DE4117886A1

DE4117886A1 - Verfahren zur herstellung eines teilverstaerkten metallmaterials auf aluminiumbasis

Info

Publication number: DE4117886A1
Application number: DE19914117886
Authority: DE
Inventors: Tomiya Yasunaka; Takashi Takenaka
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1990-06-04
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1991-12-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmaterials auf Aluminiumbasis, worin nur ein bestimmter Anteil örtlich mit einer kurzen Faserverstärkung verstärkt ist.

Whisker oder kurze Fasern von Keramikmaterial, wie SiC, Si₃N₄ und Al₂O₃ wurden mit Vorteil als Verbundmaterialverstärkung für metallische Materialien verwendet, besonders für Leichtmetall materialien, wie Aluminium und Magnesium, aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und chemischen Beständigkeit und ihrer ausgezeichneten Festigkeitseigenschaften.

Andererseits werden ein Kolben, eine Kurbelschwinge, ein Verbindungsstab oder andere Teile eines Verbrennungsmotors aus einer Aluminiumlegierung mit leichtem Gewicht, bei denen eine Stelle, die starker thermischer Beanspruchung oder Gleitbean spruchung ausgesetzt ist, örtlich mit einem SiC-Whisker ver stärkt ist, als ein teilverstärktes faserverstärktes Material bezeichnet, worin FRM teilweise vorhanden ist (der Ausdruck "faserverstärktes Material" wird hier nachfolgend als "FRM" abgekürzt). Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen teilverstärkten FRM besteht darin, daß man eine Vorform eines SiC-Whiskers in einer vorbestimmten Position in einer Form anordnet, eine geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form gießt und das Gießen unter Druck durchführt (siehe beispielsweise die japanischen Offenlegungsschriften 24 763/1980 und 24 945/1980).

Da jedoch der durch Filtrieren eines in Wasser dispergierten SiC-Whiskers hergestellte Vorformling ein sehr brüchiges Aggregat ist, wird er oftmals in der Stufe des Gießens unter Druck ungünstig verformt oder zerbrochen.

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten FRM, das den oben beschriebenen Nachteil ausschalten kann, besteht darin, daß man zunächst eine Verbundmatrix mit einer vorbestimmten Form und mit einem Gehalt einer Kurzfaserver stärkung und eines Matrixmetalles durch geeignete Mittel, wie oben, Anordnung der Verbundmatrix in einer vorbestimmten Stellung in der Form und Gießen einer geschmolzenen Matrixlegie rung in die Form unter Herstellung eines teilverstärkten FRM gewinnt.

In diesem Verfahren wird jedoch ein Oxidfilm des Matrixmetalles auf der Oberfläche der Verbundmatrix in der Stufe der vor ausgehenden Herstellung einer Verbundmatrix mit einer vor bestimmten Form oder in der Stufe des Vorerhitzens der Matrix, bevor die Verbundmatrix in einer vorbestimmten Stellung in einer Form angeordnet und ein vorbestimmtes geschmolzenes Metall in die Form gegossen wird, gebildet. Dieser Oxidfilm hemmt stark die Benetzbarkeit der Verbundmatrix mit dem eingegossenen geschmolzenen Metall und vermindert die Festigkeit der Bindung zwischen der Oberfläche der Verbundmatrix und dem geschmolzenen Metall. Die folgenden Verfahren A und B wurden zum Zwecke einer Lösung des oben beschriebenen Problems vorgeschlagen.

A) Ein Verfahren, bei dem ein dünner Film eines Edelmetall materials, wie beispielsweise Gold oder Silber, oder von Aluminium auf der Oberfläche einer Verbundmatrix gebildet wird, die vorher unter Verwendung eines SiC-Whiskers und eines Aluminiumlegierungspulvers gebildet wurde, und das resultierende Laminat in einem zu verstärkenden Bereich angeordnet wird, worauf geschmolzenes Aluminium aufgegossen wird (siehe japanische Patentanmeldungen 2 93 367/1989 und 1 14 871/1990).
B) Ein Verfahren, bei dem die Oberfläche einer Verbundmatrix einer Plasmabehandlung unterzogen wird, um einen Oxidfilm zu entfernen, und geschmolzenes Aluminium aufgegossen wird, um eine Teilverbundverstärkung zu bekommen (siehe japanische Patentanmeldung 29 899/1990).

