DE68919331T2

DE68919331T2 - Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoff-Körpern mit Metallmatrix mit variabler Füllstoffdichte und Produkte daraus.

Info

Publication number: DE68919331T2
Application number: DE68919331T
Authority: DE
Inventors: Michael Kevork Aghajanian; Christopher Robin Kennedy; Alan Scott Nagelberg
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1995-03-23
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: NO893988L; JP2905521B2; DK559189A; BR8905759A; JPH02247068A; TR27193A; NZ231073A; AU623174B2; CN1082566C; NO176349B; KR900007530A; FI89014B; FI894935A0; NO176349C; PT92252B; ZA898542B; FI89014C; KR0121461B1; PH26167A; AU4164389A

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Bildung von Metallmatrix- Verbundkörpern sowie neuartige Produkte, die mit dem Verfahren hergestellt werden. Im einzelnen enthält eine permeable Masse eines Füllstoffmaterials oder eine Vorform in ihrem Inneren zumindest etwas Matrixmetall-Pulver. Weiterhin stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre mit dem Füllstoffmaterial oder einer Vorform in Verbindung, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es schmelzflüssigem Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Die Anwesenheit von pulverförmigem Matrixmetall in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vermindert den relativen Volumenanteil des Füllstoffmaterials im Vergleich zum Matrixmetall.

