DE69131863T2 - Beimengung von keramikpartikeln in eine kupferbasismatrix zur herstellung von kompositmaterial - Google Patents
Beimengung von keramikpartikeln in eine kupferbasismatrix zur herstellung von kompositmaterialInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials aus Kupfer oder einer Kupferlegierung unter Einschluß einer zweiten Phase von Teilchen. Genauer gesagt, betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kupferverbundlegierung, wobei eine zweite Phase von Keramikteilchen in einer Matrix aus Kupfer oder einer Kupferlegierung fein verteilt vorliegt.
- Kupfer und Kupferlegierungen sind in vielen Anwendungen nützlich. Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, die Eigenschaften von Kupfer oder Kupferbasislegierungen durch den Einschluß von Keramikteilchen zu modifizieren, um solche Eigenschaften wie Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Härte, Elastizitätsmodul und thermische Eigenschaften zu verbessern.
- Jedoch muß bei solchen Keramikteilchen, welche die Eigenschaften der Legierung wirksam verbessern sollen, die Festigkeit der Grenzschicht zwischen der Matrix und den Teilchen groß sein. Das heißt, die Keramikteilchen müssen sich mit dem Matrixmaterial verbinden. Im Falle von Kupfer wurde festgestellt, daß sich die Keramikteilchen unter normalen Gießbedingungen nicht an die Kupfermatrix binden und die resultierende Legierung entsprechend keine verbesserten Eigenschaften aufweist.
- Ein relativ neues Verfahren zum Gießen von Metall ist das Sprühkompaktierverfahren, das allgemein aus dem Zerstäuben eines feinen Strahls geschmolzenen Metalls, dem Ablagern der Teilchen auf einem Kollektor, wo die heißen Teilchen erstarren, um eine Vorform zu bilden, und dem anschließenden Bearbeiten oder der direkten maschinellen Bearbeitung der Vorform besteht, um die Endform bzw. erforderlichen Eigenschaften zu erzeugen.
- Eine Ausführungsform eines solchen Sprühkompaktierverfahrens ist allgemein als das OSPREY-Verfahren bekannt und wird in US-A RE 31 767 und US-A- 4 804 034 sowie in GB-A-2 112 900 genauer beschrieben. Weitere Einzelheiten des Verfahrens sind in der Veröffentlichung mit dem Titel "The Osprey Preform Process" von R. W. Evans, et al. Powder Metallurgy, Vol. 28, No. 1 (1985) enthalten.
- Beim OSPREY-Verfahren wird ein kontrollierter Strahl geschmolzenen Metalls in eine Verdüsungsvorrichtung gegossen, wo er durch Gasstrahlen, normalerweise aus Stickstoff oder Argon, zerteilt und beschleunigt wird. Der resultierende Sprühstrahl aus Metallteilchen wird auf einen "Kollektor" gerichtet, wo die heißen Teilchen wieder kompaktieren und eine hochdichte Vorform bilden. Der Kollektor wird an einem Mechanismus befestigt, der eine Folge von Bewegungen in dem Sprühstrahl ausführt, so daß die gewünschte Vorform erzeugt werden kann. Die Vorform kann dann weiterbearbeitet werden, normalerweise durch Warmumformen, um ein Halbzeug oder Fertigprodukt zu bilden.
- Das OSPREY-Verfahren wurde auch entwickelt zur Herstellung von Bändern oder Platten oder sprühbeschichteten Bändern oder Platten, wie in US-A-3 775 156 und in EP-A-0 225 080 beschrieben. Zur Herstellung dieser Produkte wird ein Substrat oder Kollektor wie ein flaches Substrat oder endloses Band kontinuierlich durch den Sprühstrahl bewegt, um eine gleichmäßig dicke Ablagerung über seine Breite zu erhalten.
