deutlich, daß die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen Verbundstoffes viel größer ist als bei diesem Vergleichs verbundstoff. Sogar wenn das Verbundmaterial bei 45O°C für eine lange Zeitspanne (100 Stunden) gehalten wurde, änderten sich die Eigenschaften nicht.

Beispiel 16

Magnesxumlegierungsverbundstoffe wurden aus 60 Vol.-% einer Magnesiumlegierung, bestehend aus 3 Gew.-% Aluminium, 1 Gew,-% Mangan, 1,3 Gew.-% Zink und Rest Magnesium und 40 Vol.-% der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 15 Gew.-% freiem Kohlenstoff hergestellt. Die Siliciumcarbidf asern (Durchmesser: 20 ^m) wurden mit Nickel, Kupfer oder einer 13 % Eisen-Chromlegierung mit Hilfe eines Vakuumverdampfungsbeschichtungsverfahren überzogen, wobei der Überzug eine Stärke von etwa 800 A. aufwies'.

Die Siliciumcarbidfasern mit einem Durchmesser von 20 pn wurden bei 1100°C in Luft 1 Stunde lang erhitzt, um die mit dem Siliciumoxid beschichteten Siliciumcarbidfasern zu erhalten.

Die Oberflächen dieser Fasern wurden mit einer Mischung der vorstehend beschriebenen Magnesiumlegierungspulver (95 Gew.-%) und Paraffin (5 Gew.-%) überzogen,

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wobei ein überzug mit einer mittleren Stärke von 12 um erhalten wurde, die so behandelten Fasern wurden angeordnet und in einer 20 mm χ 50 mm χ 30 mm großen Form gestapelt und unter einem Druck von 200 kg/mm bei 4 8O°C in einer Argongasatmosphäre 1 Stunde lang gehalten, wobei Magnesiumlegierungsverbundstoffe erzielt wurden. Die Zugfestigkeiten und die Youngmodule der Verbundstoffe sind in der folgenden Tabelle V gezeigt.

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Tabelle V

	iJLerzugsmaterial	1,5	• Kupfer	13°Ä Eisen- Chrcrr.	SiO2
Zugfestigkeit ( k g / min 2 )	Nickel	99	87	85
Young-Modul (10 3 k g / mm 2)	9 5	18	17	16
Dehnung (%)	16	1,2	1,6	1,8

Bei der Magnesiumlegierung ist die Zugfestigkeit 22 kg/mm und der Youngmodul ist 4,6 χ 10³kg/mm . Bei Vergleich mit diesen Vierten waren die Zugfestigkeit und der Young-Modul der Magnesiumlegierungsverbundstoffe gemäß der Erfindung viel höher, wie aus der obigen Tabelle V hervorgeht. Selbst wenn die Magnesiumslegierungsverbundstoffe bei 48O°C eine lange Zeitdauer (50 Stunden) gehalten wurden, veränderten sich die Eigenschaften nicht.

Beispiel 17

Die Oberflächen der Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt 13 Gew.-% freiem Kohlenstoff (mittlerer Durchmesser: 15 μπι, mittlere Zugfestigkeit: 250 kg/mm², mittlerer Young-Modul: 20 Tonnen/mm²) wurden mit Kupfer auf eine Stärke von 0,2-0,4 mit Hilfe einer Nichtelektrodenplattierungsflüssigkeit· einer

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Kupfermischung ^Cuposite 328)plattiert.

