DE68914853T2

DE68914853T2 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit Metall-Matrix mit Hilfe einer Sperre.

Info

Publication number: DE68914853T2
Application number: DE68914853T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Terry Dennis Claar
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-01-07
Filing date: 1989-01-05
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2009-01-06
Also published as: IL88869A0; ATE104936T1; FI88776C; PL158311B1; NO173006B; CN1030698C; AU2643988A; PL277056A1; DD278775A5; NO890014D0; KR970002031B1; DK1189A; TR26130A; FI890013A0; CN1033987A; BR8900019A; HU209467B; YU2089A; FI88776B; ZA89116B

Description

Umfeld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz all gemein Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Füllstoff mit schmelzflüssiger Aluminium-Legierung, bis letztere mit einem Sperrschichtelement in Kontakt tritt, das eine Oberfläche, einen Umfang, eine Begrenzung oder dergleichen festlegt, damit fertige Formen erzeugt werden.

Beschreibung des Standes der Technik

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, da sie die Stabilität und Härte der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix-Verbundkörper Verbesserungen solcher Eigenschaften wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit und der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls per se auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschaft verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundkörper auch leichter 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 zu Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundkörpern mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, die von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken beruhen, bis zu solchen, die Techniken der Infiltration flüssiger Metalle, wie z.B. durch Preßgießen, und die Anwendung eines Vakuums oder von Netzmitteln zum Einsatz bringen, um die Infiltration des Metalls in eine keramische Masse zu bewirken, reichen.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch die spontane Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Füllstoffmaterial mit einem schmelzflüssigen Metall ist in der EP-A-291441 (nicht vorveröffentlicht) desselben Anmelders offengelegt. Gemäß diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Metallmatrix-Verbundkörper hergestellt durch die Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Füllstoff oder einem keramikbeschichteten Füllstoff durch schmelzflüssiges Aluminium, das wenigstens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise wenigstens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein hohes Vakuum angewendet werden muß. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 700ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei der Rest ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon, in Kontakt gebracht. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminium-Legierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Aluminiummatrix. Wenn die gewünschte Menge des Keramikmaterials durch die schmelzflüssige Aluminium-Legierung 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 gesamte Offenlegung dieser Patentanmeldung desselben Anmelders ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen worden.
Ein Element bei der Verwendung von Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik und der Verfahren der oben erwähnten ebenfalls anhängigen Patentanmeldungen desselben Anmelders zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers in fertiger oder nahezu fertiger Form liegt darin, den Transport oder die Infiltration der Metallmatrix über die festgelegten Oberflächenbegrenzungen der permeablen Masse aus keramischem Füllstoff oder der Vorform hinaus zu minimieren oder zu hemmen. Eine Infiltration über die Oberflächenbegrenzungen hinaus kann durch das Steuern der Infiltration der Metallmatrix bis an festgelegte Oberflächenbegrenzungen im wesentlichen verhindert werden, was z.B. dadurch erreicht werden kann, daß eine vorher festgelegte Metallmenge verwendet wird, daß das stickstoffhaltige Gas in der Atmosphäre verbraucht wird, oder daß die Temperatur unter den Schmelzpunkt des Metalls abgesenkt wird. Jeder dieser Schritte kann eine genaue Kontrolle oder große Aufmerksamkeit erfordern, damit im wesentlichen kein Transport der Metallmatrix über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus keramischem Füllstoff oder der Vorform erhalten wird, und es kann trotzdem möglich sein, daß die beste angestrebte fertige oder nahezu fertige Form nicht erhalten wird, oder es kann eine weitere maschinelle Bearbeitung oder Endbearbeitung erforderlich sein.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers bei Atmosphärendruck, wobei es zuverlässig eine Begrenzung festlegt oder eine Infiltration oder einen Transport über die Begrenzung der infiltrierenden Metallmatrix hinaus im wesentlichen verhindert, was für die Ausbildung fertiger Formen bei Metallmatrix-Verbundkörpern wünschenswert ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Das vorliegende Verfahren umfaßt die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch das Infiltrieren einer schmelzflüssigen Aluminium-Legierung in eine permeable Masse aus einem keramischen Füllstoffmaterial, das wenigstens eine Oberflächenbegrenzung aufweist, die durch ein Sperrschichtelement festgelegt oder definiert ist. Die schmelzflüssige Aluminium- Legierung enthält wenigstens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium, und vorzugsweise wenigstens ungefähr 3 Gewichtsprozent. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein hohes Vakuum angewendet werden muß. Eine Zone der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der permeablen Masse eines keramischen Füllstoffmaterials bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 700ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei der Rest ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon, in Kontakt gebracht. Die permeable Masse wird mit der schmelzflüssigen Metallegierung so in Kontakt gebracht daß das Sperrschichtelement zumindest teilweise von der Kontaktzone entfernt angeordnet ist Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminium-Legierung bei normalem Atmosphärendruck die permeable keramische Masse, bis sie mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt. Der Transport oder die Infiltration über die Oberflächenbegrenzung hört im wesentlichen auf, wenn die schmelzflüssige Legierung mit dem Sperrschichtelement in Kontakt kommt. Nachdem die schmelzflüssige Legierung das keramische Material bis an das Sperrschichtelement infiltriert hat, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung festwerden zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende keramische Material bis an die Oberflächenbegrenzung einbettet. