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Verfahren zur Herstellung einer faserver-
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stärkten Metallmasse Der steigende Bedarf an sehr festen leichten
Metallen haben die Entwicklung einer Vielzahl von Techniken zur Herstellung von
faserverstärkten Metallmassen angeregt. Die wirksame Einarbeitung von hochfesten
Einzelkristallfasern oder Whiskern in eine Metallmatrix resultiert in einer Kombination
von mechanischen Eigenschaften des Metalls mit denjenigen der hochfesten Fasern.
Beispielsweise können normale metallurgische Verfahren eine Metall-Legierung von
erhöhter Festigkeit 1 hervorbringen, jedoch die Steifheit des Metalls bleibt die
gleiche. Jedoch, wenn Siliciumcarbid-Whisker, die eine Steifheit von etwa 5 000
000 kp/cm2 aufweisen, mit Aluminium kombiniert werden, das eine Steifheit von etwa
700 000 kp/cm2 besitzt, erhält man eine Metallmasse mit einer Steifheit, die viel
größer ist als diejenige von Aluminium. Eine derartige Masse, die aus 80 Vol.-S
Aluminium und 20 Vol.-% Siliciumcarbid-Whisker besteht, würde eine Steifheit besitzen,
die im wesentlichen derjenigen von Stahl gleich ist, ohne merklichen Gewichtsanstieg.
Dabei würde man Aluminium erhalten mit einer Steifheit von Stahl, jedoch einer Korrosionsbeständigkeit
und dem leichten Gewicht von Aluminium.
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Viele der mit der Herstellung von faserverstärkten Metallmassen verbundenen
Schwierigkeiten und neue Methoden zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten werden
in den US-PSS 3 441 392, 3498 890, 3668 748, 3 828 417 und 3 383 697 beschrieben.
Während
die in diesen Patenten beschriebenen Verfahren äußerst vorteilhaft sind gegenüber
bisherigen Verfahren, beziehen sich diese Verfahren alle auf die Herstellung von
Metall massen unter Verwendung von Whiskern mit relativ großer Größe.
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Die in diesen Verfahren verwendeten Whisker besaßen einen Durchmesser
im Zehnermikronenbereich, normalerweise bis zu 30 L, und hatten Längen von bis zu
1,27 cm. Anschließend entwickelte sich die Keramikfaser-Technologie bis zu einem
Punkt, wo mikroskopische Whisker mit Durchmessern über dem Submikronenbereich bis
zu einer oberen Grenze von unter 10 leicht erhältlich waren.
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VMOO 32-Graphitwhisker, vertrieben durch Union Carbide Company, sind
in Durchmessern zwischen 1 bis 9 LL erhältlich, während Siliciumcarbid-Whisker,
vertrieben durch Exxon Enterprises of Salt Lake City, Utah, Durchmesserim Submikronenbereich
von 500 bis 1000 Å aufweisen.
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Zur Verstärkung von Metall verwendete mikroskopische Whisker liefern
als Produkt eine überlegene Metallzusammensetzung.
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Eine gleichmäßige Dispersion dieser Whisker innerhalb einer Zusammensetzung
oder einer Masse liefert eine große Anzahl an Festigkeit verleihenden Fasern für
jeden gegebenen Bereich.
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Beispielsweise beanspruchen in nicht kombinierter Form etwa 250 000
000 der Exxon Siliciumcarbid-Fasern nur etwa 16,39 cm3.
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Die Länge dieser Fasern ist geringer als der Durchmesser der Fasern,
die üblicherweise in bekannten Verfahren zur Herstellung von Metallmassen verwendet
werden.
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Bisher erwiesen sich mikroskopische Keramik-Whisker mit Durchmessern
ion einem Bereich wn Sutmikon bis unter 10 ß als ungeeignet für die Verwendung in
Metallmatrixzusammensetzungen. Beispielsweise ist es mit Siliciumcarbid-Fasern mit
Durchmessern von 500 bis 1000 i schwierig, Epoxyharz oder geschmolzenen Kunststoff
um die Fasern zu binden, ohne Löcher oder Hohlräume zu erzeugen, wobei sich diese
Schwierigkeit mit Metallpulver multipliziert.
