DE68910280T2

DE68910280T2 - Verfahren mit verlorener Form zur Herstellung von Verbundstoff-Körpern mit Metallmatrix und Produkte daraus.

Info

Publication number: DE68910280T2
Application number: DE89630174T
Authority: DE
Inventors: John Thomas Burke
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: NO175849B; EP0369929A1; NO893989L; AU624859B2; AU4164889A; CN1065923C; RO107931B1; FI89015B; KR900007525A; IL91736A0; JP2930991B2; FI894936A0; NO893989D0; ZA898547B; CA2000782C; PT92246A; MX173563B; CN1042490A; BR8905754A; NZ231072A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neue daraus hergestellte Produkte. Eine negative Gestalt oder Hohlraum der komplementär zu dein herzustellenden, gewünschten Metallmatrix-Verbundkörper ist, wird zuerst hergestellt. Der gebildete Hohlraum wird dann mit einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial gefüllt. Schmelzflüssiges Matrixmetall wird dann veranlaßt, den gefüllten Hohlraum spontan zu infiltrieren. Insbesondere stehen auch ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer wie auch eine Infiltrierungsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial, zumindest zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens, was es dem Matrixmetall, wenn es schmelzflüssig gemacht wird, gestattet, die permeable Masse des Füllstoffmaterials spontan zu infiltrieren, die zu irgendeinem Zeitpunkt während des Bearbeitens selbsttragend werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können Hohlräume durch ein Verfahren hergestellt werden, das ähnlich dem sogenannten Wachsausschmelzverfahren ist.

Hintergrund der Erfindung

Verbundkörperprodukte, die eine Metallmatrix und eine Verstärkungsphase, wie keramische Teilchen, Einkristallfäden, Fasern oder dergleichen, aufweisen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend, da sie etwas von der Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der Verstärkungsphase mit der Verformbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Im allgemeinen zeigt ein Metallmatrix-Verbundkörper eine Verbesserung bei solchen Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Festigkeitsbeibehaltung bei hohen Temperaturen mit Bezug auf das Matrixmetall in monolithischer Form, aber der Grad, zu dem irgendeine gegebene Eigenschaft verbessert werden kann, hängt großtenteils ab von den spezifischen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil und wie sie zur Bildung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundkörper auch ein leichteres Gewicht als das Matrixmetall als solches haben. Aluminiummatrix- Verbundkörper, die mit Keramik verstärkt sind, wie Siliciumcarbid in Teilchen-, Blättchen- oder Einkristallfadenform, sind beispielsweise aufgrund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und hohen Temperaturfestigkeit mit Bezug auf Aluminium von Interesse.
Verschiedene metallurgische Verfahren wurden für die Herstellung von Aluminiummatrix-Verbundkörpern, einschließlich Verfahren auf der Grundlage von Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrierungstechniken, beschrieben, die Druckguß-, Vakuumguß-, Rühr- und Benetzungmittel verwenden. Bei Pulvermetallurgietechniken wird das Metall in der Form eines Pulvers und das Verstärkungsmaterial in der Form eines Pulvers, von Einkristallfäden, zerhackten Fasern usw. gemischt und dann entweder kalt gepreßt und gesintert oder heiß gepreßt. Der maximale keramische Volumenanteil bei Aluminiummatrix-Verbundkörpern, die mit Siliciumcarbid verstärkt sind und durch dieses Verfahren hergestellt wurden, beträgt etwa 25 Vol.-% im Fall von Einkristallfäden und etwa 40 Vol.-% im Fall von Teilchen.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch Pulvermetallurgieverfahren unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren legt den Charakteristiken der erzielbaren Produkte bestimmte Beschränkungen auf. Der Volumenanteil der keramischen Phase der Verbundkörper ist typischerweise in dem Fall von Teilchen auf etwa 40% beschränkt. Der Preßvorgang legt der erzielbaren praktischen Größe auch eine Grenze auf. Nur relativ einfache Produktformen sind ohne nachträgliches Bearbeiten (das heißt Formen oder spanende Bearbeiten) oder ohne auf komplexe Pressen zurückzugreifen möglich. Auch kann ein nicht gleichförmiges Schrumpfen während des Sinterns auftreten sowie auch eine Ungleichmäßigkeit der Mikrostruktur aufgrund der Segregation in den Preßlingen und dem Kornwachstum.
Das US Patent Nr. 3 970 136, von J. C. Cannell et al., erteilt am 20. Juli 1976, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, in dem eine faserförmige Verstärkung enthalten ist, beispielsweise Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxideinkristallfäden mit einem vorbestimmten Muster der Faserorientierung, einverleibt sind. Der Verbundkörper wird hergestellt, indem parallele Matten oder Filze coplanarer Fasern in eine Form mit einem Reservoir von schmelzflüssigem Matrixmetall, beispielsweise Aluminium, zwischen zumindest einige der Matten verbracht werden, und Druck angewendet wird, um das schmelzflüssige Metall zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umgeben. Schmelzflüssiges Metall kann auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es unter Druck gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beschickungen von bis zu etwa 50 Vol.-% der Verstärkungsfasern in dem Verbundkörper berichtet.
Das vorstehend beschriebene Infiltrierungsverfahren unterliegt in Anbetracht seiner Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu zwingen, den Launen von druckinduzierten Fließverfahren, das heißt, einer möglichen Nichtgleichförmigkeit der Matrixbildung, Porosität usw.. Die Nichtgleichförmigkeit der Eigenschaften ist möglich, selbst wenn schmelzflüssiges Metall an einer Vielfalt von Stellen innerhalb der faserförmigen Anordnung eingeführt werden kann. Folglich müssen komplizierte Matten- /Reservoiranordnungen und Fließwege vorgesehen sein, um eine adäquate und gleichförmige Durchdringung des Stapels von Fasermatten zu erzielen. Das vorstehend erwähnte Druckinfiltrierungsverfahren gestattet auch nur eine relativ niedrige Verstärkung mit Bezug auf den zu erzielenden Matrixvolumenanteil, aufgrund der der Infiltrierung eines großen Mattenvolumens innewohnenden Schwierigkeit. Weiterhin sind Formen erforderlich, um das schmelzflüssige Metall unter Druck zu enthalten, was das Verfahren verteuert. Außerdem ist das vorstehende Verfahren, das auf die Infiltrierung ausgerichteter Teilchen oder Fasern beschränkt ist, nicht auf die Bildung von Aluminiummetall-Matrixverbundkörpern gerichtet, die mit Materialien in der Form von zufällig orientierten Teilchen, Einkristallfäden oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von mit Aluminiumoxid gefüllten Aluminiummatrix-Verbundkörpern benetzt Aluminium das Aluminiumoxid nicht leicht, wodurch es schwierig gemacht wird, ein zusammenhängendes Produkt zu bilden. Verschiedene Lösungen des Problems wurden vorgeschlagen. Ein solcher Ansatz ist die Beschichtung des Aluminiumoxids mit einem Metall (beispielsweise Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium heiß gepreßt wird. Bei einer anderen Technik wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Diese Verbundkörper weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf oder die Überzüge können den Füllstoff verschlechtern oder die Matrix enthält Lithium, welches die Matrixeigenschaften beeinträchtigen kann.
Das US Patent Nr. 4 232 091 von R. W. Grimshaw et al. überwindet bestimmte Schwierigkeiten des Stands der Technik, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxidverbundkörpern angetroffen werden. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um schmelzflüssiges Aluminium (oder schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine faserförmige oder Einkristallfadenmatte von Aluminiumoxid zu zwingen, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt wurde. Das maximale Volumenverhältnis des Aluminiumoxids zum Metall in dem sich ergebenden massiven Gußteil betrug 0,25/1. Aufgrund seiner Abhängigkeit von einer äußeren Kraft zur Bewirkung der Infiltrierung, unterliegt dieses Verfahren vielen der gleichen Nachteile wie das von Cannell et. al.
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Aluminium-Aluminiumoxidverbundkörpern, die insbesondere brauchbar als elektrolytische Zellbestandteile sind, durch Füllen der Leerräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit schmelzflüssigem Aluminium. Die Anmeldung betont die Nichtbenetzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und deshalb werden verschiedene Techniken verwendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Das Aluminiumoxid wird beispielsweise mit einem Benetzungsmittel eines Diborids von Titan, Zirconium, Hafnium oder Niobium, oder mit einem Metall, das heißt Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium überzogen. Inerte Atmosphären wie Argon werden verwendet, um die Benetzung zu erleichtern. Diese Druckschrift zeigt auch die Anwendung von Druck, um zu bewirken, daß schmelzflüssiges Aluminium in eine nicht überzogene Matrix eindringt. Bei diesem Aspekt wird die Infiltrierung bewirkt, indem die Poren evakuiert werden und dann Druck auf das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise Argon, angewandt wird. Alternativ kann die Vorform durch Dampfphasen-Aluminiumabscheidung infiltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Leerräume durch Infiltrierung mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um die Beibehaltung des Aluminiums in den Poren der Vorform sicher zustellen, ist eine Wärmebehandlung, beispielsweise bei 1400 bis 1800ºC entweder in einem Vakuum oder in Argon erforderlich. Sonst würde entweder die Aussetzung des druckinfiltrierten Materials an Gas oder die Entfernung des Infiltrierungdrucks den Verlust von Aluminium aus dem Körper verursachen.
Die Verwendung von Benetzungsmitteln zur Bewirkung der Infiltrierung einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94 353 gezeigt. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle mit einem Kathodenstromzuführer als Zellauskleidung oder -substrat. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug einer Mischung eines Benetzungsmittels und eines Löslichkeitssuppressors auf das Aluminiumoxidsubstrat vor der Anlaufperiode der Zelle aufgetragen oder während sie in dem durch das elektrolytische Verfahren hergestellten schmelzflüssigen Aluminium eingetaucht ist. Die offenbarten Benetzungsmittel sind Titan, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niobium oder Calcium, und Titan wird als bevorzugtes Mittel genannt. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in schmelzflüssigem Aluminium beschrieben. Die Druckschrift schlägt jedoch die Herstellung von Matrixmetall-Verbundkörpern nicht vor und schlägt auch nicht die Bildung eines solchen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre vor.
Zusätzlich zu der Anwendung von Druck und der Verwendung von Benetzungsmitteln wurde offenbart, daß ein angewandtes Vakuum bei dem Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen, keramischen Preßling hilft. Das US Patent Nr. 3 718 441 von R. L. Landingham, erteilt am 27. Februar 1973, berichtet beispielsweise über die Infiltrierung eines keramischen Preßlings (beispielsweise Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) mit entweder schmelzflüssigem Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch das schmelzflüssige Metall in dem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die Keramikleerräume floß. Es wurde jedoch gesagt, daß die Benetzung verbessert war, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr verringert wurde.
Das US Patent Nr. 3 864 154 von G.E. Gazza et al., erteilt am 4. Februar 1975, zeigt auch die Verwendung von Vakuum, um die Infiltrierung zu erzielen. Dieses Patent beschreibt das Beschicken eines kaltgepreßten Preßlings aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett von kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Zusätzliches Aluminium wurde dann auf den AlB&sub1;&sub2;-Pulverpreßling gelegt. Der Schmelztiegel, der mit dem AlB&sub1;&sub2;-Preßling, sandwichartig zwischen den Schichten von Aluminiumpulver angeordnet, beschickt war, wurde in einen Vakuumofen verbracht. Der Ofen wurde auf etwa 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um das Ausgasen zu gestatten. Die Temperatur wurde anschließen auf 1100ºC erhöht und während eines Zeitraums von 3 Stunden beibehalten. Unter diesen Bedingungen drang das schmelzflüssige Aluminium in den porösen AlB&sub1;&sub2;-Preßling.
Das US Patent Nr. 3 364 976 von John N. Reding et al., erteilt am 23. Januar 1968, offenbart das Konzept der Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung des Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper. Spezifisch wird offenbart, daß ein Körper, beispielsweise eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. In dem Fall einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem mit dem Metall reaktionsfähigen Gas gefüllt ist, mit dem sich außen befindenden, schmelzflüssigen Metall durch mindestens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, tritt ein Füllen des Hohlraums auf, während das selbsterzeugte Vakuum aus der Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall erzeugt wird. Insbesondere ist das Vakuum ein Ergebnis der Bildung einer festen, oxidierten Form des Metalls. So offenbaren Reding et al., daß es wesentlich ist, eine Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall herbeizuführen. Die Verwendung einer Form zur Schaffung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der inhärenten Beschränkungen unerwünscht sein, die mit der Verwendung einer Form verbunden sind. Formen müssen zuerst spanend zu einer bestimmten Form bearbeitet werden, dann müssen sie endbearbeitet werden, spanend bearbeitet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form herzustellen, dann müssen sie vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden, dann müssen sie nach ihrer Verwendung auseinandergebaut werden, um das gegossene Stück daraus zu entfernen und dann muß die Form zurückgewonnen werden, was höchstwahrscheinlich ein Nachbearbeiten der Oberflächen der Form oder ein Wegwerfen der Form, falls sie nicht länger zur Verwendung annehmbar ist, umfaßt. Die spannende Bearbeitung einer Form zu einer komplexen Gestalt kann sehr kostspielig und zeitraubend sein. Außerdem kann das Entfernen eines geformten Stücks aus einer komplex geformten Form auch schwierig sein (das heißt, gegossene Stücke mit einer komplexen Gestalt können brechen, wenn sie aus der Form entfernt werden). Während es einen Vorschlag gibt, daß ein poröses, feuerfestes Material direkt in einem schmelzflüssigen Metall ohne die Notwendigkeit einer Form eingetaucht werden kann, müßte das feuerfeste Material ein einstückiges Stück sein, weil es keine Vorkehrung zur Infiltrierung eines losen oder getrennten porösen Materials gibt, falls keine Behälterform verwendet wird (das heißt, es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material sich typischerweise dissoziiert oder voneinander wegschwimmt, wenn es in ein schmelzflüssiges Metall verbracht wird). Falls es erwünscht ist, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, müßten außerdem Vorkehrungen getroffen werden, so daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Teile des teilchenförmigen Materials oder der Vorform verschiebt, was zu einer nicht homogenen Mikrostruktur führt.
Entsprechend bestand seit langem ein Bedarf nach einem einfachen und zuverlässigen Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, welches sich nicht auf die Verwendung von angewandtem Druck oder Vakuum (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen) oder beschädigenden Benetzungsmitteln zur Schaffung einer Metallmatrix verläßt, in der ein weiteres Material, wie ein keramisches Material, eingebettet ist. Außerdem besteht seit langem ein Bedarf zur Minimierung der Anzahl an abschließenden spanenden Bearbeitungsvorgängen, die benötigt werden, um einen Metallmatrix-Verbundkörper herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse, indem sie einen spontanen Infiltrierungsmechanismus zur Infiltrierung eines Materials (beispielsweise eines keramischen Materials) schafft, das zu einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall (beispielsweise Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise Stickstoff) unter normalen atmosphärischen Drücken geformt wird, solange ein Infiltrierungsverstärker mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens anwesend ist.