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von keramischem Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine permeable Masse aus keramischem Füllstoffmaterial so geformt, daß sie wenigstens eine festgelegte Oberflächenbegrenzung aufweist. Ein Sperrschichtelement, z.B. ein flexibles Blatt aus Graphit oder teilchenförmiges Titandiborid, wird auf der festgelegten Oberflächenbegrenzung angebracht. Ein Vorrat an schmelzflüssiger Aluminium-Legierung wird der durchlässigen Masse aus keramischem Füllstoff oder der Vorform zugeführt, indem ein Körper aus der Legierung angrenzend an die oder in Kontakt mit der durchlässigen Masse angeordnet wird, so daß eine Infiltration der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung in Richtung des Sperrschichtelements erfolgt. Die Legierung und die permeable keramische Masse werden in Gegenwart des stickstoffhaltigen Gases auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Legierung erhitzt, wodurch die schmelzflüssige Legierung bei dieser Temperatur spontan das angrenzende oder um gebende keramische Bett bis zum Sperrschichtelement infiltriert. Das Sperrschichtelement verhindert jede Infiltration über die festgelegte Oberflächenbegrenzung der durchlässigen keramischen Masse hinaus. Nachdem die schmelzflüssige Legierung die keramische Masse im großen und ganzen bis an das Sperrschichtelement vollständig infiltriert hat, wird die infiltrierte keramische Struktur auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Legierung abgekühlt, wodurch sich eine feste Matrix aus Aluminium-Legierung bildet die die keramische Masse bis an die festgelegte Oberflächenbegrenzung einbettet, ohne daß etwas von der verfestigten Aluminium-Legierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung ausgetreten ist.
Die Verbundkörper mit einer Aluminiummatrix, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, besitzen typischerweise die Konfiguration oder äußeren Abmessungen des ursprünglichen keramischen Füllstoffs, wobei das Sperrschichtelement die Bildung von Aluminiummatrix jenseits der Oberflächenbegrenzung hemmt oder beendet, wodurch ein keramischer Körper von fertiger oder nahezu fertiger Form erzielt wird. Die Verbundkörper mit einer Aluminiummatrix enthalten typischerweise auch Aluminiumnitrid als diskontinuierliche Phase in der Aluminiummatrix. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Wahl der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und des keramischen Füllstoffs schwanken. Die Menge des verteilten Aluminiumnitrids kann durch Kontrollieren von einem oder mehreren Faktor(en) im System, z.B. der Temperatur, variiert werden, wodurch es z.B. möglich wird, bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßzuschneidern.
Der Begriff "restliches nichtoxidierendes Gas", wie er hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu elementarem Stickstoff vorhanden ist, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das unter den Prozeßbedingungen mit dem Aluminium im wesentlichen nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas (das von Stickstoff verschieden ist), welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, reicht nicht aus, das Metall in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
Es sollte klar sein, daß die Begriffe "Keramik", "keramisches Material", "keramischer Füllstoff" oder "keramisches Füllstoffmaterial" keramische Füllstoffe per se einschließen sollen, wie z.B. Aluminiumoxid- oder Siliziumkarbidfasern. sowie keramisch beschichtete Füllstoffmaterialien, wie z.B. Kohlenstoffasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff durch schmelzflüssiges Metall zu schützen. Weiterhin sollte klar sein, daß das im Prozeß verwendete Aluminium neben der mit Magnesium legierten Form auch essentiell reines oder kommerziell reines Aluminium sein kann, oder es kann mit anderen Stoffen legiert sein, wie z.B. Eisen, Silizium, Kupfer, Mangan, Chrom oder dergleichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts, die eine doppelte Schicht aus flexiblen Graphitbögen aus Grafoil-Graphit zeigt, die ein keramisches Füllstoffmaterial umgeben, dem eine Aluminium-Legierung aufgelagert ist, wobei die gesamte Anordnung in ein inertes Bett eingetaucht und in einem feuerfesten Behälter enthalten ist, um gemäß der Prozedur aus Beispiel 1 verarbeitet zu werden.
FIG. 2 ist ein senkrechter Querschnitt durch das keramische Füllstoffmaterial aus FIG. 1, das bis an die festgelegten Oberflächenbegrenzungen mit einer Matrix aus Aluminium-Legierung infiltriert ist.
FIG. 3 ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts einer keramische Vorform mit dem Querschnitt eines Kegelstumpfes, die einen rechteckigen Block aus Aluminium-Legierung abstützt, wobei die keramische Vorform in teilchenförmiges TiB&sub2; in einem feuerfesten Behälter eingetaucht ist und das ganze gemäß der Prozedur aus Beispiel II verarbeitet werden soll.
FIG. 4 ist ein senkrechter Querschnitt durch die keramische Vorform aus FIG. 3, die bis an die festgelegten Oberflächenbegrenzungen mit einer Matrix aus Aluminium-Legierung infiltriert ist, und die umgebende nichtumgesetzte Aluminium-Legierung.
FIG. 5 ist eine schematische Seitenansicht eines Querschnitts, die eine keramische Vorform zeigt, der ein Block aus Aluminium-Legierung aufgelagert ist, wobei die Anordnung in teilchenförmiges TiB&sub2; in einem feuerfesten Behälter eingetaucht ist und das ganze gemäß der Prozedur aus Beispiel III verarbeitet werden soll.
FIG. 6 ist ein senkrechter Querschnitt durch die keramische Vorform aus FIG. 5, die bis an die festgelegten Oberflächenbegrenzungen mit einer Matrix aus Aluminium-Legierung infiltriert ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine permeable Masse aus einem keramischen Füllstoffmaterial, z.B. keramischen Teilchen, Whiskern oder Fasern, so geformt, daß sie wenigstens eine festgelegte Oberflächenbegrenzung aufweist wobei wenigstens ein Bereich der festgelegten Oberflächenbegrenzung ein Sperrschichtelement aufweist, von einem solchen umgeben oder mit einem solchen überlagert ist. Es ist klar, daß der Begriff "Füllstoff" eine Vorform oder Anordnung einzelner Vorformen beinhalten kann, die letztendlich zu einem integralen Verbundkörper zusammengefügt werden. Der keramische Füllstoff wird neben und in Kontakt mit einer Oberfläche oder mit mehreren Oberflächen einer Aluminium-Magnesium-Legierung plaziert, so daß zumindest ein Teil der festgelegten Oberflächenbegrenzung, die ein Sperrschichtelement aufweist oder von einem solchen umgeben oder mit einem solchen überlagert ist, im allgemeinen von der Oberfläche der Aluminium-Magnesium-Legierung, die sich in Kontakt mit dem keramischen Füllstoff befindet, entfernt oder nach außen gerichtet positioniert ist, so daß die Infiltration der schmelzflüssigen