DE3686239T2

DE3686239T2 - Faserverstaerkter verbundwerkstoff mit metallmatrix.

Info

Publication number: DE3686239T2
Application number: DE8686308558T
Authority: DE
Inventors: John Dinwoodie; Martyn Hugh Stacey; Michael David Taylor; Andrew Meredith Walker
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1985-11-14
Filing date: 1986-11-03
Publication date: 1993-03-18
Anticipated expiration: 2006-11-04
Also published as: IE59006B1; KR950013288B1; AU601955B2; KR870004748A; CA1296202C; EP0223478A3; NO172449C; DK172193B1; NO864528L; DE3686239D1; NO864528D0; JPS62120449A; AU6496286A; NZ218267A; CN86108354A; NO172449B; US4818633A; EP0223478A2; GB8626226D0; JPH0811813B2

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen die Verstärkung von Metallen mit porösen anorganischen Fasern und insbesondere faserverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die poröse Fasern aus anorganischem Oxid mit niedriger Dichte, vor allem Aluminiumoxidfasern, enthalten, die als Verstärkung in einer Metallmatrix eingebettet sind. Die Erfindung schließt Vorformlinge ein, die aus porösen Fasern aus anorganischem Oxid mit niedriger Dichte hergestellt und für den Einbau als Verstärkung in eine Metallmatrix geeignet sind.
Es sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (nachstehend mit MMV abgekürzt) bekannt, die Fasern aus anorganischem Oxid wie z. B. polykristalline Aluminiumoxidfasern enthalten, die als Verstärkung in einer Matrix eingebettet sind, die aus einem Metall wie z. B. Aluminium oder Magnesium oder aus einer Legierung besteht, die als Hauptbestandteil Aluminium oder Magnesium enthält. Ein Faserstoff, der üblicherweise in solchen MMVs verwendet wird, ist ein Aluminiumoxid-Faserstoff in Form von kurzen (z. B. bis zu 5 mm langen) Fasern mit feinem Durchmesser (z. B. mit einem mittleren Durchmesser von 3 um), die mindestens in einer Ebene, die sich senkrecht zur Dickenrichtung des Verbundwerkstoffs erstreckt, regellos ausgerichtet sind. Man hat damit begonnen, MMVs dieser Art, die Aluminiumoxidfasern in Legierungen enthalten, bei mehreren Anwendungen in der Industrie zu verwenden, vor allem in Kolben für Verbrennungsmotoren, bei denen die Ringstegflächen und/oder die Boden- bzw. Kronenbereiche mit den Aluminiumoxidfasern verstärkt sind.
Es ist auch vorgeschlagen worden, MMVs, die ausgerichtete Endlosfasern wie z. B. Aluminiumoxidfasern und Stahlfasern enthalten, bei Anwendungen zu verwenden, wo einseitig gerichtete Festigkeit erforderlich ist, beispielsweise bei der Verstärkung von Verbindungsstangen für Verbrennungsmotoren. Bei MMVs dieser Art haben die Fasern einen verhältnismäßig großen Durchmesser, beispielsweise einen Durchmesser von mindestens 8 und üblicherweise mindestens 10 um, und weisen im Fall von Aluminiumoxidfasern einen hohen Anteil von alpha-Aluminiumoxid auf, der beispielsweise 60 bis 100% beträgt.
In der US 3 167 427 ist die Verstärkung von Metallen wie z. B. Aluminium mit Glasfasern offenbart.
In der US 4 152 149 ist die Verstärkung von Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis mit Aluminiumoxid- oder Aluminiumoxid-Siliciumdioxid-Faserstoff offenbart.
Die Metallmatrizes, für die eine Faserverstärkung von größter Bedeutung ist, sind die sogenannten Leichtmetalle und Legierungen, in denen sie enthalten sind, insbesondere Aluminium und Magnesium und ihre Legierungen. Die Dichte solcher Metalle beträgt typischerweise etwa 1,8 bis 2,8 g/mL, und da die Fasern aus anorganischem Oxid, die bisher als Verstärkung verwendet wurden, eine Dichte haben, die höher als 3 g/mL ist und typischerweise etwa 3,3 bis 3,9 g/mL beträgt, besteht ein Nachteil der resultierenden MMVs darin, daß sie eine höhere Dichte haben als das Metall selbst. So hat beispielsweise ein MMV, der aus einer Aluminiumlegierung mit der Dichte 2,8 besteht, die mit 50 Volumen% Aluminiumoxidfaserstoff mit der Dichte 3,9 verstärkt ist, eine Dichte von etwa 3,35. Es würde natürlich vorteilhaft sein, wenn durch den Einbau einer Faserverstärkung in das Metall ein MMV hergestellt würde, der eine niedrigere oder mindestens eine nicht bedeutend höhere Dichte als das Metall selbst hat.
Gemäß der Erfindung wird ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit regellos ausgerichteten Fasern aus anorganischem Oxid, die in einem Metallmatrix-Material eingebettet sind, bereitgestellt, wobei die Fasern aus anorganischem Oxid porös sind und eine Dichte von mindestens 1,8 g/mL und weniger als 2,5 g/mL haben.
Gemäß der Erfindung wird auch ein Vorformling bereitgestellt, der für den Einbau in ein Metallmatrix-Material zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs gemäß dem unmittelbar vorhergehenden Absatz geeignet ist und aus mit einem Bindemittel zusammengebundenen, regellos ausgerichteten Fasern aus anorganischem Oxid besteht, wobei die Fasern aus anorganischem Oxid porös sind und eine Dichte von mindestens 1,8 g/mL und weniger als 2,5 g/mL haben.