Beschreibung der sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen

Der Gegenstand dieser Patentanmeldung bezieht sich auf den Gegenstand von verschiedenen anderen, gleichzeitig anhängigen und sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen. Insbesondere beschreiben diese anderen, gleichzeitig anhängigen Patentanmeldungen neue Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpermaterialien (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Metallmatrix-Patentanmeldungen" bezeichnet).
Ein neues Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpermaterials ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-291 441 (nicht vorveröffentlicht) offenbart. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch Infiltrieren einer permeablen Masse des Füllstoffmaterials (beispielsweise einer Keramik oder eines mit Keramik überzogenen Materials) hergestellt, wobei das schmelzflüssige Aluminium mindestens etwa 1 Gew.- % Magnesium, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium, enthält. Die Infiltrierung erfolgt spontan ohne die Anwendung von äußerem Druck oder Vakuum. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metall-Legierung wird mit der Masse des Füllstoffmaterials bei einer Temperatur von mindestens etwa 675ºC in Anwesenheit eines Gases in Berührung gebracht, das etwa 10 bis 100 Vol.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff, enthält, und ein Rest des Gases, falls vorhanden, ein nichtoxidierendes Gas ist, beispielsweise Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse unter normalen Atmosphärendrücken zur Bildung eines Aluminium-(oder Aluminiumlegierungs-)Matrix-Verbundkörpers. Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials mit der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur gesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise reicht der Vorrat von zugeführter schmelzflüssiger Legierung aus, um zu gestatten, daß die Infiltrierung im wesentlichen zu den Grenzen der Masse des Füllstoffmaterials fortschreitet. Die Menge des Füllstoffmaterials in den gemäß der White et al. Erfindung hergestellten Aluminiummatrix-Verbundkörpern kann äußerst hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Verfahrensbedingungen in der vorstehenden Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als diskontinuierliche Phase, die in der gesamten Aluminiummatrix dispergiert ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann in Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial, variieren. So ist es durch Steuerung von einem oder mehreren dieser Faktoren in dem System möglich, bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßzuschneidern. Für einige Endverbrauchsanwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß der Verbundkörper wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltrierung begünstigen, aber das Verfahren der Nitridbildung gegenüber geneigter machen. Die vortehende Erfindung gestattet die Wahl eines Gleichgewichts zwischen der Infiltrierungskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für geeignete Sperrschichten zur Verwendung mit der Metallmatrix-Verbundkörperbildung ist in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden EP-A-323945 beschrieben. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird eine Sperrschicht (beispielsweise teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial wie ein flexibles Graphitbandprodukt, vertrieben von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil auf einer definierten Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials angeordnet, und eine Matrix-Legierung infiltriert bis zu der durch die Sperrschicht definierten Grenze. Die Sperrschicht wird verwendet, um die Infiltrierung der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch Netto- oder nahezu Nettoformen in dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper geschaffen werden. Entsprechend haben die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form, die im wesentlichen der inneren Form der Sperrschicht entspricht.
Das Verfahren der Patentanmeldung EP-A-291 441 wurde durch die sich im gemeinsamen Besitz befindende EP-A-333 629 verbessert. In Übereinstimmung mit den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offenbart sind, ist eine Matrixmetall- Legierung als erste Quelle des Metalls und als Reservoir der Matrixmetall-Legierung vorhanden, das mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Metalls aufgrund von beispielsweise Schwerkraftfluß in Verbindung steht. Insbesondere unter den in dieser Patentanmeldung beschriebenen Bedingungen beginnt die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse des Füllstoffmaterials unter normalen atmosphärischen Drücken zu infiltrieren und beginnt so die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers. Die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixmetall-Legierung wird während ihrer Infiltrierung in die Masse des Füllstoffmaterials verbraucht und kann, falls gewünscht, vorzugsweise durch eine kontinuierliche Einrichtung aus dem Reservoir des schmelzflüssigen Matrixmetalls nachgefüllt werden, während sich die spontane Infiltrierung fortsetzt. Wenn eine gewünschte Menge des permeablen Füllstoffs spontan durch die schmelzflüssige Matrix-Legierung infiltriert wurde, wird die Temperatur gesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Reservoirs von Metall einfach eine Ausführungsform der in dieser Patentanmeldung beschriebenen Erfindung ist, und es nicht notwendig ist, die Reservoirausführungsform mit jeder der alternativen Ausführungsformen der Erfindung, die dort offenbart sind, zu kombinieren, von denen einige auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden können.
Das Reservoir des Metalls kann in einer solchen Menge vorhanden sein, daß es für eine ausreichende Menge an Metall sorgt, um die permeable Masse des Füllstoffmaterials in einem vorbestimmten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann eine wahlweise Sperrschicht die permeable Masse des Füllstoffs auf mindestens einer Seite davon kontaktieren, um eine Oberflächengrenze zu definieren.
Außerdem könnte, während die Zuführung der zugeführten schmelzflüssigen Matrixlegierung mindestens ausreichend sein sollte, um es der spontanen Infiltrierung zu gestatten, im wesentlichen zu den Grenzen (beispielsweise den Sperrschichten) der permeablen Masse des Füllstoffmaterials fortzuschreiten, die Menge an der in dem Reservoir vorhandenen Legierung eine solche ausreichende Menge übersteigen, so daß es nicht nur eine ausreichende Menge an Legierung für die vollständige Infiltrierung gibt, sondern die überschüssige schmelzflüssige Metall-Legierung könnte verbleiben und an dem Metallmatrix-Verbundkörper anhaften. So ist, falls eine überschüssige schmelzflüssige Legierung vorliegt, der sich ergebende Körper ein komplexer Verbundkörper (beispielsweise ein Makroverbundkörper), wobei ein infiltrierter keramischer Körper mit einer darin enthaltenen Metallmatrix direkt an das überschüssige Metall, das in dem Reservoir verbleibt, gebunden wird.
Jede der vorstehend erörterten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patentanmeldungen beschreibt Verfahren zur Herstellung Metallmatrix-Verbundkörpern und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die daraus hergestellt sind. Die gesamten Offenbarungen aller vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix- Patentanmeldungen sind ausdrücklich in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wird hergestellt durch Infiltrierung einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial, die zu irgendeinem Zeitpunkt der Verarbeitung selbsttragend werden kann (das heißt, zu einer Vorform geformt werden kann). Das Füllstoffmaterial wird innerhalb eines Hohlraums einer Gußformschale verbracht. Insbesondere kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein niedrigschmelzender oder verflüchtigbarer Dorn (beispielsweise eine Wachsform) so hergestellt werden, daß mindestens ein Teil der Wachsform dem Metallmatrix-Verbundkörper in der Form entspricht, der herstellt werden soll. Die Wachsform kann durch ein geeignetes Verfahren mit beispielsweise einem feuerfesten Material überzogen werden, das beispielsweise durch Anstreichen, Sprühen, Tauchüberziehen usw. aufgebracht werden kann.
Wenn eine geeignete Dicke von beispielsweise keramischem Material auf einer Oberfläche der Wachsform aufgebaut worden ist und das überzogene, feuerfeste Material selbsttragend gemacht worden ist, kann die Wachsform auf dem Überzug beispielsweise durch Schmelzen, Verflüchtigen usw. entfernt werden und der Überzug kann darin einen Hohlraum aufweisen, der im wesentlichen dem Wachs, das daraus entfernt wurde, in der Form entspricht.
Bei einer Ausführungsform kann der gebildete Hohlraum mit einem geeigneten Sperrschichtmaterial durch eine geeignete Technik beschichtet werden, die bei der Begrenzung der endgültigen Gestalt des Metallmatrix-Verbundkörpers hilft. Wenn das Sperrschichtmaterial in geeigneter Weise angeordnet worden ist, kann ein Füllstoffmaterial dann in mindestens einen Teil des Hohlraums verbracht werden. Außerdem können ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufr wie auch eine Infiltrierungsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial zumindest zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens stehen, der es gestattet, daß das Matrixmetall, wenn es schmelzflüssig gemacht wurde, spontan die permeable Masse von Füllstoffmaterial infiltriert, die zu irgendeinem Zeitpunkt während des Bearbeitens selbsttragend werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Infiltrationsverstärker direkt zumindest dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugführt werden. Unabhängig von dem Lieferanten des Infiltrationsverstärkervorläufers oder Infiltrationsverstärkers sollte letztendlich zumindest während der spontanen Infiltrierung sich der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials befinden.
Es ist zu beachten, daß diese Anmeldung hauptsächlich Aluminiummatrixmetalle erörtert, die zu irgendeinem Zeitpunkt während der Bildung des Matrixmetall-Verbundkörpers mit Magnesium kontaktiert werden, das als Infiltrationsverstärkervorläufer dient, in Anwesenheit von Stickstoff, das als Infiltrierungsatmosphäre wirkt. So zeigt das Matrixmetall- /Infiltrierungsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphä ren-System von Aluminium/Magnesium/Stickstoff eine spontane Infiltrierung. Jedoch können andere Matrixmetall- /Infiltrierungsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphä ren-Systeme auch ähnlich wie das Aluminium-/Magnesium- /Stickstoff-System wirken. Beispielsweise wurde ein ähnliches spontanes Infiltrierungsverhalten bei dem Aluminium- /Strontium-/Stickstoff-System, dem Aluminium-/Zink-/Sauer stoff-System und dem Aluminium-/Calcium-/Stickstoff-System beobachtet. Entsprechend ist zu beachten, daß, obgleich das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System hier hauptsächlich erörtert wird, sich andere Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systeme ähnlich verhalten können.
Wenn das Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt, kann ein gebildeter Hohlraum mit einem Füllstoffmaterial (beispielsweise Aluminiumoxid- oder Siliciumcarbidteilchen) gefüllt werden, wobei dem Füllstoffmaterial Magnesium als Infiltrationsverstärkervorläufer beigemischt oder diesem zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens ausgesetzt wird. Außerdem werden die Aluminiumlegierung und/oder das Füllstoffmaterial zu irgendeinem Zeitpunkt der Verarbeitung, und bei einer bevorzugten Ausführungsform während im wesentlichen der gesamten Verarbeitung, einer Stickstoffatmosphäre als Infiltrierungsatmosphäre ausgesetzt. Alternativ kann dieses Erfordernis vermieden werden, wenn das Füllstoffmaterial mit Magnesiumnitrid als Infiltrationsverstärker gemischt oder diesem zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens ausgesetzt wird. Weiterhin wird das Füllstoffmaterial zu irgendeinem Zeitpunkt während der Verarbeitung mindestens teilweise selbsttragend. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Füllstoffmaterial selbsttragend vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit der Kontaktierung des Füllstoffmaterials durch das Matrixmetall (beispielsweise könnte das Matrixmetall das Füllstoffmaterial zuerst als schmelzflüssiges Matrixmetall kontaktieren oder das Matrixmetall könnte das Füllstoffmaterial zuerst als festes Material kontaktieren und dann bei Erhitzen schmelzflüssig werden). Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und Bildung des Metallmatrix- Verbundkörpers variiert mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich beispielsweise der Konzentration von dem System zugeführten Magnesium (beispielsweise in der Aluminiumlegierung und/oder in dem Füllstoffmaterial und/oder in der Infiltrierungsatmosphäre), der Größe und/oder Zusammensetzung des Füllstoffmaterials, der Konzentration von Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung erlaubten Zeit und/oder der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Die spontane Infiltrierung tritt typischerweise in einem Ausmaß auf, das ausreichend ist, um im wesentlichen das Füllstoffmaterial oder die Vorform vollständig einzubetten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann nach Erreichung der Infiltrierung das umgebende, beschichtete, keramische Material entfernt werden, um einen Matrixmetall-Verbundkörper mit einer Netto- oder nahezu Nettogestalt freizulegen.

