DE3716118C2

DE3716118C2 -

Info

Publication number: DE3716118C2
Application number: DE19873716118
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 6203 Hochheim De Ehrhardt; Karl-Heinz Dr. 6390 Usingen De Gruenthaler; Eva Dr. 6232 Bad Soden De Poeschel; Gerhard Dr. 6374 Steinbach De Walter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1987-05-14
Filing date: 1987-05-14
Publication date: 1991-10-31
Also published as: DE3716118A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebetteten Whiskern, wobei die Whisker in einen Elektrolyten eingebracht, im Elektrolyten fein verteilt und zusammen mit dem Metall des Elektrolyten elektrochemisch abgeschieden werden.

Fadenförmig gewachsene perfekte Kristalle, auch Whisker genannt, erreichen oft die theoretische Zugfestigkeit von δ_max=G/30, wobei G der Schubmodul und δ die Zugfestigkeit darstellen. Durch Pyrolyse von Reishüllen hergestellte β -SiC-Whisker mit einem Durchmesser von 0,2 bis 1 µm und einer Länge bis zu 50 µm erreichen beispielsweise eine Zugfestigkeit von 13 GPa. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, derartige hochfeste Fasern in eine metallische Matrix einzulagern, um damit einen hochfesten Verbundwerkstoff herzustellen.

Die bekannten Verfahren zur Einbettung von Whiskern in eine metallische Matrix gehen von einer Mischung von Whiskern und feinen Metallpulvern aus. Diese Mischung wird dann etwa durch Heißpressen und Strangpressen zu dichten Formkörpern verarbeitet. Die regellos eingelagerten Whisker erfahren durch Walzen, Ziehen, Strangpressen usw. eine gewisse Orientierung in der Metallmatrix, was zur Festigkeitssteigerung beiträgt. Durch das Mischen und die weiteren Verarbeitungsprozesse werden die Fasern jedoch häufig gebrochen bzw. beschädigt, was zur Reduzierung der verstärkenden Wirkung der Fasern in der Matrix führt, d. h. die erzielbare Festigkeitssteigerung ist gering. Außerdem ist die Herstellung einer homogenen, isotropen Faserverteilung schwierig.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebetteten Whiskern, wobei die Whisker in einen Elektrolyten eingebracht, im Elektrolyten fein verteilt und zusammen mit dem Metall des Elektrolyten elektrochemisch abgeschieden werden.

Ein derartiges Verfahren ist beschrieben in "Plating", 1968, S. 611. Dort werden die Whisker in einen Elektrolyten eingebracht, im Elektrolyten fein verteilt und zusammen mit dem Metall des Elektrolyten elektrochemisch als massive Körper abgeschieden.

Die DE-OS 23 34 218 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von endlos-faserverstärkten Verbundwerkstoffen, wobei die Fasern, insbesondere Kohlenstoffasern, mit Metallen überzogen werden, vorzugsweise mit Nickel. Die dadurch erhaltenen Materialien werden anschließend zu Formkörpern verarbeitet.

Die US-PS 37 16 461 beschreibt einen rotierenden Elektrolyten, wobei in dem Elektrolyten suspendierte Fasern durch die Zentrifugalkraft nach außen geführt werden. Dadurch soll eine whiskerverstärkte Matte hergestellt werden.

Zum Stand der Technik wird auch noch verwiesen auf die DE-OS 19 04 717, die ein Verfahren zur Herstellung von galvano plastischen Verbundwerkstoffen beschreibt, wobei eine Suspension hergestellt und aufrechterhalten wird.

Ausgehend von einem Verfahren mit den vorstehend genannten Merkmalen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren so zu führen, daß Verbundwerkstoffe hergestellt werden können, die zu Halbzeugen weiterverarbeitet werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß das Matrixmetall mit den eingelagerten Whiskern in Form von Pulvern oder Granulaten durch eine geeignete Einstellung der elektrolytischen Abscheidungsbedingungen abgeschieden wird.

Die derart hergestellten Pulver oder Granulate lassen sich durch Kompaktieren, Sintern oder Umformen zu whiskerverstärkten Formkörpern oder zu Halbzeug verarbeiten.

Falls erforderlich, ist die Suspension der Whisker im Elektrolyten mit Hilfe von Ultraschall, mechanischer Führung, Umpumpen, Schwerelosigkeit, durch Einblasen von Luft oder durch Zugabe von Netzmitteln aufrecht zu er halten.

Die auf diesem Wege hergestellten Ausgangspulver für die Herstellung von whiskerverstärkten Metallen haben die folgenden hervorstechenden Merkmale:

- Sie zeichnen sich als Verbundpulver aus Whisker und Metall vorteilhaft durch eine homogene Whiskerverteilung aus;
- sie zeigen von daher eine wesentlich bessere Verarbeitbarkeit durch pulvermetallurgische Prozesse;
- die mechanische Faserbeschädigung beim Verarbeiten läßt sich deutlich reduzieren, verglichen mit den üblichen Whisker-Pulver-Gemischen.

Es ist bekannt, daß partikelförmige elektrisch nicht leitende Materialien, die in einem galvanischen Bad suspendiert werden, bei der Abscheidung der Metall schichten miteingebaut werden, wenn sie bestimmte Größen nicht überschreiten, in der Regel <30 µm. Auch Agglomerate aus diesen Partikeln können - wie sich aus Untersuchungen unter Schwerelosigkeit zur Klärung des Mechanismus dieses Einbaus ergeben hat - nicht eingebaut und umwachsen werden. Insoweit war es auch aus den o. a. bekannten Tatsachen nicht abzuleiten, daß sich Faser stoffe einbauen lassen. Diese weisen zwar Durchmesser auf, die denen der eingelagerten Partikel vergleichbar sind, jedoch in Längsabmessungen, die nach bisherigen Erfahrungen mit Partikeln einen Einbau nicht ermöglichen.

