DE4141357A1

DE4141357A1 - Verfahren zur herstellung eines vorformlings fuer ein verbundmaterial mit einer metallmatrix

Info

Publication number: DE4141357A1
Application number: DE4141357A
Authority: DE
Inventors: Masaru Akiyama; Kenji Maniwa
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1991-12-14
Publication date: 1992-07-02
Also published as: JPH04224198A; US5354528A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für ein Ver bundmaterial mit einer Metallmatrix. Spezieller befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zur Herstellung einer Vorform für die Verwendung als eine Verstärkung bei der Bildung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix, um die Stelle eines Materials zu verstärken, die starker thermischer Belastung unterliegt, wie beispielsweise eines Kolbenkopfes eines Verbrennungs motors.

Ein keramischer Whisker, wie beispielsweise Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, fand praktische Verwendung als Verstärkung für ein Teil, das starker Belastung ausgesetzt ist, wie beispielsweise für ein Maschinenteil, infolge seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit, Wärmebeständig keit und chemischen Beständigkeit. Beispielsweise unterliegt in einem Verbrennungsmotor der Kolbenkopf wiederholt einer starken thermischen Belastung, so daß Schmelzzerstörungen oder Brüche auftreten. Aus diesem Grund hat Roger Anthony Day erstmals vorgeschlagen, für den Kolbenkopf einen Verbund mit einem keramischen Whisker vorzusehen und ihn so zu verstärken, was eine wesentliche Verbesserung der Lebensdauer des Kolbens ergab (siehe britische Patentschrift 21 06 433). Gemäß diesem Patent erfolgt der Verbund örtlich zwischen dem mit einem keramischen Whisker verstärkten Teil und dem Metall. Der örtliche Verbund ist jedoch deswegen ungünstig, da er dafür verantwortlich ist, Brüche infolge des Auftretens von Rissen hervorzubringen, die auf einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen den Materialien an der Grenzfläche zwischen dem Verbundabschnitt und dem Nichtverbundabschnitt während der Verwendung des Kolbens oder auf Blasenbildung der Matrix zurückzuführen ist. Aus diesem Grund wurde, um eine rasche Veränderung des Wärmeausdehnungsverhaltens an der Grenze zwischen dem Verbundabschnitt und dem Nichtverbundabschnitt zu vermeiden, ein Vorschlag bezüglich eines mit anorganischen Fasern verstärkten Verbundteils mit der sogenannten "funktionellen Gradientenstruktur" gemacht, bei der der Volumenanteil (Vf) der anorganischen Verstärkungsfaser in dem Nichtverbundabschnitt kleiner gemacht wird als im Mittelbereich des Verbundabschnittes und gleichzeitig der Volumenanteil (Vf) allmählich mit einem Gradienten von der Grenze zwischen dem Nichtverbundabschnitt und dem Verbundabschnitt zur Mitte des Verbundabschnittes hin zunimmt (siehe japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 60-1 90 545). Außerdem wurde auch ein Vorschlag für ein mit keramischem Whisker verstärktes leichtes Legierungsverbundmaterial gemacht, bei dem ein Pufferverbundabschnitt kontinuierlich zwischen den Verbundabschnitt und den Nichtverbundabschnitt eingeschaltet ist (Metallmatrixabschnitt) (siehe japanische Patentanmeldung Kokai Nr. 2-88 730).

Das Merkmal jeder der japanischen Patentanmeldungen Kokai Nr. 60-1 90 545 und Nr. 2-88 730 besteht in der Herstellung einer Vorform mit einer funktionellen Gradientenstruktur aus einer Verstärkungsfaser, indem man sie auf einem Matrixmetall an einer zu verstärkenden Stelle anordnet und das resultierende Matrixmetall preßgießt.

Die oben beschriebene bekannte Methode hat jedoch einen Nachteil insofern, als die Stufe einer Herstellung einer Vorform mit einer funktionellen Gradientenstruktur mühsam und ungeeignet für praktische Verwendung in der Massenproduktion ist.

Speziell in der in der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 60-1 90 545 beschriebenen Methode ist es erforderlich, eine Vorform für den Verbund aus einem einzelnen anorganischen Faserformteil zu machen, bei dem die Dichte von der Grenze zwischen dem Verbundabschnitt und dem Nichtverbundabschnitt zu der Mitte des Verbundabschnittes hin zunimmt, oder mehrere Vorformen herzustellen, die in der Dichte voneinander abweichen, und diese Vorformen derart in Kombination miteinander anzuordnen, daß die Dichte von der Grenze zwischen dem Verbund abschnitt und dem Nichtverbundabschnitt zur Mitte des Verbundabschnittes hin zunimmt. Daher ist bei dieser Methode ein mühsames und schwieriges Arbeitsverfahren bei der Herstellung der Vorform erforderlich.

