DE2657685C2

DE2657685C2 - Verfahren zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffen und dessen Anwendung

Info

Publication number: DE2657685C2
Application number: DE2657685A
Authority: DE
Inventors: Josaburo Hayashi; Hideo Ibaragi Kayano; Mamoru Omori; Seishi Yajima
Original assignee: Research Institute for Iron Steel and Other Metals of Tohoku University
Current assignee: Research Institute for Iron Steel and Other Metals of Tohoku University
Priority date: 1976-09-01
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1983-12-01
Also published as: CA1073247A; SE430614B; IT1069051B; SE8201408L; FR2363636B1; SU643088A3; GB1572460A; US4134759A; DE2657685A1; SE7614039L; FR2363636A1; JPS5330407A; SE430700B; JPS6041136B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffen. die mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt sind, und die Anwendung dieses Verfahrens.

Bei Verbundwerkstoffen aus Metallen und anorganischen Fasern besteht das Problem, daß die Benetzbarkeit der anorganischen Fasern mit Metallen gering ist, so daß die Metalle mit den anorganischen Fasern nicht in einem festen Verbund stehen. Dies hat zur Folge, daß die Verbundwirkung, die durch Verstärkung mit den anorganischen Fasern in der Metallmatrix angestrebt wird, nicht in genügendem Maße erzielt werden kann. Die Benetzbarkeit der anorganischen Fasern mit dem Metall kann durch den Randwinkel wischen dem Metall und der Faseroberfläche angegeben werden. Wenn der Randwinkel größer als 90° ist, wird die Benetzbarkeit gering, während bei einem Randwinkel unter 90° die Benetzbarkeit besser wird.

Es wurden Versuche zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbandwerkstoffen, die mit Siliciumcarbid-Whiskers verstärkt sind, durchgeführt.

SiC-Whiskers sind jedoch mit Aluminium. Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen nur in geringem Maße benetzbar und haben eine Länge von höchstens einigen Millimetern, so daß es sehr schwierig ist, SiC-Whiskers für die Herstellung eines Verbundwerkstoffes parallel auszurichten und in einen Verbundwerkstoff einzubringen. Ferner haben SiC-Whiskers eine geringe Zugfestigkeit und einen niedrigen Young-Modul, und ihr Preis ist sehr hoch, weshalb sie für die praktische Verwendung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen kaum geeignet sind.

Aus der Druckschrift »Aluminium« (Oktober 1970), Seite 683, sind faserverstärkte Aluminium-Verbundwerkstoffe, die mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt sind, bekannt. Diese Siliciumcarbid-Endlosfasern enthalten keinen freien Kohlenstoff und werden gebildet, indem man das eigentliche Fasermaterial aus der Dampfphase kontinuierlich auf einem dünnen, erhitzten Wolframdraht abscheidet. Die auf diese Weise erhaltenen Siliciumcarbid-Endlosfasern zeigen zwar eine gute Beständigkeit gegenüber der Aluminium-Matrix, jedoch ist dieses Verfahren nicht nur sehr aufwendig, sondern es liefert auch Endlosfasern mit einer bei hohen Temperaturen nicht vollständig befriedigenden Festigkeit, die darüber hinaus schwierig zu verarbeiten sind. In der genannten Druckschrift wird ferner erwähnt, daß Graphit-Endlosfasern, die durch Pyrolyse von Kunstfasern hergestellt werden, beim Einsatz als Verstärkungsfasern für Aluminium-Verbundwerkstoffe zu Schwierigkeiten führen, die auf der Bildung von Al₄C₃ beruhen sollen. In »Aluminium« (Oktober 1970), Seite 684. wird ferner erwähnt, daß Aluminium-Verbundwerkstoffe durch Gießen des schmelzflüssigen Matrixmaterials in eine Form, in die die Verstärkungsfasern eingelegt oder eingespannt sind, durch pulvermetallurgische Verfahren, durch Strangpressen mit pulverförmigem Matrixmaterial, durch galvanische Abscheidung der Aluminium-Matrix oder durch Aufdampfen hergestellt werden können.

Aus der DE-AS 2164568 ist ein Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoff, der mit Kohlenstoff-Endlosfasern verstärkt ist, bekannt. Dieser Verbundwerkstoff wird durch Eintauchen von Kohlenstoff-Endlosfasern in eine geschmolzene Aluminiumlegierungsmatrix und anschließende Verfestigung bei erhöhten Temperaturen hergestellt. Bei diesem Verfahren wird Aluminiumcarbid (Al₄C₃) gebildet, das eine gute Benetzbarkeit mit AIuminium zeigt. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch schwierig, die Bildung von Aluminiumcarbid so unter Kontrolle zu halten, daß eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoff-Endlosfasern verhindert wird.

Aus der US-PS 3888 66t sind mit Graphitfasern verstärkte Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffe, die Titanpulver als Benetzungs- und Verbindungsmittel enthalten, bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffen, die mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt sind, zur Verfügung zu stellen, das zu Verbundwerkstoffen führt, bei denen die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Metallmatrix verbessert ist und die eine hohe Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen und einen hohen Young-Modul zeigen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern dadurch verbessert wird, daß Siliciumcarbid-Endlosfasern. die freien Kohlenstoff in dem im Patentanspruch 1 definier-

ten Anteil enthalten, eingesetzt werden. Der freie Kohlenstoff bildet mit der Aluminiummatrix oder einem in der Aluminiumlegierungsrnatrix oder Magnesiumlegierungsmatrix enthaltenen Carbidbildner das betreffende Carbid, wodurch die Benetzbarkeit verbessert wird. Demnach wird der Verbund zwischen den Siliciumcarbid-Endlosfasern und der Matrix des Verbundwerkstoffs durch die Carbidbildungsreaktion verbessert, so daß die Benetzbarkeit selbst dann hoch ist, wenn der Randwinkel zwischen den Carbiden und dem Aluminium, der Aluminiumlegierung oder der Magnesiumlegierung (nachstehend allgemein als Metall bezeichnet) groß ist.

Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffen reagiert der in den Siliciumcarbid-Endlosfasern enthaltene, freie Kohlenstoff mit Aluminium unter Bildung von Aluminiumcarbid, wie es durch die chemische Reaktionsgleichung (1) gezeigt wird, wodurch eher eine chemische Anziehung als rne physikalische Adhäsion erhalten wird.

15

20

4 Al + 3 C-^AI₄C₃

(1)

Im Fall der Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffe reagiert der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern mit den in der Magnesiumlegierung enthaltenen Carbidbildnern unter Bildung von Carbiden auf der Oberfläche der Siliciumcarbid-Endlosfasern, wodurch vermutlich eine chemische Bindung und keine physikalische Adhäsion erhalten wird.