Definitionen

"Aluminium", wie hier verwendet, bedeutet und umfaßt im wesentlichen reines Metall (beispielsweise ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metall-Legierungen wie die im Handel erhältlichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie beispielsweise Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. darin. Für die Zwecke dieser Definition ist eine Aluminiumlegierung eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, bei der Aluminium der Hauptbestandteil ist.
"Nichtoxidierendes Restgas", wie hier verwendet, bedeutet, daß irgendein Gas, das zusätzlich zu dem Hauptgas vorhanden ist, das die infiltrierende Atmosphäre umfaßt, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen mit dem Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen nicht reaktionsfähig ist. Jegliches oxidierende Gas, das als eine Unreinheit in dem verwendeten Gas (den verwendeten Gasen) vorhanden sein kann, sollte nicht ausreichen, um das Matrixmetall in irgendeinem wesentlichen Ausmaß unter den Verfahrensbedingungen zu oxidieren.
"Sperrschicht", wie hier verwendet, bedeutet jegliches geeignete Mittel, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen von schmelzflüssigein Matrixmetall über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder der Vorform stört, hemmt, verhindert oder beendet, wo eine solche Oberflächengrenze von der Sperrschicht definiert ist. Geeignete Sperrschichten können irgendein Material, irgendeine Verbindung, irgendein Element, irgendeine Zusammensetzung oder dergleichen sein, die unter den Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität beibehält und im wesentlichen nicht flüchtig ist (das heißt, das Sperrschichtmaterial verflüchtigt sich nicht in einem solchen Ausmaß, daß es als Sperrschicht unbrauchbar gemacht wird).
Außerdem umfassen geeignete "Sperrschichten" Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde, schmelzflüssige, Matrixmetall unter den verwendeten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches endgültige spanende Bearbeiten oder Schleifen, das erforderlich sein kann, und definiert zumindestens einen Teil der Oberfläche des sich ergebenden Matrixmetall-Verbundkörperprodukts. Die Sperrschicht kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder beispielsweise durch Bohren von Löchern oder Durchbohren der Sperrschicht permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zu kommen.
"Gerippe" oder "Matrixmetallgerippe", wie hier verwendet, bezieht sich auf irgendeinen ursprünglichen Körper des Matrixmetalls, der verbleibt und der während des Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers verbraucht wurde und typischerweise einen, der, falls er kühlen gelassen wird zumindest teilweise in Berührung mit dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper verbleibt. Es ist zu beachten, daß das Gerippe auch ein zweiten oder Fremdmetall darin enthalten kann.
"Füllstoff", wie hier verwendet, soll entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen bedeuten, die im wesentlichen nicht reaktionsfähig mit oder von begrenzter Löslichkeit in dem Matrixmetall sind und Einzelphasen- oder Mehrphasenbestandteile sein können. Füllstoffe können in einer großen Vielfalt von Formen, wie Pulver, Flocken, Blättchen, Mikrokügelchen, Einkristallfäden, Blasen usw. vorgesehen sein und können entweder dicht oder porös sein. "Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid als Fasern, zerkleinerte Fasern, Teilchen, Einkristallfäden, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen umfassen und keramikbeschichtete Füllstoffe wie Kohlenstoff-Fasern, beschichtet mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, um den Kohlenstoff vor einem Angriff beispielsweise durch ein schmelzflüssiges Aluminiumgrundmetall zu schützen. Füllstoffe können auch Metalle umfassen.
"Infiltrierungsatmosphäre", wie hier verwendet, diejenige Atmosphäre, die vorhanden ist und die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform, (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung steht, und das Auftreten der spontanen Infiltrierung des Matrixmetalls gestattet oder verbessert.
"Infiltrationsverstärker", wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder dabei hilft. Ein Infiltrationsverstärker kann beispielsweise aus (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und des Füllstoffmaterials oder der Vorform gebildet sein. Außerdem kann der Infiltrationsverstärker direkt zu mindestens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden und kann in im wesentlichen der gleichen Weise wie ein Infiltrationsverstärker wirken, der als Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer anderen Spezies gebildet wurde. Schließlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltrierung sich in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform befinden, um eine spontane Infiltrierung zu erzielen.
"Infiltrationsverstärkervorläufer" oder "Vorläufer für den Infiltrationsverstärker" bedeutet, wie hier verwendet, ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrierungsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall dazu verleitet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren, oder dem Matrixmetall dabei hilft. Ohne durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, scheint es, daß es für den Vorläufer für den Infiltrationsverstärker notwendig sein kann, daß er imstande ist, an eine Stelle positioniert, angeordnet oder zu einer Stelle transportiert zu werden, die es dem Infiltrationsverstärkervorläufer gestattet, mit der Infiltrierungsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu stehen. Beispielsweise ist es in einigen Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer- /Infiltrierungsatmosphären-Systemen wünschenswert, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer sich bei, in der Nähe von oder in einigen Fällen sogar etwas oberhalb der Temperatur verflüchtigt, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird. Eine solche Verflüchtigung kann zu folgendem führen: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verbessert und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, welche die Benetzung verbessert und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die einen festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform bildet, welcher die Benetzung verbessert.
"Entfernbarer Dorn" oder "entfernbares Replikat" wie hier verwendet bedeutet ein Material oder einen Gegenstand, der geformt werden kann oder seine Form beibehalten kann, wenn er mit einem Material überzogen wird, welches imstande ist, eine feuerfeste Schale zu bilden und aus einer gebildeten, feuerfesten Schale, beispielsweise durch Schmelzen oder Flüchtigmachen oder physisches Entfernen, als intakte Komponente entfernt werden kann.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetall-Legierung", wie hier verwendet, bedeutet das Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers mit einem Füllstoffmaterial gemischt wird. Wenn ein spezifisches Metall als Matrixmetall erwähnt wird, ist zu verstehen, daß ein solches Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin, eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung, bei der das Metall der Haupt- oder ein vorherrschender Bestandteil ist, umfaßt.
"Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer- /Infiltrierungsatmosphären-System" oder "spontanes System" wie hier verwendet, bezieht sich auf die Kombination von Materialien, die eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigen. Es ist zu beachten, daß, wenn immer ein "/" zwischen einem beispielhaften Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärkervorläufer oder einer Infiltrierungsatmosphäre erscheint, daß "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu bezeichnen, die, auf eine besondere Art kombiniert, eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigt.
"Metallmatrix-Verbundkörper" oder "MMC" wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das eine zwei- oder dreidimensional miteinander verbundene Legierung oder Matrixmetall umfaßt, in dem eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet ist. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente umfassen, um die spezifisch gewünschten, mechanischen und physikalischen Eigenschaften in dem sich ergebenden Verbundkörper zu liefern.
Ein von dem Matrixmetall "unterschiedliches" Metall bedeutet ein Metall, das als einen Hauptbestandteil nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall enthält (beispielsweise falls der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, könnte das "unterschiedliche" Metall einen Hauptbestandteil aus beispielsweise Nickel aufweisen).
"Nicht reaktives Gefäß zur Unterbringung von Matrixmetall" bedeutet irgendein Gefäß, in dem schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufgenommen werden kann oder dieses enthalten kann, und reagiert nicht mit der Matrix und/der der Infiltrierungsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer auf eine Weise, die für den spontanen Infiltrierungmechanismus sehr schädlich wäre.
"Vorform" oder "permeable Vorform", wie hier verwendet, bedeutet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächengrenze hergestellt ist, die im wesentlichen eine Grenze für die Infiltrierung des Matrixmetalls definiert, wobei eine solche Masse eine ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit beibehält, um eine Abmessungsbeständigkeit vor der Infiltrierung durch das Matrixmetall zu liefern. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls dort hinein aufzunehmen. Eine Vorform umfaßt typischerweise eine gebundene Anordnung des Füllstoffs, entweder homogen oder heterogen, und kann aus irgendeinem geeigneten Material (beispielsweise Keramik- und/oder Metallteilchen, Pulvern, Fasern, Einkristallfäden usw. und irgendeiner Kombination davon) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Zusammenstellung existent sein.
"Reservoir", wie hier verwendet, bedeutet einen eigenständigen Körper aus Matrixmetalls, der mit Bezug auf eine Masse Füllstoff oder eine Vorform so angeordnet ist, daß das Metall, wenn es geschmolzen wird, fließen kann, um den Teil, das Segment oder die Quelle des Matrixmetalls das in Berührung mit dem Füllstoff oder der Vorform steht nachzufüllen oder in einigen Fällen anfänglich vorzusehen und anschließend nachzufüllen.
"Schale" oder "Gußformschale", wie hier verwendet, bedeutet den feuerfesten Körper, der durch Überziehen eines entfernbaren Dorns mit einem Material hergestellt ist, das selbsttragend gemacht werden kann (beispielsweise durch Erhitzen), so daß, wenn der Dorn entfernt wird, der feuerfeste Körper einen Hohlraum umfaßt, der im wesentlichen der ursprünglichen Gestalt des entfernbaren Dorns entspricht.
