DE68906740T2 - Metallische Zusammensetzung enthaltend Zinkoxyd-Whisker. - Google Patents
Metallische Zusammensetzung enthaltend Zinkoxyd-Whisker.Info
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Description
- Diese Erfindung betrifft Metallmischungen und insbesondere durch Whiskers verstärkte Metalle (WVM), die für die Anwendung bei Flugzeugen bzw. Luftfahrzeugen, Raumfahrzeugen, Kraftfahrzeugen, Sportgeräten und dergleichen geeignet sind. Sie betrifft ferner spanabhebend bearbeitbare Metallmischungen, die zweckmäßig durch Zerspanungsvorgänge wie z.B. Bearbeiten auf der Drehmaschine, Bohren, Zahnradschneiden bzw. -fräsen und Räumen oder durch Schleifvorgänge unter Anwendung von Schleifscheiben maschinell bearbeitet werden.
- Da Whiskers im allgemeinen eine sehr kleine Zahl von Versetzungen bzw. Dislokationen aufweisen, was mit dem Vorteil verbunden ist, daß die Festigkeit in der Nähe eines Idealwerts der Kristalle liegt, sind sie in Kombination mit verschiedenen Metallen verwendet worden, um die Festigkeit und den Elastizitätsmodul zu verbessern. Typische Whiskers, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, schließen die von β-SiC, α-SiC, α-Si&sub3;N&sub4;, Graphit (C), Kaliumtitanat (K&sub2;O 6 TiO&sub2;), Al&sub2;O&sub3;, Cu, Fe, W und dergleichen ein.
- Wenn Metalle durch diese Whiskers verstärkt werden, werden nicht nur die Festigkeit und der Elastizitätsmodul verbessert, sondern wird zusammen mit einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit auch die Festigkeit bei hoher Temperatur außerordentlich verbessert. Außerdem haben die durch Whiskers verstärkten Metalle im Unterschied zum Fall von faserverstärktem Metall (FVM), bei dem Endlosfasern verwendet werden, den Vorteil, daß sie beispielsweise durch Walzen, Strangpressen, Schmieden oder dergleichen hergestellt werden können.
- Andererseits sind zur Erleichterung der maschinellen Bearbeitung und für eine hohe Genauigkeit der maschinellen Bearbeitung Metallwerkstoffe erwünscht, die eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit zeigen. Zu diesem Zweck sind Versuche gemacht worden, bei denen Metallen verschiedene Elemente oder Komponenten Zugesetzt wurden. Einige Metallmischungen sind nun der praktischen Verwendung zugeführt worden. Bekannte Zusatzkomponenten schließen beispielsweise Elemente wie z.B. Cu, Pb, S, Mn, Si, C, P, N, Se, Te, Bi und dergleichen, anorganische Füllstoffe wie z.B. Calciumsilicat, Glimmer, Talk, Asbest, Mineralfasern und dergleichen und anorganische Whiskers wie z.B. von Kaliumtitanat ein. Diese Komponenten müssen unerwünschterweise in großen Mengen beigemischt werden, damit sie eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit verleihen.
- Vor allem die Verwendung bekannter Whiskers zur Verstärkung von Metallen ist nicht immer vorteilhaft. Die bekannten Whiskers haben die Gestalt einfacher nadelförmiger Fasern. Wenn diese Whiskers beispielsweise mit einem Metall in Form eines Pulvers oder einer Schmelze vermischt werden und auf die Mischung - zum Beispiel durch Strangpressen - ein Druck ausgeübt wird, werden die Whiskers leicht in eine Richtung ausgerichtet oder orientiert, längs deren der Druck ausgeübt worden ist. Dadurch wird bewirkt, daß die Festigkeit der Mischung anisotrop ist. Entlang der Richtung der Ausrichtung wird hohe Festigkeit erzielt, jedoch nimmt die Verstärkungswirkung entlang Richtungen, die auch nur geringfügig von der Ausrichtungsrichtung abweichen, in beträchtlichem Maße ab.
- Zur Erzielung von hoher Festigkeit ist es üblich, die Whiskers in einem Anteil von 15 Volumen% bis 30 Volumen% oder darüber anzusetzen. Das Ansetzen einer so großen Menge der Whiskers ergibt Verbundwerkstoffe, die vom Standpunkt der Zerspanungs- oder Schleifvorgänge zu hart sind. Es ist somit schwierig, die Verbundwerkstoffe maschinell zu bearbeiten.