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. Siliciumcarbid 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 Siliciumcarbid verstärkten Aluminiummatnx, 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 Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das U.S.-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliciumcarbid 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 Siliciumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstände Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das U.S.-Patent Nr. 4232 091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundgegenständen aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25:1. Da äußerer Druck angelegt werden muß, um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundgegenständen aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirconiums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, daß durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt sowohl die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Entfernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 94353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor 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, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium, 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-Verbundmaterialien nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundmaterials 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. Borcarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das U.S.-Patent Nr. 3864154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem 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. 3 364 976, 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.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundmaterialien, 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 denlenigen 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-291441 offengelegt. Gemäß dem Verfahren der genannten Patentanmeldung wird ein Metallmatrix-Verbundmaterial durch die Infiltration einer durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angewendet wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Gegenwart eines Gases, das von ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nichtoxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundmaterials 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-Verbundmaterial, das gemäß der Erfindung der EP-A- 291 441 hergestellt wird, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann, in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundgegenstands maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß der Verbundgegenstand wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, aber den Prozeß auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eipes 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-323 945 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-291 441 wurde dann durch die EP-A-333 629 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- Verbundmaterials. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn die spontane Infiltration voranschreitet, bei Bedarf nachgeliefert werden, vorzugsweise kontinuierlich aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall. Wenn eine gewünschte Menge an durchlässigem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die durchlässige Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der durchlässigen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin sollte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern das überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix- Verbundmaterial 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.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix- Verbundmaterials geschaffen, das umfaßt:
a) Auswählen eines im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoffmaterials;
b) Kombinieren eines pulverisierten Matrixmetalls mit dem genannten Füllstoffmaterial und/oder Beschichten des genannten Füllstoffmaterials mit Matrixmetall, um eine permeable Masse zu bilden;
c) Erhitzen des genannten Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden; und
d) Einsetzen einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die permeable Masse spontan infiltriert.
Es wird ein Metallmatrix-Verbundkörper, der einen variablen und genau einstellbaren Volumenanteil an Füllstoffmaterial enthält, dadurch hergestellt, daß wenigstens etwas gepulvertes Matrixmetall mit einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform vermischt und anschließend das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall infiltriert wird. Im einzelnen befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer und eine Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Prozesses, in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren.
Das gepulverte Matrixmetall, das der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird, dient dazu, den Volumenanteil des Füllstoffmaterials gegenüber dem des Matrixmetalls zu reduzieren, indem es als ein Platzhaltermaterial im Füllstoff wirkt. Genauer gesagt kann ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform nur ein begrenztes Maß an Porosität enthalten, ehe es aufgrund seiner bzw. ihrer geringen Stabilität schwierig, wenn nicht unmöglich wird, es bzw. sie zu handhaben. Jedoch kann, wenn ein gepulvertes Matrixmetall mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt wird, eine wirkungsvolle Porosität erzielt werden (d.h. es kann, statt daß man ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit höherer Porosität versieht, gepulvertes Matrixmetall dem Füllstoff oder der Vorform zugesetzt werden). Diesbezüglich würde der resultierende Metallmatrix-Verbundkörper, so lange das gepulverte Matrixmetall mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall eine gewünschte Legierung oder Zwischenmetallverbindung bildet, die das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert, und keine nachteilige Wirkung auf die spontane Infiltration auftritt, so erscheinen, als wäre er mit einem sehr porösen Füllstoffmaterial oder einer sehr porösen Vorform hergestellt worden.
Das mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kombinierte gepulverte Matrixmetall kann genau die gleiche, im wesentlichen die gleiche oder eine etwas andere chemische Zusammensetzung wie bzw. als das Matrixmetall aufweisen, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert. Wenn das gepulverte Matrixmetall jedoch eine andere Zusammensetzung hat als das Matrixmetall, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform infiltriert, dann sollten gewünschte Zwischenmetallverbindungen und/oder Legierungen bei der Kombination des Matrixmetalls mit dem gepulverten Matrixmetall gebildet werden, damit die Eigenschaften des Metallmatrix- Verbundkörpers verbessert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Infiltrationsverstärker- Vorläufer wenigstens einem aus der Gruppe zugesetzt werden, die aus dem Matrixmetall und/oder dem gepulverten Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht. Der Infiltrationsverstärker-Vorläufer kann dann mit einer anderen Spezies im spontanen System unter Bildung des Infiltrationsverstärkers reagieren.
