DE3306142C2 - Verfahren zur Herstellung eines zweiphasigen oder mehrphasigen metallischen Materials - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellung eines zweiphasigen metallischen Materials. Andere Phasen können dem Verfahren zugefügt werden, um ein mehrphasiges metallisches Material herzustellen. Das zweiphasige Material umfaßt eine höher schmelzende Phase, dispergiert in einer tiefer schmelzenden Matrix. Das nach dem noch zu be­ schreibenden Verfahren hergestellte Material ist selbst ein neues Produkt, da, obwohl es aus Teilchen einer höher schmelzenden Phase (z. B. Eisen), dispergiert in einer tiefer schmelzenden Matrix (z. B. Aluminium) besteht und die Teilchen aus einem Material sind, das in der Matrix beim Schmelzpunkt der Matrix löslich ist, keine wahrnehm­ bare Auflösung der Teilchen in dem Material nachweisbar ist. Zum Beispiel können scharfkantige abgeschreckte Eisen­ teilchen in einer Aluminiummatrix dispergiert werden, wo­ bei nicht nur ihre Schärfe aufrechterhalten wird, sondern auch die Analyse der Matrix in der Nähe der Teilchen keinen Nachweis irgendeiner signifikanten Menge von intermetalli­ scher Al/Fe-Verbindung ergibt. Solche Materialien können Anwendung als Reib- bzw. Friktionsmaterialien finden, z. B. in Bremsbelägen, Treppenkanten, Decks- und Industrie­ böden. Andere mögliche Materialien, wie Aluminium, Kupfer, kohlenstoffarme Stähle oder rostfreie Stähle, die Blei oder Graphitteilchen enthalten, die nicht wahrnehmbar gelöst sind, können für Lager und abnutzungsbeständige Komponenten ver­ wendet werden.

Bisher konnten solche Materialien nicht hergestellt werden, außer durch extreme Arbeitsweisen, wie die Schockwellenver­ festigung von Pulvern, unter Anwendung von entweder Explosiv­ stoffen oder dem Impuls eines Geschosses von hoher Geschwindig­ keit. Diese Arbeitsweisen sind kostspielig, gefährlich und ungeeignet zur kontinuierlichen Herstellung oder zur Bildung von dünnen Blechen oder Streifen und ergeben ein Produkt, das nicht das gleiche ist wie das Produkt der vorliegenden Arbeits­ weise, wie noch erläutert wird.

Dispersionen von hoch schmelzenden jedoch löslichen Phasen in tief schmelzenden Matrices sind nicht neu, da einige Meteoriten bei metallographischer Prüfung gezeigt haben, daß sie "Widmanstatten-Strukturen" enthalten, worin eine lösliche Phase einen Niederschlag in bevorzugten Orientierungen in einer (festen) Lösungsmittelphase bildet. Jedoch ist dort das Lösungsmittel mit dem gelösten Material gesättigt, was un­ gleich dem Produkt der erfindungsgemäßen Methode ist.

Eine Sprühmethode zur Abscheidung eines Verbundmaterials ist aus der GB-PS 1 359 486 bekannt, jedoch bestehen dort die disper­ gierten Teilchen aus Blei in einer Aluminiummatrix. Da der Sprühstrahl, um eine solche Struktur herzustellen, anfänglich bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt von Aluminium (660°C) sein müßte, wäre er auch über dem Schmelzpunkt des Bleis (327°C).

Eine Sprühmethode, bei welcher das Blei tatsächlich durch Keramik, wie Aluminiuinoxydteilchen, ersetzt wird, wurde in der GB-PS 1 262 471 vorgeschlagen. Da aber diese Teilchen in schmelzflüssigem Aluminium nicht löslich sind, benetzt sie das Aluminium nicht. Sie werden daher in der endgültigen Verbundstruktur nur mechanisch in der Matrix gehalten. Außer­ dem ist zwar die Aluminiummatrix verhältnismäßig billig, jedoch sind Keramikteilchen, die für Schleif- oder Friktions­ zwecke eine gute Beständigkeit gegen Brechen haben müssen, teuer. Das billigste Keramikmaterial für Schleifzwecke ist angulärer Quarz oder Sand, jedoch verändert sich die Allo­ tropie und verhältnismäßig leichtes Brechen macht sie wenig zufriedenstellend. Siliziumcarbid und Aluminiumoxyd sind ausgezeichnet, jedoch teuer, wenn sie als kantige Teilchen geeigneter Größe ge­ braucht werden. Ein billigeres, jedoch wirksames Material ist gequetschter "abgeschreckter Eisengrieß" oder Teilchen aus hartem Stahl. Solche Teilchen werden in großen Mengen für das Sandstrahlen benutzt, wo ihre abrasiven Eigenschaften und ihre geringen Kosten sehr wichtig sind.

