DE69223950T2

DE69223950T2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Metallmatrixverbundmaterial

Info

Publication number: DE69223950T2
Application number: DE69223950T
Authority: DE
Inventors: Richard Bruski; David Schuster; Michael Skibo
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1991-03-11
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: WO1992015412A1; NO303722B1; AU1333592A; ATE161760T1; JPH06505198A; NO933243D0; NO933243L; EP0575397A1; JP3096064B2; DE69223950D1; EP0575397B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Komposits aus einer Metallegierung gemäß der Präambel von Anspruch 1 bzw. 11.
Metallmatrixkompositmaterialien gewinnen zunehmend an Akzeptanz als Konstruktionsmaterialien. Metallmatrixkomposite sind typischerweise aus Verstärkungsteilchen, wie beispielsweise Fasern, Grobstaub, Pulver oder ähnlichem, zusammengesetzt, die in eine Metallmatrix eingebettet sind. Das Verstärkungsmaterial vermittelt die Kompositfestigkeit, Steifigkeit und andere wünschenswerte Eigenschaften, wohingegen die Matrix die Fasern schützü und Belastungen innerhalb des Komposits weiterleitet Die zwei Komponenten, Matrix und Verstärkungsmaterial, wirken folglich kooperativ, wodurch Ergebnisse erzielt werden, die im Vergleich zu denjenigen der einzelnen Bestandteile verbessert ist.

