DE68917878T2

DE68917878T2 - Flotationsverfahren zum Formen von Verbundwerkstoff-Körpern.

Info

Publication number: DE68917878T2
Application number: DE68917878T
Authority: DE
Inventors: John Thomas Burke; Ratnesh Kumar Dwivedi
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: NZ231078A; IL91731A0; US5000246A; CA2000776A1; ATE110793T1; JP2905517B2; DK558789D0; AU4164989A; PT92258B; KR900007512A; KR970005372B1; FI91490C; EP0373093A1; PT92258A; BR8905760A; FI91490B; FI894931A0; NO893984D0; CN1042495A; ZA898537B

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen. Im einzelnen wird eine permeable Masse aus einem nicht reaktiven Füllstoffmaterial zu einer Vorform ausgebildet. Das Material der Vorform kann dann auf die Oberfläche von schmelzflüssigem Matrixmetall oder in einen Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall gegeben werden, so daß es auf dessen Oberfläche schwimmt, und zwar in Gegenwart eines Infiltrationsverstärkers und/od er eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers sowie einer Infiltrationsatmosphäre, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, woraufhin schmelzflüssiges Matrixmetall spontan die Vorform infiltriert. Während der Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform kann die Vorform zumindest teilweise in den Vorrat an Matrixmetall einsinken, was anzeigt, daß eine Infilfration erfolgt ist.

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 Eigenschaften 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 Eigenschaft 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 25 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 Mikrostmktur 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. 4232091, 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 Enffernung 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 schmelzflüssigem 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. 3 864 154, 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 AIB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AIB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AIB&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 AIB&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 lokalisierten 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.
Die Literaturstelle COMPOSITES, Band 9, Nr. 1, Seite 37-39, IPC Business Press Ltd., Haywards Heath, GB, beinhaltet die Herstellung eines infiltrierten Verbundmaterials aus Blei/Eisen (Metall/Metall) für die Verwendung als nicht toxisches Geschoß bei der Vogeljagd. Als Füllstoffmaterial kann ein Eisensubstrat, das durch die Reduktion von Eisenoxid mit Wasserstoff erhalten wird, verwendet werden. Es erfolgt keine Infiltration des Eisenoxids, und es wird festgestellt, daß Spuren an Oxiden in dem Fall höhere Infiltrationstemperaturen erforderlich machen, daß ein Eisensubstrat verwendet wird, das durch die Reduktion eines oxidischen Vorläufers erhalten wurde. Blei benetzt Eisen bei Temperaturen über 700ºC wirkungsvoll. Um die Infiltration zu bewirken, schwimmen die Pellets, die aus porösem Eisen bestehen, zunächst auf der Oberfläche der infiltrierenden Bleischmelze.
Im Hinblick auf die Schwächen der oben diskutierten Prozesse nach dem bisherigen Wissensstand bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundmaterialien, die ein nicht reaktives Füllstoffmaterial enthalten, 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 permeablen 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 einbettet. 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 beobachfet, 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 Füllstoffmaterials 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 permeable Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der permeablen FülIstoffmasse 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 permeablen 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 Metallmatrix-Verbundgegenstand wird dadurch hergestellt, daß eine permeable 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, nicht reaktiven Schiffchen (z.B. einem passenden feuerfesten Behälter) gehalten, so daß sich ein Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall bildet. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird die Vorform in Gegenwart einer Infiltrationsatmosphäre auf eine Oberfläche des Vorrats an schmelzflüssigem Matrixmetall gesetzt. Weiterhin befinden sich ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder ein Infiltrationsverstärker sowie eine Infiltrationsatmosphäre, 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 aufgrund ihres natürlichen Auftriebs im schmelzflüssigen Matrixmetall auf einer Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls oder irgendwo im schmelzflüssigen Matrixmetall schwimmen. Weiterhin kann die Vorform lösbar an einem Schwimmelement angebracht sein, das der Vorform zu schwimmen hilft. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Vorform, ehe das Matrixmetall schmelzflüssig wird, mit dem Matrixmetall in Kontakt gebracht werden, z.B. könnte die Vorform in Teilchen oder Klumpen aus festem Matrixmetall eingebettet werden, und anschließend kann das Matrixmetall geschmolzen werden.
Während der spontanen Infiltration der Vorform kann die Vorform, ob sie nun an einem Schwimmelement angebracht ist oder nicht, zumindest teilweise in den Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall einsinken, was anzeigt, daß eine Infiltration erfolgt ist. Weiterhin ist es möglich, daß eine Vorform vor der spontanen Infiltration im schmelzflüssigem Matrixmetall einen negativen Auftrieb besitzen kann, und daß sich dieser Auftrieb anschließend ändert. Somit kann die Vorform aufsteigen, absinken oder ihre Position im Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall beibehalten, wodurch angezeigt wird, daß eine Infiltration erfolgt ist.
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 Infiltrationsverhalten 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 können.
Darüber hinaus kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform aus einem Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid) in Kontakt gebracht werden, wobei das Füllstoffmaterial beigemischtes Magnesium enthält oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt wird.
Darüberhinaus liegen in einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform und/oder das Füllstoffmaterial 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 der Metallmatrix 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 einzubetten.
Weiterhin wird, wenn die Infiltration im wesentlichen vollständig erfolgt ist, in einigen Fällen beobachtet, daß die Vorform, zumindest teilweise, in die Quelle der Matrixmetallegierung absinkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der die Vorform am Anfang zumindest teilweise auf einer Oberfläche der schmelzflüssigen Metallegierung schwimmt, versinkt die Vorform praktisch vollständig bis zu einem Punkt, der ungefähr an oder unter der Oberfläche der Matrixmetallegierung liegt, wodurch angezeigt wird, daß die Infiltration im wesentlichen vollständig erfolgt ist.

