DE69534107T2 - MMC AND LIQUID METAL INFILTRATION PROCESS - Google Patents
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Description
GEBIET DER ERFINDUNGAREA OF INVENTION
Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen mit einem hohen Zugmodul, einer guten Duktilität, Zähigkeit, Formbarkeit und maschinellen Spanbarkeit und spezieller Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit leichtem Gewicht, die gleichförmig verteilte Keramikteilchen einschließen, welche die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs erhöhen, ohne seine Duktilität und maschinelle Spanbarkeit zu verringern.These The invention relates to the production of metal-ceramic composite materials with a high tensile modulus, good ductility, toughness, formability and machinability Machinability and special metal-matrix composites with lightweight Weight, the uniform include distributed ceramic particles, which are the mechanical Increase the properties of the composite, without its ductility and machinability to reduce.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs [metal matrix composites]) sind Metalle oder Legierungen, die mit winzigen Einschlüssen eines anderen Materials verstärkt sind, welches ein Risswachstum hemmt und die Leistung verbessert. MMCs weisen mechanische Eigenschaften auf, die denen der meisten reinen Metalle, einiger Legierungen und der meisten Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe insbesondere bei hohen Temperaturen überlegen sind. Die Möglichkeit, sowohl die mechanischen als auch die physikalischen Eigenschaften von MMCs maßzuschneidern, ist ein einzigartiges und wichtiges Merkmal dieser Materialien.Metal Matrix Composites (MMCs [metal matrix composites]) are metals or alloys that with tiny inclusions reinforced by another material which inhibits crack growth and improves performance. MMCs have mechanical properties similar to those of most pure metals, some alloys and most polymer-matrix composites especially at high temperatures are superior. The possibility, both the mechanical and the physical properties tailor-made by MMCs, is a unique and important feature of these materials.
Obwohl die Technologie relativ jung ist, gibt es eine Anzahl von bedeutenden Anwendungen, am beachtenswertesten die Space-Shuttle-Rumpfverstrebungen, Weltraumteleskop-Ausleger-Wellenleiter und Dieselmotor-Kolben. Es wird erwartet, dass in der Zukunft Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe eine wichtige Klasse von Materialien in zahlreichen anderen kommerziellen Anwendungen werden.Even though The technology is relatively young, there are a number of significant Applications, most notably the Space Shuttle hull braces, Space Telescope Boom Waveguide and Diesel Engine Piston. It is expected in the future metal matrix composite materials an important class of materials in numerous other commercial Applications will be.
Obwohl es viele Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit stark unterschiedlichen Eigenschaften gibt, können einige allgemeine Vorteile dieser Materialien gegenüber konkurrierenden Materialien angeführt werden. Es ist bekannt, dass MMCs höhere Festigkeits-Dichte-Verhältnisse und höhere Steifigkeits-Dichte-Verhältnisse mit besserer Ermüdungsbeständigkeit als die meisten unverstärkten Metalle und einige Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe aufweisen.Even though There are many metal matrix composites with widely varying There are properties some general advantages of these materials over competing ones Materials listed become. It is known that MMCs have higher strength-to-density ratios and higher Stiffness-to-density ratios with better fatigue resistance as most unreinforced Metals and some polymer-matrix composites.
Zahlreiche Kombinationen von Matrizes und Verstärkungen sind ausprobiert worden, seit in den späten 1950er Jahren die Arbeit mit Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen begann. Die wichtigsten Matrix-Materialien sind Aluminium, Titan, Magnesium, Kupfer und Superlegierungen. Spezielle Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe, die in der Technik verwendet worden sind, schließen Aluminium-Matrizes ein, die Bor, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid oder Graphit in Form einer kontinuierlichen Faser, diskontinuierlichen Faser, eines Whiskers oder in teilchenförmiger Form enthalten. Magnesium, Titan und Kupfer sind auch als Matrix-Metalle mit ähnlichen Keramik-Einschlüssen verwendet worden. Zusätzlich sind Superlegierungs-Matrizes mit Wolframdrähten imprägniert worden, um für eine größere Kriechbeständigkeit bei extrem hohen Temperaturen zu sorgen, wie denen, die man in Düsenturbinenmotoren antrifft.numerous Combinations of matrices and reinforcements have been tried since the late 1950s began work with metal matrix composites. The most important Matrix materials are aluminum, titanium, magnesium, copper and Superalloys. Special metal-matrix composites used in engineering have been used Aluminum matrices, the boron, silicon carbide, alumina or Graphite in the form of a continuous fiber, discontinuous Fiber, a whisker or in particulate form. Magnesium, Titanium and copper are also called matrix metals with similar ones Ceramic inclusions used. additionally Superalloy matrices have been impregnated with tungsten wires to provide greater creep resistance at extremely high temperatures, like those found in jet turbine engines encounters.
Die Herstellungsverfahren sind ein wichtiger Teil des Konstruktionsverfahrens für MMCs. In dieses kritische Gebiet wird eine beträchtliche Arbeit investiert, und signifikante Verbesserungen von existierenden Verfahren erscheinen wahrscheinlich. Derzeitige Verfahren können in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: primäre und sekundäre Fabiraktionsverfahren. Primäre Fabriaktionsverfahren werden verwendet, um den Metall-Matrix-Verbundwerkstoff aus seinen Bestandteilen zu schaffen. Das resultierende Material kann in der Form vorliegen, die nahe seiner gewünschten Endkonfiguration ist, oder es kann eine beträchtliche zusätzliche Verarbeitung erfordern, die als sekundäre Fabrikation bezeichnet wird. Einige der beliebteren sekundären Fabrikationsverfahren umfassen die Formung, das Walzen, metallurgisches Verbinden und spanabhebende Bearbeitung.The Manufacturing processes are an important part of the design process for MMCs. A considerable amount of work is being invested in this critical area and significant improvements of existing methods appear probably. Current procedures can be divided into two main categories be divided: primary and secondary Fabiraktionsverfahren. primary Fabrication methods are used to form the metal-matrix composite to create from its components. The resulting material may be in the form that is close to its desired final configuration, or it can be a considerable one additional processing require that as a secondary Fabrication is called. Some of the more popular secondary fabrication methods include forming, rolling, metallurgical bonding and machining.
Eine der erfolgreicheren Techniken zur Herstellung von MMCs, die zuerst von Toyota 1983 zur Herstellung von Kolben vorgeschlagen worden ist, besteht in einer Infiltration von flüssigem Metall in ein Gewebe oder eine vorangeordnete faserige Konfiguration, die als Vorform oder Preform bezeichnet wird. Häufig werden Keramik und/oder organische Bindermaterialien verwendet, um die Fasern in ihrer Lage zu halten. Die organischen Materialien werden dann vor oder während der Metallinfiltration weggebrannt, welche unter einem Vakuum, einem positiven Druck oder beidem durchgeführt werden kann. Eine üblicherweise verwendete Druckinfiltrationstechnik, von der bekannt ist, dass sie die Porosität im End-Verbundwerkstoff verringert, wird als Squeeze Casting bezeichnet.A the more successful techniques for making MMCs first proposed by Toyota in 1983 for the production of pistons is, consists in an infiltration of liquid metal into a tissue or a pre-arranged fibrous configuration, as a preform or Preform is called. Often ceramic and / or organic binder materials are used, to hold the fibers in place. The organic materials will be before or during burned away the metal infiltration, which under a vacuum, a positive pressure or both. A usual used pressure infiltration technique known to she the porosity reduced in the final composite is called squeeze casting.
Das Squeeze Casting-Verfahren besteht gewöhnlich darin, eine Faser- oder Whisker-Vorform in einen Hohlraum eines Werkzeugs zu geben, geschmolzenes Metall dazuzugeben und die Vorform mit dem Metall zu infiltrieren, indem man Werkzeug schließt und mit einem Kolben hohen Druck anwendet. Das Verfahren wird typisch für nahezu endgeformte Teile mit kleinen Abmessungen verwendet. Siehe Siba P. Ray und David I. Yun, "Squeeze-Cast Al2O3/Al Ceramic-Metal Composites", Ceramic Bulletin, Band 70, Nr. 2 (1991).The squeeze casting process usually consists of putting one fiber or whisker preform into one To give cavity of a tool, to add molten metal and to infiltrate the preform with the metal by closing tool and applying high pressure with a piston. The method is typically used for nearly final molded parts with small dimensions. See Siba P. Ray and David I. Yun, "Squeeze-Cast Al 2 O 3 / Al Ceramic-Metal Composites", Ceramic Bulletin, Vol. 70, No. 2 (1991).