Stand der Technik

Vor zwanzig Jahren waren derartige Materialien aufgrund der sehr hohen Herstellungskosten und mangelnder Akzeptanz bei Konstrukteuren wenig mehr als Laborkuriositäten. In neuerer Zeit wurden für solche Materialien viele Anwendungen entdeckt, und ihr Verwendungsanteil hat zugenommen. Die hohen Herstellungskosten für Kompositmaterialien bleiben jedoch ein Problem, das ihre breitere Anwendung verlangsamt, und es besteht ein anhaltender Bedarf nach Herstellungsverfahren, nach denen Kompositmaterialien annehmbarer Qualität zu einem Preis hergestellt werden können, daß sie mit herkömmlichen Substituten, wie hochfesten Legierungen, konkurrenzfähig macht.
Unverstärkte Metallegierungen werden üblicherweise durch Schmelz- und Gießverfahren herstellt. Schmelzen und Gießen läßt sich bei der Herstellung von verstärkten Kompositmaterialien nicht leicht anwenden, da die Verstärkungsteilchen mit dem geschmolzenen Metall während des Schmelzens und Gießens chemisch reagieren können. Ein weiteres Problem ist, daß das geschmolzene Metall die Oberfläche der Teilchen häufig nicht leicht benetzt, so daß Mischungen aus beiden leicht getrennt werden oder nach dem Gießen schlechte mechanische Eigenschaften aufweisen.
In der Vergangenheit waren Versuche zur Herstellung von Metallegierung-Teilchenkompositen durch Zugabe des teilchenförmigen Materials zu der geschmolzenen Legierung und nachfolgendes Gießen der resultierenden Mischung nicht besonders erfolgreich gewesen. Es wurde postuliert, daß die Hauptschwierigkeit bei einer solchen Vorgehensweise darin liegt, daß die am meisten wünschenswerten Teilchenmaterialien, wie beispielsweise Siliciumcarbid, durch geschmolzene Metallegierungen nicht leicht benetzt werden. Als Ergebnis war die Einführung und Zurückhaltung der Teilchen in der flüssigen Matrix extrem schwierig, wenn nicht unmöglich.
Die Fähigkeit zur Herstellung derartiger Komposite durch Schmelzen und Gießen würde bedeutsame technische und ökonomische Vorteile aufweisen, und demzufolge wurden viele Versuche zur Herstellung derartiger Komposite gemacht, und es wurde vorgeschlagen, daß die Benetzbarkeit durch Beschichtung der Teilchen mit Nickel erzielt werden könnte.
Eine weitere Technik beinhaltete die Förderung der Benetzung der feuerfesten Teilchen in der Schmelze durch Sättigung der Schmelze mit Anionen der feuerfesten Teilchen. Ein anderes Verfahren beinhaltet die Zugabe von Elementen wie Lithium, Magnesium, Silicium und Calcium zu der Schmelze vor der Zugabe der feuerfesten Teilchen. Ein weiteres Verfahren beinhaltet die Zugabe von Siliciumcarbidteilchen zu einer heftig gerührten, teilweise verfestigten Aufschlämmung der Legierung, die bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Liquidustemperatur der Legierung gehalten wird, so daß feste Metallteilchen vorhanden sind. Ein noch weiterer Versuch zur Verbesserung der Benetzbarkeit des teilchenförmigen Materials beinhaltete, daß große teilchenförmige Materialien und Fasern in der Schmelze einem Ionenbombardment, mechanischem Rühren, Vakuum und Wärme ausgesetzt wurden, bevor sie mit der geschmolzenen Legierung vermischt wurden, wodurch Feuchtigkeit, Sauerstoff, adsorbierte Gase und oberflächliche Filme daraus entfernt wurden.
Die Herstellung von Aluminiumlegierungs-Aluminiumfaser- Kompositstoffen macht in einer Vorgehensweise Gebrauch von einer Rührerklinge mit Schaufeldesign, worin die Klinge so konstruiert ist, daß sie sich sehr dicht an den Wänden des Tiegels bewegt, wodurch eine hohe Scherung induziert und ein Wirbel zur Einführung der Fasern in die Schmelze gebildet wird. Das Verfahren erfordert ferner ein Prallblech (buffle), das langsam unter die Oberfläche der Schmelze mit einem Neigungswinkel von ungefähr 45C in Richtung des Flusses eingetaucht wird. Die Funktion des Prallblechs ist die Zerteilung des Fließmusters in der Schmelze und die Unterstützung des Einschlusses der Fasern unter der Oberfläche der Schmelze.
In noch einer weiteren Vorgehensweise werden Komposite, wie beispielsweise Aluminium-Siliciumcarbid-Teilchenkomposite unter Anwendung des Wirbeldispersionsverfahrens von Teilchen hergestellt. Die Teilchen werden für 60 Minuten bei 900ºC vorgeheizt, bevor sie zu der Schmelze zugegeben werden, wodurch ihre Einführung in die Schmelze unterstützt wird. Der Wirbel wird durch rasches Rühren der Schmelze mit einem mechanischen Rührer hervorgerufen, der die Bildung eines tiefen Wirbels bewirkt. Das teilchenförmige Material wird zur Unterstützung der schnellen Inkorporierung der Teilchen in die Schmelze und der Benetzung der Teilchen durch das geschmolzene Material an den Seiten des Wirbels zugegeben. Nach diesem Verfahren hergestellte Komposite neigen dazu, eine schlechte Bindung des Metalls an das teilchenförmige Material sowie eingeschlossenes Gas aufzuweisen.
In einer Abwandlung der Schmelz- und Gießtechniken wird die Verstärkung als eine Matte aus gepacktem Material bereitgestellt, und die geschmolzene Legierung wird unter Druck in die verbleibenden Zwischenräume hineingezogen. Dieser Prozeß, der als Infiltrations- oder Preßguß bezeichnet wird, erzeugt ein Komposit, das intern nicht gut gebunden ist. Darüber hinaus ist dieser Prozeß teuer und schwierig anzuwenden, da eine für jedes Teil spezifische Vorrichtung gebaut werden muß.
Alle zuvor genannten Schmelz- und Gießtechniken weisen hauptsächlich aufgrund der spezialisierten und kostspieligen Modifikationen, die an dem teilchenförmigen Material oder der geschmolzenen Legierung zur Erzielung der Benetzung durchgeführt werden müssen, Nachteile auf. Darüber hinaus haben sich diese Techniken bei der Hestellung von Kompositmaterialien in großem Maßstab für industrielle Anwendungen als nicht erfolgreich erwiesen.
Ein weiterer kommerzieller Ansatz zur Herstellung von Kompositen mit einer Metallmatrix und teilchenförmigem Verstärkungsmaterial erfolgt unter Anwendung von Pulvermetallurgischen Techniken. In einem Beispiel für Pulvermetallurgische Verfahren wird sorgfältig gesiebtes Aluminiumpulver mit teilchenförmigem Siliciummaterial in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels gemischt. Das Lösungsmittel ist erforderlich zur Verhinderung einer pyrophoren Reaktion zwischen dem Aluminium und Luftsauerstoff. Die Mischung wird in Trocknungsgefäße gegossen und das Lösungsmittel wird über einen bestimmten Zeitraum abgedampft. Die trockenen, unverfestigten Blätter, die ungefähr 1 mm dick sind, werden übereinandergelegt, wodurch eine Platte der gewünschten Dicke gebildet wird. Dieser zerbrechliche Stapel aus Blättern wird in eine Presse plaziert und auf den Flüssig-Fest-Bereich der Matrix erhitzt, in dem das Metall einen aufschlämmungsartigen Charakter zeigt. Der Stapel wird dann gepreßt, wodurch die Teilchen verfestigt werden und eine feste Platte gebildet wird.
In einem weiteren pulvermetallurgischen Verfahren werden die Siliciumcarbidteilchen und Aluminium wie oben vermischt, jedoch wird das gemischte Pulver in eine zylindrische Form gegossen und durch Vakuumheißpressen zur einem zylindrischen Barren verfestigt. Aufgrund der hohen Kosten der Rohmaterialien, insbesondere des Aluminiumpulvers, und der Komplexität des Herstellungsverfahrens verhindern die gegenwärtigen Kosten der Komposite ihre großmaßstäbige Verwendung in vielen Bereichen. Die Pulververfahren resultieren in einer beträchtlichen Segregation der Legierungselemente in dem Metallmatrixmaterial, was aufgrund der nachteiligen Wirkung auf die mechanischen und physikalischen Eigenschaften unerwünscht ist.
Beide oben beschriebenen kommerziellen pulvermetallurgischen Verfahren führen zu Kompositen, die, obwohl sie hohe Moduli und eine ausreichende Festigkeit aufweisen, eine niedrige Duktilität und Formbarkeit besitzen. Der in diesen Verfahren erforderliche komplexe Überhitzungs- und Deformationszyklus ruft eine extensive Elementarsegregation in der Matrix hervor, wodurch die Duktilität abnimmt, und die Erzielung einer maximalen Matrix- und Kompositfestigkeit verhindert wird. Ein weiteres Problem ist das Zurückbleiben des Oberflächenoxids, das die ursprünglichen Aluminiumpulverteilchen bedeckt, was zu einer weiteren Abnahme der Matrixduktilität führt. Ferner scheint es, daß die Oxidschicht die vollständige Vernetzung der Carbidteilchen verhindert, wodurch die letztendlichen Kompositeigenschaften weiter eingeschränkt werden.
US-PS 4,473,103 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Komposits aus einer Metallegierung, die mit einem vorher bestimmten Volumenanteil nichtmetallischer Teilchen verstärkt ist. Sie offenbart zwei oben offene Tanks, von denen einer ein Mischtank mit Tiefwirbelmischung ist, und der andere im wesentlichen eine Haltestation darstellt, die nur soweit gerührt wird, daß die Mischung homogen bleibt. Heftiges Rühren, das zur Förderung der Benetzung ausreicht, wird nur in einem der Tanks durchgeführt. Die Mischung wird ohne jegliche Versuche zur Minimierung der Einführung von Gas in die Mischung durchgeführt.
Es besteht ein anhaltender Bedarf für weitere Verbesserungen bei der Verwendung der Schmelz- und Gießverfahren zur Herstellung von Metallkompositen mit guten Eigenschaften. Das Verfahren und die Vorrichtung müssen auch dahingehend annehmbar sein, daß die Kompositmaterialien relativ kostengünstig hergestellt werden, sowohl im Vergleich mit anderen Verfahren zur Herstellung von Kompositen als auch mit Verfahren zur Herstellung konkurrierender Materialien. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und stellt darüber hinaus damit verbundene Vorteile bereit.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Matallmatrixkompositmaterials bereit, worin durchgehend nichtmetallisches teilchenförmiges Feuerfestkeramikverstärkendes Material dispergiert ist. Das Verfahren ist kontinuierlich, und bietet damit die Möglichkeit zur Reduzierung der Herstellungskosten unter die hohen Kosten, die bei diskontinuierlichen Herstellungsverfahren anfallen. Das kontinuierliche Fließverfahren ist geeignet zur Herstellung von Kompositmaterial für sowohl Gieß- als auch Schmiedeanwendungen. In der ersteren können die Komposite unter Anwendung einer große Bandbreite herkömmlicher und nichtherkömmlicher Techniken gegossen werden. In letzterer ist das Kompositmaterial durch industrielle Standardvorgehensweisen, wie Walzen und Extrusion, zu halbverarbeiteten Produkten formbar.