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.
"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 permeablen 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 permeabel oder porös sein oder permeabel 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 Aluminium oxid 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 Infiltrationsverstärker-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 Inflltrationsverstärker- 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 Infilfration) 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 System", 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.
"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 permeable 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 permeable 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 1 zeigt einen Querschnitt durch eine wiederverwendbare Form für die Herstellung einer Vorform zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt eine Vorform zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 zeigt die Vorform, die auf einem Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall gemäß der vorliegenden Erfindung schwimmt;
Figur 4 zeigt einen Metallmatrix-Verbundkörper, der im Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall gemäß der vorliegenden Erfindung schwimmt;
Figur 5 zeigt eine verlorene Form und eine Vorform gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 zeigt verlorene Formen, die von Blöcken aus matrixmetall in einem nicht reaktiven Schiffchen zur Aufnahme des Matrixmetalls gemäß Beispiel 1 umgeben sind;
Figur 7 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung und der Vorrichtung für die spontane Infiltration eines Körpers durch Schwimmen in schmelzflüssigem Matrixmetall gemäß Beispiel 2; und
Figur 8 veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung und der Vorrichtung für die spontane Infiltration eines Körpers durch Schwimmen in schmelzflüssigem Matrixmetall gemäß Beispiel 3.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch Anordnen einer Vorform, die schwimmt, angrenzend an eine oder auf einer Oberfläche eines Vorrats an schmelzflüssigem Matrixmetall, oder irgendwo im Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall, und durch das spontane Infiltrieren der Vorform mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall bis zu einem gewünschten Ausmaß. Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Ein 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 Infiltrationsverstärker, 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.
Gemäß der Erfindung kann eine Vorform durch geeignetes Modellieren einer Masse aus einem Füllstoffmaterial mit einer Form, wie es in der Figur 1 gezeigt ist, hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Füllstoff eine Mischung aus einem keramischen Material, z.B. Siliziumkarbid (oder anderen geeigneten Füllstoffen, wie unten im Detail diskutiert wird) aufweisen. Der Füllstoff kann in einen Hohlraum 1 in einer Form 2 gepackt werden, und zwar in einer Menge, die zu den für den fertigen Metallmatrix-Verbundkörper gewünschten Eigenschaften paßt. Der Füllstoff wird dann vorzugsweise in eine Vorform überführt (z.B. einen verfestigten Körper, der unter den Prozeßbedingungen seinen Formzusammenhalt und seine Grünfestigkeit bewahrt). Die Vorform kann einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer enthalten, z.B. Magnesium, das während der Verarbeitung in einen Infiltrationsverstärker umgewandelt wird. Alternativ kann ein Infiltrationsverstärker in der Vorform vor dem Eintauchen in das schmelzflüssige Matrixmetall gebildet werden. Zum Beispiel kann Magnesium als ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer in Gegenwart von Stickstoff in Magnesiumnitrid als Infiltrationsverstärker umgewandelt werden, so daß eine Vorform gebildet wird, die einen darin gebildeten Infiltrationsverstärker enthält. Als weitere Alternative kann die Vorform keinen Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker- Vorläufer enthalten, und in diesem Falle muß ein Infiltrationsverstärker woanders im spontanen System bereitgestellt oder gebildet werden.
Die Vorform 3 kann dann aus der Form 2 entfernt werden, wie in Figur 2 illustriert ist, wodurch eine Wiederverwendung der Form 2 ermöglicht wird, die aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein kann, z.B. Gips oder Silikongummi, das dem Füllstoff eine exakte Form verleihen kann. Konventionelle geteilte Formen, mehrteilige Formen, zweiteilige Formen und dergleichen sind für diesen Zweck geeignet. Alternativ kann die Vorform 3 in einer Form verbleiben, die z.B. aus Metallfolie hergestellt ist, die während der weiteren Verarbeitungsschritte verbraucht wird. Auf jeden Fall sollte die Vorform 3 so gehandhabt werden, daß ein Abbau des Infiltrationsverstärkers verhindert wird, indem die Vorform in einer Infiltrationsatmosphäre oder inerten Atmosphäre gehalten wird, und daß ein anderer physischer Schaden vermieden wird, ehe die Herstellung des Metallmatrix-Verbundkörpers vollständig abgeschlossen ist.
