DE68913433T2

DE68913433T2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Körpern durch Immersionsgiessen und Produkte daraus.

Info

Publication number: DE68913433T2
Application number: DE68913433T
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: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: ZA898539B; AU4165689A; NO893986D0; AU623929B2; FI91491C; KR970008036B1; EP0368787A1; DE68913433D1; RO106391B1; CA2000777A1; IL91733A0; DK558989D0; JP2905519B2; FI91491B; DK558989A; BR8905615A; EP0368787B1; US5000249A; ATE102261T1; NO176348B

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen. Im einzelnen wird eine durchlässige Masse aus einem Füllstoffmaterial zu einer Vorform ausgebildet. Auch stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht wird, die Vorform spontan zu infiltrieren, wenn die Vorform in das schmelzflüssige Matrixmetall eingetaucht wird. Es kann auch eine Vorrichtung verwendet werden, um die Vorform zumindest teilweise unter der Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls zu halten.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einem Matrixmetall und einer stabilisierenden oder verstärkenden Phase, wie z.B. keramischen Teilchen, Whiskern, Fasern oder dergleichen, bestehen, erscheinen für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend zu sein, da sie einen Teil der Steifheit und der Verschleißfestigkeit der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix- Verbundgegenstand Verbesserungen solcher Eigenschafien wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit, der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls, wenn es als ein Stück vorliegt, auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschafi verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundgegenstands verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundgegenstand auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundgegenstände mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen oder Whiskern verstärkt ist, sind beispielsweise aufgrund ihrer größeren Steifheit, Verschleißfestigkeit und größeren Hitzestabilität im Vergleich zum Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundgegenständen mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, einschließlich von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken und Techniken der Infiltration flüssiger Metalle beruhen, die Preßgießen, Vakuumgießen, Rühren und Netzmittel zum Einsatz bringen. Bei den pulvermetallurgischen Techniken wird das Metall in Form eines Pulvers und das verstärkende Material in Form eines Pulvers, von Whiskern, Schnittfasern etc., miteinander vermischt und entweder kalt gepreßt und gesintert oder warm gepreßt. Es wurde berichtet, daß der maximale Volumenanteil der Keramik in Verbundgegenständen mit einer durch Siliziumkarbid verstärkten Aluminiummatrix, die durch dieses Verfahren erzeugt werden, im Falle von Whiskern bei ungefähr Volumenprozent liegt und im Falle von Teilchen bei ungefähr 40 Volumenprozent.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundgegenstand ist typischerweise, im Falle von Teilchen, auf 40 Prozent begrenzt. Auch setzt der Preßvorgang der erzielbaren Größe Grenzen. Es sind nur relativ einfache Formen der Produkte ohne eine sich anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Ausformen oder maschinelles Bearbeiten) oder ohne komplexe Pressen möglich. Auch kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen sowie zu einer Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das U.S.-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid, und der ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Der Verbundgegenstand wird dadurch herstellt, daß parallele Matten oder Filze aus Fasern, die in derselben Ebene liegen, in eine Form gegeben werden, wobei sich ein Reservoir aus schmelzflüssigem Matrixmetall, z.B. Aluminium, zwischen zumindest einigen der Matten befindet, und durch Anwenden von Druck, um das schmelzflüssige Metall dazu zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die ausgerichteten Fasern zu umgeben. Es kann schmelzflüssiges Metall auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es durch Anwendung von Druck dazu gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beladungen von bis zu ungefähr 50 Volumenprozent an verstärkenden Fasern im Verbundgegenstand berichtet.
Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß ist, im Hinblick auf seine Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu pressen, den Unregelmäßigkeiten des druckinduzierten Flußprozesses ausgesetzt, d.h. einer möglichen Uneinheitlichkeit der Matrixbildung, der Porosität, etc. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist auch, wenn das schmelzflüssige Metall an mehreren Stellen in die faserförmige Anordnung eingebracht werden kann, möglich. Deshalb ist es erforderlich, komplizierte Anordnungen aus Matte und Reservoir und Flußwegen zu schaffen, um eine angemessene und gleichmäßige Durchdringung des Stapels aus Fasermatten zu erzielen. Auch ermöglicht die eben beschriebene Methode der Druckinfiltration aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Infiltration großer Mattenvolumina verbunden sind, nur eine relativ geringe Verstärkung des Volumens der Matrixfraktion. Außerdem müssen die Formen das schmelzflüssige Metall unter Druck aufnehmen, was die Kosten des Prozesses erhöht. Schließlich zielt der genannte Prozeß, der auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht darauf ab, Aluminium-Metallmatrix- Verbundgegenstände zu erzielen, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von Verbundgegenständen, die aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid-Füllstoffen bestehen, benetzt das Aluminium nicht ohne weiteres das Aluminiumoxid, wodurch es schwierig wird, ein zusammenhängendes Produkt herzustellen. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein derartiger Ansatz liegt darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall zu beschichten (z.B. Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium warm gepreßt wird. Bei einer anderen Technik ist das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliziumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstände Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das U.S.-Patent Nr. 4232 091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundgegenständen aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25:1. Da äußerer Druck angelegt werden muß um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundgegenständen aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirkoniums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Kalzium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, daß durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt sowohl die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Entfernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor schmelzfiüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug aus einer Mischung aus einem Netzmittel und einem Löslichkeitserniedriger auf das Substrat aus Aluminiumoxid vor dem Anfahren der Zelle, oder während es im schmelzflüssigen Aluminium, das durch den elektrolytischen Prozeß gebildet wird, eingetaucht ist, aufgetragen. Zu den offengelegten Netzmitteln gehören Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Kalzium, und Titan wird als das bevorzugte Mittel bezeichnet. Von Verbindungen des Bors, Kohlenstoffs und des Stickstoffs wird beschrieben, da sie nützlich für die Erniedrigung der Löslichkeit des Netzmittels im schmelzflüssigen Aluminium sind. Diese Arbeit legt jedoch nicht die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre nahe.
Zusätzlich zur Anwendung von Druck und von Netzmitteln wurde offengelegt, daß das Anlegen eines Vakuums das Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen keramischen Preßkörper erleichtert. Zum Beispiel berichtet das U.S.-Patent Nr. 3 718 441, das am 27. Februar 1973 an R. L. Landingham erteilt wurde, über die Infiltration eines keramischen Preßkörpers (z.B. Borkarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das U.S.-Patent Nr. 3864154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AlB&sub1;&sub2;, der sandwichartig zwischen den Schichten aus Aluminiumpulver vorlag, beladen war, wurde in einen Vakuumschmelzofen gegeben. Der Ofen wurde auf ungefähr 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um ein Ausgasen zu ermöglichen. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und 3 Stunden lang gehalten. Unter diesen Bedingungen durchdrang das schmelzflüssige Aluminium den porösen Preßkörper aus AlB&sub1;&sub2;.