- Außerdem ist das Verfahren zur Herstellung bekannter Whiskers kompliziert und mit einer schlechten Ausbeute verbunden, weshalb sie teuer sind.
- Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff bereitzustellen.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff bereitgestellt, der eine Mischung aus einem Metall und in der Metallmatrix dispergierten Zinkoxidteilchen enthält, wobei jedes der Zinkoxidteilchen mindestens einen Nadelkristall mit einer von einem Grundteil entfernten Spitze aufweist, wobei dieser Grundteil einen Durchmesser von 0,7 bis 14 Mikrometern hat und der Nadelkristall vom Grundteil bis zur Spitze eine Länge von 3 bis 200 Mikrometern hat.
- Vorzugsweise haben mindestens einige der erwähnten Zinkoxidteilchen einen Zentralkörper mit mehr als einem Nadelkristall, der aus dem Zentralkörper radial vorspringt.
- Es wird besonders bevorzugt, daß vier Nadelkristalle vorhanden sind, die aus dem Zentralkörper radial vorspringen, wodurch eine Vierbeinform gebildet wird.
- Wenn solche Teilchen mit Metallen vermischt werden, neigen jedoch die vorspringenden Nadelkristalle dazu, zu zerbrechen, wobei diese Neigung von der Art des Vermischens und von der Länge der Nadelkristalle abhängt. Die Zinkoxidteilchen, die in der Metallmatrix dispergiert sind, können folglich eine Mischung von Teilchen in Form von Nadelkristallen ohne assoziierte Körper und von ganzen oder zerbrochenen Kristallen, die einen Zentralkörper mit mindestens einem Nadelkristall, der aus dem Zentralkörper radial vorspringt, aufweisen, sein.
- Die Metallmatrix sollte vorzugsweise aus mindestens einem Bestandteil einer Gruppe, die aus Aluminium, Magnesium, Titan und Kupfer besteht, hergestellt sein. Dar Bestandteil schließt natürlich Legierungen dieser Metalle ein.
- Die Zinkoxidteilchen in einem Werkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung können derart wirken, daß sie die mechanische Festigkeit des Werkstoffs verbessern, während sie ihm eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit belassen, und solche Teilchen werden mit geringeren Kosten als bekannte Whiskers hergestellt.
- Ferner kann solch ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der durch Zinkoxidteilchen verstärkt ist, deren Kristallform von der Form einer Nadel oder einer Faser verschieden ist, eine beträchtlich verminderte Anisotropie seiner Festigkeit haben oder die Anisotropie vollständig verlieren.
- Ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung, der eine große Zahl von Zinkoxidteilchen enthält, kann eine gute maschinelle Bearbeitbarkeit haben, und ein Metall-Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung, der eine gesteuerte Zahl von Zinkoxidteilchen enthält, kann eine gute spanabhebende Bearbeitbarkeit und eine gute mechanische Festigkeit haben.
- Die einzige Figur ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die die Kristalle von typischen Zinkoxid-Whiskers zeigt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
- Wie vorstehend beschrieben wurde, enthält die Metallmischung der Erfindung eine Metallmatrix und Zinkoxidteilchen, die in der Matrix dispergiert sind. Zuerst werden die Zinkoxidteilchen beschrieben, die nachstehend allgemein mit dem Ausdruck "Whiskers" bezeichnet werden.
