DE68915260T2

DE68915260T2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff mit Metallmatrix und so hergestellter Verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE68915260T2
Application number: DE1989615260
Authority: DE
Inventors: Michel Barthole
Original assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Peugeot SA; Automobiles Citroen SA
Priority date: 1988-11-21
Filing date: 1989-10-27
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-10-28
Also published as: EP0375473B1; FR2639360A1; DE68915260D1; EP0375473A1; FR2639360B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat im wesentlichen ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes mit einer auf Basis von durch Keramikfasern verstärktem Aluminium gebildeten Matrize zum Gegenstand.
Sie richtet sich ebenfalls auf einen mit diesem Verfahren erhaltenen Verbundstoff.
Man kennt bereits Verbundstoffe, die sich einerseits aus einem Verstärkungsstoff auf Basis von Keramikfasern, wie z. B. Aluminiumoxid- oder Aluminiumoxid- Siliziumdioxidfasern, die in der Art eines Filzes verwickelt sind, dessen Zusammenhalt durch ein mineralisches Bindemittel, wie z. B. ein Siliziumdioxidbindemittel gewährleistet wird, und andererseits aus einer vorzugsweise durch eine Aluminium- Silizium-Legierung gebildeten Matrize auf Basis von Aluminium zusammensetzt.
Um den Verbundstoff herzustellen, tränkt man, unter hohem Druck, z. B. mit der Hilfe einer hydraulischen Presse, den Verstärkungsstoff mit der vorgenannten Aluminium- Silizium-Legierung im flüssigen Zustand.
Die Verbundstoffe der hier obigen Gattung sind insbesondere in der Automobilindustrie, z. B. im Bereich der Triebwerksgruppe der Fahrzeuge (Pleuelstangen Kolben und Zylinderkopf) nützlich, bei welcher es selbstverständlich vorteilhaft ist, Werkstücke mit geringer Masse und die gute statische und dynamische Eigenschaften bei Umgebungstemperatur und ein gutes Verhalten unter Wärmeermüdung bei den Betriebstemperaturen aufweisen, zu verwenden.
Man weiß ebenfalls, daß die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchgrenze und die Ermüdungsgrenze bei Drehbiegung von den hier obigen Verbundstoffen mit einer Matrize aus Aluminium-Silizium-Legierung und mit einer Aluminiumoxid-Siliziumdioxid-Verstärkung von dem Magnesiumgehalt der Aluminium-Silizium-Legierung abhängig sind.
In genauerer Weise weiß man, daß, wenn man sich z. B. auf das Dokument EP-A- 02 04 319 bezieht, die besten mechanischen Eigenschaften bei einem zwischen ungefähr 0,5% und 4% liegenden Magnesiumgehalt erhalten werden.
Demzufolge bei einem Magnesiumgehalt in der Legierung unter 0,5% und über 4% sind die mechanischen Eigenschaften der Aluminium-Silizium-Legierung nicht zufriedenstellend, aber es ist noch nicht ein Verfahren zum Optimisieren des Magnesiumgehaltes der Legierung vorgeschlagen worden, um die mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffes und insbesondere die Bruchgrenze und die Ermüdungsgrenze unter Drehbiegung bei verschiedenen Temperaturen zu optimisieren.
Die vorliegende Erfindung hat also zum Ziel, diese Lücke auszufüllen, indem sie ein solches Verfahren vorschlägt.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes mit einer metallischen Matrize zum Gegenstand, der durch eine Verstärkung auf Basis von Aluminiumoxid- oder Aluminiumoxid- Siliziumdioxidfasern gebildet wird, die einen Filz, dessen Zusammenhalt durch ein Siliziumdioxidbindemittel gewährleistet wird, bilden, wobei die besagte Verstärkung mit einer flüssigen Magnesium aufweisenden Aluminium-Silizium-Legierung unter hohem Druck getränkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Legierung einen insbesondere in Abhängigkeit des ursprünglichen Siliziumdioxidgehaltes der Verstärkung bestimmten Magnesiumgehalt aufweist, um eine Gesamtreduktion des Siliziumdioxids ohne Bildung einer Restverbindung aus Magnesium-Silizium im Bereich der Grenzfläche zwischen Matrize und Verstärkung zu erzielen, wobei der besagte Magnesiumgehalt durch die folgende Beziehung gegeben wird:
Mg % = 80 Vf.ρf. (s + l)/ρm + Vf (ρf-ρm)-Vf.ρf (1 + l)