Obwohl Ray und Yun vorschlagen, dass Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe unter Verwendung von Vorformen hergestellt werden können, die aus Aluminiumoxid-Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,2 Mikrometern zusammengesetzt sind und 14 bis 48 % offene Poren einschließen, ist diese Offenbarung auf die Produktion von Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen (CMCs) mit stark beschränkter Zähigkeit, Duktilität und maschineller Spanbarkeit beschränkt. Ihre Aufbau erfordert die Verwendung von teuren Werkzeugen und Pressen mit schweren Wänden, die so ausgelegt sind, dass sie großen Druckunterschieden standhalten, wie eine 1.500 Tonnen-Presse.Even though Ray and Yun suggest that using ceramic matrix composites Use of preforms can be made from alumina particles having a average particle size of 0.2 Is micrometers and includes 14 to 48% open pores this disclosure on the production of ceramic matrix composites (CMCs) with very limited Toughness, ductility and machinability limited. Your construction requires the use of expensive tools and heavy wall presses that are designed to be big Withstand pressure differentials, like a 1,500 tonne press.
Es ist auch bekannt, Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe durch Squeeze Casting, gefolgt von einem sekundären Fabrikationsverfahren, herzustellen, wie von Njishida et al., U.S. Patent Nr. 4,587,707, vorgeschlagen. In diesem Verfahren wird Squeeze Casting verwendet, um einen porösen geformten Gegenstand aus Keramikteilchen mit einem geschmolzenen Metall zu infiltrieren, das man dann fest werden lässt. Es wurde geglaubt, dass hohe Drücke von 50,5 bis 101,3 MPa (500 bis 1.000 Atmosphären (15.000 bis 150.000 psi)) erforderlich sind, um die Infiltration zu vervolllständigen. Die Keramikteilchen werden durch schlanke Stäbe bereitgestellt und sind nicht gleichförmig in der Matrix verteilt. Da diese konzentrierten Schichten von Keramik in der Metallmatrix in dem Endprodukt nicht anwesend sein sollen, wird eine mechanische Formung verwendet, um die Stäbe in kleinere Stücke zu zerbrechen und sie in der ganzen Matrix zu verteilen. Die vorgeschlagenen Walz- oder Extrusionstechniken tragen dazu bei, die nun zerbrochenen Keramik-Vorformen auf mehr statistische Weise in dem ganzen Verbundwerkstoff zu verbreiten; jedoch ist das Ergebnis weit von einer gleichförmigen Verteilung auf mikroskopischer Skala entfernt. Da es wahrscheinlich ist, dass die gesinterten Keramikstäbe während des mechanischen Formungsschritts auf ungleichförmige Weise zerbrochen werden, kann der resultierende Verbundwerkstoff konzentrierte oder agglomerierte Keramikbereiche enthalten, welche die resultierenden Verbundwerkstoffeigenschaften beschränken könnten.It is also known to squeeze metal matrix composites Casting, followed by a secondary fabrication process, as described by Njishida et al. Patent No. 4,587,707, proposed. Squeeze casting is used in this process, around a porous one shaped object of ceramic particles with a melted Infiltrate metal, which then lets it solidify. It was believed to be high pressures from 50.5 to 101.3 MPa (500 to 1000 atmospheres (15,000 to 150,000 psi)) necessary to complete the infiltration. The ceramic particles are provided by slender rods and are not uniform distributed in the matrix. Because these concentrated layers of ceramics should not be present in the metal matrix in the final product, A mechanical shaping is used to make the rods into smaller ones pieces to break and distribute them throughout the matrix. The proposed rolling or extrusion techniques contribute to the now-broken ceramic preforms spread more statistically throughout the composite; however, the result is far from a uniform distribution at microscopic Scale away. Since it is likely that the sintered ceramic rods during the mechanical forming step are broken in a non-uniform manner, For example, the resulting composite can be concentrated or agglomerated Ceramic areas containing the resulting composite properties restrict could.
Um den Bedarf an großen Druckanforderungen zu mildern, verwenden die meisten bekannten Metallinfiltrationsverfahren große teilchenförmige Keramiken, größer als etwa 1 Mikrometer. Es wurde nicht geglaubt, dass die Infiltration von geschmolzenem Metall ein nützliches Verfahren für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen ist, die Submikron-Keramikteilchen enthalten, da die Pressengröße und die Druckanforderungen übermäßig und unrealistisch wären. Siehe Christodoulou et al., U.S. Patent Nr. 4,916,030, Spalte 2, Zeilen 25-38.Around the need for big ones To alleviate pressure requirements, most known metal infiltration techniques use size particulate Ceramics, larger than about 1 micrometer. It was not believed that the infiltration of molten metal a useful one Procedure for the production of metal-matrix composites That is, the submicron ceramic particles contain as the press size and pressure requirements are excessive and would be unrealistic. See Christodoulou et al. Patent No. 4,916,030, column 2, Lines 25-38.
Um ohne die Beschränkungen und die Ausgabe von großen Multitonnen-Pressen auszukommen, haben andere Inertgasdruck-Metallinfiltrationstechniken lose Keramikpulvern verwendet. Siehe Jingyu Yang und D.D.L. Chung, "Casting Particulate and Fibrous Metal-Matrix Composites by Vacuum Infiltration of a Liquid Metal and an Inert Gas Pressure", Journal of Materials Science, Band 24, S. 3605-3612 (1989). Yang und Chung haben eine Infiltrationstechnik mit geschmolzenem Metall bei niedrigem Druck (6,895 bis 17,24 MPa (1.000 bis 2.500 psi)) entwickelt, welche unter Druck gesetztes Inertgas verwendet, um geschmolzenes Metall in lose Keramikfasern oder -teilchen hineinzuzwängen. Teilchen im Größenbereich von 0,05 bis 5 Mikrometer werden verwendet. Dieser Aufsatz lehrt, dass durch Begrenzung der Teilchen auf einen speziellen Größenbereich eine größere Porosität in den eng gepackten Teilchen bereitgestellt werden kann, da die Zwischenräume zwischen den Teilchen nicht durch signifikant kleinere Teilchen aufgefüllt sind. Es wird auf diesen Porositätsvolumenbruchteil zurückgegriffen, um zu ermöglichen, dass die Niederdruckkraft die geschmolzene Flüssigkeit veranlasst, die losen Schichten von Keramikteilchen zu infiltrieren. Leider tendieren die Teilchen, da sie lose und nicht gesintert sind, dazu, zu agglomerieren und sich während der Metallinfiltration statistisch zu orientieren. Dies hat eine relativ nicht-gleichförmige Verteilung von Teilchen in der ganzen Matrix zur Folge. Trotz des Vorteils der Verwendung von weniger Druck erzielt deshalb der Verbundwerkstoff, der durch die Infiltration von losen Teilchen erzeugt wird, nicht seine volle Duktilität und Festigkeit.Around without the restrictions and the issue of big ones Multi-ton presses have other inert gas pressure metal infiltration techniques used loose ceramic powders. See Jingyu Yang and D.D.L. Chung, "Casting Particulate and Fibrous Metal Matrix Composites by Vacuum Infiltration of a Liquid Metal and Inert Gas Pressure, Journal of Materials Science, Vol 24, pp. 3605-3612 (1989). Yang and Chung have a molten infiltration technique Metal at low pressure (6.895 to 17.24 MPa (1,000 to 2,500 psi)) which uses pressurized inert gas, to force molten metal into loose ceramic fibers or particles. particle in the size range from 0.05 to 5 microns are used. This essay teaches that by limiting the particles to a specific size range a greater porosity in the tightly packed particles can be provided because the spaces between the Particles are not filled by significantly smaller particles. It is on this porosity volume fraction resorted to enable that the low pressure force causes the molten liquid to loose Infiltrate layers of ceramic particles. Unfortunately, they tend the particles, because they are loose and not sintered, to agglomerate and while to orient statistically the metal infiltration. This has one relatively non-uniform Distribution of particles in the whole matrix result. Despite the Advantage of using less pressure therefore achieves the composite, which is not produced by the infiltration of loose particles its full ductility and strength.
