DE4343945C1

DE4343945C1 - Verfahren zum Herstellen von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE4343945C1
Application number: DE19934343945
Authority: DE
Inventors: Theodore Dr Schmitt; Egon Ing Neuwirth; Peter Dipl Phys Schulz; Hans-Peter Dr Degischer
Original assignee: Austria Metall AG
Current assignee: Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
Priority date: 1993-12-22
Filing date: 1993-12-22
Publication date: 1995-09-14
Anticipated expiration: 2013-12-23
Also published as: ATA232894A; AT405915B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen aus einer Metallmatrix, in die Verstärkungsmaterialien eingebettet sind, bei dem die Verstärkungsmaterialien in eine Vorform gebracht werden, die Vorform in einem Vorformhalter angeordnet wird und im Be reich der Formöffnung des Vorformhalters das Metallmaterial angeordnet wird, das die Metallmatrix bilden soll, und der Vorformhalter mit der Vorform und dem Metallmaterial bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt, mit Druck beauf schlagt und anschließend abgekühlt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 35 47 180 bekannt.

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe werden im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein Verstärkungsmaterial, das in Form von keramischen Teilchen, Kurzfasern oder Langfasern vorliegen kann, mit Hilfe eines Vorformhalters durch Wickeln oder fegen in die gewünschte Form gebracht wird. Das in dieser Weise angeordnete Verstärkungsmaterial bildet die durch das Metall zu infiltrierende Vorform. Das Metallmate rial, das die Vorform infiltrieren soll, d. h. der sog. Spei ser, wird im Bereich der Formöffnung angeordnet, woraufhin die gesamte Anordnung in einem Druckgefäß evakuiert und bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt wird. Sobald das Metallmaterial geschmolzen ist, bildet es einen gasdichten Abschluß zur Vorform. Von außen wird dann ein Gasdruck auf gebaut, der das aufgeschmolzene Metallmaterial in die Vor form drückt, so daß die evakuierten Hohlräume zwischen den Verstärkungsmaterialteilen ausgefüllt werden. Wegen der schlechten Benetzbarkeit oder der Nichtbenetzbarkeit der üblichen Verstärkungsmaterialien durch das Metallmaterial ist zum Ausfüllen dieser Zwischenräume jedoch ein Vielfaches des Atmosphärendruckes notwendig, da die Metallschmelze nicht von selbst in die leeren Zwischenräume in der Vorform eindringt.

Bei dem aus der US-PS 35 47 180 bekannten Verfahren wird der Vorformhalter mit der darin befindlichen Vorform in einem Tiegel angeordnet, der in ein druckfestes und vaku umfestes Gefäß eingebracht wird, das dann evakuiert wird. Anschließend wird das Innere des Gefäßes über die Schmelz temperatur des Metallmaterials erwärmt, woraufhin die Schmelze durch einen schnell aufgebauten Gasdruck in die Vorform gedrückt wird. Die Schmelze bildet dabei die Abdich tung zwischen dem Druckgas und der Vorform.

Der bei diesem Verfahren erforderliche Druck steigt mit sinkender Größe der Poren in der Vorform und steigender Nichtbenetzbarkeit des Verstärkungsmaterials und liegt übli cherweise zwischen 10 und 150 bar.

Wenn die Gefahr besteht, daß zwischen der Metallschmel ze und dem Verstärkungsmaterial unerwünschte chemische Reak tionen ablaufen können, dann wird nach dem Infiltrieren des Verstärkungsmaterials durch die Metallschmelze die Anordnung schnell abgekühlt. Das ist insbesondere bei einem Metall matrixmaterial aus einer Aluminiummatrix mit Kohlenstoffa sern als Verstärkungsmaterial von Bedeutung.

Das Evakuieren vor dem Infiltrieren, d. h. vor dem Auf bau des Gasdruckes, dient dazu, die in den Zwischenräumen der Vorform vorhandene Luft zu entfernen, die sonst Blasen in der Matrix, d. h. nicht infiltrierte Volumenbereiche bil den würde.

