DE69003402T2 - Verstärkte Materialien. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten metallischen Materials durch Herstellung eines porösen Keramikkörpers aus teilchenförmigem oder kurzfaserigem Material und Infiltrieren des porösen Körpers mit einem geschmolzenem Metall, wobei ein Material mit einer Metallmatrix bereitgestellt wird.
- Vorteilhafte mechanische und thermische Eigenschaften können in Materialien mit einer metallischen Matrix, die Teilchen oder Fasern aus keramischem Material haben, hergestellt werden. Zu bekannten Verfahren für die Herstellung von solchen Materialien gehört dasjenige, das als mechanisches Legieren von Pulvern bekannt ist, und zu andere Verfahren die ebenfalls bekannt sind, gehören diejenigen, die auf Pulvermetallurgie, Metallsprühtechniken und Schlickergießen beruhen.
- Die US 4,579,699 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von alpha-Siliciumnitrid-Whiskerkristallen und verstärkten Gegenständen, die daraus hergestellt wurden, d.h. Einzelkristallfasern mit einem Verhältnis von Länge zu Dicke von mindestens 100 als einen porösen Preßling, der mit einem flüssigen Metall getränkt werden kann. Der Preßling wird hergestellt durch Vermischen von Silicium mit amorphem Siliciumnitrid und porenbildenden Strukturteilchen. Das Gemisch wird in eine gewünschte Form gepreßt, die porenformenden Teilchen werden entfernt, wodurch ein poröser Vorläuferpreßling gebildet wird. Der Vorläuferpreßling wird dann mit einer Substanz umgesetzt, die freien Stickstoff freisetzt, wodurch Siliciumnitrid-Whiskerkristalle gebildet werden.
- Die GB-A-2,105,316 beschreibt ein Verfahren, das besonders geeignet ist zur Herstellung von Siliciumnitrid-Katalysatorträgersteinen mit einem hohen Grad offener Porosität. Das Verfahren umfaßt das Bilden eines Vorformlings aus Siliciumpulver, einem flüssigen Binder und einem Füller, der aus Material besteht, das zum Abbrennen oder Verdampfen bei Temperaturen angepaßt ist, bei welchen die Reaktion von Siliciumpulver an der Luft vernachlässigbar ist. Der Füller wird bei 750ºC entfernt, und der erhaltene poröse Siliciumkörper wird durch Erhitzen in einer Stickstoffatmosphäre nitridiert.
- Die Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten metallischen Materials, umfassend die Herstellung eines porösen Siliciumkörpers durch Bilden eines Gemisches aus einem gewünschten Verhältnis von einem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Vorläufermaterial aus Verstärkungsmittel aus Silicium mit einem gewünschten Verhältnis eines Füllmaterials, das zum Abbrennen unter Bildung von Lücken angepaßt ist, einem flüssigen ersten Bindermaterial, das zum Binden des Gemisches angepaßt ist und einem zweiten Bindermaterial, das so angepaßt ist, daß es beim Erhitzen mit diesem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Siliciummaterial Zwischen-Teilchenbindungen bildet, Füllen einer Gußform mit einem Gemisch der Materialien, Trocknen des Gemisches für eine Zeitspanne bei weniger als 100ºC, Erhitzen der getrockneten Mischung, um das Füllmaterial abzubrennen und Lücken und Zwischen-Teilchenbindungen zwischen diesem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Siliciummaterial und diesem zweiten Bindermaterial zu bilden, wobei das Verfahren auch die Überführung dieses porösen Siliciumkörpers in einen porösen Keramikkörper entweder aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid mittels einer Erhitzungsstufe bei kontrollierter Atmosphäre und das Infiltrieren dieses porösen Keramikkörpers mit einem geschmolzenem Metall umfaßt.
- Die Erhitzungsstufe kann in einer Argonatmosphäre durchgeführt werden, in welchem Fall das Füllmaterial so angepaßt ist, daß es sich bei der Erhitzungsstufe unter Hinterlassung von Kohlenstoff zersetzt, der benutzt wird wird, um Siliciumcarbid in der Umwandlungsstufe zu bilden. Auch das erste Bindermaterial kann so angepaßt sein, daß es sich in der Erhitzungsstufe unter Hinterlassung von Kohlenstoff zersetzt, der zur Bildung von Siliciumcarbid in der Umwandlungsstufe benutzt wird.
