DE60206513T2 - Verbundwerkstoff aus borhaltiger keramik und aluminiummetall und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 29. August 2001 eingereichten Vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/315,883.
  • Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall. Insbesondere betrifft die Erfindung Borcarbid-Aluminium-Verbundstoffe.
  • Aluminium-Borcarbid-Verbundstoffe (ABC-Verbundstoffe) sind wegen ihrer geringeren Dichte und höheren Steifigkeit als Aluminiummetall von Interesse für Komponenten wie zum Beispiel Festplattenlaufwerke für Computer. Eines der wünschenswertesten Verfahren zur Bildung komplexer Formen aus Aluminium-Borcarbid-Verbundstoffen bestand darin, einen Vorformling aus Borcarbid mit Aluminium zu tränken. Das Infiltrationsverfahren resultiert in einem dichten ABC-Verbundstoff, der im Wesentlichen dieselbe Geometrie und dieselben Abmessungen hat wie der poröse Vorformling.
  • Weil Aluminiummetall eine Aluminiumoxidschicht aufweist, muß die Infiltration oder Tränkung leider bei einer hohen Temperatur (d.h. über 1000°C) durchgeführt werden. Zur Infiltration mußten also selbsttragende Vorformlinge verwendet werden. Die Verwendung größerer Mengen Aluminium in dem Vorformling war damit ausgeschlossen. Der Grund dafür ist, daß der Vorformling zusammenfällt und unvollständig getränkt wird, weil das Aluminium in dem Vorformling schmilzt und sintert und mit dem Borcarbid reagiert, so daß die Poren gegenüber dem Infiltrationsmetall verschlossen werden. Infolgedessen waren getränkte ABC-Verbundstoffe auf hohe Borcarbidkonzentrationen (d.h. mindestens 40 Vol-%) beschränkt. Die Untergrenze für einen selbsttragenden porösen partikulären Körper wird im allgemeinen mit 40 Prozent Partikel, Rest Poren, angenommen.
  • Zur Herstellung von ABC-Verbundstoffen mit hohen Aluminiumkonzentrationen wurden auch noch andere Verfahren verwendet, wie zum Beispiel das Festkörpersintern und Hochdruckverfahren unter der Schmelztemperatur von Aluminium. Das Sintern bei Temperaturen unter der Schmelztemperatur von Aluminium leidet jedoch an einem Sinterschwund, was in einer teuren Bearbeitung resultiert, so daß folglich aus wirtschaftlichen Gründen nur einfache Formen hergestellt werden können. Analog dazu sind Hochdruckverfahren, wie zum Beispiel das Extrudieren von Aluminium und Borcarbid, kostspielig und von den machbaren Formen her begrenzt. Da das Aluminium bei diesen Verfahren nicht schmilzt, ist außerdem die Bindung zwischen dem Borcarbid wesentlich geringer als dann, wenn das Aluminium schmilzt und mit dem Borcarbid reagiert. Folglich wird mit diesen Verfahren ein Verbundstoff hergestellt, dessen Eigenschaften nicht ganz optimal sind.
  • Außerdem wurde Borcarbid in geschmolzenes Aluminium gegossen, aber da Borcarbid rasch mit geschmolzenem Aluminium reagiert und zu Bormetall, Kohlenstoff und wasserlöslichem Aluminiumcarbid zerfällt, wird das Borcarbid zunächst mit einem Schutzmetall wie zum Beispiel Silber gekapselt. Bei diesen Verfahren ist es leider nicht möglich, schädliche Phasen, die die Festigkeit reduzieren (zum Beispiel Al4C3), ohne einen zusätzlichen teuren Schritt des Beschichtens des Borcarbids vor dem Gießen einzudämmen. Diese Schutzschicht verhindert, daß das Borcarbid eine Grenzflächenbindung mit dem Aluminium eingeht (mit dem Aluminium reagiert), um zum Beispiel einen stabileren Verbundstoff herzustellen.
  • Demzufolge wäre es wünschenswert, ein Material und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eines oder mehrere der Probleme des Standes der Technik, zum Beispiel eines der oben beschriebenen, überwunden werden.