Das aus der US-PS 35 47 180 bekannte Verfahren ist aufgrund der Notwendigkeit, das Druckgefäß vor dem Infil trieren zu evakuieren, langwierig und teuer. Das Infiltra tionsgefäß muß darüber hinaus dem Vakuum und dem Druck bei erhöhter Temperatur standhalten und dennoch heiz- und kühl bar sein. Es ist daher mit hohen Kosten verbunden.

Wird weiterhin nach dem Evakuieren aufgeheizt, so er folgt das Heizen wegen des fehlenden Wärmeübertragungsmedi ums sehr langsam, während dann, wenn vor dem Absaugen der Luft aufgeheizt wird, die Vakuumpumpe mit heißer Luft bela stet wird und deswegen in besonderer Weise ausgelegt oder gekühlt werden muß. Auch das ist mit hohen Kosten verbunden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es ohne ein Evakuieren des Druckgefäßes vor dem Infiltrieren der Vorform durch das geschmolzene Metallmaterial auskommt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Vorformhalter wenigstens teilweise aus einem Materi al mit offener Porosität, dessen Porennetz zur Aufnahme der Luft in der Vorform ausreicht, verwandt wird und die Vorform im Vor formhalter so angeordnet wird, daß sie an der Innenwand des Vorformhalters ohne Zwischenraum anliegt.

Der Vor formhalter mit Vorform und Metallschmelze wird mit einem Druck beaufschlagt, der ausreicht, das Verstärkungsmaterial, nicht aber das Material des Vorformhalters zu infiltrieren.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorform im Vorformhalter so angeordnet ist, daß sie eng, d. h. ohne Zwischenraum an der Innenwand des Vorformhalters anliegt, und das Material des Vorformhalters durch das Me tallmaterial schlechter infiltrierbar ist, gibt es bis zum Ende des Infiltrationsvorganges Bereiche der Berührungsflä che zwischen dem Vorformhalter und der Vorform, die von der Metallschmelze nicht besetzt sind. Durch diese Bereiche kann die Luft, die beim Infiltrieren der Vorform durch die Me tallschmelze verdrängt wird, in das Porennetz des Vorform halters entweichen, wo sie nicht weiter störend wirkt. Auf ein Evakuieren des Druckgefäßes vor der Infiltration kann aus diesem Grunde verzichtet werden.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 4.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Vorformhal ter zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, der Gegenstand der Patentansprüche 5 bis 11 ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Druckgefäßes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor dem Auf schmelzen des Metallmaterials,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Druckgefäßes gemäß Fig. 1 nach dem Aufschmelzen des Metallmaterials und

Fig. 3 in einer Schnittansicht ein besonders bevorzug tes Ausführungsbeispiel eines Vorformhalters zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe aus einer Metallmatrix, in die Verstärkungsmaterialien eingebettet sind, werden dadurch hergestellt, daß die Verstärkungsmaterialien zu nächst in eine Vorform gebracht werden. Diese Vorform wird in einem Vorformhalter angeordnet, woraufhin im Bereich der Formöffnung des Vorformhalters das Metallmaterial angeordnet wird, das die Metallmatrix bilden soll. Der Vorformhalter mit der Vorform und dem Metallmaterial wird bis zum Schmel zen des Metallmaterials erwärmt und anschließend mit Druck beaufschlagt, so daß das geschmolzene Metallmaterial die Vorform infiltriert und das Vorformmaterial benetzt. An schließend wird die Anordnung abgekühlt.

Wenn dabei ein Vorformhalter aus einem Material mit offener Porosität und hoher Nichtbenetzbarkeit, d. h. zumin dest mit einer geringeren Benetzbarkeit durch das Metall material als das Verstärkungsmaterial der Vorform verwendet wird, und die Vorform eng, d. h. ohne Zwischenraum an der Innenwand des Vorformhalters anliegt, was insbesondere da durch erreicht werden kann, daß Vorformhalter und Vorform aneinandergedrückt sind, kann die Infiltration der Vorform durch das aufgeschmolzene Metallmaterial erfolgen, ohne daß vorher das Druckgefäß, in dem diese Anordnung enthalten ist, evakuiert wird.