Das Verfahren A, bei dem ein dünner Film eines Edelmetall materials oder von Aluminium gebildet und zum Anhaften gebracht wird, ist jedoch deswegen nachteilig, da das zum Anhaften zu bringende Material teuer ist oder da es erforderlich ist, eine Beschichtungsstufe mit einem komplizierten Verfahren vorzusehen.

Andererseits ist das Verfahren B vorteilhaft vom Standpunkt der Kosten, wenn eine wirksame Plasmabehandlung möglich ist. Die Plasmabehandlung der Verbundmatrix sollte jedoch in einem System durchgeführt werden, das ein reduzierendes Gas, ein Edelgas oder ein Gemisch hiervon unter einem verminderten Druck von 200 Torr oder weniger umfaßt, was aus der Sicht der Effizienz das Verfahren B nachteilig macht.

Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten FRM-Materials mit verbesserter Bindung zwischen einer Verbundmatrix und einem Matrixmetall aufgrund der Entfernung eines Metalloxidfilmes, der sich auf der Verbundma trix gebildet hat, durch eine einfache Methode zu bekommen.

Die oben beschriebene Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten Metallmaterials auf Aluminiumbasis gelöst, das darin besteht, daß man mechanisch eine Verbundmatrix, die eine in einem Matrixmetall auf Alumini umbasis dispergierte Kurzfaserverstärkung umfaßt, unter Entfer nung eines auf der Oberfläche der Verbundmatrix gebildeten Oxidfilmes und unter gleichzeitiger Aufrauhung der Oberfläche des Matrixmetalles, von welchem der Oxidfilm entfernt wurde, schleift, die geschliffene Verbundmatrix in einer vorbestimmten Position in einer Form anordnet, ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis in die Form gießt und das Gießen unter Druck durchführt, was nachfolgend als die "erste erfinderische Methode" bezeichnet wird.

Weiterhin kann die oben beschriebene Aufgabe der Erfindung auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten Materials auf Aluminiumbasis gelöst werden, bei dem man einen dünnen Film aus einem Matrixmetall allein auf der Oberfläche einer Verbundmatrix ausbildet, die eine in einem Matrixmetall auf Aluminiumbasis dispergierte Kurzfaserverstärkung umfaßt, das resultierende Laminat in einer vorbestimmten Position in einer Form anordnet und ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis in die Form gießt, um so ein Gießverfahren durchzuführen, was nachfolgend als die "zweite erfinderische Methode" bezeichnet wird.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine Mikrophotographie, die den Zustand einer Bindungs grenzfläche zwischen einer Verbundmatrix und einer Matrixaluminiumlegierung in einem nach der ersten erfinderischen Methode hergestellten teilverstärkten FRM zeigt, und

Fig. 2 eine Mikrophotographie, die den Zustand einer Bindungs grenzfläche zwischen einer Verbundmatrix und einer Matrixaluminiumlegierung in einer ohne mechanisches Schleifen in der ersten erfinderischen Methode herge stelltes teilverstärktes FRM zeigt.

Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich der in der ersten und zweiten erfinderischen Methode verwendeten Kurzfaser verstärkung, sofern sie eine für FRM üblicherweise verwendete ist, und Beispiele hierfür sind etwa Whisker und geschnittene kurze Fasern von Keramikmaterialien, wie SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, K₂O×nTiO₂ und TiB₂. Metalle auf Aluminiumbasis, wie metallisches Aluminium oder Aluminiumbasislegierungen, wie AC8A, 6061 und 2024, werden als ein Matrixmetall in der ersten und zweiten erfinderischen Methode verwendet.