- JP-A-60 152 644 beschreibt eine Kupferlegierung, die Chrom, Zirkon, Zirkonoxid und ein aus Lithium, Magnesium und seltenen Erdmetallen gewähltes Desoxidationsmittel enthält. Die geschmolzene Legierung wird in eine Metallform gegossen, während die Zirkonoxidteilchen in die strömende, geschmolzene Kupferlegierung geblasen werden. WO-A-89/05 870 beschreibt ein Sprühkompaktierverfahren, bei dem ein Zusatz oder Reaktand zur Diffusion oder Reaktion mit einem Grundmaterial, das zerstäubt wird, hinzugegeben wird. Der Zusatz kann aus Teilchen eines anderen Metalls, einer anderen Metalllegierung, eines anderen keramischen Materials oder nicht metallischen Materials bestehen, die in den Strom oder den Sprühstrahl eingeleitet werden, um einen Legierungszusatz zum Grundmaterial zu bilden.
- WO-A-86/07 613 beschreibt ein Verfahren zum Dispersionshärten von Kupfer, bei dem eine Schmelze, basierend auf dem Matrixmetall mit Zusätzen von Bor und boridbildenden Metallen, erhitzt wird und dann einer extrem schnellen Erstarrung durch Sprühen unterzogen wird. Die verwendeten boridbildenden Metalle sind vorzugsweise Ti bzw. Zr, wobei ein Überschuß dieser boridbildenden Metalle vorliegt.
- Es wurde festgestellt, daß in Übereinstimmung mit dem Verfahren dieser Erfindung, wie in Patentanspruch 1 gefordert, das Sprühkompaktierverfahren zum Gießen von Verbundmaterial aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, das Keramikmaterial enthält, verwendet werden kann. Die zweite Phase fester Keramikteilchen wird beim Sprühkompaktieren in ein Kupfer oder eine Kupferlegierung eingeleitet, wenn das Kupfer oder die Kupferlegierung ein eutektisches, reaktives Element enthält, das fähig ist, in die Keramikteilchen zu diffundieren. Das Kupfer, welches das reaktive Element enthält, wird mit den festen Keramikteilchen sprühkompaktiert, welche in den Sprühstrahl des geschmolzenen Metalls eingeleitet werden, bevor es auf dem Substrat abgelagert wird. Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden unter Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung und die beigefügte Zeichnung, in der die Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Sprühkompaktiervorrichtung zeigt, die zur Herstellung von Verbundmaterial gemäß vorliegender Erfindung geeignet ist.
- In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein sprühkompaktiertes Kupferverbund material aus einer Kupfer- oder Kupferlegierungsmatrix mit einer zweiten Phase fester Keramikteilchen, wie in Patentanspruch 4 gefordert, hergestellt, indem zuerst die Kupfer- oder Kupferlegierungsmatrix mit einem eutektischen, reaktiven Element, das fähig ist, in die Keramikteilchen zu diffundieren, niedriglegiert wird.
- Im allgemeinen enthalten die keramischen Werkstoffe, welche gemäß vorliegender Erfindung die zweite Phase von Teilchen in der Kupfer- oder Kupferlegierungsmatrix bilden, Oxide, Boride, Nitride, Karbide und Gemische davon, die bei konventionellen Gießverfahren schwer mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung zu verbinden sind. Spezifische Werkstoffe, die sich besonders zur Verwendung bei dieser Erfindung eignen, umfassen Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Titannitrid, Titanoxid, Siliziumnitrid, Titanborid, Zirkonborid und Wolframkarbid.
- Diese Teilchen werden als Feststoffteilchen in den Sprühstrahl des geschmolzenen Kupfermaterials eingeführt, das ein eutektisches, reaktives Element enthält. Das eutektische, reaktive Element sollte ein Element sein, das fähig ist, in die Keramikteilchen zu diffundieren und auch mit dem Kupfer oder der Kupferlegierung zu legieren. Solche eutektischen, reaktiven Elemente umfassen Zirkon, Chrom und Titan. Aluminium und Magnesium können auch verwendet werden, gelten jedoch als nicht so wirksam wie die zuvor erwähnten Werkstoffe.