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 da System Aluminium/Magnesium/Stickstoff verhalten. Zum Beispiel wurde ein ähnliches spontanes Infiltrationsverhalten in dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Calcium/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.
Weiterhin kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt zumindest entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder dem pulverisierten Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte wenigstens während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in wenigstens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Wenn das Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung besteht, dann wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform oder einem Füllstoffmaterial (z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid) in Kontakt gebracht, wobei das Füllstoffmaterial beigemischtes Magnesium enthält und/oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses Magnesium ausgesetzt wird. Weiterhin sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform bzw. das Füllstoffmaterial, wenigstens während eines Teils des Prozesses, in einer Stickstoffatmosphäre enthalten. Die Vorform wird 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 in der pulverisierten Matrixmetallegierung und/oder im Füllstoffmaterial bzw. der Vorform und/oder in der Infiltrationsatmosphäre), der Größe und/oder der Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial, der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre, der Zeit, über die man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder der Größe und/oder der Zusammensetzung und/oder der Menge des pulverisierten Matrixmetalls in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder der Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß, das ausreicht, die Vorform oder das Füllstoffmaterial im wesentlichen vollständig einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. im Handel erhältliche Metalle, die Verunreinigungen und/oder legierende Bestandteile, wie z.B. Eisen, Silicium, 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 durchlässigen Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetallmaterial auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, das notwendig sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metallmatrix-Verbundkörperproduktes fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen durchlässig oder porös sein oder durchlässig gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten.
"Gerüst" oder "Gerüst aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in Kontakt mit zumindest einem Teil des Metallmatrix-Verbundkörpers, der gebildet wurde, bleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst typischerweise auch ein zweites oder ein fremdes Metall enthalten kann.
"Füllstoff", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoff, der keramische Füllstoffe, die von B&sub4;C verschieden sind, sowie beschichtete Füllstoffe einschließlich von keramikbeschichteten Fasern. Der Füllstoff kann entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen enthalten 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 Siliciumcarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen, und auch keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff-Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen. Zu Füllstoffen können auch keramikbeschichtete Metalle 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 und 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 Reäktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) eine Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Niedrige Teilchenbeladung" oder "niedrigerer Volumenanteil des Füllstoffmaterials", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet, daß die relative Menge des Matrixmetalls oder der Matrixmetallegierung oder der Zwischenmetallverbindung im Vergleich zum Füllstoffmaterial erhöht wurde gegenüber einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform, das bzw. die spontan infiltriert wurde, ohne daß Füllstoff aus pulverisiertem Matrixmetall dem Füllstoffmaterial oder der Vorform zugesetzt wurde.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetallegierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeuten dasjenige Metall, das mit einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform vermischt wird, um einen Metallmatrix-Verbundkörper zu bilden. 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 Legierungsbestandteilen, 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 ein "/" zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, das "/" verwendet wird, 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-Verbundmaterial" oder "MMC", 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 Verbundmaterial bestimmte gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften zu verleihen.
Ein Metall, das vom Mafrixmetall "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 ein Füllstoffmaterial (oder eine Vorform) und/oder schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform auf eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen könnte.
"Gepulvertes Matrixmetall", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Matrixmetall, das in Pulverform gebracht wurde und in wenigstens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform enthalten ist. Es versteht sich dabei, daß das gepulverte Matrixmetall eine Zusammensetzung haben könnte, die die gleiche wie die des Matrixmetalls sein kann, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform infiltrieren soll, oder die der Zusammensetzung ähnlich oder ganz verschieden von ihr ist. Jedoch sollte das gepulverte Matrixmetall, das verwendet werden soll, eine gewünschte Legierung und/oder Zwischenmetallverbindung mit dem Matrixmetall bilden können, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform infiltrieren soll. Weiterhin könnte das gepulverte Matrixmetall einen Infiltrationsverstärker und/oder einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer beinhalten.
"Vorform" oder "durchlässige Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächenbegrenzung hergestellt wird, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall infiltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff, entweder homogen oder heterogen, und kann aus jedem geeignetem Material bestehen (z.B. aus Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulvern, Fasern, Whiskern etc. und jeder Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu einer Füllstoffmasse oder einer Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt, fließen kann, um denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der/das/die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen oder in bestimmen Fällen zunächst bereitzustellen und anschließend aufzufüllen.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalls in die durchlässige Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt, ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern aber sie sollen den Bereich der Erfindung nicht einschränken. Es wurden, wann immer es möglich war, ähnliche Referenzziffern in den Figuren verwendet, um ähnliche Komponenten zu bezeichnen:
Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus zur Herstellung eines spontan infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörpers mit verminderter Teilchenbeladung gemäß der Beispiele 1-4; und
Figur 2-5 sind Fotografien der Proben, die gemäß der Beispiele 1-4 hergestellt wurden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der die Fähigkeit besitzt, einen genau einstellbaren und variablen Volumenanteil eines Füllstoffmaterials zu enthalten. Genauer gesagt kann der Volumenanteil eines Füllstoffmaterials im Vergleich zum Matrixmetall durch das Vermischen des Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit etwas gepulvertem Matrixmetall erniedrigt werden, was zu der Fähigkeit führt, die Teilchenbeladung und andere Eigenschaften eines gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers einzustellen.
Obwohl hohe Teilchenbeladungen (zum Beispiel in der Größenordnung von 40 bis 60 Volumenprozent) durch Verfahren der spontanen Infiltration, wie sie z.B. in der EP-A-291 441 offengelegt sind, erzielt werden können, sind niedrigere Teilchenbeladungen (in der Größenordnung von 1 bis 40 Volumenprozent) mit Hilfe derartiger Methoden nur schwer, wenn überhaupt, erreichbar. Im einzelnen ist es bei Anwendung dieser offengelegten Techniken zur Erreichung niedriger Teilchenbeladungen erforderlich, daß die Vorformen oder das Füllstoffmaterial mit hoher Porosität versehen werden. Jedoch ist die letztlich erreichbare Porosität durch das Füllstoffmaterial oder die Vorformen limitiert, wobei die Porosität von dem jeweiligen eingesetzten Füllstoffmaterial und der Größe oder der Körnigkeit der gewählten Teilchen abhängt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein gepulvertes Matrixmetall homogen mit einem Füllstoffmaterial vermischt, um den Verteilungsabstand der Teilchen des Füllstoffmaterials zu vergrößern, wodurch ein zu infiltrierender Körper von größerer Porosität erzeugt wird, Somit können Vorformen oder Füllstoffmaterialien, die zwischen 1 Volumenprozent und 75 Volumenprozent oder noch mehr, und vorzugsweise 25 Volumenprozent bis 75 Volumenprozent, gepulvertes Matrixmetall aufweisen, für die Infiltration bereitgestellt werden, in Abhängigkeit von den letztendlichen Volumenprozenten an Teilchenbeladung, die für das resultierende Produkt gewünscht werden. Wie aus der Diskussion weiter unten und den folgenden Beispielen klarer hervorgehen wird, resultiert eine Erhöhung des Volumenanteils des gepulverten Matrixmetalls in einer entsprechenden Abnahme des Volumenanteils der Beladung mit keramischen Teilchen, die im fertigen Produkt erhalten wird. Die Beladung des fertigen Produktes mit keramischen Teilchen kann somit durch Maßschneidern der Komponente aus gepulvertem Matrixmetall der Vorform oder des Füllstoffmaterials maßgeschneidert werden.
Das gepulverte Matrixmetall kann, muß aber nicht, das gleiche wie das Matrixmetall sein, das die Vorform oder den Füllstoff spontan infiltriert. Die Verwendung des gleichen Metalls sowohl für das gepulverte Matrixmetall als auch das Matrixmetall führt nach der spontanen Infiltration zu einem im wesentlichen zweiphasigen Verbundkörper aus einem Füllstoff (z.B. einem keramischen Füllstoff) oder einer Vorform und einer darin verteilten dreidimensional zusammenhängenden Matrix aus dem Matrixmetall (mit möglicherweise sekundären Nitridphasen, wie unten diskutiert wird, in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen). Alternativ kann ein gepulvertes Matrixmetall gewählt werden, daß sich vom Matrixmetall unterscheidet, so daß bei der Infiltration eine Legierung mit gewünschten mechanischen, elektrischen, chemischen oder anderen Eigenschaften gebildet wird. Somit kann das mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kombinierte gepulverte Matrixmetall genau die gleiche, im wesentlichen die gleiche oder eine etwas andere chemische Zusammensetzung wie bzw. als das spontan infiltrierte Matrixmetall aufweisen.
Weiterhin wurde gefunden, daß die Vorform oder das Füllstoffmaterial und das beigemischte gepulverte Matrixmetall die gleiche oder praktisch die gleiche Anordnung beibehalten, sogar nach dem Erhitzen über den Schmelzpunkt des gepulverten Matrixmetalls. Somit setzt sich z.B., obwohl Aluminiumoxid schwerer als Aluminium ist, beim Erhitzen eines mit Aluminium vermischten Füllstoffs oder einer mit Aluminium vermischten Vorform das Aluminiumoxid beim Erhitzen nicht ab, und es wird eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung aufrechterhalten. Ohne daß man sich auf eine bestimmte Theorie festlegen möchte wird theoretisch angenommen, daß es zur gleichmäßigen Verteilung kommt, weil das Aluminium eine äußere Oxidhaut besitzt (oder eine andere Haut, wie z.B. eine Stickstoffhaut, nachdem es mit einer Infiltrationsatmosphäre in Kontakt getreten ist), was ein Absetzen der Teilchen verhindert.
Da eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung aufrechterhalten wird, werden nach der Infiltration gleichmäßige Produkte erhalten. Da außerdem die Verteilungen der Teilchen während des Erhitzens im wesentlichen intakt bleiben, kann das jeweilige gepulverte Matrixmetall in einem bestimmten Produkt verändert oder variiert werden, um verschiedene Matrixmetalle und/oder Legierungen und/oder Zwischenmetallverbindungen zu erzeugen, die an verschiedenen Stellen des Verbundkörpers unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Weiterhin können verschiedene Verhältnisse zwischen den Beladungen mit Füllstoffteilchen und mit gepulvertem Matrixmetall in verschiedenen Teilen eines bestimmten Körpers eingesetzt werden, z.B. um die Verschleißfestigkeit, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit an besonders anfälligen Stellen des Produktes zu optimieren und/oder die Eigenschaften des Körpers an verschiedenen Stellen auf sonstige Weise zu verändern, um ihn einer bestimmten Anwendung anzupassen.
Wie aus dem vorher gesagten deutlich wird, fungiert das gepulverte Matrixmetall somit als ein Platzhalter, um die Einschränkungen bezüglich der Stabilität und anderer physikalischer Eigenschaften zu überwinden, denen man sich gegenübersieht, wenn man versucht, hochporöse Füllstoffmaterialien oder Vorformen herzustellen. Der resultierende Metallmatrix-Verbundkörper, der nach der Infiltration erhalten wird, sieht so aus, als sei er aus einem sehr porösen Füllstoffmaterial oder einer sehr porösen Vorform hergestellt worden, und zwar ohne die damit verbundenen Hindernisse oder Nachteile.