- Nun wird auf die beigefügte Figur Bezug genommen, in der typische Zinkoxid-Whiskers gezeigt sind, die gemäß der Erfindung verwendet werden. Jeder Whisker hat einen Zentralkörper und mehr als einen Nadelkristall der aus dem Zentralkörper radial vorspringt, und hat somit eine Vierbeinform, wie sie vor allem in der Figur gezeigt ist. Die Zahl der Nadelkristalle beträgt hauptsächlich vier. Während der Herstellung oder der Behandlung oder des Vermischens der Whiskers können diese Nadelkristall- Vorsprünge jedoch zerbrochen werden, so daß Whiskers gebildet werden, die einen, zwei und/oder drei Nadelkristall(e) haben. Das Ausmaß des Zerbrechens kann von der Art der Behandlung bzw. Handhabung der Whiskers abhängen. In diesem Sinne solten die Whiskers der Erfindung allgemein einen Nadelkristall umfassen, der einen Grundteil mit einem Durchmesser von 0,7 bis 14 Mikrometern hat und bei dem die Länge des Nadelkristalls vom Grundteil bis zur Spitze 3 bis 200 Mikrometer beträgt. Je nachdem können die Whiskers mit der Vierbeinform vollständig erhalten bleiben oder alle Nadelkristalle vollständig zerbrochen werden. In der Metallmischung der Erfindung sind alle Gestalten der Zinkoxid-Whiskers verwendbar. In diesem Zusammenhang werden die Whiskers mit der Vierbeinform isotrop dispergiert, wenn sie in eine Metallmatrix eingemischt werden. Die Whiskers können somit in bezug auf die Festigkeit der fertigen Metallmischung das Problem der Anisotropie in einer Richtung lösen.
- Die Zinkoxid-Whiskers, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden, sind reine Einkristallwhiskers und haben eine hohe mechanische Festigkeit. Wenn die Whiskers mit der Vierbeinform während der Behandlung oder des Vermischens zerbrochen werden, tragen Nadelkristalle und die übrigen Teile der Whiskers zu einem gleichmäßigen Dispergieren in der Metallmatrix bei, wobei die mechanische Festigkeit verbessert wird.
- Kristallographisch sind die Zinkoxid-Whiskers aus Nadelkristallen gebildet, die sich entlang der c-Achse erstrecken und im rechten Winkel zu der c-Achse Spaltflächen haben. Es ist deshalb wahrscheinlich, daß die Whiskers gespalten werden. Wenn sie mit Metallen vermischt werden, werden die Zerspanbarkeit und die Schleifbarkeit beträchtlich verbessert. Dies gilt auch für die spanabhebende Bearbeitbarkeit. Um eine bessere spanabhebende Bearbeitbarkeit zu verleihen, werden vor allem die Whiskers bevorzugt, deren Vierbeinform erhalten bleibt.
- Die Zinkoxid-Whiskers, die in der Praxis der Erfindung verwendet werden, werden erhalten, indem Pulver aus metallischem Zink, das an der Oberfläche einen Oxidfilm hat, einer Wärmebehandlung in einer molekularen Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre unterzogen wird. Die Wärmebehandlung wird beispielsweise 10 Sekunden lang oder länger, vorzugsweise 30 Sekunden bis 1 Stunde lang und insbesondere 1 bis 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 700 bis 1100 ºC, vorzugsweise von 800 bis 1050 ºC und insbesondere von 900 bis 1000 ºC durchgeführt. Innerhalb dieser Bedingungen können der Durchmesser des Grundteils und die Länge der Nadelkristall-Vorsprünge der Whiskers zweckmäßig gesteuert bzw. eingestellt werden. Die resultierenden Whiskers haben eine scheinbare Dichte von 0,2 bis 0,1 g/cm³. Die Whiskers können als Massenerzeugnis mit einer hohen Ausbeute, die nicht weniger als 70 Masse% beträgt, hergestellt werden. Die auf diese Weise hergestellten Whiskers setzen sich überwiegend aus denen zusammen, die eine Vierbeinform mit vier Nadelkristall-Vorsprüngen, die aus einem Zentralkörper herausragen, haben. Der Nadelkristall-Vorsprung sollte einen Durchmesser des Grundteils von 0,7 bis 14 Mikrometern, vorzugsweise von 0,9 bis 10 Mikrometern und insbesondere von 0,9 bis 1,8 Mikrometern und eine Länge von 3 bis 200 Mikrometern, vorzugsweise von 10 bis 140 Mikrometern und insbesondere von 10 bis 30 Mikrometern haben. Bei einer kürzeren Länge ist ein Zerbrechen während der Behandlung weniger wahrscheinlich und die Möglichkeit einer Beibehaltung der Vierbeinform in der Metallmatrix größer. In einigen Fällen können zusammen mit den vierbeinförmigen Kristallen Kristalle anderer Systeme einschließlich plattenförmiger Kristalle eingemischt werden. Das Röntgenbeugungsbild der Whiskers zeigt, daß alle die Arten von Whiskers Maxima von Zinkoxid haben. außerdem zeigt das Elektronenstrahl-Beugungsbild, daß die Whiskers Einkristallcharakter mit einer verminderten Zahl von Versetzungen bzw. Dislokationen und von Gitterfehlern haben. Die Ergebnisse der Atomabsorptionsspektroskopie zeigen, daß der Verunreinigungsgehalt niedrig ist und die Whiskers zu 99,98 % aus Zinkoxid bestehen.