Bei der in der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 2-88 730 beschriebenen Methode wird die Vorform in der Weise hergestellt, daß man eine keramische Faser mit einem Durchmesser von 2 bis 15 µm unter Bildung einer primären Vorform mit einem Volumenanteil (Vf) von 2 bis 8% filtert, eine Dispersion, die einen Keramikwhisker mit einem Durchmesser von 2 µm darin dispergiert enthält, auf eine Oberfläche der primären Vorform aufgießt, um wiederum die Filtrationsbehandlung durch die Verwendung der primären Vorform als Filtermedium durchzuführen und dabei den keramischen Whisker in die primäre Vorformstruktur derart einführt, daß der Volumenanteil (Vf) einen kontinuierlichen Gradienten von 10 bis 35% hat. Da jedoch die Filtrationsbehandlung sowohl in der Stufe der Bildung einer primären Vorform als auch in der Stufe der Vorformbildung durchgeführt wird, sollte die Filtrationsbehandlung zweimal durchgeführt werden. Insbesondere in der zweiten Filtration (der Stufe des Filterns eines keramischen Whiskers) tritt ein Verstopfen oder Zusetzen ein, was eine Verlängerung der Arbeitszeit verursacht, so daß das Herstellungsverfahren mühsam wird.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform oder eines Vorformlings für ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix mit einer Pufferschicht an der Grenze (dem äußeren Umfang der Vorform) zwischen dem Nichtverbundabschnitt und dem Verbundabschnitt beim Vereinigen eines metallischen Materials zu bekommen.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform bzw. eines Vorformlings für ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix und mit einer Pufferschicht an der Grenze zwischen einem Verbundabschnitt und einem Nichtverbundabschnitt bei der Herstellung eines metallischen Verbundmaterials und ist dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine erste Dispersion, die ein flüssiges Medium und einen in dem flüssigen Medium homogen dispergierten keramischen Whisker einer Filtration unter vermindertem Druck unterzieht und so einen primären Vorformling mit einem Volumenanteil (Vf) von 12 bis 30% bildet,
b) auf diesem primären Vorformling eine zweite Dispersion ablagert, die ein flüssiges Medium und homogen darin dispergiert wenigstens ein Material aus der Gruppe einer kurzen Faser und eines keramischen Whiskers und ein Bindemittel umfaßt, und
c) diesen primären Vorformling unter Bildung einer Pufferschicht mit einem Volumenanteil (Vf) geringer als der des primären Vorformlings und im Bereich von 2 bis 10% trocknet.

Das Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für ein Verbundmaterial mit Metallmatrix nach der Erfindung ist einfach in der Einrichtung und leicht durchzuführen, was es ermöglicht, den Vorformling leicht in Massenproduktion herzustellen.

Wenn der nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Vorformling für ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix derart in einer Form angeordnet wird, daß die Pufferschicht des Vorformlings in Berührung mit dem Nichtverbundabschnitt der Metallmatrix kommt, und preßgegossen wird, bildet sich eine Pufferschicht zwischen dem Nichtverbundabschnitt und dem Verbundabschnitt derart, daß kein Reißen und keine Verformung an der Grenze zwischen dem Nichtverbund abschnitt und dem Verbundabschnitt eintritt, selbst wenn das resultierende Verbundmaterial harten Bedingungen, wie beispielsweise einem Wärmeverlauf, ausgesetzt wird.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der in dem primären Vorformling verwendete keramische Whisker wenigstens eine nadelförmige Einkristallfaser aus der Gruppe Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Kaliumtitanat und hat vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1 bis 2 µm und eine Faserlänge von 1 bis 1000 µm.

Der keramische Whisker wird in der Form einer homogen in dem flüssigen Medium dispergierten Dispersion desselben verwendet. Wasser und ein organisches Lösungsmittel können als das flüssige Medium verwendet werden. Bevorzugte Beispiele des organischen Lösungsmittels sind etwa Methanol, Ethanol, Aceton und Ether.

Die einen darin dispergierten keramischen Whisker enthaltende Dispersion wird nachfolgend der Bequemlichkeit halber als die "erste Dispersion" bezeichnet.

