DE4115057C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Infiltrieren von geschmolzenem Metall bzw. geschmolzenen Metallegierungen (im folgenden soll der Begriff Metall auch Metallegierungen umfassen) aus einem Aufgabebereich in einen Infiltrationsraum, wobei der z. B. poröse Materialien enthaltende Infiltrationsraum evakuiert und das Metall unter Druck in diesen eingepreßt wird.

Derartige Verfahren dienen insbesondere zur Herstellung von mit Fasern oder Pulverteilchen verstärkten Metallgegenständen oder von mit Metall getränkten, poröse Hohlräume besitzenden Vorformen, wie sie z. B. für hochbeanspruchte Bauteile verwendet werden.

Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sind aus der DE 24 15 868 B2 und der DE 35 04 118 C1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, bei welchem die Aufbringung und Aufrechterhaltung des Druckes bei den notwendigen hohen Temperaturen während der Infiltration in besonders einfacher Weise möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, wie es durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert ist.

Bei einer derartigen Verfahrensführung ist es möglich, daß das zu infiltrierende Metall nur um einige Grad, z. B. 10 bis 20 K, über seinen Schmelzpunkt bzw. Soliduspunkt erwärmt und der notwendige Infiltrationsdruck erreicht wird, gleichzeitig jedoch die Möglichkeit einer Reakion zwischen dem aufgeschmolzenen Metall und dem Füllmaterial weitgehend eingeschränkt wird.

Da die Schmelzparameter (Volumensänderung, thermische Ausdehnung der Behälter, Metalle usw.) bekannt sind bzw. ohne weiteres errechnet und entsprechend gewählt werden können, verursacht die erfindungsgemäße Verfahrensführung keine großen Schwierigkeiten.

Insbesondere zur Abdichtung des Aufgabebereiches und des Infiltrationsraumes kann vorgesehen sein, daß nur ein dem Infiltrationsraum naheliegender, insbesondere unterer Teil des in den Aufgabebereich aufgegebenen Metalles aufgeschmolzen wird und zwischen dem das geschmolzene Metall aufnehmenden Teilvolumen des Aufgabebereiches und dem das ungeschmolzene Metall und/oder einen Druckkörper aufnehmenden Teilvolumen des Auf­ gabebereiches eine Temperaturdifferenz eingestellt und aufrechterhalten wird, so daß aufgeschmolzenes, in das kältere Teilvolumen eindringendes Metall wieder verfestigt wird und als dem ungeschmolzenen Metall und/oder einem Druckkörper anhaftendes Dichtungsmaterial eine Abdich­ tung zwischen den beiden Teilvolumina ausbildet. Wesentlich ist, daß zwischen dem aufgeschmolzenen Metall und dem Druck­ körper eine Metallschicht aufschmelzen und wieder erstarren kann, die sich dicht an den Körper und die Be­ hälterwand anlegt und aufgrund der Abdichtung einen Druckaufbau beim Aufschmelzen des restlichen aufzuschmelzenden Metalls ermöglicht. Der Druck drückt das aufgeschmolzene Metall in den Infiltrationsraum.

Als aufzuschmelzende Metalle kommen z. B. Aluminium, Magnesium bzw. Cu sowie deren Legierungen in Frage, die in poröse Stoffe oder in ein Aufnahmevolumen infiltriert werden, das mit Verstärkungselementen, z. B. Fasern, Pulverteilchen, Whiskern, aus metal­ lischen oder keramischen Werkstoffen möglichst dicht gefüllt ist. Be­ sonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Fasern mit ihrer Länge durch den gesamten Infiltrationsraum erstrecken.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat über die Länge des Infil­ trationsraumes hinaus eine Heizeinrichtung, vorzugsweise eine Induktions­ heizung.

Auf diese Weise erfolgt die Infiltration in poröse Materialien bzw. Vorformen metallischer oder keramischer Werkstoffe oder in Hohlräume, die mit Pulverteilchen, Whiskern, Kurz- und/oder Langfasern, mit oder ohne Binder, befüllt sind, mit einer Metall­ schmelze und mit jenem Druck, welcher durch die Volumenvergrößerung beim Aufschmelzen eines oder mehrerer zunächst fester Metallkörper in dem geschlossenen Behälter entsteht. Das innere Volumen des Behälters, das Volumen des Metallkörpers und das Volumen des Infiltratraumes in der Vorform, die thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten des Behälters und des Druckgefäßes, des Metalles der Fasern sind so aufeinander abgestimmt, daß der evakuierte Infiltrationsraum entweder bereits während des Schmelzvorganges oder im Verlauf einer weiteren Temperaturerhöhung der Metallschmelze infiltriert wird. Die Temperatur der Schmelze im Infiltrationsraum wird z. B. durch entsprechende Erwärmung des Druckgefäßes oder des Infiltrationsraumes selbst bzw. des Schmelzbereiches derart eingestellt, daß durch die Ver­ flüssigung der Schmelze der gesamte bzw. zumindest der Hauptanteil des Infiltrationsdruckes erstellt wird. Durch eine Temperaturregelung auf Werte knapp über dem Schmelzpunkt kann eine Reaktion zwischen der Schmelze und den Füll- bzw. Verstärkungsmaterialien minimiert werden.