Wie in der Figur 3 gezeigt ist, kann die Vorform 3 dann in Kontakt mit einem Vorrat 4 an schmelzflüssigem Matrixmetall, der in einem geeigneten feuerfesten Behälter 5 untergebracht ist, in Kontakt gebracht werden. Die spontane Infiltration der Vorform durch das Matrixmetall in mindestens einen Teil der Vorform 3 hinein führt zu einem Metallmatrix-Verbundkörper 6 in demjenigen Teil der Vorform 4, der infiltriert worden ist. Die Vorform 3 kann in den Vorrat 4 an schmelzflüssigem Matrixmetall dadurch eingebracht werden, daß die Vorform 3 einfach auf die Oberfläche des schmelzflüssigen Metallvorrats 4 gesetzt wird. Alternativ kann die Vorform 3 in einen geeigneten Schmelztiegel oder einen anderen nicht reaktiven Behälter für die Aufnahme des Matrixmetalls, umgeben von einer Menge an Blöcken aus Matrixmetall, gegeben und erhitzt werden, um das Matrixmetall um die Vorform herum zu schmelzen. Das Einführen von Vorformen in einen vorhandenen Vorrat an Matrixmetall kann eine schnellere Herstellung fertiger Metallmatrix- Verbundkörper ermöglichen, da keine Zeit für das Schmelzen des Matrixmetalls benötigt wird. Ein Vorheizen der Vorformen kann jedoch wünschenswert sein, um einen Wärmeschock und ein daraus resultierendes Springen oder Abbauen der Vorform zu vermeiden.
Es versteht sich, daß bei einer Vorform, die zu Anfang ein keramisches Material und einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer aufweist, zumindest ein Teil des Infiltrationsverstärker-Vorläufers in einen Infiltrationsverstärker umgewandelt werden sollte. Diese Umwandlung kann durchgeführt werden, wenn die Vorform und die Blöcke aus Matrixmetall durch, z.B., Exponieren der Vorform gegen eine Infiltrationsatmosphäre während des Erhitzens erhitzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärker- Vorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß Infiltrationsverstärker in zumindest einem Teil der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen der Vorform mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall gebildet werden kann (wenn z. B. Magnesium der Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff die Infiltrationsatmosphäre ist, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil der Vorform vorkommen würde). Alternativ kann eine Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoffgas im System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff) in das schmelzflüssige Matrixmetall geblubbert werden, so daß es mit der Vorform nach deren Eintauchen in das Bad aus Matrixmetall in Kontakt tritt und mit dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung des Infiltrationsverstärkers reagiert. Weiterhin kann die Vorform der Infiltrationsatmosphäre ausgesetzt werden, während sie auf der Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls schwimmt, wodurch der Infiltrationsverstärker-Vorläufer in den Infiltrationsverstärker umgewandelt wird.
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Alum inium/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 mit dem schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht werden. Die Vorform kann angrenzend an eine oder auf einer Oberfläche des schmelzflüssigen Matrixmetalls, oder irgendwo im schmelzflüssigen Matrixmetall, schwimmen, oder sie kann sogar aufgrund ihres im Vergleich zum schmelzflüssigen Matrixmetall geringeren Auftriebs auf den Grund des schmelzflüssigen Matrixmetalls sinken. Weiterhin kann die Vorform lösbar an einem Schwimmelement, das das Schwimmen der Vorform unterstützt oder sie zum Schwimmen bringt, angebracht sein. Das Schwimmelement würde aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, das mit dem spontanen System nicht reagiert und im schmelzflüssigen Matrixmetall einen ausreichenden positiven oder negativen Auftrieb besitzt, um einer negativen oder positiven Auftriebskraft der Vorform oder des Metallmatrix-Verbundkörpers in einem gewünschten Maß entgegenzuwirken. Und weiterhin kann die Vorform mit dem Matrixmetall in Kontakt gebracht werden, ehe das Matrixmetall schmelzflüssig wird, oder die Vorform kann in Teilchen oder Klumpen aus festem Matrixmetall eingebettet werden. Anschließend würde das Matrixmetall, um es zu schmelzen, erhitzt werden.
Während der Infiltration der Vorform kann die Vorform, ob sie nun an einem Schwimmelement angebracht ist oder nicht, zumindest teilweise in den Vorrat an schmelzflüssigem Matrixmetall einsinken, was anzeigt, daß eine Infiltration erfolgt ist, wie in Figur 4 gezeigt ist. Es versteht sich dabei, daß dieses Absinken aufgrund der Änderung des Auftriebs der Vorform, wenn das Ausmaß der Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform voranschreitet, erfolgen würde. Somit kann der Körper, in Abhängigkeit vom relativen Auftrieb des Körpers vor und nach der Infiltration, aufsteigen, absinken oder seine Position im Bad aus schmelzflüssigem Matrixmetall ändern, wenn die Infiltration vollständig erfolgt ist.