in welcher:
Mg % der Magnesiumgehalt ist;
Vf die Volumenverstärkung (Volumen der Fasern/Volumen des Verbundstoffes) des Verbundstoffes ist;
ρf die Volumenmasse der Fasern ist;
s der Siliziumdioxidmassengehalt der Fasern ist;
l der Bindemittelmassengehalt des Filzes aus Fasern ist; und
ρm die Volumenmasse der Matrize ist,
und daß die besagte Legierung gegebenenfalls Kupfer enthält.
Gemäß noch einem anderen Merkmal besteht das Verfahren der Erfindung darin, in der vorgenannten Formel den mit dem überschüssigen Fehler behafteten durch diese Formel gegeben Magnesiumgehalt der Legierung kleiner als die Schwelle der Erscheinung der Mg&sub2;Si-Verbindung im Bereich der Grenzfläche zwischen Matrize und Verstärkung zu machen.
Man wird jedoch genau andeuten, daß das Tränken der Verstärkung mit der Legierung bei zwischen 5 und 50 mm·s&supmin;¹ liegenden Tränkungsgeschwindigkeiten und mit zwischen 30 und 150 MPa liegenden Tränkungsdrücken durchgeführt wird.
Gemäß noch einem anderen Merkmal des Verfahrens der Erfindung wird der Verbundstoff nach der Tränkung, einer ein Inlösungbringen, eine Abschreckhärtung und ein Anlassen aufweisenden Wärmebehandlung unterworfen.
Die zu Herstellung des Verbundstoffes verwendete Legierung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine von 5 bis 12% Silizium und von 3 bis 5% Kupfer enthaltende Legierung auf Basis von Aluminium.
Die Erfindung richtet sich ebenfalls auf ein mit dem dem einen und/oder dem anderen der hier obigen Merkmale genügenden Verfahren erhaltenen Verbundstoff, wobei dieser Verbundstoff optimale mechanische Eigenschaften für eine Verwendung z. B. in der Automobilindustrie aufweist.
Aber weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden besser in der ausführlichen Beschreibung, die folgt, erscheinen.
Wenn man Versuche an Verbundstoffen mit metallischer Matrize durchführt, stellt man fest, daß diejenigen, die optimale mechanische Eigenschaften aufweisen, diejenigen sind, bei welchen man die physikalischen-chemischen Bindungen im Bereich der Grenzfläche zwischen Verstärkung und Matrize beherrscht, wobei diese Beherrschung im wesentlichen von dem Magnesiumgehalt in der Matrize und auch von der Wärmebehandlung, der die in Frage kommenden Verbundstoffe unterworfen sind, abhängt.
Diese Werkstoffe sollen den folgenden Bedingungen genügen.
Der Magnesiumrestgehalt in der Matrize soll null sein, um jede Entwicklung zu verhindern, wenn der Werkstoff hohen Temperaturen unterworfen wird.
Der Magnesiumgehalt der Aluminium-Silizium-Legierung soll begrenzt sein, um den Abbau des Aluminiumoxids der Verstärkungsfasern zu verhindern.
Schließlich soll der Magnesiumgehalt der Legierung optimisiert werden, um den Bindungsgrad der Grenzfläche zu beherrschen.
Demzufolge, wie man es versteht, ist es wichtig, den Magnesiumgehalt in der Legierung mit Genauigkeit zu bestimmen, der die maximale Reduktion des Siliziumdioxids der Verstärkung (mineralischen Bindemittels, Oberfläche der Fasern) und die Bildung von Spinellen an den Grenzflächen zwischen Fasern und Matrizen gestattet.
Es erscheint, daß, bei der Herstellung der betroffenen Verbundstoffe, die drei folgenden chemischen Reaktionen stattfinden:
Mg + SiO&sub2; → Mg + SiO&sub2; (1)
2 Mg + SiO&sub2; → 2 Mg O + Si (2)
4 Mg + SiO&sub2; → Mg2 Si+2MgO (3)
Der Vorgang (1) ohne Oxidation-Reduktion-Reaktion gestattet nicht eine Grenzflächenbindung.
Der Vorgang (3) zeigt daß es eine Bildung von Mg&sub2;Si an der Grenzfläche gibt, die den Werkstoff beträchtlich versprödet.
Im Gegenteil ist der Vorgang (2) in Betracht zu ziehen und erfindungsgemäß wird der Magnesiumgehalt in der Legierung, der die Gesamtreduktion des Siliziumdioxids ohne Bildung einer Restverbindung von Mg&sub2;Si im Bereich der Grenzfläche gestattet, durch die folgende Formel gegeben:
Mg % = 80 Vf.&epsi;f. (s + l)/ρm + Vf (ρf-ρm)-Vf.ρf (1 + l)
in welcher:
Mg % der Magnesiummassengehalt ist;
Vf die Volumenverstärkung (Volumen der Fasern/Volumen des Verbundstoffes) des Verbundstoffes ist;
ρf die Volumenmasse der Fasern ist;