Es war bisher schwierig, scharfkantige abgeschreckte Eisen- oder Stahlteilchen zufriedenstellend kostengünstig in eine Aluminiummatrix einzubetten. Wenn zum Beispiel Eisengrieß mit schmelzflüssigem Aluminium ge­ mischt und dann vergossen wird, neigt das Eisen, da es dichter ist, zum Absetzen durch Schwerkraft und neigt auch zur Auflösung im Aluminium, was eine Abrundung der scharfen Kanten und letztlich ein vollständiges Auflösen der Teilchen bewirkt. Pulvermetallurgisches Sintern des Gemisches von Aluminiumpulver und abgeschrecktem Eisengrieß ist ebenfalls nicht zufriedenstellend, da sich Eisen im Aluminium während der Hochtemperatursinterung löst. Ein solches Auf­ lösen ist für Reibungsmaterialien nicht annehmbar, die großenteils wirkungsmäßig von den scharfen Kanten ab­ hängen, die aus ihrer Oberfläche hervorstehen. Schockwellenverfestigung ist unannehmbar kost­ spielig und ergibt überdies eine Struktur, die unbefriedigend sein kann. Die Matrixteilchen haben nicht ge­ schmolzene, verhältnismäßig große, durch die Bearbeitung gehärtete Zentren mit hoher Dichte an Defekten mit Interpartikelschmelzbereichen von mikrokristalliner Struktur, wie sie charakteristisch für ultraschnelle Abkühlung ist, und sie umfassen manchmal sogar amorphe Regionen.

Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung einer Dispersion von metallischen Teil­ chen einer Phase mit hohem Schmelzpunkt in einer Matrix mit tieferem Schmelz­ punkt, wobei die Matrix zwar ein Lösungsmittel für die Teilchen ist, wobei jedoch tatsächlich nur minimale gegenseitige Auflösung eintritt, durch ein Verfahren, das weniger kostspielig und weniger umständlich und gefährlich ist als die Schockwel­ lenverfestigung von Pulvern. Es gibt verschiedene Gründe, warum oft minimale gegenseitige Auflösung erforderlich ist, z. B. die Vermeidung von spröden inter­ metallischen Verbindungen, die Vermeidung einer Legierungsmatrix oder die Beibehaltung von scharfen Kanten der Teilchen, insbesondere für Reibungsmateria­ lien.

Im folgenden soll der hier benutzte Ausdruck "mehrphasig" auch "zweiphasig" einschließen.

Gelöst wird die Aufgabe, ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff, mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Ausgestaltungen des Verfahrens enthalten die Ansprüche 2 bis 8. Die Ansprüche 9 und 10 betreffen die Anwendung des Verfahrens auf bestimmte Materialien, Anspruch 11 betrifft die Verwendung des nach den Ansprüchen 1 bis 8 hergestell­ ten Materials und Anspruch 12 das so erzeugte Material selbst.

Eine Abkühlgeschwindigkeit im Bereich der Solidustemperatur von wenigstens 10⁴ K/s ist bevorzugt. Als Richt­ linie sei bemerkt, daß die schnellste praktische Kühlge­ schwindigkeit innerhalb der heutigen Möglichkeiten bei dieser Art von Verfahren etwa 10⁶ K/s betragen dürfte.

Das erhaltene mehrphasige Material wird gegebenenfalls von der Oberfläche, auf der es gebildet wurde, abgetrennt. In einem solchen Fall ist die Unterlage zweckmäßig so kühl, wie dies praktikabel möglich ist, wie etwa 200°C. Eine kühlere Unterlage kann Spuren von absorbierter Feuchtigkeit aufweisen und sich verziehen.

Das Matrixmaterial kann Aluminium oder eine Aluminiumle­ gierung sein, wie eine Aluminium/Zinklegierung. Das Zink kann in einem solchen Falle dazu dienen, die Anfälligkeit der Teilchen gegen Korrosion zu vermindern. Alternativ kann das Matrixmaterial beispielsweise Kupfer oder Zink oder Legierungen davon sein. Alternativ können kohlenstoffarme Stähle oder rostfreie Stähle in Verbindung mit Teilchen von Graphit benutzt werden.