Es ist erforderlich,
die Fasern innerhalb des Metallpulvers gleichmäßig zu dispergieren und diese gleichmäßige
Dispersion aufrechtzuerhalten, wenn das Pulver-Faser-Gemisch in einen Matritzenhohlraum
zum Formpressen gegeben wird.
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Hauptaufgabe der Erfindung war es somit, ein neues und verbessertes
Verfahren zur Herstellung von mit sehr feinen mikroskopischen Fasern verstärkten
Metallmatrixmassen bereitzustellen.
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Ferner sollte ein Verfahren bereitgestellt werden, worin verstärkende
Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 10 als verstärkende Whisker wirksam
verwendet werden.
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Mit Hilfe des neuen Verfahrens soll auch eine Metallmatrixmasse hergestellt
werden, worin sehr feine mikroskopische Fasern mit Metallpulver und einem Mischträger
vermischt und dann bei Raumtemperatur mehrere Male extrudiert werden, um eine im
wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Fasern innerhalb der Metall matrix zu erzielen.
Der Mischträger wird dann vom Gemisch entfernt, während die Verteilung bestehen
bleibt.
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Es soll außerdem eine Metallmatrixmasse hergestellt werden, worin
ein Gemisch sehr feiner mikroskopischer Fasern, die gleichmäßig innerhalb eines
Metallpulvers verteilt sind, erzielt und in einem Matritzenhohlraum behandelt wird,
um faserverstärkte Metallbarren zu erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird eingeleitet, indem man ein Grundmetallpulver
und ein Fasergemisch ansetzt. Die Metallmatrix sollte ein feines Metallpulver mit
einer Siebgröße von weniger als < 75 darstellen, wobei ein Metallpulver <
44 U bevorzugt wird. Geeignete Metallpulver sind in den US-PSS 3 441 392, 3 668
697 und 3 833 697 beschrieben. Außerdem können reines
Aluminiumpulver
und Aluminiumpulvergemische im Bereich einer Siebgroße von < 44 Lt mit der Bezeichnung
6061, 2024, 7075, 5052 und 1100 von Reynolds Aluminum Company, Richmond, Virginia,
bezogen werden.
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Die Fasern und das Metallpulver werden zuerst gewogen, so daß die
Fasern 10 bis 30 S des Gesamtvolumens des Gemischs ausmachen. Das bevorzugte Faservolumen
beträgt etwa 20 %, da es sich erwiesen hatte, daß dies am leichtesten in die Metallmatrix
einzuarbeiten ist. Wie vorstehend angegeben, besitzen die Fasern einen Durchmesser
von weniger als 10 cm und können Graphit-oder Siliciumcarbid-Fasern darstellen.
Diese Fasern sind mikroskopisch und in einer wahllos orientierten Form. Einzelne
Fasern besitzen keine sichtbare Länge, außer wenn sie unter dem Mikroskop betrachtet
werden.
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Nachdem die Faser- und Metallpulver-Portionen durch Wiegen bestimmt
worden sind, werden sie in einen großen Behälter getan und gerührt. Idealerweise
erfolgt das Rühren in einem geschmolzenen Camphenträger zwischen 5 und 15 Minuten.
Das Volumen des verwendeten Camphens muß mindestens gleich sein und vorzugsweise
über dem Gesamtvolumen des Faser-Metallpulver-Gemischs liegen.
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Ein Träger wie Camphen erwies sich als geeignet, nachdem die mikroskopischen
Fasern dispergiert worden sind und sich in der Matrix orientiert haben, die Faserdispersion
und Orientierung aufrechtzuerhalten. Der für diesen Zweck verwendete Träger muß
einen niedrigen Schmelzpunkt haben, darf nicht mit der verwendeten Metallmatrix
reagieren, muß ohne Hinterlassung einesFückstandes verdampfen und muß bei Raumtemperatur
extrudierbar sein.