s der Siliziumdioxidmassengehalt der Fasern ist;
L der Bindemittelmassengehalt des Filzes aus Fasern ist;
und
ρm die Volumenmasse der Matrize ist.
Man versteht also, daß diese Beziehung, die als den überschüssigen Annährerungswert des Magnesiumgehaltes in der Legierung ausdrückend betrachtet werden kann, insbesondere den Ursprungsgehalt an Silizium des Bindemittels und der Fasern des Verstärkungsstoffes berücksichtigt.
Wenn man die hierobige Beziehung mit den folgenden Werten anwendet:
- Aluminiumlegierung : ρm = 2,9 g cm&supmin;³
- 20% Verstärkung aus Al&sub2; O&sub3;: δ (ρf = 3,3 g cm&supmin;³);
- Vf = 0,20 s = 0,03 Siliziumdioxidbindemittel (l = 0,05),
erzielt man einen etwa 1 ,80 betragenden Magnesiumgehalt Mg %.
Es wurde festgestellt, daß der Verbundstoff mit dem hier obigen Magnesiumgehalt optimale mechanische Eigenschaften aufweist.
Man wird aber die Zusammensetzung einer Aluminium-Silizium-Legierung für Verbundstoffe gemäß dieser Erfindung ausführlich hier nachstehend beschreiben.
Diese Legierung ist eine Legierung auf Basis von Aluminium, deren Siliziumgehalt zwischen 5% und 12% liegen und vorzugsweise 5% betragen kann, um eine gute Gießereilegierung zu bilden. Diese Legierung umfaßt außerdem einen zwischen 3 und 5% liegenden Kupfergehalt, der die mechanischen Eigenschaften unter Temperatur der Matrize verbessert.
Schließlich wird der Magnesiumgehalt gemäß der hier obigen in Abhängigkeit der Verstärkung aus Fasern und des verwendeten mineralischen Bindemittels erstellten Beziehung berechnet.
Wie dies vorangehend beschrieben worden ist, wird ein Verbundstoff gemäß dieser Erfindung durch Tränkung unter hohem Druck der Verstärkung aus Fasern mit der Aluminium-Silizium-Legierung hergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Tränkung bei einer geringen, konstanten und kontrollierten Geschwindigkeit, die zwischen 5 und 50 mm&supmin;¹ liegt durchgeführt, während die Erstarrung unter einem hohen Druck, der zwischen 30 und 150 Mpa liegen kann, durchgeführt wird.
In einer typischen Weise kann die erste Phase der Tränkung bei einer zwischen 10 und 20 mm s&supmin;¹ liegenden Geschwindigkeit und die zweite Phase bei einem zwischen 100 und 150 MPa liegendenden Druck durchgeführt werden.
Nach der Tränkung kann der erhaltende Verbundstoff einer vorteilhaft die folgenden Phasen aufweisenden Wärmebehandlung unterworfen werden:
- Zur Homogenisierung des Kupfergehaltes in der Matrize und zur Wanderung des Magnesiums zur Faser hin bestimmtes Inlösungbringen, um den durch die hier oben angegebene Reaktion (2) dargestellten Vorgang zu schaffen;
- Abschreckhärtung, und
- Anlassen, um aus der an dem Vorhandensein des Kupfers gebundenen Gefügehärtung der Matrize nutzen zu ziehen.
Demzufolge hat man erfindungsgemäß einen vorzügliche mechanische Eigenschaften insbesondere unter Temperaturen aufweisenden Verbundstoff mit metallischer Matrize geschaffen, dadurch, daß man für die in diesem Werkstoff enthaltene Legierung einen Magnesiumgehalt bestimmen kann, der eine Gesamtreduktion des Siliziumdioxids und eine vollständige Abwesenheit einer Restverbindung aus Magnesium-Silizium im Bereich der Grenzfläche zwischen Matrize und Verstärkung gestattet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffes mit einer metallischen Matrize, der durch eine Verstärkung auf Basis von Aiuminiumoxid oder Aluminiumoxid- Siliziumdioxidfasern gebildet wird, die einen Filz, dessen Zusammenhalt durch ein Siliziumdioxidbindemittel gewährleistet wird, bilden, wobei die besagte Verstärkung mit einer Magnesium aufweisenden Aluminium-Silizium Legierung im flüssigen Zustand unter hohem Druck getränkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Legierung einen insbesondere in Abhängigkeit des ursprünglichen Siliziumdioxidgehaltes der Verstärkung bestimmten Magnesiumgehalt aufweist, um eine Gesamtreduktion des Siliziumdioxids ohne Bildung einer Restverbindung aus Magnesium-Silizium im Bereich der Grenzfläche zwischen Matrize und Verstärkung zu erzielen, wobei der besagte Magnesiumgehalt durch die folgende Beziehung gegeben wird:

Mg% = 80 Vf.ρ. (s + l)/ρm + Vf (ρf-ρm)-Vf.ρf (1 + l)

in welcher

Mg % das Magnesiummassengehalt ist;

Vf die Volumenverstärkung (Volumen der Fasern/Volumen des Verbundstoffes) des Verbundstoffes ist;

ρf die Volumenmasse der Fasern ist;

s der Siliziumdioxidmassengehait der Fasern ist;

l der Bindemittelmassengehalt des Filzes aus Fasern ist;

und

ρm die Volumenmasse der Matrize ist,

und daß die besagte Legierung gegebenenfalls Kupfer enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht, in der vorgenannten Formel, den mit dem überschüssigen Fehler behafteten durch diese Formel gegebenen Magnesiumgehalt der Legierung kleiner als die Schwelle der Erscheinung der Mg&sub2;Si-Verbindung im Bereich der Grenzfläche zwischen Matrize und Verstärkung zu machen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tränken der Verstärkung mit der Legierung bei zwischen 5 und 50 mm·s&supmin;¹ liegenden Tränkungsgeschwindigkeiten und mit zwischen 30 und 150 MPa liegenden Tränkungsdrücken durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstoff einer ein Inlösungbringen, eine Abschreckhärtung und ein Anlassen aufweisenden Wärmebehandlung unterworfen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das die vorgenannte Legierung eine von 5 bis 12% Silizium und von 3 bis 5% Kupfer enthaltende Legierung auf Basis von Aluminium ist.