Die kupferplattierten Siliumcarbidfasern wurden gleichfürn.ic: auf eine Aluminiumfolie (HZ/102) angeordnet und Aluminium wurde plasmaversprüht, um eine Verbundfolie herzustellen. Die vorstehend beschriebenen Verbundfolien wurden übereinandergelegt und einer Heißpresse unter einem Druck von 50 kg/cm bei 6 30 C unter Vakuum 90 Min. lang ausgesetzt, wobei ein Verbundstoff erzeugt wurde. Der erzielte Verbundstoff enthielt 30 Vol.-% der Siliciumcarbidfasern und

2 besaß eine Zugfestigkeit von 55 kg/mm . Selbst wenn dieses Verbundmaterial bei 500°C eine lange Zeitspanne erhitzt wurde änderte sich die Zugfestigkeit nicht. Die erfindungsgemäß erzielten Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsverbundstoffe, die mit den Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt sind, besitzen eine sehr hohe Zugfestigkeit und einen hohen Young-Modul, so daß die Verbundstoffe bei folgenden verschiedenen Materialien verwendet werden können.

(a) Materialien für Geräte zur Herstellung von synthetischen Fasern: Spulen, Separatoren, Pumpenteile, Kugeln, Hülsen, mechanische Dichtungen, Ventile, Düsen, Rührer, Reaktior.sgefäße, Rohre, Wärmeaustauscher usw.

(b) Materialien für Geräte für die synthetische Chemie: Kolbenpumpen, Hülsen, mechanische Dichtungen, Separatoren, Reaktorventile,Reduzierventile,Sitze, Wärmeaustauscher, Zentrifugiermaschinen, Tieftemperaturgefäße usw.

(c) Mechanische Werkstoffe:

Wärmeaustauscher, Formen für Preßpulver, Ultraschallarbeitsmaschinen, Ziehschleifmaschinen, Nähmaschinenteile, Nocken, Kugelmühlteile, Kamerateile, Vakuumpumpen, Kollektoren, Lager, Werkzeuge, Uhrenteile, Untergestelle für Maschinen usw.

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Β 7544

(d) Materialien für Haushalts- und Bürozwecke: Tische, verschiedene Regale, Stühle, verschiedene Schränke usw.

(e) Materialien für Baumaschinen:

Bohrmaschinen,Roic-brechwerke, Zerkleinerungsmaschinen, Raupen, Kolbensandpumpen, Löffeibacker usw.

(f) Feuerschutzmaterialien:
Sprenkler, Leiter usw.

(g) Schiffs- und Raumfahrmaterialien:
Wärmeaustauscher, Antennen, Wasserbojen, Tanks usw.

(h) Automobilmaterialien:

Motor, Verteiler,Träger für Differentialgetriebe, Kurbelgehäuse, Pumpengehäuse, Ventilgehäuse, Kupplungsgehäuse, Transmissionsgehäusc, Getriebegehäuse, Schwungradgehäuse, Zylinderblock, Zylinderkopf, Kolben, Riemenscheibe, Gebläsegehäuse, Reifenform, Umlaufmotor, Baumaterial, Rumpfmaterial usw.

(i) Materialien für Geräte zur Herstellung von Nahrungsmitteln:

Supermarkumfüller, Ventile, Reaktoren, mechanische Dichtungen, Separatoren usw.

(j) Sportartikel:

Spikes _t Golfartikel, Tennisschläger, Anglerbedarf, Bergsteigerzeug, Skizeug, Badmintonschläger, Kugeln USV/.

(k) Schiffs- und Flugzeugmaterialien: Motoren, Baustoffe, Außenwände,. Schrauben, Wassertragflächen usw.

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(1) Elektrische Materialien:

Übertragungsleitungen, Kondensatoren, Haltevorrichtungen, Antennen, Stereophonieteile _f p_ol_e usw.

(n) Architekturmaterialien:

Fensterrahmen, Baustoffe usw.

(m) Landwirtschaftliche Maschinen, Fischereigeräte * Geräte für Atomreaktoren, Material für Kernfussionsöfen, Materialien zur Ausnutzung der Sonnenenergie, medizinische Instrumente, Schwingungsbaustoffe, Ventile, Ventilsitze, Ringe, Stangen, Scheiben, Auskleidungen, Sandtransportpumpenteile, Maschinenteile zur Behandlung von Staub, Formen und Düsen zur Extrusion oder Injektion von Kunststoffen, Reflexionsspiegel usw.