Das U.S.-Patent Nr. 3 364976, das am 23. Januar 1968 an John N. Reding et al. erteilt wurde, legt das Konzept zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung das Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper offen. Speziell wird offengelegt, daß ein Körper, z.B. eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses hitzebeständiges Material, vollkommen in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas gefüllt ist, das mit dem Metall reagiert, mit dem außen Iokalisierten schmelzflüssigen Metall durch zumindest eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird füllt sich der Hohlraum, da die Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall das selbsterzeugte Vakuum schafft. Insbesondere ist das Vakuum das Ergebnis der Bildung einer festen oxidierten Form des Metalls. Somit legen Reding et al. offen, daß es essentiell ist, eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall hervorzurufen. Die Verwendung einer Form zur Erzeugung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der Beschränkungen, die zwangsläufig mit der Verwendung einer Form verbunden sind, unerwünscht sein. Formen müssen zunächst durch maschinelle Bearbeitung in die jeweilige Gestalt gebracht werden; dann müssen sie geglättet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form zu erzeugen; dann vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden; dann nach ihrer Verwendung auseinandergenommen werden, um das gegossene Stück aus ihnen zu entfernen; und danach muß die Form überholt werden, wozu höchstwahrscheinlich eine Neubearbeitung der Oberflächen der Form oder das Verwerfen der Form gehört für den Fall, daß sie nicht mehr für eine Verwendung geeignet ist. Die maschinelle Bearbeitung der Form, um ihr eine komplexe Gestalt zu geben, kann sehr teuer und zeitaufwendig sein. Darüber hinaus kann das Entfernen eines geformten Stückes aus einer Gußform von komplexer Gestalt ebenfalls schwierig sein (d.h., gegossene Stücke mit einer komplexen Form könnten beim Entfernen aus der Form zerbrochen werden). Weiterhin muß, obwohl vorgeschlagen wurde, daß ein poröses hitzebeständiges Material direkt in ein schmelzflüssiges Metall eingetaucht werden kann, ohne daß eine Form notwendig ist, das hitzebeständige Material aus einem Stück bestehen, da in Abwesenheit eines Formbehälters keine Möglichkeit besteht, ein in mehrere Teile zerfallenes poröses Material zu infiltrieren (d.h., es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material beim Eintauchen in ein schmelzflüssiges Metall typischerweise auseinanderfällt oder auseinanderschwimmt). Weiterhin sollte, wenn es gewünscht war, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, Vorsorge getroffen werden, daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Bereiche der Teilchen oder der Vorform verdrängt was zu einer inhomogenen Mikrostruktur führen würde.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, der nicht auf die Verwendung eines Druckes oder eines Vakuums angewiesen ist (ganz gleich, ob äußerlich angewendet oder intern erzeugt) oder auf schädigende Netzmittel, um eine Metallmatrix zu erzeugen, die ein anderes Material, wie z.B. ein keramisches Material, einbettet. Darüber hinaus besteht schon lange ein Bedarf danach, das Ausmaß der abschließenden maschinellen Bearbeitungen, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands erforderlich sind, zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß sie einen Mechanismus zur spontanen Infiltration eines Materials (z.B. eines keramischen Materials) liefert, das zu einer Vorform ausgebildet ist, mit schmelzflüssigem Matrixmetall (z.B. Aluminium) in Anwesenheit einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoff) bei normalem atmosphärischem Druck, solange wie ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses anwesend ist.

Beschreibung von Patentanmeldungen desselben Anmelders

Der Gegenstand dieser Anmeldung steht in Zusammenhang mit denjenigen verschiedener anderer ebenfalls anhängiger Patentanmeldungen desselben Anmelders. Speziell beschreiben diese anderen ebenfalls anhängigen Anmeldungen neuartige Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Metallmatrix (die hier im folgenden manchmal als "Metallmatrix- Patentanmeldungen desselben Anmelders" bezeichnet werden).
Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix wird in der EP-A-291 441 offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch die Infiltration einer durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angewendet wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Matrix aus Aluminium < oder aus einer Aluminiumlegierung). Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung fest werden zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende Füllstoffmaterial ein bettet. Üblicherweise und vorzugsweise wird soviel schmelzflüssige Legierung bereitgestellt, daß die Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen der Masse aus Füllstoffmaterial voranschreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials im Aluminiummatrix-Verbundkörper, der gemäß der Erfindung der EP-A-291 441 hergestellt wird, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt 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 schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundgegenstands maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß der Verbundgegenstand wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, aber den Prozeß auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eines Gleichgewichtes zwischen der Infiltrationskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für ein geeignetes Sperrschichtelement für die Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundgegenständen wird in der EP-A-323945 beschrieben. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Sperrschichtelement (z.B. teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie z.B. ein biegsames Graphitband, das von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil vertrieben wird) auf eine festgelegte Oberflächengrenze eines Füllstofimaterials aufgebracht, und die Matrixlegierung infiltriert bis zu der Grenze, die durch das Sperrschichtelement festgelegt wird. Das Sperrschichtelement wird verwendet, um die Infiltration der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch sie zu Metallmatrix-Verbundgegenständen mit einer endgültigen oder nahezu endgültigen Form führt. Dementsprechend weisen die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelements entspricht.
Das Verfahren der EP-A-291441 wurde dann durch die EP-A-333629 verbessert. Gemäß den Verfahren, die in dieser Patentanmeldung offengelegt werden, liegt eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle eines Metalls und als ein Reservoir an Matrixmetallegierung vor, das z.B. aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Quelle an schmelzflüssigem Metall kommuniziert. Insbesondere beginnt unter den Bedingungen, die in dieser Patentanmeldung beschrieben werden, die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse aus Füllstoffmaterial bei normalem Atmosphärendruck zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrix- Verbundkörpers. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn die spontane Infiltration voranschreitet, bei Bedarf nachgeliefert werden, vorzugsweise kontinuierlich aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall. Wenn eine gewünschte Menge an durchlässigem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der durchlässigen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin sollte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern das überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix- Verbundkörper verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundkörper (z.B. ein Makrokomposit), bei dem ein infiltrierter keramischer Körper, der eine Metallmatrix enthält, direkt an überschüssiges Metall, das im Reservoir verblieben ist, gebunden ist.
Jede der oben diskutierten Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders beschreibt Verfahren für die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen und neuartige Metallmatrix-Verbundkörper, die damit hergestellt werden. Die gesamten Offenlegungen aller vorangehender Metallmatrix-Patentanmeldungen desselben Anmelders sind hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Metall matrix-Verbundgegenstand wird dadurch hergestellt, daß eine durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial, die als eine Vorform ausgebildet wurde, spontan infiltriert wird. Genauer gesagt wird ein Matrixmetall geschmolzen, und das Matrixmetall wird in einem für die Aufnahme des Matrixmetalls geeigneten, nichtreaktiven Schiffchen (z.B. einem passenden feuerfesten Behälter) gehalten, so daß sich ein Sumpf aus schmelzflüssigem Matrixmetall bildet. Die Vorform wird dann in das schmelzflüssige Matrixmetall eingetaucht, um die spontane Infiltration zu erhalten. Auch ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre befinden sich zumindest an einem gewissen Punkt des Prozesses in Verbindung mit der Vorform, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, die Vorform spontan zu infiltrieren, wenn die Vorform in das schmelzflüssige Matrixmetall gegeben wird.
