DE69120415T2 - MOLDED COMPOSITE MATERIAL - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von gegossenen Verbundstoffmaterialien mit Matrixlegierungen, die die Verstärkungsteuchen nicht leicht benetzen, und gegossene Metallmatrixverbundstoffmaterialien, insbesondere Verbundstoffe, die eine maßgeschneiderte Matrixlegierung haben, wodurch die Bildung nachteiliger intermetallischer Phasen vermieden wird.The invention relates to the production of cast composite materials with matrix alloys that do not readily wet the reinforcing particles and cast metal matrix composite materials, in particular composites having a tailored matrix alloy, thereby avoiding the formation of detrimental intermetallic phases.
Gegossene Verbundstoffmaterialien werden üblicherweise durch Schmelzen einer Matrixlegierung in einem Reaktor und anschließende Zugabe von Teilchen gebildet. Die Mischung wird zur Förderung der Benetzung der Teilchen durch die Matrixlegierung heftig gemischt, und nach einer geeigneten Mischzeit wird die Mischung in Gußformen oder Formen gegossen. Das Mischen wird unter Minimierung der Gaseinführung in die Mischung durchgeführt. Die gegossenen Verbundstoffmaterialien besitzen vollständig benetzte Teilchen, wenige Hohlräume und eine im allgemeinen gleichmäßig gemischte Struktur. Eine vollständige Benetzung ist notwendig zur Realisierung der vollen Verbundstoffestigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften.Cast composite materials are typically formed by melting a matrix alloy in a reactor and then adding particles. The mixture is vigorously mixed to promote wetting of the particles by the matrix alloy and after a suitable mixing time, the mixture is poured into molds or moulds. Mixing is carried out while minimising the introduction of gas into the mixture. The cast composite materials have fully wetted particles, few voids and a generally uniformly mixed structure. Complete wetting is necessary to realise full composite strength and other mechanical properties.
Solche gegossenen Verbundstoffmaterialien sind weit weniger teuer herzustellen als andere Arten von Metallmatrixverbundstoffmaterialien, wie beispielsweise solche, die durch pulvermetallurgische Technologien hergestellt werden. Nach dieser Vorgehensweise hergestellte Verbundstoffmaterialien, wie sie in US-P 4 759 995 und 4 786 467 beschrieben sind, waren bereits wenige Jahre nach ihrer ersten Einführung kommerziell erfolgreich.Such cast composite materials are far less expensive to produce than other types of Metal matrix composite materials, such as those produced by powder metallurgy technologies. Composite materials produced by this approach, as described in US-P 4,759,995 and 4,786,467, have been commercially successful within a few years of their first introduction.
Als gegossene Verbundstoffmaterialien die Stufe der kommerziellen Herstellung erreichten sind von den Kunden manchmal Teilchen/Matrixlegierungskombinationen verlangt worden, worin die Matrix die Teilchen nicht leicht benetzt. In anderen Fällen wurden neue metallische Legierungen identifiziert, die eine unerwartet überlegene Güte mit sich brachten, wenn sie als Matrixphase in Verbundstoffmaterialien verwendet wurden, mit der Ausnahme des Problems, daß die Verbundstoffmaterialien aufgrund des Unvermögens der Matrixlegierung, die Teilchen leicht zu benetzen und sich mit ihnen zu mischen, schwierig kommerziell herzustellen sind.As cast composite materials reached the stage of commercial production, customers sometimes requested particle/matrix alloy combinations in which the matrix did not readily wet the particles. In other cases, new metallic alloys were identified that provided unexpectedly superior performance when used as the matrix phase in composite materials, with the exception of the problem that the composite materials are difficult to produce commercially due to the inability of the matrix alloy to readily wet and mix with the particles.
Es gibt eine Reihe von Techniken, die zur Verbesserung der Benetzung angewendet werden können, die unter einigen Umständen funktionieren können. Die Teilchen können mit speziellen Beschichtungen modifiziert werden, jedoch kann der Beschichtungsvorgang die Kosten der Teilchen und des Verbundstoffmaterials signifikant anheben. Es können geringe Mengen reaktiver Gase in die Mischkammer eingeführt werden, jedoch kann die verbesserte Benetzung nur auf Kosten einer erhöhten Porosität in dem gegossenen Verbundstoffmaterial erzielt werden. Es können spezielle reaktive legierungsbildende Zutaten zu der Schmelze zugegeben werden, jedoch sind diese oft kostspielig und führen zu nachteiligen Konsequenzen hinsichtlich der Erzeugung von unerwünschten Nebenphasen in dem gegossen Verbundstoffmaterial. Ein anderer Lösungsweg ist es, die Temperatur, bei der das Mischen zum Erzielen der Benetzung durchgeführt wird, zu erhöhen, jedoch kann die Erhöhung der Temperatur auch in der Beschleunigung der Erzeugung von schädlichen Nebenphasen resultieren, wenn solche Phasen thermodynamisch bevorzugt sind, jedoch bei niedrigeren Temperaturen kinetisch langsam gebildet werden.There are a number of techniques that can be used to improve wetting that may work in some circumstances. The particles can be modified with special coatings, however the coating process can significantly increase the cost of the particles and composite material. Small amounts of reactive gases can be introduced into the mixing chamber, however the improved wetting can only be achieved at the expense of increased porosity in the cast composite material. Special reactive alloy forming ingredients can be added to the melt, however these are often costly and lead to adverse consequences in terms of the creation of undesirable minor phases in the cast composite material. Another approach is to increase the temperature at which mixing is carried out to achieve wetting, however Increasing the temperature may also result in accelerating the formation of harmful secondary phases if such phases are thermodynamically favored but are formed kinetically slowly at lower temperatures.
Daher existiert ein anhaltender Bedarf für ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von gegossenen Verbundstoffmaterialien aus Teilchen/Matrixlegierungskombinationen, worin die Matrix die Teilchen nicht automatisch leicht benetzt. Wünschenswerterweise sollte ein jegliches derartiges Verfahren keine wesentliche Zunahme der Produktkosten hervorrufen oder nachteilhafte Wirkung besitzen.Therefore, there is a continuing need for an improved process for producing cast composite materials from particle/matrix alloy combinations wherein the matrix does not automatically readily wet the particles. Desirably, any such process should not cause a significant increase in product cost or have any adverse effect.
Eine potentielle Anwendung gegossener Verbundstoffmaterialien liegt im Bereich der Gießereiumschmelzlegierungen. Die Verbundstoffmaterialien werden von einem Zulieferer hergestellt und in der Anlage des Zulieferers zu Barren gegossen. Die gegossenen Barren werden zur einer kommerziellen Gießerei transportiert, wo sie umgeschmolzen und in die endgültige Form gegossen werden, die vom Kunden benötigt wird. Dieses Gießereiumschmelzverfahren ist in der gesamten Industrie zur Verarbeitung von herkömmlichen Aluminium-Legierungen allgemein üblich, und die Einführung von auf Aluminium basierenden gegossenen Verbundstoffmaterialien in viele Anwendungsbereiche ist nur dort durchführbar, wo dieses Verfahren angewendet werden kann.One potential application of cast composite materials is in the area of foundry remelting alloys. The composite materials are manufactured by a supplier and cast into ingots at the supplier's facility. The cast ingots are transported to a commercial foundry where they are remelted and cast into the final shape required by the customer. This foundry remelting process is common throughout the industry for processing conventional aluminum alloys, and the introduction of aluminum-based cast composite materials into many applications is only feasible where this process can be used.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß mit der geeigneten Mischtechnik eine breite Auswahl an gegossenen Verbundstoffmaterialien durch den Zulieferer gemischt werden können. In dem Mischschritt ist die maximale Temperatur, auf die der geschmolzene Verbundstoff erhitzt werden kann, normalerweise limitiert, damit die Erzeugung unerwünschter Reaktionsprodukte zwischen den matrixlegierenden Elementen und den Verstärkungsteilchen vermieden wird. Einige Reaktionsprodukte können die mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffmaterials herabsetzen und Porosität in dem Verbundstoffmaterial hervorrufen, und müssen daher vermieden werden.Experience has shown that with the appropriate mixing technique, a wide range of cast composite materials can be mixed by the supplier. In the mixing step, the maximum temperature to which the molten composite can be heated is normally limited in order to avoid the generation of undesirable Reaction products between the matrix alloying elements and the reinforcing particles are avoided. Some reaction products can reduce the mechanical properties of the composite material and induce porosity in the composite material and must therefore be avoided.
Viele dieser gegossenen Verbundstoffmaterialien sind jedoch nicht mit kommerziellen Gießereiumschmelzpraktiken kompatibel. Gegossene Verbundstoffmaterialien, die in Umschmelzanwendungen verwendet werden, müssen hohe Umschmelztemperaturen ermöglichen, üblicherweise höhere als diejenigen, die im Verbundstoffmischungsvorgang angewendet werden, und müssen lange Umschmelzhaltezeiten erlauben. Das Gießen metallischer Verbundstoffmaterialien in komplexe Formen erfordert, daß das geschmolzene Material über seinen Schmelzpunkt überhitzt werden kann und muß sehr dünnflüssig sein, so daß es über eine beträchtliche Strecke in kalte Gußformhöhlungen fließen kann, bevor die überhitzung abgeklungen ist und das Material erstarrt. Je höher die mögliche Umschmelztemperatur und die Fließfähigkeit des Materials ist, desto größer ist die Distanz, die das geschmolzene Verbundstoffmaterial in Gußformhöhlungen fließen kann, bevor es fest wird, und desto komplizierter geformte Produkte können gegossen werden.However, many of these cast composite materials are not compatible with commercial foundry remelting practices. Cast composite materials used in remelting applications must allow high remelting temperatures, typically higher than those used in the composite blending process, and must allow long remelting hold times. Casting metallic composite materials into complex shapes requires that the molten material be able to be superheated above its melting point and must be very fluid so that it can flow a considerable distance into cold mold cavities before the superheat subsides and the material solidifies. The higher the possible remelting temperature and the fluidity of the material, the greater the distance the molten composite material can flow into mold cavities before solidifying and the more complex shaped products can be cast.