Die Mischung aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und dem gepulverten Matrixmetall kann durch eines von vielen konventionellen Verfahren in eine gewünschte Form gebracht und in dieser gehalten werden. Um nur ein Beispiel zu nennen kann die Mischung aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und dem gepulverten Matrixmetall mit einem flüchtigen Bindemittel, wie z.B. Wachs, Leim oder Wasser, verbunden werden, sie können schlickergegossen, dispersionsgegossen, trockengepreßt oder in eine inerte Einbettung gegeben oder zu einer Sperrstruktur geformt werden (wie unten detaillierter beschrieben wird). Weiterhin kann eine beliebige, für die spontane Infiltration geeignete Form verwendet werden, um die Mischung aus dem Matrixmetall und dem gepulverten Matrixmetall einzugrenzen und ihr eine Form zu geben, so daß nach der Infiltration eine fertige oder nahezu fertige Form erhalten wird. Die Mischung aus der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und dem gepulverten Matrixmetall sollte jedoch ausreichend porös bleiben, um es dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer die Infiltration zu ermöglichen, nachdem die spontane Infiltration begonnen wurde.
Weiterhin muß das gepulverte Matrixmetall nicht in Pulverform vorliegen, sondern es könnte stattdessen in Form von Plättchen, Fasern, Körnern, Whiskern oder dergleichen vorliegen, in Abhängigkeit von der gewünschten Struktur der fertigen Matrix. Eine maximale Gleichmäßigkeit des fertigen Produktes wird jedoch dann erreicht, wenn gepulvertes Matrixmetall verwendet wird.
Weiterhin kann, anstelle einer Zugabe von gepulvertem Matrixmetall zum Füllstoffmaterial oder zur Vorform oder zusätzlich dazu, das Füllstoffmaterial selbst mit Matrixmetall beschichtet sein, um die Abstände zwischen den Teilchen zu erhöhen, wobei immer noch ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform mit ausreichend niedriger Porosität und ausreichender Stabilität bereitgestellt wird, um es bzw. sie verarbeiten zu können.
Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Der Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer hergestellt werden, der z.B. bereitgestellt wird (1) im Matrixmetall und/oder (2) in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) von einer äußeren Quelle in das dem spontane System und/oder (4) im gepulverten Matrixmetall und/oder durch die Infiltrationsatmosphäre. Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitstellt, direkt entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem gepulverten Matrixmetall zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
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 des Füllstoffs oder der Vorform und/oder dem gepulverten Matrixmetall-Füllstoff vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen der Vorform mit dem schmelzflüssigem Matrixmetall gebildet werden kann (wenn z.B. Magnesium als Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff als Infiltrationsatmosphäre verwendet werden, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil der Vorform vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Speziell kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem gepulverten Matrixmetall reagiert, wenn man das Aluminium schmilzt. Durch die Prozeßbedingungen wird das Aluminium-Matrixmetall dazu gebracht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren.
Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker- Vorläufer bereitstellt, direkt entweder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem gepulverten Matrixmetall- Füllstoff zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff das Füllstoffmaterial oder die Vorform in ausreichendem Maße durchlässig sein, damit es dem stickstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial oder die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und/oder mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Weiterhin kann das durchlässige Füllstoffmaterial oder die durchlässige 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, und/oder wodurch der Stickstoff dazu gebracht wird, mit einem Infiltrationsverstärker- Vorläufer unter Bildung des Infiltrationsverstärkers im Füllstoffmaterial oder in der Vorform zu reagieren, was zur spontanen Infiltration führt. Das Ausmaß der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundgegenstands hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, wozu der Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, der Magnesiumgehalt des Füllstoffmaterials oder der Vorform, der Magnesiumgehalt des gepulverten Matrixmetalls, die Menge des Magnesiumnitrids in der Vorform, die Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), die durchschnittliche Größe des Füllstoffmaterials (z.B. der Teilchendurchmesser) oder der Teilchen in der Vorform, die Oberflächenbeschaffenheit und der Typ des Füllstoffmaterials, die durchschnittliche Größe des gepulverten Matrixmetalls, die Oberflächenbeschaffenheit und der Typ des gepulverten Matrixmetalls, 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 Matrix-Aluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken. Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Umfang erfolgen, daß kein Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers zurückbleibt. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung ungünstig beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in zwei oder mehr Komponenten der Gruppe, die aus der Vorform, dem gepulverten Matrixmetall und dem Matrixmetall besteht, oder in der Vorform allein oder im gepulverten Matrixmetall 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 Bildungsgeschwi ndigkeiten 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 kürzeren Infiltrationszeiten aufgrund einer erheblich 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 ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silicium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Art des gepulverten Matrixmetalls, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit, mit der die Stickstoffatmosphäre strömt. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration und einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann sind Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Einsetzbarkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminiumlegierung 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 Aluminiumlegierung, die lediglich mit 10 Prozent Silicium legiert war, in eine Einbettung aus 39 Crystolon (zu 99 Prozent reines Siliciumcarbid von Norton Co.) von 25 um (500 Mesh) beobachtet. Jedoch wurde für Silicium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Infiltrationsprozess fördert. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert, 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 Siliciumcarbid wurde entdeckt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, wobei die Vorform mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium- Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliciumcarbid infiltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige, die mit der Vorform aus Siliciumcarbid erreicht wurde, wie gerade oben diskutiert wurde, zu erreichen.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder in oder auf einer Oberfläche des gepulverten Matrixmetalls vor dem Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der zugegebene Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, dann wird es manchmal bevorzugt, daß die Oberfläche diejenige Oberfläche sein sollte, die der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials beigemischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und dem Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auftragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrixaluminiummetalls in 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 Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen oder ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration dieser Erfindung zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der durchlässigen Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC-800ºC. Temperaturen, die generell über 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.