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Komposits aus einer Metallegierung, die mit einem vorherbestimmten Volumenanteil nichtmetallischer Teilchen verstärkt ist, die Schritte des Schmelzens der Metallegierung, Zugabe eines vorherbestimmten Volumenanteils an nichtmetallischem, teilchenförmigen Material und Vermischen der geschmolzenen Metallegierung mit dem teilchenförmigen Material in einem Mischer, wodurch die Teilchen mit dem geschmolzenen Teil benetzt werden, unter solchen Bedingungen, daß die Teilchen durch das gesamte Volumen der geschmolzenen Mischung verteilt werden, und die Teilchen und das geschmolzene Material zur Verbesserung der Benetzung der Teilchen mit dem Metall gegeneinander verschert werden. Das Mischen wird bei einer Temperatur durchgeführt, bei der die Teilchen im wesentlichen nicht in der zur Vervollständigung des Mischungsschrittes erforderlichen Zeit im geschmolzenen Metall zersetzt werden; und Gießen der aus dem Mischer entnommenen Kompositmischung. Gemäß den neuen Merkmalen wird das Mischen in einem kontinuierlichen Flußsystem mit mehreren Mischstufen durchgeführt, umfassend mindestens einen röhrenförmigen Mischkessel mit Mischvorrichtungen zur Durchmischung der geschmolzenen Legierung mit dem teilchenförmigen Material. Die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material werden kontinuierlich an einem Ende einer ersten Mischstufe zugeführt, und die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material werden in der ersten Mischstufe vermischt, wobei sichergestellt wird, daß die gesamte geschmolzene Legierung, die durch die Mischstufe hindurchtritt, dem Mischvorgang unterzogen wird. Die in der ersten Mischstufe gebildete Kompositmischung wird kontinuierlich in mindestens eine weitere Mischstufe überführt, wobei die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material in jeder weiteren Mischstufe weiter vermischt werden, und gleichzeitig sichergestellt wird, daß das gesamte Kompositmaterial, das durch die weitere Mischstufe hindurchtritt, dem Mischvorgang unterzogen wird. Das Mischen in jeder Stufe wird mit ausreichender Scherung zur Benetzung der Teilchen mit dem Metall durchgeführt, und in jeder Stufe wird die Einführung von Gasen in die und die Zurückhaltung von Gasen in der Mischung aus Teilchen und geschmolzenem Metall minimiert. Aus der letzten Mischstufe wird kontinuierlich eine Kompositmischung für das Gießen entfernt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein kontinuierliches Fließverfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials durch Vermischen der geschmolzenen Metallegierung mit den Verstärkungsteilchen. Flüsse der geschmolzenen Legierung und der Teilchen werden in den Mischer eingeführt, wo sie unter geeigneten Bedingungen zur Erzielung einer homogenen Mischung des benetzten teilchenförmigen Materials in der Schmelze vermischt werden. Die Flußgeschwindigkeiten der geschmolzenen Legierung und der Teilchen sind so gesteuert, daß eine vorherbestimmte Gesamtflußgeschwindigkeit und ein vorherbestimmtes Verhältnis von teilchenförmigem Material zu geschmolzenem Metall erzielt wird, so daß das finale feste Komposit einen vorherbestimmten Volumenanteil an teilchenförmigem Material aufweist.
Vorzugsweise ist das Metallmaterial eine Aluminiumlegierung, obwohl auch andere Materialien wie Magnesiumlegierungen verwendet werden können. Das nichtmetallische, teilchenförmige Material ist vorzugsweise ein Metalloxid, Metallnitrid, Metallcarbid, Metallsilicid oder Glas. Das am meisten bevorzugte Kompositmaterial ist Siliciumcarbid oder teilchenförmiges Aluminiumoxid-Verstärkungsmaterial in einer Aluminiumlegierungsmatrix.
In herkömmlichen Gießverfahren ist es üblicherweise wünschenswert, das geschmolzene Metall bei einer hohen Temperatur zu vergießen, wodurch die Viskosität des Metalls herabgesetzt ist, so daß es leicht gegossen werden kann. Betrachtungen der Reaktion des teilchenförmigen Materials und der geschmolzenen Legierung finden jedoch Eingang in die Auswahl der Temperatur in dem vorliegenden Verfahren. Während der Mischungs- und Gießschritte darf das geschmolzene Metall nicht auf eine zu hohe Temperatur erhitzt werden, oder es tritt eine unerwünschte Reaktion zwischen dem teilchenförmigen Material und dem geschmolzenen Metall auf, die die Festigkeit des teilchenförmigen Materials und die Eigenschaften des finalen Komposits verschlechtern.
Die maximale Temperatur ist daher so ausgewählt, daß kein wesentliches Ausmaß an Reaktion zwischen den Teilchen und der metallischen Schmelze in der zur Vollendung der Verarbeitung erforderlichen Zeit auftritt. Für die vorliegende Vorgehensweise ist die maximale Misch- und Gießtemperatur ungefähr 20ºC oberhalb des Liquiduspunktes für Metallegierungen, die flüchtige reaktive Legierungselemente enthalten, ungefähr 70ºC über dem Liquiduspunkt für die meisten herkömmlichen Metallegierungen, und ungefähr 100ºC bis ungefähr 125ºC oberhalb des Liquiduspunktes für Metallegierungen, die Elemente enthalten, die die Beständigkeit gegenüber der Reaktion erhöhen. Aufgrund der kurzen Mischdauer können jedoch unter einigen Umständen höhere Temperaturen toleriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der geschmolzenen Mischung aus Metall und teilchenförmigem Material während des Mischschrittes ein Vakuum angelegt. Das Vakuum reduziert die für die Einführung in die Schmelze verfügbaren atmosphärischen Gase und neigt ferner dazu, gelöste, eingefangene und adsorbierte Gase während des Mischens aus der Schmelze herauszuziehen. Die Stärke des Vakuums ist für Metallegierungen, die keine flüchtigen Bestandteile, wie Zink oder Magnesium enthalten, nicht kritisch. Wenn jedoch flüchtige Elemente vorhanden sind, wird das Vakuum so ausgewählt, daß die flüchtigen Elememte nicht in unannehmbar hohem Ausmaß aus der Legierung entfernt werden. Als bevorzugtes Vakuum hat sich ein solches herausgestellt, das die bevorzugte Reduktion an Gasen bereitstellt und gleichzeitig den Verlust an flüchtigen Elementen minimiert.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kompositmaterial besitzt eine Mikrostruktur aus der Metallmatrix, worin teilchenförmiges Material im allgemeinen gleichmäßig und homogen über das gesamte Gießvolumen verteilt ist. Das teilchenförmige Material ist gut mit der Matrix verbunden, da die Matrix während der Herstellung das teilchenförmige Material benetzt hat. Zwischen dem teilchenförmigen Material und der Metallmatrix befindet sich keine signifikante Oxidschicht. Das gegossene Komposit ist besonders geeignet zum Gießen und für Gußanwendungen, wenn die Matrixlegierung eine gießbare Zusammensetzung ist. Für ein Komposit, in dem eine Schmiedelegierungsmatrix verwendet wird, wird die Verabeitung durch bekannte primäre Formbildungsoperationen, wie Walzen und Extrudieren, erzielt.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines kontinuierlichen Flusses eines Komposits aus einer Metallegierung, die mit einem vorherbestimmten Volumenanteil an nichtmetallischen Teilchen verstärkt ist. Sie schließt Mischeinrichtungen zur Vermischung einer geschmolzenen Metallegierung mit einem teilchenförmigen Material ein, wodurch die Teilchen mit dem geschmolzenen Teil unter solchen Bedingungen benetzt werden, daß die Teilchen über das gesamte Volumen der Mischung verteilt werden, und die Teilchen und das geschmolzene Metall gegeneinander zur Unterstützung der Benetzung der Teilchen mit dem Metall gegeneinander geschert werden, und bei einer Temperatur, bei der die Teilchen innerhalb der zur Beendigung des Mischschrittes erforderlichen Zeit nicht wesentlich in dem geschmolzenen Metall chemisch zersetzt werden. Die neuen Merkmale der Vorrichtung schließen Mischeinrichtungen in Form eines kontinuierlichen Flußsystems mit mehreren Mischstufen ein, diese mehreren Stufen sind entweder (a) mindestens zwei senkrechte, röhrenförmige Mischkessel mit flußverbindenden Leitungen dazwischen, und Mischern zum Mischen der geschmolzenen Legierung und des teilchenförmigen Materials, oder (b) mindestens eine langgestreckter, horizontaler, röhrenförmiger Mischkessel mit Mischern zum Mischen der geschmolzenen Legierung und des teilchenförmigen Materials. Eine Zuführvorrichtung für geschmolzenes Metall führt kontinuierlich einen geschmolzenen Metallfluß in ein Ende der mehreren Mischstufen ein, eine Teilchenzuführvorrichtung führt kontinuierlich einen Fluß an teilchenförmigem Material in die mehreren Mischstufen ein, und Fluß-Prallbleche stellen sicher, daß die gesamte geschmolzene Legierung, die durch die mehreren Mischstufen hindurchtritt, dem Mischvorgang unterzogen wird. Es werden Einrichtungen zur Minimierung der Einführung von Gas in die und zur Minimierung der Zurückhaltung von Gas in der Mischung aus Teilchen und geschmolzenem Material in den Mischkesseln bereitgestellt, und es wird ein Kessel zur kontinuierliche Aufnahme eines Flusses aus gemischtem Kompositmaterial aus den mehreren Mischstufen bereitgestellt.
Die Vorrichtung macht vorzugsweise Gebrauch von einer oder mehreren Mischstufen. Wenn mehrere Mischstufen verwendet werden, so können diese in entweder einer oder mehreren Kammern bewirkt werden. In jeder Stufe werden das geschmolzene Metall und das teilchenförmige Material miteinander vermischt, beispielsweise mit einem Dispersionsrührflügel oder einer anderen Technik zur Erzielung einer ausreichenden Scherung des geschmolzenen Metalls gegen das teilchenförmige Material, wodurch das teilchenförmigen Material mit dem Metall benetzt wird. Es wird darauf geachtet, daß Luft oder anderes in nachteiliger Weise reagierendes Gas von der Beeinträchtigung des Benetzungsprozesses abgehalten wird, obwohl bei Bedarf geringe Mengen nützlicher Gase in den Mischer eingeführt werden können.
Es ist ersichtlich, daß das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung einen bedeutsamen und signifikanten Vorteil im Bereich der Herstellung von Kompositmaterialien darstellen. Die Kompositmaterialien werden in ökonomischer Weise mittels einer Vorrichtung hergestellt, die das teilchenförmige Verstärkungsmaterial direkt in das geschmolzene Metall inkorporiert, ohne daß ein Bedarf für eine Beschichtung oder anderweitige Behandlung der Teilchen vor der Inkorporierung besteht, sowie unter Verwendung herkömmlicher Metallegierungen. Das Verfahren ist wirtschaftlich konkurrenzfähig mit Verfahren zur Herstellung von unverstärkten Legierungen und erzeugt Komposite weit weniger teuer als andere Technologien. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in Verbindung mit den begleitenden Figuren, die anhand von Beispielen die Prinzipien der Erfindung illustrieren, aus der nachfolgenden detaillierteren Diskussion ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 ist eine schematische Seitenschnittansicht einer Schmelze in einem Tiegel vor, während und nach der herkömmlichen Rührflügelmischung;
Figur 2 ist eine Aufrißansicht eines Dispersionsrührflügels;
Figur 3 ist eine seitliche Schnittansicht der Mischvorrichtung, in der Dispersionsrührflügel verwendet wird, wobei zum Zwecke der Klarheit Teile weggebrochen sind, und worin die Vorrichtung diagrammartig gezeigt ist;
Figur 4 ist eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Mischvorrichtung;
Figur 5 ist eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Mischvorrichtung;
Figur 6 ist eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Mischvorrichtung.