Die Vorform kann von Haus aus dazu tendieren, aufgrund ihres natürlichen Auftriebs im schmelzflüssigen Matrixmetall an oder auf der Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls zu schwimmen. Es kann jedoch erwünscht sein, die Vorform vollständig im schmelzflüssigen Matrixmetall unterzutauchen. Vor einem derartigen vollständigen Untertauchen sollte die Vorform jedoch vorzugsweise zumindest entweder einen Infiltrationsverstärker und/oder einen nfiltrationsverstärker-Vorläufer enthalten. Unter diesen Bedingungen infiltriert schmelzflüssiges Matrixmetall spontan die untergetauchte Vorform. Alternativ kann das schmelzflüssige Matrixmetall einen Infiltrationsverstärker oder einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer zusätzlich zum oder anstelle des Infiltrationsverstärker(s) oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) in der Vorform enthalten. Wenn ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer nur im schmelzflüssigen Matrixmetall vorkommt, dann muß ein Hilfsmittel bereitgestellt werden, um diesen Vorläufer mit einem anderen Material in Kontakt zu bringen (z.B. eine Infiltrationsatmosphäre, die man in das schmelzflüssige Matrixmetall blubbern könnte).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann eine geformte Vorform dadurch hergestellt werden, daß ein Füllstoffmaterial, das einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und ein keramisches Material aufweist, in eine Form gegeben wird. Das in eine Form gebrachte Füllstoffmaterial mit dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer kann danach einer Infiltrationsatmosphäre ausgesetzt werden, um die Vorform zu verfestigen und einen Infiltrationsverstärker in der Vorform zu bilden. Die Vorform, die nun einen Infiltrationsverstärker enthält, kann danach in schmelzflüssiges Matrixmetall mit einem geeigneten Element zum Untertauchen der Vorform in schmelzflüssiges Matrixmetall und wieder Herausholen untergetaucht werden. Zum Beispiel kann die Vorform in einem wieder herausholbaren Käfig enthalten sein, der die Vorform unter die Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls zwingt, oder die Vorform kann an einem Ballastelement befestigt sein, das dem Auftrieb der Vorform im schmelzflüssigen Matrixmetall entgegenwirkt. Unabhängig von der Art des Elements, das zum Untertauchen und wieder Herausholen der Vorform verwendet wird, braucht die Infiltrationsatmosphäre nicht mehr erforderlich zu sein, um die spontane Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls in die Vorform zu erreichen, wenn zumindest ein Infiltrationsverstärker in der Vorform vorkommt. Jedoch kann die Anwesenheit einer derartigen Infiltrationsatmosphäre oder zumindest einer inerten Atmosphäre immer noch benötigt werden, damit eine Oberfläche des Sumpfes aus Matrixmetall, die mit der Atmosphäre in Kontakt steht, nichtreaktiv bleibt.
Weiterhin ist es möglich, daß es zusätzlich zum spontanen Infiltrationsmechanismus auch zu einer Tendenz zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in der untergetauchten Vorform kommen kann (z.B. kann schmelzflüssiges Matrixmetall mit der in der Vorform eingeschlossenen Atmosphäre reagieren, wodurch das schmelzflüssige Matrixmetall dazu gebracht werden kann, die Vorform zu infiltrieren).
Es wird angemerkt, daß diese Anmeldung primär Matrixmetalle aus Aluminium diskutiert, die an einem gewissen Punkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands mit Magnesium in Kontakt gebracht werden, das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert, und zwar in Gegenwart von Stickstoff, der als Infiltrationsatmosphäre fungiert. Somit kommt es in dem System Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff zur spontanen Infiltration. Jedoch können sich andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre auf ähnliche Weise wie das System Aluminium/Magnesium/Stickstoff verhalten. Zum Beispiel wurde ein spontanes nfiltrationsverhalten in dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Kalzium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß, obwohl hier primär das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff diskutiert wird, sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann kann die Aluminiumlegierung mit einer Vorform aus einem Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid) in Kontakt stehen, wobei das genannte Füllstoffmaterial beigemischtes Magnesium enthält und/oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt wird. Darüberhinaus liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform für zumindest einen Abschnitt des Prozesses in einer Stickstoffatmosphäre vor. Dabei wird die Vorform spontan vom Matrixmetall infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands hängt von einer vorgegebenen Kombination an Prozeßbedingungen ab, zu denen z.B. die Konzentration des Magnesiums gehört, die dem System zur Verfügung steht (z.B. in der Aluminiumlegierung und/oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeit, über die man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß, das ausreicht, die Vorform im wesentlichen vollständig im Matrixmetall einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. im Handel erhältliche Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen, Silizium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink etc. enthalten. Eine Aluminiumlegierung für die Zwecke dieser Definition ist eine Legierung oder eine Zwischenmetallverbindung, in der Aluminium den Hauptbestandteil darstellt.
"Ballastelement" oder "Element zum Belasten", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine Vorrichtung, die dem natürlichen Auftrieb der Vorform im schmelzflüssigen Matrixmetall entgegenwirkt so daß, wenn das genannte Element an einer Vorform befestigt ist, die Vorform an einem Punkt unter der Oberfläche der schmelzflüssigen Matrixlegierung gehalten wird.
"Restliches nichtoxidierendes Gas", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu dem primären Gas, das die Infiltrationsatmosphäre ausmacht, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen unter den Prozeßbedingungen mit dem Matrixmetall nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas, welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
"Sperre" oder "Sperrschichtelement", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet jedes geeignete Mittel, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze aus einem durchlässigen Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetallmaterial auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, das notwendig sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metallmatrix-Verbundkörperproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen durchlässig oder porös sein oder durchlässig gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten.
"Gerüst" oder "Gerüst aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in Kontakt mit zumindest einem Teil des Metallmatrix-Verbundkörpers, der gebildet wurde, bleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst typischerweise auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen im wesentlichen nichtreaktiven Füllstoff, der keramische Füllstoffe, die von B&sub4;C verschieden sind, sowie beschichtete Füllstoffmaterialien einschließlich von keramikbeschichteten Fasern umfaßt. Der Füllstoff kann entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen beinhalten und kann aus einer Phase oder mehreren Phasen bestehen. Füllstoffe können in einer großen Vielzahl von Formen bereitgestellt werden, wie z.B. als Pulver, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whisker, Blasen etc., und sie können entweder dicht oder porös sein. Zu "Füllstoffen" können auch keramische Füllstoffe gehören, wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff-Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen. Zu Füllstoffen können auch keramikbeschichtete Metallfasern gehören.