Die Teilchen können beispielsweise Eisen oder Stahl sein, z. B. aus sogenanntem "abgeschreckten Eisengrieß" oder Stahl­ grieß. Wenn die Teilchen scharfkantig sind, wenn sie in den Sprühstrahl eingeführt werden, wie dies vorteilhaft für gewisse Anwendungszwecke, wie Reibungsmaterialien ist, enthält das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Material ebenso scharfkantige Teilchen, dispergiert in einer gleichmäßigen Matrix. Dies stellt ein zusätzliches Kenn­ zeichen der Methode dar, über die Prüfung hinaus, daß das Matrixmaterial selbst in der Nähe der Teilchen keinen merk­ lichen Mengenanteil an dem Teilchenmaterial enthält und praktisch homogen ist, ungleich der unhomogenen Bearbeitung der Matrix die das Merkmal eines durch Schockwellen ver­ dichteten Materials ist.

Andere Beispiele von Teilchen sind Silizium und Graphit, die in kohlenstoffarme Stähle oder in Legierungsstähle einge­ bracht werden können, wie rostfreier Stahl, beispielsweise 18 Chrom/8 Nickel-Stahl. Während Graphit in Stahl bei hohen Temperaturen löslich ist und Chromcarbid bildet wenn Chrom vorliegt, bleibt es unter den besonderen Umständen, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren vorherrschen, ungelöst als Flockengraphit vorhanden. Überdies sind die meisten Flocken parallel zu der Oberfläche ausgerichtet, wenn ein Streifen abgeschieden wird. Es ergeben sich mehrere praktische Vor­ teile aus diesen neuen Strukturen, wie die Eigenschaften der Selbstschmierung, der Schalldämmung, gute maschinelle Bearbeitbarkeit.

Es können zwei oder mehr Arten von Teilchen zusammen ver­ wendet werden und gegebenenfalls können andere, z. B. unlös­ liche Materialien in der Matrix dispergiert werden, indem man sie mit diesen Teilchen vor oder zum Zeitpunkt der Ein­ führung der Teilchen in den Sprühstrahl mischt. Zu geeigneten Materialien gehören keramische Schleifteilchen zur Verbesserung der Reibungs- oder Schleifeigenschaften und zusätzlich oder alternativ ein festes Schmiermittel, wie Blei oder Flocken- oder gepulverter Graphit (auch wenn diese im übrigen nicht der Definition von Teilchen entsprechen, die zugesetzt werden können), um die Neigung eines Reibungsmaterials zum Fressen oder Haften zu verringern.

Das Herstellungsverfahren wird vorzugsweise durchgeführt, indem man einen Strom von schmelzflüssigem Matrixmaterial einer Gasatomisierungsdüse (Sprühen mittels Gasstrahl) zu­ führt und in den atomisierten Strom Teilchen der höher schmelzenden Phase(n) vorzugsweise durch Mitschleppen in einem Gasstrom einspritzt. Die Teilchen von schmelzflüssigem Matrixmaterial umhüllen die (festen) Teilchen des höher schmelzenden Materials, wenn der Strahl des schmelzflüssigen Materials auf die kältere Oberfläche aufspritzt. Das Ein­ frieren der geschmolzenen Spritzer erfolgt im typischen Falle in Millisekunden, also zu schnell für eine merkliche Auflösung der festen Teilchen. Die Teilchen werden jedoch durch das einfrierende Matrixmaterial an Ort und Stelle ge­ halten. Ein Hauptvorteil von löslichen Teilchen gegenüber Keramikteilchen besteht darin, daß das Matrixmaterial die Oberfläche der löslichen Teilchen benetzt, wodurch sie an das Matrixmaterial gebunden werden, statt nur mechanisch darin festgehalten zu werden.

Die Oberfläche, auf welcher das Verbundmaterial gebildet wird, wird je nach dem Endzweck ausgewählt. Ein rasches Ab­ schrecken des abgeschiedenen Sprühstrahls ist vorteilhaft. Wenn das Verbundmaterial von der Oberfläche vor Verwendung abgetrennt werden soll, kann eine Gußeisen- oder Stahlober­ fläche, die konturiert sein kann und in Form einer sich drehenden Trommel oder eines Rades ausgebildet ist, ver­ wendet werden. Das getrennte Verbundmaterial kann an­ schließend warm oder kalt gewalzt oder beides werden, um die Abscheidung weiter zu verdichten und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern, vorausgesetzt, daß der gewählte Heizzyklus kein Auflösen der an sich löslichen Teilchen herbei­ führt.