Beim vorliegenden Verfahren kommt z.B. ein durchlässiges Füllstoffmaterial oder eine durchlässige Vorform in Kontakt mit schmelzflüssigem Aluminium in Gegenwart von, zumindest während einer gewissen Zeitspanne des Prozesses, einem stickstoffhaltigen Gas. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit mindestens entweder dem Füllstoffmaterial oder mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall bereitgestellt werden. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund der Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und auch den Einbruch von Luft zu verhindern oder zu hemmen, der eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann. 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.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundgegenstands ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; b) Carbide, z.B. Siliciumcarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nichtreaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. 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, Carbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid 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 Vorform entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein erhöhtes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das in der EP-A-1 55831 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-1 93292 offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt aller genannten Patentanmeldungen ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen. Somit wurde entdeckt, daß eine komplette Infiltration einer durchlässigen Masse aus einem keramischen Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen erfolgen kann und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten, wenn zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten Patentanmeldungen hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe und die Form des Füllstoffmaterials können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für den Verbundkörper angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Material in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie z.B. Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden. Weiterhin muß die Masse des Füllstoffmaterials (die zu einer Vorform geformt ist), die infiltriert werden soll, für das schmelzflüssige Matrixmetall und die Infiltrationsatmosphäre durchlässig sein.
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundgegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix- Verbundgegenständen, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, was die Infiltration durch das schmelzflüssige Legierungsmetall verhindern würde. Mit der vorliegenden Erfindung können auch niedrigere Volumenanteile des Füllstoffs erhalten werden, wodurch ein Gesamtbereich von 1 bis 75 Volumenprozent oder noch mehr an erreichbaren Volumenteilen erzielt wird.
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffs oder der Vorform, dem Füllstoffmaterial, das infiltriert werden soll, dem verwendeten gepulverten Matrixmetall und seiner Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoffs oder der Vorform sowie von der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundgegenstands maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können, oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom 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 Siliciumcarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Speziell kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange wie eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern, um verschiedene Anforderungen an die Verwendung zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers maßzuschneidern.
Es kann auch ein Sperrschichtelement in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Genauer gesagt kann das Sperrschichtelement, das in dieser Erfindung eingesetzt werden kann, jede geeignete Vorrichtung sein, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzfiüssigen Matrixlegierung (z.B. einer Aluminiumlegierung) über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials hinaus beeinflußt, hemmt, verhindert oder beendet. Ein geeignetes Sperrschichtelement kann jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welche bzw. welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung eine gewisse Integrität bewahrt, nicht flüchtig ist und vorzugsweise für das Gas, das im Prozeß verwendet wird, durchlässig ist sowie darüber hinaus im Stande ist, die fortgesetzte Infiltration oder jede andere Art von Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze des keramischen Füllstoffs hinaus lokal zu hemmen, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität gegenüber der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, 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. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise durchlässig oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen durchlässig gemacht werden, um es dem Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung 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 Übergangsmetalle (z.B. Titandiborid (TiB&sub2;)), die unter gewissen Prozeßbedingungen, die bei der Verwendung dieses Materials eingesetzt werden, allgemein nicht durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-legierung benetzbar sind. Mit einer Sperre dieses Typs sollte die Prozeßtemperatur nicht ungefähr 875ºC überschreiten, da andernfalls das Sperrmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich erfolgt mit steigender Temperatur eine Infiltration in die Sperre. Die Boride der Übergangsmetalle liegen typischerweise in Teilchenform vor (1-30 um). Die Sperrmaterialien können als ein Brei oder eine Paste auf die Grenzflächen der durchlässigen Masse aus keramischen Füllstoffmaterial, die vorzugsweise als eine Vorform ausgeformt ist, aufgetragen werden.
Zu anderen Sperren, die für 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 tritt.
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.