Aluminium-Magnesium-Legierung in den keramischen Füllstoff und in Richtung der festgelegten Oberflächenbegrenzung mit dem Sperrschichtelement erfolgt. Die permeable Masse aus keramischem Füllstoffmaterial ist ein Teil des Aufbaus, und beim Erhitzen in einem Schmelzofen auf eine Temperatur, die zumindest beim Schmelzpunkt der Aluminium-Magnesium-Legierung liegt, und in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Gases wird die Aluminium-Legierung schmelzflüssig, und die schmelzflüssige Aluminium-Legierung infiltriert spontan und fortschreitend die permeable keramische Masse. Die spontane Infiltration wird fortgesetzt, bis die Metallmatrix in Kontakt mit der festgelegten Oberflächenbegrenzung kommt die das Sperrschichtelement aufweist, von diesem umgeben oder mit diesem überlagert ist. Am typischsten ist es, daß die Begrenzungen des keramischen Füllstoffmaterials und der Metallmatrix im wesentlichen zusammenfallen; aber individuelle Bestandteile an den Oberflächen des keramischen Füllstoffmaterials können exponiert sein oder aus der Metallmatrix herausragen, und deshalb können die Infiltration und die Einbettung unter Umständen im Hinblick darauf nicht vollständig sein, daß die Metallmatrix das keramische Füllstoffmaterial vollständig umgibt oder einkapselt. Das Sperrschichtelement verhindert, hemmt oder beendet die Wanderung oder die Bewegung der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung beim Kontakt mit dem Sperrschichtelement, und es erfolgt praktisch kein Transport oder keine "Überinfiltration" der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung hinaus. Das Ausmaß der Bildung der Metallmatrix kann auch in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen variieren, wie unten genauer erklärt wird. Nachdem die schmelzflüssige Aluminium-Legierung die permeable Masse aus keramischem Füllstoffmaterial praktisch bis an das Sperrschichtelement infiltriert hat, wird der Aufbau abgekühlt, z.B. aus dem Schmelzofen entfernt, und zwar bis unter den Schmelzpunkt der Aluminium-Legierung, so daß sich die schmelzflüssige Aluminium-Legierung im Inneren der permeablen keramischen Masse verfestigt. Das resultierende Metallmatrix- Verbundprodukt enthält eine Masse aus keramischem Material, die bis an ihre Grenzen durch eine Matrix aus Aluminium-Legierung infiltriert oder in diese eingebettet ist. Somit unterstützt das Sperrschichtelement dieser Erfindung die Herstellung eines gut definierten Metallmatrix- Verbundkörpers in fertiger oder nahezu fertiger Form.
Das Sperrschichtelement dieser Erfindung kann jedes beliebige geeignete Mittel sein, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung über die festgelegten Oberflächenbegrenzungen des keramischen Füllstoffmaterials hemmt, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise sowohl durchlässig für das stickstoffhaltige Gas als auch imstande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art der Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des keramischen Füllstoffs hinaus zu hemmen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die durch die wandernde schmelzflüssige Aluminium-Legierung unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für die schmelzflüssige Aluminium-Legierung auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des keramischen Füllstoffmaterials hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes Abspanen oder Schleifen, das für das keramische Verbundprodukt mit der Metallmatrix notwendig sein kann. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre permeabel oder porös sein oder durch ein Durchbohren permeabel gemacht werden, um es dem stickstoffhaltigen Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung in Kontakt zu treten.
Geeignete Sperren, die besonders nützlich für diese Erfindung sind, sind diejenigen, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline allotrope Form des Kohlenstoffs, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist durch die gewanderte schmelzflüssige Aluminium-Legierung im wesentlichen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugtes Graphitprodukt ist ein Graphitband, das unter dem Handelsnamen Grafoil, der auf Union Carbide eingetragen ist, verkauft wird. Dieses Graphitband weist abdichtende Eigenschaften auf, die die Wanderung der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des keramischen Füllstoffmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch hitzeresistent und chemisch inert. Das Grafoil-Graphitmaterial ist biegsam, kompatibel, anpassungsfähig und elastisch. Es kann in viele verschiedene Formen gebracht werden, so daß es als jede beliebige Sperre eingesetzt werden kann. Sperrschichtelemente aus Graphit können als ein Brei oder eine Paste oder sogar als ein aufgemalter Film um die Begrenzung des keramischen Füllstoffmaterials herum und auf ihr verwendet werden. Grafoil wird besonders bevorzugt, da es in Form eines biegsamen Graphitbogens vorliegt. Bei der Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um den Aufbau aus Aluminium-Legierung/keramischem Füllstoffmaterial herum geformt, ehe er in einem Schmelzofen erhitzt wird. Wenn der Aufbau auf den Schmelzpunkt der Aluminium-Legierung erhitzt wird, erfolgt eine spontane Infiltration des keramischen Füllstoffmaterials, aber sie hört auf, wenn sie den biegsamen Graphitbogen erreicht.
Andere bevorzugte Sperren sind die Boride der Übergangsmetalle, z.B. Titandiborid (TiB&sub2;), die unter den Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Metallegierung benetzbar sind. Mit Sperren 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 entweder als die umgebende Einbettung des Aufbaus aus Legierung/keramischem Füllstoff verwendet werden oder als ein Brei oder eine Paste auf die Begrenzungen der permeablen Masse des keramischen Füllstoffmaterials, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf das keramische Füllstoffmaterial oder die Vorform aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff, speziell unter den Prozeßbedingungen der vorliegenden Erfindung, zerfällt die organische Verbindung unter Zurücklassung eines Rußfilmes 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 Materials mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die geringer ist als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Damit bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers ein(e) minimale(r) oder praktisch kein(e) Infiltration, Transport oder überschüssige Infiltration der schmelzflüssigen Legierung über die festgelegte Oberflächengrenze hinaus erfolgt, kann das Sperrschichtelement die umgebende Einbettung von Legierung/keramischem Füllstoff darstellen, wenn es sich in einem Schmelztiegel befindet, oder es kann auf eine andere Art und Weise auf die festgelegte Oberflächengrenze der permeablen Masse des Bettes aus keramischem Füllstoff oder der Vorform aufgebracht oder in enger Nachbarschaft von ihr angeordnet werden. Das Sperrschichtelement kann auf jede geeignete Weise aufgetragen werden, wie z.B. durch Bedecken der festgelegten Oberflächengrenze mit einer Schicht des Sperrschichtelements. Eine derartige Schicht des Sperrschichtelements kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdrucken, Verdampfen oder ein sonstiges Verfahren zum Auftragen des Sperrschichtelements in flüssiger, breiiger oder pastöser Form aufgetragen werden oder durch Aufdampfen eines verdampfbaren Sperrschichtelements oder einfach durch Auflagern einer Schicht eines festen teilchenförmigen Sperrschichtelements oder durch Auftragen einer festen dünnen Schicht oder eines Films aus Sperrschichtelement auf die festgelegte Oberflächengrenze. Wenn das Sperrschichtelement aufgetragen ist, hört die spontane Infiltration im wesentlichen auf, wenn sie die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt.