  • Die US-A-5143540 offenbart Verbundstoffe hoher Dichte, die 70 Prozent B4C und 30 Prozent Al oder 65 Prozent B4C und 35 Prozent Al umfassen. Die Verbundstoffe werden nach einem Verfahren hergestellt, bei dem das B4C- und Al-Pulver unter Bildung eines Grünlings gemischt werden und der Grünling bei 625°C mit Al getränkt wird.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich um Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall mit den folgenden Schritten:
    • (a) eine borhaltige Keramik wird mit einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallpulver gemischt, wobei die borhaltige Keramik über der Schmelztemperatur von Aluminium mit Aluminium reagieren kann,
    • (b) die in Schritt (a) erhaltene Mischung wird zu einem porösen Vorformling geformt,
    • (c) der poröse Vorformling wird mit einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Infiltrationsmetall in Kontakt gebracht, das eine niedrigere Schmelztemperatur hat als das Metallpulver, und
    • (d) der poröse Vorformling und das Infiltrationsmetall werden auf eine Infiltrationstemperatur erwärmt, die ausreicht, um das Infiltrationsmetall zu schmelzen, aber nicht ausreicht, um das Metallpulver zu schmelzen, so daß das Infiltrationsmetall den porösen Vorformling durchsetzt und einen im wesentlichen dichten Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall bildet.
  • Überraschenderweise ist das Verfahren in der Lage, mit Hilfe der Infiltration zum Beispiel einen im wesentlichen dichten fast netzförmigen Verbundstoff aus Borcarbid und Aluminiummetall unter der Schmelztemperatur von reinem Aluminium (d.h. 660°C) herzustellen. "Im wesentlichen dicht" bezeichnet einen Körper, der eine Dichte von mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte hat. Außerdem erlaubt das Verfahren eine bessere Bindung zum Beispiel zwischen Borcarbid und Aluminium, weil infolge der niedrigen Infiltrationstemperaturen zwischen dem Borcarbid und dem Aluminium auf kontrollierte Weise Reaktionsphasen entstehen. Dies erlaubt wiederum die Herstellung eines neuen Körpers aus Borcarbid und Aluminium mit einer hohen Konzentration von Aluminium, der infolge der kontrollierten Reaktion des niedriger schmelzenden Aluminiums mit Borcarbid eine bessere Bindung hat.
  • Bei einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich um einen Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall mit einer Dichte von mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte und bestehend aus mindestens 60 Vol.-% Aluminiummetall oder einer Legierung desselben, wobei die borhaltige Keramik und mindestens ein Reaktionsprodukt der borhaltigen Keramik mit Aluminium in dem Aluminiummetal oder der Legierung desselben dispergiert sind.
  • Der Verbundstoff aus Keramik und Metall kann bei Anwendungen verwendet werden, die von Eigenschaften wie zum Beispiel einer niedrigen Dichte und höheren Steifigkeit als Aluminiummetall profitieren. Beispiele für Bauteile sind Laufwerkskomponenten (zum Beispiel Elektronikblöcke, Aufhängungsarme, Platten, Lager, Aktuatoren, Klemmen, Spindeln, Grundplatten und Gehäuseabdeckungen); Bremsenbauteile (zum Beispiel Bremsklötze, Bremstrommeln, Bremsscheiben, Gehäuse und Kolben); Bauteile für die Luft- und Raumfahrt (zum Beispiel Satellitenspiegel, Gehäuse, Reglerstangen, Propeller und Ventilatorflügel); Kolbenmotorbauteile (zum Beispiel Ventile, Einlaß- und Auslaßkrümmer, Ventilhebel, Ventilfedern, Kraftstoffeinspritzdüsen, Kolben, Nockenwellen und Zylinderbüchsen) und sonstige Konstruktionsbauteile oder Sportgeräte (zum Beispiel Fahrradrahmen, Roboterarme, Tiefseebojen, Baseballschläger, Golfschläger, Tennisschläger und Pfeile).
  • Bei der Herstellung des Verbundstoffs aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall (BCAM-Verbundstoff) wird eine borhaltige Keramik mit Aluminium oder einer Legierung desselben gemischt. Die borhaltige Keramik kann über der Schmelztemperatur von Aluminium mit Aluminium reagieren. Geeignete borhaltige Keramiken umfassen zum Beispiel Borcarbid, Aluminiumborcarbide (zum Beispiel Al4BC, Al3B48C2 Und AlB24C4) und Metallboride (TiB2, AlB2, AlB12, SiB6, SiB4 und ZrB) und Mischungen davon. Vorzugsweise handelt es sich bei der borhaltigen Keramik um Borcarbid und Titandiborid. Am meisten bevorzugt handelt es sich bei der borhaltigen Keramik um Borcarbid.