Bei den vorstehend erwähnten Reaktionen diffundiert der freie Kohlenstoff aus dem Inneren der Siliciumcarbid-Endlosfasern an die Oberfläche und reagiert mit Aluminium oder einem in der Metallmatrix enthaltenen Carbidbildner. und ferner diffundiert Aluminium oder ein in der Metallmatrix enthaltener Carbidbildner in das Innere der Siliciumcarbid-Endlosfasern und reagiert mit dem freien Kohlenstoff. Die Diffusion verläuft im Vergleich zu der Carbid bildung langsam und stellt daher den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar, so daß es im allgemeinen vorteilhaft ist, wenn das geschmolzene Metall und die Siliciumcarbid-Endlosfasern mehr als 10 min lang miteinander in Berührung gebracht und umgesetzt werden.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 0,01 bis 40 Gew.-% freiem Kohlenstoff können nach dem aus der DE-OS 2618150 bekannten Verfahren aus hochmolekularen Organosiliciumverbindungen der folgenden Gruppen (1) bis (10) hergestellt werden.

(1) Verbindungen, die nur Si-C-Bindungen aufweisen

(2) Verbindungen mit Si-H-Bindungen zusätzlich zu Si-C-Bindungen

(3) Verbindungen mit Si-Hal-Bindungen

(4) Verbindungen mit Si-N-Bindungen

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

(6) Verbindungen mit Si-OH-Bindungen

(7) Verbindungen mit Si-Si-Bindungen

(8) Verbindungen mit Si-O-Si-Bindungen

(9) Ester von Organosiliciumverbindungen und

(10) Peroxide von Organosiliciumverbindungen.

Mindestens eine der Organosiliciumverbindungen, die zu den vorstehend beschriebenen Gruppen (I)-(IO) gehören, wird einer Polykonilcnsationsreaktion unter An- b5 wendung von Bestrahlung, Erhitzen, und/oder Zugabe eines Polykondensalionskaialysators unterzogen, um hochmolekulare Organosiliciumverbindungen mit SiIi-

55

60 cium und Kohlenstoff als Hauptgerüstbestandteilen zu bilden. Beispielsweise werden Verbindungen mit den folgenden Molekülstrukturen hergestellt.

\ I I

(a) —Si— (C)„—Si—Ο(b) — Si— Ο—(C)_n- Ο—

(C) -Si-(Q_n-

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

Die Verbindungen mit den vorstehend beschriebenen Molekülstrukturen sind beispielsweise folgende:

(a) CH₃ CH₃
-Si-(C)_n-Si-O-

CH₃ CH₃

η = 1, Poly(silmethylensiloxan),
η = 2, Poly(silätbylensiloxan),
η = 6, Poly(silphenylsiloxan),

(b) CH₃
-Si-O-(C)_n-O-

CH₃

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

?
CH₃

η = 1, Polysilmethylen,
/7 = 2, Polysiläthylen.

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

Die vorstehend beschriebenen, hochmolekularen Organosiliciumverbindungen werden versponnen, und die versponnenen Fasern werden zunächst 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 Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einer sehr hohen Festigkeit und einem hohen Young-Modul gesintert.

bas Verhältnis, in dem Silicium und Kohlenstoff in den vorstehend beschriebenen hochmolekularen Organisiliciumverbindungen (a) —(d), die als Ausgangsmaterial der vorstehend beschriebenen Siliciumcarbid-Endlosfasern verwendet werden, enthalten sind, beträgt 2 SiIiciumatome pro wenigstens 5 Kohlenstoffatome, so daß

sich, falls die hochmolekularen Organosiliciumverbindungen versponnen werden und die versponnenen Fasern gesintert werden, viele Kohlenstoffatome, die als Seitenkette der hochmolekularen Verbindungen gebunden sind, als Kohlenwasserstoffe oder als Organisiliciumverbindüngen verflüchtigen, wobei die Entfernung der Kohlenstoffatome so reguliert wird, daß 0,01 bis 40 Gew.-% als freier Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern verbleiben.

Wenn der Gehalt des freien Kohlenstoffs in den SiIi- ι ο ciumcarbid-Endlosfasem weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, ist die Menge des freien Kohlenstoffs, der aus dem Inneren der Siliciumcarbid-Endlosfasern in die Metallmatrix diffundiert und mit dem Matrixmaterial reagiert, zu gering, so daß die Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Metallmatrix wenig benetzbar sind und die Zugfestigkeit der Verbundwerkstoffe nicht verbessert wird. Wenn ein mit solchen Siliciumcarbid-Endlosfasern »verstärkter« Verbundwerkstoff den Einflüssen von Temperatur und äußeren Kräften ausgesetzt wird, kann die gegenseitige verstärkende Wirkung nicht entwickelt werden, weil es Lücken zwischen den Endlosfasern und der Metallmatrix gibt.

Die Siliciumcarbid-Endlosfasern. die aus den hochmolekularen Organosiüciumverbindungen erzeugt werden. können nicht mehr als 40 Gew.-% freien Kohlenstoff enthalten.

Wenn die Siliciumcarbid-Endlosfasern eine Menge des freien Kohlenstoffs enthalten, die die zur Verbesserung der Benetzbarkeit notwendige Menge überschreitet, und der damit verstärkte Verbundwerkstoff langzeitig bei relativ hohen Temperaturen verwendet wird, diffundiert der freie Kohlenstoff allmählich in die Metallmatrix hinein und reagiert in einem solchen Ausmaß mit Aluminium oder einem in der Metallmatrix enthaltenen Carbidbildner zu einem in der Matrix enthaltenen Carbid, daß nicht nur die mechanische Festigkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern herabgesetzt wird, sondern auch die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs vermindert wird und die Zusammensetzung und die mechanische Festigkeit und Zähigkeit der Matrix selbst allmählich beeinträchtigt wird und insbesondere die Brüchigkeit des Verbundwerkstoffs zunimmt.

Wenn insbesondere Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von mehr als 5 Gew.-% an freiem Kohlenstoff verwendet werden, scheint dies leicht vorzukommen, und wenn die Menge des freien Kohlenstoffs mehr als 20 Gew.-% beträgt, wird der nachteilige Einfluß der Carbidbildung merklich, und wie in Fig. 1 gezeigt ist. erniedrigt sich die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs. Es ist eine Folge der härtenden Wirkung des gebildeten Carbids. daß der Young-Modul. wie es in Fig. 1 gezeigt wird, sogar dann nicht variiert wenn die Menge des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbid-Endlosfasern variiert.