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist verkörpert in einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung eines Kompositmaterials durch Inkorporierung von teilchenförmigem, nichtmetallischem Verstärkungsmaterial in eine geschmolzene Masse aus dem Matrixmaterial. Zur Herstellung eines annehmbaren Kompositmaterials muß das geschmolzene Metall die Oberfläche des teilchenförmigen Materials benetzen. Wenn keine Benetzung erzielt wird, so ist es schwierig, das teilchenförmige Material über die Masse des Metalls zu dispergieren, da das teilchenförmige Material auch dann an die Oberfläche aufsteigt, wenn es mittels eines Mischers unter die Oberfläche gezwungen wurde. Unbenetztes teilchenförmiges Material resultiert auch in nicht zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften des gegossenen festen Kompositmaterials, insbesondere bei teilchenförmigem Material mit einem relativ kurzen Verhältnis der Länge zur Dicke, auch als Seitenverhältnis bezeichnet. Bei Teilchen mit einem kurzen Seitenverhältnis im Bereich von 1 - 5 muß eine gute Bindung an der Grenzfläche zwischen Teilchen und der Matrix vorhanden sein, damit gute Festigkeits- und Steifheitswerte erzielt werden. In Abwesenheit von Vernetzung der Teilchen mit der geschmolzenen Matrix kann eine gute Bindung nicht leicht erzielt werden.
Die Benetzung eines Teilchens mit einem Metall ist ein Phänomen, an dem ein Feststoff und eine Flüssigkeit in einem so engen Kontakt beteiligt sind, daß die adhäsive Kraft zwischen den beiden Phasen größer ist als die Kohäsivkraft innerhalb der Flüssigkeit. Geschmolzene Metalle, wie Aluminium und Aluminiumlegierungen, benetzen viele typische nichtmetallische teilchenförmige Verstärkungsmaterialien unter geeigneten Bedingungen und breiten sich darauf aus, jedoch inhibiert die Anwesenheit bestimmter Kontaminationen an der Oberfläche zwischen dem Metall und den Teilchen die Benetzung. Insbesondere Gas und Oxide, die an der Oberfläche anhaften, inhibieren die Benetzung dieser Oberfläche mit dem geschmolzenen Metall. Es ist daher erforderlich, die Anwesenheit und die Wirkung von Gas und Oxiden zu minimieren, die sonst zwischen dem geschmolzenen Metall und dem teilchenförmigen Material eingelagert sind, damit dem geschmolzenen Metall die Benetzung der Oberfläche ermöglicht wird, wodurch das teilchenförmige Material während des Mischens und Gießens innerhalb des geschmolzenen Materials gehalten wird und gute Grenzflächen-Bindungseigenschaften nach dem Gießen und der Verfestigung unterstützt werden.
Es gibt eine Reihe von Quellen für Gas in einer geschmolzenen Mischung aus den Metall und teilchenförmigen Material, die mit der Benetzung der Teilchen mit dem Metall interferieren können. Gas wird auf der Oberfläche der ursprünglich bereitgestellten Teilchen adsorbiert. Auch nach sorgfältigem Reinigen haftet sich das Gas auch im Hochvakuum sofort wieder an der Oberfläche der Teilchen an. Diese Schichten inhibieren die anschließende Benetzung. Da die Oberflächenorte dazu neigen, zur Anhaftung oder Keimbildung von Blasen besonders bevorzugt zu sein, haften sich Gasblasen leicht selber an die Oberfläche des teilchenförmigen Materials nach dem Eintauchen in das geschmolzene Metall an.
In dem geschmolzenen Metall ist Gas in gelöster oder physikalisch darin festgehaltener Form vorhanden. Gasförmige Spezies sind ferner als Oxide auf der Oberfläche des Metalls vorhanden. Das zur erfindungsgemäßen Verwendung bevorzugte Metall, Aluminium, ist dafür bekannt, daß sich auf der Oberfläche des flüssigen oder festen Metalls rasch ein Oxid ausbildet, und daß dieses Oxid direkt die Benetzung inhibiert.
Gas kann auch in die geschmolzene Mischung aus Metall und teilchenförmigem Material durch die Mischtechnik eingeführt werden, die zur Mischung der beiden zur Förderung der Benetzung angewandt wird. In der bisherigen Praxis wurde zum Mischen ein Schaufelradtyp- oder Schiffsschraubentyp- Mischrührflügel zur Förderung des Mischens und Benetzens von Metall und teilchenförmigem Material verwendet. Die Schmelze wird mit einer hohen Geschwindigkeit gerührt, wodurch sich ein Wirbel oberhalb des Rührflügels ausbildet, und dann wird teilchenförmiges Material an den Seiten oder am Boden des Wirbels zugeführt. Es wurde angenommen, daß der Metallfluß entlang den Seiten des Wirbels die Vermischung fördert.
Stattdessen wurde nun herausgefunden, daß die Anwesenheit eines Wirbels die Vernetzung, das letztendliche Ziel des Mischvorgangs, durch Inkorporierung von Gas in die Mischung inhibiert. Gas wird physikalisch durch den Wirbel in die geschmolzene Mischung hineingezogen, insbesondere dann, wenn eine gasförmige Atmosphäre oberhalb der Schmelze vorhanden ist, jedoch auch dann, wenn das Mischen im Vakuum bewirkt wird.
Figur 1 illustriert grafisch die Wirkung der Wirbelmischung und die Inkorporierung von Gas in eine Kompositschmelze. Zur Bestimmung des Ausmaßes der Aufnahme von Gas in die geschmolzene Mischung wurde ein Experiment durchgeführt. Eine Mischung aus Aluminium und teilchenförmigem Siliciumcarbid- Material wurde in einem Tiegel aufgeschmolzen, und die Linie A repräsentiert die Oberfläche der Schmelze. Die Schmelze wurde dann mit einem herkömmlichen Mischrührflügel in Argon gerührt, wodurch ein Wirbel an der Oberfläche gebildet wurde, und die Linie B repräsiert die Oberfläche während des Mischens, währenddessen der für das schnelle Rühren von Metall charakteristische tiefe Wirbel vorhanden ist. Wenn das Mischen unterbrochen wurde, so war das Oberflächenniveau der Schmelze, dargestellt durch die Linie C, signifikant höher als vor dem Mischen, Linie A. Der Grund für den Unterschied war Gas, das durch den Wirbel in die Schmelze hineingezogen und während des Mischprozesses darin festgehalten wurde. Dieses physikalische Hineinziehen ist besonders signifikant bei Schmelzen, die festes teilchenförmiges Material enthalten, da das in die Schmelze hineingezogene Gas vorzugsweise an der Oberfläche zwischen dem teilchenförmigem Material und der Schmelze zurückgehalten wird. Obwohl Mischen einen vorteilhaften Effekt hinsichtlich der Unterstützung der Verteilung der Teilchen in der Schmelze und der Benetzung haben kann, inhibiert die falsche Art des Mischens letztendlich die Benetzung.
Der Mischvorgang kann auch zur Keimbildung von unerwünschten Gasblasen in der Schmelze in einer der Kavitation ähnlichen Weise führen. Gelöste oder eingefangene Gase keimen zu Blasen im Bereich des niederen Druckes direkt hinter den Klingen eines in ungeeigneter Weise konstruierten Mischrührflügels aufgrund des dort vorliegenden reduzierten Drucks, und die Blasen haften bevorzugt an den Oberflächen des teilchenförmigen Materials an, wodurch ebenfalls eine Benetzung inhibiert wird.
Das erfindungsgemäße Mischverfahren minimiert die Inkorporierung von Gasen in die Schmelze und die Zurückhaltung von adsorbierten, gelösten und eingefangenen Gasen in der Schmelze, mit dem Ergebnis, daß eine reduzierte Menge an Gasen in der Schmelze vorhanden ist, die mit der Benetzung der Teilchen mit dem Metall interferieren kann. Das Mischverfahren bewirkt auch einen Zustand höherer Schergeschwindigkeiten und -kräfte zwischen dem geschmolzenen Metall und den Feststoffteilchen in der Schmelze. Der Scherzustand unterstützt die Entfernung von adsorbiertem Gas und von Gasblasen von der Oberfläche des teilchenförmigen Materials durch den physikalischen Mechanismus des Kratzens und Scheuerns des geschmolzenen Metalls gegen die Feststoffoberfläche, so daß Kontaminierungen wie Gase und Oxide abgewaschen werden. Die Scherung neigt ferner dazu, das Metall auf der Oberfläche auszubreiten, so daß die angelegten Scherkräfte dabei helfen, die Kräfte, die sonst die Ausbreitung des Metalls auf der Feststoffoberfläche verhindern, zu überwinden. Die Scherwirkung deformiert oder zerbricht die Teilchen nicht, stattdessen wird das flüssige Metall schnell hinter die Teilchen geschert.
In der bevorzugten Vorgehensweise wird auf der Oberfläche der Schmelze ein Vakuum angelegt. Das Vakuum reduziert die Inkorporierung von Gas in die Schmelze durch die Oberfläche während des Mischens. Das Vakuum hilft auch bei der Entfernung von Gasen aus der Schmelze. Wenn andere Techniken zur Minimierung der Einführung von Gas in das geschmolzene Metall und zur Minimierung der Rückhaltung von Gas in dem geschmolzenen Metall angewandt werden, muß kein Vakuum angelegt werden. Eine solche Vorgehensweise innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung ist diejenige aus US-PS 5,028,392, veröffentlicht am 2. Juli 1991.
Die Herstellung eines Komposits aus einer Metallegierung, vorzugsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die mit Teilchen aus einem nichtmetallischen Material verstärkt sind, vorzugsweise Siliciumcarbid, beginnt mit dem Aufschmelzen der Alurniniumlegierung. Es kann ein weiter Bereich von Standard- Schmiede-, Gieß- oder anderen Aluminiumlegierungen verwendet werden, wie beispielsweise 6061, 2024, 7075, 7079 und A356. Dies stellt keine Beschränkung des Legierungstyps dar. Bevor die Teilchen zugegeben werden, ist es bevorzugt, aber nicht notwendig, die Schmelze zur Entfernung von Oxiden, Teilchen, gelöstem Gas und anderen Verunreinigungen, die die Benetzung, inhibieren, zu reinigen. Nach einer Vorgehensweise wird ein nichtreaktives Gas, wie Argongas, oder eine Mischung aus nichtreaktivem Gas und reaktivem Gas, wie Argon und Chlor, in einem Aufbewahrungstank für einen Zeitraum von ungefähr 15 Minuten hindurchgeblasen, bevor die Teilchen zugegeben werden. Das Gas steigt zur Oberfläche auf und trägt aufgelöstes und eingefangenes Gas mit sich, wie beispielsweise Wasserstoffgas, das in die Gasblasen diffundiert, während diese aufsteigen, und sie zwingen ferner Schlacke, die in dem Metall umherschwebt, an die Oberfläche.
Teilchen des nichtmetallischen, feuerfesten Keramikmaterials werden zu dem geschmolzenen Metall zugegeben und damit vermischt. Die Teilchen müssen einen hinreichend niedrigen Zersetzungsgrad durch chemische Reaktion mit dem geschmolzenen Metall unter den Bedingungen des Mischens und Gießens aufweisen. Das heißt, daß weder ein teilchenförmiges Material, das unter allen bekannten Bedingungen in dem geschmolzenen Metall aufgelöst wird, annehmbar ist, noch ist ein teilchenförmiges Material akzeptabel, das ein unerwünschtes Reaktionsprodukt durch den Kontakt mit dem geschmolzenen Metall bildet. Andererseits reagieren die meisten Nichtmetalle extensiv mit geschmolzenen Metallen bei hohen Temperaturen, jedoch kann in vielen Fällen die Reaktion durch Steuerung der Temperatur des geschmolzenen Metalls auf eine Temperatur, bei der kein wesentliches Ausmaß an Reaktion während der zur Verarbeitung erforderlichen Zeit auftritt, auf ein annehmbares Niveau reduziert werden.
Die bevorzugten nichtmetallischen Verstärkungsmaterialien sind Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide, Metallsilicide und Gläser. Von diesen sind Siliciumcarbid und Aluminiumoxid von besonderem Interesse, da sie leicht zu beschaffen und kostengünstig sind, und die erforderliche Kombination an physikalischen Eigenschaften und Reaktivität zeigen, so daß wünschenswerte Komposite unter Anwendung der vorliegenden Vorgehensweise erhalten werden können.