- Die Zinkoxid-Whiskers sind vorstehend in bezug auf den Durchmesser des Grundteils des aus dem Zentralkörper vorspringenden Nadelkristalls und auf die Länge vom Grundteil bis zur Spitze des Nadelkristalls definiert worden. Der Zentralkörper sollte vorzugsweise eine Größe von 0,7 bis 14 Mikrometern haben.
- Wenn die Nadelkristalle kleiner als die vorstehend erwähnten sind, kann bei einer durch die Whiskers verstärkten Metallmischung keine zufriedenstellende Festigkeit erzielt werden. Außerdem nimmt die Leichtigkeit der Bearbeitung ab. Andererseits sind größere Nadelkristalle wegen der Schwierigkeit eines gleichmäßigen Dispergierens nicht vorteilhaft, weil die Festigkeit und die Leichtigkeit der Bearbeitung vermindert werden.
- Die Menge der Zinkoxid-Whiskers in der Metallmischung kann verschieden sein und hängt von der Art des Metalls und vom Zweck ab und ist daher nicht entscheidend. Bei einer zu geringen Menge kann der Zweck der Verstärkung jedoch nicht erfüllt werden, und eine zu große Menge erhöht nicht nur die Kosten, sondern beeinträchtigt auch charakteristische Eigenschaften, die für Metalle spezifisch sind, und vermindert die Bearbeitbarkeit der Metalle. Bei durch Whiskers verstärkten Metallmischungen werden die Whiskers folglich in einer Menge von 5 bis 50 Volumen% und vorzugsweise von 8 bis 30 Volumen% der Mischung verwendet.
- Zur Verbesserung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit werden die Whiskers im allgemeinen in einer Menge von 0,1 bis 50 Volumen% verwendet. Eine zufriedenstellende Wirkung auf die spanabhebende Bearbeitbarkeit entwickelt sich, wenn die Whiskers nur in einer Menge von 0,1 bis 5 Volumen% verwendet werden. Bessere Ergebnisse werden erzielt, wenn die Whiskers in einer Menge von 5 bis 30 Volumen% verwendet werden.
- Die Metalle, die in den Metallmischungen der Erfindung als Matrix verwendet werden, sollten vorzugsweise Leichtmetalle sein, deren Dichte nicht höher als 6 ist, wie z.B. einfache bzw. unlegierte Substanzen, die hauptsächlich aus Aluminium, Magnesium bzw. Titan bestehen, und Legierungen dieser Metalle mit oder ohne andere Zusatzelemente. Verunreinigungen, die in den einfachen bzw. unlegierten Substanzen eingemischt sein können, und andere Zusatzelemente werden nachstehend beschrieben.
- Alternativ können auch niedrigschmelzende Metalle mit einem Schmelzpunkt, der nicht höher als 1400 ºC ist, verwendet werden. Solche niedrigschmelzenden Metalle schließen einfache bzw. unlegierte Substanzen, die hauptsächlich aus Aluminium, Kupfer, Blei, Magnesium, Zinn, Zink, Beryllium, Calcium, Strontium, Barium, Scandium, Lanthan, Mangan, Silber, Gold, Cadmium, Quecksilber, Gallium, Indium, Thallium, Germanium, Arsen, Antimon, Bismut, Selen, Tellur, Uran, Neodym, Lithium, Natrium, Kalium, Cäsium, Cer, Rubidium und dergleichen- bestehen, und Legierungen von zwei oder mehr Metallen, die vorstehend angegeben sind, mit oder ohne andere Zusatzelemente ein.