Die Beziehung ziwschen der Zugfestigkeit und dem Young-Modul eines Aluminium-Verbund werkstoffs mit einem Gehalt von 25 Vol.-% Siliciumcarbid-Endlosfasern mit verschiedenen Mengen an freiem Kohlenstoff zur Mengen des freien Kohlenstoffs wird in Fig. 1 gezeigt, aus der ersichtlich ist, daß die Zugfestigkeit der Verbund- e>o werkstoffe zunimmt, bis der Kohlenstoffanteil in der SiC-Endlosfaser etwa 5% erreicht. Die Zugfestigkeit nimmt dann im Bereich von 5 bis 20 Gew.-% freien Kohlenstoff in der Siiiciumcarbid-Endlosfaser allmählich ab. Übersteigt der Kohlenstoffgehalt 20 Gew.-%. nimmt die Zugfestigkeit stärker ab. Bis zu einem Anteil von 40 Gew.-% freiem Kohlenstoff in der Siiiciumcarbid-Endlosfaser kann jedoch ein Verbundwerkstoff erhalten werden, der hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften den bekannten Verbundwerkstoffen überlegen ist.

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

Der Young-Modul der im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Siliciumcarbid-Endlosfasern ist im wesentlichen so hoch wie derjenige von Kohlenstofffasern, die den höchsten Young-Modul unter zahlreichen bisher bekannten Fasern besitzen.

Die Zugfestigkeit und der Young-Modul der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren Siliciumcarbid-Endlosfasern werden in Tabelle I gezeigt.

Tabelle I
Zugfestigkeit
spezifische Festigkeit
Young-Modul
spezifischer Young-Modul

300-600 kg/mm²
etwa 4,0 ■ 10⁷ cm
etwa 20-40 t/mm²
etwa 1,10 · 10⁹ cm

Die Mikrofotografie des Querschnittes des Aluminium-Verbundwerkstoffs in Fig. 2 zeigt, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Lücken um die Endlosfasern des Verbundwerkstoffs auftreten.

Wenn eine Aluminiumlegierung als Matrixmetall verwendet wird, reagieren die darin enthaltenen Carbidbildner wie z. B. Hafnium, Zirkonium, Titan, Calcium, Vanadium, Chrom, Silicium. Mangan, Molybdän, Niob, Tantal und Wolfram mit dem freien Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern unter Bildung von Carbiden, die bei einer niedrigen Temperatur stabil sind und die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Aluminiumlegierung weiter verbessern. Eisen, Kupfer und Nickel reagieren mit SiC, so daß die Zugabe dieser Elemente zum Aluminium oder zu einer Aluminiumlegierung die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verbessern kann.

Wenn als Matrixmetal! eine Magnesiumlegierung eingesetzt wird, reagiert der in den Siliciumcarbid-Endlosfasern enthaltene, freie Kohlenstoff mit einem in der Magnesiumlegierung enthaltenen Carbidbildner wie Al, Mn, Zr, Si, Ca. Y und anderen Selienerdmetallen und Th. 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 der gebildete Verbundwerkstoff wird brüchig. Insbesondere bei Verbundwerkstoffen, die aus einer hitzebeständigen Magnesiumlegierung und Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von mehr als 5 % des freien Kohlenstoff» zusammengesetzt sind, schreitet während der Verwendung der Verbundwerkstoffe bei einer hohen Temperatur die Bildungsreaktion der vorstehend beschriebenen Carbide fort, und wenn solche Verbundwerkstoffe langzeitig verwendet werden, werden sie allmählich brüchig.

Falls Zink oder Beryllium in der Magnesiumlegierung enthalten ist, verhindern diese Elemente die Bildung des Carbids mit dem freien Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern nicht, so daß es nicht notwendig ist, den Einfluß dieser Metalle zu betrachten.

Wenn die Verbundwerkstoffe unter Verwendung von Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt an freiem · Kohlenstoff hergestellt werden, der die zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Matrix notwendige Menge überschreitet, werden die Oberflächen solchen Siliciumcarbid-Endlosfasern mit

einem Metall oder einer keramischen Metallverbindung beschichtet, um eine Reaktion des freien Kohlenstoffs in den Siliciumcarbid-Endlosfasern mit dem Matrixmetall, die das notwendige Ausmaß überschreitet, zu verhindern und um die der Meiallmatrix innewohnenden Eigenschaften beizubehalten und die Meiallmatrix mit Siliciumcarbid-Endlosfasern zu verstärken. Danach wird die Metallmatrix mit den beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern zur Bildung eines Verbundwerkstoffs verstärkt.

Insbesondere wenn ein Verbundwerkstoff, der unter Verwendung von Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 5 bis 40 Gew.-% des freien Kohlenstoffs hergestellt wird, bei einer hohen Temperatur verwendet wird, werden die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs infolge der Carbid bildungsreaktion beeinträchtigt; wenn jedoch Siiiciumcarbid-Enclosfasciii mit einem Metall oder einer Metallverbindung beschichtet werden und ein Verbundwerkstoff unter Verwendung solcher beschichteten Endlosfasern als Verstärkungsfasern hergestellt wird, werden sogar in dem Fall, daß ein solcher Verbundwerkstoff bei einer hohen Temperatur langzeitig verwendet wird, die der Metallmatrix innewohnenden Eigenschaften beibehalten, und die zahlreichen ausgezeichneten physikalischen und chemischen Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Siliciumcarbid-Endlosfasern können vollständig entwickelt werden.

Zur Herstellung der Verbundwerkstoffe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können übliche Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Metall-Verbundwerkstoffen angewandt werden. Beispiele für solche Verfahren, die auch für den Einsatz von Siliciumcarbid-Endlosfasern. deren Oberfläche zusätzlich mit einem Metall oder einer Metallverbindung beschichtet ist, geeignet sind, sind die folgenden Verfahren:

(1) Diffusionsverbindungsverfahren:

Die Siliciumcarbid-Endlosfasern und Drähte aus dem Matrixmetall werden alternierend in einer Richtung angeordnet, die obere und die untere Seite der aufgeschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern und der Drähte werden mit dünnen Folien des Matrixmetalles bedeckt oder nur die untere Seite wird mit dem vorstehend beschriebenen dünnen Folie bedeckt und die obere Seite wird mit Matrixmetallpulvern, die mit einem organischen Bindemittel gemischt sind, überzogen, um Verbundschichten zu bilden. Diese Schichten werden in wenigen Schritten aufgeschichtet, und danach wird der gebildete Schichtaufbau unter Druck zur Bildung eines Verbundwerkstoffs erhitzt. Als organische Bindemittel sind Substanzen, die sich vor dem Erhitzen auf eine Temperatur, bei der das Matrixmetall und der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern reagieren, verflüchtigen, beispielsweise Stärke, CMC, Paraffin, Harz, Ammoniumcluorid, Mineralöl, Polyvinylalkohol, Polystyrol oder oiganische Polymere, geeignet.