Wenn andererseits das Material auf der Oberfläche bleiben soll (um einen Schichtstoff zu bilden), kann die Oberfläche eine Basis aus Stahlband sein. Die Oberfläche des Stahlbandes sollte frei von Oxyd und anderen Verunreini­ gungen sein und wird vorzugsweise während des Sprühens im Be­ reich von 200°C bis 500°C gehalten, wenn das Matrixmaterial Aluminium ist. Die Benetzung und das Verbinden erfolgen zwischen der Matrix und dem Stahlstreifen unter Bildung eines Schicht­ stoffes. Das Produkt kann in dieser Form verwendet oder es kann warm oder kalt gewalzt oder wärmebehandelt werden, um die Dichte und mechanischen Eigenschaften der auf dem Stahl­ band gebildeten Schicht zu verbessern. Bei einer Bandtemperatur von beispielsweise im Bereich von 400°C ist die Abschreckung der Spritzer noch ausreichend und, vorausgesetzt, daß die Sprühgeschwindigkeit nicht zu hoch ist, erfolgt keine wahr­ nehmbare Auflösung der Teilchen. Im allgemeinen sollte die Temperatur der Unterlagen, auf die aufgesprüht wird, nicht höher sein als die Hälfte der Schmelztemperatur des Matrix­ materials, beides auf der absoluten Temperaturskala.

Der Mengenanteil an Teilchen im Verbundmaterial kann bis zu zwei Drittel, bezogen auf Volumen, sein und ist vorzugsweise 1 bis 50 Vol.-%, noch bevorzugter 1 bis 35 Vol.-% (d. h. ein Vierzigstel bis drei Viertel, bezogen auf das Gewicht im Falle von Eisenteilchen in einer Aluminiummatrix). Wenn andere Materialien den höher schmelzenden Teilchen zuge­ setzt werden, beträgt das Volumen der Zusätze (einschließ­ lich dieser Teilchen) vorzugsweise 1 bis 50% des Verbund­ materials. Wenn das Volumen der Zusätze etwa 5% übersteigt, kann ihre Wirkung, den Sprühstrahl beim Fliegen auf den Soliduspunkt oder darunter abzukühlen, ausgeprägt werden.

Beim Verfahren wird ein Vorhang aus Gas hoher Geschwindig­ keit um einen Strom von schmelzflüssigem Matrixmetall herum und gegen diesen gerichtet gebildet, der durch das Gas zu einem Sprühstrahl aus geschmolzenen feinversprühten Matrixteilchen atomisiert, also fein versprüht wird, und ein Vorrat der hoch schmelzenden Teilchen, mitgeschleppt in Gas, wird in den Sprühstrahl von atomisierten Teilchen so eingespritzt, daß sich eine gemeinsame Abscheidung der Teilchen mit der Matrix auf einer Oberfläche, die in deren Weg liegt, bildet, wobei diese Fläche relativ zur Sprühdüse bewegt sein kann.

Der Strom von schmelzflüssigem Matrixmetall kann dem ver­ sprühendem bzw. atomisierenden Gas als Flüssigkeitssäule dargeboten werden, die etwa kreisförmigen Querschnitt hat oder als Strom von etwa rechteckigem Querschnitt. Die vom zweiten Gasstrom mitgeschleppten Teilchen können in Form von gehackten Fasern, kleinen Körnern oder feinem Pulver vorliegen.

In der Praxis wurde gefunden, daß die Teilchen sehr wirksam unter Bildung einer gemeinsamen Abscheidung eingebracht werden können, die eine gleichmäßige Verteilung von Teilchen oder gehackten Fasern hat, wenn sie in den versprühenden bzw. atomisierenden Konus der Hauptsprühstrahl eingeführt werden. Als besonders wirksame Methode hat sich die tangentiale Einführung von in Gas fliegenden Teilchen in den Raum zwischen die Düse, welche den Metallstrom abgibt und die versprühenden bzw. atomisierenden Ströme von Gas erwiesen. Die Methode hat den Vorteil zu gewährleisten, daß die Teilchen vollständig mit dem atomisierten Metall beim Fliegen gemischt und darin eingeschlossen werden und daß sie nicht ohne Kontakt mit dem versprühten Metall entweichen.

Das Mitschleppen von Teilchen in einem Gasstrom ist eine be­ kannte Arbeitsweise. Der Strom von mitgeschleppten Teilchen kann geringe Sprühdichte haben, d. h. es liegt ein großes Verhältnis von Gas zu Teilchen vor, wo geringe Prozentsätze an Teilchen im Endprodukt erforderlich sind oder er kann hohe Sprühdichte haben, d. h. es liegt ein geringes Gas-zu-Teilchen- Verhältnis vor, wenn hohe Prozentsätze erforderlich sind.