Unter den im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Bedingungen kann im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff die Vorform in ausreichendem Maße permeabel sein, damit es dem stickstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, in die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen. Weiterhin kann die permeable Vorform die Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls aufnehmen, wodurch die von Stickstoff durchdrungene Vorform dazu gebracht wird, spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix- Verbundgegenstands infiltriert zu werden. Das Ausmaß der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, wozu der Magnesiumgehalt der Aluminium-Matrixmetallegierung und/oder der Vorform, der Magnesiumnitridgehalt der Vorform und/oder des Aluminium-Matrixmetalls, die Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), die durchschnittliche Größe (z.B. der Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, aus dem die Vorform besteht, die Oberflächenbedingungen und der Typ des Füllstoffmaterials, die Stickstoffkonzentration 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 der 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 Aluminium-Matrixmetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken. Das Einbringen von genügend Magnesium und/oder Magnesiumnitrid in das Aluminium- Matrixmetall macht ein separates Bereitstellen von Magnesium oder Magnesiumnitrid in der Vorform oder der Infiltrationsatmosphäre unnötig.
Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte in dem Ausmaß vermieden werden, daß etwas Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers zurückbleibt. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente im Matrixmetall 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 Stickstoffatmosphäre 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 Atmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt, daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. zu einer viel schnelleren Infiltrationsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrationsatmosphäre (z.B. ein stickstoffhaltiges Gas) kann direkt dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall zugeführt werden, oder sie kann durch eine Zersetzung eines Materials gebildet werden oder aus dieser resultieren.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial infiltriert, 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 oder der Vorform, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems und dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt des Matrixmetalls 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 der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Matrixmetallegierungen, 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 Infiltrationsprozess fördert. Außerdem variiert die Menge an Magnesium, wenn es lediglich der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird.
Es wurde entdeckt, daß die spontane Infiltration bei einem geringeren gesamten Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem System zugesetzt wurde, erfolgt, wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge in die Vorform oder das Füllstoffmaterial gegeben wird. 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, die mit einem Aluminium- Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, wurde entdeckt, daß die Vorform, wenn sie mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, spontan vom Matrixmetall infiltriert wird. 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 eine Vorform aus Aluminiumoxid, wenn sie mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliziumkarbid infiltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium benötigen kann, um eine ähnliche spontane Infiltration 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 Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern es kann der eine oder der andere oder es können alle beide einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, dann wird es manchmal bevorzugt, daß die Oberfläche diejenige Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt, oder dieses Magnesium sollte 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 die Vorform 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 umgebenden Gas 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 Nitridbildung 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 oder der Vorform 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 der Vorform oder dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Matrixmetallegierung 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 permeablen 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 1200ºC 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 Reaktionsproduktes 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 Metallmatrix-Verbundkörpers abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren in der Erfindung eingesetzt werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringen kann und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt.