Alternativ werden die Siliciumcarbid-Endlosfasern, die mit Matrixmetallpulvern, gemischt mit einem organischen Bindemittel, beschichtet sind, angeordnet und aufgestapelt, und das gebildete Laminat wird unter Erhitzen zur Bildung eines Verbundwerkstoffs gepreßt.

(2) Flüssiginfiltrationsverfahren:

Die Abstände zwischen den ausgerichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern werden mit dem geschmolzenen Matrixmetall gefüllt.

(3) Schmelzsprühverfahren:

Die Oberflächen der ausgerichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern werden durch Besprühen mit einer Plasmaschmelze oder einer Gasschmelze des Matrixmetalls überzogen, wobei ein bandartiger Verbundwerkstoff erhalten wird. Dieser bandartige Verbundwerkstoff wird unmittelbar verwendet, oder die bandartigen Verbundwerkstoffe werden aufgeschichtet, und der gebildete Schichtstoff wird dem vorstehend beschriebenen Diffusionsverbindungsverfahren (1) unterzogen.

(4) Elektrolytisches Abscheidungsverfahren:

Das Matrixmetall wird elektrolytisch auf die Oberflächen der SiC-Endlosfasern zur Bildungeines Verbundwerkstoffs abgeschieden. Ferner ist es möglich, die gebildeten Verbundwerkstoffe auszurichten und aufzuschichten, wobei der gebildete Schichtstoff dem vorstehend beschriebenen Diffusionsverbindungsverfahren unterzogen wird.

(5) Heißextrudier- und Walzverfahren:

Die Siliciumcarbid-Endlosfasern werden in einer Richtung angeordnet, und die so ausgerichteten Endlosfasern werden zwischen Matrixmetallfolien in eine Sandwichform gelegt und danach durch erhitzte Walzen geführt, um die Endlosfasern und das Matrixmetall zu verbinden, wodurch ein Verbundwerkstoff erhalten wird.

(6) Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren: Die Siliciumcarbid-Endlosfasern werden in einen Heizofen eingeführt, und in den Heizofen wird z. B. eine Gasmischung aus Aluminiumchlorid und Wasserstoff eingeleitet. Das Aluminiumchlorid wird zur Abscheidung von Aluminiummetall auf den Oberflächen der Siliciumcarbid-Endlosfasern und zur Bildungeines Verbundwerkstoffs thermisch zersetzt. Ferner können die metallüberzogenen Endlosfasern ausgerichtet und gestapelt werden, worauf der gebildete Schichtstoff dem vorstehend beschriebenen Diffusionsverbindungsverfahren (1) unterzogen wird.

(7) Kaltpreß- und Sinterverfahren:

Die Lücken zwischen den angeordneten SiC-Endlosfasern werden mit Matrixmetallpulvern gefüllt, und der Aufbau wird unter Druck geformt. Der gebildete Formling wird erhitzt und unter Druck oder ohne Druck zur Bildung eines Verbundwerkstoffs gesintert.

Die Oberfläche der Siliciumcarbid-Endlosfasern kann nach den folgenden Verfahren mit einem Metall oder einer Metall verbindung beschichtet werden: (1) Chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren: Bei diesem Verfahren wird ein Gas einer Metallverbindung thermisch zersetzt.

(2) Flammspritzen einer Schmelze eines Metalls oder einer Metallverbindung.

(3) Zerstäubungsbeschichtungsverfahren:

Bei diesem Verfahren wird ein Torget aus einem Metall oder einer Metallverbindung mit einem Argonplasma beschossen.

(4) Vakuumbedampfungsverfahren.

(j) LJicivtropiatticrungsvCiiStircn:

Bei diesem Verfahren werden die Siliciumcarbid-Endlosfasern als Kathode eingesetzt.
(6) Pulversinterverfahren:

Feinverteilte Pulver eines Metalls oder einer Metallverbindung werden hergestellt, und die Pulver werden in einem Lösungsmittel suspendiert. Danach werden die Siliciumcarbid-Endlosfasern in die Suspension eingetaucht, um die Pulver auf den Endlosfasern abzuscheiden. Danach wird das Lösungsmittel verdampft, und dann wird erhitzt, um den Metallüberzug auf den Siliciumcarbid-Endlosfasern zu bilden.

(7) Nichtelektrodenplattierungsverfahren:

Die Oberfläche der Siliciumcarbid-Endlosfasern wird

mit einem Metall ohne Verwendung von elektrischer Energie plattiert, indem eine chemische Substitution von

entsprechenden Metallen und ein Reduktionsschritt.vor-

genommen wird. Die Zusammensetzung des bei diesem Verfahren zu verwendenden Plattierungsbades besteht aus einem Metallsalz, einem Reduktionsmittel und einer Pufferlösung.

Unter den Keramiküberzügen kann ein 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 einer. Oxidfilm durch Erhitzen der Siliciumcarbid-Endlosfasern oder der mit einem Metall oder einer Legierung bei einer hohen Temperatur beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern zu bilden. Der Oxidüberzug kann durch Erhitzen solcher Endlosfasern einer Temperatur von 500 - 2500 ⁰C 0,1 - 50 Stunden lang unter einer oxidierenden Atmosphäre gebildet werden. Bei einer Temperatur unter 500°C 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 500 — 2500 "C sein muß. Die Erhitzungsdauer unter einer oxidierenden Atmosphäre benötigt bei einer Temperatur von weniger als 500⁰C eine lange Zeit von 30 Stunden, während bei einer Temperatur von z. B. 2500⁰C ein gutes Ergebnis in 0,2 h 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.

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 Metallnilrid gebildet werden, und die Erhitzungstemperatur beträgt in diesem Fall vorzugsweise 500 bis 2500⁰C.

Wenn die Oberfläche der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Metall oder einer Legierung beschichtet wird, ist die Benetzbarkeit des vorstehend beschriebenen Metalls oder der vorstehend beschriebenen Legierung mit der Metallmatrix sehr gut, weil der Randwinkel der gegenseitigen Metalle zueinander weniger als 90° beträgt und klein ist. Dementsprechend verbessert die Beschichtung der Oberfläche der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Metall oder einer Legierung die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Metallmatrix. und die Beschichtung verhindert ferner wirksam die Bildung von Aluminiumcarbid oder Carbiden der in der Metallmatrix enthaltenen Carbidbildner. so daß die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, die auf diese Weise hergestellt werden, erheblich verbessert werden. Wenn die Metallelemente B, Mn, Mo, Al, W. Si. Cr, Ca. Ce. V, U, Th, Nb. Ta. Ti, Zr und Hf unter den Beschichtungsmetallen und -legierungen entsprechend zusammen mit dem freien Kohlenstoff erhitzt werden, werden stabile Carbide gebildet. Dementsprechend wird die vorstehend beschriebene Metallbeschichtung teilweise oder vollständig durch Erhitzen zu einer Carbidbeschichtung umgesetzt, wenn der Verbundwerkstoff gebildet wird, und die Carbidbeschichtung verhindert die Diffusion des freien Kohlenstoffes aus dem Inneren der Siliciumcartrid-Endlosfasern und die Umsetzung des freien Kohlenstoffs mit Aluminium oder dem Carbidbildner in der Magnesiumlegierung unter Bildung des Carbids.