Zusätzlich erfordern gegenwärtige Gießereitechniken üblicherweise das Schmelzen großer Massen der Gießlegierung, damit eine stabile Temperaturverteilung erreicht wird, sowie das Gießen von Artikeln aus der großen geschmolzenen Masse. Das umgeschmolzene Material kann über ausgedehnte Zeiträume bei erhöhter Temperatur verbleiben, wie beispielsweise bis zu 24 h, bevor es vergossen wird. Während dieser Halteperiode kann die Gießfähigkeit des Verbundstoffmaterials abnehmen, so daß ein Verbundstoffmaterial nach einer solchen Halteperiode weniger gießbar sein kann als wenn es direkt nach dem Umschmelzen gegossen wird. Es ist wichtig, daß das Verbundstoffmaterial durch solche seit langem etablierte kommerziellen Praktiken gießbar ist, damit die Akzeptanz der Verbundstoffmaterialien durch Gießereifachleute beschleunigt wird.In addition, current foundry techniques typically require melting large masses of the casting alloy to achieve a stable temperature distribution and casting articles from the large molten mass. The remelted material may remain at elevated temperature for extended periods of time, such as up to 24 hours, before being cast. During this holding period, the castability of the composite material may decrease, so that a composite material after such a holding period may be less castable than if cast directly after remelting. It is important that the composite material be castable by such long-established commercial practices in order to accelerate the acceptance of composite materials by foundry professionals.
In einem spezifischen Beispiel wurden Aluminium-7 Gew.-% Silicium-Legierungen seit Jahren industriell als Umschmelzlegierungen verwendet, da die Legierung eine gute Fließfähigkeit und annehmbare mechanische Eigenschaften nach dem Gießen besitzt. Ein zufriedenstellendes Verbundstoffmaterial aus beispielsweise 15 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen in einer Aluminium-7 Gew.-% Silicium- Legierung kann vom Zulieferer mit einer maximalen Temperatur von 685ºC im Mischverfahren hergestellt und gegossen werden. Barren aus dieser Legierung werden einem Gießereiumschmelzer zugeführt, der die Barren umschmilzt und vor dem Gießen den geschmolzenen Verbundstoff für ungefähr 8 h bei einer herkömmlichen Umschmelztemperatur von ungefähr 788ºC hält. Das geschmolzene Verbundstoffmaterial läßt sich sehr schlecht gießen, besitzt eine geringe Fließfähigkeit und resultiert in einem unannehmbaren Produkt. Das Verbundstoffmaterial wird daher für diese bestimmte Anwendung abgelehnt, selbst wenn es ansonsten dem Endprodukt wichtige Vorteile bereitstellen kann.In a specific example, aluminum-7 wt% silicon alloys have been used industrially for years as remelt alloys because the alloy has good flowability and acceptable mechanical properties after casting. A satisfactory composite material of, for example, 15 vol% silicon carbide particles in an aluminum-7 wt% silicon alloy can be mixed-process manufactured and cast by the supplier at a maximum temperature of 685ºC. Ingots of this alloy are fed to a foundry remelter which remelts the ingots and holds the molten composite for about 8 hours at a conventional remelt temperature of about 788ºC prior to casting. The molten composite material is very poorly castable, has poor flowability and results in an unacceptable product. The composite material is therefore rejected for this particular application even if it may otherwise provide important benefits to the final product.
Daher existiert ein Bedarf für einen verbesserten Lösungsweg für die Herstellung von gegossenen Verbundstoffmaterialien, insbesondere solchen für die Verwendung in Gießereiumschmelz- Anwendungen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf, und stellt darüber hinaus verwandte Vorteile bereit.Therefore, a need exists for an improved approach for the production of cast composite materials, particularly those for use in foundry remelting applications. The present invention fulfills this need, and further provides related advantages.
Ein erfindungsgemäßer Gegenstand ist die Bereitstellung einer Verfahrensmodifizierung, die die Herstellung vieler gegossener Verbundstoffmaterial-Teilchen/Matrixlegierung- Zusammensetzungen erlaubt, die schwierig herzustellen sind, da die Matrixlegierung die Teilchen nicht benetzt. Es werden keine neuen Legierungszutaten oder atmosphärische Zusätze benötigt, die Teilchen müssen nicht beschichtet werden, und die Temperatur wird nicht über die normalerweise verwendete hinaus angehoben. Die Kosten des Herstellungsverfahrens bleiben im Vergleich zu herkömmlichen Vorgehensweisen weitestgehend unverändert. In einigen Fällen ist die Qualität der resultierenden Verbundstoffmaterialien überraschenderweise über jedes bisher bekannte Maß hinaus verbessert.An object of the invention is to provide a process modification that allows the production of many cast composite material particles/matrix alloy compositions that are difficult to manufacture because the matrix alloy does not wet the particles. No new alloying ingredients or atmospheric additives are required, the particles do not need to be coated, and the temperature is not raised above that normally used. The cost of the manufacturing process remains largely unchanged compared to conventional approaches. In some cases, the quality of the resulting composite materials is surprisingly improved beyond any previously known level.
Gemäß diesem erfindungsgemäßen Gegenstand, wie in Anspruch 1 definiert, umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit Teilchen, die in einer Aluminium-Legierungsmatrix einer vorgewählten Zusammensetzung eingebettet sind, die die Teilchen nicht leicht benetzt, die Schritte der Bereitstellung einer geschmolzenen Mischung der Teilchen und einer Benetzungslegierung, die eine Zusammensetzung aufweist, die die Teilchen leicht benetzt, und die keine Legierungselemente in solchen Mengen enthält, die wesentlich über die vorgewählte Matrixzusammensetzung hinausgehen; Zusammenmischen der geschmolzenen Mischung unter solchen Bedingungen, daß die Benetzungslegierung die Teilchen benetzt, Zugabe zusätzlicher Legierungszutaten zu der Schmelze, wodurch die Zusammensetzung der Matrix auf die vorgewählte Zusammensetzung eingestellt wird, und Verteilen der zusätzlichen Legierungszutaten über die gesamte Schmelze; und Gießen der resultierenden Schmelze. Bevorzugte Ausführungen des beanspruchten Verfahrens gemäß Anspruch 1 sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.According to this inventive subject matter as defined in claim 1, a method of making a cast composite material having particles embedded in an aluminum alloy matrix of a preselected composition that does not readily wet the particles comprises the steps of providing a molten mixture of the particles and a wetting alloy having a composition that readily wets the particles and which does not contain alloying elements in amounts substantially in excess of the preselected matrix composition; mixing the molten mixture together under conditions such that the wetting alloy wets the particles; adding additional alloying ingredients to the melt, thereby adjusting the composition of the matrix to the preselected composition, and distributing the additional alloying ingredients throughout the melt; and pouring the resulting melt. Preferred Embodiments of the claimed method according to claim 1 are given in dependent claims 2 to 11.
Dieses Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß einige Matrixlegierungszusammensetzungen die Benetzung von bestimmten Teilchentypen erhöhen und andere Zusammensetzungen die Benetzung behindern. Wenn eine schwer benetzbare Kombination aus Teilchen und Matrixlegierungszusammensetzung hergestellt werden soll, so wird die Matrixlegierung erfindungsgemäß hinsichtlich der Gegenwart von entweder die Benetzbarkeit erhöhenden Elementen, Kombinationen oder Mengen, oder die Benetzbarkeit unterdrückenden Elementen, Kombinationen oder Mengen untersucht.This method is based on the observation that some matrix alloy compositions increase the wetting of certain types of particles and other compositions inhibit wetting. If a difficult-to-wetting combination of particles and matrix alloy composition is to be produced, the matrix alloy is tested according to the invention for the presence of either wettability-enhancing elements, combinations or amounts, or wettability-depressing elements, combinations or amounts.
Wenn solche erhöhenden oder unterdrückenden Zusammensetzungen für ein Verbundstoffsystem identifiziert werden können, so wird eine Benetzungslegierungszusammensetzung zur Ausnutzung dieser Situation entworfen. Die Benetzungslegierung darf nicht mehr als die erforderliche Menge von jedem Element in der finalen Matrixlegierungszusammensetzung enthalten, sie kann jedoch weniger oder nichts davon enthalten. Die Benetzung der Teilchen durch die Matrix wird dann mit der Benetzungslegierung erreicht. Nachdem die Benetzung vollbracht ist, wird die Zusammensetzung der Matrix mit weiteren Legierungszusätzen eingestellt, wodurch die gewünschte finale Matrixzusammensetzung erreicht wird.If such enhancing or suppressing compositions can be identified for a composite system, a wetting alloy composition is designed to take advantage of this situation. The wetting alloy must contain no more than the required amount of each element in the final matrix alloy composition, but it may contain less or none of them. Wetting of the particles by the matrix is then accomplished with the wetting alloy. After wetting is accomplished, the composition of the matrix is adjusted with further alloying additions, thereby achieving the desired final matrix composition.
Es wird auch ein gegossenes Verbundstoffmaterial mit einer metallischen Legierungsmatrix-Komponente bereitgestellt, dessen Zusammensetzung zur Vermeidung der Bildung unerwünschter und schädlicher Phasen während der Herstellung, Umschmelzung und des finalen Gießens sorgfältig ausgewählt wird. Die Menge einer Legierungszutat wird sorgfältig gesteuert, wodurch die Verschlechterung von Eigenschaften während des Umschmelzens, die Bildung unerwünschter Phasen verhindert und gute Gießbarkeit erreicht wird. Andere herkömmliche Legierungszutaten können nach Bedarf variiert werden, wodurch andere wünschenswerte Eigenschaften des Endproduktes erhalten werden. Die Teilchen müssen nicht verändert oder besonders ausgewählt werden, damit gute Verbundstoffumschmelzeigenschaften erzielt werden.There is also provided a cast composite material having a metallic alloy matrix component, the composition of which is carefully selected to avoid the formation of undesirable and deleterious phases during fabrication, remelting and final casting. The amount of an alloy ingredient is carefully controlled, thereby avoiding deterioration of properties during remelting, the formation of undesirable phases and good castability is achieved. Other conventional alloy ingredients can be varied as required to obtain other desirable properties in the final product. The particles do not need to be altered or specially selected to achieve good composite remelting properties.