"Spontane Infiltrierung", wie hier verwendet, bedeutet, daß die Infiltrierung des Matrixmetall in die permeable Masse des Füllstoffs oder der Vorform ohne das Erfordernis der Anwendung von Druck oder Vakuum stattfindet (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren sind vorgesehen, um bei dem Verständnis der Erfindung zu helfen, aber sie sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken. Gleiche Bezugszeichen wurden, wo immer möglich, in jeder der Figuren verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen; es zeigen:
Fig. 1a eine Vielzahl von entfernbaren Replikaten zur Bildung einer Gußformschale,
Fig. 1b einen entfernbaren Baum zur Bildung einer Gußformschale,
Fig. 2 eine Gußformschale gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3a die Gußformschale, die einen geeigneten Füllstoff enthält, der durch ein geeignetes Matrixmetall kontaktiert wird,
Fig. 3b die Gußformschale und den Füllstoff, die spontan infiltriert werden, und
Fig. 4 eine Fotografie eines gemäß Beispiel 1 hergestellten Metallmatrix-Verbundkörpers.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch die spontane Infiltrierung eines Füllstoffmaterials mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall, wobei das Füllstoffmaterial zu einer bestimmten Gestalt geformt worden ist. Insbesondere stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker vorläufer wie auch eine Infiltrierungsatmosphäre auch in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial, zumindest während irgendeines Zeitpunkts des Verfahrens, was es dem Matrixmetall, wenn es schmelzflüssig gemacht wurde, gestattet, die permeable Masse des Füllstoffmaterial spontan zu infiltrieren, das zu irgendeinem Zeitpunkt während der Verarbeitung selbsttragend werden kann. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird zuerst ein niedrigschmelzender oder verflüchtigbarer oder entfernbarer Dorn gebildet. Der Dorn wird dann mit einem Material überzogen, das sich zur Bildung einer Schale verfestigen kann, die darin einen Hohlraum enthält, der komplementär zu der Form des entfernbaren Dorns ist. Der Dorn kann dann aus der Schale entfernt werden. Nachdem die Schale gebildet worden ist, kann die Schale wahlweise auf dem Innenhohlraumteil davon mit einem geeigneten Sperrschichtmaterial überzogen werden, das als Sperrschicht für die Infiltrierung des Matrixmetalls dient.
Danach kann ein Füllstoffmaterial mindestens teilweise innerhalb des gebildeten Hohlraums so plaziert werden, daß, wenn schmelzflüssiges Matrixmetall dazu gebracht wird, das Füllstoffmaterial spontan zu infiltrieren, ein Metallmatrix-Verbundkörper hergestellt wird. Der hergestellte Metallmatrix-Verbundkörper entspricht im wesentlichen dem entfernbaren Dorn, was die Form anbetrifft.
Eine Gußformschale zur Verwendung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden, indem zuerst eines oder mehrere Replikate (1) des gewünschten Metallmatrix-Verbundkörpers wie in Fig. 1a dargestellt, hergestellt werden. Die Replikate (1) können auch aus mit Wachs überzogenem Gipshalbhydrat, ganz aus Wachs oder anderen geeigneten Materialien, die entfernt werden können, beispielsweise durch Schmelzen oder Verflüchtigen, von einer später geformten Gußformschale gebildet sein. Falls es die Form des Replikats gestattet oder falls die Schale als eine zweistückige oder mehrstückige Schale gebildet ist, kann das Replikat physisch entfernt und entweder weggeworfen oder wieder verwendet werden. Weiterhin können eines oder mehrere der entfernbaren Replikate (1) an einem Stamm (2) zur Bildung eines Baums (3), wie in Fig. 1b gezeigt, befestigt werden. Der Stamm (2) kann auch aus mit Wachs überzogenem Gips, ganz aus Wachs oder anderen geeigneten entfernbaren Materialien gebildet sein. Vorzugsweise wird an dem Stamm (2) auch ein Tassenteil (4) befestigt. Wie aus der nachstehenden Erörterung ersichtlich, ist der Tassenteil (4) aus einem geeigneten, nicht entfernbaren Material, wie Aluminiumoxid, rostfreiem Stahl oder dergleichen, gebildet.
Der Baum (3) kann dann wiederholt und nacheinander in beispielsweise keramischen Schlicker oder eine Aufschlämmung getaucht werden und mit einem keramischen Pulver zum Aufbau einer feuerfesten Gußformschale (5) um den Baum herum, wie in Fig. 2 dargestellt, bestäubt werden. Die Dicke und Zusammensetzung der so aufgebauten Gußformschale (5) ist nicht kritisch, obgleich die Schale ausreichend robust sein sollte, um den weiteren Schritten des Gießverfahrens zu widerstehen. Die Schale (5) kann auch durch Anstreichen, Sprühen oder andere geeignete Verfahren, je nach der Größe und Konfiguration der Schale und des verwendeten Überzugsmaterials, gebildet werden. Nachdem die Schale (5) gebildet ist, wird der Baum, beispielsweise durch Schmelzen des Wachses, entfernt, wodurch ein Hohlraum (6) innerhalb der Schale (5) belassen wird, der getreu der Form oder den Formen der entfernbaren Dorne entspricht,
Wie nachstehend detaillierter erörtert, ist die Gußformschale (5) vorzugsweise dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber impermeabel. Schalen, die auch einer Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel sind, sind besonders vorteilhaft, aber für die Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich. Es wurde gefunden, daß geeignete feuerfeste Materialien zur Bildung von Schalen Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Siliciumcarbid sind, aber andere feuerfeste Materialien können auch verwendet werden. Eine Gußformschale sollte robust sein und trotzdem, falls gewünscht, leicht entfernbar sein, ohne übermäßige Spannungen auf die darin zu bildende Matrixmetall-Verbundkörper aus zuüben. Es wurde beispielsweise gefunden, daß glasähnliche Materialien, wie Aluminiumborsilicate, obgleich sie vorteilhafterweise dem Matrixmetall gegenüber impermeabel sind, die Verbundkörper während ihrer Bildung aufgrund von beispielsweise des Unterschieds in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten belasten können. Außerdem ist es relativ schwierig, glasähnliche Schalen von den Verbundkörpern zu entfernen.
Der Hohlraum (6) kann dann mit einem geeigneten Füllstoff, der einen Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker aufweisen kann, gepackt werden und in Anwesenheit einer Infiltrierungsatmosphäre erhitzt werden. Es ist vorzuziehen, daß der Füllstoff nur in Teile des Hohlraums, die den Replikaten (1) entsprechen, gepackt wird, in welchem Fall der Teil des Hohlraums (6), der dem Baum (2) entspricht, ungefüllt bleibt.
Schmelzflüssiges Matrixmetall wird dann in geeigneter Weise in Kontakt mit dem Füllstoff (7), beispielsweise durch Gießen von Matrixmetall (8) in die Schale (5) durch den Tassenteil (4), wie in Fig. 3a dargestellt, angeordnet. Die Gußformschale (5) kann in geeigneter Weise in einem feuerfesten Gefäß (9) angeordnet sein, das wahlweise ein Bettmaterial (11) enthält, das kontinuierlich mit der Infiltrierungsatmosphäre gespült wird. Unter angemessenen Bedingungen, die nachstehend erörtert werden, infiltriert das Matrixmetall (8) den Füllstoff (7) spontan, wie in Fig. 3b dargestellt, durch Vorschieben der Infiltrationsfronten (10). Es ist zu beachten, daß der Füllstoff während des Verfahrens erstarrte Vorformen gebildet haben kann, aber eine solche Bildung ist unnötig, wenn die Gußformschale (5) ausreichend fest ist, um die für die fertiggestellten Metallmatrix-Verbundkörper gewünschte Form beizubehalten und der Füllstoff anderweitig die gewünschte Form nicht verlieren kann. Außerdem kann ein festes Matrixmetall in Berührung mit dem Füllstoff angeordnet und dann verflüssigt werden, statt schmelzflüssiges Matrixmetall in die Schale zu gießen. Weiterhin kann mit Fortschreiten der Infiltrierungsfront das Matrixmetall über ein Reservoir oder die Einleitung eines zusätzlichen Matrixmetalls geändert werden, um dadurch die Eigenschaften der unterschiedlichen Teile des sich ergebenden Matrixmetall-Verbundkörpers zu ändern.
Nach Beendigung der spontanen Infiltrierung wird die Schale (5) gekühlt und durch physische Entfernung oder durch chemische Mittel, die mit der Schale, aber nicht mit dem Verbundkörper reagieren, entfernt. Die den Replikaten (1) entsprechenden Metallmatrix-Verbundkörper können dann von irgendeinem verbleibenden Gerippe des Matrixmetalls getrennt werden. Es wurde gefunden, daß zumindest bei einigen Matrixmetallen ein rasches Kühlen wünschenswert ist, um eine feine Mikrostruktur in den Verbundkörpern beizubehalten. Ein solches Kühlen kann beispielsweise durch Entfernen der Schale, während sie noch heiß ist, und durch ihre Einbettung in einem Sandbett bei Raumtemperatur erzielt werden.
Es ist zu verstehen, daß das Gußformschalengießen ein nicht teures Verfahren zur Herstellung von geformten Metallmatrix-Verbundkörpern ist. Mehrere Verbundkörper können gleichzeitig hergestellt werden, und die Gußformschale selbst kann schnell aus nicht teuren Materialien hergestellt werden. Die auf diese Weise hergestellten Verbundkörper können auch gute Nettoformfähigkeiten aufweisen (das heißt, sie können ein minimales Endbearbeiten erfordern).
Es wurde für einige für die Gußformschale verwendete Materialien gefunden, daß das Matrixmetall die Infiltrierung über den Füllstoff hinaus in die Schale selbst fortsetzen kann. Beispielsweise können poröse Gußformschalen, die aus einer Aluminiumoxid- oder Siliciumoxidaufschlämmung und einem Siliciumcarbidpulver hergestellt wurden, durch Matrixmetall infiltriert werden, wenn der Füllstoff und/oder das Matrixmetall Magnesium umfassen. Um eine solche übermäßige Infiltrierung zu verhindern, kann auf mindestens einem Teil der Oberflächen des Hohlraums in der Schale eine Sperrschicht gebildet werden. Die Sperrschicht, die mindestens dem Matrixmetall gegenüber impermeabel ist, verhindert die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls über den Füllstoff hinaus, wodurch die Herstellung von Verbundkörpern gestattet wird, die eine minimale Formendbearbeitung erfordern. Geeignete Sperrschichten sind nachstehend beschrieben.
Um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken, sollte dem spontanen System ein Infiltrationsverstärker zugeführt werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärkervorläufer gebildet sein, der vorgesehen sein könnte (1), in dem Matrixmetall und/oder (2) dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder (3) aus der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (4) aus der Gußformschale und/oder (5) aus einer äußeren Quelle in das spontane System. Außerdem kann statt der Zuführung eines Infiltrationsverstärkervorläufers ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre und/oder der Gußformschale zugeführt werden. Schließlich sollte sich zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform befinden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, das Infiltrationsverstärkervorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker mindestens in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, vor dem Kontaktieren der Vorform mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall, oder im wesentlichen gleichzeitig (beispielsweise falls Magnesium der Infiltrationsverstärkervorläufer und Stickstoff die Infiltrierungatmosphäre ist, könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden ist).