- Alternativ kann die Erhitzungsstufe an einer Luftatmosphäre durchgeführt werden, um einen Kohlenstoff-freien Körper zu erzeugen, der sich zur Umwandlung in Siliciumnitrid eignet.
- Vor der Umwandlung eines Vorläufermaterials in das Verstärkungsmittel und nach dem Abbrennen des Füllmaterials kann der Körper maschinell zu einer gewünschten Form bearbeitet werden.
- Das Füllmaterial kann Polyethylenkügelchen, Polymethylmethacrylat usw. sein. Auch andere geeignete organische Füllmaterialien, wie z.B. Polystyrol, können alternativ verwendet werden.
- Ein Beispiel eines geeigneten flüssigen ersten Bindermaterials ist wäßrige Methylcellulose, die mit warmem Wasser gebildet wird. Dieses Material erlaubt die Herstellung eines Gemisches von teigähnlicher Konsistenz zur nachfolgenden Formung.
- Ein Beispiel eines geeigneten zweiten Bindermaterials ist wäßriges Siliciumdioxid-Sol, das ein Medium zur Zwischen- Teilchenbindung in dem Körper vor der Infiltration mit einer Metallmatrix liefert.
- Der Grad der Porosität kann mittels der Teilchengröße und der Menge des Füllmaterials kontrolliert werden.
- Das geschmolzene Metall kann eine Aluminiumlegierung, wie z.B. eine aus den gut bekannten 2000, 6000 und 7000 Serien der Aluminiumlegierungen, sein.
- Falls gewünscht, kann der infiltrierte Körper bearbeitet werden, z.B. durch Schmieden, Extrudieren oder jedem anderen geeigneten Verfahren zur Herstellung von bearbeitetem Material. Wenn das infiltrierte Material bearbeitet wird, braucht die Erhitzungsstufe während der Herstellung der Zwischen-Teilchenbindungen in dem porösen Körper nur ausreichend sein, um seine Handhabung und das Infiltrieren ohne merkliche Einwirkung auf z.B die Form oder das Volumen zu gestatten. Daher wird nachfolgendes Bearbeiten den vollständigen Bruch der Zwischen- Teilchenbindungen erlauben.
- Zum vollständigeren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nun Beispiele beschrieben, die lediglich der Erläuterung dienen.
- 30 Ein verstärktes metallisches Material wurde erzeugt, indem zuerst ein poröser Siliciumkörper unter Anwendung des folgenden Verfahrens hergestellt wurde. Es wurde ein Gemisch aus teilchenförmigem Verstärkungsmittel-Vorläufermaterial aus Silicium (38 g handelsübliches Siliciumpulver mit 11 35 Mikrometer Teilchengröße), einem Füllmaterial (75 g Polyethylenkügelchen von ca. 450 Mikrometer Durchmesser), einem flüssigen ersten Bindermaterial und einem zweiten Bindermaterial hergestellt. Das zweite Bindermaterial waren 5,5 g wäßriges Siliciumdioxid-Sol und das erste Bindermaterial war genügend wäßrige Methylcelluloselösung,so daß man das ganze Gemisch zu einer Paste von teigähnlicher Konsistenz verarbeiten konnte. Eine zylindrische Form wurde mit dem erhaltenen Gemisch gefüllt,wobei mit der Hand gedrückt wurde und das Gemisch in der Form wurde dann bei 90ºC getrocknet, um das Wasser abzutreiben und dadurch das erste Bindermaterial zu trocknen. Der getrocknete Preßkörper aus dem Gemisch wurde aus der Form entfernt und erhitzt, um das Füllmaterial unter Bildung von Lücken abzubrennen. Das Erhitzen erfolgte in einem Vakuumofen über eine Zeitspanne von 5 Stunden bis zu einer Temperatur von 500ºC unter einer Argonatmosphäre. Die Temperatur wurde 2 Stunden lang bei 500ºC gehalten und dann in einer Geschwindigkeit von 100ºC/Stunde auf 1020ºC erhöht, wo sie 5 Stunden gehalten wurde. Der Körper wurde dann auf Raumtemperatur in dem Ofen abkühlen gelassen.