Bei der ersten erfinderischen Methode wird bei Beginn eine Verbundmatrix hergestellt, um einen örtlich verstärkten Ab schnitt zu bilden. Diese Verbundmatrix kann durch Preßgießen hergestellt werden, das darin besteht, daß man eine vorher hergestellte Vorform einer Kurzfaserverstärkung in einer Form anordnet und sie mit einem geschmolzenen Matrixmetall imprä gniert, oder sie kann mit einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt werden, das darin besteht, daß man eine Verstärkung naß mit einem Matrixmetallpulver vermischt und das resultierende Gemisch in einer vorbestimmten Form in einer Inertgasatmosphäre, d. h. im Vakuum oder in Gegenwart eines Inertgases, unter Verwendung einer Heißpresse, HIP oder dergleichen, sintert.

In diesem Fall ist das Mischverhältnis der Kurzfaserverstärkung zu dem Matrixmetall vorzugsweise derart, daß der Volumenprozent satz der Kurzfaserverstärkung in der Verbundmatrix ein erwünsch ter Wert im Bereich von 1 bis 50% ist.

Wenn der Volumenprozentsatz geringer als 1% ist, ist die Verbundwirkung unzureichend, während dann, wenn der Volumen prozentsatz 50% übersteigt, eine Verbundmatrix mit einer guten Textur nicht erhalten werden kann und außerdem die Kosten steigen.

Die so hergestellte Verbundmatrix kann nach der obigen Methode oder dergleichen weiterhin zu einer komplizierten Form ver arbeitet werden.

Bei der ersten erfinderischen Methode wird die Bindungsfläche der Verbundmatrix mechanisch abgeschliffen. Beispiele für das mechanische Schleifen sind Sandstrahlblasen, Trommelpolieren, Kugelstrahlen und Drahtbürstenbehandlung. Das praktischste Schleifmittel ist das Sandstrahlblasen, bei dem als Strahlkorn Carborund, Stahl, Sand usw. verwendet werden.

Die Schleifbehandlung erfolgt so lange, bis die auf der Bin dungsfläche gebildete und anhaftende Oxidkomponente entfernt ist und die freigelegte Fläche in ausreichendem Umfang aufgerauht ist.

Der Grad der Aufrauhung liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 µm Rz, ausgedrückt als Oberflächenrauheit.

Wenn die Entfernung des Oxidüberzuges auf der Oberfläche der Verbundmatrix und die Aufrauhung der freigelegten Fläche durch Sandstrahlblasen oder dergleichen durchgeführt werden, wird die Formänderungsarbeit auf der Oberfläche der Verbundmatrix konzentriert, was es der Schmelze ermöglicht, die Bindung an der Bindungsgrenzfläche bei einer niedrigeren Temperatur während des Gießens durchzuführen, so daß eine fester gebundene Grenzfläche erhalten werden kann.

Die Verbundmatrix, die der mechanischen Schleifbehandlung unterzogen wurde, wird in einer Form in einer Position ent sprechend einer zu verstärkenden Stelle angeordnet, und ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis, das gleich wie das Matrixmetall oder von diesem verschieden ist, wird in die Form gegossen.

Preßgießen ist für das Gießen brauchbar. Das Preßgießen wird vorzugsweise unter Bedingungen einer Metallschmelzetemperatur oberhalb der Liquidustemperatur des Metalles und bei einem Gießdruck von 250 bis 3000 kg/cm² durchgeführt. Wenn die Metallschmelzetemperatur unter der Liquidustemperatur +50°C liegt, verläuft das Abkühlen des geschmolzenen Metalles schnell, so daß die Grenzflächenbindung zwischen der Verbundmatrix und dem Metall auf Aluminiumbasis gehemmt wird.

Wenn der Gießdruck geringer als 250 kg/cm² ist, wird die Grenzflächenbindungskraft zwischen der Verbundmatrix und der Matrixlegierung unzureichend. Wenn andererseits der Gießdruck 3000 kg/cm² übersteigt, tritt Verformung des Materials, wie Bruchbildung oder Deformation, auf.