- Eine Gruppe sehr niedrig schmelzender Metalle, deren Schmelzpunkt nicht höher als 700 ºC ist, wird besonders bevorzugt. Zu Beispielen für solch eine Gruppe sehr niedrig schmelzender Metalle gehören einfache bzw. unlegierte Substanzen, die hauptsächlich aus Aluminium, Magnesium, Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Zink, Cadmium, Quecksilber, Gallium, Indium, Thallium, Zinn, Blei, Antimon, Bismut, SeIen und Tellur bestehen, und Legierungen von zwei oder mehr Metallen, die vorstehend angegeben sind, mit oder ohne andere Zusatzelemente.
- Von allen Elementen der vorstehend erwähnten Gruppen werden Aluminium oder seine Legierungen, Magnesium oder seine Legierungen, Kopfer oder seine Legierungen und Titan oder seine Legierungen verwendet, von denen Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon die besten sind. Kupfer oder seine Legierungen sind dann die zweitbesten, worauf Titan oder seine Legierungen folgen, die hohe Schmelzpunkte haben und etwas schwierig zu behandeln sind. Die Legierungen von Al, Mg, Cu oder Ti sind die Legierungen mit anderen Elementen, die vorstehend in bezug auf die niedrigschmelzende oder sehr niedrig schmelzende Gruppe angegeben wurden.
- Die vorstehend erwähnten einfachen bzw. unlegierten Substanzen und Legierungen können ferner kleine Mengen von hochschmelzenden Metallen wie z.B. Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Ruthenium, Osmium, Cobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Technetium, Rhenium und dergleichen enthalten. Die Menge beträgt im allgemeinen bis zu 1,0 Masse% der Substanz oder Legierung. Diese Metalle können als naturgemäß dazugehörende Verunreinigungen enthalten sein. Außerdem können Kohlenstoff, Silicium, Phosphor, Schwefel und/oder Halogene der Metallmischung zugesetzt werden oder als Verunreinigungen darin eingemischt sein. Aluminiumlegierungen, die diese hochschmelzenden Metalle enthalten, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung brauchbar. Vorzuziehende Aluminiumlegierungen schließen die Aluminiumlegierungen Nrn. 7075, 2014, 2024, 6061, 2012, 7091, 2618 und dergleichen ein. Außer diesen Al-Legierungen können auch die Al-Legierungen Nrn. 2017, 3003, 3203, 5005, 5052, 5154, 5083 und dergleichen verwendet werden. Außerdem sind auch Al-Metalle, die eine Reinheit von nicht weniger als 99 Masse% haben, brauchbar und schließen beispielsweise die mit den Nrn. 1080, 1070, 1050, 1100 und dergleichen ein.
- Es wird angemerkt, daß der Ausdruck "einfache bzw. unlegierte Substanz, die hauptsächlich aus (einem angegebenen Metall) besteht" bedeutet, daß solch eine einfache bzw. unlegierte Substanz aus dem angegebenen Metall mit einem Reinheitsgrad von nicht weniger als 99 Masse% besteht.
- Außer den Zinkoxid-Whiskers können der Metallmischung der Erfindung ferner Whiskers, Pulver, Flocken, lange oder kurze Fasern aus anderen Metallen oder anorganischen Materialien, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, zugesetzt werden. Diese Zusatzstoffe werden im allgemeinen in Mengen bis zu 30 Volumen% der Metallmischung verwendet.
- Die durch Zinkoxid-Whiskers verstärkte Metallmischung der Erfindung wird durch irgendein bekanntes Verfahren hergestellt, das beispielsweise Pulvermetallurgie, Hochdruckguß (Schmelzguß), Schmelztauchen, Heißpressen, Warmwalzen, HIP-Verfahren, Hochtemperatur-Strangpressen, Vakuumschmieden, Genauschmieden, Kokillenguß bzw. Druckguß und dergleichen einschließt.
- Die vorliegende Erfindung wird durch Beispiele näher beschrieben.
- Es wurden vierbeinförmige Zinkoxid-Whiskers hergestellt, deren Nadelkristall-Vorsprünge oder -Teile an ihrem Grundteil einen Durchmesser von 0,9 bis 1,8 um und vom Grundteil bis zur Spitze eine Länge von 10 bis 30 Mikrometern hatten. Die Whiskers wurden in einer Menge von 15 Volumen% in Aluminiumlegierung Nr. 2014 dispergiert und durch ein pulvermetallurgisches Verfahren bei 700 ºC stranggepreßt, wodurch flache Prüfkörper aus der Aluminiumlegierung, die die Whiskers enthielt, erhalten wurden.