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe sind nicht ohne weitere sehr wohl anerkannte Nachteile. Die Keramikeinschlüsse, die verwendet werden, um diese Verbundwerkstoffe zu verstärken, sind äußerst hart und sind unter Verwendung herkömmlicher Techniken schwierig spanabhebend zu bearbeiten. Dies hat ernsthafte Werkzeugabnutzungsprobleme zur Folge, wenn der Verbundwerkstoff spanabhebend zu seiner Endkonfiguration bearbeitet wird. In einigen Fällen wird die Werkzeugabnützung ein derartig erstes Problem, dass Hersteller auf nahe Endform-Herstellungstechniken, wie Formgießen und Squeeze Casting und dergleichen, zurückgreifen, bei denen die spanabhebende Bearbeitung bei einem Minimum gehalten wird oder insgesamt ausgeschaltet wird. Wie in Charles T. Lane, "Machining Characteristics of Particulate-Reinforced Aluminum", Fabrication of Particulates Reinforced Metal Composites, Proceedings of an International Conference, Montreal, Quebec, Canada, ASM International, S. 195-201 (1990), mitgeteilt, nutzten Aluminiumlegierungen, die mit 10 bis 15 Mikrometer-Keramikteilchen verstärkt waren, Hochgeschwindigkeitsstahl(HSS)werkzeuge in einer Zeitspanne von Sekunden ab und stumpften herkömmliche und beschichtete Carbide in einer Zeitspanne von wenigen Minuten ab. Dieser Aufsatz berichtete, dass die einzige kostengünstige spanabhebende Bearbeitungstechnik für MMCs darin bestand, polykristalline Diamant(PCD)werkzeuge bei Geschwindigkeiten bis zu 2.438 Metern pro Minute zu verwenden. Andere Handwerker hatten ähnliche Erfahrungen bei der spanabhebenden Bearbeitung von MMCs, was offensichtlich deren vollständige kommerzielle Implementierung beschränkt hat.Metal-matrix composites are not without further well-recognized disadvantages. The ceramic inclusions used to reinforce these composites are extremely hard and are difficult to machine using conventional techniques. This results in serious tool wear problems as the composite is machined to its final configuration. In some cases, tool wear becomes such a first problem that manufacturers resort to near-end molding techniques such as molding and squeeze casting, and the like, where the machining is kept to a minimum or scrapped altogether tet is. As reported in Charles T. Lane, "Machining Characteristics of Particulate Reinforced Aluminum", Fabrication of Particulates Reinforced Metal Composites, Proceedings of an International Conference, Montreal, Quebec, Canada, ASM International, pp. 195-201 (1990), For example, aluminum alloys reinforced with 10 to 15 micron ceramic particles used high speed steel (HSS) tools in a matter of seconds and blunted conventional and coated carbides in a matter of minutes. This paper reported that the only cost-effective machining technique for MMCs was to use polycrystalline diamond (PCD) tools at speeds up to 2,438 meters per minute. Other craftsmen had similar experience in machining MMCs, which has apparently limited their full commercial implementation.
K.
Shanker et al., Composites, Band 23, Nr. 1, Januar 1992, S. 47-53,
und die
T. Hanamura et al., Mat. Res. Sorc. Symp. Proc., Band 364, 1995, S. 775-780, offenbaren Legierungsbleche auf γTiAl-Basis, die Al2O3-Teilchen enthalten und durch eine Kombination von Vakuum-Induktionsschmelzen und direktem Blechgießen produziert werden. Der Aluminium-Gehalt der Legierung beträgt 3 Atom-%.T. Hanamura et al., Mat. Res. Sorc. Symp. Proc., Vol. 364, 1995, pp. 775-780 disclose γTiAl-based alloy sheets containing Al 2 O 3 particles produced by a combination of vacuum induction melts and direct sheet metal casting. The aluminum content of the alloy is 3 atomic%.
Der Aufsatz von Michael S. Nagorka et al., Metallurgical and Materials Transactions A, Physical Metallurgy and Materials Science 26A (1995) April, Nr. 4, S., betrifft die Oxid-Dispersionsverstärkung von Kupferlegierungen. Cu-Zr- und Cu-Y-Legierungen wurden intern oxidiert, um etwa 1 Vol.-% ZrO2 oder Y2O3 zu liefern.The article by Michael S. Nagorka et al., Metallurgical and Materials Transactions A, Physical Metallurgy and Materials Science 26A (1995) April, No. 4, p., Relates to the oxide dispersion enhancement of copper alloys. Cu-Zr and Cu-Y alloys were internally oxidized to provide about 1% by volume ZrO 2 or Y 2 O 3 .
M. Otsuka et al., The 33rd Japan Congress of Materials Research, März 1990, S. 13-18, beschreiben gewisse mechanisch legierte Oxiddispersions-verstärkte Legierungen, die 0,27 Massen-% Y2O3 enthalten.M. Otsuka et al., The 33 rd Japan Congress of Materials Research, March 1990, pp 13-18, certain mechanically alloyed oxide dispersion strengthened alloys containing 0.27% by mass of Y 2 O describe contain from 3.
Demgemäß gibt es einen Bedarf an weiteren Verfahrensentwicklungen für die Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen, die eine überlegene Festigkeit und Gleichförmigkeit aufweisen, die aber ebenfalls leicht spanabhebend zu bearbeiten und herzustellen sind. Es bleibt auch ein Bedarf an einer wirtschaftlichen Produktion von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen ohne teure Pressmaschinen oder komplizierte Verarbeitungstechniken.Accordingly, there is a need for further process developments for the production of metal matrix composites that provide superior strength and uniformity have, but also easy to machine and manufacture. There is also a need for an economic Production of metal-ceramic composites without expensive press machines or complicated processing techniques.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION
Diese Erfindung stellt einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen bereit. Die Verfahren dieser Erfindung umfassen die Bereitstellung einer Keramik-Vorform, die Keramikteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als etwa 3 Mikrometern enthält. Diese winzigen Keramikteilchen sind gleichförmig in der ganzen Vorform verteilt und werden aneinandergesintert, so dass mindestens etwa die Hälfte des Volumens der Vorform von Porosität eingenommen wird. Das Verfahren umfasst als nächstes die Schritte des Anordnens der Keramik-Vorform in einer Form und des In-Kontakt-Bringens derselben mit einem geschmolzenen Metall. Das geschmolzene Metall wird dann in die Vorform gezwungen, so dass es diese durchdringt und die Poren einnimmt. Schließlich wird das geschmolzene Metall verfestigt, um einen festen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff zu bilden. In einem wichtigen Aspekt dieser Erfindung ist der resultierende Verbundwerkstoff spanabhebend bearbeitbar und kann bevorzugt mit einer Hochgeschwindigkeitsstahl(HSS)bohrerspitze mehr als etwa 1 Minute lang ohne übermäßige Abnutzung der Bohrerspitze spanabhebend bearbeitet werden.These The invention provides a metal-matrix composite and method ready for the production of metal-matrix composites. The Methods of this invention include providing a ceramic preform, the ceramic particles with an average particle size of not more than about 3 microns. These tiny ceramic particles are uniform throughout the preform distributed and are sintered together, so that at least about the half the volume of the preform of porosity is taken. The procedure includes next the steps of placing the ceramic preform in a mold and contacting them with a molten metal. The molten metal is then forced into the preform so that it penetrates these and occupies the pores. Finally will the molten metal solidifies to form a solid metal-matrix composite to build. In an important aspect of this invention, the resulting Composite material machinable and can be preferred with high speed steel (HSS) drill bit more than about 1 Minute without excessive wear the drill bit can be machined.
Demgemäß kombiniert diese Erfindung die hohe Festigkeit, Steifigkeit und Abnutzungsbeständigkeit von Keramiken mit der maschinellen Spanbarkeit, Zähigkeit und Formbarkeit von Metallen. Eine kleine charakteristische Verstärkungsmaterialgröße von weniger als etwa 3 Mikrometer und bevorzugt weniger als etwa 1 Mikrometer in Verbindung mit einem großen Volumenbruchteil an Porosität und einer im Wesentlichen gleichförmigen Verteilung von Keramikteilchen in einer gesinterten Vorform werden alle verwendet, um diese Verbundwerkstoffe bereitzustellen. Die Verbundwerkstoffe dieser Erfindung liefern verbesserte Festigkeiten bei Raum- und erhöhter Temperatur, einen erhöhten Modul und unerwartet eine ausgezeichnete maschinelle Spanbarkeit und Duktilität, selbst bei hohen Keramik-Beladungen. Diese Verbundwerkstoffe sind lediglich unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitsstahl(HSS)-Fräs-, Bohr- und Anbohrwerkzeugen maschinell bearbeitet worden, ohne dass irgendeine Schwierigkeit erfahren wurde. Es wurden ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheiten erzeugt.Accordingly, this invention combines the high strength, stiffness, and wear resistance of ceramics with the machinability, toughness, and malleability of metals. A small characteristic reinforcing material size of less than about 3 microns, and preferably less than about 1 micron, in conjunction with a large volume fraction of porosity and a substantially uniform distribution of ceramic particles in a sintered preform are all used to provide these composites. The composites of this invention provide improved room temperature and elevated temperature strengths, increased modulus and, unexpectedly, excellent machinability and ductility even at high ceramic loadings. These composites have been machined using only high speed steel (HSS) milling, drilling and tapping tools without any difficulty being experienced. There were excellent surfaces textures generated.