Beim vorliegenden Verfahren kann z.B. eine permeable Vorform, die einen Infiltrationsverstärker und/oder einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer enthält, in Gegenwart einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. eines stickstoffhaltigen Gases), die über die gesamte Zeit, die zur Erzielung der Infiltration benötigt wird, aufrecht erhalten wird, mit schmelzflüssigem Matrixmetall (z.B. Aluminium) in Kontakt gebracht werden. Das wird dadurch erreicht, daß ein kontinuierlicher Gasstrom in Kontakt mit der Vorform und dem schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall gehalten wird. 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 zu verhindern oder zu hemmen, der eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall und/oder den Infiltrationsverstärker und/oder den Infiltrationsverstärker- Vorläufer haben kann.
Das vorliegende 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 Metallmatrix-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 Füllstoffberücksichtigt 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 die Keramikmasse oder die Vorform 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 permeablen 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 reicht es aus, wenn die Masse des Füllstoffmaterials, wenn sie zu einer Vorform geformt ist, permeabel ist, d.h. permeabel wenigstens für das schmelzflüssige Matrixmetall, und möglicherweise für die Infiltrationsatmosphäre.
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um die schmelzflüssige Metallmatrix in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Matrixmetall- 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. 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. 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 Füllstoffs oder der Vorform, 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 keramischen Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Matrixmetall-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 Keramikmaterial, 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 AluminiumIegierung 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. Gemäß der vorliegenden Erfindung könnte eine Vorform, die gerade spontan infiltriert wird, d.h. eine Vorform, die von einem ersten Matrixmetall teilweise infiltriert ist, durch einen Gasstrom oder einen anderen Mechanismus dazu gebracht werden, in einen Bereich des Reservoirs zu schwimmen, der ein zweites Matrixmetall aufweist. Weiterhin sind schmelzflüssige Metalle 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. 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 versteht sich dabei, daß auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 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 oder der Vorform 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, permeabel ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des keramischen Füllstoffs hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien wie Graphit oder Aluminiumoxid, die im wesentlichen durch die infiltrierende schmelzflüssige Matrixmetallegierung unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist eine geringe oder keine Affinität gegenüber der schmelzflüssigen Matrixmetallegierung auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert eine möglicherweise erforderliche abschließende maschinelle Bearbeitung oder ein Schleifen des Produktes aus dem Metallmatrix-Verbundmaterial, und sie kann einen zusätzlichen Beitrag zur strukturellen Integrität der Vorform und des Metallmatrix-Verbundgegenstandes leisten. Weiterhin kann das Sperrschichtelement geeignet geformt sein, um ein Greifen des Verbundkörpers und sein Entfernen aus dem Vorrat an Matrixmetall zu ermöglichen. Wie oben festgestellt wurde, kann die Sperre vorzugsweise permeabel oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen permeabel gemacht werden, um es der Infiltrationsatmosphäre zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixmetallegierung und der Vorform, in der ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer enthalten ist, in Kontakt zu treten.
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 die schmelzflüssige Aluminiumlegierung 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 oder die Vorform herum oder auf deren 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 Übergangsmetälle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetallegierung 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 permeablen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für Matrixlegierungen aus Aluminiummetall in Stickstoff nützlich sind, gehören organische Verbindungen geringer Flüchtigkeit, die als ein Film oder eine Schicht auf die äußere Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform aufgetragen werden. Beim Brennen in Stickstoff, speziell unter den Prozeßbedingungen dieser 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 geringeren Geschwindigkeit erfolgt als die Geschwindigkeit der Infiltration des Füllstoffmaterials.