"Infiltrationsatmosphäre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige vorliegende Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung tritt und den Ablauf der spontanen Infiltration des Matrixmetalls gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines nfiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüberhinaus kann der Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und im wesentlichen wirkt er auf ähnliche Weise wie ein Infiltrationsverstärker, der sich aus einer Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer anderen Spezies gebildet hat. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen, damit die spontane Infiltration erzielt wird.
"Infiltrationsverstärker-Vorläufer" oder "Vorläufer des Infiltrationsverstärkers", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrationsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall zur Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform bringt oder es dabei unterstützt. Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu treten. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur, in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt und/oder (2) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetallegierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeuten dasjenige Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands eingesetzt wird (z.B. vor der Infiltration) und/oder dasjenige Metall, das mit einem Füllstoffmaterial vermischt wird, so daß ein Metallmatrix-Verbundgegenstand gebildet wird (z.B. nach der Infiltration). Wenn ein bestimmtes Metall als das Matrixmetall erwähnt wird, dann sollte klar sein, daß dieses Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, eine Zwischenmetallverbindung oder eine Legierung, in der dieses Metall den Hauptbestandteil oder vorherrschenden Bestandteil darstellt, beinhaltet.
"System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre" oder "spontanes Svstem", wie die Begriffe hier verwendet werden, bezieht sich auf diejenige Kombination von Materialien, die zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führt. Es sollte klar sein, daß immer, wenn Schrägstriche ("/") zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, die Schrägstriche verwendet werden, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu benennen, die, wenn sie auf bestimmte Weise kombiniert werden, zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führen.
"Element zum Untertauchen und wieder Herausholen", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine geeignete Vorrichtung, die an wenigstens einer Vorform befestigt ist oder diese unterstützt so daß das genannte Element die Vorform zumindest teilweise unter eine Oberfläche eines Sumpfes aus schmelzflüssiger Matrixlegierung untertauchen und die Vorform aus dem Sumpf aus schmelzflüssiger Matrixlegierung wieder herausholen kann.
"Metallmatrix-Verbundgegenstand, wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das ein(e) in zwei oder drei Dimensionen in sich verbundene(s) Legierung oder Matrixmetall aufweist, die bzw. das eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente enthalten, um dem resultierenden Verbundgegenstand bestimmte gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen.
Ein Metall, das vom Matrixmetall "verschieden" ist, bedeutet ein Metall, das nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall als Hauptbestandteil enthält (wenn z.B. der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, dann kann das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nichtreaktives Gefäß für die Aufnahme des Matrixmetalls" bedeutet jedes beliebige Gefäß, das schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer auf eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen könnte.
"Vorform oder durchlässige Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächenbegrenzung hergestellt wird, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall infiltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff, entweder homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeignetem Material bestehen (z.B. aus Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulvern, Fasern, Whiskern etc. und jeder Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu einer Füllstoffmasse oder einer Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt, fließen kann, um denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der/das/die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen oder in bestimmen Fällen zunächst bereitzustellen und anschließend aufzufüllen.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalls in die durchlässige Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, aber sie sollen nicht den Bereich der Erfindung einschränken. Es wurden, wann immer es möglich war, ähnliche Referenzziffern in den Figuren verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen:
Figur 1a zeigt eine verallgemeinerte Vorform, die für eine Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Figur 1b zeigt eine wiederverwendbare Form für die Formung der verallgemeinerten Vorform; Figur 2 zeigt ein Element zum Untertauchen und wieder Herausholen der Vorform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 zeigt einen Aufbau für die spontane Infiltration gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 zeigt die Entfernung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands unter Verwendung des Elements zum Untertauchen und wieder Herausholen;
Figur 5 zeigt eine verbrauchbare Form und ein Ballastelement; und
Figur 6 zeigt die Form und das Ballastelement, wie sie in einem Sumpf aus Matrixmetall untergetaucht sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands durch Untertauchen einer beliebigen geeigneten Vorform in schmelzflüssigem Matrixmetall, wobei die Vorform typischerweise aus einem Füllstoffmaterial hergestellt ist, wie weiter unten genauer beschrieben wird, und durch Inkontaktbringen mit zumindest entweder einem Infiltrationsverstärker und/oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einer Infiltrationsatmosphäre, zumindest an einem bestimmten Punkt des Prozesses, was dazu führt, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die Vorform im gewünschten Ausmaß infiltriert.
Im folgenden wird auf die Figuren Bezug genommen, in denen ähnliche Ziffern durchwegs ähnliche Teile bezeichnen. Die Figuren 1a und 1b zeigen eine verallgemeinerte Vorform 1, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Vorform 1 kann z.B. aus einer Mischung aus Keramikteilchen und einem Infiltrationsverstärker bestehen, der durch eine Reaktion zwischen einer Infiltrationsatmosphäre und einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer gebildet werden kann, und die durch einen Hohlraum 2 in der Form 3 in die gewünschte Form gebracht wurde. Die Form 3 kann wiederverwendbar sein, und in diesem Falle kann sie aus einer geeigneten unverwüstlichen, aber trotzdem leicht formbaren Material bestehen, wie z.B. Gips oder Silikongummi oder dergleichen, oder die Form 3 kann während nachfolgender Verarbeitungsschritte aufgebraucht werden, wobei sie in diesem Falle aus einem Material besteht, wie z.B. Metallfolie, das den Prozeß der spontanen Infiltration nicht beeinflußt. Die Form 3 kann eine geteilte Form, eine mehrteilige Form, eine zweiteilige Form oder eine beliebige andere geeignete Form sein.
Wie in der Figur 2 gezeigt ist, kann die Vorform 1, gleichgültig, ob sie noch in einer verbrauchbaren Form eingeschlossen ist oder frei vorliegt, in ein Element 4 zum Untertauchen der Vorform in einen Sumpf aus schmelzflüssigem Matrixmetall und wieder Herausholen gegeben werden. Die wichtigeren Eigenschaften des Elements 4 bestehen darin, daß die Elemente 4 die Vorform 1 unterstützen oder an ihr befestigt sind, um dem natürlichen Auftrieb der Vorform im Sumpf aus Matrixmetall entgegenzuwirken, ohne daß sie die Gestalt der Vorform beeinflussen, daß die Elemente 4 den Kontakt der Vorform mit dem Sumpf erlauben, daß die Elemente 4 genügend temperaturbeständig und chemisch inaktiv sind, um das Eintauchen in den Sumpf aus Matrixmetall überstehen zu können, und daß die Elemente 4 den Prozeß der spontanen Infiltration nicht nachteilig beeinflussen. Ein geeignetes Element 4 besteht aus einer Basis 4-1, mehreren Stangen 42 und einem entfernbaren Deckel 4-3. Ein geeigneter Griff 4-4 kann praktischerweise am Element 4 angebracht sein und das Einführen und Herausziehen des Elements 4 aus dem Sumpf aus Matrixmetall sowie andere gewünschte Handhabungen des Elements zu ermöglichen. Es ist außerdem von Vorteil, daß das Element 4 auch einen beliebigen Korb oder ein beliebiges Sieb enthalten kann, der bzw. das für Matrixmetall durchlässig ist und die vorher erwähnten wichtigen Eigenschaften des Elements 4 aufweist. Zusätzlich kann das Element 4 lediglich aus der Basis und einem Griff bestehen, wobei eine oder mehrere Vorformen wieder entfernbar an der Basis befestigt sind.