Die Verbesserung der Eigenschaften von Metallen durch Einbau einer Faserverstärkung in die Metalle hängt mit der Festigkeit und dem Modul der verwendeten Fasern zusammen, wobei es erwünscht ist, daß die Fasern eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Modul haben.
Folglich werden bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung MMVs und Vorformlinge bereitgestellt, bei denen die Fasern eine Zugfestigkeit von mehr als 1500 und vorzugsweise mehr als 1750 MPa und einen Modul von mehr als 100 GPa haben.
Die porösen Fasern aus anorganischem Oxid können gewünschtenfalls in Form einer Mischung mit anderen Arten von Fasern, beispielsweise Alumosilicatfasern (Dichte etwa 2,8 g/mL) oder Siliciumcarbid-Whiskern (Dichte etwa 3,2 g/mL) verwendet werden, wobei der Anteil der porösen Fasern aus anorganischem Oxid in solchen Mischungen typischerweise 40% bis 80% der Fasern beträgt. Die Fasern aus anorganischem Oxid können die Oxide von mehr als einem Metall enthalten, wobei ein besonderes Beispiel für solch einen Faserstoff ein Aluminiumoxidfaserstoff ist, der einige Masseprozent, angenommen 4 oder 5 Masseprozent, eines Phasenstabilisiermittels wie z. B. Siliciumdioxid enthält.
Der Volumenanteil der Fasern in dem MMV (und in dem Vorformling) kann in Abhängigkeit von dem erforderlichen Einsatz des MMV in weiten Grenzen variieren. Als Richtschnur können Volumenanteile von bis zu 50% bis 60%, typischerweise von 30% bis 40%, des MMV erzielt werden. Der MMV kann beispielsweise 0,1 bis 2 g Fasern/mL, vorzugsweise mindestens 0,3 g/mL und typischerweise 0,8 bis 1,6 g oder noch mehr/mL enthalten. Der Fasergehalt des MMV kann über die ganze Dicke des Verbundwerkstoffs variieren. Veränderungen des Fasergehalts können gleichförmig oder schrittweise sein. Eine Ausführungsform eines MMV, die eine schrittweise Veränderung des Fasergehalts aufweist, wird durch ein Laminat aus MMVs mit verschiedenem Fasergehalt bereitgestellt, wobei die Verbundwerkstoffe bei einem Integrallaminat gewünschtenfalls durch eine Schicht aus dem Metall, z. B. durch ein Aluminiumblech, getrennt sind. Mehrschichtige Verbundwerkstoffe können in der gewünschten Weise aufgebaut werden. Der MMV kann eine Trägerschicht aus einem geeigneten textilen Flächengebilde, beispielsweise aus Kevlar-Stoff, haben.
Die Fasern haben vorzugsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 1000 MPa und einen Modul von mindestens 70 GPa und vorzugsweise mindestens 100 GPa. Sie sollten vorzugsweise gegenüber dem Metall, das die Matrix bildet, im wesentlichen chemisch träge sein, damit die Fasereigenschaften nicht verschlechtert werden, obwohl gewisse Reaktionen mit den Fasern toleriert werden können, beispielsweise Reaktionen, die die Bindung zwischen dem Metall und den Fasern verbessern. Die Fasern sollten durch das Metall vorzugsweise leicht benetzt werden.
Der bevorzugte poröse Faserstoff ist poröser, polykristalliner Aluminiumoxidfaserstoff, weil solch ein Faserstoff ein gutes Gleichgewicht von erwünschten Eigenschaften wie z. B. hoher Festigkeit, hoher Steifigkeit, Härte, niedriger Dichte und chemischer Trägheit gegenüber Metallen wie z. B. Aluminium und Magnesium zeigt. Eine typische poröse, polykristalline Aluminiumoxidfaser mit einem Durchmesser von etwa 3 um hat eine Festigkeit von 1500 bis 2000 MPa, einen Modul von 150 bis 200 GPa und eine Dichte von etwa 2,0 bis weniger als 2,5 g/mL.
Die Fasern sind regellos ausgerichtet und können kurzstapelige Fasern (mit einer Länge von angenommen einigen cm) sein, wobei gemahlene Stapelfasern (mit einer Länge von angenommen 50 bis 1000 um) bevorzugt werden. Die Faserlänge hat eine bedeutende Wirkung auf die Packungsdichte der Fasern in Vorformlingen, bei denen die Fasern in regelloser oder planarer regelloser Ausrichtung angeordnet sind, und folglich auf den Volumenanteil der Fasern in dem MMV. Hohe Volumenanteile der Fasern erfordern im allgemeinen sehr kurze Fasern, beispielsweise Fasern mit einer Länge von weniger als 500 um und so wenig wie 10 oder 20 um, wobei die Länge bis zu einem gewissen Grade von den im Einzelfall verwendeten Fasern und insbesondere von ihrem Durchmesser und ihrer Steifigkeit abhängt. Es gibt eine kritische minimale Faserlänge, damit die Fasern der Metallmatrix eine maximale Verbesserung der Zugfestigkeit verleihen.