Unter den Prozeßbedingungen, die in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen, ist die keramische Masse oder der keramische Körper ausreichend durchlässig, um es dem gasförmigen Stickstoff zu ermöglichen, in die Masse einzudringen und mit dem schmelzflüssigen Metall in Kontakt zu treten, was dazu führt, daß das vom Stickstoff durchdrungene keramische Material spontan mit schmelzflüssiger Aluminium-Legierung unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Aluminiummatrix infiltriert wird. Das Ausmaß der spontanen Infiltration und der Bildung der Metallmatrix hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, d.h. dem Magnesiumgehalt der Aluminium-Legierung, der Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente, der Größe, den Oberflächenbedingungen und dem Typ des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration des Gases, der Zeit und der Temperatur. Damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminiums spontan erfolgt, wird das Aluminium mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, legiert. Ein zusätzliches oder mehrere zusätzliche Legierungselemente, z.B. Silizium, Zink oder Eisen, kann bzw. können in der Legierung enthalten sein, was die minimale Menge an Magnesium beeinflussen kann, die in der Legierung verwendet werden kann. Es ist bekannt, daß sich bestimmte Elemente aus einer Aluminiumschmelze verflüchtigen können, wobei die Verflüchtigung zeit- und temperaturabhängig ist, und deshalb kann es während des erfindungsgemäßen Prozesses zu einer Verflüchtigung von Magnesium und Zink kommen. Somit ist es wünschenswert, eine Legierung zu verwenden, die am Anfang mindestens ungefähr ein Gewichtsprozent Magnesium enthält. Der Prozeß wird in Anwesenheit einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt, die mindestens ungefähr 10 Volumenprozent Stickstoff enthält, wobei der Rest aus einem Gas besteht, das unter den Prozeßbedingungen nicht oxidierend ist. Nachdem eine im wesentlichen vollständige Infiltration der keramischen Masse erfolgt ist, wird das Metall verfestigt, indem man es z.B. in der Stickstoffatmosphäre abkühlen läßt, wodurch sich eine feste Metallmatrix bildet, die das keramische Füllstoffmaterial im wesentlichen einbettet. Da die Aluminium-Magnesium-Legierung die Keramik benetzt, kann zwischen dem Metall und der Keramik eine gute Verbindung erwartet werden, die ihrerseits zu verbesserten Eigenschaften des Verbundkörpers führen kann.
Der Mindestgehalt der Aluminium-Legierung an Magnesium, der für die Herstellung eines Verbundkörpers mit einer durch keramisches Material ausgefüllten Metallmatrix gewählt werden kann, 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 keramischen Füllstoffmaterials und dem Stickstoffgehalt des Gasstromes. Es können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung 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 vom 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 dem minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration und einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, sind aufgrund ihrer allgemeinen Nützlichkeit 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 typischerweise zusammen mit der oben angegebenen Menge an Magnesium verwendet Zum Beispiel erfolgte praktisch keine Infiltration von nominal reinem Aluminium, das nur mit 10% Silizium legiert war, bei 1000ºC in eine Einbettung aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliziumkarbid von Norton Co.) von 25 um (500 Mesh).
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im umgebenden Gas beeinflussen ebenfalls das Ausmaß der Nitridierung der Matrixlegierung bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel kann eine Erhöhung der Konzentration zusätzlicher Legierungselemente in der Legierung, wie z.B. von Zink oder Eisen, dazu verwendet werden, 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 in der Legierung beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Deshalb ist es noch mehr erwünscht, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, machen häufig höhere Prozeßtemperaturen oder ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich. Die Temperatur, die benötigt wird, um den erfindungsgemäßen Prozeß der spontanen Infiltration zu bewirken, kann niedriger sein, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent, oder wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminium-Legierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom keramischen Material variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 700ºC, und vorzugsweise mindestens ungefähr 800ºC. Generell scheinen Temperaturen, die über 1200ºC liegen, den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt, daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 800ºC bis ungefähr 1200ºC reicht.
Beim vorliegenden Verfahren wird eine schmelzflüssige Aluminium-Legierung einer Masse aus einem permeablen keramischen Material zugeführt, und zwar in Gegenwart eines stickstoffhaltigen Gases, das während der gesamten Zeit, die für ein Erzielen der Infiltration benötigt wird, anwesend ist. Das wird dadurch erreicht, daß ein kontinuierlicher Gasfluß in Kontakt mit dem Aufbau aus dem keramischen Material und der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung aufrechterhalten wird Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist, um einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund einer Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und den Einbruch von Luft, der eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Wie oben festgestellt wurde, enthält das stickstoffhaltige Gas mindestens ungefähr 10 Volumenprozent Stickstoff. Es hat sich gezeigt, daß die Stickstoffkonzentration die Infiltrationsgeschwindigkeit beeinflussen kann. Genauer gesagt steigt häufig mit dem Absinken der Stickstoffkonzentration die Zeitspanne