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Leerseite

Claims (12)

1. B 7844

   Patentansprüche

   /1. Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsverbundstof fe, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt sind und durch Erhitzen von 20-80 Vol.-% einer Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsmatrix und 80 bis 20 Vol.-% Siliciumcarbidendlosf asern mit einem Gehalt von 0,01-40 Gew.-% freiem Kohlenstoff bei einer Temperatur erhalten wurden, bei welcher Aluminium die Aluminiumlegierung oder die Magnesiumlegierung schmilzt.
2. 2. Aluminiumlegierungsverbundstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung Aluminium und wenigstens ein Metall aus der Gruppe Titan, Chrom, Silicium, Mangan oder Kalzium enthält.
3. 3. Magnesiumlegierungsverbundstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumlegierung Magnesium und wenigstens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Mangan, Zirkonium, Kalzium, Silicium und Yttrium enthält.
4. 4. Verfahren zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungsverbundstoffe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Siliciumcarbidendlosfasern verstärkt werden, indem man 80-20 Vol.-% der Siliciumcarbidendlosfasern mit einem Gehalt von 0,01-40 Gew.-% freiem Kohlenstoff mit 20-80 Vol.-% einer geschmolzenen Aluminiummatrix, einer geschmolzenen Aluminiumlegierungsmatrix oder einer geschmolzenen Magnesiumlegierungsmatrix intensiv vermischt, wobei der in den Siliciumcarbidfasern enthaltene freie Kohlenstoff mit Aluminium oder mit den Metallelementen reagiert, die in der vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierung oder Magnesiumlegierung enthalten sind und leicht Carbide bilden, um Carbide dieser Metall zu bilden, und um die Benetzbarkeit der Silicium-

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   ORIGINAL INSPECTED

   - -ff- B 7544

   carbidfacern zu der Metallmatrix hochzumachen.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallelement in der Aluminiumlegierung, welches das Carbid mit dem freien Kohlenstoff leicht bildet, Silicium, Mangan, Chrom, Titan oder Kalzium verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß als Metallelement in der Magnesiumlegierung, welches das Carbid mit dem freien Kohlenstoff leicht bildet, Aluminium, Mangan, Zirkonium, Silicium, Kalzium oder Yttrium verwendet wird.
7. 7. Verfahren zur Herstellung von mit Siliciumcarbidendlosfasern verstärkten Leichtmetallverbundstoffen nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberflächen dor Siliciumcarbidfasern mit einem Gehalt von 0,01-40 Gew.-% freiem Kohlenstoff mit wenigstens einem Metall oder Keramikstoff überzieht, und 80-20 Vol.-% der beschichteten Fasern und 20-80 Vol.-% des geschmolzenen Aluminiums, der geschmolzenen Aluminiumlegierung oder der geschmolzenen Magnesiumlegierung integriert.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß alt Überzugsmetall B, Mn, Al, W, Si, Cr, Ca, Ce, V, U, Th, Kb, Ta, Ti, Zr oder Hf verwendet wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Überzugsmetall Be, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Pt, Au, Pb oder eine Legierung, bestehend aus wenigstens zwei Metallelementen der,vorstehend beschriebenen Metalle verwendet wird.

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   ■ ' ΐϊ 7 8 Vl
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikstoff MgO, Al₃O₃, TiO₂, ZnO, AlN, Mg₂ ^N ₂' Si₃N₄, TiN, ZrN, TiC, ZrC oder wc verwendet wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metall- oder Keramiküberzug eine Stärke von 100-2000

    A aufweist.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten durch ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren, ein . Flammenschmelzsprühbeschichtungsverfahren, ein Bestäubungsbeschichtungsverfahren, ein Vakuumverdampfungsbeschichtungsverfahren, ein Elektroplattierungsverfahren, ein
    Pulversinterverfahren oder ein Nichtelektrodenplattierungsverfahren durchgeführt wird.

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