Das oben beschriebene Gießen liefert ein teilverstärktes FRM- Material, das ein Metall auf Aluminiumbasis mit einem mit einer Kurzfaserverstärkung verstärkten speziellen Abschnitt umfaßt.

Nach der zweiten erfinderischen Methode kann ein teilverstärktes Metallmaterial auf Aluminiumbasis auch nach dem folgenden Verfahren erhalten werden.

Bei der Herstellung einer Verbundmatrix nach dem oben beschrie benen Preßgießverfahren wird eine aus einem Matrixmetall allein bestehende dünne Schicht auf der Oberfläche einer Verbundmatrix, die an das Matrixmetall gebunden werden soll, ausgebildet. Wenn die aus dem Matrixmetall allein bestehende dünne Schicht durch das Preßgießen gebildet ist, wird eine Verbundmatrix in einer Form angeordnet, ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis, das gleich wie das oder verschieden von dem Matrixmetall ist, in die Form gegossen, um eine Schicht mit einer Dicke von gewöhn lich etwa 10 mm zu bilden, die aus dem Matrixmaterial allein besteht, und die Metallschicht wird dann zu einer vorbestimmten Dicke, gewöhnlich 1 bis 2 mm, gefräst oder geschnitten.

Wenn die aus dem Matrixmetall allein bestehende dünne Schicht pulvermetallurgisch ausgebildet wird, wird ein Gemisch eines Whiskers mit einem Metallpulver in einem vorbestimmten Misch verhältnis (Verbundmatrix) in einer Form angeordnet, und ein Metallpulver wird um die Verbundmatrix herum eingeführt. In diesem Fall wird vorher eine Trennwand, wie aus Papier, vor gesehen, und die Trennwand wird nach dem Einführen der einzelnen Pulver entfernt. Sintern erfolgt dann unter Bildung einer dünnen Schicht des Metalles auf der Oberfläche der Verbundmatrix.

Sodann wird die Verbundmatrix, die mit einer dünnen Schicht versehen ist, welche aus dem Matrixmetall allein besteht und auf ihrer Oberfläche ausgebildet wurde, in einer vorbestimmten Position in einer Form entsprechend einer zu verstärkenden Stelle angeordnet, und eine Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, die gleich wie das oder verschieden von dem Matrixmetall ist, wird als Gießverfahren in die Form eingegossen.

Die aus dem Matrixmetall allein bestehende dünne Schicht kann gebildet werden, wenn die Verbundmatrix durch Preßgießen hergestellt wird, indem eine Vorform einer Kurzfaserverstärkung in einer Form derart angeordnet wird, daß eine Bindungsschicht, die aus dem Matrixmetall allein besteht, in einem Abschnitt gebildet wird, der an der Bindungsfläche zu der Matrixlegierung liegt, und die Vorform mit einem geschmolzenen Metall imprä gniert wird. Wenn stattdessen die Verbundmatrix pulvermetallur gisch gebildet wird, kann die dünne Schicht durch übliches Verbundsintern in einem solchen Zustand gebildet werden, daß eine aus dem Matrixmetallpulver allein bestehende Schicht auf einer Form in einem Abschnitt, der an der Bindungsfläche zu der Matrixlegierung liegt, ausgebreitet wird. Die Dicke der dünnen Schicht kann derart sein, daß die dünne Schicht und die Matrix legierung sich wechselweise während des Gießens ineinander lösen, und eine Dicke von 1 bis 2 mm ist gewöhnlich ausreichend.

Bei der zweiten erfinderischen Methode kann eine normale Bindungstextur nicht nur durch Gießbinden unter hohem oder niedrigem Druck in gleicher Weise wie bei der ersten erfinderi schen Methode, sondern auch durch Standgußbindung unter Atmo sphärendruck erhalten werden.