Die vorteilhafterweise zur Beschichtung der Siliciumcarbid-Endlosfasern verwendbaren Metalle sind u. a. die vorstehend beschriebenen Carbidbildner, 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 Metallelemente.

Zu vorteilhaften Metallverbindungen, die zur Beschichtung der Siliciumcarbid-Endlosfasern verwendbar sind, gehören MgO, Al₂O₃, 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 der Beschichtung, die auf die vorstehend beschriebenen Siliciumcarbid-Endlosfasern aufgebracht ist, weniger als 10,0 nm beträgt, ist die aufgebrachte Beschichtung zu dünn, und die Diffusion des freien Kohlenstoffs kann nicht wirksam verhindert werden, während bei einer Stärke von mehr als 200,0 nm die Fähigkeit zur Verhinderung der Diffusion des freien Kohlenstoffes nicht von dem Fall verschieden ist, bei dem die Stärke nicht mehr als 200,0 nm beträgt, so daß eine solch große Dicke nicht notwendig ist. Dementsprechend beträgt die Stärke der Beschichtung der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 0,01 bis 40 Gew.-% an freiem Kohlenstoff vorzugsweise 10.0 bis 200.0 nm.

Die Zugfestigkeit (σ,.) des Verbundstoffes, das aus den Siliciumcarbidfasern und der Metallmatrix erzeugt wird, wird durch Formel (2) ausgedrückt.

: Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs
: Zugfestigkeit der SiC-Endlosfasern
,: Zugfestigkeit der Metallmatrix
r: Anteil der SiC-Endlosfasern (Vol.-%)
V_M: Anteil der Metallmatrix (Vol.-%).

Wie aus Formel (3) hervorgeht, wird der Young-Modul des Verbundwerkstoffs mit Zunahme des Volumenanteils der Siliciumcarbid-Endlosfasern größer. Dementsprechend ist zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs mit einer höheren Zugfestigkeit eine Erhöhung des Volumenanteils der zugesetzten Siliciumcarbid-Endlosfasern erforderlich. Wenn der Volumenanteil der Siliciumcarbid-Endlosfasern jedoch 70 Vol.-% überschreitet, ist der Anteil der Metallmalrix zu gering, so daß es unmöglich ist, die Lücken zwischen den Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Metallmatrix vollständig auszufüllen, und dementsprechend ist es unmöglich, die durch Formel (2) gezeigte Zugfestigkeit in dem gebildeten.Verbundwerkstoff vollständig zu entwickeln. Wenn die Menge der Siliciumcarbid-Endlosfasern kleiner wird, nimmt die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs ab, so daß nicht weniger als 20 Vol.-% der Siliciumcarbid-Endlosfasern zugesetzt werden sollten, um praktisch verwendbare Verbundwerkstoffe zu erhalten.

Der Young-Modul (E_c) des Verbundwerkstoffs wird durch Formel (3) ausgedrückt.

E_c=V_fE_f+V_mE_m

E_c: Young-Modul des Verbundwerkstoffs

E_f: Young-Modul der SiC-Endlosfasern

E_m: Young-Modul der Metallmatrix

V₁: Anteil der SiC-Endlosfasern (Vol.-%)

V_m: Anteil der Metallmatrix (VoL-%).

Wie aus Formel (2) hervorgeht, wird die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs mit Zunahme des Anteils der zu der Metallmatrix zugegebenen Siliciumcarbid-Endlosfasern größer. Wenn der Anteil der Siliciumcarbid-Endlosfasern jedoch zu groß wird, wird die Zähigkeit der Verbundwerkstoffe gering, so daß die Verbundwerk-

stoffe brüchig werden und in ihrer Zuverlässigkeit nachlassen.

Fig. 1 zeigt die Kurvenverläufe der Beziehung zwischen der Menge an freiem Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern und der Zugfestigkeit sowie dem Young-Modul einer Ausführungsform des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffs.

Fig. 2 ist eine Mikrofotografie des Querschnitts eines na^h dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminium-Verbundwerkstoffs.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Querschnitts der mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkten Aluminium-Verbundfolie, die im Beispiel 6 erhalten wird.

Fig. 4 ist eine mit einem Lichtmikroskop erhaltene Mikrofotografie des Querschnitts eines Aluminium-Verbundwerkstoffs das mit Siliciumcarbid-Endlosfasern, die mit Kupfer beschichtet sind, verstärkt ist.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der Temperaturänderung bei Aluminium-Verbundwerkstoffen, die unter Verwendung von mit verschiedenen Metallen beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern erzeugt werden.

Beispiel 1

Dimethyldichlorsilan und Natrium wurden zur Erzeugung von Polydimethylsilan umgesetzt. 250 g PoIydimethylsilan wurden in einen 1 1 fassenden Autoklaven eingefüllt. Die in dem Autoklaven befindliche Luft wurde durch Argongas ersetzt, und danach wurde die Reaktion bei 47O⁰C 14 h lang durchgeführt. Nach Beendigung der Umsetzung wurde das gebildete Polycarbosilan als Lösung in n-Hexanlösung entleert. Diese Lösung wurde zur eingeführt. Danach wurde das offene Ende des mit den Endlosfasern beschickten Aluminiumoxidrohres in das bereits geschmolzene Aluminiummetallbad eingetaucht, und danach wurde Argongas in die Vakuumkammer geleitet, um den Druck in der Kammer auf 1 bar zu erhöhen. Das geschmolzene Aluminium wurde in das Aluminiumoxidrohr eingedrückt und zwischen die Siliciumcarbid-Endlosfasern gefüllt, wobei es mit dem freien Kohlenstoff in den Fasern unter Bildung von Al₄C₃

ίο reagierte. Das Aluminium wurde 1 h lang in geschmolzenem Zustand gehalten, um diese Bildungsreaktion vollständig durchzuführen und um die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit dem Aluminium zu erhöhen. Der Anteil der Siliciumcarbid-Endlosfasern in dem damit verstärkten Aluminium-Verbundwerkstoff, der in dem Aluminiumoxidrohr erhalten wurde, betrug 41 Vol.-%. Die Zugfestigkeit des erhaltenen Verbundwerkstoffs betrug 105 kg/mm², während die Zugfestigkeit eines nicht verstärkten Aluminiumgußlings nur etwa 10 kg/mm² beträgt.