Das in der Erfindung verwendete Gas, das zur Versprühung des Metalls der mitgeschleppten Teilchen benutzt wird, ist im allgemeinen neutral oder von reduzierender Natur. Ein Bei­ spiel ist die Verwendung von Stickstoff bei Aluminium oder seinen Legierungen. Luft kann in einigen Fällen verwendet werden, wo die Oxidation des Metalls oder der Zusätze gering­ fügig ist oder wenn die Oxidationsprodukte im endgültigen Pulver zugelassen werden können.

Die Porosität der Abscheidungen hängt von den Abscheidungs­ bedingungen ab. Eine geringe Sprühdichte kann eine Porosität von bis zu 15% ergeben, jedoch führt die Anwendung höherer Sprühdichten zu Porositäten von bis zu nur 1% oder weniger. Bei sehr geringen Sprühdichten ist ein Teil der Porosität miteinander verbunden, so daß die Diffusion von Sauerstoff oder anderen Gasen in das Innere bei Aussetzen an Luft erfolgen kann, was in einigen Fällen zur inneren Oxidation führt, wenn nicht die Abscheidung durch Bearbeitung verfestigt wird. In solchen Fällen führt die sorgfältige Heißbearbeitung, um die Lösung der dispergierten Teilchen zu vermeiden, zu einer Restporosität gut unter 5%, die nicht mehr miteinander verbunden ist. Es erfolgt dann keine Gefahr innerer Oxidation bei Aussetzen an Luft.

Die Sprühdichte ist also ein Faktor, der die Kühlgeschwindig­ keiten beeinflußt, auf deren Wichtigkeit schon hingewiesen wurde. Die Kombination der Sprühdichte und der Geschwindig­ keit der Unterlage sollte so sein, daß die Abscheidungsge­ schwindigkeit 1 mm/s für den ersten Millimeter nicht über­ steigt (und sollte bei größeren Dicken noch geringer sein). Die Geschwindigkeit der Unterlage kann künstlich für diesen Zweck erhöht werden, indem man Unterlage und/oder den Sprühstrahl periodisch hin und her und/oder auf und ab bewegt. Im Sprühstrahl beträgt das Gas-zu-Metall Verhältnis vorzugsweise 200 bis 1000 l/kg. Dabei wird die meiste Hitze durch das Gas entfernt. Oberhalb 1000 l/kg können sich die Tropfen des Sprühstrahls verfestigen noch bevor er die Unter­ lage erreicht.

Obwohl kalte Verdichtung ein zufriedenstellendes Produkt er­ geben kann, hat sich die Warmbearbeitung mit der oben er­ läuterten Vorsichtsmaßnahme als besonders wirksam zur Ver­ besserung der Kohäsion zwischen den einzeln gespritzten Matrixteilchen in der Abscheidung erwiesen. Die Warmbe­ arbeitung wird hier als plastische Deformation definiert, die bei einer Temperatur über der Rekristallisationstempe­ ratur des am niedrigsten schmelzenden Bestandteils durchge­ führt wird, die gewöhnlich 0,4 bis 0,5 seines Schmelzpunktes auf der absoluten Temperaturskala beträgt.

Die Erfindung wird nun an Hand des Beispiels unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung beschrieben. Darin bedeuten:

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ist eine mikrographische Aufnahme des nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren hergestellten Materials.

Das gewählte Beispiel ist die Herstellung eines Verbundes aus Aluminium und abgeschrecktem Eisen der an einen Stahl­ streifen als Unterlage gebunden ist.