Die Benetzbarkeit oder Nichtbenetzbarkeit zwischen einer Flüssigkeit, z. B. einer Metallschmelze und einem Fest körper, z. B. dem Vorformhalter, ergibt sich aus dem Benet zungswinkel α zwischen einem Flüssigkeitstropfen und der Oberfläche des Festkörpers. Bei α = 0° besteht vollständige Benetzbarkeit, bei 0 < α 90° wird von nicht vollständiger Benetzbarkeit gesprochen und bei α < 90° ist Nichtbenetz barkeit gegeben. Die Porosität P eines Körpers ist das Ver hältnis des summierten Volumens der Hohlräume oder Poren des Körpers zu seinem Gesamtvolumen.

Die Nichtbenetzbarkeit und die Porengröße des Materials des Vorformhalters können so gewählt werden, daß die Vorform bei einem geringeren Druck mit der Metallschmelze infil triert wird als der Vorformhalter. Das heißt, daß mit einem Druck gearbeitet wird, bei dem das Material der Vorform, d. h. das Verstärkungsmaterial nicht aber das Material des Vorformhalters benetzt wird. Der Infiltrationsdruck kann aber auch so hoch sein, daß auch der Vorformhalter infil triert wird, da dieser üblicherweise ein so großes Volumen hat, daß die Vorform bereits vollständig infiltriert ist, bevor der Vorformhalter so weit infiltriert ist, daß er kein Gas mehr aufnehmen kann. Wenn der Vorformhalter nicht infil triert werden soll, muß der Druck, bei dem ein Infiltrieren des Vorformhalters beginnen würde, wenigstens das Zehnfache des Druckes betragen, bei dem die Infiltration der Vorform beginnt. Das optimale Druckverhältnis liegt bei wenigstens 25 : 1.

Auf diese Weise wird erreicht, daß nahezu bis zum Schluß des Infiltrationsvorganges Bereiche der Berührungs fläche zwischen dem Vorformhalter und der Vorform bleiben, die von der Metallschmelze nicht benetzt sind. Durch diese Bereiche kann die Luft, die beim Infiltrieren der Vorform durch die Metallschmelze verdrängt wird, in das Porennetz des Vorformhalters entweichen, wo diese Luft nicht weiter stört.

Um die gesamte Luft aus den Poren der Vorform in die Poren des Vorformhalters drücken zu können, darf der Gas druck, der in den Poren des Vorformhalters herrscht, nicht größer als der Infiltrationsdruck der Metallschmelze sein. Aus dieser Forderung und aus dem bekannten Zusammenhang, daß das Produkt aus Druck und Volumen eines Gases bei konstanter Temperatur konstant ist, ergibt sich die folgende Bemes sungsregel für den Vorformhalter:

wobei
V_H das Volumen des Vorformhalters,
P_H die offene Porosität des Vorformhalters (0 < P_H < 1),
V_T das Volumen der Vorform,
P_T die offene Porosität der Vorform (0 < P_T < 1),
p₁ den Infiltrationsdruck und
p₀ den Athmosphärendruck bezeichnen.

Wenn z. B. im Extremfall die Porosität der Vorform P_T fünfmal so groß wie die Porosität des Vorformhalters P_H ist, und der Infiltrationsdruck p₁ nur zehnmal so hoch wie der Druck vor der Infiltration p₀ ist, dann muß das Volumen des Vorformhalters V_H größer als 5/9 des Volumens der Vorform V_T sein. Diese Forderung ist ohne weiteres zu erfüllen.