- Die Bruchfläche des Prüfkörpers wurde durch ein Reflexionselektronenmikroskop betrachtet, wodurch gezeigt wurde, daß die meisten vierbeinförmigen Zinkoxid-Whiskers vollkommen unverändert gelassen worden waren.
- Die Prüfkörper wurden einem Zugversuch und auch einer Bewertung der maschinellen Bearbeitbarkeit unterzogen.
- Es wurde eine Gesamtbewertung der maschinellen Bearbeitbarkeit in bezug auf die Schnittdauer bei der Bearbeitung des Prüfkörpers unter Anwendung einer Säge bei einem konstanten Druck, die maximale Länge des an der Schnittfläche auftretenden Grates und die Oberflächenrauheit (Ra) an der Schnittfläche durchgeführt.
- Die Zugfestigkeit wurde entlang der Strangpreßrichtung und entlang einer Richtung im rechten Winkel zu der Strangpreßrichtung bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
- Das allgemeine Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß die verwendeten Whiskers hauptsächlich aus vierbeinförmigen Zinkoxid-Whiskers bestanden, deren Nadelkristall-Vorsprünge oder -Teile einen Grundteildurchmesser von 1,8 bis 3,2 um und vom Grundteil bis zur Spitze eine Länge von 20 bis 50 Mikrometern hatten, wodurch flache Prüfkörper aus der Aluminiumlegierung erhalten wurden. Die Bruchfläche des Prüfkörpers wurde in derselben Weise betrachtet, wodurch gezeigt wurde, daß die Hälfte der Whiskers in solche mit drei oder zwei Nadeln und/oder mit einer Nadel zerbrochen war und die andere Hälfte in Form von vierbeinförmigen Whiskers erhalten geblieben war. Dieser Prüfkörper wurde in derselben Weise bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
- Das allgemeine Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß die verwendeten Whiskers vierbeinförmige Zinkoxid-Whiskers waren, deren Nadelkristall-Vorsprünge einen Grundteildurchmesser von 4 bis 10 um und vom Grundteil bis zur Spitze eine Länge von 50 bis 140 Mikrometern hatten, wodurch flache Prüfkörper aus der Aluminiumlegierung erhalten wurden. Die Betrachtung einer Bruchfläche zeigte, daß die meistens Whiskers in Stücke aus einem Nadelkristall zerbrochen waren. Diese Prüfkörper wurden in derselben Weise bewertet, wobei die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse erhalten wurden.
- Zum Vergleich wurde das allgemeine Verfahren von Beispiel 1 wiederholt, wobei füllstofffreie Aluminiumlegierung Nr. 2014 sowie Kombinationen der Legierung Nr. 2014 und von β-SiC-Whiskers) Kaliumtitanat-Whiskers, Al&sub2;O&sub3;-Whiskers, Wolfram-Whiskers, Al&sub2;O&sub3;-Pulver, Zinkweiß mit einer mittleren Größe von 0,52 Mikrpmetern, das durch das französische Verfahren erhalten worden war, größeren Zinkoxid-Whiskers, deren Nadelkristall-Vorsprünge einen Grundteildurchmesser von 14 bis 20 Mikrometern und eine Länge von 200 bis 300 Mikrometern hatten, und kleineren Zinkoxid-Whiskers, deren Nadelkristall-Vorsprünge eine Länge von 0,5 bis 3 Mikrometern und einen Grundteildurchmesser von 0,05 bis 0,7 Mikrometern hatten, als Füllstoff verwendet wurden, wodurch Prüfkörper aus der Aluminiumlegierung erhalten wurden, die füllstofffrei waren oder die vorstehenden Füllstoffe enthielten. Diese Prüfkörper wurden in derselben Weise wie in Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1-1 Füllstoff Zugfestigkeit (Bezugswert: Festigkeit von Vergleichsbeispiel 1 = 100) Strangpreßrichtung Richtung im rechten Winkel zur Strangpreßrichtung Zinkoxid-Whiskers keiner β-SiC-Whiskers Kaliumtitanat-Whiskers Al&sub2;O&sub3;-Whiskers W-Whiskers Al&sub2;O&sub3;-Pulver Zinkweiß #1 Größere Zinkoxid-Whiskers Kleinere Zinkoxid-Whiskers Anmerkung: Die angegebenen Werte sind jeweils Mittelwerte von 10 Messungen. Tabelle 1-2 Maschinelle Bearbeitbarkeit Füllstoff Kostenbewertung Schnittdauer (Bezugswert: Wert von Vergl. beisp. 1 = 100) Maximale Länge des Grates (mm) Oberflächenrauheit Ra (um) Zinkoxid-Whiskers keiner β-SiC-Whiskers Kaliumtitanat-Whiskers Al&sub2;O&sub3;-Whiskers W-Whiskers Al&sub2;O&sub3;-Pulver Zinkweiß #1 Größere Zinkoxid-Whiskers Kleinere Zinkoxid-Whiskers sehr niedrig sehr hoch hoch
- Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich ist, ist die Anisotropie der Festigkeit besonders in dem Fall, daß die Vierbeinform erhalten bleibt, im wesentlichen vernachlässigbar. Die maschinelle Bearbeitbarkeit ist besser als die, die durch die bekannten Whiskers oder andere Füllstoffe erzielt wird. Außerdem sind die Kosten der Zinkoxid-Whiskers so niedrig wie die von Al&sub2;O&sub3;-Pulver, Zinkweiß und dergleichen.
- Es wurden vierbeinförmige Zinkoxid-Whiskers hergestellt, deren Nadelkristall-Vorsprünge oder -Teile an ihrem Grundteil einen Durchmesser von 2 bis 8 um und vom Grundteil bis zur Spitze eine Länge von 10 bis 80 Mikrometern hatten. Die Whiskers wurden in einer Menge von 15 volumen% in Aluminiumlegierung Nr. 2014 dispergiert und durch ein pulvermetallurgisches Verfahren bei 700 ºC stranggepreßt, wodurch Rundstäbe mit einem Durchmesser von 6 mm erhalten wurden.
- Die Bruchfläche des Stabes wurde durch ein Reflexionselektronenmikroskop betrachtet, wodurch gezeigt wurde, daß die meisten großen, vierbeinförmigen Zinkoxid-Whiskers in nadelförmige Whiskers mit einem schlankheitsverhältnis von 2 bis 50 umgewandelt worden waren.
- Die Stäbe wurden Messungen der spanabhebenden Bearbeitbarkeit und der Zugfestigkeit unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
- Es wurde eine Gesamtbewertung der spanabhebenden Bearbeitbarkeit in bezug auf die Schnittdauer bei der Bearbeitung des Prüfstabes unter Anwendung einer Säge bei einem konstanten Druck, die maximale Länge des an der schnittfläche auftretenden Grates und die Oberflächenrauheit (Ra) an der Schnittfläche durchgeführt.
- Zum Vergleich wurde das allgemeine Verfahren von Beispiel 4 wiederholt, wobei füllstofffreie Aluminiumlegierung Nr. 2014 sowie Kombinationen der Legierung Nr. 2014 und von Glasfasern, Talk, Glimmer, Aluminiumoxidpulver, Siliciumcarbid-Whiskers, Kaliumtitanat-Whiskers, Zinkweiß #1 mit einer mittleren Größe von 0,52 Mikrometern, das durch das französische Verfahren erhalten worden war, größeren Zinkoxid-Whiskers, deren Nadelkristall Vorsprünge einen Grundteildurchmesser von 14 bis 20 Mikrometern und eine Länge von 200 bis 300 Mikrometern hatten, und kleineren Zinkoxid-Whiskers, deren Nadelkristall-Vorsprünge eine Länge von 0,5 bis 3 Mikrometern und einen Grundteildurchmesser von 0,05 bis 0,7 Mikrometern hatten, als Füllstoff verwendet wurden, wodurch prüfkörper aus der Aluminiumlegierung erhalten wurden, die füllstofffrei waren oder die vorstehenden Füllstoffe enthielten. Diese prüfkörper wurden in derselben Weise wie in Beispiel 4 bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Füllstoff Schnittdauer (Bezugswert: Wert von Vergl. beisp. 10 = 100) Maximale Länge des Grates (mm) Oberflächenrauheit Ra (um) Zugfestigkeit (Bezugswert: Wert von Vergl.beisp. 10 = 100) Zinkoxid-Whiskers keiner Glasfasern Talk Glimmer Aluminiumoxidpulver Siliciumcarbid-Whiskers Kaliumtitanat-Whiskers Zinkweiß #1 Größere Zinkoxid-Whiskers Kleinere Zinkoxid-Whiskers Anmerkung: Die Werte sind jeweils Mittelwerte von zehn Messungen.