- Das reaktive Element oder die reaktiven Elemente können durch jeden konventionellen Legierungsprozeß mit einer Kupferkomponente legiert werden, indem sie der Kupferschmelze beigefügt werden, bevor die Schmelze zerstäubt und sprühkompaktiert wird. Die Menge eines solchen reaktiven Elements sollte ausreichend sein, um in das keramische Material zu diffundieren, damit eine gute Verbindung zwischen dem keramischen Material und der Kupfermatrix erfolgt. Die Menge eines solchen Materials liegt ungefähr zwischen 0,01 bis 5,0 Gewichtsprozent und vorzugsweise ungefähr zwischen 0,1 bis 1,0 Gewichtsprozent.
- Das Kupfermaterial, welches das reaktive Element enthält, wird auf ein bewegtes Substrat sprühkompaktiert, auf welchem es erstarrt und ein Gußerzeugnis bildet. Die festen Keramikteilchen werden eingeleitet, indem sie entweder in den Gasstrom, der zur Zerstäubung der Kupferschmelze verwendet wird, oder direkt in den Sprühstrahl injiziert werden.
- Fig. 1 zeigt eine Sprühkompaktiervorrichtung 10, die zur Herstellung eines Endlosbandes aus Verbundmaterial A verwendet wird.
- Die Sprühkompaktiervorrichtung 10 verwendet einen Tundish 12, der eine Metallegierung mit einer gewünschten Zusammensetzung B in geschmolzener Form hält. Der Tundish 12 erhält die geschmolzene Legierung B aus einem kippbaren Schmelzofen 14 über eine Überführungsrinne 16. Der Tundish 12 hat außerdem eine Bodendüse 18, durch welche die geschmolzene Legierung B in einen kontinuierlichen Strom C austritt. Ein Gaszerstäuber 20 befindet sich unter der Tundishbodendüse 18 in einer Sprühkammer 22 der Vorrichtung 10. Der Zerstäuber 20 wird aus jeder geeigneten Quelle mit einem Druckgas gespeist. Das Gas dient zur Zerstäubung der geschmolzenen Metalllegierung und sorgt außerdem für eine Schutzgasatmosphäre, um eine Oxidation der zerstäubten Tropfen zu vermeiden. Ein besonders bevorzugtes Gas ist Stickstoff. Der Stickstoff sollte eine niedrige Sauerstoffkonzentration haben, um die Bildung unerwünschter Oxide zu vermeiden. Eine Sauerstoffkonzentration von weniger als ca. 100 ppm und vorzugsweise weniger als ca. 10 ppm kann verwendet werden.
- Der Zerstäuber 20 umgibt den geschmolzenen Metallstrahl C und hat eine Vielzahl von Düsen 20A, aus denen das Gas austritt, um auf den Strahl C zu treffen und diesen in den Sprühstrahl D zu verwandeln, der aus einer Vielzahl von Schmelzetröpfchen besteht. Diese Tröpfchen werden von dem Zerstäuber 20 in Form eines divergierenden konischen Musters nach unten gerichtet. Wenn erwünscht, kann mehr als ein Zerstäuber 20 verwendet werden. Der (die) Zerstäuber 20 kann (können) in einem gewünschten Muster bewegt werden, damit die geschmolzenen Metallteilchen gleichmäßiger verteilt werden.
- [0018] Ein kontinuierliches Substratsystem 24, wie von Vorrichtung 10 verwendet, wird horizontal unterhalb des Gaszerstäubers 20 in der Sprühkammer 22 angeordnet. Das Substratsystem 24 umfaßt einen Antrieb, bestehend aus einem Paar Walzen 26, ein endloses Substrat 28 in Form eines elastischen Bandes zwischen den Walzen 26 und eine Reihe von Rollen 30, die eine obere Bahn 32 des endlosen Substrates 28 stützen. Die obere Bandseite 32 verläuft direkt unter dem divergierenden Muster des Sprühstrahls D. Auf der Bandoberfläche 32A scheiden sich die zerstäubten Metallteilchen unter Bildung des Metallbandmaterials A ab.