Wie oben beschrieben, wird nach der ersten erfinderischen Methode eine Oxidkomponente, die auf der Oberfläche einer Verbundmatrix gebildet wurde und an ihr anhaftet, die eine Aluminiummatrixmetallstruktur und eine zu Verstärkungszwecken vorher darin dispergierte Kurzfaserverstärkung umfaßt, voll ständig entfernt, indem die Bindungsfläche der Verbundmatrix einfachem mechanischem Schleifen ausgesetzt wird und gleichzei tig die freigelegte Fläche in geeignetem Umfang aufgerauht wird.

Da eine Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, die gleich wie das oder verschieden von dem Matrixmetall ist, aufgegossen wird, nachdem die Verbundmatrix, von der Oxid entfernt wurde und deren Oberfläche aufgerauht wurde, in einer Form angeordnet wurde, erfolgt der Kontakt der gegossenen Metallschmelze immer über die Bindungsfläche der Verbundmatrix mit einer guten Benetzbarkeit, und gleichzeitig wird das gegossene geschmolzene Metall fest durch die aufgerauhte unebene Grenzfläche verankert.

Nach der oben beschriebenen Erfindung verursacht insbesondere das Aufrauhen der Oberfläche der Verbundmatrix, daß sich die Formänderungsarbeit auf der Oberfläche der Verbundmatrix sammelt, die dazu dient, eine feste Bindungsfläche zu bilden.

Als Ergebnis kann eine gute Bindung zwischen der Verbundmatrix und der Matrixlegierung erhalten werden, so daß ein teilver stärktes FRM mit einer integralen Textur immer erhalten werden kann.

Wenn außerdem in der zweiten erfinderischen Methode eine aus dem Matrixmetall allein bestehende dünne Schicht auf der Bindungs fläche der Verbundmatrix gebildet wird, kommt die dünne Schicht in Berührung mit dem geschmolzenen Matrixmetall, und sie werden ineinander gelöst, so daß die Berührungsfläche in eine zusammen hängende integrale Textur während der Verfestigung umgewandelt wird.

Als Ergebnis kann mit der ersten erfinderischen Methode ein teilverstärktes FRM mit einer integralen Textur erhalten werden.

Wie oben beschrieben, wird es nach der ersten und nach der zweiten erfinderischen Methode möglich, ein Teilverbundteil mit einer zähen homogenen Textur durch vorausgehende Behandlung, wie leicht durchführbares mechanisches Schleifen oder eine ähnliche Verfahrensänderung bei der Herstellung der Verbundmatrix, herzustellen. Dies macht die erste und zweite Methode nach der Erfindung sehr brauchbar zur lokalen Ausbildung einer kurzfaser verstärkten Textur an einer Stelle, die thermische Beanspruchung und Reibung ausgesetzt sind, wie beispielsweise an einem Kolbenkopf.

Die erste und zweite erfinderische Methode werden nun anhand der folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Ein SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm und einer mittleren Länge von 20 µm wurde homogen in Wasser disper giert, und die resultierende Dispersion wurde unter Druck filtriert, um einen Vorformling der SiC-Whisker zu bilden. Der Vorformling wurde in einer Form angeordnet, eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) wurde in die Form gegossen, und Preßgießen erfolgte unter einem Druck von 1000 kg/cm² mit Hilfe eines Kolbens, um eine Verbundmatrix in Scheibenform mit einem Volumenprozentsatz an SiC-Whiskern von 18%, mit einer Dicke von 20 mm und mit einem Durchmesser von 80 mm herzustellen.

Die so hergestellte Verbundmatrix wurde in ihrem Mittelabschnitt in zwei halbkreisförmige Teile geschnitten. Die Schnittfläche wurde einer Sandstrahlgebläsebehandlung während 80 sec unter Verwendung eines Carborundpulvers (Teilchengröße 240 Maschen) unterzogen, wobei mechanisches Abschleifen der Oberfläche der Verbundmatrix erfolgte.