an, die für ein Erreichen der Infiltration benötigt wird. Wie in der EP-A-291441 (nicht vorveröffentlicht) gezeigt wird, stieg die Zeit, die benötigt wird, um Aluminiumoxid mit einer schmelzflüssigen Aluminium-Legierung, die 5% Magnesium und 5% Silizium enthält, bei 1000ºC zu infiltrieren, an, wenn die Stickstoffkonzentration abnahm. Es wurde gezeigt, das die Infiltration bei Verwendung eines Gases, das 50 Volumenprozent Stickstoff enthielt, in 5 Stunden erreicht wurde. Dieser Zeitraum stieg mit einem Gas, das 30 Volumenprozent Stickstoff enthielt, auf 24 Stunden an, und auf 72 Stunden mit einem Gas, das 10 Volumenprozent Stickstoff enthielt Vorzugsweise sollte das Gas aus praktisch 100% Stickstoff bestehen. Stickstoffkonzentrationen vom unteren Ende des wirksamen Bereiches, d.h. von weniger als ungefähr 30 Volumenprozent, werden im allgemeinen aufgrund der langen Erhitzungszeiten, die für ein Erzielen der Infiltration benötigt werden, nicht bevorzugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine große Vielzahl keramischer Materialien anwendbar, und die Auswahl des keramischen Füllstoffmaterials hängt von solchen Faktoren wie der Aluminium-Legierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität des schmelzflüssigen Aluminiums mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Zu diesen Materialien gehören a) Oxide, z.B Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid und Hafniumoxid b) Karbide, z.B. Siliziumkarbid und Titankarbid; c) Boride, z.B. Titandiborid und Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Zirkoniumnitrid. Wenn das keramische Füllstoffmaterial dazu neigt, mit der schmelzflüssigen Aluminium-Legierung zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann 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.
Siliziumkarbid reagiert mit schmelzflüssigem Aluminium unter Bildung von Aluminiumkarbid, und wenn Siliziumkarbid als das keramische Füllstoffmaterial verwendet wird, dann ist es erwünscht, diese Reaktion zu verhindern oder zu minimieren. Aluminiumkarbid ist empfindlich gegenüber einem Angriff von Feuchtigkeit, wodurch der Verbundkörper potentiell geschwächt wird. Demnach wird, um diese Reaktion zu verhindern oder zu minimieren, das Siliziumkarbid in Luft unter Bildung eines reaktiven Überzugs aus Siliziumoxid vorerhitzt oder die Aluminium-Legierung wird zusätzlich mit Silizium legiert, oder es erfolgt beides. In allen Fällen besteht die Wirkung darin, daß der Siliziumgehalt der Legierung erhöht und damit die Bildung von Aluminiumkarbid ausgeschaltet wird. Ähnliche Verfahren können angewandt werden, um unerwünschte Reaktionen mit anderen keramischen Füllstoffmaterialien zu verhindern.
Die Größe und die Form des keramischen Materials 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 ist die Masse des keramischen Materials, die infiltriert werden soll, permeabel, d.h. permeabel für schmelzflüssige Aluminium-Legierungen und für stickstoffhaltige Gase. Das keramische Material kann entweder in seiner Gießdichte oder geringfügig komprimiert vorliegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Metall in eine Masse aus einem keramischen Material zu zwingen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Verbundgegenständen mit einer Matrix aus Aluminium-Legierung, die einen hohen Volumenanteil an keramischem Material und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an keramischem Material erzielt werden, wenn ein Masse aus keramischem Material geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden wenn die keramische Masse unter Druck kompaktiert 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 die schmelzflüssige Legierung verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß bei einem vorgegebenen System aus Aluminium-Legierung/Keramik für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix das Benetzen der Keramik durch die Aluminium-Legierung den vorherrschenden Infiltrationsmechanismus darstellt. Bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen erfolgt eine Nitridierung des Metalls in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Wenn man sich dem oberen Ende des Temperaturbereichs nähert, ist es wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls erfolgt. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Verarbeitungstemperatur gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Aluminium-Legierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffs, dem keramischen Material, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration im verwendeten Gas 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 keramischen Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration des Gases ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegeben es System kann die Prozeßtemperatur so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuent wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des letztendlichen, in fertiger Form vorliegenden Metallmatrix- Verbundprodukts verbessern können. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminium-Legierung in Abhängigkeit vom verwendeten Keramikmaterial variieren. Im Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration vorzugsweise nicht ungefähr 1000ºC übersteigen, um sicherzustellen, 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 anderer Keramikmaterialien, wie z.B. Siliziumkarbid, können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminium-Legierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliziumkarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Wie in den folgenden Beispielen gezeigt wird, infiltrieren schmelzflüssige Aluminium-Magnesium-Legierungen spontan die permeable Masse aus keramischem Material, weil sie dazu neigen, ein keramisches Material, das von Stickstoffgas durchdrungen ist, zu benetzen. Die Infiltration wurde an der festgelegten Oberflächengrenze, an der ein Sperrschichtelement vorhanden ist, gestoppt oder beendet. Zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Silizium oder Zink, können in den Aluminium-Legierungen enthalten sein, um die Verwendung niedrigerer Temperaturen und geringerer Magnesium konzentrationen zu ermöglichen. Aluminium-Magnesium-Legierungen, die 10-20% oder mehr an Silizium enthalten, werden für die Infiltration ungebrannten Siliziumkarbids bevorzugt, da Silizium dazu neigt, die Reaktion der schmelzflüssigen Legierung mit Siliziumkarbid unter Bildung von Aluminiumkarbid zu minimieren. Weiterhin können die Aluminium-Legierungen, die in der Erfindung eingesetzt werden, verschiedene andere Legierungselemente enthalten, um der Legierungsmatrix spezifisch gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel können Kupferzusätze in der Legierung enthalten sein, um eine Matrix zu schaffen, die zur Erhöhung der Härte und der Stabilität hitzebehandelt werden kann.