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Rohes Camphen, vetrieben durch entweder The Eastman Kodak Company
oder The Glidden Durkee Company, ist leicht erhältlich, jedoch fand man, daß rohes
Camphen Aluminium und andere Metallpulver angreift. Jedoch macht eine einfache Vakuumdestillation
von rohem Camphen es für die Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.
Man stel3F fest, daß destilliertes Camphen, das dadurch erhalten wurde, daß man
rohes Camphen nur einem Vakuumdestillationszyklus unterwirft, ein geeigneter Träger
ist, obgleich ein reineres destilliertes Camphen, das aus einer Vielzahl von Destillationszyklen
erhalten wurde, bevorzugter ist.
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Destilliertes Camphen schmilzt bei etwa 520C, wobei geschmolzenes
destilliertes Camphen in den Mischbehälter mit den abgemessenen Portionen von Metallpulver
und mikroskopiser Faser zugegeben wird. Nach 5 bis 15minütigem Rühren und Mischen
im Behälter wird das dabei entstehende Gemisch im KUhlschrank gekühlt, bis das gesamte
Camphen erstarrt.
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Das gekühlte Gemisch von Metallpulver und Fasern in dem Camphenträger
ist günstigstenfalls außergewöhnlich arm (poor). Die Fasern sind viel leichter als
die Metallmatrix, und im allgemeinen variieren Fasergröße und Form und die Teilchengröße
des Metallpulvers beachtlich. Wenn ein fehlerfreier zusammengesetzter Barren aus
diesem Gemisch erhalten werden soll, müssen die Fasern gleichmäßig innerhalb der
Metallmatrix verteilt sein.
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Um eine gute Faser-Metallpulver-Verteilung zu erhalten, wird das gekühlte
Gemisch nach der Erstarrung des Camphenträgers bei Raumtemperatur extrudiert. Der
das Gemisch enthaltende gekühlte Block wird durch eine übliche Strangpreßform extrudiert,
wobei dieses Strangpreßverfahren mindestens dreimal wiederholt wird.
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Die Vielzahl der Strangpreßgänge des gemischten Materials resultiert
in einer ausgezeichneten Verteilung der mikroskopischen
Fasern
innerhalb der Metallpulvermatrix. Obgleich mindestens drei Extrusionen erforderlich
sind, können zusätzliche Extrusionen erfolgen, bis die beste Verteilung erzielt
ist. Nachdem drei Extrusionen erfolgt sind, sollte die Faserverteilung mit einem
Mikroskop geprüft und nach jeder weiteren Extrusionsstufe wieder geprüft werden.
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Nachdem das Extrusionsverfahren beendet ist, wird das Camphen-Faser-Pulvergemisch
in eine Vakuumkammer getan und die Kammer evakuiert, um Vakuumverdampfung des Camphens
zu bewirken. Das verdampfte Camphen kann gesammelt und wieder verwendet werden.
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Wenn das gesamte Camphen vom Gemisch abgedampft ist, ist das nun trockene
Gemisch fertig für die Verdichtung zu Barren.
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Die Vorrichtung zur Herstellung von Barren ist ziemlich konventionell
und enthält eine zylindrische Stahl- oder Graphit form, einen Preßstempel, eine
Heizeinrichtung, ein Thermoelement zum Messen der Temperatur und eine (hydraulische)
Presse. Eine derartige, zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens geeignete Vorrichtung
wird in der US-PS 3 441 392 gezeigt.
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Das trockene Gemisch wird vorsichtig in den Matritzenhohlraum gegossen,
wobei das Metallpulver, das scheinbar nur lose mit den Fasern verbunden ist, sich
nicht absetzt. Wahrscheinlich ist der restliche dünne blfilm, der von den Camphenbestandteilen
zurückgeblieben ist, für dieses günstige Verhalten verantwortlich. Wenn sich das
Gemisch absetzen würde, würde die Verteilung darunter leiden, und die Qualität des
Barrens würde schlecht sein.