Die für den Druckaufbau im Aufgabebereich bzw. im Druckraum vorge­ sehene Beschränkung des Schmelzenbereiches auf einen Teilbereich des Druckraumes erfolgt durch eine Abdichtung des Teilvolumens mit der expandierenden Schmelze unter Zuhilfenahme zumindest eines Druckkörpers, der aus Fremdmetall, einem anderen Material und/oder aus dem aufzu­ schmelzenden Metall bestehen kann, an dem sich wieder verfestigende Schmelze anlagern kann und den Schmelzenbereich abdichtet. Aus diesem Grund liegt der Bereich, in dem die Abdichtung erfolgt, auf einem Temperaturniveau unterhalb der Schmelztemperatur; die Einstellung dieser Temperatur erfolgt durch Wärmeableitung, z. B. Strahlung oder Kühlung von außen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind der folgenden Be­ schreibung, der Zeichnung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen schema­ tischen Schnitt durch eine Tränkeinrichtung und Fig. 2 einen Detailschnitt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Einrichtung zur Druckinfiltration von Metallschmelze in ein Druckgefäß 2 mit einem mit Füllmaterial 7 befüllten Infiltrationsraum 8. Das Druckgefäß ist mit einem druckfesten Behälter 1 gegebenenfalls einstückig verbunden. Im Betrieb wird der Druckraum 6 des Behälters 1 in zwei Teilvolumina unterteilt, und zwar ein unteres Teilvolumen, in dem Metall aufgeschmolzen wird und in ein nach oben anschließendes Teilvolumen, in dem das Metall 9 in fester Form gehalten wird, um als Druck- bzw. Dichtungskörper zu wirken; alternativ oder zu­ sätzlich kann im Aufgabebereich ein Dichtungskörper 9 aus einem anderen Material vorgesehen sein. Dem Druckgefäß 2 und dem Behälter 1 ist eine Heizeinrichtung 11 zugeordnet; der obere Bereich des Behälters 1 ist mit einer Kühleinrichtung 12 umgeben, um im Behälter 1 ein Temperaturgefälle zu erstellen. Die Einstellung des Temperaturgefälles kann auch durch thermische Abstrahlung erzielt werden, indem die Heizeinrichtung 11 den Behälter 1 nur über einen gewissen Teilbereich umgibt. Durch Anlagerung des aufgeschmolzenen Metalles im Bereich 14 an noch nicht geschmolzenes Metall oder an einen Druckkörper sowie an die Wand des Behälters 1 erfolgt eine Abdichtung des Schmelzenbereiches gegenüber dem Behälterverschluß 3; gleichzeitig kann die Größe des Schmelzvolumens eingeregelt werden. Der Behälter 1 ist mit einem Anschluß 4 an eine Vakuumpumpe versehen. Das durch die Heizeinrichtung 11 aufgeschmolzene Metall 10 verfestigt sich an dem kälteren Druckteil 9 bzw. an der diesen umgebenden kälteren Wand und dringt in den Spalt zwischen dem Druckteil 9 und der Wand des Druckgefäßes 1 über einen gewissen Weg ein, bis es erstarrt. Dieses erstarrende Metall (14) verhindert ein weiteres Vordringen des geschmolzenen Metalles 10, wodurch ein Druckraum erstellt wird, der lediglich zum Druckgefäß 2 hin bzw. gegen den zu befüllenden Infiltrationsraum 8 geöffnet ist.

In gleicher Weise ist es möglich, das Ende des Infiltrationsraumes 8 abzudichten, wie es in Fig. 2 im Detail dargestellt ist. Im Bereich des Verschlusses 5 des Infiltrationsraumes 8 wird ein Körper aus aufzuschmelzendem Metall oder ein aus einem anderen Material bestehender Druckkörper 13 eingebracht und ein Temperaturgefälle durch eine Kühleinrichtung 15 eingestellt, so daß in den Infiltrationsraum 8 infiltriertes, geschmolzenes Metall bei Kontakt mit dem Druckkörper 13 erstarrt und den Spalt zwischen dem Druckkörper 13 und der Wandung des Druckgefäßes 2 abdichtet. Auf diese Weise bedürfen die Verschlüsse 3 und 5 keiner besonders ausgebildeten Dichtung, die flüssigem Metall gegenüber resistent ist; sie sind lediglich derart auszulegen, daß dem auftretenden Druck und den auftretenden Temperaturen Widerstand geleistet wird.