In dem Falle, daß eine bedeutende Erhöhung der Zugfestigkeit nicht so wichtig ist, können jedoch Fasern mit einer Länge, die unter der kritischen Länge liegt, verwendet werden, damit ein MMV mit einer verminderten Dichte ohne Verlust der Zugfestigkeit bei dem Verbundwerkstoff, jedoch mit einer erhöhten Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit und einer Erhöhung von Steifigkeit/Modul erhalten wird. Die Fasern können in solchen Fällen äußerst kurz sein, z. B. eine Länge von einigen um haben, so daß sie Pulvern ähneln.
Wie vorstehend dargelegt wurde, sollte die kritische Länge der Fasern überschritten werden, damit die Zugfestigkeit der Metallmatrix in bedeutendem Maße verbessert wird und ein maximaler Vorteil in bezug auf die Zugfestigkeit wird im allgemeinen erzielt, wenn die tatsächliche Faserlänge die kritische Länge um einen Faktor von etwa 10 überschreitet. Die kritische Länge hängt von den Anteilen der Fasern und des Metalls, die im Einzelfall verwendet werden, und von der Temperatur ab, bei der der resultierende MMV seine bestimmungsgemäße Funktion erfüllt. Im Fall von polykristallinen Aluminiumoxidfasern, deren mittlerer Durchmesser 3 um beträgt, werden Faserlängen bis zu etwa 1000 Mikrometer bevorzugt, jedoch sind für Verbundwerkstoffe mit hohem Volumenanteil der Fasern Faserlängen zwischen 100 und 500 um typisch. In dem Fall, daß der resultierende MMV nur für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen bestimmt ist, können Faserlängen akzeptierbar sein, die so niedrig wie 20 um sind. Als allgemeine Richtschnur bevorzugen wir die maximale Faserlänge, die mit einem hohen Volumenanteil der Fasern vereinbar ist.
Faserdurchmesser können über einen weiten Bereich, beispielsweise von 2 um bis 100 um, variieren. Feine Fasern liefern die höchsten Volumenanteile der Fasern in den MMVs, und Durchmesser im Bereich von 2 bis 10 um werden bevorzugt. Polykristalline Aluminiumoxidfasern mit einem Durchmesser von etwa 3 um und einer Länge von 10 bis 200 um sind für die Erzielung hoher Volumenanteile der Fasern in den MMVs besonders geeignet. Es muß jedoch klargestellt werden, daß sich hierin angegebene Faserlängen auf die Länge in dem MMV beziehen, und diese Längen können kleiner sein als die Fasern, die zur Bildung des MMV verwendet werden, weil während der Herstellung des MMV ein gewisser Bruch der Fasern (die hart und spröde sind) eintreten kann. Im allgemeinen können zur Herstellung des Verbundwerkstoffs Fasern verwendet werden, die länger als vorstehend beschrieben sind.
Die bevorzugten Fasern in der Faserverstärkung sind Aluminiumoxidfasern mit niedriger Dichte. In diesem Fall bestehen die Aluminiumoxidfasern vollständig aus einer Umwandlungsphase von Aluminiumoxid oder aus einem kleineren Anteil von alpha-Aluminiumoxid, das in einer Matrix aus einer Umwandlungsphase von Aluminiumoxid wie z. B. gamma-, delta- oder eta-Aluminiumoxid eingebettet ist. Wir bevorzugen Fasern, die kein alpha-Aluminiumoxid enthalten oder einen sehr niedrigen alpha-Aluminiumoxid- Gehalt und insbesondere einen alpha-Aluminiumoxid-Gehalt von weniger als 1 Masse% haben.
Die bevorzugten Fasern zeigen akzeptierbare Zugfestigkeiten und haben eine hohe Flexibilität. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung haben die Fasern eine Zugfestigkeit von mehr als 1500 MPa und vorzugsweise mehr als 1750 MPa und einen Modul von mehr als 100 GPa. Typische scheinbare Dichten für die Fasern mit niedriger Dichte betragen 2 g/mL bis weniger als 2,5 g/mL, obwohl durch sorgfältige Steuerung der Hitzebehandlung, der die Fasern unterzogen werden, Fasern mit jeder gewünschten Dichte in dem Bereich von 1,8 bis weniger als 2,5 g/mL erhalten werden können. Im allgemeinen haben Fasern, die bei niedrigeren Temperaturen, angenommen 800 bis 1000ºC, erhitzt wurden, eine niedrigere Dichte und eine niedrigere Zugfestigkeit und einen niedrigeren Modul als Fasern, die bei höheren Temperaturen, angenommen 1100 bis 1300ºC, erhitzt wurden. Als Richtschnur zeigen Fasern mit niedriger Dichte Zugfestigkeiten von etwa 1500 MPa und einen Modul von etwa 150 GPa, während Fasern mit höherer Dichte Festigkeiten und einen Modul von etwa 1750 MPa bzw. 200 GPa zeigen. Wir haben aber beobachtet, daß der Modul der Fasern mit niedriger Dichte durch das Hitzebehandlungsprogramm, denen die Fasern unterzogen worden sind, nicht stark beeinflußt zu werden scheint und sich nicht stark gemäß der scheinbaren Dichte der Fasern ändert. Das Verhältnis des Fasermoduls zu der Faserdichte (= der spezifische Modul) ist deshalb im allgemeinen bei den Fasern mit niedrigerer Dichte am größten.
Die Fasern können durch ein Blasspinnverfahren oder ein Schleuderspinnverfahren hergestellt werden, wobei in beiden Fällen aus einer Spinnformulierung eine Vielzahl von Faservorläuferströmen gebildet wird, die mindestens teilweise im Flug getrocknet werden, so daß Gelfasern erhalten werden, die dann auf einer geeigneten Vorrichtung wie z. B. einem Drahtnetz oder einem Träger- bzw. Förderband gesammelt werden.