Schmelzflüssiges Aluminium 1 wird von einem Vorratstiegel 2 durch ein schwer schmelzbares Rohr 3 in die Atomisierungskammer 4 geführt. Der Fluß des Aluminiums wird durch einen als Stopfen dienenden Stab 5 gesteuert, der senkrecht eingestellt werden kann. Weiteres geschmolzenes Aluminium wird dem Tiegel 2 von Zeit zu Zeit zugeführt, um einen geeigneten Metallpegel aufrecht zu erhalten. Der Strom von schmelzflüssigem Aluminium 6, der aus dem schwer schmelz­ baren Rohr 3 austritt, fällt senkrecht auf einen Punkt wo Ströme von Stickstoff 7 auf den Strom auftreffen und ihn zer­ stäuben. Die Ströme von Stickstoff 7 treten aus acht Düsen 8 aus, von denen nur zwei in Fig. 1 gezeigt sind und die im Zerstäuberblock 9 in ringförmiger Anordnung um das schwer schmelzbare Rohr 3 angeordnet sind. Der Stickstoff wird mit einem Druck von 1034 kN/m² durch das Abgaberohr 10 zugeführt. Das-Gas-zu-Metall Verhältnis beträgt 1000 l/kg und die Metallabscheidungsgeschwindigkeit ist 5 kg/min. Pulver aus abgeschrecktem Eisen mit einer Größe von 50 bis 150 µm, das von Stickstoff mitgeschleppt wird, wird bei einem Druck von 140 kN/m² durch das Abgaberohr 11 dem ringförmigen Zwischenraum 12 zwischen dem hitzefesten Rohr 3 und dem Zerstäuberblock 9 zugeführt.

Es muß Sorge getragen werden, daß die inneren Oberflächen der Abgaberohre und Teile der Vorrichtung, durch welche von Gas mitgeschleppte Teilchen gehen, frei von Vorsprüngen oder Hohlräumen sind, wo sich Teilchen ansammeln und die Strömung stören könnten. In entsprechender Weise sollen die Abgaberohre einen genügend großen Durchmesser haben, um solche Störungen zu vermeiden.

Das Abgaberohr 11 ist mit dem ringförmigen Raum 12 tangential verbunden, so daß die von Stickstoff mitgeschleppten Teilchen aus abgeschrecktem Eisen spiralförmig um das schwer schmelz­ bare Rohr 3 nach unten strömen, bis sie den Metallstrom 6 treffen. Somit sind sowohl der Strom aus schmelzflüssigem Aluminium als auch die Teilchen aus abgeschrecktem Eisen von einem kreisförmigen Vorhang aus zerstäubendem Gas umhüllt, der durch die acht Stickstoffstrahlen gebildet wird, die aus den an dem Zerstäuberblock 9 befestigten Düsen 8 aus­ treten. Die Teilchen aus abgeschrecktem Eisen werden gründ­ lich mit dem schmelzflüssigen Aluminium während des Zer­ stäubens gemischt und werden zusammen als Schicht 13 auf der Stahlunterlage 14 abgeschieden, die durch den Boden­ teil der Zerstäuberkammer 4 geht. Es sind auch etwas Graphitflocken einbezogen. Als Mengenanteil des Aluminiums (auf das Gewicht bezogen) werden sie mit dem schmelz­ flüssigen Aluminium in einem Verhältnis von 15% (Eisen) und 1% (Graphit) mitgeführt. Die Temperatur des zu ver­ sprühenden Aluminiums beträgt 700°C. Der Schmelzpunkt von Aluminium ist 660°C und der von abgeschrecktem Eisen bei etwa 1300°C. Bevor sie die Abscheidung aufnimmt, wird die Stahl­ unterlage, die in Form eines langen Streifens von 300 mm Breite vorliegt, durch Sandstrahlen der oberen Oberfläche und dann Durchleiten durch einen elektrischen Vorheizofen 15, in welchem eine reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, um alles oberflächliche Eisenoxyd zu reduzieren, bevor das Band in die Sprühkammer eintritt, vorbereitet.

Eine kalte Unterlage eignet sich wenn die Abscheidung von der Unterlage abgenommen werden soll. Die Form der Unter­ lage bestimmt die Form der Abscheidung. So ergibt eine Unterlage in Form eines Bandes ein abgeschiedenes Band von ähnlicher Form, während eine Unterlage von komplizierter Form als Muster für die Abscheidung dient, die nach Ent­ fernung dann Negativ dieser Form ist. Wenn die Abscheidung dauernd an der Unterlage gebunden sein soll, ist es gewöhnlich bevorzugt, die Unterlage vorzuerhitzen (die im Falle eines Bandes anschließend den rückseitigen Streifen bildet), um die Festigkeit der Bindung zu erhöhen. Die Vorbereitung der Unterlagenoberfläche durch Reinigen, leichtes Sand­ strahlen oder Bürsten unter Kratzwirkung vor Einführung in die reduzierende Atmosphäre für die vorzuheizende Ober­ fläche ist vorteilhaft.