Das Verbundstoffmaterial umfaßt eine Mischung aus ungefähr 5 bis ungefähr 35 Vol.-% nichtmetallischer Verstärkungsteilchen und ungefähr 95 bis ungefähr 65 Vol.-% einer Matrixlegierung, die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium basierende Legierung, die ungefähr 8,5 bis ungefähr 12,6 Gew.-% Silicium enthält. Andere herkömmliche Aluminium-Legierungselemente können bei Bedarf zu der Matrixlegierung zugegeben werden, und stören die vorteilhaften Wirkungen des Siliciums nicht. Solche anderen legierenden Elemente schließen beispielsweise Kupfer, Nickel, Magnesium, Eisen und Mangan ein.The composite material comprises a mixture of about 5 to about 35 volume percent non-metallic reinforcing particles and about 95 to about 65 volume percent of a matrix alloy, the matrix alloy being an aluminum-based alloy containing about 8.5 to about 12.6 weight percent silicon. Other conventional aluminum alloying elements may be added to the matrix alloy if desired and do not interfere with the beneficial effects of the silicon. Such other alloying elements include, for example, copper, nickel, magnesium, iron, and manganese.
Das erfindungsgemäße Verbundstoffmaterial ist insbesondere geeignet für Umschmelzanwendungen. Es kann nach herkömmlicher Gießereiumschmelzpraxis bei einer Temperatur von oberhalb von 700ºC, typischerweise 788ºC oder mehr, umgeschmolzen und für 24 h gehalten, und dann mit guten Ergebnissen gegossen werden. In einer bevorzugt Ausführung mit ungefähr 9,5 bis ungefähr 11,0 Gew.-% Silicium werden dieselben guten Gießergebnisse erzielt, sowie weiter verbesserte Mikrostrukturen in dem gegossenen Endprodukt.The composite material of the invention is particularly suitable for remelting applications. It can be remelted according to conventional foundry remelting practice at a temperature above 700°C, typically 788°C or more, and held for 24 hours, and then cast with good results. In a preferred embodiment with about 9.5 to about 11.0 wt.% silicon, the same good casting results are achieved, as well as further improved microstructures in the final cast product.
Die vorliegende Erfindung stellt einen wichtigen Fortschritt in der Kunst der Herstellung von gegossenen Verbundstoffmaterialien bereit. Verbundstoffmaterialien können aus Materialkombinationen hergestellt werden, die ansonsten kommerziell nicht machbar sind, ohne daß spezielle Legierungszutaten oder Gase, die das Endprodukt nachteilig beeinflussen können, zugegeben werden, ohne die Teilchen besonders zu beschichten und ohne die Temperatur auf ein unannehmbar hohes Maß anzuheben.The present invention provides an important advance in the art of producing cast composite materials. Composite materials can be made from material combinations that are not otherwise commercially feasible without the addition of special alloying ingredients or gases that can adversely affect the final product, without the particles specially coated and without raising the temperature to an unacceptably high level.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen wichtigen Fortschritt im Bereich der gegossenen Verbundstoffmaterialien bereit, indem eine Gießereiumschmelzlegierung bereitgestellt wird, die leicht durch herkömmliche Umschmelzpraktiken gegossen werden kann. Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, die auf dem Wege von Beispielen die Prinzipien der Erfindung illustrieren.The present invention also provides an important advance in the field of cast composite materials by providing a foundry remelt alloy that can be readily cast by conventional remelting practices. Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments, taken in conjunction with the accompanying drawings, which illustrate by way of example the principles of the invention.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Fließfähigkeitstestgerätes;Figure 1 is a schematic representation of a flowability tester;
Figur 2 ist eine Auftragung von Fließfähigkeitstestergebnissen als Funktion des Silicium- Gehaltes;Figure 2 is a plot of flowability test results as a function of silicon content;
Figur 3 ist ein Schliffbild eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit einer auf Aluminium basierenden Matrix, die 7 Gew.-% Silicium enthält;Figure 3 is a micrograph of a cast composite material having an aluminum-based matrix containing 7 wt.% silicon;
Figur 4 ist ein Schnittbild eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit einer auf Aluminium basierenden Matrix, die 10 Gew.-% Silicium enthält;Figure 4 is a cross-sectional view of a cast composite material having an aluminum-based matrix containing 10 wt.% silicon;
Figur 5 ist ein Schnittbild eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit einer auf Aluminium basierenden Matrix, die 10 Gew.-% Silicium und zusätzliche Legierungselemente enthält; undFigure 5 is a cross-sectional view of a cast composite material having an aluminum-based matrix containing 10 wt.% silicon and additional alloying elements; and
Figur 6 ist ein Schnittbild eines weiteren gegossenen Verbundstoffmaterials mit einer auf Aluminium basierenden Matrix, die 10 Gew.-% Silicium und zusätzliche Legierungselemente enthält.Figure 6 is a cross-sectional view of another cast composite material having an aluminum-based matrix containing 10 wt.% silicon and additional alloying elements.
Gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit Teilchen, die in einer Matrix aus einer vorgewählten Zusammensetzung eingebettet sind, die die Teilchen nur unter großen Schwierigkeiten benetzt, die Schritte der Bereitstellung einer geschmolzenen Mischung der Teilchen und einer geschmolzenen Aluminium- Benetzungslegierung, die die Zusammensetzung der vorgewählten Matrixzusammensetzung aufweist, jedoch mit einem Mangel an einem die Benetzbarkeit inhibierenden Element, die Benetzungslegierung benetzt leicht die Partikel während des Mischens; Zusammenmischen der geschmolzenen Mischung, wodurch die Teilchen von der Benetzungslegierung unter solchen Bedingungen benetzt werden, daß die Teilchen über das gesamte Volumen der Schmelze verteilt werden und die Teilchen und die metallische Schmelze so gegeneinander verschoben werden, so daß die Benetzung der Teilchen durch die Schmelze gefördert wird, das Mischen erfolgt unter Minimierung der Zuführung von jeglichem Gas in und unter Minimierung der Zurückbehaltung von Gas innerhalb der Mischung aus Teilchen und geschmolzenem Metall, und bei einer Temperatur, bei der die Teilchen in der erforderlichen Zeit zur Vervollständigung des Mischschrittes in dem geschmolzenen Metall weitestgehend nicht chemisch zersetzt werden; Zugabe der die Benetzbarkeit unterdrückenden Elemente zu der Schmelze, so daß die Matrix die vorgewählte Zusammensetzung aufweist; und Gießen der resultierenden Schmelze bei einer Gießtemperatur, die hinreichend hoch ist, so daß im wesentlichen kein festes Metall vorhanden ist.According to the first embodiment of the invention, a process for producing a cast composite material having particles embedded in a matrix of a preselected composition which wets the particles only with great difficulty comprises the steps of providing a molten mixture of the particles and a molten aluminum wetting alloy having the composition of the preselected matrix composition but lacking a wettability inhibiting element, the wetting alloy readily wets the particles during mixing; Mixing the molten mixture together whereby the particles are wetted by the wetting alloy under conditions such that the particles are distributed throughout the volume of the melt and the particles and the metallic melt are displaced relative to one another so as to promote wetting of the particles by the melt, the mixing being carried out while minimizing the introduction of any gas into and minimizing the retention of gas within the mixture of particles and molten metal, and at a temperature such that the particles are not substantially chemically decomposed in the molten metal during the time required to complete the mixing step; adding the wettability suppressing elements to the melt so that the matrix has the preselected composition; and pouring the resulting melt at a pouring temperature sufficiently high so that substantially no solid metal is present.
Zum Zwecke der Beschreibung der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungen können gegossene Verbundstoffmaterialien in zwei Gruppen klassifiziert werden, solche mit chemisch hochreaktiven Teilchen und solche mit chemisch nichtreaktiven Teilchen. Das Haupthindernis bei der Bildung gegossener Verbundstoffmaterialien, die reaktive Teilchen enthalten, ist die Verhinderung der Auflösung der Teilchen und der unerwünschten Bildung von intermetallischen Verbindungen während die Vernetzung erzielt wird. Das kommerziell wichtigste reaktive Teilchen ist Siliciumcarbid. Das Hauptproblem bei der Bildung gegossener Verbundstoffmaterialien, die nichtreaktive Teilchen enthalten, ist die Erzielung eines gewissen Grades an Reaktivität und Benetzung. Das kommerziell wichtigste nichtreaktive Teilchen ist Aluminiumoxid. In jedem Falle muß die Schmelze zum Zwecke des Gießens eine hinreichende Fließfähigkeit zeigen.For the purpose of describing the preferred embodiments of the present invention, cast composite materials can be classified into two groups, those containing highly chemically reactive particles and those containing chemically non-reactive particles. The main obstacle in forming cast composite materials containing reactive particles is preventing dissolution of the particles and undesirable formation of intermetallics while cross-linking is being achieved. The most commercially important reactive particle is silicon carbide. The main problem in forming cast composite materials containing non-reactive particles is achieving some degree of reactivity and wetting. The most commercially important non-reactive particle is alumina. In either case, the melt must exhibit sufficient fluidity for the purpose of casting.
Nach einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausführung bei der Behandlung reaktiver Teilchen umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit Teilchen, die in einer Aluminium-Legierungsmatrix eingebettet sind, die mehr als 7 Gew.-% Silicium aufweist, die Schritte der Bereitstellung einer geschmolzenen Mischung der Teilchen und einer auf Aluminium basierenden Benetzungslegierung, die nicht mehr als ungefähr 7 Gew.-% Silicium enthält; Zusammenmischen der geschmolzenen Mischung unter solchen Bedingungen, daß die Aluminium-Benetzungslegierung die Teilchen benetzt; Zugabe von Silicium und anderen Elementen, wie es zur Einstellung des Silicium-Gehaltes der Schmelze auf ihre gewünschte finale Zusammensetzung, die mehr als 7 Gew.-% Silicium enthält, erforderlich ist, und Auflösen und Verteilen des Zusatzes über die gesamte Schmelze; und Gießen der resultierenden Schmelze.According to a preferred embodiment of the invention in the treatment of reactive particles, a method for producing a cast composite material having particles embedded in an aluminum alloy matrix containing more than 7% by weight silicon comprises the steps of providing a molten mixture of the particles and an aluminum-based wetting alloy containing no more than about 7% by weight silicon; mixing the molten mixture together under conditions such that the aluminum wetting alloy wets the particles; adding silicon and other elements as necessary to adjust the silicon content of the melt to its desired final composition containing more than 7% by weight silicon, and dissolving and distributing the additive throughout the melt; and pouring the resulting melt.