Der primäre Vorformling wird durch Filtern der ersten Dispersion durch ein Filter mit einer erwünschten Anordnung gebildet. Daher kann der primäre Vorformling zu irgendeiner Scheibe, einer hohlzylindrischen Scheibe, einer quadratischen Platte, einer rechteckigen Platte, einer dreieckigen Platte oder einer anderen Platte mit verschiedenen Gestaltungen geformt werden.

Der Volumenanteil (Vf) des primären Vorformlings ist vorzugsweise 12 bis 30%. Wenn er geringer als 12% ist, ist der Verstärkungseffekt des Verbundmaterials unzureichend. Wenn er andererseits 30% übersteigt, wird die Struktur so dicht, daß das die Matrix bildende Metall, wenn der Vorformling in einer Form zusammen mit der Metallmatrix preßgegossen wird, nicht leicht in den Verbundabschnitt als Imprägnierung eingeführt werden kann.

Bei der vorliegenden Erfindung wird getrennt von der ersten Dispersion Gebrauch von einer zweiten Dispersion gemacht, die ein flüssiges Medium und homogen darin dispergiert eine kurze Faser oder einen keramischen Whisker und ein Bindemittel umfaßt. Die in der zweiten Dispersion verwendete kurze Faser ist wenigstens eine aus der Gruppe Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Kieselsäure, Zirkonoxid und Kaliumtitanat. Der keramische Whisker ist wenigstens eine nadelförmige Einkristallfaser, die unter jenen von Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Kaliumtitanat ausgewählt ist. Dieser keramische Whisker hat vorzugsweise einen größeren Faserdurchmesser und eine größere Faserlänge als jene der nadelförmigen Einkristallfaser, die als der keramische Whisker in der ersten Dispersion verwendet wird. Dies ist deswegen, da der Volumenanteil (Vf) der Pufferschicht kleiner als jener des primären Vorformlings sein sollte, was es erforderlich macht, einen keramischen Whisker mit einem größeren Faserdurchmesser und einer größeren Faserlänge als jene des keramischen Whiskers, der in dem primären Vorformling verwendet wird, einzusetzen.

Weiterhin wird, obwohl derzeit noch keine Bestätigung vorliegt, erwartet, daß keine Faser in die äußere Umgebung ausgestreut wird, da die Pufferschicht den feinen Whisker mit einer Gefahr nachteiliger Einwirkung auf den menschlichen Körper, wenn die Faser in großer Menge im Verarbeitungsverfahren eingeatmet wird, überdeckt und schützt.

Bei der vorliegenden Erfindung sind kolloidales Aluminiumoxid und kolloidale Kieselsäure als ein Bindemittel für die Verwendung in dem zweiten flüssigen Medium zusammen mit der kurzen Faser oder dem keramischen Whisker geeignet.

Wasser oder ein geeignetes organisches Lösungsmittel können als das zweite flüssige Medium verwendet werden.

Die zweite Dispersion, die durch homogenes Dispergieren der oben beschriebenen kurzen Faser oder des keramischen Whiskers und von Bindemittel in einem flüssigen Medium hergestellt wurde, wird auf dem primären Vorformling durch Aufsprühen oder Aufbürsten aufgebracht und abgelagert.

Der mit der zweiten Dispersion beschichtete primäre Vorformling wird unter Bildung einer Pufferschicht auf der Oberfläche des primären Vorformlings getrocknet. Die Dicke der Pufferschicht ist vorzugsweise 1 mm oder weniger, stärker bevorzugt 0,1 bis 0,5 mm. Dies ist deswegen, da, wenn die Dicke der Pufferschicht zu groß wird, die Festigkeit der Grenze zwischen dem Nichtverbundabschnitt und dem Verbundabschnitt vermindert wird. Es ist wichtig, daß die Dicke der Pufferschicht derart eingestellt wird, daß die Pufferschicht einen kleineren Volumenanteil (Vf) hat als jener des primären Vorformlings, indem man den Faserdurchmesser, die Faserlänge, die Dispersionskonzentration usw. der kurzen Faser und des keramischen Whiskers, die in der zweiten Dispersion dispergiert sind, reguliert. Es ist unmöglich, einen Vorformling mit einer beabsichtigten Pufferschicht herzustellen, wenn ein solches Erfordernis nicht erfüllt wird. Der Volumenanteil (Vf) der Pufferschicht ist vorzugsweise 2 bis 10%. Dies ist deswegen, da dann, wenn er weniger als 2% ist, die Pufferschicht so brüchig ist, daß leicht ein Abschälen eintritt, während beim Übersteigen von 10% die Pufferschicht keine zufriedenstellende Pufferwirkung zeigt.