Das folgende bezieht sich auf die Figur 3. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Element 4 zum Untertauchen und wieder Herausholen der Vorform 1 in einen Sumpf 5 aus schmelzflüssigem Matrixmetall gegeben, der in einem nicht reaktiven Schiffchen 6 für die Aufnahme des Matrixmetalls enthalten ist. In einem geeigneten spontanen System, wie z.B. denjenigen, die hier beschrieben werden, infiltriert das Matrixmetall 5 spontan die Vorform 1. Wie in der Figur gezeigt ist, kann die Vorform 1 vollständig in den Sumpf 5 untergetaucht werden, und in diesem Fall kann die spontane Infiltration der Vorform von allen Oberflächen der Vorform, die mit dem Sumpf in Kontakt stehen, voranschreiten. Nachdem die Infiltration im gewünschten Ausmaß erfolgt ist, was zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands 7 führt, wie in Figur 4 gezeigt ist, können das Element 4 und der darin enthaltene Verbundgegenstand 7 aus dem Sumpf herausgezogen werden. Matrixmetall, das die Vorform nicht infiltriert hat, aber mit dem Element 4 herausgezogen wird, kann unter dem Einfluß der Schwerkraft oder einer anderen geeigneten Kraft, wie z.B. eines Gasstromes, in den Sumpf aus Matrixmetall zurückkehren, wodurch das Gerüst, das am Verbundgegenstand 7 haftet, minimal gehalten wird.
Es ist von Vorteil, daß das Element zum Untertauchen der Vorform in den Sumpf aus schmelzflüssigem Matrixmetall und wieder Herausholen die Vorform auch nur teilweise und nicht vollständig untertauchen kann. Ein derartiges teilweises Untertauchen kann z.B. erwünscht sein, wenn die spontane Infiltration nur in einer bestimmten Richtung oder in einem Teil der Vorform erfolgen soll. Wie weiter unten detaillierter diskutiert wird, können geeignete Sperrschichtelemente an bestimmten Oberflächen der Vorform befestigt werden, um die Infiltrationsrichtung zu steuern oder das mögliche Zurückbleiben eines Gerüsts aus Matrixmetall zu minimieren, so daß nach dem Entfernen des Sperrschichtelements eine fertige oder nahezu fertige Form erhalten wird.
Weiterhin kann die Tiefe, bis zu der die Vorform in den Sumpf eingetaucht wird, selektiv kontrollierbar sein, um z.B. die Zusammensetzung des Metallmatrix-Verbundgegenstands zu variieren. Eine derartige Variierung könnte mit einem mehrschichtigen Sumpf erzielt werden, der in verschiedenen Tiefen verschiedene Zusammensetzungen des Matrixmetalls aufweist. Derartige unterschiedliche Zusammensetzungen können aus einem tiefenabhängigen Temperaturgradienten und/oder einer Legierungsmischung herrühren. Das Element zum Untertauchen und wieder Herausholen würde einen Kontakt zwischen der Vorform und einer ersten Matrixmetall- Zusammensetzung in einer ersten Tiefe für einen vorher festgelegten Zeitraum bewirken, und anschließend würde es einen Kontakt zwischen der teilweise infiltrierten Vorform und einer zweiten Matrixmetall-Zusammensetzung in einer zweiten Tiefe für einen zweiten vorher festgelegten Zeitraum bewirken. Weitere Matrixmetall-Zusammensetzungen könnten entsprechend ihrer Anordnung im Sumpf aus schmelzflüssigem Metall in Kontakt gebracht werden.
Weiterhin können mehrere Vorformen gleichzeitig vom Element zum Untertauchen und wieder Herausholen unterstützt werden, wodurch die Geschwindigkeit der Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen erhöht wird. Die Vorformen könnten nach Bedarf locker im Element zum Untertauchen angeordnet sein oder so an ihm befestigt werden, daß sie wieder abgenommen werden können. Es versteht sich dabei,. daß das Volumen des Sumpfes aus Matrixmetall in einem Ausmaß ansteigen würde, das ausreicht, das gewünschte Ausmaß an Infiltration der mehreren Metallmatrix-Verbundgegenstände, die auf diese Weise erzeugt werden, bereitzustellen.
Wie bereits diskutiert wurde, kann ein Charakteristikum des Elements zum Untertauchen und wieder Herausholen sein, daß es einem möglichen natürlichen Auftrieb der Vorform im Sumpf aus schmelzflüssigem Matrixmetall entgegenwirkt, gleichgültig ob er positiv oder negativ ist. Es versteht sich dabei, daß auch andere Vorrichtungen verwendet werden können, um diese und andere Funktion(en) auszuüben. Eine derartige alternative Vorrichtung ist ein Ballastelement für die Vorform, von dem eine Ausführungsform weiter unten in Zusammenhang mit dem Beispiel detaillierter beschrieben ist. Das Ballastelement weist gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen Eigenschaften auf, die denen des Elements zum Untertauchen und wieder Herausholen ähneln.
Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Der Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer hergestellt werden, der z.B. (1) im Matrixmetall und/oder (2) in der Vorform und/oder (3) von der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) von einer äußeren Quelle dem spontanen System zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann ein nfiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitstellt, direkt entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen. Zum Beispiel könnte der Infiltrationsverstärker, wenn er der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt wird, durch Blubbern der Atmosphäre durch den Sumpf aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu einer untergetauchten Vorform transportiert werden. Falls die Vorform nicht völlig untergetaucht sein sollte, dann könnte der Infiltrationsverstärker der Vorform durch eine Infiltrationsatmosphäre über der Oberfläche des Sumpfes bereitgestellt werden. Auf ähnliche Weise kann, wenn ein nfiltrationsverstärker-Vorläufer in der Vorform vorkommt, ein derartiger Vorläufer durch Blubbern der Infiltrationsatmosphäre durch den Sumpf oder durch Exponieren einer Oberfläche der Vorform gegen die Infiltrationsatmosphäre über dem Sumpf in einen Infiltrationsverstärker umgewandelt werden.