Die Spinnformulierung, die zur Herstellung der Fasern verwendet wird, kann irgendeine von denen sein, die auf dem Fachgebiet für die Herstellung von Fasern aus polykristallinem Metalloxid bekannt sind, und ist vorzugsweise eine Spinnlösung, die von suspendierten Feststoffteilchen mit einer Größe von mehr als 10 um und vorzugsweise mit einer Größe von mehr als 5 um frei oder im wesentlichen frei ist. Die rheologischen Eigenschaften der Spinnformulierung können leicht eingestellt werden, beispielsweise durch Verwendung von Spinnhilfsmitteln wie z. B. organischen Polymeren oder durch Veränderung der Konzentrationen der faserbildenden Bestandteile in der Formulierung.
Als Matrixmaterial kann jedes Metall verwendet werden, das bei einer Temperatur von weniger als etwa 1200ºC und vorzugsweise weniger als 950ºC schmilzt.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die Verbesserung des Verhaltens von Leichtmetallen, so daß sie anstelle von Schwermetallen verwendet werden können, und die Erfindung betrifft insbesondere die Verstärkung von Leichtmetallen. Beispiele für geeignete Leichtmetalle sind Aluminium, Magnesium und Titan und Legierungen dieser Metalle, die das erwähnte Metall als Hauptbestandteil enthalten, der beispielsweise mehr als 80 oder 90 Masse% der Legierung ausmacht.
Wie vorstehend beschrieben wird, sind die Fasern poröse Materialien mit niedriger Dichte, und weil die Fasern 50 oder mehr Volumen% des MMV bilden können, kann die Dichte des MMV durch die Dichte der Fasern in bedeutendem Maße beeinflußt werden. So liefert beispielsweise eine Magnesiumlegierung mit einer Dichte von etwa 1,9 g/mL, die mit einem 30% betragenden Volumenanteil von Fasern mit einer Dichte von 2,3 g/mL verstärkt ist, einen MMV, der eine Dichte von etwa 2,0 g/mL hat, d. h., nur etwas dichter als die Legierung selbst ist; umgekehrt liefert eine Aluminiumlegierung mit einer Dichte von 2,8 g/mL, die mit einem 30% betragenden Volumenanteil von Fasern mit einer Dichte von 2,1 g/mL verstärkt ist, einen MMV, der eine Dichte von 2,65 g/ mL hat, d. h., weniger dicht als die Legierung selbst ist.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit in einem weiten Bereich die Herstellung von MMVs mit einer vorher festgelegten Dichte. Aluminium und Magnesium und ihre Legierungen haben typischerweise eine Dichte in dem Bereich von 1,8 bis 2,8 g/mL. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ein besonders leichtes Metall oder eine besonders leichte Legierung, das oder die mit einem besonders leichten Faserstoff verstärkt ist, insbesondere Magnesium oder eine Magnesiumlegierung mit einer Dichte von weniger als 2,0 g/mL, das oder die mit einem porösen Faserstoff mit niedriger Dichte (vor allem mit einem Aluminiumoxidfaserstoff), der eine Dichte von etwa 2,0 g/mL hat, verstärkt ist, wobei ein MMV mit einer Dichte von weniger als 2,0 g/mL erhalten wird.
Die Oberfläche der Fasern kann gewünschtenfalls modifiziert werden, um die Benetzbarkeit der Fasern durch das Metallmatrix- Material und/oder das Reaktionsvermögen der Fasern gegenüber dem Metallmatrix-Material zu verbessern. Die Faseroberfläche kann beispielsweise modifiziert werden, indem die Fasern beschichtet werden oder indem in die Fasern ein Modifizierungsmittel eingemischt wird. Alternativ kann das Matrixmaterial modifiziert werden, indem Elemente dareingemischt werden, die die Benetzbarkeit verbessern und das Reaktionsvermögen der Fasern aus anorganischem Oxid herabsetzen, beispielsweise Zinn, Cadmium, Antimon, Barium, Bismut, Calcium, Strontium oder Indium.
Bei einem Verfahren zur Herstellung von MMVs, das nachstehend beschrieben wird, werden die Fasern zuerst zu einem Vorformling zusammengebaut, bei dem die Fasern mit einem Bindemittel, üblicherweise einem anorganischen Bindemittel wie z. B. Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid, zusammengebunden werden. Es ist möglich, in das Bindemittel Elemente einzumischen, die die Benetzbarkeit verbessern und das Reaktionsvermögen der Fasern während der Tränkung des Vorformlings herabsetzen.
Wir haben beobachtet, daß die Ausübung von Druck oder Vakuum zur Erleichterung der Tränkung von Aluminiumoxidfaser-Vorformlingen mit dem Metallmatrix-Material im allgemeinen alle Probleme bei der Benetzung der Fasern durch das Matrixmaterial vermeidet, und das Vorformling/Tränkungs-Verfahren ist eines unserer bevorzugten Verfahren zur Herstellung der MMVs der Erfindung.
Bei einem bevorzugten Vorformling/Tränkungs-Verfahren kann das geschmolzene Metall unter Druck in den Vorformling gequetscht werden, oder es kann unter Vakuum in den Vorformling eingesaugt werden. Im Fall der Vakuumtränkung können Benetzungshilfsmittel erwünscht sein. Die Tränkung des Vorformlings mit dem Metall kann in der Dickenrichtung des Vorformlings oder in einem Winkel, angenommen von 90º, zu der Dickenrichtung des Vorformlings und entlang den Fasern bewirkt werden.