Als geeignete Vorheiztemperaturen, wenn die Abscheidung aus Aluminium und abgeschrecktem Eisen auf der Stahlunterlage gebunden bleiben soll, haben sich Temperaturen zwischen 300°C und 450°C erwiesen. In diesem Fall wurde eine Tempe­ ratur von 400°C aufrechterhalten. Nachdem die Abscheidung auf die Unterlage aufgesprüht war, wobei der Sprühstrahl quer zum Streifen mit 10 Zyklen pro Sekunde hin und her be­ wegt wurde und sich der Streifen mit solcher Geschwindigkeit bewegte, daß sich eine Beschichtungsdicke von 2 mm ergab, wurde der Verbundstreifen durch eine Kammer 16 geführt, die direkt in den Spalt der Walzen 17 eines Walzwerks führte. Die Kammer 16 wurde mit Stickstoff aus der Zerstäuberkammer 4 versorgt, um zu gewährleisten, daß keine Oxidation der Ab­ scheidung erfolgt, bevor sie durch Walzen verdichtet ist. Ihre Porosität wird dadurch von etwa 5% direkt nach dem Sprühen auf weniger als 1% nach dem Warmwalzen zwischen den Walzen 17 des Walzwerkes verringert. Der gebundene und ver­ dichtete Streifen 18, der aus dem Walzwerk austritt, wobei die Verdichtung so war, daß eine Dehnung (in Längsrichtung) von etwa 1% erfolgte, kann anschließend auf normale Weise an Luft verarbeitet werden, ohne daß die Gefahr einer inneren Oxidation besteht. Nach ihrer Verwendung können der Stick­ stoff und alles nicht abgeschiedene Aluminium oder Pulver aus abgeschrecktem Eisen durch den Auslaß 19 am Boden der Zerstäuberkammer ausgeblasen werden.

Es ist ersichtlich, daß das Verfahren kontinuierlich laufen kann, indem man Aluminium in den Vorratstiegel 2 einführt, um einen ziemlich konstanten Pegel aufrecht zu erhalten. Es ist auch ersichtlich, daß das Verfahren kontinuierlich unter Bildung kontinuierlicher Längen von mehrphasigem Material oder intermittierend, indem man zeitweise den Fluß von Aluminium und Eisenteilchen unterbricht, um einzelne Gegenstände des mehrphasigen Materials zu bilden, die beispielsweise eine komplizierte Form und nicht gleich­ förmigen Querschnitt haben können, durchgeführt werden kann.

Das beschriebene Beispiel gibt zwar eine achsensymmetrische Verteilung von Sprühstrahl und Teilchen. Es ist jedoch möglich, die Form des Sprühstrahls von einem Konus zu einer abgeflachten Form mit länglichem Querschnitt zu modifizieren. Dies wird am besten erzielt, indem man die Löcher oder Schlitze, durch welche das zerstäubende Gas abgegeben wird, in solcher Weise anordnet, daß sich eine Abflachung des Strahls von versprühtem Material (und Teilchen) ergibt. In entsprechender Weise ist es möglich, eine Mehrzahl solcher Sprühstrahlen zu benutzen, um eine breite Unterlage zu bedecken oder sie nacheinander zu benutzen, um eine gewünschte Dicke aufzubauen.

Es ist manchmal zweckmäßig, den als Unterlage dienenden Stahlstreifen vorzubeschichten, um die Adhäsion daran zu erhöhen, bevor die aufgesprühte Schicht abgeschieden wird.

Es sollte dann ein solcher Überzug gewählt werden, der mit der Abscheidung verträglich ist und vorzugsweise keine dicke spröde Grenzschicht bzw. Zwischenschicht mit dem Stahl bildet. Im oben angegebenen Beispiel kann ein vorbeschichte­ ter Stahlunterlagenstreifen durch Vernickeln oder Tauchbe­ schichtung oder dünnem Besprühen mit schmelzflüssigem Aluminium oder Zink oder Pulverbeschichtung mit Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt werden.

Da das Teilchenmaterial in der Matrix löslich ist, benetzen die schmelzflüssigen Matrixspritzer gewöhnlich die Ober­ fläche der Teilchen während der gemeinsamen Abscheidung. Unter diesen Umständen bleibt das Teilchen gewöhnlich an die Matrix gebunden wenn sie auf Zimmertemperatur abkühlt. Dies stellt einen deutlichen Vorteil im Vergleich mit den meisten Keramikteilchen dar (z. B. Metalloxyde und andere Oxyde) die, da sie unlöslich sind und vom Matrixmetall nicht benetzt werden, schlechtere Bindung an die Matrix zeigen und leichter losgelöst werden, wenn sie an einer freien Oberfläche liegen. Die Bindung der Teilchen an die Matrix hat eine günstige Wirkung auf die mechanischen Eigen­ schaften und ermöglicht die plastische Deformation durch Walzen, Pressen oder Ziehen ohne Bruch. Im Falle von ausge­ richteten Graphitflocken in Stahl behält das erhaltene mehrphasige Material die schalldämmenden Eigenschaften für derartige Komponenten, wie Abdeckungen von Nocken bzw. Nockenwellen.