  • Die borhaltige Keramik kann jede Morphologie (zum Beispiel Partikel, Whisker oder Fasern), jede Größe und Größenverteilung haben, die sich zur Herstellung eines porösen Vorformlings, der infiltriert werden kann, eignen. Im allgemeinen besteht die borhaltige Keramik aus Partikeln zwischen 0,1 und 150 μm. Vorzugsweise haben die Partikel eine Größe von mindestens 0,2 und mehr bevorzugt mindestens 0,5 μm bis höchstens 100 μm und mehr bevorzugt höchstens 50 μm.
  • Das Metallpulver aus Aluminium oder einer Aluminiummetall-Legierung kann aus jeder geeigneten Legierung bestehen, solange das Pulver nicht bei einer Temperatur schmilzt, die ausreicht, um das Infiltrationsmetall infiltrieren zu lassen. Da das Metallpulver und das Infiltrationsmetall aus Aluminium bestehen, werden sie bei Infiltration wenigstens teilweise eine Aluminiumlegierung bilden. Vorzugsweise werden sie bei Infiltration eine homogene Aluminiumlegierung bilden.
  • Das Metallpulver kann außerdem jede Morphologie, Größe und Größenverteilung haben, die geeignet ist, den porösen Vorformling zu bilden. Das speziell ausgewählte Metallpulver wird sich nach der letzten Endes gewünschten BCAM-Mikrostruktur richten. Zum Beispiel werden BCAM-Verbundstoffe mit gleichmäßigeren Mikrostrukturen normalerweise hergestellt, wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Borcarbids gleich oder größer ist als die Größe des Metallpulvers. Metallpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße größer als das Borcarbid bilden im allgemeinen BCAM-Verbundstoffe mit charakteristischen bimodalen Mikrostrukturen. Dies wird auf die Bildung von Lachen von geschmolzenem Aluminium zurückgeführt, die im allgemeinen im Wachstum großer zwei- und dreistoffiger AIBC-Phasen resultieren. Im allgemeinen kann man sagen, je größer die Metallteilchen im Verhältnis zu den Borcarbidteilchen, umso größer die Keramikkörnchen des reaktionsfähigen Produkts nach Abschluß der Infiltration und Reaktion. Schließlich erzeugen Mischungen von Metallpulvern mehrerer Korngrößen einzigartige Netze größerer und kleinerer, in situ gebildeter Reaktionsphasen.
  • Im allgemeinen beträgt die Teilchengröße des Metallpulvers von 1 μm bis 500 μm. Vorzugsweise beträgt die Teilchengröße des Metallpulvers mindestens 10 μm, mehr bevorzugt mindestens 15 μm und am meisten bevorzugt mindestens 25 μm bis vorzugsweise höchstens 300 μm, mehr bevorzugt höchstens 150 μm und am meisten bevorzugt höchstens etwa 100 μm.
  • Die Menge an Metallpulver sollte eine Menge sein, die ausreicht, damit das Infiltrationsmetall eindringen und einen im wesentlichen dichten Verbundstoff bilden kann. Die Menge an Metallpulver beträgt im allgemeinen mindestens 10 Vol.-% bis höchstens 99 Vol.-% der Feststoffe in der Mischung (zum Beispiel schließen die Feststoffe keine organischen Verbindungen ein, die bei Raumtemperatur fest sind, zum Beispiel "Wachse", die anschließend vor der Infiltration entfernt werden). Vorzugsweise beträgt die Menge an Metallpulver mindestens 15 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 20 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens 25 Prozent bis höchstens 99 Prozent, mehr bevorzugt höchstens 80 Prozent und am meisten bevorzugt höchstens 70 Prozent.
  • Das Metallpulver kann Aluminium oder eine Legierung desselben sein, solange die Schmelztemperatur ausreichend höher ist als die des Infiltrationsmetalls, um die Bildung eines im wesentlichen dichten Verbundstoffs zu erlauben. Geeignete Aluminiumlegierungen umfassen jene, die in der Technik bekannt sind, zum Beispiel jene, die in Kapitel 16.80–16.98 von Eschbach's Handbook of Engineering Fundamentals, 4. Auflage, Hrsg. B.D. Tapley, John Wiley & Sons, Inc. NY, 1990, beschrieben sind. Spezielle Beispiele für Legierungen umfassen Aluminiumlegierungen, die eines oder mehrere von Cu, Mg, Si, Mn, Cr und Zn enthalten. Beispielhafte Aluminiumlegierungen umfassen Al-Cu, Al-Mg, Al-Si, Al-Mn-Mg und Al-Cu-Mg-Cr-Zn. Spezielle Beispiele für Aluminiumlegierungen sind die Legierung 6061, die Legierung 7075 und die Legierung 1350, jeweils erhältlich bei der Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pennsylvania.