Ein besonders nützliches gegossenes Verbundstoffmaterial enthält reaktive Siliciumcarbid-Teilchen, die in einer Aluminium-Legierungsmatrix mit ungefähr 10 Gew.-% Silicium eingebettet sind. Gußwaren aus dieser Legierung können nur unter großen Schwierigkeiten hergestellt werden, wenn das Verfahren verwendet wird, nach dem alle Zutaten miteinander kombiniert und vermischt werden. Obwohl die Legierung gemischt werden kann, geht die teilchenförmige Materie langsam in die Schmelze über, und die Schmelze wird so viskos, daß sie schwierig zu gießen ist.A particularly useful cast composite material contains reactive silicon carbide particles embedded in an aluminum alloy matrix containing about 10% silicon by weight. Castings from this alloy can only be made with great difficulty using the process of combining and mixing all the ingredients together. Although the alloy can be mixed, the particulate matter slowly passes into the melt and the melt becomes so viscous that it is difficult to cast.
Zur Herstellung einer solchen Legierung nach dem bevorzugten Verfahren wird eine Benetzungslegierung aus Aluminium und ungefähr 7 Gew.-% Silicium hergestellt und mit Siliciumcarbid-Teilchen unter Verwendung des Verfahrens, wie es in US-P-4 759 995 und 4 786 467 diskutiert wird, gemischt. Die Benetzung der Teilchen mit der Benetzungslegierung wird leicht in ungefähr einstündiger Mischzeit erzielt, und die Viskosität ist annehmbar. Die Zugabe des verbleibenden Siliciums und jeglicher anderer Legierungszusätze, die zur Einstellung der Matrix auf den erforderlichen Legierungsgehalt erforderlich sind, wird dann vorgenommen, diese Zugaben werden aufgelöst und über das gesamte Volumen der Schmelze verteilt, und die Schmelze wird gegossen.To prepare such an alloy by the preferred method, a wetting alloy of aluminum and about 7 wt.% silicon is prepared and mixed with silicon carbide particles using the method discussed in U.S. Patent Nos. 4,759,995 and 4,786,467. Wetting of the particles with the wetting alloy is readily achieved in about one hour of mixing time and the viscosity is acceptable. Addition of the remaining silicon and any other alloying additions required to adjust the matrix to the required alloy content is then made, these additions are dissolved and distributed throughout the volume of the melt, and the melt is poured.
Die durch das obige Verfahren erzielte Verbesserung ist ziemlich überraschend. Normalerweise nimmt die Fließfähigkeit von Aluminium-Silicium-Legierungen mit zunehmendem Silicium- Gehalt zu. Die Erzielung einer besseren Benetzung mit einer Legierung mit einem niedrigeren Silicium-Gehalt ist unerwartet.The improvement achieved by the above procedure is quite surprising. Normally, the flowability of aluminum-silicon alloys increases with increasing silicon content. Achieving better wetting with an alloy with a lower silicon content is unexpected.
Das gegossene Verbundstoffmaterial, das Silicium enthält, umfaßt bevorzugterweise eine Mischung aus ungefähr 5 bis ungefähr 35 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen und ungefähr 95 bis ungefähr 65 Vol.-% einer gegossenen Matrixlegierung, die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium basierende Legierung, die ungefähr 9,5 bis ungefähr 11,0 Gew.-% Silicium enthält. Am meisten bevorzugt ist der Silicium-Gehalt ungefähr 10 Gew.-% der Matrix.The cast composite material containing silicon preferably comprises a mixture of about 5 to about 35 volume percent silicon carbide particles and about 95 to about 65 volume percent of a cast matrix alloy, the matrix alloy being an aluminum-based alloy containing about 9.5 to about 11.0 weight percent silicon. Most preferably, the silicon content is about 10 weight percent of the matrix.
Nach einem erfindungsgemäßen Verfahrensaspekt umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials die Schritte der Herstellung einer geschmolzenen Mischung aus ungefähr 5 bis ungefähr 35 Vol.-% freifließenden nichtmetallischen Verstärkungsteilchen und ungefähr 95 bis 65 Vol.-% einer Matrixlegierung, die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium basierende Legierung, die ungefähr 8,5 bis ungefähr 12,6 Gew.-% Silicium enthält; Mischen der geschmolzenen Mischung zur Benetzung der Teilchen mit der Matrixlegierung und zur Verteilung der Teilchen über das gesamte Volumen der Schmelze, das Mischen erfolgt unter Minimierung der Gaszuführung in die und Rückbehaltung von Gas innerhalb der geschmolzenen Mischung; Gießen der geschmolzenen Mischung; Umschmelzen der gegossenen Mischung bei einer Temperatur, die mindestens ungefähr 700ºC erreicht; und Umgießen der umgeschmolzenen Mischung.According to a method aspect of the invention, a process for producing a cast composite material comprises the steps of preparing a molten mixture of about 5 to about 35 volume percent free-flowing non-metallic reinforcing particles and about 95 to 65 volume percent of a matrix alloy, the matrix alloy being an aluminum-based alloy containing about 8.5 to about 12.6 weight percent silicon; mixing the molten mixture to wet the particles with the matrix alloy and to distribute the particles throughout the volume of the melt, the mixing being carried out while minimizing gas introduction into and retention of gas within the molten mixture; pouring the molten mixture; remelting the cast mixture at a temperature reaching at least about 700°C; and recasting the remelted mixture.
Die Teilchen sind bevorzugterweise Siliciumcarbid, aufgrund des geringen Gewichtes und der kostengünstigen kommerziellen Verfügbarkeit in geeigneten Formen und Größen. Andere nichtmetallische Verstärkungsteilchen, wie beispielsweise andere Carbide, Oxide, Nitride, Silicide und Boride können ebenfalls verwendet werden. Die Teilchen müssen "freifließend" sein, in dem Sinne, daß sie keinem Zwang entgegen der Bewegung zum Erreichen einer gleichförmigen Verteilung über das gesamte Verbundstoffmaterial unterliegen und daß sie nicht durch ein Substrat oder untereinander anhaften oder eingezwängt sind, wie dies bei gedehnten Fasern der Fall ist.The particles are preferably silicon carbide due to its light weight and low cost commercial availability in suitable shapes and sizes. Other non-metallic reinforcing particles such as other carbides, oxides, nitrides, silicides and borides may also be used. The particles must be "free flowing" in the sense that they are not constrained to move to achieve uniform distribution throughout the composite material and that they are not held together by a substrate or by each other. adhere or are constrained, as is the case with stretched fibers.
Die Teilchen bilden ungefähr 5 bis ungefähr 35 Vol.-% des Verbundstoffmaterials. Falls weniger als 5 Vol.-% vorhanden sind, so erreicht das Verbundstoffmaterial keine überlegenen Eigenschaften gegenüber dem herkömmlichen Nicht- Verbundstoffmaterial. Das mögliche Auftreten der Probleme eines Verbundstoffmaterials ist daher nicht durch verbesserte Eigenschaften gerechtfertigt. Wenn mehr als ungefähr 35 Vol.-% vorhanden sind, so ist das Verbundstoffmaterial so viskos, daß es nicht gegossen werden kann. Diese obere Grenze bezüglich der Menge an teilchenförmigen Material kann in Abhängigkeit von der Form und der Art des teilchenförmigen Materials etwas variieren.The particles constitute from about 5 to about 35 volume percent of the composite material. If less than 5 volume percent is present, the composite material does not achieve superior properties over the conventional non-composite material. The possible occurrence of the problems of a composite material is therefore not justified by improved properties. If more than about 35 volume percent is present, the composite material is so viscous that it cannot be cast. This upper limit on the amount of particulate material may vary somewhat depending on the shape and type of particulate material.
Der Rest des Verbundstoffmaterials von ungefähr 95 bis ungefähr 65 Vol.-% ist die Matrixlegierung. Die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium basierende Legierung, die ungefähr 8,5 bis ungefähr 12,6 Gew.-% Silicium enthält, der Rest ist Aluminium und andere Legierungszutaten, die so gewählt sind, daß dem finalen festen Verbundstoffmaterial bestimmte mechanische und physikalische Eigenschaften mitgeteilt werden. Bevorzugterweise ist der Silicium-Gehalt der Matrix ungefähr 9,5 bis ungefähr 11,0 Gew.-%.The remainder of the composite material from about 95 to about 65 volume percent is the matrix alloy. The matrix alloy is an aluminum-based alloy containing about 8.5 to about 12.6 weight percent silicon, the remainder being aluminum and other alloying ingredients selected to impart certain mechanical and physical properties to the final solid composite material. Preferably, the silicon content of the matrix is about 9.5 to about 11.0 weight percent.
Das hohe Silicium-Niveau hat verschiedene wichtige Funktionen. Das Silicium beeinflußt die Bildung der intermetallischen Verbindung Aluminiumcarbid, Al&sub4;C&sub3;, und unterdrückt insbesondere dessen Bildung. Wenn geschmolzenes Aluminium mit einem Carbid wie Siliciumcarbid kontaktiert wird, ist die Bildung von Aluminiumcarbid durch eine negative freie Bildungsenergie thermodynamisch bevorzugt. Das Aluminiumcarbid ist hygroskopisch und absorbiert Feuchtigkeit. Das Ergebnis ist Porosität in dem finalen gegossenen Produkt.The high silicon level has several important functions. Silicon influences the formation of the intermetallic compound aluminum carbide, Al₄C₃, and in particular suppresses its formation. When molten aluminum is contacted with a carbide such as silicon carbide, the formation of aluminum carbide is thermodynamically favored by a negative free energy of formation. Aluminum carbide is hygroscopic and absorbs Moisture. The result is porosity in the final cast product.