Beispiel 2

Eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 0,3 Gew.-% Silicium und 0.5 Gew.-% Magnesium erhitzt und in einer Vakuumkammer (13nbar) bei 705 °C geschmolzen, und der geschmolzene Zustand wurde beibehalten. Ein Bündel von Siliciumcarbid-Endlosfasern, die jeweils4% Gew.-% freien Kohlenstoff enthielten und einen Durchmesser von 8 μηι hatten, wurde in ein Aluminiumoxidrohr, dessen beide Enden geöffnet waren, parallel eingeführt. Ein Ende des Rohres wurde dann verschlossen, und das andere Ende des Rohres wurde mit einer Vakuumvorrichtung verbunden. Das Rohr wurde in die

Entfernung von Verunreinigungen filtriert, und danach 35 Vakuumkammer gelegt und erhitzt, und die Siliciumwurde η-Hexan unter einem verminderten Druck ver- carbid-Endlosfasern wurden entgast. Danach wurde das dampft. Danach wurde der Rückstand zur Einengung
2 h lang unter Vakuum in einem Ölbad bei 28O⁰C erhitzt.

Polycarbosilan wurde in einer Ausbeute von 40% (beandere Ende des Aluminiumoxidrohres in die geschmolzene Aluminium-Silicium-Magnesiumlegierung eingetaucht, wonach in die Vakuumkammer zur Erhöhung

zogen auf Dimethyldichlorsilan) erhalten. Das durch- 40 des Druckes in der Vakuumkammer auf6,7mbar Argonschnittliche Molekulargewicht des gebildeten Polycarbo- gas eingeleitet wurde. Der Druck in dem Aluminiumoxidsilans betrag 1700. Unter Anwendung einer üblichen rohr betrug 13 nbar. Die geschmolzene Aluminium-Sili-Spinnvorrichtung wurde das Polycarbosilan erhitzt und cium-Magnesiumlegierung wurde in dem Aluminiumbei 330°C unter einer Argonatmosphäre zur Bildung oxidrohr, das die Siliciumcarbid-Endlosfasern umgab, einer Spinnschmelze geschmolzen, und die Spinnschmelze 45 hochgesaugt. Die hochgesaugte Aluminiumlegierung wurde mit einer Spinngeschwindigkeit von 200 m/min wurde zur Umsetzung des freien Kohlenstoffs in den

Siliciumcarbid-Endlosfasern mit Aluminium und Silicium 40 min lang in geschmolzenem Zustand gehalten, wobei ein Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoff, der mit den Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt war, gebildet wurde. Der Anteil der Siliciumcarbid-Endlosfasern in dem Verbundwerkstoff betrug 48 Vol.-%, und

50

versponnen, wobei Polycarbosilan-Endlosfasern erhalten wurden. Die Endlosfasern wurden an der Luft erhitzt, indem man die Temperatur innerhalb von 6 h von 20 °C auf 190 °C erhöhte, und die Temperatur von 190⁰C wurde 1 h lang gehalten, um eine Behandlung ohne Verschmelzung durchzuführen. Die so behandelten Polycarbosilan-Endlosfasern wurden mit einer Temperaturerhöhungsgeschwindigkeit von 100°C/h unter Vakuum (1,3 μbar) auf 1300⁰C erhitzt, und diese Temperatur wurde 1 h lang zur Bildung von SiC-Endlosfasern beibehalten. Die gebildeten SiC-Endlosfasern hatten einen mittleren Durchmesser von 10 μιη, eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 350 kg/mm², einen durchschnittlichen Young-Modul von 23-16* kg/mm² und eine Dichte von 2,7 g/cm³.

Aluminium wurde erhitzt und in einer Vakuumkammer (4 bis 8 nbar) bei 800⁰C geschmolzen. Ein Bündel der vorstehend erwähnten Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Durchmesser von jeweils 10 μιη und einem Gehalt von 5 Gew.-% freiem Kohlenstoff wurde in ein Aluminiumoxidrohr, von dem ein Ende verschlossen war, parallel eingeführt. Dieses Aluminiumoxidrohr wurde in die vorstehend beschriebene Vakuumkammer die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs betrug 130 kg/

Beispiel 3

Wie im Beispiel 2 wurde eine geschmolzene Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 0,3 Gew.-% Silicium,

0,6 Gew.-% Eisen und 5 Gew.-% Kupfer 20 min lang mit Siliciumcarbid-Endlosfasern, die 5,5 Gew.-% freien Kohlenstoffenthielten, in Berührung gebracht, um die Benetzbarkeit der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit der Aluminiumlegierung zu erhöhen, wodurch ein mit den SiIi-

ciumcarbid-Endlosfasern verstärkter Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoff erhalten wurde, der 34 Vol.-% Siliciumcarbid-Endlosfasern enthielt und eine Zugfestigkeit von 103 kg/mm² hatte.

Beispiel 4

Siliciumcarhid-End'.osfasern mit einem Gehalt von 5 Gew.-% freiem Kohlenstoff wurden parallel aufgeschichtet, und die Lücken zwischen den Siliciumcarbid-Endlosfasern wurden mit Magnesiumlegierungspulvern, bestehend aus 1 Gew.-% Mangan, 0,1 Gew.-% Calcium, 0.25 Gew.-% Silicium, 0,03 Gew.-% Kupfer, 0.008 Gew.-% Nickel, 0,2 Gew.-% anderer Elemente und 98,412 Gew.-% Magnesium, gefüllt, wobei ein Formling (20 mm χ 50 mm χ 30 mm) gebildet wurde. Dieser Formling wurde mit einem Druck von 0,5 t/cm² unter einer Argonatmosphäre bei 550 ^DC 4 h lang heißgepreßt, wobei ein mit den Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkter Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoff erhalten wurde, der 30 Vol.-% der Endlosfasern enthielt und eine Zugfestigkeit von 30 kg/mm² hatte. Diese Zugfestigkeit war etwa doppelt so hoch wie diejenige der nicht verstärkten Magnesiumlegierung, so daß die Verbundwirkung deutlich wird.

Daraus geht hervor, daß der freie Kohlenstoff in den Siliciumcarbid-Endlosfasern mit den in der Magnesiumlegierung enthaltenen Carbidbildnern unter Verbesserung der Benetzbarkeit der Endlosfasern mit der Legierung reagiert.