- [0019] Die keramischen Materialien können in die Vorrichtung 10 eingeleitet werden, indem sie der Kammer 34 des Zerstäubers 20 zugeführt werden, wo sie sich mit dem Gas vermischen und durch die Düsen 20A austreten, worauf sie sich mit dem Sprühstrahl D vermischen. Alternativ könnten sie direkt in den Strom C eingeführt werden, bevor dieser in den Zerstäuber 20 gelangt, oder in den Sprühstahl D eingeleitet werden, wenn dieser aus dem Zerstäuber 20 austritt.
- [0020] Als Beispiel wurden Siliziumkarbidteilchen in die Kammer eines Zerstäubers injiziert, der zur Sprühkompaktierung von Kupfer und einer Kupferlegierung, die 0,2 Prozent Zirkon enthält, verwendet wird. Durch Analyse mit einem Rasterelektronenmikroskop wurde beobachtet, daß die Siliziumkarbidteilchen brechen, was darauf hindeutet, daß die Festigkeit der Grenzschicht größer war als die der Teilchen selbst. Jedoch beim Zugversuch von Kupfer allein plus Siliziumkarbidteilchen trat ein Versagen an der Grenzfläche auf, was zeigte, daß die Festigkeit der Grenzschicht geringer war als die der Teilchen selbst. Somit kommt man zum Schluß, daß die Festigkeit der Grenzfläche zwischen den Siliziumkarbidteilchen und der Kupfermatrix durch Niedriglegieren des Kupfers mit dem reaktiven Element verbessert wurde.
- [0021] Obwohl die Erfindung oben beschrieben wurde im Zusammenhang mit einem Sprühkompaktierverfahren, das zum Gießen von Bändern oder dünnen Metallplatten angewandt wird, kann die Erfindung auch zum Sprühkompaktieren anders geformter Produkte oder Vorformen verwendet werden.
Claims (7)
1. Sprühkompaktierverfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf
Kupferbasis, das ein Keramikmaterial enthält, gekennzeichnet durch:
Zerstäuben eines Schmelzestrahls aus Kupfer oder einer
Kupferbasislegierung mit etwa 0,01 bis etwa 5,0% Gewichts-% eines eutektischen, reaktiven
Elements, das aus der aus Zirkonium, Chrom, Titan, Aluminium, Magnesium
und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist und das in
Keramikteilchen diffundieren kann,
Einleiten fester Keramikteilchen in den Sprühstrahl, wobei die
Keramikteilchen aus der aus Oxiden, Boriden, Nitriden, Karbiden und Mischungen
davon bestehenden Gruppe ausgewählt sind, und
Ablagern des Strahls auf einem bewegten Substrat, um die Ablagerung unter
Bildung einer Kupferbasislegierung erstarren zu lassen, die eine zweite
Phase von Keramikteilchen enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Keramikmaterial aus der aus Titanoxid, Titannitrid, Siliziumcarbid
und Aluminiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das eutektische Material im Kupfer oder in der Kupferbasislegierung in
einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gewichts-% vorhanden ist.
4. Sprühkompaktiertes Verbundmaterial auf Kupferbasis, gekennzeichnet durch
eine Matrix aus Kupfer oder einer Kupferbasislegierung mit einem
eutektischen, reaktiven Element, das aus der aus Zirkonium, Chrom, Titan und
Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
und mit Keramikteilchen, die aus der aus Siliziumcarbid, Aluminiumoxid,
Titannitrid, Titanoxid, Siliziumnitrid, Wolframcarbid und Mischungen davon
bestehenden Gruppe ausgewählt sind,
wobei das reaktive Element unter Bildung einer zweiten Phase mit der Matrix
in die Keramikteilchen diffundiert ist und an diese Matrix gebunden ist.
5. Verbundmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem eutektischen Element um Zirkonium und bei den
Keramikteilchen um Siliziumcarbid handelt.
6. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch
gekennzeichnet,
daß das eutektische Material im Kupfer oder in der Kupferbasislegierung in
einer Menge von etwa 0,01 bis etwa 5,0 Gewichts-% vorhanden ist.
7. Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet,
daß das eutektische Material im Kupfer oder in der Kupferbasislegierung in
einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gewichts-% vorhanden ist.
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