Ein Beispiel eines Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer- /Infiltrierungsatmosphären-Systems ist das Aluminium- /Magnesium-/Stickstoff-System. Insbesondere kann ein Aluminiummatrixmetall innerhalb eines geeigneten feuerfesten Gefäßes enthalten sein, das unter den Verfahrensbedingungen nicht mit dein Aluminiummatrixmetall reagiert, wenn das Aluminium schmelzflüssig gemacht wird. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder diesem ausgesetzt ist und das mindestens während eines Zeitpunkt während des Verfahrens einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt ist, kann dann mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht werden. Das Matrixmetall infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform.
Außerdem kann ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens zu der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden, statt einen Infiltrationsverstärkervorläufer zu liefern. Schließlich sollte zumindest während der spontanen Infiltrierung Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform angeordnet sein.
Unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bedingungen sollte im Fall eines spontanen Aluminium- /Magnesium-/Stickstoff-Systems das Füllstoffmaterial oder die Vorform ausreichend permeabel sein, um es dem stickstoffenthaltenden Gas zu gestatten, in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens einzudringen oder sie zu durchdringen und das schmelzflüssige Matrixmetall zu kontaktieren. Außerdem kann das permeable Füllstoffmaterial oder die permeable Vorform die Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetall aufnehmen, wodurch bewirkt wird, daß das stickstoffdurchdrungene Füllstoffmaterial oder die stickstoffdurchdrungene Vorform spontan mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert wird und/oder bewirkt wird, daß der Stickstoff mit einem Infiltrationsverstärkervorläufer zur Bildung eines Infiltrationsverstärkers in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform reagiert, und so zu einer spontanen Infiltrierung führt.
Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers variiert mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich dem Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung und/oder Füllstoffmaterial und/oder Vorform und/oder der Gußformschale, dem Magnesiumnitridgehalt in der Aluminiumlegierung, dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, der Anwesenheit von zusätzlichen Legierungselementen (beispielsweise Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe (beispielsweise Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, der Oberflächenbedingung und Art des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung gestatteten Zeit und der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Beispielsweise kann, damit die Infiltrierung des schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetalls spontan auftritt, das Aluminium mit mindestens etwa 1 Gew.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium (das als Infiltrationsverstärkervorläufer dient) mit Bezug auf das Legierungsgewicht legiert sein. Legierungshilfselemente, wie vorstehend erörtert, können in dem Matrixmetall auch enthalten sein, um die Eigenschaften spezifischen Bedürfnissen anzupassen. (Zusätzlich können die Legierungshilfselemente die Mindestmenge von Magnesium beeinflussen, die in dem Matrixaluminiummetall erforderlich ist, um zur spontanen Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu führen.) Der Verlust von Magnesium aus dem spontanen System aufgrund von beispielsweise Verflüchtigen sollte nicht in einem solchen Ausmaß auftreten, daß kein Magnesium zur Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. So ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge an anfänglichen Legierungselementen zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltrierung nicht nachteilig durch die Verflüchtigung beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und dem Matrixmetall oder der Gußformschale oder mindestens zwei von dem Matrixmetall, dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und Gußformschale zu einer Verringerung der erforderlichen Menge an Magnesium zur Erzielung der spontanen Infiltrierung (nachstehend detaillierter erörtert) führen.
Der Volumenprozentsatz von Stickstoff in der Stickstoffatmosphäre beeinflußt auch die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere tritt, wenn weniger als etwa 10 Vol.-% Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre vorhanden sind, eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltrierung auf. Es wurde festgestellt, daß wenn vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sind, dies beispielsweise zu kürzeren Infiltrierungszeiten aufgrund einer viel schnelleren Infiltrierungsgeschwindigkeit führt.
Die Infiltrierungsatmosphäre sollte einem Füllstoff zugeführt werden, der einen Infiltrationsverstärkervorläufer enthält, durch irgendwelche geeigneten Mittel wie Durchdringung des Füllstoffs vor seinem Kontaktieren mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall, Diffundierung durch die Gußformschale und irgendeine Matrixmetallsperrschicht zu dem Füllstoff, Auflösen oder Hindurchperlen durch das schmelzflüssige Matrixmetall oder dergleichen. Außerdem könnten Kanäle oder Öffnungen in irgendwelchen Sperrschichten und der Gußformschale vorgesehen sein, um die Infiltrierungsatmosphäre in das System zu leiten. Weiterhin könnte sich die Infiltrierungatmosphäre aus einer Zersetzung und/oder Wiedervereinigung von einem oder mehreren Materialien ergeben.
Der Mindestmagnesiumgehalt, der erforderlich ist, damit schmelzflüssiges Matrixmetall Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen wie der Verfahrenstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit von Legierungshilfselementen, wie Silicium oder Zink, der Natur des Füllstoffmaterials, der Lage des Magnesiums in einer oder mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit ab, mit der die Stickstoffatmosphäre fließt. Niedrigere Temperaturen oder kürzere Heizungszeiten können verwendet werden, um eine vollständige Infiltrierung zu erhalten, während der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Bei einem gegebenen Magnesiumgehalt gestattet die Zugabe von bestimmten Legierungshilfselementen, wie Zink, auch die Verwendung von niedrigeren Temperaturen. Ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des funktionsfähigen Bereichs, beispielsweise etwa 1-3 Gew.-%, kann beispielsweise im Zusammenhang mit mindestens einem der folgenden Parameter verwendet werden: einer Verarbeitungstemperatur, die oberhalb des Minimums liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren Legierungshilfselementen. Wenn dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kein Magnesium zugefügt wird, werden Legierungen, die von etwa 3-5 Gew.-% Magnesium enthalten, auf der Grundlage ihrer allgemeinen Brauchbarkeit über eine große Vielfalt von Verfahrensbedingungen bevorzugt, wobei mindestens etwa 5 Gew.-% bevorzugt sind, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten verwendet werden. Magnesiumgehalte, die über etwa 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung liegen, können verwendet werden, um die für die Infiltrierung erforderlichen Temperaturbedingungen zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann verringert werden, wenn er im Zusammenhang mit einem Legierungshilfselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine Hilfsfunktion und werden zusammen mit mindestens der vorstehend angegebenen Mindestmenge Magnesium verwendet. Beispielsweise gab es im wesentlichen keine Infiltrierung von nominell reinem Aluminium, legiert nur mit 10% Silicium bei 1000ºC in ein Bett von 25 um (500 mesh) 39 Crystolon (99% reines Siliciumcarbid von der Norton Co.). In Anwesenheit von Magnesium wurde jedoch gefunden, daß Silicium das Infiltrierungsverfahren fördert. Als weiteres Beispiel variiert die Menge an Magnesium, falls es exklusiv der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugeführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine spontane Infiltrierung mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz an Magnesium auftritt, das dem spontanen System zugeführt wird, wenn mindestens etwas der Gesamtmenge an zugeführtem Magnesium in die Vorform oder das Füllstoffmaterial verbracht wird. Es kann wünschenswert sein, daß eine geringere Menge Magnesium geliefert wird, um die Bildung von unerwünschten intermetallischen Verbindungen in dem Metallmatrix-Verbundkörper zu verhindern. Im Fall einer Siliciumcarbidvorform wurde festgestellt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, wobei die Vorform mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium enthält und sich in Gegenwart einer im wesentlichen reinen Stickstoffatmosphäre befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Fall einer Aluminiumoxidvorform ist die Menge an Magnesium, das für die Erzielung einer annehmbaren spontanen Infiltrierung benötigt wird, geringfügig höher. Es wurde insbesondere gefunden, daß, bei einer Aluminiumoxidvorform, wenn sie mit einem ähnlichen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, bei etwa der gleichen Temperatur wie das Aluminium, das in die Siliciumcarbidvorform infiltriert ist, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltrierung zu erzielen wie die, die bei der vorstehend erörterten Siliciumcarbidvorform erzielt wurde.