  • Das Mischverfahren kann jedes geeignete Verfahren sein, zum Beispiel jene, die in der Technik bekannt sind. Beispiele für geeignete Verfahren umfassen das Mischen in der Kugelmühle, in der Mahlscheibenmühle, im Bandmischer, im Umlaufschneckenmischer, im V-Mischer und im Fließbettmischer. Das Mischen in der Kugelmühle in einem Lösungsmittel wie zum Beispiel Ethanol, Heptan, Methanol, Aceton und anderen organischen Lösungsmittel mit niedrigem Molekulargewicht mit Mahlmedien wie zum Beispiel Medien aus Aluminiumoxid und Borcarbid liefert im allgemeinen zufriedenstellende Ergebnisse. Es können noch weitere Additive zugegeben werden, die bei der Herstellung des porösen Körpers aus der Mischung von Nutzen sind, wie zum Beispiel Dispergiermittel, Bindemittel und Schmiermittel.
  • Es kann jedes geeignete Verfahren zum Formen der Mischung verwendet werden, um den porösen Vorformling zu bilden. Geeignete Formverfahren umfassen zum Beispiel das Schlicker- oder Druckgießen, Preß- und Kunststoffformverfahren (zum Beispiel das Überdrehen, Spritzgießen und Extrudieren). Das Herstellen des porösen Körpers kann ggf. das Entfernen von Lösungsmittel und organischen Additiven wie zum Beispiel Dispergiermitteln, Schmiermitteln und Bindemitteln nach dem Formen der Mischung mit einschließen. Die obengenannten Verfahren und Schritte werden jeweils in der Veröffentlichung Introduction to the Principles of Ceramic Processing, J. Reed, J. Wiley and Sons, N.Y., 1988, näher beschrieben.
  • Nach dem Entfernen organischer Additive oder Verarbeitungshilfen kann der poröse Vorformling jede Dichte haben, mit der der Keramik-Metall-Verbundstoff noch gebildet werden kann, die aber im allgemeinen begrenzt ist auf mindestens 40 Prozent der theoretischen Dichte (d.h. 60 Vol.-% Porosität) bis 85 Prozent der theoretischen Dichte (d.h. 15 Vol.-% Porosität). Die Untergrenze ergibt sich daraus, daß Körper mit einer viel größeren Porosität nicht selbsttragend sein werden. Die Obergrenze liegt dort, wo eine beachtliche Menge der Poren verschlossen werden und nicht infiltriert werden können. Die Dichte des porösen Körpers beträgt vorzugsweise mindestens 45 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 50 Prozent, am meisten bevorzugt mindestens 60 Prozent bis vorzugsweise höchstens 80 Prozent und mehr bevorzugt höchstens 75 Prozent der theoretischen Dichte.
  • Der Vorformling wird mit einem Infiltrationsmetall in Kontakt gebracht, das Aluminium oder eine Legierung desselben ist. Das Aluminium oder die Aluminiumlegierung wird je nach dem in den porösen Vorformling eingebrachten Metallpulver ausgewählt (d.h. es muß eine ausreichend niedrigere Schmelztemperatur haben, um einen im wesentlichen dichten Verbundstoff zu bilden). Das Infiltrationsmetall kann jedes geeignete Metall sein, wie zum Beispiel jene Metalle, die in Zusammenhang mit dem Metallpulver beschrieben wurden. Das Infiltrationsmetall kann auf jede geeignete Weise in Kontakt gebracht werden, indem es zum Beispiel auf den Vorformling gelegt wird oder indem es in Pulverform in einen feuerfesten Tiegel gegeben wird und der Vorformling oben auf das Infiltrationsmetallpulver gelegt wird.