Die MMCs dieser Erfindung zeigen bei Raum- und erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit, da die kleine Verstärkungsmaterialgröße und der Zwischenteilchen-Abstand die Kriterien für eine Dispersionsverstärkung erfüllen. Die kleinen gleichförmig verteilten Keramikteilchen ermöglichen, dass sich der Verbundwerkstoff viel mehr wie ein Metall als wie ein typischer MCC verhält, was ihre Verwendung in Anwendungen ermöglicht, die eine größere Duktilität, Zähigkeit und Formbarkeit erfordern. Die speziellen Metallinfusionsverfahren dieser Erfindung sind auf Mehrfach-Legierungs- und Keramik-Paarungen anpassbar und ermöglichen eine größere Breite zur Erhöhung des Zugmoduls, wenn sich die Beladungen 50 Vol.-% annähern. Spezielle Verstärkungskeramiken und Volumenbruchteile können gewählt werden, welche entwerfbare konstruierte Eigenschaften ermöglichen, die durch die Anwendung diktiert werden, einschließlich eines hohen Elastizitätsmoduls, einer hohen Festigkeit und Duktilität.The MMCs of this invention exhibit high levels at room and elevated temperatures Strength, since the small reinforcing material size and the Interparticle distance meet the criteria for dispersion enhancement. The small uniform allow distributed ceramic particles, that the composite is much more like a metal than like a typical MCC behaves which allows their use in applications requiring greater ductility, toughness and moldability. The special metal infusion method of this The invention is adaptable to multiple alloy and ceramic pairings and allow a larger width to increase of the tensile modulus as the loads approach 50% by volume. Specific reinforcing ceramics and volume fractions can chosen which allow design properties to be designed, which are dictated by the application, including one high modulus of elasticity, one high strength and ductility.
In bevorzugteren Ausführungsformen dieser Erfindung werden andere kritische Parameter vorgeschlagen, einschließlich Vorform-Porositäten innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis 80 Vol.-%, einer minimalen Vorform-Druckfestigkeit von etwa 3,45 MPa (500 psi) und der Auswahl von bevorzugten Keramik- und Metalllegierungs-Kombinationen für die Bereitstellung von Verbundwerkstoffen mit leichtem Gewicht und hohem Modul. In den bevorzugten Herstellungsaspekten dieser Erfindung können anstelle eines Kolbens sehr niedrige Gasdrücke verwendet werden, um eine in großem Maß erleichterte Verarbeitung dieser Verbundwerkstoffe ohne große Kapitalausgaben zu ermöglichen. Diese Verfahren können sowohl Rohblöcke als auch nahezu endgeformte Gegenstände produzieren, die unter Verwendung von Drücken von weniger als etwa 20,68 MPa (3.000 psi) aus Teilchen mit Submikrometer-Größe hergestellt werden. Diese Verfahren sind deshalb preiswert und verwenden leicht verfügbare Ausgangsmaterialien und ansonsten Standard-Flüssigkeitmetall-Infusionstech-niken. Alle diese Vorteile können erzielt werden, indem man eine sehr gleichförmige Verteilung von kleinen Verstärkungs-Keramiken in einer Vorform verwendet, welche eine leicht zu infiltrierende Porosität aufweist.In more preferred embodiments this invention proposes other critical parameters, including Preform porosities within the range of about 50 to 80% by volume, a minimum Preform compressive strength of about 3.45 MPa (500 psi) and selection of preferred ceramic and metal alloy combinations for delivery composites with light weight and high modulus. In The preferred manufacturing aspects of this invention may be used instead a piston very low gas pressures can be used to one in big Measure eased Processing of these composites without large capital expenditures. These methods can both raw blocks as well as produce near-final shaped objects under Using Press less than about 20.68 MPa (3,000 psi) of submicron size particles become. These methods are therefore inexpensive and easy to use available Starting materials and otherwise standard liquid metal infusion techniques. All these benefits can be achieved by having a very uniform distribution of small Gain ceramics used in a preform, which is an easy to infiltrate porosity having.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Durch diese Erfindung werden spanabhebend bearbeitbare Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe bereitgestellt, die von einer Vereinigung von Keramikteilchen von nicht mehr als etwa 3 Mikrometer mit geschmolzenem Metall auf äußerst gleichförmige Weise abstammen. Durch die Verwendung kleinerer Keramikteilchen, bevorzugt mit Submikrometer-Größe, und Verteilen derselben auf solche Weise in einer Metall-Matrix, dass eine Agglomeration vermieden wird, können dem Verbundwerkstoff sowohl eine hohe Duktilität als auch eine hohe Festigkeit verliehen werden, ohne die maschinelle Spanbarkeit zu beschränken. In bevorzugten Ausführungsformen dieses Verbundwerkstoffs sind mindestens 80 der Keramikteilchen gleichförmig auf einer Skala des Dreifachen der Teilchengröße verteilt, und bevorzugter sind mindestens 90 % der Keramikteilchen gleichförmig auf einer Skala des Zweifachen der Teilchengröße verteilt. Dieser Grad an Verteilung von feinen Teilchen beseitigt praktisch große Einschlüsse und Agglomerationen, welche die Duktilität, Festigkeit und maschinelle Spanbarkeit der Verbundwerkstoffe beeinträchtigen.By This invention will be machinable metal-matrix composites provided by an association of ceramic particles of not more than about 3 microns with molten metal in a very uniform manner descended. By using smaller ceramic particles, preferred with submicrometer size, and Distributing them in such a way in a metal matrix that Agglomeration is avoided, the composite material both a high ductility as well as a high strength, without the machine To limit machinability. In preferred embodiments of this composite are at least 80% of the ceramic particles uniform distributed on a scale of three times the particle size, and more preferably At least 90% of the ceramic particles are uniform on a scale of two times the particle size distributed. This degree of distribution of fine particles virtually eliminates size inclusions and agglomerations, which are the ductility, strength and machinability of composites.
Obwohl diese Erfindung alle Arten von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, einschließlich Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen (CMCs) betrifft, ist sie besonders auf Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) mit einem größeren Volumenbruchteil an Metall als Keramik anwendbar. Diese MMCs können aus vielen verschiedenen Kombinationen von Matrixmaterial und verstärkenden Teilchen hergestellt werden, um für jede Anwendung jeden speziellen erforderlichen Satz von Eigenschaften zu entwickeln.Even though this invention all kinds of metal-ceramic composites, including Ceramic-Matrix Composites (CMCs), it is special on metal-matrix composites (MMCs) with a larger volume fraction applicable to metal as ceramic. These MMCs can come from many different Combinations of matrix material and reinforcing particles produced be in order for every application has every special required set of properties to develop.