BEISPIEL I

Das folgende bezieht sich auf die FIG. 1. Es wurde eine Vorform von 89 mm (3,5 in) x 89 mm (3,5 in) und 13 mm (0,5 in) Dicke, die allgemein als 10 dargestellt ist, so hergestellt, daß sie die Oberflächenbegrenzungen 12, 14, 16 und 18 aufwies. Die Vorform wurde durch Sedimentgießen einer Mischung aus verschmolzenen Al&sub2;O&sub3;-Teilchen von 66 um (220 Grit) (38 Alundum, Norton Co.) und kolloidalem Al&sub2;O&sub3; (Nyacol Al-20 Colloidal Alumina Sole The PQ Corp.) in eine Form aus Silikongummi (Base, GI-1000, Plastic Tooling Supply Co., Exton, PA) und anschließendes Gefrieren und Trocknen der Mischung hergestellt. Auf die Oberflächenbegrenzung 12 wurde ein Block von 51 mm (2 in) x 76 mm (3 in) x 13 mm (1/2 in) aus einer Aluminium-Legierung, die 5 Gewichtsprozent Silizium, 5 Gewichtsprozent Zink und 5 Gewichtsprozent Magnesium aufwies, wobei der Rest Aluminium war, gesetzt. Eine doppelte Schicht 22 aus jeweils einer Schicht von jeweils 0,38 mm (0,015 in) Dicke aus einem flexiblen Grafoil-Graphitband von Union Carbide Corp. wurde um die Anordnung aus dem Block 20 aus Aluminium-Legierung und der keramischen Vorform 10 herum gebildet, und die Anordnung wurde in einem Bett 24 aus 38 Alundum von 1035 um (24 Grit) (von Norton Co.) gegeben, das in einem Graphitschiffchen 26 von 25,4 cm (10 in) x 25,4 cm (10 in) x 10,2 cm (4 in) (Grade AGSX, ünion Carbide Corp.) enthalten war. Das Graphitschiffchen 26 und sein Inhalt wurden in einem Vakuumschmelzofen aus Graphit in 100% Stickstoff, der mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Liter pro Minute zuströmte, durch die folgende Prozedur aufgeheizt: Aufheizen auf 865ºC in 5 Stunden, wobei die Temperatur mit konstanter Geschwindigkeit erhöht wurde, Halten der Temperatur von 865ºC für 20 Stunden; und Absenken in 3 Stunden auf Umgebungstemperatur, wobei die Temperatur mit einer konstanten Geschwindigkeit abgesenkt wurde. Vor dem Erhöhen der Temperatur auf 865ºC wurden das Graphitschiffchen 26 und sein Inhalt in demselben Ofen bei 200ºC im Vakuum 3 1/2 Stunden lang erhitzt, um eventuell eingeschlossene Feuchtigkeit zu entfernen. Wie in FIG. 2 dargestellt ist, infiltrierte die Aluminium-Legierung spontan die keramische Vorform 10 bis an die Oberflächenbegrenzungen 14, 16 und 18, wobei sich der Metallmatrix-Verbundkörper 28 bildete. Die Oberflächenbegrenzung 12 war mit etwas restlicher festgewordener Aluminium-Legierung bedeckt, die in FIG. 2 als 30 bezeichnet ist. Diese restliche Aluminium-Legierung kann leicht, z.B. durch Abspanen oder Schleifen, entfernt werden.