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Speziell kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall reagiert, wenn man das Aluminium schmilzt. Eine Vorform kann dann durch das Ballastelement oder das Element zum Untertauchen in schmelzflüssigem Matrixmetall und wieder Herausholen unter der Oberfläche von und in Kontakt mit schmelzflüssigem Matrixmetall gehalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sollte im Falle eines spontanen Systems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff die Vorform in ausreichendem Maße durchlässig sein, damit es dem stickstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, zumindest an einem gewissen Punkt der Verarbeitung in die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen, z.B. durch Blubbern von Stickstoff durch das schmelzflüssige Matrixmetall. Weiterhin eignet sich die durchlässige Vorform für eine gleichzeitig oder im Anschluß daran erfolgende Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls oder für eine Exposition der Vorform vor dem Eintauchen gegen Stickstoff, wodurch die von Stickstoff durchdrungene Vorform dazu gebracht wird, spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands infiltriert zu werden, und/oder wodurch der Stickstoff dazu gebracht wird, mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung des Infiltrationsverstärkers in der Vorform zu reagieren, was zur spontanen Infiltration führt.
Das Ausmaß der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix- Verbundgegenstands hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, wozu, im Falle des Systems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff, der Magnesiumgehalt der Aluminium-Legierung, der Magnesiumgehalt der Vorform, der Magnesiumnitridgehalt der Aluminiumlegierung, der Magnesiumnitridgehalt der Vorform, die Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), die durchschnittlichen Größe (z.B. der Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, aus dem die Vorform besteht, die Oberflächenbedingungen und der Typ des Füllstoffmaterials, die Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, die Zeitspanne, für die man die Infiltration ablaufen läßt und die Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gehören. Zum Beispiel kann, damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls spontan erfolgt, das Aluminium-Matrixmetall mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, Magnesium (das als Infiltrationsverstärker- Vorläufer fungiert) legiert werden.
Zusätzliche Legierungselemente können, wie oben diskutiert wurde, auch im Matrixmetall enthalten sein, um dessen spezifische Eigenschaften maßzuschneidern. Die zusätzlichen Legierungselemente können auch die minimale Menge an Magnesium beeinflussen, die im Matrix-Aluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken. Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte in einem solchen Umfang vermieden werden, daß etwas Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers zurückbleibt. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung ungünstig beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in sowohl der Vorform und dem Matrixmetall oder lediglich in der Vorform allein zu einer Verminderung der benötigten Gesamtmenge an Magnesium führen, die gebraucht wird, um die spontane Infiltration zu bewirken (wie unten genauer diskutiert werden wird). Die Volumenprozente des Stickstoffs in der stickstoffhaltigen Infiltrationsatmosphäre beeinflussen ebenfalls die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundgegenstands. Insbesondere findet eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltration statt, wenn weniger als ungefähr 10 Volumenprozent an Stickstoff in der Infiltrationsatmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt, daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. zu kürzeren Infiltrationszeiten aufgrund einer erheblich schnelleren Infiltrationsgeschwindigkeit führt. Kürzere Infiltrationszeiten sind möglicherweise auch durch sanftes Bewegen der untergetauchten Vorformen erreichbar, wodurch das schmelzflüssige Matrixmetall um die Vorformen gewirbelt wird, ohne daß es deren strukturelle Integrität beeinträchtigt.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall im spontanen System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff einen Metallmatrix- Verbundgegenstand bildet, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silizium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Infiltrationsatmosphäre, der die Vorform erreicht, und der Geschwindigkeit, mit der die Stickstoffatmosphäre strömt. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration und einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn dem Füllstoffmaterial kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Einsetzbarkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminium- Legierung können eingesetzt werden, um die Temperaturbedingungen, die für die Infiltration benötigt werden, zu mäßigen. Der Gehalt an Magnesium kann vermindert werden, wenn es zusammen mit einem weiteren Legierungselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine unterstützende Funktion und werden zusammen mit mindestens der oben angegebenen Mindestmenge an Magnesium verwendet. Zum Beispiel wurde bei 1000ºC praktisch keine Infiltration von nominal reiner Aluminium-Legierung, die lediglich mit 10 Prozent Silizium legiert war, in eine Einbettung aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliziumkarbid von Norton Co.) von 25 um (500 Mesh) beobachtet. Jedoch wurde für Silizium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Inflltrationsprozess fördert.
Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert werden kann, wenn es lediglich dem Füllstoffmaterial oder der Vorform zugesetzt wird. Es wurde entdeckt, daß die spontane Infiltration bei einem geringeren gesamten Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem spontanen System zugesetzt wurde, erfolgt wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge in das Füllstoffmaterial oder die Vorform gegeben wird. Eine derartige Zugabe kann z.B. durch Vermischen eines Magnesiumpulvers mit einem Keramikmaterial zur Erzeugung des Füllstoffs erreicht werden. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundgegenstand verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliziumkarbid wurde entdeckt, daß, wenn die Vorform mit dem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, wobei die Vorform mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliziumkarbid inflltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige, die mit der Vorform aus Siliziumkarbid erreicht wurde, wie gerade oben diskutiert wurde, zu erreichen.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vor der Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der Infiltrationsverstärker oder der Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, dann wird es manchmal bevorzugt, daß die genannte Oberfläche diejenige Oberfläche sein sollte, die der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials beigemischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und dem Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auftragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrixaluminiummetalls in das Füllstoffmaterial zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Darüber hinaus könnte auch die Menge an unerwünschten Zwischenmetallverbindungen, die aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildet werden, minimiert werden.
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im Gas, das die Vorform und das Matrixmetall umgibt, beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel können zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder die auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht werden, verwendet werden, um die Infiltrationstemperatur zu erniedrigen und dadurch das Ausmaß der Nitridbildung zu vermindern, während eine Erhöhung der Konzentration des Stickstoffs im Gas verwendet werden kann, um die Bildung des Nitrids zu fördern.