Somit kann das Sperrschichtelement 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 Sperrelements 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 das infiltrierende Matrixmetall die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt fritt. Sperrschichtelemente können somit zusammen mit den Vorformen der vorliegenden Erfindung zur Kontrolle der Infiltration verwendet werden, so daß nach der Infiltration der schwimmenden Vorform fertige oder nahezu fertige Formen erzielt werden.
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 Mischen von Siliziumkarbidpulver von 5 um (1000 Grit) (39 Crystolon von Norton Co.) mit ungefähr 2,5 Gewichtsprozent Magnesiumpulver von 45 um (325 Mesh) (erhältlich bei Johnson Mathey Co.) hergestellt. Um eine gleichmäßige Durchmischung zu erhalten, wurden diese Pulver in einen verschlossenen Behälter gegeben und in einer Kugelmühle ungefähr 12 Stunden lang getaumelt. Die Kugelmühle bewirkte lediglich eine gleichmäßige Durchmischung; es wurde kein Zermahlen oder eine Gestaltveränderung der Pulver angestrebt oder bewirkt.
Das Folgende bezieht sich auf die Figur 5. Es wurde so viel Füllstoff wie möglich per Hand in eine Form 2 gepackt, die aus einer Kupferröhre bestand, die dazu diente, dem Füllstoff eine Form zu verleihen. Die Wände der Kupferröhre 2 (erhältlich bei General Copper Co.) waren ungefähr 0,8 mm dick, und die Röhre hatte eine glockenförmige Gestalt von 3,8 cm Länge und 2,5 cm Breite am breiteren Ende. Das breitere Ende der Röhre 2 wurde unbedeckt gelassen, während die engeren Enden mit Aluminiumfolie geschlossen wurden, um ein Herausfallen des Füllstoffs beim Packen zu verhindern.
Zwei derartige gefüllte Formen 2-1 und 2-2 wurden dann in ein nicht reaktives Gefäß 5 gegeben, das mehrere Blöcke 7 aus einer Aluminiumlegierung enthielt, wie in Figur 6 dargestellt ist. Das Gefäß 5 bestand aus einem geschweißten Kasten aus rostfreiem Stahl der 300-Serie, der mit zwei Schichten einer Graphitfolie (z.B. Permafoil, erhältlich bei T.T. America Co.) von ungefähr 0,25 mm Dicke ausgekleidet war, um das Gefäß wiederverwenden zu können. Die Legierung bestand aus ungefähr 85 Gewichtsprozent Aluminium, 12 Gewichtsprozent Silizium und 3 Gewichtsprozent Magnesium (Al-12Si-3Mg), und die Blöcke 7 waren so angeordnet, daß sie die Röhren 2-1 und 2-2 im Gefäß 5 umgaben. Eine der Formen (2-1) befand sich in der Nähe des Bodens des Gefäßes, während sich die andere Form (2-2) nahe der Oberseite befand. Das Gefäß 5 wurde dann mit einer 0,7 mm dicken Kupferfolie 8 bedeckt (erhältlich bei Atlantic Equipment Engineering Co.) und in einen elektrischen Widerstandsofen gegeben. Das Innere des Gefäßes wurde dann mit Stickstoffgas, das durch ein Loch in der Kupferfolie 8 zugeführt wurde, mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 1,5 Litern pro Minute ausgeblasen.
Die Temperatur des Schmelzofens wurde innerhalb von 2 bis 2,5 Stunden von Raumtemperatur auf ungefähr 750ºC erhöht, wodurch das Füllstoffmaterial zu Vorformen verfestigt wurde, die ihre Gestalt auch ohne die Formen beibehalten hätten. Das Gefäß und sein Inhalt wurden ungefähr 2,5 Stunden lang bei ungefähr 750ºC gehalten, und am Ende dieser Zeit hatte sich ein Vorrat an Aluminiumlegierung im Gefäß gebildet, die Kupferformen, die den verfestigten Füllstoff umgaben, waren geschmolzen und hatten sich in der geschmolzenen Aluminiumlegierung aufgelöst, und die Legierung hatte spontan den Füllstoff unter Bildung von Metallmatrix- Verbundkörpern infiltriert. Es fällt auf, daß der Füllstoff seine Form sogar nach dem Verschwinden der Kupferformen beibehielt, wahrscheinlich als Ergebnis einer Bildung von Magnesiumnitrid im Füllstoff beim Ansteigen der Temperatur (oder möglicherweise als Ergebnis eines Sintereffektes), und dann als ein Ergebnis des hohen Füllstoffanteils im Metallmatrix-Verbundkörper.
Am Ende des 2,5 Stunden-Zeitraumes schwammen die MetaIlmatrix-Verbundkörper neutral im Vorrat, ca. 3 bis 5 cm unter der Oberfläche des Vorrats. Die Form 2-2, die sich nahe der Oberfläche des Gefäßes befand, war eine gewisse Zeit lang auf der Oberfläche des Vorrats geschwommen, und dann sank sie allmählich in den Vorrat ein, als sich die Form im Vorrat aufiöste und die spontane Infiltration voranschritt. Die Form 2-1, die sich am Boden des Gefäßes befand, löste sich schließlich auf, und die infiltrierte, verfestigte Vorform stieg ungefähr zur gleichen Tiefe im Vorrat auf, bei der sich die Vorform 2-2 befand, die sich in der Nähe der Oberseite befunden hatte. Die Metallmatrix-Verbundkörper schöpfte man mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl vorsichtig aus dem Legierungsvorrat und ließ sie in der Umgebungsluft des Labors abkühlen. Die resultierenden Körper waren vollständig spontan infiltriert und wiesen eine praktisch fertige Form auf.