BEISPIEL II

Das folgende bezieht sich auf die FlG. 3. Es wurde eine keramische Vorform, die einen kegelstumpfförmigen Querschnitt aufwies, der allgemein als 32 dargestellt ist und einen mittleren Außendurchmesser von ungefähr 3,8 cm (1 1/2 in) bei einer Höhe von 25,4 mm (1 in) bei einer Dicke von ungefähr 1,6 mm (1/16 in) hatte, so hergestellt, daß sie die Oberflächenbegrenzungen 33 und 34, wie angegeben, aufwies. Die Vorform wurde aus 68 Gewichtsprozent 38-Alundum von 66 um (220 Grit), 29 Gewichtsprozent 38-Alundum von 17 um (500 Grit) und 3 Gewichtsprozent Siliziummetall von 44 um (325 Mesh) unter Verwendung einer Mischung aus "Elmers" Holzleim (Borden Inc. Columbus, OH) und H&sub2;O als Bindemittellösung sedimentgegossen (siehe Beispiel I). Nach dem Sedimentgießen wurde die Vorform in einem widerstandsbeheizten Schmelzofen aus Siliziumkarbid in Luft 3 Stunden bei 1300ºC vorerhitzt. Es wurde ein zylindrischer Block 42 von 50,8 mm (2 in) Durchmesser und 25,4 mm (1 in) Höhe aus einer Aluminium-Legierung aus 5 Gewichtsprozent Silizium, 5 Gewichtsprozent Zink, 7 Gewichtsprozent Magnesium, wobei der Rest Aluminium war, oben auf die Vorform 32 gesetzt, und die Anordnung wurde in ein Bett 44 aus TiB&sub2; von 5-6 um, Reinheit HCT von Union Carbide Corp., eingetaucht, das in einem Schiffchen 46 aus 99,7% reinem Al&sub2;O&sub3; (hergestellt von Bolt Technical Ceramics Inc., Conroe, Tx, Katalog-Nr. 6C) enthalten war. Der Schmelztiegel 46 und sein Inhalt wurden in einem widerstandsbeheizten Rohrofen in Gegenwart von Formiergas aus 96% Stickstoff und 4% Wasserstoff, das mit einer Geschwindigkeit von 500 cm³/min durchströmte, nach der folgenden Prozedur erhitzt: Erhöhen der Temperatur auf 875ºC mit 150ºC pro Stunde; Halten der Temperatur bei 875ºC über 10 Stunden; und Absenken der Temperatur auf Umgebungstemperatur mit 200ºC pro Stunde. Wie in der FIG. 4 dargestellt ist, infiltrierte die Aluminium-Legierung spontan die keramische Vorform bis an die Oberflächenbegrenzung 33, wobei sich ein Verbundkörper 48 mit einer Matrix aus einer Aluminium-Legierung bildete. Die Oberflächenbegrenzung 34 war mit restlicher, festgewordener Aluminium-Legierung bedeckt, die in FIG. 4 als 50 bezeichnet ist. Diese restliche Aluminium-Legierung kann leicht, z.B. durch Abspanen oder Schleifen, entfernt werden.

BEISPIEL III

Das folgende bezieht sich auf die FIG. 5. Es wurde eine Vorform von 50,8 mm (2 in) x 50,8 mm (2 in) x 12,7 mm (1/2 in), die als 52 bezeichnet ist, aus einem Brei aus C-75 UNG kalziniertem Al&sub2;O&sub3; (Alcan Aluminum Corp.) unter Verwendung einer Mischung aus "Elmers" Holzleim (Borden Inc., Columbus, OH) und H&sub2;O als Bindemittellösung sedimentgegossen (siehe Beispiel I). Die Vorform wurde so hergestellt, daß sie die Oberflächenbegrenzungen 54, 56, 58 und 60 aufwies. Auf die Oberflächenbegrenzung 54 wurde ein Block 62 von 50,8 mm (2 in) x 50,8 mm (2 in) x 12,7 mm (1/2 in) aus einer Aluminium-Legierung gesetzt, die aus 5 Gewichtsprozent Silizium und 5 Gewichtsprozent Magnesium, wobei der Rest Aluminium war, bestand. Diese Anordnung wurde in ein Bett 64 aus TiB&sub2; von 5-6 um, Reinheit HCT von Union Carbide Corp., eingetaucht, das in einem Schiffchen 66 von 150 mm x 65 mm x 35 mm aus 99,7% reinem Al&sub2;O&sub3; (hergestellt von Bolt Technical Ceramics Inc., Conroe, TX) enthalten war. Der Schmelztiegel 66 und sein Inhalt wurden in einen Vakuumschmelzofen aus Graphit in Gegenwart von Formiergas aus 96% Stickstoff und 4% Wasserstoff, das mit einer Geschwindigkeit von 1000 cm³/min durchströmte, nach der folgenden Prozedur erhitzt Erhöhen der Temperatur auf 875ºC in 10 Stunden, wobei die Temperatur mit konstanter Geschwindigkeit erhöht wurde; Halten der Temperatur bei 875ºC fuhr 15 Stunden; und Absenken der Temperatur in 5 Stunden auf Umgebungstemperatur, wobei die Absenkung der Temperatur mit konstanter Geschwindigkeit erfolgte. Vor dem Erhöhen der Temperatur auf 870ºC wurden das Schiffchen und sein Inhalt in demselben Ofen im Vakuum bei 200ºC ungefähr 6 Stunden lang vorerhitzt, um möglicherweise eingeschlossene Feuchtigkeit zu entfernen. Wie in der FIG. 6 dargestellt ist, infiltrierte die Aluminium-Legierung spontan die keramische Vorform 52 bis an die Oberflächenbegrenzungen 56, 58 und 60, wobei der Verbundkörper 68 mit einer Matrix aus Aluminium-Legierung gebildet wurde. Die Oberflächenbegrenzung 54 war mit etwas restlicher, festgewordener Aluminium-Legierung bedeckt, die in FIG. 6 als 70 bezeichnet ist. Diese restliche Aluminium-Legierung kann leicht, z.B. durch Abspanen oder Schleifen, entfernt werden.
Diese exemplarischen Ausführungsformen, die oben im Detail beschrieben wurden, demonstrieren die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung, und zahllose Kombinationen und Variationen, die sich von den veranschaulichten unterscheiden, werden von der Erfindung eingeschlossen.