Diese Erfindung erwägt die Verwendung von Metall-Matrizes mit ultrahoher Festigkeit, einschließlich derjenigen mit einer praktischen Fließgrenze von 70 bis 2000 MPa. Derartige Metalle umfassen zum Beispiel Cobalt und dessen Legierungen, martensitische Edelstähle, Nickel und dessen Legierungen und niedriglegierte ausgehärtete Stähle. Hochfestigkeitsmetalle und -legierungen sind ebenfalls potentielle Kandidaten für die Matrizes dieser Erfindung, einschließlich Wolfram, Molybdän und dessen Legierungen, Titan und dessen Legierungen, Kupfergusslegierungen, Bronzen, Kupferarten, Niob und dessen Legierungen und Superlegierungen, die Nickel, Cobalt und Eisen enthalten. Metalle und Legierungen mit mittlerer Festigkeit können ebenfalls in Erwägung gezogen werden, einschließlich Hafnium, austenitischer Edelstähle, Messingsorten, Aluminiumlegierungen zwischen der 2.000- und 7.000-Reihe, Beryllium-reicher Legierungen, abgereicherten Urans, Magnesiumlegierungen, Silber, Zink-Druckgusslegierungen, Kupferarten, Kupfer-Nickellegierungen, Kupfer-Nickel-Zinklegierungen und anderer Metalle mit einer praktischen Fließgrenze von etwa 40 bis 690 MPa. Schließlich verwendet diese Erfindung gegebenenfalls Legierungen mit geringer Festigkeit und geringer Dichte für die Matrizes dieser Erfindung. Derartige Metalle werden von Gold, Gussmagnesiumlegierungen, Platin, Aluminiumlegierungen der 1.000-Reihe, Blei und dessen Legierungen und Zinn und dessen Legierungen repräsentiert. Diese Materialien haben eine praktische Fließgrenze von lediglich etwa 5 bis 205 MPa. Am wünschenswertesten verwendet diese Erfindung Metalle mit leichtem Gewicht und jene, die relativ preiswert und in großem Umfang verfügbar sind, wie Aluminium, Lithium, Beryllium, Blei, Zinn, Magnesium, Titan und Zink, und Metalle, die überlegene elektrische Eigenschaften aufweisen, wie Kupfer, Silber und Gold. Alle diese ausgewählten Metalle können in kommerziell reiner oder legierter Form bereitgestellt werden. Spezielle Legierungen, von denen erkannt wurde, dass sie in MMCs eine besondere Nützlichkeit aufweisen, umfassen Al-1 Mg-0,6 Si, Al-7 Si-1 Mg, Al-4,5 Cu, Al-7 Mg-2 Si und Al-Fe-V-Si.This invention contemplates the use of ultra high strength metal matrices, including those having a yield value of 70 to 2000 MPa. Such metals include, for example, cobalt and its alloys, martensitic stainless steels, nickel and its alloys, and low alloyed hardened steels. High strength metals and alloys are also potential candidates for the matrices of this invention, including tungsten, molybdenum and its alloys, titanium and its alloys, cast copper alloys, bronzes, copper species, niobium and its alloys and superalloys containing nickel, cobalt and iron. Metals and alloys with medium strength can also including hafnium, austenitic stainless steels, brass types, aluminum alloys between the 2,000 and 7,000 series, beryllium rich alloys, depleted uranium, magnesium alloys, silver, zinc die cast alloys, copper alloys, copper-nickel alloys, copper-nickel-zinc alloys and other metals with a yield value of about 40 to 690 MPa. Finally, this invention optionally employs low strength, low density alloys for the matrices of this invention. Such metals are represented by gold, cast magnesium alloys, platinum, 1000 series aluminum alloys, lead and its alloys, and tin and its alloys. These materials have a yield value of only about 5 to 205 MPa. Most desirably, this invention uses light weight metals and those that are relatively inexpensive and widely available, such as aluminum, lithium, beryllium, lead, tin, magnesium, titanium, and zinc, and metals that have superior electrical properties, such as copper , Silver and Gold. All of these selected metals can be provided in commercially pure or alloyed form. Specific alloys that have been found to have particular utility in MMCs include Al-1 Mg-0.6 Si, Al-7 Si-1 Mg, Al-4.5 Cu, Al-7 Mg-2 Si and Al-Fe-V-Si.
Obwohl Legierungen und kommerziell reine Metalle verwendet werden können, um die Matrizes dieser Erfindung zu erzeugen, ist ein reines Metall die Matrix der Wahl, da eine Keramik-Dispersionsverstärkung alles ist, was für verbesserte Eigenschaften erforderlich ist. Ein reines Metall bietet gegenüber Legierungen auch eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit und beseitigt die Effekte der Überalterung von Niederschlägen. Reine Metalle verstärken auch die Leistungsfähigkeit bei erhöhter Temperatur durch Erhöhung des homologen Schmelzpunktes gegenüber vergleichbaren Legierungen. Schließlich beseitigen reine Metalle die Schwierigkeiten, die mit einer Mikroentmischung und einer Makroentmischung der Legierungselemente in nicht-eutektischen Legierungen während der Verfestigung verbunden sind.Even though Alloys and commercially pure metals can be used to producing the matrices of this invention is a pure metal the matrix of choice, since ceramic dispersion reinforcement is all what kind of improved properties is required. A pure metal offers across from Alloys also increased corrosion resistance and eliminates the effects of aging of precipitation. Reinforce pure metals also the efficiency at elevated Temperature by increase the homologous melting point compared to comparable alloys. After all Pure metals eliminate the difficulties associated with a micro-demixing and a macro-mixing of the alloying elements in non-eutectic Alloys during the solidification are connected.
Die Keramik- oder Zweite-Phase-Bestandteile der Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe dieser Erfindung sind wünschenswerterweise von einer Größe, die die spanabhebende Bearbeitung durch HSS-Werkzeuge nicht stört. Es wurde entdeckt, dass die maschinelle Spanbarkeit nur beibehalten werden kann, wenn diese Keramikteilchen weniger als etwa 3 Mikrometer groß sind, obwohl diese Erfindung bevorzugt einen Größenbereich von etwa 0,01 bis 0,5 Mikrometern verwendet. Die Keramikteilchen sollten über die Zeit und bei der Temperatur des Teilchenherstellungsverfahrens und der Umgebungsbedingungen beim Gebrauch thermisch und chemisch stabil sein.The Ceramic or Second Phase Components of Metal-Matrix Composites of this invention are desirably of a size that Does not interfere with the machining by HSS tools. It was discovered that machinability is only maintained when these ceramic particles are less than about 3 microns in size, Although this invention preferably has a size range of about 0.01 to 0.5 micrometers used. The ceramic particles should over the Time and at the temperature of the particle production process and the ambient conditions in use thermally and chemically stable be.
Diese Keramikteilchen sollten sich bei hohen Temperatur nicht zersetzen noch mit der Metall-Matrix reagieren. Wenn sie dazu tendieren, in die Matrix zu diffundieren, muss die Diffusion der Verstärkung langsam sein, so dass sich die Festigkeit des Verbundwerkstoffs nicht ernsthaft verschlechtert. Ultrafeine Verstärkungsteilchen mit einem Volumenbruchteil von etwa 20 bis 40 % sind besonders vorteilhaft beim Erhalt von Verbundwerkstoffen mit verbessertem Young-Modul, verbesserter Duktilität und maschineller Spanbarkeit.These Ceramic particles should not decompose at high temperature still react with the metal matrix. If they tend to be in diffusing the matrix, the diffusion of the reinforcement must be slow, so the strength of the composite is not serious deteriorated. Ultrafine reinforcing particles with a volume fraction of about 20 to 40% are particularly advantageous in obtaining composites with improved Young's modulus, improved ductility and machinability.
Beispielhafte Zweite-Phase-Keramik-Kandidaten umfassen Boride, Carbide, Oxide, Nitride, Silicate, Sulfide und Oxysulfide von Elementen, die unter Bildung von Keramiken reagieren können, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Übergangselementen der dritten bis sechsten Gruppe des Periodensystems. Besonders nützliche Keramik-bildende oder intermetallische Verbindungen bildende Bestandteile umfassen Aluminium, Titan, Silicium, Bor, Molybdän, Wolfram, Niob, Vanadium, Zirconium, Chrom, Hafnium, Yttrium, Cobalt, Nickel, Eisen, Magnesium, Tantal, Thorium, Scandium, Lanthan und die Seltenerdelemente. Exotischere Keramik-Materialien umfassen Titandiborid, Titancarbid, Zirconiumdiborid, Zirconiumdisilicid und Titannitrid.exemplary Second-phase ceramic candidates include borides, carbides, oxides, Nitrides, silicates, sulfides and oxysulfides of elements that are under Formation of ceramics can react, including, without but limited thereto to be, transitional elements the third to sixth group of the periodic table. Especially useful Ceramics-forming or intermetallic compounds forming constituents Aluminum, titanium, silicon, boron, molybdenum, tungsten, niobium, vanadium, Zirconium, chromium, hafnium, yttrium, cobalt, nickel, iron, magnesium, Tantalum, thorium, scandium, lanthanum and the rare earth elements. more exotic Ceramic materials include titanium diboride, titanium carbide, zirconium diboride, Zirconium disilicide and titanium nitride.
Keramiken auf Kohlenstoff-Basis können ebenfalls als Keramik-Phase nützlich sein, einschließlich natürlicher und synthetischer Diamanten, Graphit, Fullerenen, Diamant-ähnlichen Graphits usw. Gewisse Keramiken sind wegen ihrer Verfügbarkeit, Leichtigkeit der Herstellung, niedrigen Kosten oder der eine außerordentliche Festigkeit herbeiführenden Eigenschaften am wünschenswertesten. Diese schließen Al2O3, SiC, BaC, MgO, Y2O3, TiC, Graphit, Diamant, SiO2, ThO2 und TiO2 ein. Diese Keramikteilchen weisen wünschenswerterweise ein Verhältnis von Länge zu Breite von nicht mehr als etwa 3:1 und bevorzugt nicht mehr als etwa 2:1 auf, können aber beispielsweise als Fasern, Teilchen, Perlen und Flocken vorliegen. Jedoch sind Teilchen wegen der maschinellen Spanbarkeit bevorzugt.Ceramics-based ceramics may also be useful as a ceramic phase, including natural and synthetic diamonds, graphite, fullerenes, diamond-like graphites, etc. Certain ceramics are for their availability, ease of manufacture, low cost, or exceptional strength-inducing properties most desirable. These include Al 2 O 3 , SiC, BaC, MgO, Y 2 O 3 , TiC, graphite, diamond, SiO 2 , ThO 2 and TiO 2 . These ceramic particles desirably have a length to width ratio of not more than about 3: 1 and preferably not more than about 2: 1, but may be present as fibers, particles, beads and flakes, for example. However, particles are preferred because of machinability.