Die Konzentration des Magnesiums, das in der Legierung enthalten ist und/oder auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht wurde und/oder mit dem Füllstoffmaterial kombiniert wurde, beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Demnach kann es in einigen Fällen, in denen wenig oder kein Magnesium mit dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen oder ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration dieser Erfindung zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC-800ºC. Temperaturen, die generell über 120ºC liegen, scheinen den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 675ºC bis ungefähr 1200ºC reicht. Als allgemeine Regel gilt jedoch, daß die Temperatur der spontanen Infiltration eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber unter der Temperatur, die für die Verflüchtigung des Matrixmetalls erforderlich ist, liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials liegen. Und außerdem steigt, wenn die Temperatur steigt, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalls und einer Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen). Ein derartiges Reaktionsprodukt kann entweder erwünscht oder unerwünscht sein, was von der vorgesehenen Anwendung des Metall matrix-Verbundgegenstands abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren verwendet werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringt und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren wird z.B. eine durchlässige Vorform in Gegenwart von, zumindest während einer gewissen Zeitspanne des Prozesses, einem stickstoffhaltigen Gas in schmelzflüssiges Aluminium untergetaucht. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit mindestens entweder der Vorform oder mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall bereitgestellt werden. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund der Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und auch den Einbruch von Luft oder anderen Gasen zu verhindern oder zu hemmen, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall und/oder die Vorform haben können.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; b) Karbide, z.B. Siliziumkarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Alternativ kann das Füllstoffmaterial aus einem Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder einem anderen nichtkeramischen Material, das eine keramische Beschichtung aufweist, um die Oberfläche vor dem Angriff oder einem Abbau zu schützen, bestehen. Zu geeigneten keramischen Beschichtungen gehören Oxide, Karbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliziumkarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend sein (in gehackter Form) oder in Form von kontinuierlichen Filamenten vorliegen, wie z.B. als Werg aus vielen Filamenten. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein erhöhtes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-155831 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Weiterhin weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-193292 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt aller genannten Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen. Somit wurde entdeckt, daß eine komplette Infiltration einer durchlässigen Masse aus einem keramischen Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen erfolgen kann und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten, wenn zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundkörper angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Material in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie z.B. Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden. Weiterhin sollte die Masse des Füllstoffmaterials (die zu einer Vorform geformt ist), die infiltriert werden soll, durchlässig sein (d.h. durchlässig für das schmelzflüssige Matrixmetall und für die Infiltrationsatmosphäre.)
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix- Verbundgegenständen, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, was die Infiltration durch das schmelzflüssige Legierungsmetall verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffmaterials, dem Füllstoffmaterial, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundgegenstands maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom Keramikmatenal, das verwendet wird, variieren. Im Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration vorzugsweise nicht ungefähr 1000ºC übersteigen, wenn es gewünscht wird, daß die Duktilität der Matrix durch die erhebliche Nitridbildung nicht verringert wird. Es können jedoch Temperaturen verwendet werden, die 1000ºC überschreiten, wenn es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliziumkarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliziumkarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Speziell kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange wie eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Alternativ kann die Verarbeitungszeit durch selektives Steuern der Tiefe, bis zu der die Vorform eingetaucht wird, vermindert werden, wie oben diskutiert wurde. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern, um verschiedene Anforderungen an die Verwendung zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers maßzuschneidern.
Es kann auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Genauer gesagt kann das Sperrschichtelement, das in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, jede geeignete Vorrichtung sein, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (z.B. einer Aluminiumlegierung) über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus beeinflußt, hemmt, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche bzw. welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Gas, das im Prozeß verwendet wird, durchlässig ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberfiächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Geeignete Sperrschichtelemente im System Aluminium/Magnesium/Stickstoff sind Graphit und Aluminiumoxid, und diese Materialien können auf geeignete Weise geformt und angeordnet werden, damit sie die Infiltrationsatmosphäre zur Vorform leiten, obwohl diese vollständig untergetaucht ist. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann somit die Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen durch Minimieren der Nachbearbeitung der Oberfläche nach der Infiltration erleichtern, während es gleichzeitig Flexibilität bezüglich der Anordnung des nfiltrationsverstärkers, des Infiltrationsverstärker-Vorläufers und der Infiltrationsatmosphäre in einem spontanen System bietet. Außerdem kann das Sperrschichtelement auch mit dem Element zum Untertauchen und wieder Herausholen oder dem Ballastelement kombiniert werden, wodurch es einen zusätzlichen Schutz für Vorformen bietet, die möglicherweise nicht genügend fest sind, um ein Untertauchen in den Sumpf aus schmelzflüssiger Matrixlegierung im unverstärkten Zustand zu überstehen.
Geeignete Sperrschichtelemente, die besonders für Aluminium-Matrixlegierungen nützlich sind, sind diejenigen, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline allotrope Form des Kohlenstoffs, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist unter den beschriebenen Prozeßbedingungen durch das schmelzflüssige Aluminium im wesentlichen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein bandförmiges Produkt aus Graphit, das unter dem Handelsnamen Grafoil, der auf Union Carbide eingetragen ist, verkauft wird. Dieses Graphitband weist abdichtende Eigenschaften auf, die die Wanderung der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzeresistent und chemisch inert. Das Grafoil-Graphitmaterial ist biegsam, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch. Es kann in verschiedene Formen gebracht werden, so daß es als jede beliebige Sperre eingesetzt werden kann. Sperrschichtelemente aus Graphit können jedoch auch als ein Brei oder eine Paste oder sogar als ein aufgemalter Film um das Füllstoffmaterial herum oder auf dessen Grenze verwendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt, da es in Form eines biegsamen Graphitbogens vorliegt. Bei der Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial herum geformt.
Andere bevorzugte Sperren für Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in Stickstoff sind die Boride der Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-legierung benetzbar sind. Mit einer Sperre dieses Typs sollte die Prozeßtemperatur nicht ungefähr 875ºC überschreiten, da andernfalls das Sperrmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich erfolgt mit steigender Temperatur eine Infiltration in die Sperre. Die Boride der Übergangsmetalle liegen typischerweise in Teilchenform vor (1-30 um). Die Sperrmaterialien können als ein Brei oder eine Paste auf die Grenzflächen der durchlässigen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für eine Matrixlegierung aus Aluminiummetall in Stickstoff nützlich sind, gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf die äußere Oberfläche des Füllstoffmaterials aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff, speziell unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung, zerfällt die organische Verbindung unter Zurücklassung eines Rußfilms aus Kohlenstoff. Die organische Verbindung kann mit konventionellen Techniken, wie z.B. durch Aufmalen, Sprayen, Eintauchen etc., aufgetragen werden.
Weiterhin können fein gemahlene teilchenförmige Materialien als eine Sperre fungieren, solange die Infiltration des teilchenförmigen Matedals mit einer geringeren Geschwindigkeit erfolgt als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Die unmittelbar folgenden Beispiele enthalten verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung. Jedoch sollten diese Beispiele nur als illustrativ verstanden werden, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, einschränken sollen.

Beispiel 1

Es wurde ein Füllstoffmaterial durch gründliches Mischen eines Siliziumkarbidpulvers von 1000 Grit (39 Crystolon von Norton Co.) mit ungefähr 2 Gewichtsprozent Magnesiumpulver von 325 Mesh (das bei Johnson Mathey Co. erhältlich ist) hergestellt. Der Füllstoff wurde in ein dünnwandiges Kupferröhrchen gegossen, wie z.B. eine der 0,8 mm dicken Formen, die bei General Copper Co. erhältlich sind. Ein Ende des Röhrchens wurde in eine dünne Kupferfolie eingewickelt, um das Röhrchen verschlossen zu halten, als der Füllstoff hineingegossen wurde, und dann ließ man den Füllstoff in der Form absetzen, indem man das Kupferröhrchen mehrmals an der Seite antippte. Das Röhrchen war ungefähr 10 cm lang und hatte einen Durchmesser von 2,9 cm, und es diente lediglich als eine Gußform für den Füllstoff.