  • Der mit dem Infiltrationsmetall in Kontakt gebrachte poröse Vorformling wird so lange, bis ein im wesentlichen dichter Verbundstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall entsteht, auf eine Infiltrationstemperatur erwärmt, die ausreicht, um das Infiltrationsmetall zu schmelzen, aber nicht ausreicht, um das in den Vorformling eingebrachte Metallpulver zu schmelzen. Im allgemeinen liegt die Infiltrationstemperatur mindestens 10°C unter der Temperatur, wo es zum Schmelzen des Metallpulvers kommt. Vorzugsweise liegt die Infiltrationstemperatur mindestens 20°C, mehr bevorzugt mindestens 30°C und am meisten bevorzugt mindestens 40°C unter der Temperatur, wo es zum Schmelzen des Metallpulvers kommt.
  • Es sei unbedingt angemerkt, daß das Schmelzen des Pulvers wegen der Oxidschicht auf den Teilchen über der Schmelztemperatur des reinen Aluminiums oder der reinen Legierung, woraus das Pulver besteht, stattfinden kann. Das heißt, wenn die Oxidschicht dick genug ist, kann die Infiltrationstemperatur über der Schmelztemperatur eines nicht oxidierten Metallpulvers (d.h. reines Metall) liegen. Der Grund dafür ist, daß die Oxidschicht die Form der Teilchen beibehalten und das Fließen infolge des Schmelzens des Metalls unterbinden kann. Im allgemeinen sind Infiltrationstemperaturen über der Schmelztemperatur des reinen Metalls der Metallteilchen für kleinere Teile von Nutzen. Größere Teile können im allgemeinen wegen längerer Infiltrationszeiten und größerer Spannungen, die zum Zusammenfallen infolge des Aufbrechens der Oxidschichten und zum Einfließen des Metalls in die Metallteilchen führen können, nicht auf diese höheren Infiltrationstemperaturen erwärmt werden. Falls gewünscht, kann das Aluminiumpulver behandelt werden, um die Oxidschicht zum optimieren, zum Beispiel indem das Pulver vor dem Mischen in einer Sauerstoffatmosphäre erwärmt wird.
  • Die Infiltrationstemperatur richtet sich nach dem verwendeten Metallpulver und Infiltrationsmetall, beträgt aber im allgemeinen höchstens 730°C. Vorzugsweise beträgt die Infiltrationstemperatur höchstens 700°C, mehr bevorzugt höchstens 660°C (etwa die Schmelztemperatur von reinem Aluminium) und am meisten bevorzugt höchstens 640°C. Außerdem sollte die Infiltrationstemperatur vorzugsweise unter der Schmelztemperatur des Metallpulvers ohne Metalloxidschicht (d.h. reines Metall) liegen. Vorzugsweise liegt die Infiltrationstemperatur mindestens 10°C, mehr bevorzugt mindestens 20°C und am meisten bevorzugt mindestens 40°C unter der Schmelztemperatur des reinen Metalls des verwendeten Metallpulvers. Die Zeit auf der Infiltrationstemperatur kann jede geeignete Zeit zur Herstellung des Verbundstoffs sein. Im allgemeinen beträgt die Zeit von 1 Minute bis 24 Stunden. Vorzugsweise beträgt die Zeit mehrere Minuten bis mehrere Stunden.
  • Die Erwärmung kann unter jeder geeigneten Atmosphäre erfolgen. Zum Beispiel kann die Erwärmung in einer inerten Atmosphäre (z.B. Edelgase oder Mischungen davon) bei Atmosphärendruck oder im Vakuum erfolgen. Vorzugsweise wird die Erwärmung im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre bei einem Druck kleiner oder gleich Atmosphärendruck durchgeführt. Mehr bevorzugt wird die Erwärmung im Vakuum durchgeführt.
  • Außerdem wurde entdeckt, daß nach Bildung des im wesentlichen dichten BCAM-Verbundstoffs der BCAM-Verbundstoff weiter auf eine Temperatur erwärmt werden kann, die über der Schmelztemperatur des Metallpulvers liegt, ohne daß der dichte BCAM-Verbundstoff zusammenfällt oder sich verformt. Diese weitere Wärmebehandlung verbessert die Bindung (Reaktion) zwischen der Ausgangskeramik und dem Aluminiummetall in dem Verbundstoff, womit sich zum Beispiel die Festigkeit des BCAM-Verbundstoffs erhöht. Die Temperatur dieser weiteren Wärmebehandlung darf jedoch nicht so hoch sein bzw. so lange gehalten werden, daß sich der BCAM-Verbundstoff verformt oder zusammenfällt oder daß sich die Keramik zersetzt oder schädliche Phasen bildet (zum Beispiel Aluminiumcarbid). Es versteht sich also, daß die Temperatur dieser weiteren Wärmebehandlung wesentlich höher sein kann als die Schmelztemperatur des Metallpulvers, solange die Zeit kurz ist. Wenn zum Beispiel für die Wärmebehandlung auf eine Temperatur von 1025°C erwärmt wird, muß die Zeit sehr kurz sein, zum Beispiel weniger als 10 Minuten. Wenn dagegen die Temperatur knapp über der Temperatur liegt, wo das reine Metall des Metallpulvers zu schmelzen beginnt, kann die Zeit bei dieser Temperatur mehrere Stunden betragen.