Alternativ können die Keramikverstärkungen dieser Erfindung Seitenverhältnisse aufweisen, die von gleichachsig bis Plättchen und kugelähnlichen Konfigurationen reichen. Die Teilchengrößen-Verteilung kann im Bereich von Monogröße bis zu einer Gauß-Verteilung oder einer Verteilung mit einem breiten Schwanz bei feinen Größen reichen. Diese Teilchen können unter Verwendung einer Vielfalt nasser und trockener Techniken, einschließlich Mahlen mit Kugelmühle und Luftabrieb, gemischt werden.Alternatively, the ceramic reinforcements of this invention may have aspect ratios ranging from equiax to platelet and ball-like configurations. The particle size distribution may range from monosize to a Gaussian distribution or a wide tail distribution at fine sizes. These particles can be prepared using a variety of wet and dry techniques ken, including ball milling and air abrasion.
Die bevorzugten Bindemittel, die in Verbindung mit den Keramikverstärkungen verwendet werden, können einschließen: anorganische Kolloid- und organische Bindemittel, wie zum Beispiel Sinterungsbindemittel, Niedertemperatur(QPAC)- und Hochtemperatur-Kolloidbindemittel. Derartige Bindemittel umfassen Polyvinylalkohol, Methylcellulose, kolloidales Aluminiumoxid und Graphit.The preferred binders used in conjunction with the ceramic reinforcements can be used lock in: inorganic colloid and organic binders, such as Sintering binder, low temperature (QPAC) and high temperature colloid binder. Such binders include polyvinyl alcohol, methyl cellulose, colloidal alumina and graphite.
Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe, die gemäß dieser Erfindung hergestellt sind und eines oder mehrere der obigen Metalle, eine oder mehrere der obigen Legierungen und eines oder mehrere Keramikteilchen enthalten, können zu vielen nützlichen Konfigurationen für eine Vielfalt von Anwendungen verarbeitet werden. Einige der interessanteren Anwendungen sind nachstehend in TABELLE I aufgeführt.Metal matrix composites, the according to this Invention and one or more of the above metals, one or more of the above alloys and one or more Ceramic particles can contain too many useful ones Configurations for a variety of applications are processed. Some of the more interesting Applications are listed below in TABLE I.
TABELLE I: Repräsentative Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe und potentielle Anwendungen TABLE I: Representative metal-ceramic composites and potential applications
Die Leistung der resultierenden Verbundwerkstoffe dieser Erfindung ist eng mit der Gleichförmigkeit der in den bevorzugten Metallinfiltrationsverfahren verwendeten Vorform verbunden. Diese Vorformen können durch eine Vielfalt von Verfahren hergestellt werden, einschließlich Sedimentgießens, Spritzgießens, Gelgießens, Schlickergießens, Isopressens, Ultraschall-Techniken, Filtrierens, Extrudierens, Pressens und dergleichen. Bevorzugt wird eine kolloidale Verarbeitung verwendet, um die Vorformen herzustellen. Der Zusatz von flüchtigen Stoffen und eine gesteuerte Agglomeration der Aufschlämmungen können verwendet werden, um den Teilchen-Volumenbruchteil innerhalb des gewünschten Bereichs einzustellen.The Performance of the resulting composites of this invention closely related to the uniformity of used in the preferred metal infiltration process preform connected. These preforms can by a variety of processes including sediment casting, injection molding, gel casting, slip casting, isopressing, Ultrasonic techniques, filtering, extruding, pressing and the like. Preferably, colloidal processing is used to preform manufacture. The addition of volatile Fabrics and a controlled agglomeration of the slurries can used to measure the particle volume fraction within the desired Set area.
Nach der Herstellung einer grünen Vorform wird die Vorform bevorzugt getrocknet oder gebrannt. Dies kann durch Mikrowellenverarbeitung, Gefriertrocknung oder Luft/Inertgas-Brennen bewerkstelligt werden. Teststäbe können ebenfalls zusammen mit der Vorform hergestellt werden, so dass eine Bestimmung des Bruchmoduls oder der Zugfestigkeitseigenschaften vor der Druckinfiltration ausgewertet werden kann. Eine Ziel-Druckfestigkeit von mindestens etwa 3,45 MPa (500 psi) und bevorzugt etwa 4,83 bis 8,274 MPa (700 bis 1.200 psi) ist für die gesinterte Vorform wünschenswert.After producing a green preform, the preform is preferably dried or fired. This can be accomplished by microwave processing, freeze-drying or air / inert gas burning. Test bars can also be made together with the preform so that a determination of the rupture modulus or properties can be evaluated prior to pressure infiltration. A Target compressive strength of at least about 3.45 MPa (500 psi) and preferably about 4.83 to 8.274 MPa (700 to 1200 psi) is desirable for the sintered preform.
Die Vorformen dieser Erfindung werden idealerweise mit flüssigem Metall druckinfiltriert, um Rohbarren oder geformte Gegenstände zu produzieren. Die Druckinfiltration kann alle Arten von Flüssigmetall-Infiltrations(LMI)-Verfahren einschließen, einschließlich: Inertgas-Drucktechniken, Squeeze Casting und Formguss usw. In einem am meisten bevorzugten Verfahren wird eine Inertgas-Druckinfiltration verwendet. Dieses Verfahren umfasst die Schlüsselschritte: Evakuieren der Vorform vor der Infiltration, geeignete Drucksteuerung für die Infiltration ohne Vorform-Zerbrechen und gerichtete Verfestigung unter Druck, um eine Verfestigungsschrumpfung herbeizuführen.The Preforms of this invention are ideally made with liquid metal pressure infiltrated to produce ingots or shaped articles. The pressure infiltration can be any type of liquid metal infiltration (LMI) process lock in, including: Inert gas printing techniques, squeeze casting and molding etc in one most preferred method is an inert gas pressure infiltration used. This procedure includes the key steps: Evacuating the Preform before infiltration, suitable pressure control for infiltration without preform breaking and directional solidification under pressure, to bring about a hardening shrinkage.
In einer Massenproduktionsumgebung könnte der Herstellung von Rohbarren mit großer Größe eine Schmiedeverarbeitung zu üblichen Produktformen folgen. Druckinfiltration gekoppelt mit Schmiedeverarbeitung bietet die Möglichkeit der Hochleistungsverbundwerkstoff-Herstellung mit geringen Kosten für eine große Vielfalt von strukturellen Anwendungen. Die Schmiedeverarbeitung kann solche Verfahren wie Extrusion, Walzen, Schmieden usw. einschließen. Eine Endform-Verarbeitung kann ebenfalls verwendet werden, einschließlich: Formgießen und Squeeze Casting. In diesen letztgenannten Verfahren können große Rohbarren aufgrund der inhärenten Stabilität der beanspruchten Verbundwerkstoffe wieder geschmolzen und im flüssigen Zustand verarbeitet werden, um Nahe-Endform-Komponenten zu produzieren. Ungefähre Eigenschaften für einen Aluminium- und Magnesium-Matrix-MMC, das durch die bevorzugten Verfahren dieser Erfindung hergestellt ist, sind nachstehend in der TABELLE II eingeschlossen.In A mass production environment could be the production of raw bars with big ones Size a forge processing to usual Product forms follow. Pressure infiltration coupled with forging offers the possibility high performance composite manufacturing at low cost for one big variety of structural applications. The forging can be such Include processes such as extrusion, rolling, forging, etc. A Net shape processing can also be used, including: molding and Squeeze casting. In these latter methods, large rough bars because of the inherent stability the claimed composite materials melted again and processed in the liquid state Become to near-endform components to produce. Approximate Properties for an aluminum and magnesium matrix MMC, by the preferred Process of this invention are described below in included in TABLE II.