Die dem mechanischen Abschleifen unterzogene Verbundmatrix wurde unmittelbar in einer auf 300°C erhitzten Form mit einem Durchmesser von 80 mm angeordnet. Sodann wurde eine Matrixlegie rung, die eine Aluminiumlegierung (AC8A) bei einer Temperatur von 800°C geschmolzen umfaßte, in die Form gegossen, und Preßgießen erfolgte unter einem Druck von 900 kg/cm².

Das resultierende teilverstärkte FRM-Material hatte eine solche Form, daß eine halbkreisförmige Matrixaluminiumlegierung an eine Verbundmatrix über eine mechanisch geschliffene Fläche der Verbundmatrix gebunden war. Wie in der Mikrophotographie (100fache Vergrößerung) in Fig. 1 ersichtlich ist, hatte die Bindungsgrenzfläche eine kontinuierliche Schichttextur.

Von dem resultierenden teilverstärkten FRM-Material wurde ein Teststück in rechten Winkeln zu der Bindungsgrenzfläche ausge schnitten, und die Zugfestigkeit nach Tempern T₆ wurde gemessen, wobei man einen Wert so hoch wie 34 kg/mm² fand. In diesem Test trat kein Bruch an der Bindungsgrenzfläche, aber in einem Bereich der Matrixaluminiumlegierung auf.

Vergleichsbeispiel 1

Die gleiche Verbundmatrix wie jene des Beispiels 1 wurde ein Argongas ohne Sandstrahlbehandlung auf 350°C vorerhitzt, und eine geschmolzene Aluminiumlegierung wurde dann Preßgießen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen. Wie in der Mikrophotographie (100fache Vergrößerung) gemäß Fig. 2 ersichtlich ist, hatte die so hergestellte Bindungsgrenzfläche des teilverstärkten FRM-Materials eine gut definierte abgestufte Schicht, die deutlich verschieden von der Textur der Bindungs fläche des Beispiels 1 war.

Dann wurde die Zugfestigkeit (nach Tempern T₆) des teilver stärkten FRM-Materials in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen, wobei man einen Wert so niedrig wie 5 kg/mm² fand. In diesem Fall traten Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und ein durch die Oxidation der Aluminiumlegierung gebildeter goldener Abschnitt wurde an der Bruchfläche beobachtet.

Beispiel 2

Eine unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 herge stellte Verbundmatrix wurde in ihrem Mittelabschnitt in zwei halbkreisförmige Teile zerschnitten. Die Schnittfläche wurde einer Sandstrahlgebläsebehandlung während 10 sec unter Ver wendung eines Carborundpulvers von 30 Maschen unterzogen, wobei die Oberfläche der Verbundmatrix mechanisch abgeschliffen wurde.

Die abgeschliffene Verbundmatrix wurde für das Preßgießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (AC8A) unter den gleichen Gießbindungsbedingungen wie im Beispiel 1 verwendet, jedoch mit der Ausnahme, daß der Druck auf 300 kg/cm² eingestellt wurde.

Für das so hergestellte teilverstärkte FRM-Material wurde die Zugfestigkeit eines Teststückes (nach dem Tempern T₆) gemessen, wobei man einen Wert von 30 kg/mm² fand, und außerdem hatte das Teststück eine gute Materialtextur. In dem Zugfestigkeitstest traten Brüche in der Matrixaluminiumlegierung auf.

Beispiel 3

Ein teilverstärktes FRM-Material wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß eine Aluminiumlegierung 6061 mit einer von der Matrixmetallalumini umlegierung (AC8A) verschiedenen Zusammensetzung als Matrixle gierung verwendet wurde. Bei dem so hergestellten Material wurde (nach dem Tempern T₆) die Zugfestigkeit in gleicher Weise wie in Beispiel 1 gemessen, wobei man einen Wert von 35 kg/mm² fand. Das heißt, es wurde bestätigt, daß das Material eine hohe Bindungs festigkeit hatte.