25

Beispiel 5

Ein aus Siliciumcarbid-Endlosfasern hergestelltes Gewebe, in dem jede Endlosfaser einen Durchmesser von 10 μίτι hatte und 10 Gew.-% freien Kohlenstoff enthielt, wurde in kreisförmige Gewebestücke mit einem Durchmesser von 100 mm geschnitten. Die gebildeten Gewebestücke wurden in Abständen von 0,02 mm angeordnet, und die- so angeordneten Gewebestücke wurden unter Argonatmosphäre in eine Kammer 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.-% anderer Elemente und 87,3 Gew.-% Magnesium, wurde unter einer Argonatmosphäre in die Kammer eingefüllt und durch Erhitzen bei 800°C geschmolzen. Die geschmolzene Legierung wurde auf die wie vorstehend beschrieben angeordneten Gewebestücke gegossen. Die Magnesiumlegierung wurde 30 min lang in geschmolzenem Zustand gehalten, wobei ein mit den Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkter Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoff erhalten wurde. Der erhaltene Verbundwerkstoff enthielt 25 Vol.-% der Silicimncarbid-Endlosfasern hatte eine Zugfestigkeit von 65 kg/mm². Diese Zugfestigkeit war etwa 3mal so hoch wie diejenige der unverstärkten Magnesiumlegierung, woraus hervorgeht, daß der freie Kohlenstoff mit den in der Legierung enthaltenen Carbidbildern unter Verbesserung der Benetzbarkeit der Endlosfasern mit der Legierung reagiert.

Beispiel 6

Die Oberfläche von Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 13 Gew.-% freiem Kohlenstoff (mittlerer Durchmesser: 20 μΐη, mittlere Zugfestigkeit: 300 kg/ mm², mittlerer Young-Modul: 3,0-10* kg/mm²) wurde nach einem Vakuumbedampfungsverfahren beschichtet, um einen Überzugsfilm aus einem der Metalle Wolfram, Molybdän, Kupfer, Silicium, Magnesium, Zink, Eisen, Mangan, Nickel, Titan oder Silber mit einer Dicke von 40,0 bis 50,0 nm zu bilden.

Die mit den Überzugsfilmen beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern wurden auf einer 0,05 mm dicken Folie aus Reinaiuminium in einer Schicht parallel angeordnet, und danach wurde die so angeordnete Schicht aus beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einer weiteren Aluminiumfolie bedeckt. Die erhaltene Anordnung wurde zwischen auf 600°C erhitzten Heizwalzen hindurchlaufen gelassen, wodurch eine Verbundfolie aus den Siliciumcarbid-Endlosfasern und Aluminium gebildet wurde. Eine schematische Ansicht dieser Verbundfolie wird in Fig. 3 gezeigt. 20 Verbundfolien wurden übereinandergelegt und bei 600 °C heißgepreßt, wobei ein Aluminium-Verbundwerkstoff, der mit 25 Vol.-% Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt war, erhalten wurde.

Fig. 4 ist eine durch Beobachtung mit einem Lichtmikroskopie erhaltene Gefüge-Mikrofotografie, die das Gefüge eines unter Verwendung von mit Kupfer beschichteten Siüciumcarbid-Endlosfasern hergestellten Aluminium-Verbundwerkstoffs zeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt wird, ist die Verbindung der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit dem Aluminium sehr gut, und die Siliciumcarbid-Endlosfasern haften eng an dem Aluminium. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe, die unter Verwendung der mit den Metallen beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern hergestellt werden, sind in Tabelle II aufgeführt:

Tabelle II	Beschichtungsmetall	Mo	Cu	Si	Mg	Zn	Fe	Mn	Ni	Ti	Ag
	W
		51	72	49	48	56	68	60	80	70	73
Zugfestigkeit	63
(kg/mm²)		15	14	16	13	15	17	16	14	16	13
Young-Modul	16	2.4	2,1	2.8	3,1	3.3	2,3	2,7	3,0	2,6	3,4
(10³ kg/mm²)	2.3
Dehnung(%)

Bei Reinaluminium beträgt die Zugfestigkeit etwa 11 kg/mm², der Young-Modul etwa 7 ■ 10³ kg/mm² und die Dehnung etwa 25%. Die Zugfestigkeit der Verbundwerkstoffe, die in Tabelle Il gezeigt werden, variiert mehr oder weniger in Abhängigkeit von der Art des Beschichtungsmetalls, jedoch ist sie mehrfach so hoch wie diejenige des Reinaluminiums. Die Young-Moduln der Verbundwerkstoffe sind etwa doppelt so hoch wie der Young-Modul des Reinaluminiums. Die Dehnung der Verbundwerkstoffe ist weit geringer als diejenige des Reinaluminiums. Bei dem Verbundwerkstoffs, der aus nicht mit Metall beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern und Reinaiuminium hergestellt wurde, ist die Dehnung sehr gering und beträgt weniger als 2%. Der Vergleich mit diesem Wert ergibt, daß der Einfluß der Beschichtung bemerkenswert ist. Die Beziehungen der Zugfestigkeit der vorstehend beschriebenen Verbundwerkstoffe zur Temperaturänderung geht aus Fig. 5 hervor. Wie aus Fig. 5

ersichtlich ist. ist die Zugfestigkeit bei Reinaluminium schon bei Raumtemperatur niedrig, und wenn die Temperatur 200⁰C überschreitet, vermindert sich die Zugfestigkeit des Reinaluminiums sehr stark. Demgegenüber weisen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe bis 500⁰C nur eine geringe Abnahme der Zugfestigkeit auf und behalten eine relativ hohe Festigkeit, und diese Verbundwerkstoffe können bei einer hohen Temperatur verwendet werden. Auch als diese Verbundwerkstoffe 150 h lang bei der hohen Temperatur von 400 "C gehalten wurden, wurde keine Änderung der Eigenschaften beobachtet.

Beispiel 7

Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 10 Gew.-% freiem Kohlenstoff (Zugfestigkeit: 300 kg/ mm², Young-Modul: 2,5-1O⁴ kg/mnr) wurden unter Anwendung einer Vakuumbedampfungsvorrichtung mit Al, Zr. Cr oder V beschichtet, wobei Überzugsfilme mit einer Dicke von 50,0 bis 100,0 nm erhalten wurden. Die mit Al beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern wurden 1 h lang bei 500⁰C oxidiert, wobei mit AKO., beschichtete Siliciumcarbid-Endlosfasern gebildet wurden. Die anderen Überzugsfilme wurden bei 1000'C an der Luft oxidiert, wobei mit ZrO₂. Cr₂O₃ oder V₂O₅ beschichtete Siliciumcarbid-Endlosfasern erhalten wurden.

Die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen, beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern wurden unter Anwendung einer Vorrichtung zum Flammspritzen von Schmelzen mit einer Aluminiumlegierung (5357-H38) in einer Dicke von 0.1 bis 10 μηι beschichtet. Die mit der Aluminiumlegierung beschichteten Siliciumcarbid-Endlosfasern wurden in einer Form (7 mm χ 10 mm χ 50 mm) aufgeschichtet und unter einem Druck von 200 kg/mm² bei 500⁰C heißgepreßt, wobei Aluminiumlegierungs-Verbundwerkstoffe erhalten wurden. Diese Verbundwerkstoffe enthielten 32 VoI.-% der Siliciumcarbid-Endlosfasern. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe werden in Tabelle III gezeigt.