Es ist auch zu beachten, daß es möglich ist, dem spontanen System Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder auf einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder innerhalb der Vorform oder des Füllstoffmaterials vor dem Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzuführen (d.h. es muß nicht notwendig sein, daß der zugeführte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärkervorläufer mit dem Matrixmetall legiert wird, sondern eher einfach dem spontanen System zugeführt wird). Falls das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, kann es vorzuziehen sein, daß diese Oberfläche die Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse von Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Berührung mit diesem steht oder umgekehrt oder solch ein Magnesium könnte in mindestens einen Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials gemischt sein. Weiterhin ist es möglich, daß irgendeine Kombination der Oberflächenaufbringung, Legierung oder Verbringen des Magnesium in mindestens einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine solche Kombination der Aufbringung von Infiltrationsverstärker(n) und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer(n) könnte zu einer Verringerung des Gesamtgewichtsprozentsatzes des für die Förderung der Infiltrierung des Matrixaluminiummetalls in die Vorform benötigten Magnesiums und zu der Erzielung niedrigerer Temperaturen, bei denen die Infiltrierung auftreten kann, führen. Außerdem könnte die Menge an unerwünschten, aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildeten, intermetallischen Verbindungen auch auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Die Verwendung von einem oder mehreren Hilfslegierungselementen und die Konzentration von Stickstoff in dem Umgebungsgas beeinflußt auch das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Beispielsweise können Hilfslegierungselemente wie Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht sind, verwendet werden, um die Infiltrierungstemperatur zu verringern und dadurch die Menge an Nitridbildung zu verringern, wohingegen die Erhöhung der Konzentration von Stickstoff in dem Gas zur Förderung der Nitridbildung verwendet werden kann.
Die Konzentration von Magnesium, die sich in der Legierung befindet und/oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht wurde und/oder in dem Füllstoff- oder dem Vorformmaterial kombiniert wurde, neigt auch dazu, das Ausmaß der Infiltrierung bei einer gegebenen Temperatur zu beeinflussen. Folglich kann es in einigen Fällen bevorzugt werden, bei denen wenig oder kein Magnesium direkt mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial in Berührung gebracht wird, daß mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte von weniger als dieser Menge, beispielsweise 1 Gew.-% Magnesium, können höhere Verfahrenstemperaturen oder ein Legierungshilfselement für die Infiltrierung benötigen. Die für die Bewirkung des spontanen Infiltrierungsverfahren dieser Erfindung erforderliche Temperatur kann niedriger sein: (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, beispielsweise auf mindestens etwa 5 Gew.-%, und/oder (2) wenn die Legierungsbestandteile mit der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform gemischt werden und/oder (3) wenn ein weiteres Element wie Zink oder Eisen in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch mit unterschiedlichen Füllstoffmaterialien variieren. Im allgemeinen tritt eine spontane und fortschreitende Infiltrierung bei einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 675ºC, und vorzugsweise einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 750ºC - 800ºC, auf. Temperaturen, die im allgemeinen über 1200ºC liegen, scheinen das Verfahren nicht zu begünstigen, und es wurde gefunden, daß ein besonders brauchbarer Temperaturbereich zwischen etwa 675ºC und etwa 1200ºC liegt. Im allgemeinen ist jedoch die spontane Infiltrierungstemperatur eine Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls, aber unterhalb der Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls liegt. Außerdem sollte die spontane Infiltrierungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Füllstoffmaterials liegen. Weiterhin nimmt bei Erhöhung der Temperatur die Neigung zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der infiltrierungsatmosphäre zu (beispielsweise in dem Fall von Aluminiummatrixmetall und einer stickstoff infiltrierungsatmosphäre kann Aluminiumnitrid gebildet werden). Ein solches Reaktionsprodukt kann auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung des Matrixmetall-Verbundkörpers wünschenswert oder nicht wünschenswert sein. Zusätzlich wird typischerweise eine elektrische Widerstandsheizung verwendet, um die Infiltrierungstemperaturen zu erzielen. Jegliche Heizvorrichtung, die zum Schmelzen des Matrixmetalls führt und die spontane Infiltrierung nicht nachteilig beeinflußt, ist jedoch zur Verwendung bei der Erfindung annehmbar.
Bei dem vorliegenden Verfahren kommt beispielsweise ein permeables Füllstoffmaterial oder eine permeable Vorform in Berührung mit schmelzflüssigein Aluminium in Anwesenheit eines stickstoffenthaltenden Gases zumindestens zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens. Das stickstoffenthaltende Gas kann dadurch zugeführt werden, daß ein kontinuierlicher Strom von Gas in Berührung mit mindstens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall gehalten wird. Obgleich die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffenthaltenden Gases nicht kritisch ist, wird bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, um jeglichen Stickstoff auszugleichen, der aus der Atmosphäre aufgrund von Nitridbildung in der Legierungsmatrix verloren geht und um auch den Einfall von Luft, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Matrixmetall-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren, wie der Matrixlegierung, den Verfahrensbedingungen, der Reaktionsfähigkeit der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial und den für das endgültige Verbundkörperprodukt gewünschten Eigenschaften, ab. Wenn Aluminium das Matriximetall ist, umfassen beispielsweise geeignete Füllstoffmaterialien (a) Oxide, beispielsweise Aluminiumoxid, (b) Carbide, beispielsweise Siliciumcarbid, (c) Boride, beispielsweise Aluminiumdodecaborid und (d) Nitride, beispielsweise Aluminiumnitrid. Falls das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall zu reagieren, kann dem Rechnung getragen werden, indem die Infiltrationszeit und -temperatur auf ein Minimum herabgesetzt wird, oder indem eine nichtreaktionsfähige Beschichtung auf dem Füllstoff vorgesehen ist. Das Füllstoffmaterial kann ein Substrat umfassen, beispielsweise Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das eine Beschichtung trägt, um das Substrat vor Angriff oder Degradation zu schützen. Geeignete Keramikbeschichtungen umfassen Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Keramik, die bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt verwendet werden kann, umfaßt Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in der Form von Teilchen, Blättchen, Einkristallfäden und Fasern. Die Fasern können diskontinuierlich (in zerkleinerter Form) oder in der Form eines kontinuierlichen Fadens wie Mehrfädenseile vorliegen. Weiterhin kann die keramische Masse oder Vorform homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch festgestellt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien eine verbesserte Infiltrierung mit Bezug auf Füllstoffmaterialien aufweisen, indem sie eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben. Beispielsweise weisen zerkleinerte Aluminiumoxidkörper, die nach dem in der EP-A-155 831 offenbarten Verfahren hergestellt wurden, wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältliche Aluminiumoxidprodukte auf. Außerdem weisen zerkleinerte Aluminiumoxidkörper, die durch das in der EP-A-193 292 offenbarte Verfahren hergestellt sind, wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältlich Aluminiumoxidprodukte auf. Der Gegenstand jeder dieser Patenanmeldungen wird hier ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen. So wurde entdeckt, daß die vollständige Infiltrierung einer permeablen Masse von keramischem Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen und/oder kürzeren Infiltrationszeiten durch Verwendung eines zermahlenen oder zerkleinerten Körpers auftreten kann, der durch das Verfahren der vorstehend erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde.
Die Größe und Form des Füllstoffmaterials kann irgendein geeignetes Material sein, das benötigt wird, um die in dem Verbundkörper gewünschten Eigenschaften zu erzielen. So kann das Material in der Form von Teilchen, Einkristallfäden, Blättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltrierung nicht durch die Form des Füllstoffmaterials beschränkt ist. Andere Formen wie Kugeln, Röhrchen, Kügelchen, feuerfestes Fasergewebe und dergleichen können verwendet werden. Außerdem beschränkt die Größe des Materials die Infiltrierung nicht, obgleich eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum für die vollständige Infiltrierung einer Masse von kleineren Teilchen benötigt wird als für größere Teilchen. Außerdem sollte die zu infiltrierende Masse des Füllstoffmaterial (zu einer Vorform geformt) permeabel sein (das heißt, dem schmelzflüssigen Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel, die ein stickstoffenthaltendes Gas umfaßt).
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht auf die Verwendung von Druck angewiesen ist, um schmelzflüssiges Matrixmetall in eine Vorform oder in eine Masse von Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu drücken, gestattet die Herstellung von im wesentlichen gleichförmigen Metallmatrix-Verbundkörpern mit einem hohen Volumenanteil von Füllstoffmaterial und niedriger Porosität. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse gepreßt oder anderweitig verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht entweder in einen Preßling mit enger Zellporosität oder in eine vollständig dichte Struktur umgewandelt wird, was die Infiltrierung durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß das Benetzen des keramischen Füllstoff durch das Aluminiummatrixmetall ein wichtiger Teil des Infiltrierungsmechanismus sein kann für die Aluminiuminfiltrierung und Matrixbildung um einen keramischen Füllstoff herum. Außerdem tritt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen eine vernachlässigbare oder minimale Menge an Metallnitridierung auf, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase von in der Metallmatrix dispergiertem Aluminiumnitrid führt. Wenn man sich jedoch dem oberen Ende des Temperaturbereichs nähert, tritt die Nitridierung des Metalls mit größerer Wahrscheinlichkeit auf. Die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix kann so durch Änderung der Verarbeitungstemperatur, bei der die Infiltrierung auftritt, gesteuert werden. Die spezifische Verfahrenstemperatur, bei der die Nitridbildung ausgeprägter wird, variiert auch mit solchen Faktoren, wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge relativ zu dem Volumen des Füllstoffmaterials oder der Vorform der Stickstoffkonzentration der infiltrierenden Atmosphäre. Man glaubt beispielsweise, daß das Ausmaß der Aluminiumnitridbildung bei einer gegebenen Verfahrenstemperatur erhöht wird, während die Fähigkeit der Legierung, den Füllstoff zu benetzen, abnimmt, und während sich die Stickstoffkonzentration der Atmosphäre erhöht.