Es wurde festgestellt, daß die Kinetik der Aluminiumcarbid- Bildung dergestalt ist, daß das Schmelzen und Mischen eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit einer herkömmlichen Aluminium-7 (oder weniger) Gew.-% Silicium-Legierungsmatrix bei einer kontrollierten Temperatur von beispielsweise ungefähr 718ºC für eine relativ kurze Zeitdauer von ungefähr 1 h nur die Bildung einer geringen und annehmbaren Menge an Aluminiumcarbid erlaubt. Daher kann ein annehmbares gegossenes Verbundstoffmaterial durch ein sorgfältig gesteuertes Schmelz- und Mischverfahren hergestellt werden.It has been found that the kinetics of aluminum carbide formation are such that melting and mixing a cast composite material with a conventional aluminum-7 (or less) wt.% silicon alloy matrix at a controlled temperature of, for example, about 718°C for a relatively short period of time of about 1 hour allows only a small and acceptable amount of aluminum carbide to form. Therefore, an acceptable cast composite material can be produced by a carefully controlled melting and mixing process.
Wenn das gegossene Verbundstoffmaterial mit einer solchen herkömmlichen Matrixlegierung jedoch in einem Gießereiverfahren bei 788ºC für 24 h umgeschmolzen wird, so wird die Aluminiumcarbid-Bildung mit erhöhter Geschwindigkeit fortgeführt. Eine Aluminiumcarbid-intermetallische Verbindung wächst auf Siliciumcarbid-Teilchen als nach außen gerichtete Nadeln auf, die unter Bildung von Teilchen in der Schmelze abbrechen können.However, when the cast composite material with such a conventional matrix alloy is remelted in a foundry process at 788ºC for 24 hours, aluminum carbide formation continues at an increased rate. An aluminum carbide intermetallic compound grows on silicon carbide particles as outward-pointing needles that can break off to form particles in the melt.
Eine mögliche Lösung wäre es, den Gießereien enge Betriebssteuerungen aufzuerlegen. Solche Steuerungen würden von einigen Gießereien nicht akzeptiert werden, und würden in jedem Falle die Einführung und Verwendung der gegossenen Verbundstoffmaterialien in solchen Anwendungsbereichen verhindern, in denen sie ansonsten nützlich wären.One possible solution would be to impose tight operational controls on foundries. Such controls would not be accepted by some foundries and would in any case prevent the introduction and use of cast composite materials in applications where they would otherwise be useful.
Es wurde nun entdeckt, daß sorgfältig ausgewählte größere Mengen an Silicium in der Matrixlegierung die Bildung von Aluminiumcarbid selbst während ausgedehnter Halteperioden bei sehr hohen Temperaturen hinreichend unterdrückt, so daß das Gießen des Verbundstoffmaterials möglich ist. Die umgeschmolzenen Verbundstoffmaterialien mit höheren Silicium- Gehalten innerhalb bestimmter Bereiche erzielen gleichzeitig außergewöhnliche Gießbarkeit und Fließfähigkeit, ohne daß Primärphasen wie reines Silicium auftreten. Silicium-Mengen von oberhalb ungefähr 8,5 % resultieren in einer signifikant reduzierten Aluminiumcarbid-Bildung und verbesserten Umschmelzfließfähigkeit, und Silicium-Mengen von mehr als ungefähr 9,5 % eliminieren die Aluminiumcarbid-Bildung vollständig und resultieren in der höchsten Umschmelzfließfähigkeit für den ausgewählten Teilchengehalt und die Umschmelztemperatur und Haltebedingungen.It has now been discovered that carefully selected larger amounts of silicon in the matrix alloy sufficiently suppresses the formation of aluminium carbide, even during extended holding periods at very high temperatures, so that the casting of the composite material is possible. Remelted composite materials with higher silicon contents within certain ranges simultaneously achieve exceptional castability and flowability without the presence of primary phases such as pure silicon. Silicon levels above about 8.5% result in significantly reduced aluminum carbide formation and improved remelt flowability, and silicon levels above about 9.5% completely eliminate aluminum carbide formation and result in the highest remelt flowability for the selected particle content and remelt temperature and holding conditions.
Die Gießfähigkeit und Fließfähigkeit von Umschmelzlegierungen sind von direktem Interesse für Gießereifachleute, da Verbesserungen dieser Charakteristika direkte Konsequenzen für die Fähigkeit darstellen, komplizierte Teile in reproduzierbarer Weise zu gießen. Die erfindungsgemäßen Verbundstoffmaterialien wurden unter Vergleichsbedingungen zur Messung ihrer Fließfähigkeit unter typischen Gießereiumschmelzbedingungen getestet. Figur 1 illustriert ein Gerät 10 zur Messung der Fließfähigkeit Geschmolzenes Verbundstoffmaterial 12 wird in einem beheizten Tiegel 14 gehalten, die Temperatur wird mit einem Thermoelement 16 gemessen. Ein Ende eines hohlen Pyrex-Glasrohres 18, hier mit ungefähr 5 mm Innendurchmesser, wird vertikal in die Schmelze 12 eingeführt. Ein Unterdruck von ungefähr 63,5 cm Quecksilber wird am anderen Ende des Rohres 18 durch eine Vakuumpumpe 20 angelegt. Geschmolzenes Verbundstoffmaterial wird auf der Innenseite des Rohres 18 hochgezogen bis der metallische Anteil des Verbundstoffmaterials erstarrt. Das Rohr 18 wird aus der Schmelze entfernt und die Strecke, die das Verbundstoffmaterial vor dem Erstarren in dem Rohr zurückgelegt hat, wird gemessen.The castability and flowability of remelt alloys are of direct interest to foundry professionals since improvements in these characteristics have direct consequences for the ability to cast complex parts in a reproducible manner. The composite materials of the invention were tested under comparative conditions to measure their flowability under typical foundry remelting conditions. Figure 1 illustrates a flowability measuring device 10. Molten composite material 12 is held in a heated crucible 14, the temperature being measured by a thermocouple 16. One end of a hollow Pyrex glass tube 18, here with an inner diameter of approximately 5 mm, is inserted vertically into the melt 12. A vacuum of approximately 63.5 cm of mercury is applied to the other end of the tube 18 by a vacuum pump 20. Molten composite material is drawn up the inside of the tube 18 until the metallic portion of the composite material solidifies. The tube 18 is removed from the melt and the distance the composite material traveled in the tube before solidifying is measured.
Eine Reihe von Verbundstoffmaterialproben wurden unter Verwendung des Gerätes aus Figur 1 ausgewertet. 2 kg-Chargen wurden mit 20 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen in einer Aluminium-Legierungsmatrix hergestellt, die verschiedene Mengen an Silicium als Legierungszutat enthielt. Es wurden Schmelzen mit Matrix-Silicium-Gehalten von 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 Gew.-% Silicium hergestellt. Die Schmelzen wurden in einem Mixer hergestellt, wie er in US-P-4 759 995 und 4 786 467 offenbart ist. Die Schmelzen wurden in Gußformen gegossen und verfestigt. Die Gußstücke wurden in Tiegeln unter Luftatmosphäre bei einer Temperatur von 788ºC umgeschmolzen und für 24 h gehalten. Die Temperatur der Schmelze wurde auf 690ºC ± 6ºC reduziert, und die Fließfähigkeit unter Verwendung des Gerätes aus Figur 1 getestet.A series of composite material samples were evaluated using the apparatus of Figure 1. 2 kg batches were prepared with 20 volume percent silicon carbide particles in an aluminum alloy matrix containing various amounts of silicon as an alloying ingredient. Melts were prepared with matrix silicon contents of 7, 8, 9, 10, 11, 12 and 13 weight percent silicon. The melts were prepared in a mixer as disclosed in U.S. Patent Nos. 4,759,995 and 4,786,467. The melts were poured into molds and solidified. The castings were remelted in crucibles under air atmosphere at a temperature of 788°C and held for 24 hours. The melt temperature was reduced to 690ºC ± 6ºC and the flowability was tested using the apparatus shown in Figure 1.
Figur 2 zeigt die Höhenzunahme des Verbundstoffmaterials über das Niveau der Schmelze in Inch-Einheiten. Je größer die Höhenzunahme desto größer ist die Fließfähigkeit Die Fließfähigkeit steigt von einem niedrigen Wert bei 7 Gew.-% Silicium auf ein Niveau bei 10 Gew.-% Silicium an, das bei weiterer Anhebung des Silicium-Gehaltes auf 13 Gew.-% nahezu konstant bleibt. Aus den Röhren wurden Proben geschnitten und metallographisch untersucht. Die Menge an Aluminiumcarbid in dem Material mit 7 Gew.-% Silicium war hoch. In der Probe, die 8 Gew.-% Silicium enthielt, war die Menge wesentlich geringer. In den Legierungen, die 9 Gew.-% oder mehr Silicium enthielten, war kein Aluminiumcarbid sichtbar.Figure 2 shows the height increase of the composite material above the level of the melt in units of inches. The greater the height increase, the greater the flowability. The flowability increases from a low level at 7 wt% silicon to a level at 10 wt% silicon, which remains almost constant as the silicon content is further increased to 13 wt%. Samples were cut from the tubes and examined metallographically. The amount of aluminum carbide in the material containing 7 wt% silicon was high. In the sample containing 8 wt% silicon, the amount was much lower. In the alloys containing 9 wt% or more silicon, no aluminum carbide was visible.