Die Tränkung des Vorformlings mit dem geschmolzenen Metall kann im Fall von Aluminium oder Aluminiumlegierungen unter einer Atmosphäre durchgeführt werden, die Sauerstoff, z. B. Umgebungsluft, enthält, jedoch wird im Fall der Verwendung von bestimmten Metallmatrix-Materialien wie zum Beispiel Magnesium und Magnesiumlegierungen aus der Atmosphäre über dem geschmolzenen Metall Sauerstoff vorzugsweise ausgeschlossen. Schmelzflüssiges Magnesium oder eine schmelzflüssige Legierung davon wird typischerweise unter einer inerten Atmosphäre, beispielsweise einer Atmosphäre, die in Kohlendioxid eine geringe Menge (z. B. 2%) Schwefelhexafluorid enthält, behandelt, während der Vorformling damit getränkt wird.
Die Herstellung von Vorformlingen für die Tränkung mit geschmolzenen Metallmatrix-Materialien kann durch viele verschiedene Verfahren einschließlich zum Beispiel Extrudieren, Spritzgießen, Formpressen und Spritzen oder Tauchen bewirkt werden. Solche Verfahren sind bei der Herstellung von faserverstärkten Harz-Verbundwerkstoffen bekannt, und es versteht sich, daß die Verwendung einer Suspension von Bindemittel(n) anstelle eines Harzes bei den bekannten Verfahren einen Vorformling liefert.
Ein Verfahren, bei dem ein Faser-Vorformling verwendet wird, wird bevorzugt, um in dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff einen hohen Volumenanteil der Fasern zu erzielen. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Bildung eines Faser-Vorformlings mit einem hohen Volumenanteil der Fasern besteht darin, daß eine Aufschlämmung von kurzen Fasern in einem flüssigen, üblicherweise einem wäßrigen, Medium gebildet und das flüssige Medium in einer Form aus der Aufschlämmung abtropfen gelassen wird. Das Abtropfen der Flüssigkeit kann gewünschtenfalls durch hohen Druck oder Vakuum gefördert werden. In die Aufschlämmung wird üblicherweise ein anorganisches Bindemittel und wahlweise auch ein organisches Bindemittel, z. B. Kautschuklatex, das später (gewünschtenfalls) ausgebrannt werden kann, eingemischt, um dem resultierenden Faser-Vorformling Verarbeitbarkeit bzw. Handhabbarkeit zu verleihen. Für Vorformlinge, die mit Aluminium oder seinen Legierungen zu tränken sind, ist Siliciumdioxid ein geeignetes Bindemittel, jedoch bevorzugen wir für Vorformlinge, die mit Magnesium oder seinen Legierungen zu tränken sind, die Verwendung von Zirkoniumdioxid als Bindemittel, weil im Fall der Verwendung von Siliciumdioxid eine Reaktion eintreten kann. Es können Bindemittelmengen von 1 bis 15 Masse% der Fasern verwendet werden. Der Vorformling kann gewünschtenfalls durch Druck verdichtet werden, während er noch feucht ist, z. B. während des Trocknens, um die Packungsdichte der Fasern und folglich den Volumenanteil der Fasern in dem Vorformling zu erhöhen.
In den Faser-Vorformling kann vor seiner Tränkung mit Metall ein oder mehr als ein Zusatzstoff eingemischt werden. So können in den Faser-Vorformling beispielsweise Füllstoffe wie z. B. Aluminiumoxid und andere Keramikpulver sowie andere Modifizierungsmittel wie z. B. organische Fasern und andere organische Materialien eingemischt werden. Ein zweckmäßiges Verfahren zum Einmischen der Zusatzstoffe besteht darin, daß sie in die Aufschlämmung, aus der der Faser-Vorformling hergestellt wird, eingemischt und darin gleichmäßig verteilt werden.
Andere Verfahren zur Herstellung von gebundenen Vorformlingen schließen Handauflegeverfahren und Pulververdichtungsverfahren bzw. Pulverpreßformungsverfahren ein. Bei Handauflegeverfahren werden dünne Proben von Faserwerkstoffen, z. B. gewebte oder nichtgewebte Schichtmaterialien, mit einer Suspension von Bindemittel(n) durchtränkt, und mehrere Schichten der feuchten, durchtränkten Schichtmaterialien werden von Hand zusammengebaut, und der Aufbau wird dann in einem Preßwerkzeug oder einer Preßform zusammengepreßt, wobei ein Integralvorformling erhalten wird.
Das Bindemittel, das zur Bildung des Vorformlings verwendet wird, kann ein anorganisches Bindemittel oder ein organisches Bindemittel oder eine Mischung davon sein. Es kann irgendein anorganisches oder organisches Bindemittel verwendet werden, das (wenn es getrocknet ist) die Fasern in einem derartigen Ausmaß zusammenbindet, daß der Vorformling nicht in bedeutendem Maße verformt wird, wenn er mit einem geschmolzenen Metallmatrix-Material getränkt wird. Beispiele für geeignete anorganische Bindemittel sind Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Magnesiumoxid und Mischungen davon. Beispiele für geeignete organische Bindemittel sind Kohlenhydrate, Proteine, Gummis, Latexmaterialien und Lösungen oder Suspensionen von Polymeren. Organische Bindemittel, die zur Herstellung des Vorformlings verwendet werden, können flüchtig sein (d. h., durch das schmelzflüssige Metall verdrängt werden) oder können vor dem Tränken mit geschmolzenem Metall ausgebrannt werden.