- Bei dieser Stufe ist der Körper von der Methylcellulose und dem Polyethylen, die zersetzt wurden, mit Kohlenstoff gesättigt. Der Körper war nun einer Formung vor der weiteren Hitzebehandlung zugänglich.
- Als nächstes wurde der poröse Siliciumkörper in einen porösen Keramikkörper aus Siliciumcarbid durch eine Erhitzungsstufe bei kontrollierter Atmosphäre überführt. Im speziellen wurde der Körper durch einen gewöhnlich für die Nitridierung von Silicium verwendeten Zyklus geführt; während diesem Zyklus wandelt sich das Silicium wegen des Vorliegens von Kohlenstoff in Siliciumcarbid um. Der Zyklus umfaßt das Erhöhen der Temperatur des Körpers auf etwa 1430ºC unter einer Stickstoffatmosphäre.
- Als nächstes wurde der poröse Keramikkörper mit einem geschmolzenem Metall, im speziellen eine Aluminium-Silicium- Legierung, durch Preßgießen infiltriert. Der Körper wurde auf zwischen 600 und 800ºC vorerhitzt, und das geschmolzene Metall wurde bei etwa 720ºC auf den Körper in der Preßgieß-Form gegossen. Der Preßgieß-Druck war ca. 124 MPa.
- Der erhaltene infiltrierte Körper bestand zu etwa 25 Vol.- % aus teilchenförmigem Verstärkungsmaterial.
- Beispiel 2 wurde wie Beispiel 1 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß die Hitzebehandlung bei 500ºC und bei 1020ºC in Luft statt in Argon durchgeführt wurde. Der Effekt davon war, daß das Polyethylen und die Methylcellulose unter Hinterlassung eines praktisch Kohlenstoff-freien Körpers abbrannten. Während des folgenden Hitzezyklus unter Stickstoffatmosphäre wurden die Siliciumteilchen in Siliciumnitrid statt in Siliciumcarbid umgewandelt.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung eines verstärkten metallischen Materials, umfassend die Herstellung eines porösen Siliciumkörpers durch Bilden eines Gemisches aus einem gewünschten Verhältnis von einem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Vorläufermaterial aus Verstärkungsmittel aus Silicium mit einem gewünschten Verhältnis eines Füllmaterials, das zum Abbrennen unter Bildung von Lücken angepaßt ist, einem flüssigen ersten Bindermaterial, das zum Binden des Gemisches angepaßt ist und einem zweiten Bindermaterial, das so angepaßt ist, daß es beim Erhitzen mit diesem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Siliciummaterial Zwischen-Teilchenbindungen bildet, Füllen einer Gußform mit einem Gemisch der Materialien, Trocknen des Gemisches für eine Zeitspanne bei weniger als 100ºC, Erhitzen der getrockneten Mischung, um das Füllmaterial abzubrennen und Lücken und Zwischen-Teilchenbindungen zwischen diesem teilchenförmigen oder kurzfaserigen Siliciummaterial und diesem zweiten Bindermaterial zu bilden, wobei das Verfahren auch die Überführung dieses porösen Siliciumkörpers in einen porösen Keramikkörper entweder aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid mittels einer Erhitzungsstufe bei kontrollierter Atmosphäre und das Infiltrieren dieses porösen Keramikkörpers mit einem geschmolzenem Metall umfaßt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsstufe in einer Argonatmosphäre durchgeführt wird und das Füllmaterial so angepaßt ist, daß es sich in der Erhitzungsstufe unter Hinterlassung von Kohlenstoff zersetzt, der zur Bildung von Siliciumcarbid in der Umwandlungsstufe verwendet wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bindermaterial auch dazu angepaßt ist, sich in der Erhitzungsstufe unter Hinterlassung von Kohlenstoff zu zersetzen, der zur Bildung von Siliciumcarbid in der Umwandlungsstufe verwendet wird.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungsstufe in einer Luftatmosphäre ausgeführt wird.
- 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper maschinell zu einer gewünschten Form bearbeitet wird, nachdem das Füllmaterial abgebrannt ist.
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmaterial ausgewählt ist aus Polyethylen, Polystyrol und Polymethylmethacrylat.
- 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige erste Bindermaterial wäßrige Methylcellulose ist.
- 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bindermaterial wäßriges Siliciumdioxid-Sol ist.
- 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe der Aluminiumlegierungen der Serien 2000, 6000 und 7000.
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