Vergleichsbeispiel 2

Ein teilverstärktes FRM-Material wurde unter Verwendung der gleichen Verbundmatrix wie im Beispiel 2 in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß keine Sandstrahlgebläsebehandlung durchgeführt wurde. In dem so hergestellten teilverstärkten FRM-Material traten Brüche in der Bindungsgrenzfläche während der Herstellung des Teststückes auf, so daß die Festigkeit nicht gemessen werden konnte.

Beispiel 4

Eine Suspension, die kurze Al₂O₃-Fasern mit einem mittleren Durchmesser von 3,2 µm und einer mittleren Länge von 50 µm homogen darin dispergiert umfaßte, wurde unter Druck filtriert, um einen Vorformling mit einer Volumenfraktion von 13% zu bilden. Der Vorformling wurde in einer Form angeordnet, eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) (800°C) wurde in die Form gegossen, und Preßformen wurde unter einem Druck von 1000 kg/cm² mit Hilfe eines Kolbens durchgeführt, um eine Verbundma trix in einer Scheibenform mit einem Volumenprozentsatz von 15%, einer Dicke von 20 mm und einem Durchmesser von 80 mm herzu stellen.

Die resultierende Verbundmatrix wurde einer Sandstrahlgebläsebe handlung unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unterzogen, in Luft bei einer Temperatur von 200°C während 60 min vorerhitzt und unmittelbar in einer auf 300°C erhitzten Form mit einem Durchmesser von 80 mm angeordnet. Dann wurde eine durch Schmelzen einer Aluminiumlegierung (AC8A) bei 800°C hergestellte Matrixlegierung in die Form gegossen, und dann wurde Preßgießen unter einem Druck von 900 kg/cm² durchgeführt.

Wie mit dem FRM-Material, das in Beispiel 1 hergestellt wurde, hatte das so hergestellte teilverstärkte FRM-Material eine ausgezeichnete Bindungstextur, und seine Zugfestigkeit war 33 kg/mm². Brüche traten in der Matrixaluminiumlegierung auf.

Beispiel 5

Eine Wasserdispersion von SiC-Whiskern mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm und einer mittleren Länge von 20 µm wurde unter Druck filtriert und getrocknet, um einen Vorformling zu bilden. Der Vorformling wurde in eine Form gegeben. Eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) als Matrixlegierung wurde in die Form gegossen, und Preßgießen erfolgte unter einem Druck von 1000 kg/cm². So wurde eine zylindrische Verbundmatrix mit einem Volumenprozentsatz von 18%, einem Durchmesser von 30 mm und einer Länge von 50 mm hergestellt, worin eine dünne Schicht (Dicke etwa 1 mm), die aus der Matrixaluminiumlegierung allein bestand, auf ihrer Oberfläche gebildet worden war.

Die so hergestellte Verbundmatrix wurde ohne Vorerhitzen in eine Form gegeben, die auf 200°C erhitzt war und einen Innendurch messer von 50 mm besaß. Eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) als Matrixlegierung wurde in die Form gegossen, um eine Gießbindung unter Atmosphärendruck zu erzeugen.

Die Textur des so hergestellten teilverstärkten FRM-Materials war so homogen, daß der gebundene Bereich nicht von den anderen Bereichen unterschieden werden konnte. Ein Teststück wurde aus dem Material derart ausgeschnitten, daß der gebundene Bereich in der Mitte des Teststückes lag. Die Zugfestigkeit nach dem Tempern T₆ wurde gemessen, wobei man einen Wert so hoch wie 35 kg/mm² fand. In diesem Test traten Brüche in einer Position 0,5 mm seitlich der aus Aluminium allein bestehenden dünnen Schicht auf.

Beispiel 6

Ein teilverstärktes FRM-Material wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 5, jedoch mit der Ausnahme, daß die Matrixlegierung eine Aluminiumlegierung 6061 war, die von der Aluminiumlegierung (AC8A) der Matrixlegierung der Verbundmatrix verschieden war, hergestellt.