Beispiele 1-4

Diese Beispiele veranschaulichen die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern mit variabler und genau einstellbarer Teilchenbeladung durch das Vermischen unterschiedlicher Mengen eines gepulverten Matrixmetalls mit einem Füllstoffmaterial, das zu einer Vorform ausgebildet ist. In jedem der folgenden Beispiele (wie sie in der Tabelle 1 zusammengefaßt sind) wurde eine spontane Infiltration erreicht, und die Körper, die durch die Zugabe von zusätzlichem Matrixmetall erzeugt wurden (Beispiele 2-4), ähnelten in ihrer Struktur und in ihrer Erscheinung dem Körper, der durch spontane Infiltration des Füllstoffmaterials ohne das zugesetzte Matrixmetall hergestellt worden war (Beispiel 1), wenn man einmal von den unterschiedlichen Teilchenbeladungen absieht.
Die Fig. 1 ist ein Schema des Aufbaus 10, der in den Beispielen 1-4 verwendet wurde.
Es wurde zunächst eine Vorform 1 für jedes der Beispiele 1-4 hergestellt. Im Beispiel 1 bestand die Vorform aus 100prozentigem Aluminiumoxid von 66 um (220 Grit) (38-Alundum von Norton Company). In den Beispielen 2-4 bestand die Vorform aus einer Mischung des gleichen Aluminiumoxids von 66 um (220 Grit) mit einer gepulverten Aluminiumlegierung, die ungefähr 10 Gewichtsprozent Silicium und 3 Gewichtsprozent Magnesium, der Rest war Aluminium (Al-10Si- 3Mg), enthielt und die mit konventionellen Pulverisierungsverfahren auf < 74 um (-200 Mesh) gebracht worden war. Die relativen Gewichtsprozente des Aluminiumoxids und der Aluminiumlegierung wurden in den Beispielen 2-4 variiert, wie in der Tabelle 1 zusammengefaßt ist.
Das Aluminiumoxid und die Aluminiumlegierung in den Beispielen 2-4 wurden im trockenen Zustand vermischt und dann in einer gehärteten Stahlpresse bei ungefähr 68,9 kPa (10 Psi) ohne den Zusatz irgendeines Bindemittels zu 2,5 x 5 cm (1 in x 2 in) großen Rechtecken mit Dicken von ungefähr 1,3 cm (0,5 in) gepreßt. Die Aluminiumlegierung war genügend weich, um den Füllstoff zur vorgeformten Gestalt zu verbinden. Ein ähnliches Rechteck aus Aluminiumoxid wurde zur Herstellung der Vorform in Beispiel 1 gepreßt.
Die vorgeformten Rechtecke der Beispiele 1-4 wurden dann in eine Einbettung 2 aus Aluminiumoxid von 17 um (500 Grit) (38-Alundum von der Norton Company) gegeben, die während der Infiltration als nominal e Sperre fungierte. Die Einbettung war in einem feuerfesten Schiffchen 3 (Bolt Technical Ceramics, BTC-Al-99,7%, "Aluminiumoxid-Schiffchen", 10 mm Länge, 45 mm Breite, 19 mm Höhe) enthalten. Für die Zwecke des Experimentes war es nicht erforderlich, eine wirksamere Sperre bereitzustellen. Eine endgültige oder nahezu endgültige Form könnte jedoch mit wirksameren Sperrschichtelementen der Art, wie sie oben beschrieben wurden (z.B. Grafoil-Band), erreicht werden.
Ein Block 4 aus Aluminiumlegierung (Al-10Si-3Mg), der ähnlich groß wie das Vorformrechteck 1 war, wurde auf die Oberseite jeder der Vorformscheiben 1 gesetzt.
Der Aufbau 10 wurde dann in einen abgedichteten elektrischen widerstandsbeheizten Rohrofen von 7,6 cm (3 in) gegeben. Formiergas (95 Volumenprozent Stickstoff - 4 Volumenprozent Wasserstoff) wurde dann mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 250 cm³/min durch den Ofen geleitet. Die Ofentemperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde gleichmäßig auf ungefähr 825ºC erhöht und ungefähr 5 Stunden bei ungefähr 825ºC gehalten. Die Ofentemperatur wurde dann gleichmäßig mit ungefähr 200ºC pro Stunde abgesenkt, und die Proben wurden entfernt, geschnitten, montiert und poliert. Mikroskopische Aufnahmen der Proben aus den Beispielen 1-4 sind als die Figuren 2-5 wiedergegeben. Es wurde auch eine Bildanalyse durchgeführt, um die relativen Flächenanteile der Keramikteilchen und des Matrixmetalls für jede Probe zu bestimmen, wie in der Tabelle 1 zusammengefaßt ist. Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht und durch die Figuren 2-5 veranschaulicht wird, wurde bei jeder Probe eine spontane Infiltration erreicht, und es wurde gefunden, daß die Teilchenbeladung mit der Menge des gepulverten Matrixmetalls in der Vorform abnahm. TABELLE I Beispiel Nr. zugehorige Figur Aluminiumoxid-Füllstoffmaterial von 66 um (220 Grit) (Gew.-%) Aufheizen (ºC/Std) Verweilen- (ºC; Std.) Abkühlen (ºC/Std) Atmosphäre Infiltration Flächenanteil der Teilchen