Die Menge an zu der Schmelze zugegebenern teilchenförmigen Material kann in wesentlichem Ausmaß variieren, wobei die maximale Menge von der Fähigkeit abhängt, die Schmelze, die die Teilchen enthält, so zu rühren, das Homogenität erzielt wird. Mit zunehmenden Mengen an teilchenförmigern Material wird die Schmelze viskoser und schwieriger zu rühren. Große Mengen an teilchenförmigern Material stellen ferner eine zunehmende Oberflächenfläche zur Zurückhaltung und Stabilisierung von Gas in der Schmelze bereit, wodurch die Fähigkeit zur Herstellung eines fehlerfreien benetzten Materials beschränkt wird. Die maximale Menge an teilchenförmigem Material in Aluminiumlegierungen wurde zu ungefähr 35 Volumenprozent bestimmt. Die Größe und Form der Teilchen kann ebenfalls variiert werden.
Eine Kombination aus dem geschmolzenen Metall und den Teilchen vor dem Mixen wird nach einem geeigneten Verfahren herstellt. Die Teilchen können an der Oberfläche der Schmelze oder unterhalb der Oberfläche zugegeben werden, obwohl im letzteren Falle die Teilchen typischerweise an die Oberfläche aufsteigen, sofern nicht gleichzeitig das Mischen zur Erzielung der teilweisen oder vollständigen Benetzung durchgeführt wird. Die Teilchen können auch zu den Metallstücken zugeführt werden, bevor das Metall geschmolzen wird, so daß die Teilchen in den Metallstücken verbleiben, wenn diese zur Bildung der Schmelze geschmolzen werden. Diese letztere Vorgehensweise ist nicht bevorzugt, da es wünschenswert ist, die Schmelze vor der Zugabe des teilchenförmigen Materials zu reinigen. Wenn teilchenförmiges Material während der Reinigung der Schmelze vorhanden ist, kann das teilchenförmige Material mit dem Reinigungsgas an die Oberfläche getragen werden.
Das teilchenförmige Material und das geschmolzene Metall werden für eine Zeit miteinander vermischt, die zur Benetzung der Teilchen mit dem geschmolzenen Metall ausreicht. Das Mischen wird unter Bedingungen einer hohen Scherspannungsgeschwindigkeit und -kraft zur Entfernung von Gas von der Oberfläche des teilchenförmigen Materials und zur Unterstützung der Benetzung durchgeführt. Die Mischtechnik muß auch die Einführung von Gas in die Schmelze und die Stabilisierung von bereits in der Schmelze eingefangenem oder aufgelöstem Gas verhindern.
Eine Vorgehensweise zur Mischung verwendet einen dispergierenden Rührflügel, der in die Schmelze eingetaucht ist und so betrieben wird, daß eine hohe Scherung innerhalb der Schmelze aber nur ein kleiner Wirbel an der Oberfläche der Schmelze hervorgerufen wird. Ein dispergierender Rührflügel, der diese Erfordernisse erfüllt, ist in Figur 2 dargestellt. Dieser dispergierende Rührflügel 100 schließt einen dispergierenden Rührflügelschaft 102 mit einer Mehrzahl von flachen Klingen 104 ein. Die Klingen 104 sind in Bezug auf die Rotationsrichtung nicht aufgestellt, weisen jedoch in senkrechter Richtung zu dem Schaft 102 eine Neigung von ungefähr 0 bis ungefähr 45º auf. Diese Konstruktion dient dazu, teilchenförmiges Material in die Schmelze hineinzuziehen, und gleichzeitig das Auftreten eines Oberflächenwirbels und die Keimbildung von Gasblasen in der Schmelze zu minimieren. Tests haben gezeigt, daß dieser Rührflügel mit Geschwindigkeiten von bis zu mindestens ungefähr 2500 Umdrehungen pro Minute (Upm) gedreht werden kann, ohne daß ein signifikanter Wirbel an der Oberfläche von Aluminiurnlegierungsschmelzen erzeugt wird. Eine hohe Rotationsgeschwindigkeit ist wünschenswert, da sie die höchsten Schergeschwindigkeiten und -kräfte in der geschmolzenen Mischung erzeugt und die zur Erzielung der Benetzung erforderliche Zeit reduziert.
Die Schmelze wird mit dem dispergierenden Rührflügel für eine zur Bewirkung der Benetzung des teuchenförmigen Materials mit dem Metall und zur Dispergierung des teilchenförmigen Materials durch das gesamte Metall ausreichenden Zeit gemischt. Auf empirischem Wege wurde eine Gesamtmischzeit von ungefähr 70 Minuten für Einzelansatz-Verarbeitungssysteme als zufriedenstellend herausgefunden. Für ein kontinuierliches Fließsystem muß weitestgehend das gesamte Volumen der geschmolzenen Mischung mindestens einmal einem Hochscherungszustand unterzogen werden. Die bevorzugte Vorgehensweise ist, daß der Mischrührflügel so in den Flußkanal des geschmolzenen Komposits eingepaßt ist, daß effektiv das gesamte Kompositmaterial, das durch den Kanal hindurchtritt, durch den Rührflügel gerührt wird. Es können mehrere Mischstufen bereitgestellt werden, damit sichergestellt ist, daß das gesamte geschmolzene Material vermischt ist.
Die Mischtemperatur sollte sorgfältig gesteuert werden, damit nachteilige chemische Reaktionen zwischen den Teilchen und dem geschmolzenen Metall vermieden werden. Die maximale Temperatur des Metalls sollte, wenn es in Kontakt mit den Teilchen steht, die Temperatur, bei der die Teilchen in dem geschmolzenen Metall chemisch abgebaut werden, nicht überschreiten. Die maximale Temperatur hängt ab von der Art der verwendeten Legierung und kann für jede Legierung bestimmt werden. Wenn däe geschmolzene Legierung in Kontakt mit dem teilchenförmigen Material steht, sollte die maximale Temperatur nicht für einen signifikanten Zeitraum überschritten werden.
Beispielsweise ist die maximale Temperatur ungefähr 20ºC oberhalb der Legierungsliquidustemperatur für teilchenförmige Siliciumcarbidlegierungen, die signifikante Mengen reaktiver Bestandteile, wie Magnesium, Zink oder Silicium enthalten. Die maximale Temperatur ist ungefähr 70ºC oberhalb der Legierungsliquidustemperatur für herkömmliche Legierungen, die keine großen Mengen an reaktiven oder stabilisierenden Elementen enthalten. Die maximale Temperatur ist ungefähr 100ºC bis 125ºC oberhalb der Legierungsliquidustemperatur, wenn die Legierung größere Mengen an Elementen enthält, die die Schmelze gegen Reaktion stabilisieren, wie beispielsweise Silicium. Wenn höhere Temperaturen als die beschriebenen angewandt werden, so kann es schwierig oder unmöglich sein, die Kompositmaterialmischung zu schmelzen, mischen und zu gießen, da aufgrund der Anwesenheit gelöster Materie eine erhöhte Viskosität auftritt.
Die maximale Temperatur hängt auch von der Reaktivität des teilchenförmigen Materials ab, die vorwiegend durch ihre chemische Zusammensetzung bestimmt wird. Siliciumcarbid ist relativ reaktiv, und es gelten die vorstehenden Prinzipien. Aluminiumoxid ist in Aluminium und Aluminiumlegierungen relativ unreaktiv und daher können wesentlich höhere Temperaturen angewandt werden.
In einer früheren, als Rheogießen bezeichneten Vorgehensweise wurden das Metall und das teilchenförmige Material im Bereich zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur der Legierung vermischt. In diesem Bereich wird festes Metall im Gleichgewicht mit flüssigem Metall gebildet, und das feste Metall führt zu einer weiteren Erhöhung der Viskosität und der Scherkräfte, wodurch das Vermischen effektiver gemacht wird. Es wurde jedoch jetzt herausgefunden, daß die Anwendung von Temperaturen wesentlich unterhalb der Liquidustemperatur in einer extensiven und unerwünschten Entmischung von Legierungselementen in der metallischen Phase nach Verfestigung des Komposits resultiert. Das Material kann ferner nicht leicht unter Anwendung herkömmlicher Gießprozeduren gegossen werden.
Die geschmolzene Mischung wird daher in einem Temperaturbereich von einer minimalen Temperatur, bei der im wesentlichen keine feste Metallphase im Gleichgewicht mit dem flüssigen Metall gebildet wird, bis zu einer maximalen Temperatur, bei der die Teilchen in dem geschmolzenen Metall nicht chemisch zersetzt werden, gehalten. Die minimale Temperatur liegt oberhalb der Liquidustemperatur des geschmolzenen Metalls, obwohl niedrigere Temperaturen für kurze Zeit vorliegen können. Temperaturabweichungen zu niedrigeren Temperaturen sind nicht schädlich, solange die Schmelze ohne eine vorhandene feste Metallphase gegossen wird. Wenn beispielsweise das teilchenförmige Material oder Legierungszusätze zu der Schmelze hinzugegeben werden, kann eine normale kurze Absenkung der Temperatur auftreten. Die Temperatur muß über die Liquidustemperatur angehoben werden, bevor die Schmelze gegossen werden kann. Obwohl sie für kurze Zeiträume erlaubt sind, sollten solche Temperaturabweichungen aufgrund der Energiekosten bei der Wiederherstellung der Dauerzustandstemperatur vorzugsweise vermieden werden. Die maximale Temperatur ist durch das Einsetzen des Abbaus des teilchenförmigen Materials in dem flüssigen Metall begrenzt. Kurze Abweichungen zu höheren Temperaturen sind erlaubt, solange sie keinen signifikanten Abbau des teilchenförmigen Materials hervorrufen, jedoch sollten solche höheren Temperaturen nicht für ausgedehnte Zeiträume aufrechterhalten werden.
Nachdem das Vermischen vollständig ist, und die geschmolzene Kompositmischung aus der Mischvorrichtung entnommen wird, kann das Komposit mittels beliebiger geeigneter Fließtechniken gegossen werden. Nach dem Mischen des Kornposits ist die Schmelze weitestgehend homogen, und die Teilchen sind mit dem Metall benetzt, so daß die Teilchen nicht rasch an die Oberfläche aufsteigen. Wenn das Kompositmaterial für einen erheblichen Zeitraum gehalten werden soll, so kann es gerührt oder bewegt werden, so daß die Entmischung der Teilchen aufgrund von Dichteunterschieden verhindert werden kann, jedoch sollte das Rühren kein Gas in die Schmelze einführen. Das Gießen muß nicht sofort oder nach einem Hochgeschwindigkeits-Gießverfahren bewirkt werden.
Das resultierende gegossene Material kann durch herkömmliche metallurgische Verfahren zu Produkten verarbeitet werden. Das Komposit kann getempert und wärmebehandelt werden. Es kann beispielsweise mittels Extrusion oder Walzen in herkömmlichen Vorrichtungen heißbearbeitet werden. Das finale Komposit kann auch in Schmelzofenbearbeitungen nach beliebigen geeigneten Gießverfahren umgegossen werden.
Die Figuren 3 - 6 illustrieren drei Ausführungsformen einer Vorrichtung zur Herstellung von Kompositmaterialien durch das erfindungsgemäße kontinuierliche Flußverfahren. Bezugnehmend auf Figur 3 schließt eine Vorrichtung 10 einen Mischer 12, eine Metallschrnelzenzuführung 14 und eine Zuführvorrichtung für teilchenförmiges Material 16, die die geschmolzene Metallmatrix bzw. das teilchenförmige Material in den Mischer 12 einführen, sowie einen Halteofen 18 ein, der das gemischte Kompositmaterial aus dem Mischer 12 aufnimmt und es vor dem Vergießen zurückbehält.
Der Mischer 12 schließt mindestens eine, und wie hier illustriert zwei, Mischstufen für das geschmolzene Metall und das teilchenförmige Material ein. Das geschmolzene Metall wird aus der Metallschrnelzenzuführung 14 durch eine geheizte Leitung 20 aufgenommen. Die Metallschmelzenzuführung 14 schließt einen Schmelzofen 15 ein, der die als Matrix des Kompositmaterials zu verwendende Metallegierung aufschmilzt. Vorzugsweise wird das geschmolzene Metall in dem Ofen 14 kontinuierlich durch Hindurchleiten eines Inertgases, wie beispielsweise Argon, oder einer Mischung aus inerten und reaktiven Gasen, wie beispielsweise Argon und Chlor, durch das geschmolzene Metall mittels einer Lanzette 22, die unterhalb der Oberfläche eingeführt ist, kontinuierlich gereinigt. Das hindurchgeleitete Gas nimmt gelöstes oder eingefangenes Gas auf, wie beispielweise Wasserstoff und Sauerstoff, das in der Schmelze vorhanden sein kann, und entfernt es an die Oberfläche, wie auch umherschwebende Schlacketeilchen, die unterhalb der Oberfläche der Schmelze vorhanden sein können. Das geschmolzene Metall fließt von unterhalb der Oberfläche des Schmelzofens 15 zu einer evakuierten Entgasungseinheit 17, wo ein angelegtes Oberflächenvakuum die aus der Behandlung in dem Schmelzofen 15 zurückbleibenden eingefangenen Gase entfernt. Das geschmolzene Metall fließt kontinuierlich von unterhalb der Schmelzoberfläche der Entgasungseinheit 17 durch die Leitung 20 in den Mischer 12.