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Nachdem der Matritzenhohlraum mit dem Gemisch gefüllt worden ist,
wird ein Stempel in den Hohlraum getan und ein Druck von mindestens 35 kp/cm2 und
vorzugsweise zwischen 70 und 105 kp/cm2 wird mit
Hilfe des Stempels
auf das Gemisch angewendet. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist wegen des Filmes,der
durch den Mischträger auf dem Pulver und den Fasern zurückgeblieben ist, die-Schädigung
der Fasern aufgrund dieser Belastung minimal, weil anscheinend der Film als Schmierstoff
wirkt. Es ist wichtig darauf hinzuweisen, daß im Gegensatz zu dem in der US-PS 3
441 392 beschriebenen Verfahren das erfindungsgemäße Verfahren die Anwendung von
Druck auf das Gemisch im Matritzenhohlraum bei Raumtemperatur des Gemischs vorsieht.
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Die gesamte Form- bzw. Matritzenanordnung wird nun schnell auf eine
Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metallpulvers mit dem Stempel an Ort
und Stelle, jedoch mit geringem oder gar keinem zusätzlichen Druck auf den Stempel,
erhitzt. Ein berechneter zweiter Druck wird nun angewandt. Da das Volumen der Matritze
und die Menge des Gemischs in der Matritze bekannt sind, wird das Volumen, das das
Gemisch bei 100%der Verdichtung beanspruchen würde, berechnet. Beispielsweise beanspruchen
2,7 g Aluminium ein Volumen von 1 cm3 wenn keine Hohlräume vorhanden sind. Gleichermaßen
beanspruchen 2,7 g Aluminium mit 3,17 g Siliciumcarbid-Fasern 2 cm3 wenn keine Hohlräume
vorhanden sind. Bei Anwendung des Mischungsgesetzes bei der Berechnung des Volumens,
das das Gemisch innerhalb der Matritze beanspruchen würde bei Nichtvorhandensein
von Hohlräumen, kann die Stempelbewegung in die Matritze berechnet werden, die erforderlich
ist, um nur dieses hohlraumfreie Volumen übrigzulassen. Somit wird die erforderliche
Stempelbewegung, die erfolgt, nachdem der Matritzenhohlraum erhitzt worden ist,
um das Gemisch in den halbgeschmolzenen Zustand zu bringen, vorberechnet. Derjenige
Druck, der erforderlich ist, um den Stempel nach unten auf diesen Abstand zu bewegen,
wird angewandt, wobei dieser Druck im allgemeinen 140 kp/cm² übersteigt. Die gesamte
Luft wird aus dem Gemisch ausgetrieben, wobei gleichzeitig das geschmolzene Metall
die Fasern einkapselt. Der Preßstempelweg
beträgt bewußt 5 S mehr
als berechnet, um eine vollständige Verdichtung sicherzustellen, wobei überschüssiges
geschmolzenes Metall über den kreisrunden Abstand zwischen Matritze und Stempel
entweicht.
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Der 5%ige überschüssige Weg des Preßstempels innerhalb des Matritzenhohlraums
läßt sich leicht erzielen, indem man die Volumenberechnung bei Raumtemperatur durchführt.
Da das Gemisch in dem Matritzenhohlraum erhitzt wird, wenn Druck darauf wieder angewandt
wird, liefert die thermische Expansion des Gemischs den schwachen Ueberschuß, der
erforderlich ist, um sicherzustellen, daß der verpreßte Barren im wesentlichen frei
von Hohlräumen ist.
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Der Druck wird aufrechterhalten, und man läßt die Matritze und den
Barren abkühlen. Der kalte Barren wird dann aus der Matritze entnommen und ist fertig
für die Verwendung.