Aus diesen Daten wurde geschlossen, daß der minimale Silicium-Gehalt zur Unterdrückung der Aluminiumcarbid-Bildung unter Bedingungen ausgedehnter Einwirkung und gleichzeitiger Erzielung einer annehmbaren Fließfähigkeit ungefähr 8,5 % beträgt. Dieser Wert ist ein Grenzwert, da das Aluminiumcarbid nahezu vollständig fehlt, die Fließfähigkeit jedoch noch nicht ihren höchsten Wert erreicht hat. Ein bevorzugter minimaler Silicium-Gehalt wurde daher zu ungefähr 9,5 Gew.-% ausgewählt, ein Niveau, bei dem kein Aluminiumcarbid vorhanden ist, und die Fließfähigkeit nahezu ihr höchstes Niveau erreicht hat.From these data it was concluded that the minimum silicon content required to suppress the formation of aluminium carbide under conditions of extended exposure and at the same time to achieve acceptable fluidity is approximately 8.5%. This value is a limiting value, since the aluminium carbide is almost completely absent, the fluidity but has not yet reached its highest value. A preferred minimum silicon content was therefore selected to be approximately 9.5 wt.%, a level at which no aluminium carbide is present and the fluidity has almost reached its highest level.
Obwohl die Fließfähigkeit mit immer weiter zunehmendem Silicium-Gehalt innerhalb dieses allgemeinen Bereiches zuzunehmen scheint, gibt es eine maximale Grenze des Silicium-Gehaltes der Matrixlegierung. Der maximale Silicium- Gehalt der Matrixlegierung ist erfindungsgemäß ungefähr 12,6 Gew.-%. Dies ist der Wert der Aluminium-Silicium- Eutektikumszusammensetzung. Bei größeren Mengen an Silicium ergeben sich zwei unerwünschte Folgen. Zum einen steigt die Liquidus-Temperatur an, so daß die überhitzung für eine ausgewählte Umschmelztemperatur reduziert wird. Zum zweiten werden in der Matrix bei der Verfestigung primäre Silicium- Teilchen ausgefällt. Die Silicium-Teilchen reduzieren die Duktilität der Matrix. Ein bevorzugter maximaler Silicium- Gehalt ist geringfügig niedriger bei 11,0 %. Metallographische Studien zeigen, daß im Bereich von 11,0 bis 12,6 Gew.-% Silicium einige Ausfällungen an primären Silicium in der finalen Struktur auftreten können, unabhängig von dem erwarteten Gleichgewichts-Phasendiagramm. Außerdem wird eine gewisse Schrumpfung der Matrixlegierung während der Verfestigung beobachtet.Although fluidity appears to increase with ever increasing silicon content within this general range, there is a maximum limit to the silicon content of the matrix alloy. The maximum silicon content of the matrix alloy according to the invention is approximately 12.6 wt.%. This is the value of the aluminum-silicon eutectic composition. With larger amounts of silicon, two undesirable consequences arise. First, the liquidus temperature increases so that the superheat for a selected remelting temperature is reduced. Second, primary silicon particles are precipitated in the matrix during solidification. The silicon particles reduce the ductility of the matrix. A preferred maximum silicon content is slightly lower at 11.0%. Metallographic studies show that in the range of 11.0 to 12.6 wt.% silicon, some precipitation of primary silicon may occur in the final structure, independent of the expected equilibrium phase diagram. In addition, some shrinkage of the matrix alloy during solidification is observed.
Der minimale Silicium-Gehalt der Matrix des vorliegenden Verbundstoffmaterials ist daher ungefähr 8,5 Gew.-%, und das bevorzugte Minimum ist ungefähr 9,5 Gew.-%. Der maximale Silicium-Gehalt der Matrix des vorliegenden Verbundstoffmaterials ist ungefähr 12,6 %, und das bevorzugte Maximum ist ungefähr 11,0 %. Diese Werte sind aufgrund und in Verbindung mit der Gegenwart der freifließenden Verstärkungsteilchen in dem Verbundstoffmaterial und der Möglichkeit der chemischen Wechselwirkung zwischen der Matrixlegierung und den Teilchen, wie hier diskutiert, ausgewählt. Die Wahl des Silicium-Gehaltes in Nicht- Verbundstofflegierung und in Legierungen, die nicht gegossen werden sollen, ist daher nicht maßgeblich für die Auswahl der Silicium-Niveaus für die Matrizen gegossener Verbundstoffmaterialien.The minimum silicon content of the matrix of the present composite material is therefore about 8.5 wt.%, and the preferred minimum is about 9.5 wt.%. The maximum silicon content of the matrix of the present composite material is about 12.6%, and the preferred maximum is about 11.0%. These values are due to and in conjunction with the presence of the free-flowing reinforcing particles in the composite material and the Possibility of chemical interaction between the matrix alloy and the particles as discussed here. The choice of silicon content in non-composite alloys and in alloys that are not intended to be cast is therefore not critical for the selection of silicon levels for the matrices of cast composite materials.
Am meisten bevorzugt ist der Silicium-Gehalt ungefähr 10 Gew.-% der Matrix, wodurch ein Fehlerbereich innerhalb der bevorzugten Grenzen von 9,5 und 11,0 Gew.-% bereitgestellt, und die innerhalb dieses allgemeinen Bereiches maximal mögliche Fließfähigkeit fast erreicht wird.Most preferably, the silicon content is about 10 wt.% of the matrix, thereby providing a margin of error within the preferred limits of 9.5 and 11.0 wt.%, and nearly achieving the maximum possible flowability within this general range.
Das Silicium in der Matrix scheint die Bildung von Aluminiumcarbid durch Veränderung der thermodynamischen Gleichgewichte des Systems zu unterdrücken. In einer guten Nährung werden diese Gleichgewichte nicht durch die Gegenwart metallischer Legierungselemente, wie sie üblicherweise in Aluminium-Legierungen zur Erzielung spezifischer Eigenschaften in dem finalen gegossenen Produkt, wie Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit und ähnlichem, zugefügt werden, nicht beeinflußt. Daher kann durch Beibehaltung des richtigen Silicium-Gehaltes ein überlegenes Gießverhalten erzielt werden, und andere Legierungselemente können zur Erzielung spezifischer Eigenschaften in dem finalen Produkt zugegeben werden. Solche legierenden Elemente schließen beispielsweise Kupfer, Nickel, Magnesium, Eisen und Mangan ein.The silicon in the matrix appears to suppress the formation of aluminum carbide by altering the thermodynamic equilibria of the system. In a good diet, these equilibria are not affected by the presence of metallic alloying elements, such as those commonly added to aluminum alloys to achieve specific properties in the final cast product, such as strength, hardness, corrosion resistance, and the like. Therefore, by maintaining the correct silicon content, superior casting performance can be achieved, and other alloying elements can be added to achieve specific properties in the final product. Such alloying elements include, for example, copper, nickel, magnesium, iron, and manganese.
Die folgenden Beispiele werden zusätzlich zu dem zuvor Diskutierten zum Zwecke der Illustrierung erfindungsgemäßer Aspekte dargestellt, sind jedoch nicht als die Erfindung in irgendeiner Weise limitierend anzusehen.The following examples are presented in addition to what has been previously discussed for the purpose of illustrating aspects of the invention, but are not to be construed as limiting the invention in any way.
Zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit 20 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen in einer Matrixlegierung mit 10 Gew.-% Silicium, 1 Gew.-% Magnesium und dem Rest Aluminium, wurde eine Benetzungslegierung mit 7 Gew.-% Silicium, 1 Gew.-% Magnesium und dem Rest Aluminium hergestellt. Die passenden Mengen an Siliciumcarbid und der Benetzungslegierung wurden nach den in US-P-4 759 995 und 4 786 467 offenbarten Verfahrensweisen gemischt. Genauer wurde die Benetzungslegierung bei 671ºC geschmolzen und die passende Menge an Siliciumcarbid-Teilchen wurden unter Vakuum über einen Zeitraum von 35 min der Oberfläche der Schmelze zugegeben, während die Schmelze mit einem Rührflügel durchmischt wurde. Nachdem alles Siliciumcarbid zugegeben war, wurde das Mischen für weitere 25 min unter Vakuum fortgeführt. Diese Vorgehensweise ergab die vollständige Benetzung der Partikel mit der Aluminium-7 Gew.-% Silicium, 1 Gew.-% Magnesium-Legierung. Das Mischen wurde abgebrochen, die Kammer mit Luft belüftet und eine ausreichende Menge an Silicium zur Einstellung der Matrixzusammensetzung auf 10 Gew.-% Silicium und 1 Gew.-% Magnesium hinzugegeben. Die Kammer wurde verschlossen und ein Vakuum angelegt, und das Mischen wurden für weitere 15 min zur Auflösung der Legierungszusätze und zu deren Verteilung über die gesamte Schmelze fortgeführt. Das Verbundstoffmaterial wurde in Masseln gegossen. Die Masseln wurden zum Umschmelzen an eine Gießerei geliefert und das umgeschmolzene Verbundstoffmaterial zeigte eine exzellente Fließfähigkeit zum Vergießen in engen Gußformkanälen.To prepare a cast composite material containing 20 volume percent silicon carbide particles in a matrix alloy containing 10 weight percent silicon, 1 weight percent magnesium, and the balance aluminum, a wetting alloy containing 7 weight percent silicon, 1 weight percent magnesium, and the balance aluminum was prepared. The appropriate amounts of silicon carbide and the wetting alloy were mixed according to the procedures disclosed in U.S. Patent Nos. 4,759,995 and 4,786,467. Specifically, the wetting alloy was melted at 671°C and the appropriate amount of silicon carbide particles were added to the surface of the melt under vacuum over a period of 35 minutes while the melt was mixed with an impeller. After all of the silicon carbide was added, mixing was continued under vacuum for an additional 25 minutes. This procedure resulted in complete wetting of the particles with the aluminum-7 wt% silicon, 1 wt% magnesium alloy. Mixing was stopped, the chamber was vented with air, and sufficient silicon was added to adjust the matrix composition to 10 wt% silicon and 1 wt% magnesium. The chamber was sealed and a vacuum applied, and mixing was continued for an additional 15 min to dissolve the alloy additives and distribute them throughout the melt. The composite material was cast into ingots. The ingots were shipped to a foundry for remelting and the remelted composite material showed excellent flowability for casting in narrow mold channels.