Beispiel 2

Eine Vorform aus Siliziumkarbidpulver von 17 um (500 Grit) (39 Crystolon von Norton Co.) wurde mit Standardverfahren sedimentgegossen und in Form eines Halbkolbenbolzens vorerhitzt. Die Vorform des Halbkolbenbolzens, von denen in Verbrennungsmotoren mehrere verwendet werden, war im großen und ganzen röhrenförmig, mit einem Außendurchmesser von ungefähr 4 Millimetern, einem Innendurchmesser von ungefähr 3 Millimetern und einer Länge von ungefähr 5 Zentimetern. Das Folgende bezieht sich auf die Figur 7. Die Vorform 2-3 wurde auf die Oberfläche eines Vorrats 4 aus einer Mischung aus einer leicht modifizierten schmelzflüssigen Aluminiumlegierung 380.1 (von Belmont Metals) mit einer Zusammensetzung von ungefähr 7,5- 9,5% Si, 3,0-4,0% Cu, 2,9% Zn, 6,0% Fe, 0,5% Ni, 0,35% Sn und ungefähr 0,17-0,18% Mg, wozu bei einer Temperatur von ungefähr 700ºC weitere 5 Gewichtsprozent Mg gegeben wurden, gesetzt.
Der Vorrat 4 war in einem nicht reaktiven Behälter 5 enthalten, der aus einer Dose aus rostfreiem Stahl der 300-Serie bestand, die mit einem 0,38 mm (15/1000 in) dicken bandförmigen Graphitprodukt (Grade GTB) ausgekleidet war, das von Union Carbide hergestellt und unter dem Handelsnamen Grafoil (von Union Carbide) vertrieben wird. Der Behälter 5 und, somit, die Vorform 2-3 und der Vorrat 4 wurden in einer reinen Stickstoffatmosphäre gehalten, indem der Hohlraum 8, der zwischen einer Dose 9 aus rostfreiem Stahl der 300-Serie und der Platte 10 bestand, ausgeblasen wurde. Die Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff wurde durch ein Röhrchen 11 aus rostfreiem Stahl, das durch eine passende Öffnung im Kasten 9 eingeführt und festgehalten wurde, zugeführt. Eine Kupferdichtung 12 wurde zwischen den Kasten 9 und die Platte 10 eingefügt, um die Stickstoffatmosphäre im Hohlraum 8 zu halten. Außerdem wurden Titanspäne 13 im Hohlraum 8 verteilt, die mit möglicherweise vorhandenem Sauerstoff oder einem anderen Fremdmaterial reagieren sollten, das den Infiltrationsverstärker und/oder den Matrixmetall-Vorläufer und/oder den Infiltrationsverstärker im spontanen Infiltrationssystem Aluminium/Magnesium/Stickstoff verunreinigen könnte.
Das Reaktionsgefäß, das den Behälter 5, den Kasten 9 und die Platte 10 aufwies, wurde in einem elektrischen Widerstandsschmelzofen innerhalb von ungefähr 5 Stunden von Raumtemperatur auf ungefähr 700ºC erhitzt, um die Matrixmetall-Legierung zu schmelzen. Die Vorform 2-3 wurde anschließend auf die Oberfläche des Vorrats 4 an schmelzflüssiger Aluminiumlegierung gesetzt, wozu der Kasten 9 kurz hochgehoben wurde. Die Temperatur wurde dann über einen Zeitraum von ungefähr 25 Stunden bei 800ºC gehalten, und nach Ablauf dieser Zeit wurde der Kasten 9 erneut hochgehoben, und der Halbkolbenbolzen, der in den Vorrat eingesunken war, wurde mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl herausgeholt. Dann ließ man den Halbkolbenbolzen in der Umgebungsluft des Labors abkühlen. Die Aluminiumlegierung hatte die Vorform unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der praktisch in endgültiger Form vorlag, spontan vollständig infiltriert.