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Die Temperaturen, die erforderlich sind, um verschiedene Metall-Faser-Gemische
auf einen halbgeschmolzenen Zustand für die letzte Druckstufe zu bringen, sind vollständig
in den US-PSS 3 441 392 und 3 833 697 beschrieben, wobei die in diesen Patenten
bes chriebenen Vorrichtungen und Temperaturen angewandt werden, um das erfindungsgemäße
Verfahren durchzuführen. Wie bereits vorstehend ausgeführt, unterscheidet sich das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des fertigen Barrens von den in den vorstehend
genannten Patenten beschriebenen Verfahren darin, daß zuerst Druck auf das Gemisch
in der Matritze bei Raumtemperatur angewandt wird. Die Matritze wird dann gegen
das anfänglich verpreßte Gemisch gehalten, während die Temperatur des Matritzenhohlraums
erhöht wird, um das Gemisch in den halbgeschmolzenen Zustand, wie er in vorstehend
genannten Patenten beschrieben wird, zu bringen. Der Stempel wird dann auf den vorbestimmten
Punkt in der Matritze gebracht, um die gewünschte Barrenverdichtung zu erzielen.
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Wenn mikroskopische Fasern gleichmäßig innerhalb eines Metallpulver-Faser-Gemischs
verteilt worden sind, können sie einem Druck bei Raumtemperatur unterworfen werden,
ohne beschädigt zu werden. Diese Kaltdruckstufe ist außergewöhnlich vorteilhaft,
da sie vor dem Erhitzen fast alle Hohlräume in dem Gemisch entfernt und folglich
jede wesentliche relative Bewegung zwischen den Metallpulverteilchen und den Fasern
ausschließt, die nach dem Erhitzen erfolgen könnte, wobei die gleichmäßige Verteilung
der Fasern innerhalb des halbgeschmolzenen Gemischs durcheinander gebracht werden
könnte. Die Anwendung von bedeutendem Druck auf das Gemisch worm Erhitzen komprimiert
das Gemisch und macht es einfacher, eine gleichmäßige Temperatur innerhalb des Gemischs
während der anschließenden Druckstufe aufrechtzuerhalten, da die Masse des zu erhitzenden
Gemischs nun viel geringer ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde wirksam sowohl mit mikroskopischen
Graphit-Fasern als auch mit Siliciumcarbid-Fasern auf die in den nachstehenden Beispielen
beschriebene Weise durchgeführt.
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Beispiel 1 Graphit-Fasern (VM 0032, Union Carbide Company) mit Durchmessern
zwischen 1 bis 9 wurden mit Aluminiumpulver (kleiner als 44 ) und geschmolzenem
destillierten Camphen in einen Mischer getan. Die Graphitfasern machten 20 Volumenprozent
des gesamten Faser-Metallpulver-Gemischs aus. Das Gemisch wurde 5 bis 15 Minuten
gerührt und dann in den Kühlschrank getan, bis das Camphen erstarrte. Das erstarrte
Gemisch wurde dann viermal extrudiert und anschließend in ein Papierhandtuch eingewickelt
und in eine Vakuumkammer getan. Das Camphen wurde dann vakuumverdampft und das trockene
Gemisch vorsichtig in einen Matritzenhohlraum getan. Danach wurde ein Stempel in
den Hohlraum eingeführt
und das Gemisch anfänglich bei Raumtemperatur
unter mindestens 35 kp/cm2 verpreßt. Nach dem ersten Verpressen wurde die Matritze
ohne zusätzlichen Druck auf den Stempel auf oberhalb des Schmelzpunktes des Aluminiumpulvers
erhitzt und der Stempel dann nach innen bewegt, um den Matritzenhohlraum auf mindestens
die Hohlraumgröße zu verringern, die durch das Gemisch bei einer theoretischen lOOgigen
Dichte beansprucht wird. Der Hohlraum wurde dann mit dem Stempel-ant Ort und Stelle
gekühlt und der fertige Barren entnommen.