Möglich ist es auch, daß der in den Druckraum 6 eingesetzte Me­ tallkörper 9 bzw. der in den Infiltrationsraum 8 eingesetzte Metall­ körper 13 aufgrund ihrer thermischen Expansion eine Abdichtung zwischen sich und den jeweiligen Wänden des Behälters 1 bzw. Druckgefäßes 6 bewirken, die ein Eindringen von Metallschmelze weitgehend verhindert. Diese Maßnahme kann zusätzlich oder alternativ zur Abdichtung unter Zu­ hilfenahme eines Temperaturgradienten zur Ausbildung einer Abdichtungsschicht 14 aus erstarrendem Metall erfolgen.

Die Querschnitte des Druckraumes 6 bzw. des Infiltrationsraumes 8 können beliebig sein, da die Form der Dichtungskörper 9 bzw. 13 ebenfalls beliebig wählbar ist.

Besonders vorteilhaft eignet sich das Verfahren zur Infiltration von Aluminium, Magnesium oder anderen Metallen und deren Legierungen, da sich diese Metalle beim Schmelzen beträchtlich ausdehnen; z. B. vergrößert Aluminium beim Schmelzen sein Volumen um 6%, und es sind zur Einbringung von Aluminium und/oder Magnesium bzw. deren Legierungen in Vorformen bzw. Infiltrationsvolumina 8, die mit Pulverteilchen und/oder Fasern aus Siliciumcarbid Aluminiumoxid, Kohlenstoff, Bornitrid befüllt sind, nur kurze Infiltrationszeiten notwendig, die eine Reaktion der Fasern (Bildung von Metallkarbiden, -nitriden usw.) mit den eingebrachten Metallen weitgehend ausschließen.

Vor dem Schmelzen bzw. nach Befüllung des Infiltrationsraumes 8 mit den Fasern 7 bzw. des Druckraumes 6 mit dem aufzuschmelzenden Metall wird die Einrichtung evakuiert, welche Evakuierung bis zur Ausbildung der Ab­ dichtung 14 zwischen dem aufgeschmolzenen Metall und dem Druckkörper 9 fortgesetzt werden kann.

Wesentlich ist es, daß zwischen den Druckkörpern 9 bzw. 13 und der Wand des Druckgefäßes 2 bzw. des Behälters 1 nur ein sehr geringer Zwischenraum (z. B. einige Zehntel Millimeter) eingehalten wird, um ein Durchbrechen der Schmelze zu verhindern; aus diesem Grund werden die Druckkörper 9 und 13 möglichst genau an die lichte Weite des Behälters 1 bzw. Druckgefäßes 2 angepaßt. Dies ist dann be­ sonders einfach, wenn der Druckkörper massiv aus aufzuschmelzendem Metall besteht, da dann das Ausmaß der bei der Berechnung und Einregelung des In­ filtrationsdruckes zu berücksichtigenden Leerräume minimiert ist.

Zweckmäßigerweise sind zur Feststellung der Temperatur und/oder des Druckes im Druckraum 6 Temperatur- und/oder Druckmeßgeräte 16, 17 vorge­ sehen, mit denen gegebenenfalls die Heizeinrichtung 11 und/oder Kühlein­ richtung 12 gesteuert sind.

Prinzipiell ist es auch möglich, den in Fig. 1 dargestellten Behälter waagrecht anzuordnen; bevorzugterweise wird jedoch die Infiltration aus dem Druckraum 6 in einen unterhalb desselben liegenden Infiltrationsraum 8 vorgenommen.

Eine mögliche Reaktion zwischen dem infiltrierten Metall und dem Füll­ material 7 kann minimiert werden, wenn unmittelbar nach dem Eindringen des Infiltrationsmetalls der Behälter 2 abgekühlt, z. B. durch Eintauchen in Wasser oder heißes Öl abgeschreckt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Tränken von porösen faserigen oder pulverförmigen Werkstoffen in einem vorher entgasten Infiltrationsraum (8) mit der Schmelze eines Metalls oder einer Legierung aus einem Aufgabebereich (6), wobei die Schmelze unter Druck in den Infiltrationsraum (8) gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch geregeltes Aufschmelzen des im Aufgabebereich befindlichen Metalls oder der Legierung und die dabei auftretende Volumenvergrößerung der hydrostatische Druck der Schmelze erhöht und diese in den Infiltrationsraum (8) gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuschmelzende Metall im Aufgabebereich (6) dessen Querschnitt zumindest weitgehend ausfüllend angeordnet und dann nur in einem an den Infiltrationsraum (8) anschließenden Teilvolumen des Aufgabebereichs aufgeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Metalls zu den den Querschnitt bestimmenden Wänden des Aufgabebereichs in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 mm gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuschmelzende Metall auf höchstens 20 K über den Soliduspunkt erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilvolumen, in dem nicht aufgeschmolzen werden soll, gekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalle Aluminium, Magnesium, Blei, Zinn oder deren Legierungen verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein faseriger Werkstoff getränkt wird, dessen Fasern den Infiltrationsraum (8) über dessen Länge durchsetzen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Infiltrationsraum (8) und das an den Infiltrationsraum anschließende Teilvolumen des Aufgabebereichs (6) durch eine Induktionsheizung (11) beheizt werden.