Beispiel 1 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß das schrittweise Legieren nicht angewendet wurde. D.h., daß die herkömmliche Praxis angewendet wurde, worin die finale Matrixlegierung mit 10 Gew.-% Silicium, 1 Gew.-% Magnesium und dem Rest Aluminium hergestellt wurde. Siliciumcarbid- Teilchen wurden in der passenden Menge der Schmelze zugegeben und die Schmelze und die Teilchen für die gleiche Zeit wie in Beispiel 1 miteinander vermischt. Die resultierende Schmelze war sehr viskos und konnte nicht in Durchgänge mit geringem Durchmesser in Gußformen gegossen werden.Example 1 was repeated, except that the step alloying was not used. That is, the conventional practice was used, in which the final matrix alloy was prepared with 10 wt.% silicon, 1 wt.% magnesium, and the balance aluminum. Silicon carbide particles were added to the melt in the appropriate amount and the melt and particles were mixed together for the same time as in Example 1. The resulting melt was very viscous and could not be poured into small diameter passages in molds.
Beispiel 1 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß der Verbundstoff so hergestellt wurde, daß er 10 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen enthielt. Die finale Schmelze war fließfähig und konnte in Gußformen mit sowohl großen als auch kleinen Durchgängen gegossen werden.Example 1 was repeated except that the composite was prepared to contain 10 vol% silicon carbide particles. The final melt was flowable and could be poured into both large and small passage molds.
Beispiel 2 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß der Verbundstoff so hergestellt wurde, daß er 10 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen enthielt.Example 2 was repeated except that the composite was prepared to contain 10 vol.% silicon carbide particles.
Die mechanischen Eigenschaften gegossener Proben des gegossenen Verbundstoffmaterials mit schrittweiser Legierungszugabe aus Beispiel 3 und des auf herkömmliche Weise hergestellten gegossenen Verbundstoffmaterials aus Beispiel 4 wurden getestet. Die folgende Tabelle gibt die Ergebnisse in ksi, tausend Pounds pro Quadratinch, an. Tabelle 1 Verfahren Umformfestigkeit Zugfestigkeit (ksi) (Mpa) Bisher Schrittweise The mechanical properties of cast samples of the cast composite material with gradual alloy addition of Example 3 and the conventionally prepared cast composite material of Example 4 were tested. The following table gives the results in ksi, thousand pounds per square inch. Table 1 Method Forming strength Tensile strength (ksi) (Mpa) Previous Step by step
Das unter schrittweiser Zugabe der Legierungszutaten hergestellte Verbundstoffmaterial zeigt erheblich verbesserte Eigenschaften nach dem Gießen im Vergleich mit denjenigen, die nach dem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden.The composite material prepared by gradually adding the alloying ingredients shows significantly improved post-cast properties compared to those prepared by the conventional process.
Die zweite Teilchenklasse sind nichtreaktive Teilchen wie Aluminiumoxid-Teilchen. Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung unter Verwendung nichtreaktiver Teilchen umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials mit Teilchen, die in einer Aluminium- Legierungsmatrix eingebettet sind, die Schritte der Bereitstellung einer geschmolzenen Mischung der Teilchen mit einer auf Aluminium basierenden Benetzungslegierung mit ungefähr 1 Gew.-% Silicium und ungefähr 0,6 Gew.-% Magnesium; Zusammenmischen der geschmolzenen Mischung unter solchen Bedingungen, daß die Teilchen von der Aluminium- Benetzungslegierung benetzt werden; Zugabe von Elementen, wie sie zur Einstellung des Legierungsgehaltes der Schmelze auf ihre gewünschte finale Zusammensetzung erforderlich ist, und Auflösung und Verteilung der Zugaben über die gesamte Schmelze; und Vergießen der resultierenden Schmelze.The second class of particles are non-reactive particles such as alumina particles. According to another embodiment of the invention using non-reactive particles, a method of making a cast composite material having particles embedded in an aluminum alloy matrix comprises the steps of providing a molten mixture of the particles with an aluminum-based wetting alloy containing about 1 wt.% silicon and about 0.6 wt.% magnesium; mixing the molten mixture together under conditions such that the particles are wetted by the aluminum wetting alloy; adding elements as necessary to adjust the alloy content of the melt to its desired final composition, and dissolving and distributing the additions throughout the melt; and pouring the resulting melt.
Zur Herstellung eines gegossenen Verbundstoffmaterials, das nichtreaktive Teilchen enthält, werden die Teilchen zuerst mit einer Benetzungslegierung gemischt, von der bekannt ist, daß sie die Teilchen benetzt, und die ebenso eine hinreichende Fließfähigkeit zum Vermischen aufweist. Beispielsweise ist es bekannt, daß Aluminium-Legierungen, die ungefähr 1 Gew.-% Silicium und 0,6 Gew.-% Magnesium enthalten, Aluminiumoxid-Teilchen während des Mischens leicht benetzen. Viele in Frage kommende Aluminium-Matrixlegierungen enthalten mindestens 1 Gew.-% Silicium und mindestens 0,6 Gew.-% Magnesium, so daß die anfängliche Benetzungmit einer Aluminium-Legierung dieser Zusammensetzung erzielt werden kann. Nach der Benetzung wird die Matrixzusammensetzung durch weitere Zugaben von Legierungselementen eingestellt. Die anfängliche Benetzung wird erzielt unter Verwendung der Benetzungslegierung und des Verfahrens der US-Patentschriften 4 759 995 und 4 786 467.To produce a cast composite material containing non-reactive particles, the particles are first mixed with a wetting alloy which is known to wet the particles and which also has a has sufficient fluidity for mixing. For example, aluminum alloys containing about 1 wt.% silicon and 0.6 wt.% magnesium are known to readily wet alumina particles during mixing. Many suitable aluminum matrix alloys contain at least 1 wt.% silicon and at least 0.6 wt.% magnesium, so that initial wetting can be achieved with an aluminum alloy of this composition. After wetting, the matrix composition is adjusted by further additions of alloying elements. Initial wetting is achieved using the wetting alloy and process of U.S. Patents 4,759,995 and 4,786,467.
Das folgende Beispiel soll die auf die Benetzung nichtreaktiver Teilchen bezogenen Aspekte der Erfindung illustrieren.The following example is intended to illustrate the aspects of the invention relating to the wetting of non-reactive particles.
Dieses Beispiel zeigt erfindungsgemäße Aspekte bezüglich der Benetzung nichtreaktiver Teilchen.This example demonstrates aspects of the invention relating to the wetting of non-reactive particles.
Ein gegossenes Verbundstoffmaterial wurde aus 10 Vol.-% Aluminiumoxid-Teilchen in einer Aluminium-Legierung, die 10 Gew.-% Silicium, 0,6 Gew.-Teile Magnesium, 0,7 Gew.-% Eisen und 0,4 Gew.-% Mangan enthielt, hergestellt. Dieses gegossene Verbundstoffmaterial ist durch herkömmliche Verfahren außerordentlich schwierig herzustellen, da die Teilchen nur langsam benetzt werden. Das geschmolzene Verbundstoffmaterial ist so viskos, daß es nahezu unmöglich ist, dieses in eine Gußform zu gießen. Zur Herstellung des gegossenen Verbundstoffmaterials unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Matrixlegierung aus 1 Gew.-% Silicium, 0,6 Gew.-% Magnesium, 0,7 Gew.-% Eisen und 0,4 Gew.-% Mangan und dem Rest Aluminium in einem Tiegel bei 674ºC unter Vakuum geschmolzen und innerhalb eines Zeitraums von 20 min die passende Menge an Aluminiumoxid-Teilchen zugegeben. Die auf Aluminium basierende Matrixlegierung enthält 1 Gew.-% Silicium und 0,6 Gew.-% Magnesium, eine Zusammensetzung, von der bekannt ist, daß sie die Benetzung von Aluminiumoxid-Teilchen erlaubt. Nachdem die gesamte teilchenförmige Materie zugegeben war, wurde die Schmelze unter Vakuum für weitere 20 min nach dem Verfahren der US- Patentschriften 4 759 995 und 4 786 467 gemischt. Diese Kombination der Matrixlegierungszusammensetzung und der Mischbedingungen erzeugte eine gute Benetzung der Teilchen mit der Matrixlegierung. Das Mischen wurde beendet, die Kammer mit Luft belüftet und ausreichend Silicium zugegeben, so daß der Matrixgehalt auf 10 Gew.-% Silicium eingestellt wurde (wobei die Mengen der anderen Legierungszutaten im wesentlichen unverändert blieben). Das Vakuum wurde wieder angelegt und das Mischen für weitere 15 min fortgesetzt. Der Verbundstoff wurde dann in Gießereimasseln gegossen. Das gegossene Verbundstoffmaterial zeigte eine exzellente Fließfähigkeit und war geeignet zur Herstellung von Gußstücken mit engen Durchgängen.A cast composite material was prepared from 10% by volume of alumina particles in an aluminum alloy containing 10% by weight of silicon, 0.6% by weight of magnesium, 0.7% by weight of iron and 0.4% by weight of manganese. This cast composite material is extremely difficult to prepare by conventional methods because the particles are only slowly wetted. The molten composite material is so viscous that it is almost impossible to pour it into a mold. To prepare the cast composite material using the process of the invention, a matrix alloy of 1% by weight of silicon, 0.6% by weight of magnesium, 0.7% by weight of iron and 0.4 wt.% manganese and the balance aluminum were melted in a crucible at 674°C under vacuum and the appropriate amount of alumina particles was added over a period of 20 minutes. The aluminum-based matrix alloy contains 1 wt.% silicon and 0.6 wt.% magnesium, a composition known to permit wetting of alumina particles. After all of the particulate matter was added, the melt was mixed under vacuum for an additional 20 minutes according to the procedure of U.S. Patents 4,759,995 and 4,786,467. This combination of matrix alloy composition and mixing conditions produced good wetting of the particles with the matrix alloy. Mixing was stopped, the chamber vented with air, and sufficient silicon was added to adjust the matrix content to 10 wt.% silicon (the amounts of the other alloy ingredients remaining essentially unchanged). The vacuum was reapplied and mixing continued for another 15 minutes. The composite was then poured into foundry ingots. The cast composite material showed excellent flowability and was suitable for producing castings with narrow passages.