Deswegen ist es möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers besonderen Bedürfnissen anzupassen, um dem sich ergebenden Produkt bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Bei einem gegebenen System können die Verfahrensbedingungen zur Steuerung der Nitridbildung ausgewählt werden. Ein Verbundkörperprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für die Leistung des Produkts günstig sein oder diese verbessern können. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltrierung mit einer Aluminiumlegierung mit dem verwendeten Keramikmaterial variieren. Im Fall von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial, sollte die Temperatur für die Infiltrierung vorzugsweise etwa 1000ºC nicht übersteigen, falls es gewünscht wird, daß die Verformbarkeit der Matrix durch die beträchtliche Bildung von Nitrid nicht verringert wird. Temperaturen von mehr als 1000ºC können jedoch angewandt werden, falls es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger verformbaren und steiferen Matrix herzustellen. Um Siliciumcarbid zu infiltrieren, können höhere Temperaturen von etwa 1200ºC angewandt werden, da die Aluminiumlegierung zu einem geringeren Ausmaß nitriert mit Bezug auf die Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Außerdem ist es möglich, ein Reservoir von Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltrierung des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall zuzuführen, das eine von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterschiedliche Zusammensetzung hat. Spezifisch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, ein Matrixmetall in dem Reservoir zu verwenden, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet. Falls beispielsweise eine Aluminiumlegierung als erste Quelle von Matrixmetall verwendet wird, könnte praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metall-Legierung, die bei den Verarbeitungstemperaturen schmelzflüssig ist, als Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr mischbar miteinander, was dazu führen würde, daß das Reservoirmetall sich mit der ersten Quelle von Matrixmetall mischt, solange ein angemessener Zeitraum für das Auftreten der Mischung gegeben wird. So ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in der Zusammensetzung von der der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix so anzupassen, daß sie unterschiedliche Betriebserfordernisse erfüllen, und so die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers anzupassen.
Eine Sperrschicht kann auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Spezifisch kann die Sperrschicht zur Verwendung bei dieser Erfindung irgendein geeignetes Mittel sein, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (beispielsweise einer Aluminiumlegierung) über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus stört, hemmt, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrschichten können aus irgendeinem Material, irgendeiner Verbindung, irgendeinem Element, irgendeiner Zusammensetzung oder dergleichen bestehen, die unter den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung einige Integrität beibehält, nicht flüchtig ist und vorzugsweise der bei dem Verfahren verwendeten Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel ist und auch imstande ist, die fortgesetzte Infiltrierung oder irgendeine andere Art der Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus örtlich zu hemmen, zu stoppen, sie zu stören, sie zu verhindern oder dergleichen.
Geeignete Sperrschichten umfassen Materialien, die im wesentlichen durch die Wanderung der schmelzflüssigen Matrixlegierung unter den angewandten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint wenig oder keine Affinität bezüglich der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht hilft bei der Bildung von Körpern, die die Endgestalt haben, die von dem Metallmatrix- Verbundkörperprodukt verlangt wird. Wie vorstehend angegeben, kann die Sperrschicht vorzugsweise permeabel oder porös sein, um es dem Gas der Infiltrierungsatmosphäre zu gestatten, die schmelzflüssige Matrixlegierung zu kontaktieren. Alternativ können Öffnungen oder dergleichen in der Sperrschicht vorgesehen sein, um den Strom der Infiltrierungsatmosphäre zu erleichtern.
Bei Aluminiuminatrixlegierungen besonders brauchbare geeignete Sperrschichten sind jene, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein Graphitbandprodukt, das unter dem Warenzeichen Grafoil , eingetragen für die Union Carbide vertrieben wird. Dieses Graphitband hat Abdichtungseigenschaften, die die Wanderung von schmelzflüssiger Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch wärmebeständig, chemisch inert, flexibel, kompatibel, anpassungsfähig und nachgiebig. Graphitsperrschichten können jedoch als Aufschlämmung oder Paste und selbst als Anstrichfilm um die und auf die Grenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform angewendet werden und kann in dieser Form leicht auf den Hohlraum der Gußformschale aufgebracht werden. Grafoil wird für einfache Verbundkörperformen bevorzugt, weil es in der Form eines flexiblen Graphitblatts vorliegt und so leicht auf ebene Flächen aufgebracht werden kann.
Andere bevorzugte Sperrschicht(en) für Aluminiummetall-Matrixlegierungen in Stickstoff sind die Übergangsmetallboride (beispielsweise Titandiborid (TiB&sub2;)), die im allgemeinen durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-Legierung unter bestimmten der verwendeten Verfahrensbedingungen unter Verwendung dieses Materials nicht benetzbar sind. Mit einer Sperrschicht dieser Art sollte die Verfahrenstemperatur etwa 875ºC nicht übersteigen, da sonst das Sperrschichtmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich mit erhöhter Temperatur eine Infiltrierung in die Sperrschicht auftritt. Die Übergangsmetallboride liegen typischerweise in einer Teilchenform (1-30 Mikron) vor. Die Metallboridbildung kann als Aufschlämmung oder Paste auf dem Hohlraum in der Gußformschale aufgebracht werden, wodurch die Grenzen der permeablen Masse des keramischen Füllstoffmaterials definiert werden.
Weiterhin ist eine geeignete Sperrschicht für spontane Systeme, die Magnesium umfassen, Magnesiumoxid, das auf der Oberfläche des Schalenhohlraums durch Erhitzen einer Magnesium enthaltenden Mischung, welche den Hohlraum füllt, in Anwesenheit von Stickstoff gebildet werden kann, wonach diese Mischung in Anwesenheit von beispielsweise Luft entfernt wurde. An der Oberfläche des Schalenhohlraums gebildetes Magnesiumnitrid wird dadurch in Magnesiumoxid umgewandelt, das an der Hohlraumoberfläche anhaftet. Weil bei den bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Verarbeitungstemperaturen Magnesium flüchtig ist, kann Magnesiumdampf eine poröse Gußformschale infiltrieren, was zu einer spontanen Infiltrierung des Matrixmetalls in die Schale führt. Die Anwesenheit von Magnesiumoxid erschöpft anscheinend den Vorrat an Magnesiuminfiltrationsverstärker, vorläufer und/oder Magnesiumnitridinfiltrationsverstärker, der sich an der Schalenhohlraumoberfläche befindet, wodurch die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in den erschöpften Bereich nachteilig beeinflußt wird.
Außerdem kann das Erschöpfungsmaterial, wie Magnesiumoxid oder irgendwelche der anderen geeigneten Erschöpfungsmaterialien, die nachstehend beschrieben und an der Oberfläche des Schalenhohlraums vorhanden sind, die Infiltrierung der Schale durch Matrixmetall nur zeitweise während eines Zeitraums verhindern, der beispielsweise durch die Menge an Erschöpfungsmaterial, das an der Oberfläche verfügbar ist, und die Menge an Infiltrationsverstärker und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrierungsatmosphäre, die vor Verfestigung des Matrixmetalls zu erschöpfen ist, beschränkt ist.
Es ist zu beachten, daß eine Gußformschale, die die Infiltrierung eines Infiltrationsverstärkers und/oder Infiltrationsverstärkervorläufers und/oder einer Infiltrierungsatmosphäre nicht gestattet oder die, falls sie so infiltriert ist, nicht spontan durch das Matrixmetall infiltriert wird, nicht den Einschluß einer Sperrschicht auf der Oberfläche des Schalenhohlraums erfordert. Tatsächlich scheinen nur spontane Systeme, die flüchtiges Magnesium enthalten, und von solchen Systemen nur die, die mehr Magnesium enthalten als für die vollständige spontane Infiltrierung des Füllstoffs erforderlich ist, wenn sie bei porösen Gußformschalen verwendet werden, von solchen Sperrschichten zu profitieren. Impermeable, glasähnliche Gußformschalen können so vorteilhaft mit Magnesium enthaltenden, spontanen Systemen verwendet werden, die den anderen Charakteristiken solcher Schalen, die anderweitig beschrieben wurden, unterliegen. Es ist weiterhin zu beachten, daß spontane Systeme, die Bestandteile niedriger Flüchtigkeit bei Verfahrenstemperaturen umfassen, solche Sperrschichten auch nicht erfordern würden.
Andere brauchbare Sperrschichten für Aluminiummetallmatrixlegierungen in Stickstoff umfassen organische Verbindungen mit niedriger Flüchtigkeit, die als Film oder Schicht auf die Außenoberfläche des Füllstoffimaterials oder der Vorform aufgebracht sind. Bei Brennen in Stickstoff, insbesondere bei den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung, zersetzt sich die organische Verbindung unter Belassung eines Rußfilms. Die organische Verbindung kann durch irgendwelche herkömmlichen Mittel wie Anstreichen, Sprühen, Eintauchen usw. aufgebracht werden.
Außerdem können die fein vermahlenen, teilchenförmigen Materialien als Sperrschicht wirken, solange die Infiltrierung des teilchenförmigen Materials mit einer Geschwindigkeit auftritt, die geringer ist als die Infiltrierungsgeschwindigkeit des Füllstoffmaterials.
So kann die Sperrschicht auf irgendeine geeignete Weise aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Bedecken der definierten Oberflächengrenze mit einer Schicht der Sperrschicht. Solch eine Schicht der Sperrschicht kann durch Anstreichen, Eintauchen, Siebdruck, Verdampfen oder anderweitiges Auftragen der Sperrschicht in flüssiger, Aufschlämmungs- oder Pastenform oder durch Sputtern einer verdampfbaren Sperrschicht oder durch einfaches Abscheiden einer Schicht einer festen, teilchenförmigen Sperrschicht aufgebracht werden oder durch Aufbringen eines festen, dünnen Blattes oder Films der Sperrschicht auf die definierte Oberflächengrenze. Wenn sich die Sperrschicht an Ort und Stelle befindet, endet die spontane Infiltrierung im wesentlichen, wenn das Metall die definierte Oberflächengrenze erreicht und die Sperrschicht kontaktiert.
Verschiedene praktische Beispiele der vorliegenden Erfindung sind in den direkt nachfolgenden Beispielen enthalten. Diese Beispiele sollten jedoch als veranschaulichend erachtet werden, und sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert, beschränken.