Die Menge der (des) Bindemittel(s) kann in einem weiten Bereich von bis zu etwa 50 Masse% der Fasern in dem Vorformling variieren, liegt jedoch typischerweise in dem Bereich von 10 bis 30 Masse% der Fasern. Als Richtschnur enthält ein geeignetes gemischtes Bindemittel 1 bis 20 Masse%, angenommen etwa 15 Masse%, eines anorganischen Bindemittels wie z. B. Siliciumdioxid und 1 bis 10 Masse%, angenommen etwa 5 Masse%, eines organischen Bindemittels wie z. B. Stärke. In dem Fall, daß das Bindemittel in Form einer Suspension in einer Trägerflüssigkeit angewandt wird, wird eine wäßrige Trägerflüssigkeit bevorzugt.
Wie vorstehend erörtert wird, können die MMVs der Erfindung durch Tränken eines Vorformlings hergestellt werden. Alternativ kann irgendeines der für die Herstellung von Vorformlingen beschriebenen Verfahren abgeändert werden, um MMVs direkt herzustellen, indem anstelle eines Bindemittels oder einer Mischung von Bindemitteln ein Metallmatrix-Material verwendet wird. Alternativ können MMVs durch Pulververdichtungsverfahren bzw. Pulverpreßformungsverfahren hergestellt werden, bei denen eine Mischung aus Fasern und Metall (Pulver) bei einer Temperatur verdichtet wird, die ausreicht, um das Metall zu schmelzen oder zu erweichen, so daß direkt ein MMV gebildet wird oder ein Vorformling oder Barren gebildet wird, der beispielsweise durch Heißverdichtung, Extrudieren oder Walzen zu dem fertigen MMV weiterverarbeitet wird. Die Mischung aus Fasern und Metall (Pulver) kann beispielsweise durch ein Handauflegeverfahren hergestellt werden, bei dem Schichten aus Fasern und Metall in einer für die Heißverdichtung bereiten Preßform zusammengebaut werden.
Das Extrudieren bzw. Strangpressen eines Vorformlings oder Barrens aus Fasern und Metallpulver ist ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der MMVs der Erfindung, und dies gilt auch für das Extrudieren eines Aggregats von Fasern und Metallpulver, das in eine für das Extrudieren geeignete Form eingefüllt oder "eingekapselt" ist.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings oder Barrens aus Fasern und Metallpulver, der sich für das Extrudieren oder für eine andere Verarbeitung zu fertigen MMVs eignet, werden die Fasern und das Metallpulver in einem flüssigen Trägermedium wie z. B. einem alkoholischen Medium dispergiert und die Fasern und das Metallpulver auf z. B. einem Drahtsieb durch Vakuumfiltration abgeschieden. Gewünschtenfalls kann in die Dispersion (und folglich in den Vorformling oder Barren) ein oder mehr als ein Bindemittel, die organische oder anorganische Bindemittel sein können, eingemischt werden. Der Vorformling oder Barren wird dann getrocknet, wahlweise unter Vakuum, bevor er beispielsweise durch Heißverdichtung, Extrudieren oder Warmverarbeitung wie z. B. Walzen oder das Conform- Verfahren weiterverarbeitet wird.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zur Herstellung von MMVs wird eine Mischung aus Fasern und Metall extrudiert, die beispielsweise durch Rührgießen oder Rheo- bzw. Fließgießen hergestellt wird, bei dem Fasern, die wahlweise vorerhitzt worden sind, in geschmolzenes Metall eingerührt werden, das dann für das nachfolgende Extrudieren gegossen oder extrudiert oder zu einem Barren geformt wird. Andere Verfahren schließen chemische Beschichtung, Aufdampfung, Plasmaspritzen, elektrochemisches Plattieren, Diffusionsschweißen, Warmwalzen, Isostatischpressen, Explosivschweißen und Schleuderguß ein.
Bei der Herstellung von MMVs durch irgendeines der vorstehenden Verfahren muß darauf achtgegeben werden, daß die Erzeugung von Hohlräumen bzw. Poren in dem MMV verhindert wird. Das relative Porenvolumen in dem MMV sollte im allgemeinen unter 10% liegen und liegt vorzugsweise unter 5%; der MMV ist im Idealfall völlig frei von Hohlräumen bzw. Poren. Die Anwendung von Wärme und hohem Druck auf den MMV während seiner Herstellung genügt im allgemeinen, um die Abwesenheit von Hohlräumen in der Struktur des MMV sicherzustellen.
Die MMVs gemäß der Erfindung können bei jeder der Anwendungen verwendet werden, wo faserverstärkte Metalle zum Einsatz kommen, beispielsweise in der Motorindustrie und für Anwendungen, wo Schlagfestigkeit erforderlich ist. Der MMV kann gewünschtenfalls mit anderen MMVs oder mit anderen Substraten wie z. B. Metallblechen laminiert werden.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert, bei denen Faser-Vorformlinge wie folgt hergestellt wurden:

Herstellung von Faser-Vorformlingen

Aluminiumoxidfaser-Vorformlinge wurden durch das folgende allgemeine Verfahren aus Aluminiumoxidfasern mit einer Dichte von 2,0 g/mL hergestellt.
Gehackter bzw. geschnittener Aluminiumoxidfaserstoff (1 kg) mit einem mittleren Durchmesser von 3 um und einer Länge von etwa 500 um wurde zusammen mit Siliciumdioxid [50 g, in Form eines 27%igen (Masse/Masse) Kieselsols zugesetzt] zu Wasser (100 kg) hinzugegeben, und die Mischung wurde zum gründlichen Dispergieren der Fasern gerührt. Zum Ausflocken des Siliciumdioxids wurde eine Lösung einer kationischen Stärke zugesetzt, und die Suspension wurde auf ein in einer Preßform befindliches Drahtsieb gegossen, und das Wasser wurde durch das Sieb abtropfen gelassen, wobei ein zusammenhängender Bausch aus Fasern erhalten wurde, in dem die Fasern in zweidimensionalen Ebenen parallel zu den großen Flächen des Bausches regellos ausgerichtet waren. Der Bausch aus Fasern wurde zusammengepreßt, während er noch feucht war, um den Volumenanteil der Fasern in dem Bausch zu erhöhen, wonach der zusammengepreßte Bausch getrocknet und auf 950 bis 1000ºC erhitzt wurde, um das anorganische Bindemittel zu sintern und dadurch die Festigkeit der Bindung zwischen dem Siliciumdioxid-Bindemittel und den Aluminiumoxidfasern zu erhöhen. Der resultierende Bausch oder Faser-Vorformling wurde der Preßform entnommen und in der nachstehend beschriebenen Weise zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs verwendet. Unter Anwendung dieses Verfahrens wurden Faser-Vorformlinge hergestellt, bei denen die Volumenanteile der Fasern in dem Bereich von 0,12 bis 0,3 lagen.

BEISPIEL 1

Ein Faser-Vorformling mit einem 0,2 betragenden Volumenanteil der Fasern wurde auf 750ºC vorerhitzt und in ein auf 300ºC erhitztes Preßwerkzeug eingebracht, und geschmolzenes Metall mit einer Temperatur von 840ºC wurde auf den Vorformling gegossen. Das Metall war eine als LM 10 erhältliche Aluminiumlegierung mit der ungefähren prozentuellen Zusammensetzung 90 Al und 10 Mg.
Das geschmolzene Metall wurde unter einem Druck von 20 MPa, der für eine Zeit von 1 Minute durch einen (auf 300ºC vorerhitzten) Hydraulikkolben ausgeübt wurde, in den Vorformling eingepreßt. Der resultierende Barren (MMV) wurde dem Preßwerkzeug entnommen und auf Raumtemperatur abgekühlt, und seine Eigenschaften wurden gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt, wo sie mit den Eigenschaften einer unverstärkten Metallmatrix verglichen werden. TABELLE 1 Volumenanteil der Fasern in dem Vorformling Dichte Zugfestigkeit Modul *Relative spezifische Festigkeit *Relativer spezifischer Modul * Bezogen auf einen Wert von 1,0 für unverstärkte Legierung; folglich betrug bei dem Verbundwerkstoff die spezifische Zugfestigkeit 10,04 (·10&sup5; cm) im Vergleich zu 7,31 (·10&sup5; cm) bei der Legierung und der spezifische Modul 3,20 (·10&sup7; cm) im Vergleich zu 2,69 bei der Legierung.