TABELLE II: Ungefähre physikalische Eigenschaften von dispersionsverfestigtem Aluminium und Magnesium TABLE II: Approximate physical properties of dispersion strengthened aluminum and magnesium
Die Anmelder haben die bevorzugten Beladungsbereiche für die MMCs dieser Erfindung ausgewertet und haben festgestellt, dass eine 15 vol.-%ige Keramikbeladung den Modul von kommerziell reinem Aluminium und Magnesium um etwa 30 % verbessert. 25 Vol.-% Keramikteilchen verbessert den Modul um etwa 50 bis 60 % und eine 55 vol.-%ige Keramikbeladung verbessert den Modul um etwa 100 %, aber die Duktilität beginnt zu leiden. Keramikbeladungen mit bis zu 45 Vol.-% erzeugten MMCs, die mit Hochgeschwindigkeitsstahl ohne signifikante Abnutzung maschinell bearbeitet wurden. Es wurde weiter bemerkt, dass, wenn die Keramikteilchen etwa 3 Mikrometer überschritten, die maschinelle Spanbarkeit des MMC dramatisch abnahm. Bezüglich des Volumenbruchteils wurde weiter bemerkt, dass Keramikbeladungen von mehr als etwa 50 % die Duktilität des Verbundwerkstoffs signifikant verringerten und Beladungen deutlich unter 15 Vol.-% keine signifikante Modul-Verbesserung erzeugten. Niedrigere Beladungen waren auch schwierig zu infiltrieren, da die Vorformen zu schwach waren, um Infiltrationsdrücken ohne Zerbrechen standzuhalten.The Applicants have the preferred loading ranges for the MMCs evaluated this invention and have found that a 15th vol .-% ceramic loading the module of commercially pure aluminum and magnesium improved by about 30%. 25 vol.% Ceramic particles Improves the module by about 50 to 60% and a 55 vol .-% ceramic loading improves the module by about 100%, but the ductility begins to suffer. Ceramic loadings with up to 45% by volume generated MMCs, those with high-speed steel without significant wear were edited. It was further noticed that when the ceramic particles about 3 microns exceeded, the machinability of the MMC dramatically decreased. Regarding the Volume fraction was further noted that ceramic loadings of more than about 50% ductility of the composite significantly reduced and loadings significantly below 15% by volume did not produce any significant modulus improvement. Lower loadings were also difficult to infiltrate as the preforms too weak to withstand infiltration pressures without breaking.
Die vorliegende Erfindung wird weiter mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.The The present invention will be further understood with reference to the following examples described.
Beispiel IExample I
Es
wurde ein Verbundwerkstoffmaterial mit einer Matrix aus kommerziell
reinem Al hergestellt, die 25 Vol.-% Al2O3 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße auf einer
Populationsbasis von etwa 0,2 Mikrometern einschloss. Als vorbereitender
Schritt wurden die Ausgangsmaterialien wie folgt ausgewogen:
Verstärkung: A-16SG,
kalziniertes Al2O3,
Alcoa Industrial Chemical Division, 259,8 Gramm.
Träger: POLAR
destilliertes Wasser, Polar Water Company, 1205,8 Gramm.
Füllstoff:
Micro 450 (M-450) Graphit, Asbury Graphite Mills, Inc., 184,6 Gramm.
Kolloidales
Bindemittel: Anorganisches NYACOL, Al2O, Hochtemperatur-Beschichtungs/Bindemittel,
Nyacol Produkte, Inc., 86,0 Gramm.A composite material was prepared with a matrix of commercially pure Al that included 25% by volume Al 2 O 3 having an average particle size on a population basis of about 0.2 microns. As a preliminary step, the starting materials were weighed as follows:
Reinforcement: A-16SG, calcined Al 2 O 3 , Alcoa Industrial Chemical Division, 259.8 grams.
Carrier: POLAR distilled water, Polar Water Company, 1205.8 grams.
Filler: Micro 450 (M-450) graphite, Asbury Graphite Mills, Inc., 184.6 grams.
Colloidal Binder: Inorganic NYACOL, Al2O, high temperature coating / binder, Nyacol Products, Inc., 86.0 grams.
Diese Mischung wurde unter Verwendung der folgenden Mahlparameter in einer Mühle vereinigt: Aufschlämmungs-Feststoffgehalt von 10 % und Mühlen-Füllniveau von 30 %. Der Aufschlämmungsansatz wurde etwa 23 bis 25 Stunden gemahlen, aus der Mühle entfernt und in einer Druckfiltrationseinheit angeordnet. Die Aufschlämmung wurde bei 2,41 MPa (350 psi) etwa 36 bis 60 Stunden filtriert. Als die Filtration beendet war, wurde die grüne Vorform aus der Filtrationseinheit entfernt. Es wurde gemessen, dass sie Abmessungen von einem Durchmesser von etwa 4,9 cm mal 12 cm Länge aufwies. Die grüne Vorform wies eine Verstärkungsbeladung von etwa 22 Vol.-% auf. Die grüne Vorform wurde dann bei Umgebungsbedingungen getrocknet, bis ein Gewichtsverlust von mindestens etwa 25 Gew.-% erreicht worden war. Dies dauerte etwa fünf Tage.These Mixture was made using the following milling parameters in one Mill united: Slurry solids content of 10% and mill filling level of 30%. The slurry approach was ground for about 23 to 25 hours, removed from the mill and in a pressure filtration unit arranged. The slurry was filtered at 2.41 MPa (350 psi) for about 36 to 60 hours. When When the filtration was complete, the green preform was removed from the filtration unit away. It was measured to have dimensions of one diameter about 4.9 cm by 12 cm in length had. The green Preform had a reinforcement loading of about 22% by volume. The green The preform was then dried at ambient conditions until a Weight loss of at least about 25 wt .-% was achieved. This lasted about five Days.
Die trockene Vorform wurde dann in einen Ofen gegeben und gemäß dem folgenden Zeitplan gebrannt: The dry preform was then placed in an oven and fired according to the following schedule:
Die gebrannte Vorform wies eine Beladung von etwa 25 Vol.-% gesinterten Keramikteilchen auf. Sie wurde entfernt und überprüft, und ein Gewichtsverlust von etwa 40 Gew.-% wurde festgestellt. Dieser Gewichtsverlust gewährleistete, dass alles Füllstoffmaterial entfernt worden war. Ein schonender Stahlinfiltrationstiegel wurde durch Beschichten mit einer Graphit-Waschbeschichtung DAG 154 Graphite Lubricating/Resistance Coating, erhältlich von Achesion Colloids Company, hergestellt. Das Innere des Tiegels wurde dann mit GRAFOIL Graphitpapier, Güte GTB, erhältlich von UCAR Carbon Company, Inc., ausgekleidet. Die gebrannte Vorform wurde dann in den ausgekleideten Tiegel eingefügt, und ein Vorform-Trägerstab wurde eingeführt, um ein Schwimmen zu verhindern. Der Tiegel wurde dann in die Druckinfiltrationseinheit eingeführt, die eine Spezialanfertigung war. Die Druckinfiltrationseinheit wurde evakuiert und dann unter Verwendung des folgenden Wärmezyklus vorerwärmt: The fired preform had a loading of about 25% by volume sintered ceramic particles. It was removed and checked, and a weight loss of about 40% by weight was noted. This weight loss ensured that all filler material had been removed. A mild steel infiltration crucible was prepared by coating with a graphite washcoat DAG 154 Graphite Lubricating / Resistance Coating, available from Achesion Colloids Company. The interior of the crucible was then lined with GRAFOIL graphite paper, grade GTB, available from UCAR Carbon Company, Inc. The fired preform was then inserted into the lined crucible and a preform support rod was inserted to prevent floating. The crucible was then introduced into the pressure infiltration unit, which was a custom-made one. The pressure infiltration unit was evacuated and then preheated using the following heat cycle:
Etwa 650 Gramm kommerziell reines Aluminium (99,9 % Aluminium, Granalien 2 bis 5, erhältlich von Alcoa) wurden dann in einem elektrischen Widerstandsofen geschmolzen und mit Flux No. 770 Cover Flux, erhältlich von Asbury Graphite Inc., bedeckt. Die Infiltrationseinheit wurde dann wieder mit Argon gefüllt, der Tiegel wurde aus der Druckinfiltrationseinheit entfernt, und die geschmolzene Legierung wurde in den Tiegel gegossen. Der Tiegel wurde dann in die Druckinfiltrationseinheit gegeben, und diese wurde wieder evakuiert. Nach der Evakuierung wurde die Einheit mit Argon in etwa 40 bis 80 Sekunden unter einen Druck von etwa 14,8 MPa (2.150 psi) gesetzt und fünf Minuten gehalten. Die Einheit wurde dann belüftet, und der Tiegel wurde auf eine wassergekühlte Abschreckplatte am Boden der Druckinfiltrationseinheit gegeben. Die Einheit wurde für die Verfestigung noch einmal unter einen Druck von 6,895 MPa (1.000 psi) gesetzt. Man ließ die Mischung etwa eine Stunde abkühlen, bis sie sich gerichtet verfestigte. Die Probe wurde aus der Druckinfiltrationseinheit entfernt, der Tiegel wurde weggeschnitten, und der Legierungseinsatz wurde entfernt.Approximately 650 grams of commercially pure aluminum (99.9% aluminum, granules 2 to 5, available from Alcoa) were then melted in an electric resistance oven and with Flux No. 770 Cover Flux, available from Asbury Graphite Inc., covered. The infiltration unit was then returned to argon filled, the crucible was removed from the pressure infiltration unit, and the molten alloy was poured into the crucible. The crucible was then added to the pressure infiltration unit and it became evacuated again. After evacuation, the unit was treated with argon in about 40 to 80 seconds under a pressure of about 14.8 MPa (2,150 psi) and five Minutes kept. The unit was then vented and the crucible was opened a water cooled Quenching plate placed at the bottom of the pressure infiltration unit. The unit was for the solidification again under a pressure of 6.895 MPa (1,000 psi). They left the Cool mixture for about an hour, until she solidified herself directionally. The sample was removed from the pressure infiltration unit, the crucible was cut away and the alloy insert became away.