Wie in der Figur 5 gezeigt ist, wurde die Kupferform 3 dann in ein Aluminiumoxidröhrchen 8 eingesetzt, das als Ballastelement für die Form diente. Das Aluminiumoxidröhrchen war ein Porzellanschmelztiegel hoher Dichte mit einem Durchmesser von 3,8 cm und einer 3 mm dicken Wand (der bei Coors Co. erhältlich ist), der auf eine Länge von ungefähr 7,6 cm verkürzt war. Die Art des Ballastelements kann insofern wichtig sein, als es frei von Wasser oder anderen Materialien sein muß, die bei den Prozeßtemperaturen oxidieren und dadurch den Füllstoff oder das Matrixmetall kontaminieren können. Außerdem sollte es durch das Matrixmetall und den Matrixmetall-Verbundgegenstand nicht benetzbar sein, wodurch ein leichtes Entfernen des Verbundgegenstands ermöglicht wird. Weiterhin sollte das Ballastelement ausreichend massiv sein, um die Form im Matrixmetall unterzutauchen, und es sollte ausreichend fest sein, um eine Verformung des Metallmatrix-Verbundgegenstands während seiner Entnahme aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall zu vermeiden. Zumindest bezüglich dieser Gesichtspunkte hat das Ballastelement viele Charakteristika mit einem Sperrschichtelement gemeinsam.
Nachdem die Form 3 gefüllt worden war, wurde ihr offenes Ende ebenfalls in eine dünne Kupferfolie 9 eingewickelt, durch die ein Röhrchen 10 von 0,6 mm Durchmesser aus rostfreiem Stahl gesteckt wurde. Dann ließ man Stickstoffgas mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1,5 Liter/Minute durch das Röhrchen 10 aus rostfreiem Stahl einströmen. Die Form 3 und die Röhrchen 8 und 10 wurden in einen elektrischen Widerstandsofen gegeben und innerhalb eines Zeitraums von ungefähr 2 Stunden von Raumtemperatur auf ungefähr 600ºC erhitzt. Die Temperatur wurde ungefähr eine Stunde bei 600ºC gehalten, wonach sich der Füllstoff zu einer Vorform verfestigt hatte und seine Gestalt sogar ohne die Form 3 beibehalten hätte. Es versteht sich dabei, daß zum Verfestigen auch andere Temperaturen eingesetzt werden können, wie z.B. 500ºC und 600ºC, in Abhängigkeit von der Art des Füllstoffs und der Form und der Verschlüsse aus Metallfolie für die Enden. Üblicherweise werden höhere Temperaturen bevorzugt um ein vollständiges Verfestigen des Füllstoffs sicherzustellen.
Nach einer Stunde bei 600ºC wurde die Form 3 schnell aus dem Ofen entnommen und in einen Sumpf aus schmelzflüssiger Matrixmetall-Legierung untergetaucht, der in einem zweiten elektrischen Widerstandsofen bei ungefähr 750ºC gehalten wurde. Das Matrixmetall bestand aus einer Aluminiumlegierung, die ungefähr 12 Gewichtsprozent Silizium und ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium (Al-12Si-3Mg) enthielt. Wie in Figur 6 gezeigt ist, war das Aluminiumoxidröhrchen 8 ausreichend massiv, um den Auftrieb der Form 3 zu überwinden, wodurch es die Form 3 vollständig im Sumpf 5 aus der Matrixmetall-Legierung untertauchte. Der Zustrom des Stickstoffgases in die Form 3 wurde die ganze Zeit über aufrechterhalten, bis die Form 3 im Sumpf 5 untergetaucht war, wonach der Stickstoffstrom direkt über die Oberfläche des Sumpfes 5 geleitet wurde.
Nachdem sie ungefähr eine Stunde im Sumpf 5 untergetaucht waren, waren die Kupferform 3 und die Folien geschmolzen und hatten sich in der Matrixmetall-Legierung aufgelöst, und die Matrixmetall-Legierung hatte die gesamte verfestigte Vorform spontan infiltriert, wodurch sie einen MetalImatrix-Verbundgegenstand gebildet hatte. Die Vorform behielt ihre Form sogar nach dem Verschwinden der Form 3 bei, was vermutlich auf die Bildung von Magnesiumnitrid und ein mögliches Sintern während des Beginns des Erhitzens und, danach, auf den hohen Anteil an Füllstoff im Verbundgegenstand zurückzuführen war. Das Aluminiumoxidröhrchen 8, daß den Metallmatrix-Verbundgegenstand einschloß, wurde dann aus dem Sumpf aus der Matrixmetall- Legierung herausgeschöpft. Nach dem Festwerden konnte der Verbundgegenstand leicht aus dem Aluminiumoxidröhrchen 8 herausgeholt werden, und er wies gute Eigenschaften bezüglich der Glätte seiner Oberfläche und der Wiedergabe der letztlich angestrebten Form auf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt,

Erzeugen eines Sumpfs aus einem schmelzflüssigen Matrixmetall;

Formen einer Vorform, die eine Masse eines im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoffmaterials umfaßt;

Bereitstellen einer Infiltrationsatmosphäre in Kommunikation mit wenigstens einem von dem Füllstoff und dem Matrixmetall, wenigstens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker und einem Infiltrationsverstärkervorläufer;

Eintauchen der Vorform in den Sumpf; und

spontanes Infiltrieren von wenigstens einem Teil der Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem das Zuführen von dem genannten einen von einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsverstärker zu wenigstens einem von dem Matrixmetall, dem Füllstoff und der Infiltrationsatmosphäre umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufe der Festlegung einer Oberflächengrenze des Füllstoffs mit einer Sperre umfaßt, wobei das Matrixmetall bis zu der Sperre spontan infiltriert.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Microspheres, Whiskers, Blasen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, sphärischen Teilchen, Pellets, Röhrchen und feuerfesten Geweben.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur während der spontanen Infiltration höher ist als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls, jedoch niedriger als die Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls und der Schmelzpunkt des Füllstoffs.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorform im wesentlichen vollständig in dem Sumpf untergetaucht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Infiltrationsatmosphäre in den Sumpf eingeblubbert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorform innerhalb eines entfernbaren Elements zum Untertauchen der Vorform angeordnet wird und das entfernbare Untertauchelement in dem Sumpf angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorform an ein Ballastelement zur Überwindung des Auftriebs der Vorform in dem Sumpf angefügt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein schichtförmig aufgebauter Sumpf aus einer Vielzahl von Matrixmetallen gebildet wird und die Vorform in einer ausgewählten Schichtzone des Sumpfs für vorgegebene Zeitabschnitte angeordnet wird.