Claims (14)
1. Metallmatrix-Verbundwerkstoff, der eine Mischung aus einem
Metall und in der Metallmatrix dispergierten Zinkoxidteilchen
enthält, wobei jedes der Zinkoxidteilchen mindestens einen
Nadelkristall mit einer von einem Grundteil entfernten Spitze
aufweist, wobei dieser Grundteil einen Durchmesser von 0,7 bis
14 Mikrometern hat und der Nadelkristall vom Grundteil bis zur
Spitze eine Länge von 3 bis 200 Mikrometern hat.
2. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem
mindestens einige der erwähnten zinkoxidteilchen einen
Zentralkörper mit mehr als einem Nadelkristall, der aus dem Zentralkörper
radial vorspringt, haben.
3. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, bei dem im
wesentlichen alle erwähnten Zinkoxidteilchen einen
Zentralkörper mit mehr als einem Nadelkristall, der aus dem Zentralkörper
radial vorspringt, haben.
4. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, bei
dem die erwähnten Teilchen aus einer Mischung von Teilchen aus
der Gruppe bestehen, die aus Nadelkristallen ohne assoziierte
Körper und Zentralkörpern mit einem, zwei, drei oder vier
Nadelkristallen, die aus den Zentralkörpern radial vorspringen,
besteht.
5. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, bei
dem der erwähnte mehr als eine Nadelkristall aus vier
Nadelkristallen besteht.
6. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die erwähnten Teilchen in einer Menge von
0,1 bis 50 Volumen% der Zusammensetzung enthalten sind, wodurch
die Zerspanbarkeit der Metallzusammensetzung verbessert wird.
7. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, bei dem die
Menge 5 bis 30 Volumen% beträgt.
8. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis
5, bei dem die erwähnten Teilchen in einer Menge von 5 bis 50
Volumen% der Zusammensetzung enthalten sind, wobei die
Metallzusammensetzung mechanisch verstärkt wird.
9. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, bei dem die
Menge 8 bis 30 Volumen% beträgt.
10. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem das erwähnte Metall aus der Gruppe
ausgewählt ist, die aus einfachen Substanzen, die hauptsächlich aus
Titan, Aluminium, Kupfer, Blei, Magnesium, Zinn, Zink,
Beryllium, Calcium, Strontium, Barium, Scandium, Lanthan, Mangan,
Silber, Gold, Cadmium, Quecksilber, Gallium, Indium, Thallium,
Germanium, Arsen, Antimon, Bismut, Selen, Tellur, Uran, Neodym,
Lithium, Natrium, Kalium, Cäsium, Cer und Rubidium bestehen, und
Legierungen von einem oder mehr als einem vorstehend
definierten Metall besteht.
11. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, der ferner
mindestens ein Metall mit hohem Schmelzpunkt enthält, das aus
der Gruppe ausgewählt ist, die aus Yttrium, Zirkonium, Hafnium,
Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen,
Ruthenium, Osmium, Cobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium,
Platin, Technetium und Rhenium besteht.
12. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem der Durchmesser des Grundteils 0,9 bis 10
Mikrometer und die Länge 10 bis 140 Mikrometer beträgt.
13. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach Anspruch 12, bei dem der
Durchmesser 0,9 bis 1,8 Mikrometer und die Länge 10 bis 30
Mikrometer beträgt.
14. Metallmatrix-Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, der ferner bis zu 30 Volumen% Nadeln, Teilchen mit
einem zentralkörper und einer oder mehr als einer Nadel, die
daraus radial vorspringt, Pulver, Flocken, lange oder kurze
Fasern aus einem Metall oder einem anorganischen Material
enthält.
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