Da das Vakuum und die Metallniveaus variieren können, und da es wünschenswert ist, die Flußgeschwindigkeit des Metalls mit hinreichender Genauigkeit zu steuern, befindet sich in der Metalleitung 20 eine Metallpumpe 24. Die Geschwindigkeit der Pumpe 24 ist variabel, und sie fungiert sowohl als Pumpe als auch als Ventil zur Bereitstellung einer steuerbaren Flußgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls in den Mischer 12.
Die Zuführvorrichtung für teilchenförmiges Material 16 ist ein Vakuumextruder oder ein vakuumverschlossener Kastenspeiser von kommerziell erhältlichem Typ. Das teilchenförmige Material wird in der Zuführvorrichtung typischerweise sorgfältig getrocknet, damit sichergestellt ist, daß keine Feuchtigkeit den Mischer 12 erreicht. Das teilchenförmige Material wird aus der Zuführvorrichtung 16 durch eine Teilchenleitung 26 in den Mischer 12 eingeführt. Die Flußgeschwindigkeit des teilchenförmigen Materials ist bestimmt durch einen Schraubenextruder 28 oder eine ähnliche Vorrichtung, die mit einem Geschwindigkeits-regulierbaren Motor betrieben wird. Durch Veränderung der Betriebsgeschwindigkeit des Extruders 28 und der Pumpe 24 kann ein vorherbestimmter Gesamtfluß und eine vorherbestimmte relative Menge an teilchenförmigem Material und Metall in den Mischer 12 eingestellt werden. Die Leitung 28 kann nötigenfalls beheizt werden, jedoch ist in der Praxis ein Beheizen der Leitung 28 meistens nicht erforderlich, da die Menge an teilchenförmigem Material im Vergleich zu der in den Mischer 12 eingeführten Menge an Metall relativ kleiner ist.
In der Ausführungsform der Figur 3 weist der Mischer zwei Stufen auf, die jeweils in einer separaten Kammer 30 und 32 lokalisiert sind. Jede Kammer 30 ist ein im allgemeinen zylindrischer feuerfest ausgekleideter Stahlkessel mit einer vertikalen Zylinderachse. Die oberen Bereiche jeder Kammer 30 und 32 sind mit einer Vakuumpumpe 34 verbunden und werden auf ein Vakuum von ungefähr 30 - 50 torr abgepurnpt. Das Vakuum reduziert die Wahrscheinlichkeit, daß beim Mischen Gas in das geschmolzene Kompositmaterial beim Mischen eingeführt wird.
Das geschmolzene Metall tritt nahe des oberen Endes der ersten Kammer 30 aus der Metalleitung 20 ein. Das teilchenförmige Material wird auf oder gerade eben unter der Oberfläche des Metalls durch die Leitung 26 eingeführt. Die erste Kammer 30 enthält einen vertikal angebrachten Rührflügel 36, der im allgemeinen von dem in Figur 2 gezeigten Typ ist, und der in die Kammer 30 durch ein Vakuumrotationsanschlußstück eintritt und durch einen externen, Geschwindigkeits-regulierbaren Motor 40 angetrieben wird. Der Rührflügel 36 rührt das teilchenförmige Material in das geschmolzene Metall ein, wodurch die erste Form des Kompositmaterials gebildet wird. Es wird darauf geachtet, daß kein Gas in das geschmolzene Material eingeführt wird, wie beispielsweise durch einen durch den Rührflügel 36 erzeugten Wirbel. Die Benetzung des teilchenförmigen Materials mit dem geschmolzenen Metall wird durch den Hochscherungsmischvorgang bewirkt.
Der äußere Durchmesser der Klingen des Rührflügels 36 ist geringfügig kleiner als der innere Zylinderdurchmesser der Kammer 30. Der relativ geringe Abstand zwischen dem Rührflügel 36 und der Innenwand der Kammer 30 stellt sicher, daß das gesamte Metall, das in abwärtiger Richtung durch die erste Kammer 30 hindurchfließt, dem Mischvorgang unterzogen wird. Wenig oder gar kein Metall kann den Boden der Kammer 30 erreichen, ohne durch die Klingen des Rührflügels 36 hindurchzutreten. Zur Reduzierung der Wahrscheinlichkeit, daß Metall direkt entlang der Innenwände innerhalb der Abstandslücken passieren kann, befinden sich nach innen zeigende Umlenkbleche 42 an der Innenwand der Kammer 30. Die Urnlenkbleche 42 sind Vorsprünge, die den Abwärtsfluß entlang der Innenwand unterbrechen, und die Mischung aus Metall und teilchenförmigern Material zurück in Richtung des Zentrums der Kammer 30 zwingen, so daß diese durch die nächste Stufe von Rührflügelklingen gemischt wird.
Das gemischte Kompositmaterial wird am unteren Ende der ersten Kammer 30 durch eine Kompositmetalleitung 40 entnommen. Ein herkömmlicher Wirbelstrom- Leitfähigkeitsmonitor 46 ist in der Leitung 44 angebracht, wodurch der Volumenanteil an teilchenförmigem Material in dem Kompositmaterialfluß angezeigt wird. Diese Information wird als Feedback zur Steuerung der Flußgeschwindigkeiten der Zuführvorrichtung für teuchenförmiges Material 16 und der Metallschmelzenzuführung 14 verwendet, wodurch der gewünschte Volumenanteil an teilchenförmigem Material im finalen Kompositmaterial erzielt wird.
Das Kompositmaterial tritt aus der Leitung 44 in die zweite Kammer 32 ein. Die zweite Kammer 32 ist in ähnlicher Weise wie die erste Kammer 30 aufgebaut, und es wurde die gleiche Numerierung der Elemente verwendet, mit der Ausnahme, daß der Fluß der geschmolzenen Kompositmaterialmischung aufwärts anstelle von abwärts verläuft. (Die Flußrichtung ist nicht erheblich, und die Flußrichtung in der zweiten Kammer könnte durch eine geänderte Leitungsanordnung mit derjenigen in der ersten Kammer identisch gemacht werden.) In dieser Stufe ist ein signifikanter Anteil des teilchenförmigen Materials mit dem geschmolzenen Material benetzt, jedoch ist es möglich, daß einiges davon noch nicht benetzt ist. Das axiale Hindurchpassieren des Kompositmaterials durch den Rührflügel der zweiten Kammer 32 bewirkt eine weitere Vermischung des Kompositmaterials, wodurch der Prozentsatz der benetzten Oberfläche des teilchenförmigen Materials erhöht wird. Dieses Prinzip kann auf weitere Stufen ausgedehnt werden, falls das Mischen durch zwei Stufen für einige bestimmte Kompositmaterialien unzureichend sein sollte.
Das gemischte Kompositmaterial wird aus der zweiten Kammer durch eine Leitung 48 entnommen und dem Halteofen 18 zugeführt. Die Leitung 48 enthält ebenfalls eine Wirbelstromvorrichtung 50 zur Messung der Menge an teilchenförmigem Material in dem Kompositmaterial.
Die Vorrichtung aus Figur 3 weist einen Zwei-Stufen-Mischer auf, worin in beiden Stufen eine Rührflügelvermischung angewandt wird. Andere Vorrichtungstypen sind möglich, und eine derartige alternative Ausführungsform ist in Figur 4 gezeigt.
In der Vorrichtung 60 in Figur 4 sind die Metallschmelzen- Vorrichtung 14, die Zuführvorrichtung für teilchenförmiges Material 16 und der Halteofen 18 wie zuvor beschrieben. Hier werden jedoch das geschmolzene Metall und das teilchenförmige Material in einen im wesentlichen geraden zylindrischen Mischer 62 eingeführt, dessen Zylinderachse horizontal ist. Die Wand 64 des Mischers 62 ist aus einem nichtleitenden Material, wie Aluminiumoxid, ausgebildet. Eine Hochfrequenzinduktionsspule 66 ist um das Äußere des zylindrischen Mischers 62 aufgewickelt. Im Betrieb vermischt die Induktionsspule 66 das geschmolzene Metall und das teilchenförmige Material, das von links nach rechts in der Ansicht der Figur 4 fließt, wodurch das Kompositmaterial hergestellt wird. Eine Mehrzahl an stationären Umlenkblechen 68 zeigt von der Innenwand des Mischers 62 nach innen, wodurch eine Schichtbildung der Kompositmischung in Bereichen, in denen die durch die Induktionsspule hervorgerufene Vermischung gering ist, verhindert wird. Das Innere des Mischers 62 wird mittels einer Vakuumleitung 70 abgepumpt, wodurch die Möglichkeit verringert wird, daß Gas in dem System akkumuliert und in das geschmolzene Kompositmaterial inkorporiert wird. Wirbelstrommonitore 72 zur Bestimmung der Menge an teilchenförrnigem Material in dem geschmolzenen Komposit sind ebenfalls bereitgestellt. Obwohl Figur 4 den Mischer 62 zum Zwecke der Darstellbarkeit mit einer relativ geringen Länge darstellt, ist der Mischer 62 ungefähr 6 bis 9 m lang und weist mehrere Induktionsspulen und Umlenkblechsätze auf.
Eine Vorrichtung 80, in der ein ähnlicher horizontaler geradliniger Mischer 82 verwendet wird, ist in Figur 5 dargestellt. Der Aufbau dieses Mischers 82 ist dem zuvor beschriebenen ähnlich, mit dem Unterschied, daß ein oder mehrere Rührflügel 84 innerhalb des Mischers 82 zur Bewirkung der Vermischung betrieben werden. Die Rührflügel können so angeordnet sein, daß das Mischen, wie gezeigt, durch seitliche Einwirkung erfolgt, oder so, daß die Mischung, wie in Figur 3 gezeigt, axial stattfindet. In dieser Ausführungsform werden mehrere Mischstufen innerhalb einer einzigen Mischkammer verwendet. Eine Kombination aus einer einzigen Mischkammer verwendet. Eine Kombination aus Rührflügel- und Induktionsmischung oder anderen Mischungsarten kann verwendet werden.
Noch eine weitere Vorrichtung 90 ist in Figur 6 dargestellt. Die Vorrichtung 90 schließt einen Mischer 92 mit Rührflügeln 94 ein, jedoch kann auch Induktionsmischen angewandt werden. In der Vorrichtung 90 findet die Metallzuführung 14 physisch oberhalb des Mischers 92 statt, so daß in dem Metall und in dem Kompositmaterial innerhalb des Mischers 92 ein hydrostatisches Gefälle anliegt. Das Anlegen eines Vakuums an den Mischer 92 ist nicht erforderlich, da kein Gas in das System eintreten kann. Es ist jedoch große Vorsicht erforderlich, damit sichergestellt ist, daß kein Gas durch die Zuführvorrichtung für teilchenförmiges Material 16 eintritt.
Die verschiedenen Ausführungsformen für kontinuierliche Flußvorrichtungen können in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen in Kombination miteinander verwendet werden, beispielsweise Rührflügel- und Induktionsmischen.
Es wird nun anerkannt, daß das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit teilchenförmigem Material verstärkte Kompositmaterialien durch ein Schmelz- und Gießverfahren erzeugt, das ökonomisch ist und ein qualitativ hochwertiges Material ergibt. Die Benetzung wird erzielt durch Minimierung der Wirkung von Gas in der Matrix und durch Mischen mit hoher Schergeschwindigkeit. Obwohl bestimmt Ausführungsformen der Erfindung detailliert zum Zwecke der Darstellung beschrieben wurden, können verschiedene Modifikation vorgenommen werden, ohne vorn Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Dementsprechend ist die Erfindung nur durch die anhängenden Patentansprüche beschränkt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Komposits aus einer Metallegierung, die mit einem vorherbestimmten Volumenanteil nichtmetallischer Teilchen verstärkt ist, das umfaßt: Schmelzen der Metallegierung und Zugabe eines vorherbestimmten Volumenanteils an nichtmetallischem, teilchenförmigem Material; Vermischen der geschmolzenen Metallegierung mit dem teilchenförmigen Material in einem Mischer, wodurch die Teilchen mit dem geschmolzenen Metall benetzt werden, unter solchen Bedingungen, daß die Teilchen über das gesamte Volumen der geschmolzenen Mischung verteilt, und die Teilchen und das geschmolzene Metall gegeneinander geschert werden, wodurch die Benetzung der Teilchen mit dem Metall unterstützt wird, und bei einer Temperatur, bei der die Teilchen in dem geschmolzenen Metall in der zur Vervollständigung des Mischungsschritts erforderlichen Zeit im wesentlichen nicht chemisch abgebaut werden; und Gießen der aus dem Mischer entnommenen Kompositmischung,

dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen in einem kontinuierlichen Flußsystem durchgeführt wird, das mehrere Mischstufen aufweist, umfassend mindestens einen röhrenförmigen Mischkessel (30, 32, 62, 82, 92) mit Mischeinrichtungen (36, 66, 84, 94) zum Vermischen der geschmolzenen Legierung mit dem teilchenförmigen Material, worin die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material kontinuierlich an einem Ende einer ersten Mischstufe (30) zugeführt werden, sowie durch Vermischen der geschmolzenen Legierung und des teilchenförrnigen Materials in der ersten Mischstufe, wobei sichergestellt wird, daß die gesamte geschmolzene Legierung, die durch die Mischstufe hindurchtritt, dem Mischvorgang unterzogen wird, kontinuierliche Überführung der in der ersten Mischstufe gebildeten Kompositmischung in mindestens eine weitere Mischstufe, wobei die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material in jeder weiteren Mischstufe weiter vermischt wird, wobei sichergestellt wird, daß das gesamte Kompositmaterial, das durch die weitere Mischstufe hindurchtritt, dem Mischvorgang unterzogen wird, wobei das Mischen in jeder Stufe mit ausreichender Scherung durchgeführt wird, daß die Teilchen mit dem Metall benetzt werden, und wobei in jeder Stufe die Einführung von Gas in die und die Zurückhaltung von Gas in der Mischung aus Teilchen und geschmolzenem Metall minimiert wird, und kontinuierliches Entnehmen der Kompositmischung zum Gießen aus der letzten Mischstufe.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Mischstufen mindestens zwei röhrenförmige Mischkessel (30, 32) umfassen, durch die die geschmolzene Legierung und das teilchenförmige Material kontinuierlich fortschreitend hindurchfließen