Beispiele

Ein Siliumcarbidwhisker mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,5 µm und einer Länge von 10 bis 30 µm (Tokai-Whisker, hergestellt von der Tokai Carbon Co., Ltd.) wurde in Wasser mit Hilfe eines Saftpressenmischers homogen gerührt und dispergiert. Die Dispersion ließ man in ein Filter fließen und filtrierte unter Gasdruck, und der Filterkuchen wurde unter Bildung eines primären Vorformlings mit einem Volumenanteil von 15% in der Form eines Ringes mit einem Innendurchmesser von 26,5 mm, einem Außendurchmesser von 62,5 mm und einer Dicke von 17 mm getrocknet.

72 g einer kurzen Aluminiumoxidfaser mit einem Durchmesser von 2 bis 10 µm und einer Faserlänge von etwa 100 µm wurden zu 400 cm³ Wasser zusammen mit 80 cm³ kolloidaler Kieselsäure (hergestellt von der Nissan Chemical Industries, Ltd.) zugesetzt, und das Gemisch wurde ausreichend gerührt, um eine homogene Dispersion herzustellen. Die Dispersion wurde auf der gesamten Oberfläche des primären Vorformlings durch Aufsprühen homogen aufgebracht und abgelagert, und der Überzug wurde unter Bildung einer Pufferschicht mit einer Dicke von etwa 0,3 mm auf der Oberfläche des primären Vorformlings getrocknet. Der Volumenanteil (Vf) der resultierenden Pufferschicht war 8%, und die Beobachtung der Struktur des Querschnittes unter einem Abtastelektronenmikroskop (SEM) zeigte, daß die Grenze zwischen der Pufferschicht und dem primären Vorformling eine kontinuierliche Textur hatte.

Der Vorformling für das nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Verbundmaterial mit Metallmatrix wurde in eine Form gegeben, und Schmieden mit geschmolzenem Metall erfolgte unter einem Druck von 800 kg/cm unter Verwendung einer geschmolzenen Aluminiumlegierung AG 8A (740°C) als Matrixmetall zur Herstellung von insgesamt drei Metallmatrix-Verbundmateria lien.

Die Metallmatrix-Verbundmaterialien wurden hitzebehandelt (T6). Als Ergebnis wurde bei allen drei Verbundmaterialien weder ein Reißen, noch ein Verformen an der Grenze zwischen dem Vorformling und dem Matrixmaterial beobachtet.

Zu Vergleichszwecken erfolgte ein Verbund in gleicher Weise, wie oben beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß ein primärer Vorformling ohne Pufferschicht verwendet wurde. Wenn die Metallmatrix-Verbundmaterialien hitzebehandelt wurden, wurden an der Grenze bei zwei von drei Verbundmaterialien Risse beobachtet.

Wie aus dem oben beschriebenen Vergleichsexperiment ersichtlich ist, ist eine Pufferschicht auf der Oberfläche eines primären Vorformlings sehr brauchbar für die Massenproduktion eines Vorformlings für örtliche Verstärkung eines Kolbenkopfes oder dergleichen für starke thermische Belastung.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings für ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix und mit einer Pufferschicht an der Grenze zwischen einem Verbundabschnitt und einem Nichtverbundabschnitt bei der Erzeugung des Verbundes eines metallischen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine erste Dispersion, die ein flüssiges Medium und in dem flüssigen Medium homogen dispergierten keramischen Whisker umfaßt, einer Filtration unter vermindertem Druck unterzieht und so einen primären Vorformling mit einem Volumenanteil (Vf) von 12 bis 30% bildet,
b) auf diesem primären Vorformling eine zweite Dispersion ablagert, die ein flüssiges Medium und homogen darin dispergiert kurze Faser und/oder keramischen Whisker sowie ein Bindemittel umfaßt und
c) diesen primären Vorformling unter Bildung einer Pufferschicht mit einem Volumenanteil (Vf) geringer als der des primären Vorformlings und im Bereich von 2 bis 10% trocknet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faserdurchmesser und die Faserlänge von kurzer Faser und/oder keramischem Whisker, die die Puffer schicht bilden, größer wählt als jene der keramischen Whisker, die den primären Vorformling bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als keramischen Whisker wenigstens einen nadelförmigen Einkristall aus der Gruppe Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Kaliumtitanat verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als kurze Faser wenigstens eine Faser aus der Gruppe Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Kieselsäure, Zirkonoxid und Kaliumtitanat verwendet.