Als Material für die Vorform ist insbesondere Graphit geeignet. Graphit ist schon aufgrund der Art seiner Herstel lung porös, hat eine hohe Nichtbenetzbarkeit und eine gute chemische Beständigkeit gegenüber Metallschmelzen. Dabei ist es bei erhöhten Temperaturen ausreichend fest. Graphit ist ein mit geringen Kosten verbundenes Material, kann in ein facher Weise zu Bauteilen der gewünschten Form gepreßt wer den und ist problemlos durch Fräsen, Bohren, Raspeln oder mit einem Messer bearbeitbar.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Anordnung vor dem Infil trieren. Eine zu infiltrierende Vorform 1 befindet sich in einem porösen Vorformhalter 3. Über diesem ist der sog. Speiser 2 aus dem Metallmaterial angeordnet, mit dem die Vorform 1 zu infiltrieren ist. Der Speiser 2 liegt noch in fester Form vor. Diese Anordnung befindet sich in einem Tiegel 4, der wie der Vorformhalter 3 gleichfalls aus Gra phit bestehen kann. Der Tiegel 4 kann aber auch aus einem mit einem Trennmittel beschichteten Stahlmaterial gebildet sein. Bei einem Graphittiegel ist es vorteilhaft, auch am Tiegelboden unterhalb des Vorformhalters 3 einen Speiser anzuordnen.

Die obige Anordnung befindet sich in einem beheizbaren und in einem kühlbaren Druckgefäß 5, das mit einem Deckel verschlossen ist.

Bei normalem Luftdruck wird über die im Druckgefäß 5 vorgesehene Heizwicklung 12 aufgeheizt, bis das Metallmate rial des Speisers 2a geschmolzen ist und auch die Vorform 1 entsprechend erwärmt ist. Die dann gebildete Metallschmelze 26 umschließt den Vorformhalter 3, wie es in Fig. 2 darge stellt ist, die den Zustand nach dem Aufschmelzen des Spei sers 2a zeigt. Bei einem Graphittiegel oder einem Tiegel 4 aus einem anderen luftdurchlässigen Material sollte der Vorformhalter 3 auch an seiner Unterseite nur mit der Me tallschmelze, nicht aber mit dem Tiegel 4 in Berührung kom men.

Über eine Öffnung 6 im Druckgefäß 5 wird dann pneuma tisch der Infiltrationsdruck aufgebracht, durch den die Schmelze in die Poren der Vorform 1 gedrückt wird, in denen der Gasdruck kleiner als der Infiltrationsdruck ist. Der Vorformhalter 3 sollte auch außen, beispielsweise durch die Schmelze von dem Druckgas abgeschirmt sein, durch welches der Infiltrationsdruck aufgebracht wird, da anderenfalls das Gas durch die Poren des Vorformhalters 3 in die Poren der Vorform 1 eindringen könnte und dort einen zu hohen Druck gegen die infiltrierende Schmelze aufbauen würde.

Nach der Infiltration wird die Anordnung mittels Kühl windungen 7 im Druckgefäß 5 schnell abgekühlt, wird der Druck abgelassen und wird der infiltrierte Körper 1, 2 aus geformt.

Das Erwärmen des Tiegels 4 samt seines Inhalts wird vorteilhafterweise außerhalb des Druckgefäßes 5 in einem Ofen durchgeführt, so daß der Tiegel 4 samt Inhalt erst nach einer Vorerwärmung in das Druckgefäß 5 gegeben wird. In diesem Fall entfällt die Heizwicklung 12, was die Kosten des Druckgefäßes 5 erniedrigt. Ein weiterer Vorteil dieser Aus bildung besteht darin, daß nach der Infiltration schneller abgekühlt werden kann, da das Druckgefäß 5 selbst nicht erwärmt wurde. Dadurch kann die Zykluszeit bei der Produk tion mehrerer Teile beträchtlich verkürzt werden, und sind die chemischen Reaktionen zwischen dem Verstärkungsmaterial und der heißen Metallschmelze geringer.