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Mischstufen mindestens einen langgestreckten, horizontalen, röhrenförmigen Mischkessel (62, 82, 92) umfassen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die langgezogene, horizontale Mischkammer (62, 82, 92) mindestens zwei Mischstufen einschließt.

5. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial eine Aluminiumlegierung ist.

6. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Material eine feuerfeste Keramik ist, ausgewählt aus einem Metalloxid, Metallnitrid, Metallcarbid und Metallsilicid.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmetallische Material ausgewählt ist aus Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Bornitrid und Glas.

8. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Vermischungsschritt ein rotierender Rührflügel (36, 84, 94) verwendet wird.

9. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischschritt unter einem an die Mischung aus geschmolzenem Metall und Teilchen angelegten Vakuum durchgeführt wird.

10. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießschritt bei einer ausreichend hohen Gießtemperatur durchgeführt wird, so daß im wesentlichen kein festes Metall vorhanden ist.

11. Vorrichtung zur Herstellung eines kontinuierlichen Flusses eine Komposits aus einer Metallegierung, die mit einem vorherbestimmten Volumenanteil nichtmetallischer Teilchen verstärkt ist, die folgendes umfaßt: Mischeinrichtungen (12) zum Mischen einer geschmolzenen Metallegierung mit einem teilchenförmigen Material zur Benetzung der Teilchen mit dem geschmolzenen Metall unter solchen Bedingungen, daß die Teilchen über das gesamte Volumen der Mischung verteilt, und die Teilchen und das geschmolzene Metall gegeneinander zur Unterstützung der Benetzung der Teilchen mit dem Metall geschert werden, und bei einer Temperatur, bei der die Teilchen in dem geschmolzenen Metall während der zur Vervollständigung des Mischschrittes erforderlichen Zeit weitestgehend nicht chemisch abgebaut werden; dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung ein kontinuierliches Flußsystem umfaßt, das mehrere Mischstufen aufweist, diese mehreren Mischstufen umfassen entweder (a) mindestens zwei vertikale, röhrenförmige Mischkessel (30, 32) mit dazwischen befindlichen Flußverbindungsleitungen (44), und Mischer (36) zur Vermischung der geschmolzenen Legierung mit dem teilchenförmigen Material, oder (b) mindestens einen langgestreckten, horizontalen, röhrenförmigen Mischkessel (62, 82, 92) mit Mischern (66, 84, 94) zur Vermischung der geschmolzenen Legierung mit dem teilchenförmigen Material, eine Metallschmelzen- Zuführung (14) zur kontinuierlichen Einführung eines Flusses aus geschmolzenem Metall an einem Ende der mehreren Mischstufen, eine Teilchenzuführvorrichtung (16) zur kontinuierlichen Einführung eines Flusses aus teilchenförmigem Material in die mehreren Mischstufen, Flußumlenkbleche (42, 68) zur Sicherstellung, daß die gesamte geschmolzene Legierung, die durch die mehreren Mischstufen hindurchpassiert, dem Mischvorgang unterzogen wird, Einrichtungen zur Minimierung der Einführung von Gas in die und zur Minimierung der Zurückhaltung von Gas in der Mischung aus Teilchen und geschmolzenem Metall in den Mischkesseln, und ein Kessel (18) zur kontinuierlichen Aufnahme eines Flusses aus gemischtem Kompositmaterial aus den mehreren Mischstufen.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß der langgestreckte, horizontale Mischkessel (62, 82, 92) mindestens zwei Mischstufen (68) einschließt.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe mindestens einen Rührflügel (36) einschließt, der das geschmolzene Metall mit dem teilchenförmigen Material vermischt.

14. Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe eine Vakuurnpumpe (34) einschließt.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufen eine Mehrzahl an Urnlenkblechen (42, 68) einschließen.