  • Kurz gesagt, der BCAM-Verbundstoff, der nach diesem Verfahren hergestellt wird, ist im wesentlichen dicht, d.h. er hat eine Dichte von mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte. Vorzugsweise hat der Verbundstoff eine Dichte von mindestens 97 Prozent, mehr bevorzugt mindestens 98 Prozent, noch mehr bevorzugt mindestens 99 Prozent und am meisten bevorzugt im wesentlichen 100 Prozent der theoretischen Dichte.
  • Der BCAM-Verbundstoff besteht aus einer Metallmatrix, bei der es sich um eine Aluminiumlegierung mit einer borhaltigen Keramik (Ausgangskeramikpulver, mit dem der Vorformling hergestellt wird) und mindestens eine Reaktionsphase handelt, die ein Reaktionsprodukt der borhaltigen Keramik mit Aluminium ist. Wenn die borhaltige Keramik Borcarbid ist, wird also der Verbundstoff Borcarbid, Aluminiumlegierung und eine Reaktionsphase enthalten, wie zum Beispiel AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, Al4C3 und AlB24C4. Bei dieser Ausführungsform ist Al4C3 vorzugsweise höchstens in einer Spurenmenge und mehr bevorzugt überhaupt nicht vorhanden.
  • Die Menge an Metall in dem BCAM-Verbundstoff beträgt mindestens 60 Vol.-%. Vorzugsweise beträgt die Menge an Metall mindestens 65 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 70 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens 75 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens 95 Vol.-%, mehr bevorzugt höchstens 90 Vol.-% und am meisten bevorzugt höchstens 85 Vol.-% des Verbundstoffs. Der Rest des Verbundstoffs ist die anfängliche borhaltige Keramikphase und das Reaktionsprodukt.
  • Vorzugsweise sind mindestens 10 Vol.-% der zur Herstellung des porösen Vorformlings verwendeten borhaltigen Keramik in dem BCAM-Verbundstoff vorhanden. Das heißt, mindestens 10 Prozent der borhaltigen Keramik wurde nicht zu dem Reaktionsprodukt umgesetzt. Vorzugsweise sind mindestens 50 Vol.-%, mehr bevorzugt mindestens 75 Vol.-%, noch mehr bevorzugt mindestens 80 Vol.-% und am meisten bevorzugt mindestens 85 Vol.-% bis vorzugsweise höchstens 99 Vol.-% der borhaltigen Keramik in dem BCAM-Verbundstoff vorhanden. Das heißt, die Menge an Keramik (d.h. borhaltige Keramik und Reaktionsprodukt) in dem Verbundstoff besteht aus mindestens 10 Vol.-% der borhaltigen Keramik.
  • Der Verbundstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine verbesserte Bindung, was einen Verbundstoff ergibt, der sowohl leicht als auch steifer als Aluminium ist, wobei die Zähigkeit von Aluminium zum Großteil, wenn nicht ganz, beibehalten wird. Deshalb ist der Verbundstoff besonders nützlich für Fahrzeugteile. "Fahrzeug" bedeutet jede motorisierte Transportvorrichtung mit Rädern, wie zum Beispiel ein Fahrrad, Motorrad, Auto, Lastkraftwagen, Bus, Flugzeug und Zug. Bei den Teilen handelt es sich unter anderem um Bremsenteile, Aufhängungsteile, Karosserieteile, Lenkungsteile, Radfelgen, Motorteile, Teile der Kühl- oder Heizanlage, Teile der Klimaanlage, Teile der Kraftstoffanlage, Teile der Auspuffanlage, Getriebeteile, Kupplungsteile oder Teile der Antriebsachse.