Claims

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

(a) Bereitstellen eine Aluminium-Legierung, die Aluminium sowie wenigstens etwa 1 Gew.-% Magnesium umfaßt, sowie wenigstens eines Materials, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer permeablen Masse eines keramischen Füllstoffmaterials und einer Vorform besteht, wobei das genannte wenigstens eine Material wenigstens eine Oberfläche aufweist, die durch ein Sperrschichtelement definiert wird;

(b) in Gegenwart eines Gases, das von etwa 10 bis 100 Vol.-% Stickstoff enthält, Rest ein nicht-oxidierendes Gas, Inkontaktbringen der genannten Aluminium-Legierung im schmelzflüssigen Zustand mit einer Zone des genannten wenigstens einen Materials, so daß das genannte Sperrschichtelement wenigstens teilweise einen Abstand von der genannten Kontaktzone aufweist, und spontan Infiltrieren des genannten wenigstens einen Materials mit der genannten schmelzflüssigen Aluminium- Legierung bis zu dem genannten Sperrschichtelement; und

(c) Erstarrenlassen der genannten schmelzflüssigen Aluminium-Legierung, um eine feste Metallmatrixstruktur auszubilden, die das genannte wenigstens eine Material einbettet und die genannte Oberfläche aufweist, die von dem genannten Sperrschichtelement festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Sperrschichtelement von der genannten schmelzflüssigen Aluminium-Legierung unter den Verfahrensbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das die Schritte umfaßt:

(a) Formen von wenigstens einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer permeablen Masse eines keramischen Füllstoffmaterials und einer Vorform besteht, wobei das genannte wenigstens eine Material wenigstens eine definierte Oberflächengrenze aufweist;

(b) Anordnen eines flexiblen Graphitblattes auf der genannten definierten Oberflächengrenze;

(c) Inkontaktbringen einer Zone des genannten wenigstens einen Materials mit einer Aluminium-Legierung, die Aluminium und wenigstens etwa 1 Gew.-% Magnesium umfaßt, so daß das genannte flexible Graphitbtatt wenigstens teilweise einen Abstand von der genannten Kontaktzone aufweist und eine Infiltration durch die schmelzflüssige Aluminium-Legierung in eine Richtung auf das genannte flexible Graphitblatt zu erfolgt;

(d) Erhitzen der genannten Aluminium-Legierung auf eine Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunkts, und in Gegenwart eines Gases, das von etwa 10 bis 100 Vol.-% Stickstoff enthält, Rest ein nicht-oxidierendes Gas, sowie bei der genannten Temperatur spontan Infiltrieran der schmelzflüssigen Aluminium- Legierung in das genannte wenigstens eine Material, um das genannte wenigstens eine Material bis zu dem genannten flexiblen Graphitblatt einzubetten; und

(e) Erstarrenlassen der genannten schmelzflüssigen Aluminium-Legierung innerhalb des genannten wenigstens einen Materials, um einen Metallmatrix-Verbundkörper zu bilden, der die genannte Oberfläche aufweist, die durch das genannte flexible Graphitblatt festgelegt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Sperrschichtelement Titandiborid umfaßt und die genannte Aluminium-Legierung auf eine Temperatur von nicht mehr als etwa 875ºC erhitzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Sperrschichtelement Kohlenstoff umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Sperrschichtelement Graphit umfaßt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem die genannte Aluminium-Legierung mit dem genannten wenigstens einem Material bei einer Temperatur von wenigstens etwa 700ºC in Kontakt gebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die genannte Temperatur wenigstens etwa 800ºC beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die genannte Temperatur von etwa 800ºC bis etwa 1200ºC beträgt.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das genannte Gas wenigstens 50 Vol.-% Stickstoff umfast und einen Rest, dem wenigstens ein Gas umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Argon und Wasserstoff besteht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das genannte Gas im wesentlichen vollständig aus Stickstoff besteht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die genannte Temperatur von etwa 800ºC bis 1200ºC beträgt.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem die genannte Aluminium-Legierung wenigstens etwa 3 Gew.-% Magnesium enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die genannte Aluminium-Legierung wenigstens ein zusätzliches Hilfs-Legierungselement enthält.

15. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das genannte wenigstens eine Material ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Carbiden, Boriden und Nitriden besteht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte wenigstes eine Material Aluminiumoxid umfaßt und die genannte Temperatur bis etwa 1000ºC beträgt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte wenigstens eine Material Siliciumcarbid umfaßt und die genannte Temperatur bis zu etwa 1200ºC beträgt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte wenigstens eine Material Zirconiumoxid umfaßt.

19. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das genannte wenigstens eine Material Titandiborid umfaßt und die genannte Temperatur erheblich höher ist als etwa 875ºC.

20. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das genannte wenigstens eine Material Aluminiumnitrid umfaßt.

21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase in der Aluminiummatrix gebildet wird.

22. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem wenigstens ein Material von einem Füllstoffsubstrat gebildet wird, das eine keramische Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Carbiden, Boriden und Nitriden besteht.

23. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das Verhältnis des keramischen Füllstoffs zu der Legierung in dem Metallmatrix-Verbundkörper wenigstens 1 : 1 beträgt.

24. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das genannte wenigstens eine zusätzliche Legierungselement wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen, Silicium, Kupfer, Mangan, Chrom und Zink besteht.

25. Verfahren nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Aluminium-Legierung weitere Legierungselemente enthält, um in der Legierungsmatrix des Verbundkörpers erwünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu gewährleisten.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das genannte weitere Legierungselement Kupfer umfaßt und der Verbundkörper wärmebehandelt wird, um seine Härte und Festigkeit zu erhöhen.