Ein Beispiel zur Herstellung eines mehrphasigen Materials, das von der Unterlage abgenommen wird, ist wie folgt:

Eine schmelzflüssige Legierung von Aluminium, enthaltend 4 Gew.-% Silizium wurde bei 700-710°C gehalten (Solidus = 660°C) und wie beschrieben mit Gas versprüht. Vom Sprüh­ strahl mitgeschleppt (1000 l Gas zu 1 kg Aluminium) wurden 20 Gew.-% abgeschrecktes Eisen. Der Sprühstrahl, der mit etwa 13 m/s strömte, wurde gegen eine Gußeisenunterlage von 500 mm Breite und 25 mm Dicke gerichtet, die auf 200°C gehalten war und oszilliert, um die Unterlage mit 10 Hz abzutasten. Im Moment des Auftreffens auf die Unter­ lage hatte sich der Sprühstrahl soweit abgekühlt, daß etwa ein Viertel fest war. Die verbleibenden drei Viertel reichten gut aus, um eine verfestigte Abscheidung zu bilden (es ist im allgemeinen ein Merkmal des Versprühens von Legierungen, daß sie im Moment des Auftreffens gut über der Solidustemperatur und vorzugsweise zumindest drei Viertel auf dem Weg zur Liquidustemperatur sein sollten.)
Das verfestigte Produkt wurde dann von der Unterlage ent­ fernt, rasch auf 380°C wiedererhitzt und warmgewalzt, um einen Streifen zu bilden, aus welchem Treppenkantenab­ schnitte geformt wurden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrphasigen metallischen Materials, enthaltend metallische Teilchen einer Phase mit hohem Schmelzpunkt dispergiert in einer metallischen Matrix mit tieferem Schmelzpunkt, wobei die Teilchen aus einem Material sind, das unter Gleichgewichtsbedingungen beim Schmelzpunkt des Matrixmaterials in diesem löslich ist, durch Ein­ führen der Teilchen in einen Sprühstrahl von geschmolzenem Matrixmaterial, der auf eine kältere Oberfläche gerichtet wird, um ihn zu verfestigen und das mehrphasige Material zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Sprühstrahles unterhalb des Schmelzpunkts der Teilchen eingestellt wird und so trotz der an sich möglichen Löslichkeit der Teilchen mit einem Durchmesser im Größenbereich von 10 bis 1000 µm keine wahr­ nehmbare Auflösung derselben bei einer Abkühlgeschwindigkeit im Bereich der Solidustemperatur von wenigstens 10³ K/s erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß so schnell abge­ kühlt wird, daß die Teilchen höchstens 100 ms in Kontakt mit schmelz­ flüssiger Matrix sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ kühlgeschwindigkeit im Bereich der Solidustemperatur auf zumindest 10⁴ K/s eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erhaltene mehrphasige Material von der Oberfläche, auf der es gebildet wurde, abgetrennt und gegebenenfalls warmverformt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche, auf welche der Sprühstrahl gerichtet wird, nicht wärmer gehalten wird als es der Hälfte der Solidustemperatur des Matrixmaterials auf der absoluten Temperaturskala entspricht.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis von Gas : Metall auf 200 l/kg bis 1000 l/kg eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mengenanteil der Teilchen zur Gesamtheit des mehr­ phasigen Materials auf 1 Vol.-% bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 1 Vol.-% bis 35 Vol.-%, eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sprühstrahldichte und die Bewegung der Oberfläche, auf welche der Sprühstrahl gerichtet ist, in Kombination derart eingestellt wird, daß die Abscheidungshöhe 1 mm/s nicht übersteigt

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Matrixmaterial und Teilchen aus Eisen oder Stahl.

10. Anwendung nach Anspruch 9 auf eine Aluminium/Zink-Legierung als Matrix­ material.

11. Verwendung des nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten mehr­ phasigen metallischen Materials als Friktionsmaterial, z. B. für Bremsbeläge, Treppenkanten, Deckplanken oder Fußböden.

12. Friktionsmaterial für Bremsbeläge, Treppenkanten, Deckplanken oder Fußbö­ den aus einem mehrphasigen metallischen Material, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 8.