Der Vorformhalter 3 muß nicht vollständig aus einem porösen Material bestehen. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbei spiel eines Vorformhalters, der aus einem Außenmantel aus einem dichten Material 9 und einem Innenmantel aus einem porösen Material 8 besteht, die miteinander kombiniert sind. Im Innenmantel aus einem porösen Material 8 können Ausfrä sungen 10 vorgesehen sein, die die Aufnahmefähigkeit des Vorformhalters für die bei der Infiltration aus der Vorform verdrängte Luft erhöhen. Diese Ausfräsungen 10 entfalten ihre Wirkungen insbesondere dann, wenn an der Grenzfläche zwischen dem Innen- und dem Außenmantel 8 und 9 keine Schmelze eindringen kann. Hierzu kann eine hitzebeständige Dichtung 11 am Oberrand zwischen Innen- und Außenmantel vorgesehen sein, die beispielsweise in Form eines textilen Materials in Verbindung mit einem Kleber verwirklicht sein kann. Bei Verwendung des in Fig. 3 dargestellten Vorformhal ters muß beim Infiltrieren der Vorform der Vorformhalter nicht mit Schmelze umgeben sein, wie es in Fig. 2 darge stellt ist, so daß sich damit der Tiegel 4 erübrigt.

Bei dem obigen Verfahren sind nur Drücke bis maximal 150 bar erforderlich, bestehen hinsichtlich der Geometrie der hergestellten Metallmatrixverbundkörper kaum Einschrän kungen, sind weder teure Gießformen noch teure Maschinen erforderlich und können auch Bauteile hergestellt werden, die vollständig aus einem Metall-Matrix-Verbundwerkstoff und nicht aus einer Schicht dieses Werkstoffes mit einer Metall schicht bestehen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Metall-Matrix-Verbundwerk stoffen aus einer Metallmatrix, in die Verstärkungsmaterialien eingebettet sind, bei dem

- die Verstärkungsmaterialien in eine Vorform gebracht werden,
- die Vorform in einem Vorformhalter angeordnet wird und im Bereich der Formöffnung des Vorformhalters das Metallmaterial angeordnet wird, das die Metallmatrix bilden soll, und
- der Vorformhalter mit der Vorform und dem Metallmaterial bis zum Schmelzen des Metallmaterials erwärmt, mit Druck beauf schlagt und anschließend abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- ein Vorformhalter wenigstens teilweise aus einem Material mit offener Porosität, dessen Porennetz zur Aufnahme der Luft in der Vorform ausreicht, verwandt wird und
- die Vorform im Vorformhalter so angeordnet wird, daß sie an der Innenwand des Vorformhalters ohne Zwischenraum anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformhalter mit Vorform und Metallschmelze mit einem Druck beaufschlagt wird, der ausreicht, das Verstärkungsmaterial nicht aber das Material des Vorformhalters zu infiltrieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Material des Vorformhalters eine höhere Nichtbe netzbarkeit durch die Metallschmelze als das Ver stärkungsmaterial hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen und die Porosität des Vorform halters, das Volumen und die Porosität der Vorform und der In filtrationsdruck so gewählt werden, daß die folgende Beziehung erfüllt ist: wobei
V_H das Volumen des Vorformhalters,
P_H die offene Porosität des Vorformhalters (0 < P_H < 1),
V_T das Volumen der Vorform,
P_T die offene Porosität der Vorform (0 < P_T < 1),
p₁ den Infiltrationsdruck und
p₀ den Atmosphärendruck bezeichnen.

5. Vorformhalter zur Verwendung bei dem, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens teilweise aus einem Material mit offener Porosität besteht, dessen Poren netz zur Aufnahme der Luft in der Vorform ausreicht.

6. Vorformhalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Material mit einer höheren Nichtbenetzbarkeit durch die Metallschmelze als das Verstärkungsmaterial besteht.

7. Vorformhalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Graphit besteht.

8. Vorformhalter nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen Außenmantel aus einem dichten Material (9) und einem Innenmantel aus einem porösen Material (8), die miteinander verbunden sind.

9. Vorformhalter nach Anspruch 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenmantel aus einem porösen Material (8) Ausfräsungen (10) vorgesehen sind.

10. Vorformhalter nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine hitzebeständige Dichtung (11), die am oberen Rand zwischen dem Außenmantel aus einem dichten Material (9) und dem Innenmantel aus einem porösen Material (8) angeordnet ist.

11. Vorformhalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus einem mit einem Kleber kombinierten texti len Material besteht.