Claims (21)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall mit den folgenden Schritten: (a) eine borhaltige Keramik wird mit einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallpulver gemischt, wobei die borhaltige Keramik über der Schmelztemperatur von Aluminium mit Aluminium reagieren kann, (b) die in Schritt (a) erhaltene Mischung wird zu einem porösen Vorformling geformt, (c) der poröse Vorformling wird mit einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Infiltrationsmetall in Kontakt gebracht, das eine niedrigere Schmelztemperatur hat als das Metallpulver, und (d) der poröse Vorformling und das Infiltrationsmetall werden auf eine Infiltrationstemperatur erwärmt, die ausreicht, um das Infiltrationsmetall zu schmelzen, aber nicht ausreicht, um das Metallpulver zu schmelzen, so daß das Infiltrationsmetall den porösen Vorformling durchsetzt und einen im wesentlichen dichten Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall aus mindestens einem Reaktionsprodukt der borhaltigen Keramik mit Aluminium besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die borhaltige Keramik Borcarbid ist.
  4. Verfahren nach Anspruch. 3, bei dem das Reaktionsprodukt aus AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, Al4C3, AlB24C4 oder Mischungen davon besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Reaktionsprodukt aus AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, AlB24C4 oder Mischungen davon besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens 60 Vol.-% des Verbundwerkstoffs aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall Aluminium oder eine Legierung desselben ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem mindestens 70 Vol.-% des Verbundwerkstoffs aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetal Aluminium oder eine Legierung desselben ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Infiltrationstemperatur mindestens 10°C unter der Temperatur liegt, bei der das Metallpulver schmilzt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Infiltrationstemperatur mindestens 20°C unter der Temperatur liegt, bei der das Metallpulver schmilzt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Metall weiter auf eine Wärmebehandlungstemperatur erwärmt wird, die über einer Temperatur liegt, wo das Metallpulver schmilzt.
  11. Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall mit einer Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte und bestehend aus mindestens 60 Vol.-% Aluminiummetall oder einer Legierung desselben, wobei die borhaltige Keramik und mindestens ein Reaktionsprodukt der borhaltigen Keramik mit Aluminium in dem Aluminiummetall oder der Legierung desselben dispergiert sind.
  12. Verbundwerkstoff aus borhaltiger Keramik und Aluminiummetall nach Anspruch 11, bei dem der Verbundwerkstoff aus mindestens 70 Vol.-% Aluminium oder einer Legierung desselben besteht.
  13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 11, bei dem die borhaltige Keramik Borcarbid ist und das Reaktionsprodukt aus AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, Al4C3, AlB24C4 oder Mischungen davon besteht.
  14. Verbundwerkstoff nach Anspruch 13, bei dem das Reaktionsprodukt AlB2, Al4BC, Al3B48C2, AlB12, AlB24C4 oder Mischungen davon ist.
  15. Verbundwerkstoff nach Anspruch 13, bei dem die borhaltige Keramik in dem Verbundwerkstoff in einer Menge von mindestens 10 Vol.-% der Gesamtmenge der borhaltigen Keramik und des in dem Verbundwerkstoff vorhandenen Reaktionsprodukts vorliegt.
  16. Verbundwerkstoff nach Anspruch 15, bei dem die Menge an borhaltiger Keramik mindestens 50 Vol.-% der Gesamtmenge der borhaltigen Keramik und des in dem Verbundwerkstoff vorhandenen Reaktionsprodukts ausmacht.
  17. Verbundwerkstoff nach Anspruch 16, bei dem die Menge an borhaltiger Keramik mindestens 75 Vol.-% der Gesamtmenge der borhaltigen Keramik und des in dem Verbundwerkstoff vorhandenen Reaktionsprodukts ausmacht.
  18. Fahrzeugteil aus dem Verbundwerkstoff nach Anspruch 11.
  19. Teil nach Anspruch 18, bei dem das Fahrzeugteil ein Bremsenteil, Aufhängungsteil, Karosserieteil, Lenkungsteil, eine Radfelge, ein Motorteil, ein Teil des Kühl- oder Heizsystems, ein Teil der Klimaanlage, ein Teil der Kraftstoffanlage, ein Teil der Auspuffanlage, ein Getriebeteil, ein Kupplungsteil oder ein Antriebsachsenteil ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Erwärmung im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre bei einem Druck gleich oder kleiner als Atmosphärendruck erfolgt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Erwärmung im Vakuum erfolgt.
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