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Beispiel 2 Siliciumcarbid-Fasern (Exxon Enterprises) mit DUrchinpPrn
zwischen 500 und 1000 X wurden mit Aluminiumpulver (< 44 ) in einen Behälter
getan und miteinander verknetet, um jegliche Faserklumpen zu zerteilen und um das
Pulver an den Fasern haften zu lassen. Die Siliciumcarbid-Fasern machten 20 Volumenprozent
des Faser-Metallpulver-Gemischs aus, und die außergewöhnlich feinen Fasern bildete,
nach dem Verkneten ein Gemisch mit dem Pulver, das imine teigartige Konsistenz hatte,
wodurch ein Mischträger wie Camphen nicht erforderlich war. Dieses teigartige Gemisch
wurde dann 3 mal bei Raumtemperatur extrudiert und in einen Matrizenhohlraum getan.
Ein Stempel wurde eingeführt, um das Gemisch bei mindestens 35 kp/cm2 bei Raumtemperatur
zu verpressen, wobei anschließend die Matritze ohne zusätzlichen Druck auf oberhalb
des Schmelzpunktes des Aluminiumpulvers erhitzt wurde. Der Stempel wurde dann nach
innen bewegt, um den Hohlraum auf die vorstehend beschriebene Weise zu verringern,
um maximale Dichte zu erzielen, der Hohlraum gekühlt und der fertige Barren entnommen.
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Man fand, daß mikroskopische Siliciumcarbid-Fasern einem Druck von
281 kp/cm2 während der Kaltpreßstufe unterworfen werden können, was außergewöhnlich
vorteilhaft ist, da diese
Fasern gleichmäßig verteilt im Metallpulver
während der Kaltpreßstufe bleiben. Wenn umgekehrt das Gemisch zuerst auf den halbgeschmolzenen
Zustand erhitzt wird, ist die Bewegung der Fasern in dem halbgeschmolzenen Metall
viel größer.
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Außer Camphen können auch andere Träger verwendet werden, um das Metall
an den mikroskopischen Fasern zum Haften zu bringen, um einen Barren zu bilden,
der im wesentlichen frei von Hohlräumen ist. Magnesiumpulver, das im allgemeinen
höchst entflammbar ist, kann mit Aluminium legiert werden, um einen solchen Träger
zu liefern.
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Beispiel 3 Siliciumcarbid-Fasern (Exxon Enterprises) mit Durchmessern
von 500 bis 1000 Ä wurden in einen Eisenschmelztiegel mit Magnesiumpulver (<
63 ) getan und das Gemisch in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb
der Schmelztemperatur des Magnesiums, jedoch hoch genug erhitzt, um die Verdampfung
des Magnesiums (d.h. 6O00C) zu beschleunigen. Das Gemisch wurde während des Erhitzens
gerührt, bis die Fasern durch das Anhaften des verdampften Magnesiums braun wurden.
Dann wurde dem heißen Gemisch Aluminiumpulver (< 40 ) zugesetzt und das Gemisch
gerührt, bis die Fasern grau wurden. Wo das Aluminiumpulver die Magnesium- und die
Aluminiumschmelze trifft, bildet sich ein Eutektikum, breitet sich aus und haftet.
Da sich das Magnesium mit dem Aluminium legiert, sind die überzogenen Fasern nicht
entflammbar. Die überzogenen Fasern wurden gekühlt und mit soviel zugesetztem Aluminiumpulver
vermischt, daß die Fasern im wesentlichen 20 Volumenprozent des Gemisch ausmachten,und
die Stufen des Beispiels 2 wurden dann unter Bildung eines Barrens durchgeführt.
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Die neue erfindungsgemäß angewandte Kaltpreßstufe macht es unnötig,
das Gemisch anschließend nur auf eine Temperatur zu erhitzen, die erforderlich ist,
um das Metall oder die Legierung in einem Status zwischen dem Solidus und dem Liquidus
zu halten.
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Da Kaltpressen im wesentlichen die Fasern in ihre endgültige Stellung
im Gemisch bringt, kann das Gemisch anschließend auf einen Punkt weit oberhalb des
Schmelzpunktes des Metall- oder Legierungspulvers erhitzt werden, so daß das Metall-
oder Legierungspulver während der letzten Heißpreßstufe vollständig geschmolzen
ist.