Beispiel 3

Das Folgende bezieht sich auf die Figur 8. Es wurde ein Reaktionsgefäß hergestellt, indem eine mit Graphit ausgekleidete Dose 5 aus rostfreiem Stahl, die in grobkörnigem Wollastonit 14 (Nyad SP, erhältlich bei NYCO Inc.) eingebettet war, in einen Schmelztiegel 15 aus Aluminiumoxid von 99,7% Reinheit gesetzt wurde. Eine Dose 16 aus rostfreiem Stahl der 300-Serie mit einem Ausblasröhrchen 11 aus rostfreiem Stahl wurde über die Dose 5 gestülpt. Ein Vorrat 4 aus einer Mischung aus einer schmelzflüssigen Aluminiumlegierung der gleichen Zusammensetzung wie die Aluminiumlegierung aus Beispiel 2 wurde in der Dose 5 erzeugt.
Der Vorrat 4 wurde durch Erhitzen des Reaktionsgefäßes und des Schmelztiegels in einem elektrischen Widerstandsofen erzeugt, wobei ein kontinuierlicher Zustrom von reinem Stickstoffgas in die Dose 16 aus rostfreiem Stahl aufrechterhalten wurde. Das Gefäß wurde innerhalb von ungefähr 5 Stunden von Raumtemperatur auf ungefähr 800ºC erhitzt. Als der Vorrat 4 eine Temperatur von ungefähr 700ºC erreichte, wurde die Dose 16 aus rostfreiem Stahl hochgehoben, eine Vorform wurde schnell auf die Oberfläche des Vorrats gesetzt, und die Dose 16 aus rostfreiem Stahl wurde wieder an Ort und Stelle gebracht. Das Gefäß wurde dann ungefähr 30 Stunden lang bei ungefähr 800ºC gehalten, und anschließend entfernte man die Vorform aus dem Vorrat und ließ sie abkühlen.
Die Vorform bestand aus einer einfachen zylindrischen Form aus Siliziumkarbid von 66 um (220 Grit) (39 Crystolon von Norton Company) mit einem Durchmesser von ungefähr 1,3 cm und 1,3 cm Länge. Man entfernte die Vorform bei ungefähr 700ºC und ließ sie auf Raumtemperatur abkühlen. Es war eine vollständige spontane Infiltration erfolgt, und die Vorform lag praktisch in endgültiger Form vor.

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers, das umfaßt:

- Bilden einer Vorform aus einer permeablen Masse eines nicht reaktiven Füllstoffmaterials;

- Bereitstellen eines Vorrats von schmelzflüssigem Matrixmetall;

- Schwimmenlassen der Vorform auf der Oberfläche des Vorrats von schmelzflüssigem Matrixmetall; und

- Einsetzen einer Infiltrationsatmosphäre, wengigstens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall wenigstens einen Teil der Vorform spontan infiltriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens einem von der Vorform und dem Matrixmetall für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration kommuniziert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der genannte wenigstens eine von einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsverstärker wenigstens einem von dem Matrixmetall, der Vorform und der Infiltrationsatmosphäre zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorform aus einer permeablen Masse eines Füllstoffs gebildet ist, der wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Microspheres, Whiskers, Hohlkügelchen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, sphärischen Teilchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben besteht.

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

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 3, bei dem die Vorform dadurch mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Berührung gebracht wird, daß man die Vorform auf eine Oberfläche des genannten Vorrats von Matrixmetall aufsetzt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das außerdem die Stufe des Vorheizens der Vorform umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufen des Einbettens eines Füllstoffmaterial, das bei seinem Erhitzen eine Vorform bildet, in ein festes Matrixmetall sowie das Schmelzen des genannten festen Matrixmetalls zur Bildung des genannten Vorrats an Matrixmetall umfaßt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 6 oder 8, das außerdem die Stufen der lösbaren Anbringung eines Schwimmelements an die Vorform umfaßt, um das Schwimmen der Vorform auf dem Vorrat des Matrixmetalls zu unterstützen, sowie die Ablösung des Schwimmelements von der Vorform, nachdem die Vorform spontan infiltriert wurde.

10. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Stufen der Bereitstellung eines zweiten schmelzflüssigen Matrixmetalls und das Inkontaktbringen der Vorform mit dem genannten zweiten schmelzflüssigen Matrixmetall umfaßt, nachdem wenigstens ein Teil der Vorform spontan von dem schmelzflüssigen Matrixmetall infiltriert wurde.