Beispiel 1

Ein entfernbarer Dorn wurde gebildet, der ein mit Wachs überzogenes Gipshalbhydratreplikat eines Zahnrads mit einem Durchmesser von 7,6 cm und einer Dicke von 6,5 cm umfaßte. Das Gipshalbhydrat ist von Bondex Co., erhältlich, und der Wachsüberzug war CSH Max-E-Wax, erhältlich von Casting Supply Company, New York, NY.
Der entfernbare Dorn wurde in einen Schlicker oder eine Aufschlämmung getaucht, die im wesentlichen gleiche Gewichtsverhältnisse von kolloidalem 20-%igem Aluminiumoxid, geliefert von Remet Co., und 5 um (1000 grit) Siliciumcarbidpulver, geliefert von Norton Co. und vertrieben unter dem Handelsnamen 37 Crystolon umfaßte. Anderer feiner Siliciumcarbidgrobstaub könnte auch verwendet werden. Der schlickerüberzogene, entfernbare Dorn wurde dann mit trokkenem, 216 um (90 grit) Siliciumcarbidpulver (37 Crystolon) bestäubt, welches dann an dem Aufschlämmungsüberzug anhaftete. Die aufeinanderfolgenden Tauch-/Bestäubungs schritte wurden dreimal wiederholt, wonach das Bestäubungspulver zu 408 um (24 grit) Siliciumcarbid (37 Crystolon) verändert wurde. Die aufeinanderfolgenden Eintauch-/Bestäubungs schritte wurden dann weitere dreimal wiederholt. Die sich entwickelnde Gußformschale wurde eine halbe Stunde bei etwa 65ºC nach jeder Eintauch-/Bestäubungsschrittfolge getrocknet.
Nach der letzten Eintauch-/Bestäubungsfolge wurde die Gußformschale in einem Luftofen bei einer Temperatur von etwa 900ºC während eines Zeitraums von einer Stunde gebrannt. Bei diesem Brennen verflüchtigte sich der Wachsüberzug auf dem entfernbaren Dorn und schwächte das Gipshalbhydrat; nach Kühlen auf Raumtemperatur wurde das Gipshalbhydrat leicht verflüssigt und aus der Gußformschale herausgewaschen. Die Schale wurde dann gründlich während 12 Stunden bei einer Temperatur von etwa 75ºC luftgetrocknet.
Eine Sperrschicht wurde auf der Oberfläche des Hohlraums in der Gußformschale gebildet, indem der Hohlraum zuerst mit einer Mischung von 5 um (1000 grit) Siliciumcarbidpulver (39 Crystolon von Norton Co.) und etwa 10 Gew.-% 250 um (50 mesh) Magnesiumpulver (Aesar, erhältlich von Johnson Mathey Co.) gepackt. Die so gefüllte Gußformschale wurde dann in eine Dose aus 316 rostfreiem Stahl verbracht, die mit einer dünnen Kupferfolie (erhältlich von Atlantic Engineering Co.) bedeckt war. Ein Rohr aus rostfreiem Stahl wurde durch die Kupferfolie eingeführt, und das Innere der Dose wurde mit im wesentlichen reinem Stickstoffgas mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,24 Liter/min. gespült. Die kontinuierlich gespülte Dose wurde dann in einem vorerhitzten elektrischen Widerstandsofen von etwa 600ºC bis 750ºC während eines Zeitraums von etwa einer Stunde erhitzt, und bei etwa 750ºC etwa eine Stunde lang gehalten. Die Dose und ihr Inhalt wurden dann aus dem Ofen entfernt und der Hohlraum wurde, während er noch heiß war, mit Wasser klar gespült. Ein schwarzer Überzug auf der Oberfläche des Hohlraums wurde so gebildet. Einige kleine Teile des Überzugs blätterten von der Gußformschale ab, als die Füllungsmischung entfernt wurde.
Nach gründlichem Trocknen wurde der mit der Grenzschicht überzogene Hohlraum der Gußformschale mit einem Füllstoff gepackt, der eine Mischung eines Aluminiumoxidpulvers (C75- RG, erhältlich von Alcan Cheinical Products, Co.) und etwa 5 Gew.-% eines 44 um (325 mesh) Magnesiumpulvers (Aesar, erhältlich von Johnson Mathey Co.) mit einem Gesamtgewicht von etwa 337 g gefüllt. Einpacken von Hand verringerte das Volumen des Füllstoffs etwa um die Hälfte und hatte die Wirkung, daß es zu höheren Volumenanteilen des Füllstoffmaterials und gleichmäßigerer strukturierten Verbundkörpern führte.
Die mit dem Füllstoff gepackte Gußformschale wurde dann in eine Dose aus 316 rostfreiein Stahl verbracht und ein 722 g Aluminiumlegierungsblock der Standard-520-Aluminiumlegierung wurde in die Dose in Berührung mit dem Füllstoff gebracht. Die Dose war mit einer dünnen Kupferfolie bedeckt, und das Innere der Dose wurde kontinuierlich mit reinem Stickstoffgas mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 2 Liter/min. gespült.
Die Dose wurde in einem elektrischen, widerstandsbeheizten Ofen von Raumtemperatur auf etwa 800ºC während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden erhitzt und etwa 0,5 Stunden lang bei etwa 800ºC gehalten, am Ende welcher Zeit die Aluminiumlegierung sich verflüssigt und den Füllstoff spontan infiltriert hatte. Die Temperatur des Ofens wurde dann auf etwa Raumtemperatur während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden gesenkt, wodurch sich das Metallmatrixverbundkörperzahnrad verfestigte, und die Gußformschale wurde aus dem Ofen entfernt. Die Schale wurde in einem Bett von Sand bei Raumtemperatur gelagert und von dem Metallmatrixverbundkörperzahnrad mit Hammerschlägen weggeschlagen.
Das sich ergebende Metallmatrixverbundkörperzahnrad zeigte eine gute Formtreue, wie in Fig. 4 gezeigt, und erforderte eine minimale Oberflächenbearbeitung, außer in solchen Bereichen der Nähe der Bereiche der Oberfläche des Hohlraums, von dem der Sperrschichtüberzug abgeblättert war. Durch jene Bereiche trat etwas Infiltrierung des Aluminiummatrixmetalls in die Gußformschale auf.

Beispiel 2

Eine Gußformschale wurde durch die gleiche Eintauch- /Bestäubungsfolge wie in Beispiel 1 rund um einen entfernbaren Dorn herum gebildet, der eine thermoplastische Schaumstofftasse aufwies. Nach Entfernen des Tassendorns aus dem Gußformschale durch Brennen der Schale bei etwa 850ºC während etwa einer Stunde, wurde der Hohlraum der Schale mit einer gesättigten, wäßrigen Lösung von Magnesiumperchlorat (erhältlich von Morton Thiokol Co.) gefüllt. Die Lösung durfte die schalenhohlraumoberfläche während etwa 2 Minuten tränken, danach wurde die Lösung aus dem Schalenhohlraum entfernt. Die Gußformschale wurde in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 100ºC luftgetrocknet. Die Temperatur wurde dann auf etwa 750ºC während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden hochgefahren, die Schale wurde bei einer Temperatur von etwa 750ºC etwa eine Stunde lang gebrannt, und die Temperatur wurde während eines Zeitraums von etwa 2 Stunden gesenkt.
Der Gußformschalenhohlraum wurde dann etwa halb voll mit dem Füllstoff, wie in Beispiel 1 gefüllt, und den gleichen, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten, wie in Beispiel 1, unterworfen.
Bei Entfernen der Matrixmetall-Verbundkörpertasse zeigte die Prüfung eine gute Formtreue, wobei eine minimale Oberflächenbearbeitung erforderlich war. Es trat keine Infiltrierung der Gußformschale von außen durch das Aluminiummatrixmetall auf.

Beispiel 3

Ein entfernbarer Dorn, der eine thermoplastische Schaumstofftasse aufwies, wurde zur Bildung einer Gußformschale verwendet. Der Dorn wurde zuerst in einen Schlicker oder in eine Aufschlämmung von gleichen Teilen von reinem Calciumcarbonat (erhältlich von Standard Ceramic Supply Co.) und kolloidalem 20 gew.-%-igen Siliciumoxid (erhältlich von Nyacol Co.) getaucht. Der mit der Aufschlämmung überzogene Dorn wurde dann mit Siliciumcarbid, wie in beispiel 1, bestäubt und aufeinanderfolgende Eintauch-/Bestäubungsfolge schritte wurden, wie in Beispiel 1, durchgeführt. Weitere Verfahrensschritte, die zur Bildung der Schale führten, wurden wie in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß keine getrennte Sperrschichtbildung über Erhitzen und Entfernen einer Siliciumcarbid-/Magnesium-Mischung durchgeführt wurde. Im allgemeinen wird Siliciumcarbid zur Bildung von Gußformschalen bevorzugt, weil solche Schalen dazu neigen, stärker und robuster zu sein.
Aluminiumoxid wird für Schalen bevorzugt, die eine Hohlraumoberflächensperrschichtbildung wie in Beispiel 1, erfahren.
Die Schale wurde dann mit einem Füllstoff gepackt, der eine Mischung, wie in Beispiel 2, umfaßte, und die weitere Verarbeitung wurde, wie in Beispiel 2, durchgeführt, wobei der Metallmatrix-Verbundkörper eine gleichermaßen gute Nettoformleistung zeigte.

Beispiel 4

Eine Gußformschale wurde, wie in Beispiel 3, mit der Ausnahme gebildet, daß vor dem Brennen die Oberfläche des Hohlraums in der Schale mit einem Hochtemperaturaluminiumanstrich, erhältlich von Sherwin-Williams Co. und vertrieben unter der Bezeichnung Hi-Enamel Aluminum Color Spray Paint) besprüht. Der Anstrich umfaßte eine Nr. 2 Aluminiumpaste in einem Silicatträger. Die angestrichene Gußformschale wurde dann während eines Zeitraum von etwa 2 Stunden gebrannt, aber ansonsten in ähnlicher Weise wie das Brennen in Beispiel 3. Die weitere Verarbeitung wurde, wie in Beispiel 3, durchgeführt.
Die Nettoformleistung, das heißt, die Formtreue mit Bezug auf den entfernbaren Dorn und das Nichtbenötigen einer Oberflächenbearbeitung des sich ergebenden Matrixmetall- Verbundkörpers war sogar besser als jene der in Beispiel 1 bis 3 gebildeten Körper.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Ver bundkörpers, das umfaßt:

(a) Ausbilden einer Gußormschale mit einem Hohlraum darin;

(b) Anordnen eines im wesentlichen nicht-reaktiven Füllstoffs in dem Hohlraum;

(c) Anordnen einer Quelle für eine Matrixmetall angrenzend an den im wesentlichen nicht-reaktiven Füllstoff; und

(d) Erhitzen des genannten Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts sowie in Gegenwart einer Infiltrationsatmosphäre während wenigstens eines Teils des Verfahrens sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker und einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, um zu bewirken, daß das Matrixmetall den Füllstoff spontan infiltriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrokügelchen, Whiskers, Hohlkugeln, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, Kügelchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Gußformschale dadurch ausgebildet wird, daß man einen entfernbaren Dorn mit einem Feuerfestmaterial beschichtet, das Feuerfestmaterial selbsttragend macht und den entfernbaren Dorn entfernt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der entfernbare Dorn eine Wachsform umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der entfernbare Dorn dadurch aus der Gußformschale entfernt wird, daß man die Gußformschale reversibel auseinandernimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Feuerfestmaterial wenigstens eines von Aluminiumoxid, Siliciumoxid und Siliciumcarbid umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der entfernbare Dorn durch wenigstens eines von Anstreichen, Besprühen und Eintauchen beschichtet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, das außerdem den Schritt des Beschichtens des Hohlraums mit einer Sperrschicht zur Behinderung der spontanen Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Infiltraionsatmosphäre mit wenigstens einem von dem Füllstoff und dem Matrixmetall durch die Gußformschale hindurch kommuniziert.

10. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufen des Bereitstellens wenigstens eines zweiten Matrixmetalls sowie das spontane Infiltrieren wenigstens eines Teils des Füllstoffs mit dem schmelzflüssigen zweiten Matrixmetall umfaßt.