Ein gegossenes Verbundstoffmaterial wurde hergestellt aus 20 Vol.-% Siliciumcarbid-Teilchen und 80 Vol.-% einer Legierung, die die Spezifikation von 7 Gew.-% Silicium, 0,3 - 0,45 Gew.-% Magnesium und Rest Aluminium erfüllte. Diese Matrixlegierung liegt nicht im erfindungsgemäßen Bereich und wird zu Vergleichszwecken präsentiert. Das gegossene Verbundstoffmaterial wurde nach den zuvor diskutierten Vorgehensweisen hergestellt. Das gegossene Verbundstoffmaterial wurde bei einer Temperatur von oberhalb 760ºC umgeschmolzen. Aus dem umgeschmolzenen Verbundstoffmaterial wurde eine Probe entnommen, deren Mikrostruktur in Figur 3 dargestellt ist. Ausgedehnt über die gesamte Mikrostruktur wurde Aluminiumcarbid- Intermetallverbindung als dunkel erscheinende Phase festgestellt. In Figur 3 sind zum Zwecke der Illustration um einige der Aluminiumcarbid-Teilchen und -Regionen Kreise gezogen worden.A cast composite material was prepared from 20 vol.% silicon carbide particles and 80 vol.% of an alloy that met the specification of 7 wt.% silicon, 0.3 - 0.45 wt.% magnesium and the balance aluminum. This matrix alloy is outside the scope of the invention and is presented for comparison purposes. The cast composite material was prepared according to the procedures previously discussed. The cast composite material was remelted at a temperature above 760ºC. From the remelted A sample was taken from the composite material and its microstructure is shown in Figure 3. Aluminium carbide intermetallic compound was observed as a dark appearing phase extending throughout the microstructure. In Figure 3, circles have been drawn around some of the aluminium carbide particles and regions for illustration purposes.
Beispiel 7 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß eine Matrixlegierung verwendet wurde, die die Spezifikation von 10 Gew.-% Silicium, 0,8 bis 1,0 Gew.-% Magnesium und Rest Aluminium erfüllte. Außer dem höheren Silicium-Gehalt innerhalb des bevorzugten erfindungsgemäßen Bereiches und einer geringeren Differenz hinsichtlich des Magnesium- Gehaltes hat diese Matrixlegierung die gleiche Zusammensetzung wie die in Beispiel 7. Die Mikrostruktur dieser Legierung ist in Figur 4 gezeigt. In der Mikrostruktur ist kein Aluminiumcarbid sichtbar.Example 7 was repeated except that a matrix alloy was used which met the specification of 10 wt.% silicon, 0.8 to 1.0 wt.% magnesium and the balance aluminum. Except for the higher silicon content within the preferred range of the invention and a smaller difference in magnesium content, this matrix alloy has the same composition as that of Example 7. The microstructure of this alloy is shown in Figure 4. No aluminum carbide is visible in the microstructure.
Beispiel 7 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß eine Matrixlegierung verwendet wurde, die die Spezifikation von 10 Gew.-% Silicium, 0,6 bis 1,0 Gew.-% Eisen, 3,0 - 3,5 Gew.-% Kupfer, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Mangan, 0,3 bis 0,6 Gew.-% Magnesium, 1,0 bis 1,5 Gew.-% Nickel, und Rest Aluminium erfüllte. Diese Matrixlegierung ist innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches und weist 10 Gew.-% Silicium auf. Es handelt sich insofern um eine komplexere Legierung, als daß es auch Eisen, Kupfer, Mangan und Nickel enthält. Dieses gegossene Verbundstoffmaterial ist geeignet als eine Druckgußlegierung. Figur 5 zeigt die Mikrostruktur dieser gegossenen und dann umgeschmolzenen Legierung. In der Mikrostruktur ist kein Aluminiumcarbid sichtbar.Example 7 was repeated except that a matrix alloy was used which met the specification of 10 wt.% silicon, 0.6 to 1.0 wt.% iron, 3.0 to 3.5 wt.% copper, 0.2 to 0.6 wt.% manganese, 0.3 to 0.6 wt.% magnesium, 1.0 to 1.5 wt.% nickel, and the balance aluminum. This matrix alloy is within the range of the invention and has 10 wt.% silicon. It is a more complex alloy in that it also contains iron, copper, manganese and nickel. This cast composite material is suitable as a die casting alloy. Figure 5 shows the microstructure of this cast and then remelted alloy. No aluminum carbide is visible in the microstructure.
Beispiel 7 wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß eine Matrixlegierung verwendet wurde, die die Spezifikation von 10 Gew.-% Silicium, 2,8 bis 3,2 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 1,2 Gew.-% Magnesium, 1,0 bis 1,5 Gew.-% Nickel und Rest Aluminium erfüllt. Diese Matrixlegierung enthält Kupfer und Nickel zusätzlich zu dem Silicium innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches und Magnesium. Dieses Verbundstoffmaterial ist geeignet als eine Hochtemperatur- Sand- und -Dauerform-Gießlegierung. Figur 6 zeigt die Mikrostruktur dieser gegossenen und umgeschmolzenen Legierung. In der Mikrostruktur ist kein Aluminiumcarbid sichtbar.Example 7 was repeated except that a matrix alloy was used which met the specification of 10 wt.% silicon, 2.8 to 3.2 wt.% copper, 0.8 to 1.2 wt.% magnesium, 1.0 to 1.5 wt.% nickel and the balance aluminum. This matrix alloy contains copper and nickel in addition to the silicon within the range of the invention and magnesium. This composite material is suitable as a high temperature sand and permanent mold casting alloy. Figure 6 shows the microstructure of this cast and remelted alloy. No aluminum carbide is visible in the microstructure.
Beispiel 8 zeigt, daß im Vergleich zu der Legierung aus Beispiel 7 die Zugabe von Silicium innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches die Bildung von Aluminiumcarbid unterdrückt. Beispiele 9 und 10 zeigen, daß Zugaben anderer Legierungselemente nicht mit der Unterdrückung der Aluminiumcarbid-Bildung durch den hohen Silicium-Gehalt interferieren. Die Ergebnisse aus Figur 2 demonstrieren, daß die 10 Gew.-% Silicium-Legierung eine exzellente Fließfähigkeit besitzt, und es wurde eine gute Gießfähigkeit beobachtet.Example 8 shows that, compared to the alloy of Example 7, the addition of silicon within the range of the invention suppresses the formation of aluminum carbide. Examples 9 and 10 show that additions of other alloying elements do not interfere with the suppression of aluminum carbide formation by the high silicon content. The results of Figure 2 demonstrate that the 10 wt.% silicon alloy has excellent flowability and good castability was observed.
In der vorangehenden Offenbarung und in den Beispielen 1 bis 6 wurden Verfahren zur Erzielung annehmbar benetzter gegossener Verbundstoffmaterialien aus sowohl reaktiven als auch nichtreaktiven Teilchen demonstriert. In beiden Fällen werden Verbundstoffmaterialien, die durch das herkömmliche Verfahren schwierig herzustellen sind, mittels des herkömmlichen Mischverfahrens unter Verwendung einer Matrixlegierung hergestellt, von der bekannt ist, daß sie zur Erzielung der Benetzung der Teilchen mit der Matrixlegierung geeignet ist, und anschließender Einstellung der Zusammensetzung der Matrix auf das vorgewählte Legierungsniveau. In keinem Falle sind Beschichtungen der Teilchen, besondere Legierungselemente, besondere atmosphärische Bedingungen oder übermäßig überhöhte Temperaturen erforderlich. Die einzigen Veränderungen an den Verarbeitungsverfahren sind die Zugabe einiger Legierungselemente nach Beendigung der Benetzung und die Verlängerung des Mischens für eine kurze Zeit, wodurch diese späteren Zugaben in die Schmelze aufgenommen werden.In the foregoing disclosure and in Examples 1 to 6, methods for obtaining acceptably wetted cast composite materials from both reactive and non-reactive particles have been demonstrated. In both cases, composite materials that are difficult to produce by the conventional process are obtained by the conventional mixing process using a matrix alloy known to be suitable for achieving wetting of the particles with the matrix alloy and then adjusting the composition of the matrix to the preselected alloying level. In no case are coatings of the particles, special alloying elements, special atmospheric conditions or excessively elevated temperatures required. The only changes to the processing procedures are the addition of some alloying elements after wetting has been completed and the prolongation of mixing for a short time, thereby incorporating these later additions into the melt.
Das erfindungsgemäße Verbundstoffmaterial stellt einen wichtigen kommerziellen Fortschritt im Bereich der gegossenen Verbundstoffmaterialien dar. Das Material kann von einem primären Verbundstoffmaterialzulieferer gemischt und gegossen, und in Form gegossener Barren zum Umschmelzen und Gießen in die geforderten präzisen Formen an eine Gießerei geliefert werden. Die Zusammensetzung der Matrixlegierung ist so ausgewählt, daß die Umschmelzpraxis in der Gießerei herkömmlichen Umschmelzpraktiken entspricht, die für gegossene Verbundstoffmaterialien mit herkömmlichem Legierungsgehalt nicht möglich wären. Das geschmolzene Verbundstoffmaterial behält eine exzellente Fließfähigkeit, selbst wenn es in einem Umschmelztiegel für ausgedehnte Zeiträume und bei Temperaturen gehalten wird, die zuvor für unakzeptabel hoch erachtet wurden, da sie unerwünschte Reaktionsprodukte erzeugen.The composite material of the invention represents an important commercial advance in the field of cast composite materials. The material can be mixed and cast by a primary composite material supplier and delivered to a foundry in the form of cast ingots for remelting and casting into the required precise shapes. The composition of the matrix alloy is selected so that remelting practices in the foundry conform to conventional remelting practices that would not be possible for cast composite materials of conventional alloy content. The molten composite material retains excellent flowability even when held in a remelting crucible for extended periods of time and at temperatures previously considered unacceptably high because they produce undesirable reaction products.
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