BEISPIEL 2

Unter Anwendung des Verfahrens und der Bedingungen, die in Beispiel 1 beschrieben sind, wurden vier Verbundwerkstoffe mit einem Volumenanteil der Fasern von 0,1; 0,2; 0,3 bzw. 0,4 hergestellt. Das Matrixmetall war eine Legierung von Aluminium mit Mg, Si und Cu und ist als Al-6061 erhältlich.
Volumenanteil der Fasern
0
0,1
0,2
0,3
0,4
Dichte des Verbundwerkstoffs (g/mL)
2,70
2,63
2,56
2,49
2,42
Es wurde beobachtet, daß die Erhöhung des Volumenanteils der Fasern in den Verbundwerkstoffen zu einer Erhöhung des Moduls der Verbundwerkstoffe und zu einer Verminderung der Dichte der Verbundwerkstoffe führt; somit ist der spezifische Modul im Vergleich zu der unverstärkten Legierung in hohem Maße verbessert.

BEISPIEL 3

Aluminiumoxidfaser/Magnesium-Verbundwerkstoffe wurden durch das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren aus Aluminiumoxidfasern mit einer Dichte von 2,0 g/mL und Magnesium mit handelsüblicher Reinheit (99,9%) hergestellt. Die Gießbedingungen waren:
Gießtemperatur 850ºC
Temperatur des Vorformlings 750ºC
Temperatur des Preßwerkzeugs 350ºC
Druck 17 MPa
Das Gießen wurde unter einer Atmosphäre von 2% SF&sub6; in CO&sub2;-Gas durchgeführt.
Volumenanteil der Fasern 0
0,2
0,4
Dichte des Verbundwerkstoffs (g/mL)
1,8
1,84
1,88
Folglich wurde die Dichte des Magnesiums durch den Einbau von 20 Volumenprozent Fasern nur um 2,2% erhöht.

Claims

1. Metallmatrix-Verbundwerkstoff mit regellos ausgerichteten Fasern aus anorganischem Oxid, die in einem Metallmatrix-Material eingebettet sind, wobei die Fasern aus anorganischem Oxid porös sind und eine Dichte von mindestens 1,8 g/mL und weniger als 2,5 g/mL haben.

2. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem der mittlere Durchmesser der Fasern 2 bis 10 um beträgt.

3. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Gehalt der Fasern 10 bis 60 Volumen% beträgt.

4. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, bei dem die Fasern Aluminiumoxidfasern sind.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, bei dem die Fasern Siliciumdioxid enthalten.

6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Matrixmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

7. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Matrixmetall Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.

8. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fasern eine Zugfestigkeit von mehr als 1500 MPa und einen Modul von mehr als 150 GPa haben.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 7, der aus einem Matrixmetall mit einer Dichte von weniger als 2,0 g/mL besteht, in dem Fasern mit einer scheinbaren Dichte von 2 g/mL oder weniger eingebettet sind.

10. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der durch Tränken eines Vorformlings aus Fasern aus anorganischem Oxid mit einem flüssigen Metallmatrix-Material hergestellt wird.

11. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der durch Extrudieren einer Mischung aus Fasern aus anorganischem Oxid und einem Metallmatrix-Material hergestellt wird.

12. Vorformling, der aus mit einem Bindemittel zusammengebundenen, regellos ausgerichteten Fasern aus anorganischem Oxid besteht, wobei die Fasern aus anorganischem Oxid porös sind und eine Dichte von mindestens 1,8 g/mL und weniger als 2,5 g/mL haben.

13. Vorformling nach Anspruch 12, bei dem das Bindemittel ein anorganisches Bindemittel ist.

14. Vorformling nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem der Gehalt der Fasern 10 bis 60 Volumen% beträgt.

15. Vorformling nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem der mittlere Durchmesser der Fasern 2 bis 10 um beträgt.

16. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1, bei dem aus den mit einem Bindemittel zusammengebundenen anorganischen Fasern ein Vorformling geformt und der Vorformling mit einem flüssigen Metallmatrix-Material getränkt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Verbundwerkstoff durch Quetschtränkung des Vorformlings hergestellt wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs nach Anspruch 1, bei dem eine Mischung aus den Fasern aus anorganischem Oxid und einem pulverisierten Metallmatrix- Material extrudiert wird.

19. Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings nach Anspruch 12, bei dem eine Mischung aus den Fasern aus anorganischem Oxid und dem Bindemittel extrudiert wird.