Claims

1. Verfahren zur Bildung eines Metallmatrixverbundkörpers, das umfaßt

a) Auswählen eines im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoffmaterials;

b) Kombinieren eines pulverisierten Matrixmetalls mit dem genannten Füllstoffmaterial und/oder Beschichten des genannten Füllstoffmaterials mit Matrixmetall, um eine permeable Masse zu bilden;

c) Anordnen einer Quelle des Matrixmetalls angrenzend an die genannte permeable Masse;

d) Erhitzen des genannten Matrixmetalls auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunktes, um einen Körper aus schmelzflüssigem Matrixmetall zu bilden; und

e) Einsetzen einer Infiltrationsatmosphäre, wenigstens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, sowie von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärker oder einem Infiltrationsverstärkervorläufer, um zu bewirken, daß das schmelzflüssige Matrixmetall die permeable Masse spontan infiltriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens einem von der permeablen Masse und dem schmelzflüssigen Matrixmetall für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration in Verbindung steht.

3. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem wenigstens einer von dem genannten Infiltrationsverstärkervorläufer und dem genannten Infiltrationsverstärker wenigstens einem von dem schmelzflüssigen Matrixmetall, der permeablen Masse und der Infiltrationsatmosphäre zugeführt wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die permeable Masse eine Vorform umfaßt.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, das außerdem die Stufe der Definition einer Oberflächengrenze der permeablen Masse mit einem Sperrelement umfaßt, wobei das Matrixmetall spontan bis zu dem Sperrelement infiltriert.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Füllstoff 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.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Matrixmetall innerhalb der genannten permeablen Masse wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Pulvern, Plättchen, Whiskers und Fasern besteht.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Matrixmetall innerhalb der genannten permeablen Masse in Form eines Überzugs auf dem Füllstoffmaterial bereitgestellt wird.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Matrixmetall innerhalb der genannten permeablen Masse als ein Pulver in dem Füllstoffmaterial bereitgestellt wird.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Matrixmetall innerhalb der genannten permeablen Masse sowie das Füllstoffmaterial im wesentlichen homogen vermischt sind, um die permeable Masse zu bilden.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die permeable Masse von etwa 1 bis 75 Vol.-% Matrixmetall umfaßt.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Verhältnis des Matrixmetalls innerhalb der genannten permeablen Masse zum Füllstoff innerhalb der permeablen Masse variiert wird, wodurch ein Metallmatrixverbundkörper erhalten wird, der eine variable Teilchenbeladung aufweist.