Die Zugfestigkeit des so hergestellten Materials wurde auf die gleiche Weise wie im Beispiel 5 gemessen, wobei man einen Wert von 37 kg/mm² fand. In diesem Test traten Brüche in einer Position 1 mm seitlich der aus Aluminium allein bestehenden dünnen Schicht in der Verbundmatrix auf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten Metall materials auf Aluminiumbasis, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbundmatrix, die eine in einem Matrixmetall auf Aluminiumbasis dispergierte Kurzfaserverstärkung umfaßt, mechanisch schleift, um einen auf der Oberfläche der Verbundmatrix gebildeten Oxidfilm zu entfernen und gleich zeitig die freigelegte Oberfläche des Matrixmetalles, von welchem der Oxidfilm entfernt wurde, aufzurauhen, die geschliffene Verbundmatrix in einer vorbestimmten Position in einer Form anordnet, ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis in die Form gießt und Gießen unter Druck durchführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kurzfaserverstärkung Whisker oder zerschnittene Fasern eines Keramikmaterials aus der Gruppe SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, K₂O×nTiO₂ und/oder TiB₂ verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Matrixmetall auf Aluminiumbasis metallisches Aluminium oder eine Aluminiumbasislegierung verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Verbundmatrix in der Weise herstellt, daß man einen Vorformling einer Kurzfaserverstärkung in einer Form anordnet und den Vorformling mit einem geschmol zenen Matrixmetall auf Aluminiumbasis imprägniert und den so behandelten Vorformling unter Druck verfestigt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Verbundmatrix in der Weise herstellt, daß man eine Kurzfaserverstärkung mit einem Matrixmetallpul ver auf Aluminiumbasis naß vermischt und das resultierende Gemisch unter Druck sintert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß man das mechanische Mahlen durch Sandstrahlge bläsebehandlung, Trommelpolieren, Kugelstrahlen und/oder Drahtbürstenbehandlung durchführt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Temperatur des geschmolzenen Metalles auf Aluminiumbasis auf wenigstens 50°C höher als seine Liquidustemperatur einstellt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß man einen Gießdruck von 250 bis 3000 kg/cm² anwendet.

9. Verfahren zur Herstellung eines teilverstärkten Metall materials auf Aluminiumbasis, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus einem Matrixmaterial auf Aluminiumbasis allein bestehenden dünnen Film auf der Oberfläche einer Verbundma trix bildet, die eine in einem Matrixmetall auf Aluminiumba sis dispergierte Kurzfaserverstärkung umfaßt, das resultie rende Laminat in einer vorbestimmten Position in einer Form anordnet und ein geschmolzenes Metall auf Aluminiumbasis in die Form gießt und so ein Gießverfahren durchführt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kurzfaserverstärkung Whisker oder zerschnittene Fasern eines Keramikmaterials aus der Gruppe SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, K₂O×nTiO₂ und/oder TiB₂ verwendet.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als Matrixmetall auf Aluminiumbasis metallisches Aluminium oder Aluminiumbasislegierungen verwendet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß man die aus dem Matrixmetall auf Alumini umbasis allein bestehende dünne Schicht auf der Oberfläche der Verbundmatrix bildet, indem man einen Vorformling der Kurzfaserverstärkung in einer Form derart anordnet, daß eine aus dem Matrixmetall auf Aluminiumbasis allein bestehende Schicht auf der Oberfläche der Verbundmatrix gebildet wird, den Vorformling mit dem geschmolzenen Matrixmetall auf Aluminiumbasis imprägniert und den so behandelten Vor formling unter Druck verfestigt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß man die aus Matrixmetall auf Aluminiumba sis allein bestehende dünne Schicht auf der Oberfläche der Verbundmatrix in der Weise bildet, daß man einen Vorformling der Kurzfaserverstärkung in einer Form anordnet, den Vorformling mit einem geschmolzenen Matrixmetall auf Aluminiumbasis imprägniert, den so behandelten Vorformling unter Druck verfestigt und so die Verbundmatrix herstellt, ein Pulver des Matrixmetalles auf Aluminiumbasis auf der Oberfläche der Verbundmatrix ablagert und die so behandelte Verbundmatrix sintert.