Tabelle III	Keramische Beschichtung Al₂O, Zi-O, Cr₂O,	93 18 3,1	7S 19 2,1	V₂O₅
	87 21 2,3		96 25 2.5
Zugfestigkeit (kg/mm²) Young-Modul (10-' kg/mm²) Dehnung(%)

Die Zugfestigkeit der Aluminiumlegierung (5357-H38) beträgt 23 kg/mm². Die Zugfestigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffe ist 4- bis 5mal so hoch wie diejenige der Aluminiumlegierung, und Verbundwerkstoffe mit ausgezeichneten Eigenschaften werden erhalten. Auch wenn diese Verbundwerkstoffe langzeitig (150 h lang) bei einer hohen Temperatur (450 °C) gehalten werden, verändern sich die Eigenschaften nicht.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Aluminium-. Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffe, die mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt sind, zeigen eine sehr hohe Zugfestigkeit uod einen hohen Young-Modul, so daß diese Verbundwerkstoffe z. B. für die folgenden verschiedenen Materialien verwendet werden können.

(a) Materialien für Geräte zur Herstellung von Kunstfasern, z. B. für Spulen, Separatoren, Pumpenteile, Kugeln, Hülsen, mechanische Dichtungen, Ventile, Düsen. Rührer, Reaktionsgefäße, Rohre und Wärmeaustauscher;

(b) Materialien für Vorrichtungen zur Durchführung ίο chemischer Synthesen wie z. B. Kolbenpumpen.

Hülsen, mechanische Dichtungen. Separatoren, Reaktorventile, Reduzierventile, Sitze, Wärmeaustauscher, Zentrifugen und Tieftemperaturgefäße;

(c) Mechanische Werkstoffe, z. B. für Wärmeaustauscher, Formen für Preßpulver, Uitraschallarbeitsmaschinen. Honmaschinen, Nähmaschinenteile. Nocken, Kugelmühlteile, Kamerateile, Vakuumpumpen, Kollektoren, Lager. Werkzeuge.

Uhrenteile und Untergestelle für Maschinen;

(d) Materialien für Haushalts- und Bürozwecke, z. B. für Tische, verschiedene Regale, Stühle und verschiedene Schranke;

(e) Materialien für Baumaschinen, z. B. für Bohrmaschinen, Gesteinsbrechwerke, Zerkleinerungsmaschinen, Raupen. Kolbensandpumpen und Löffelbagger;

(f) Feuerschutzmaterialien, z. B. für Feuerlöschbrausen und Leitern;

(g) Schiff- und Raumfahrmaterialien, z. B. Tür Wärmeaustauscher, Antennen, Wasserbojen und Tanks;

(h) Auiomobilmaterialien, z. B. für Motore, Verteiler, Träger für Differentialgetriebe, Kurbelgehäuse, Pumpengehäuse, Ventilgehäuse, Kupplungsgehäuse, Transmissionsgehäuse, Getriebegehäuse, Schwungradgehäuse, Zylinderblöcke, Zylinderköpfe, Kolben, Riemenscheiben, Gebläsegehäuse, Reifenformen und Umlaufmotore, und Konstruktions-und Karosseriematerialien;

(i) Materialien für Geräte zur Herstellung von Nahrungsmitteln, z. B. Tür Supermarktumfülleinrichtungen, Ventile, Reaktoren, mechanische Dichtungen und Separatoren;

(j) Sportartikel wie z. B. Spikes, Golfartikel, Tennisschläger, Anglerbedarf, Bergsteiger- und Skiausrüstung, Badmintonschläger und Kugeln;
(k) Schiffs- und Flugzeugmaterialien wie z. B. Motoren, Baustoffe, Außenwände, Schrauben und Wassertragflächen;

(1) ElektrischeMaterialien wie z. B. Übertragungsleitungen, Kondensatoren, Haltevorrichtungen, Antennen, Stereophonieteile und Maste;
(n) Architekturmaterialien wie z. B. Fensterrahmen und Baustoffe;

(m) Landwirtschaftliche Maschinen, Fischereigeräte, Geräte Tür Atomreaktoren, Material für Kernfusionsöfen, Materialien zur Ausnutzung der Sonnenenergie, medizinische Instrumente, Ma-

bo terialien für Fahrräder, Ventile, Ventilsitze, Ringe,

Stangen, Scheiben, Ausleidungen, Sandtrans-

portpumpentcile. Maschinenteile zur Behandlung von Staub, Formen und Düsen zum Strangpressen oder Spritzen von Kunststoffen und Reflexionsspiegel.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Aluminium-, Aluminiumlegierungs- oder Magnesiumlegierungs-Verbundwerkstoffen, die mit Siliciumcarbid-Endlosfasern verstärkt sind, dadurch gekennzeichnet, daß 80 bis 20 Vol.-% der Siliciumcarbid-Endlosfasern mit einem Gehalt von 0,01 bis 40 Gew.-% freiem Kohlenstoff, die durch Brennen von gesponnenen Fasern aus hochmolekularen OrganosiHciumverbindungen erhalten wurden, in 20 bis 80 Vol.-% einer Schmelze aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Magnesiumlegierung angeordnet werden.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Aluminiumlegierungen, deren Carbidbildner Silicium, Mangan, Chrom, Titan oder Calcium ist.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Magnesiumlegierungen, deren Carbidbildner Aluminium, Mangan, Zirkonium, Silicium, Calcium oder Yttrium ist.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Siliciumcarbid-Endlosfasern, deren Oberfläche zusätzlich mit wenigstens einem Metall oder einer Metallverbindung beschichtet ist.

5. Anwendung nach Anspruch 4 auf SiC-Fasern mit Bor, Mangan, Molybdän, Aluminium. Wolfram. Silicium. Chrom, Calcium, Cer, Vanadium, Uran, Thorium, Niob, Tantal, Titan, Zirkonium oder Hafnium als Beschichtungsmetall.

6. Anwendung nach Anspruch 4 auf SiC-Fasern mit Beryllium, Magnesium, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Germanium. Palladium. Silber, Cadmium, Zinn, Antimon, Platin, Gold. Blei oder einer Legierung aus wenigstens zwei dieser Metalle als Beschichtung.

7. Anwendung nach Anspruch 4 auf SiC-Fasern mit MgO, Al₂O₃, TiO₂. ZnO. AIf.¹. Mg₂N₂. Si₃N₄, TiN. ZrN, TiC, ZrC oder WC als Beschichtung.