Anders als SiC-Partikel, die eingelagert in Nickelschichten für Verschleißschutzzwecke Anwendung finden, lassen sich SiC-Whisker (offenbar bedingt durch unterschiedliches Ver halten hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit) ohne weitere Behandlung in Nickelschichten nur unvollkommen einlagern. Hier kann der Einbau durch Aufbringen von sehr dünnen elektrisch isolierenden Schichten aus z. B. TiO₂, SnO₂ oder SiO₂ wesentlich begünstigt werden.

Es stellte sich heraus, daß auf diese Weise bis zu 30 Vol.-% an Whiskern gleichmäßig in galvanisch abscheidbare Metall- Dispersionen eingelagert werden können. Dabei wird eine gute Bindung der schonend eingelagerten Whisker in der metallischen Matrix erreicht, was zu sehr guten mechani schen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes führt. Auch lassen sich auf diese Weise thermisch empfindliche Whisker materialien unter Beibehaltung ihrer guten mechanischen Eigenschaften in Matrixmetalle mit höheren Schmelztem peraturen einlagern.

Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich durch besondere Wahl der Abscheidungsbedingungen wie Zusammen setzung und Temperatur des Elektrolyten sowie der Strom dichte kontinuierlich feine bis relativ grobe Pulver und Granulate herstellen, welche dann weiter zu Formkörpern verarbeitet werden können.

Mit Kupfer als Metallmatrix können z. B. Formteile erhalten werden, die die gute Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers mit mechanischen Festigkeiten verbinden, die sonst nur mit - die Wärme schlecht leitenden - Legierungen erhalten werden. Eine solche Kombination von Eigenschaften ist z. B. bei Stranggußkokillen erwünscht, die z. Z. aus reinem Kupfer bestehen und einem unerwünscht hohen Verschleiß unterworfen sind. Demgegenüber stellen die Strangguß kokillen aus whiskerverstärktem Kupfer einen erheblichen technischen Fortschritt dar.

Die mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungs gemäßen Verfahrens sollen durch die angeführten Anwendungs beispiele nicht eingeschränkt werden.

Im folgenden sollen die Einzelheiten an Hand von Bei spielen näher erläutert werden.

Beispiel 1

In einem Kupfer-Whisker-Suspensionselektrolyt wurden auf einer passivierten Edelstahlkathode bei einer Stromdichte von 30 A/dm² Whisker enthaltendes Kupfer pulver abgeschieden. Nach Spülen und schonender Trocknung des Pulvers wurde dieses gepreßt und gesintert. Eine metallographische Untersuchung der so hergestellten Formkörper ergab, daß diese nahezu porenfrei waren und daß die Whisker feindispers und agglomerationsfrei in der Kupfermatrix eingebettet waren.

Beispiel 2

Aus einem gemäß Beispiel 1 hergestellten Formkörper wurden die Whisker durch chemisches Auflösen der Kupfer matrix wieder zurückgewonnen. Die so isolierten Whisker wurden mit dem Whiskerausgangsmaterial verglichen. Das Ergebnis der Untersuchung ergab, daß das Längen verteilungsspektrum der eingelagerten Whisker und das der Ausgangswhisker völlig gleich war; bedingt durch den Einlagerungsprozeß konnten keine Whiskerbrüche oder sonstige Schäden beobachtet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bestehend aus einer Metallmatrix mit eingebetteten Whiskern, wobei die Whisker in einen Elektrolyten eingebracht, im Elektrolyten fein verteilt und zusammen mit dem Metall des Elektrolyten elektrochemisch abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall mit den eingelagerten Whiskern in Form von Pulvern oder Granulaten durch eine geeignete Einstellung der elektrolytischen Abscheidungsbedingungen abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Elektrolyt/Whisker-Suspensionen mit Whisker- Konzentrationen im Bereich von 3 bis 8 Volumen prozent verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension der Whisker in dem Elektrolyten während der Elektrolyse durch Einblasen von Luft, mit Hilfe von Ultraschall, durch Umpumpen, mechanisches Rühren, durch Einwirken von Schwerelosigkeit und/oder durch Zusatz von Netzmitteln gewährleistet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß 3-30 Volumenprozent an Whiskern in die pulverförmige metallische Matrix eingelagert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von Whiskern mit hoher elek trischer Leitfähigkeit diese vor dem Suspendieren mit einem dünnen Überzug aus einem elektrisch isolie renden Material, wie beispielsweise TiO₂ oder SiO₂, versehen werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren durch Abscheiden und Abtrennen der whiskerhaltigen Pulver oder Granulate von Walzen oder Endlosbändern, insbesondere aus passivierbarem Edelstahl oder verchromtem Kupfer, d.h. aus Materialien, auf denen eine Haftung des abzuscheidenden Materials nicht ohne weiteres gegeben ist, kontinuierlich durch geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die derart hergestellten whiskerverstärkten Pulver oder Granulate durch Kompaktieren, wie kalt- und/oder heißisostatisches Pressen, Sintern und Umformen, wie Strangpressen, zu whiskerverstärkten Formkörpern und Halbzeug verarbeitet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als metallische Matrix Nickel, Kupfer, Kobalt, Chrom, Zink, Kadmium, Silber, Blei und/oder galvanisch ab scheidbare Legierungen, wie Messing, verwendet werden und als Whisker solche aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, wie z.B. Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si₃N₄ eingelagert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung und die Temperatur des Elektrolyten und/oder die Stromdichte bei der Abscheidung eingestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte bei der Elektrolyse auf 30 A/dm² eingestellt wird.