Eine
Bruchoberfläche
einer Probe des obigen Verbundwerkstoffs wurde visuell unter einem
Rasterelektronenmikroskop bei 35.000 X überprüft. Die Mikrographie ist in
Die
folgenden mechanischen Eigenschaften wurden gemessen, nachdem zwei
Proben von den resultierenden Rohbarren entfernt worden waren:
Praktische
Fließgrenze,
MPa (ksi) = 170,3 (24,7)
Reißfestigkeit, MPa (ksi) = 331
(48,0)
%Dehnung = 6,0
1,00-SR, Kurzstab-Bruchzähigkeit
= 18,1 MN·m–3/2 (16,5
KSi(IN)2)The following mechanical properties were measured after two samples were removed from the resulting ingots:
Practical yield value, MPa (ksi) = 170.3 (24.7)
Tear strength, MPa (ksi) = 331 (48.0)
% Elongation = 6.0
1.00 SR, short bar fracture toughness = 18.1 MN · m -3/2 (16.5 KSi (IN) 2 )
Andere
Proben wurden bei 440°C
(825°F)
extrudiert, und weitere Proben wurden für die Härte-, Zugfestigkeits- und Ermüdungseigenschaften
hergestellt, mit den folgenden Ergebnissen: Härte
Wärmehärte thermosetting
Zugfestigkeitseigenschaften tensile
Glättungsermüdung smoothing fatigue
Beispiel IIExample II
Unter
Verwendung einer Al-2,5 Mg-Matrix mit einem Volumenbruchteil von
25 Al2O3-Teilchen
mit einer durchschnittlicher Teilchengröße von 0,2 Mikrometern auf
Populations-Basis wurde unter Verwendung des gleichen Verfahrens,
wie in Beispiel I beschrieben, ein Verbundwerkstoff-Material in
Form einer 0,249 cm × 48 cm × 24 cm-Platte
hergestellt, außer
dass die Matrix 5052-H32 Al-2,5 Mg-Legierung einschloss. Die Verfahrensparameter
waren identisch, außer
dass die Al-2,5 Mg-Legierung anstelle des kommerziell reinen Aluminiums
eingesetzt wurde. Während
des Schmelzens der Legierung wurde kein Schutzflussmittel verwendet,
und die Haltetemperatur während
der Infiltration betrug etwa 695°C.
Unter Verwendung der gleichen Testverfahren, wie in Beispiel I offenbart,
wurden die folgenden Eigenschaften erhalten:
Schallmodul, Pa
(MSI) = 109,3 Pa (15,85)
Querdrehzahl = 0,318
Dichte (g/cm3) = 3,023 Using a population-based Al-2.5 Mg matrix with a volume fraction of 25 Al 2 O 3 particles having a mean particle size of 0.2 microns, a composite was made using the same procedure as described in Example I. Material was made in the form of a 0.249 cm x 48 cm x 24 cm plate, except that the matrix included 5052-H32 Al-2.5 Mg alloy. The procedure parameters were identical, except that the Al-2.5 Mg alloy was substituted for the commercially pure aluminum. During the melting of the alloy, no protective flux was used and the holding temperature during the infiltration was about 695 ° C. Using the same test methods as disclosed in Example I, the following properties were obtained:
Sound modulus, Pa (MSI) = 109.3 Pa (15.85)
Lateral speed = 0.318
Density (g / cm 3 ) = 3.023
Beispiel IIIExample III
Es
wurde ein Verbundwerkstoff-Material hergestellt, das eine Matrix
aus kommerziell reinem Al einschloss, die 40 Vol.-% Al2O3 mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,2
Mikrometern auf Populations-Basis einschloss. Die Aus gangsmaterialien
von Beispiel I waren die gleichen, außer der Tatsache, dass ein
organisches Bindemittel, AIR VOL 540, Polyvinylalkohol, von Chemicals
Group Sales von Air Products and Chemical, Inc., verwendet wurde
und eine Kolloidchemie-Anpassung vorgenommen wurde, welche die Zugabe
von Salpetersäure,
69,0 bis 71,0 %-ig, BAKER ANALYZED Reagent, HNO3 von
VWR Scientific einschloss. Wie bei den vorstehenden Beispielen wurden
die getrockneten Bestandteile wie folgt ausgewogen:
Verstärkung: A-16
SG kalziniertes Al2O3,
633,0 Gramm.
Träger:
POLAR destilliertes Wasser, 920,7 Gramm.
Füllstoff: Micro 450 (M-450)
Graphit, 104,5 Gramm.
Organisches Bindemittel: (6 gew.-%ige
Lösung
in Wasser), AIR VOL 540, 30,1 Gramm.
Kolloidchemie-Anpassungsmittel:
Salpetersäure,
0,4 ml.A composite material was prepared which included a matrix of commercially pure Al including 40% by volume Al 2 O 3 having an average particle size of 0.2 microns on a population basis. The starting materials of Example I were the same except for the fact that an organic binder, AIR VOL 540, polyvinyl alcohol, from Chemicals Group Sales of Air Products and Chemical, Inc., was used and a colloid chemistry adjustment was made using the Addition of nitric acid, 69.0 to 71.0%, BAKER ANALYZED Reagent, ENT 3 from VWR Scientific included. As in the previous examples, the dried ingredients were weighed as follows:
Reinforcement: A-16 SG calcined Al 2 O 3 , 633.0 grams.
Carrier: POLAR distilled water, 920.7 grams.
Filler: Micro 450 (M-450) graphite, 104.5 grams.
Organic binder: (6 wt.% Solution in water), AIR VOL 540, 30.1 grams.
Colloid Chemistry Adjusting Agent: Nitric Acid, 0.4 ml.
Die Mischung wurde in einem ähnlichen Mahlverfahren vereinigt, wie es in Beispiel I verwendet wurde, mit den folgenden Mahlparametern: Aufschlämmungs-Feststoffgehalt von 17,5 % und Mühlen-Füllniveau von 25 %. Die Aufschlämmungscharge wurde etwa 23 bis 25 Stunden gemahlen, aus der Mühle entfernt und in eine Druckfiltrationseinheit gegeben.The Mixture was in a similar Milling process, as used in Example I, with the following grinding parameters: slurry solids content of 17.5% and mill fill level of 25%. The slurry batch was ground for about 23 to 25 hours, removed from the mill and placed in a pressure filtration unit given.
Die Aufschlämmung wurde etwa 20 bis 30 Stunden bei 350 psi filtriert. Als die Filtration beendet war, wurde die grüne Vorform, 37 Vol.-% Keramik, aus der Filtrationseinheit entfernt. Es wurde gemessen, dass sie Abmessungen von 4,9 cm Durchmesser × 4 cm Länge aufwies. Die grüne Vorform wurde dann bei Umgebungsbedingungen getrocknet, bis ein Gewichtsverlust von mindestens 23 Gew.-% erreicht worden war. Dies dauerte etwa fünf Tage.The slurry was filtered for about 20 to 30 hours at 350 psi. As the filtration was finished, the green was Preform, 37 vol.% Ceramic, removed from the filtration unit. It was measured to have dimensions of 4.9 cm diameter x 4 cm in length. The green The preform was then dried at ambient conditions until a Weight loss of at least 23% by weight had been achieved. This lasted about five Days.
Die getrocknete Vorform wurde dann in einen Ofen gegeben und gemäß dem folgenden Schema gebrannt: The dried preform was then placed in an oven and fired according to the following scheme:
Die gebrannte Vorform wies eine Beladung von etwa 40 Vol.-% gesinterten Keramikteilchen auf. Sie wurde entfernt und überprüft, und ein Gewichtsverlust von mehr als etwa 15 Gew.-% wurde festgestellt.The fired preform had a loading of about 40% by volume sintered Ceramic particles on. She was removed and checked, and a weight loss greater than about 15% by weight was found.
Ein schonender Stahlinfiltrationstiegel wurde dann im Wesentlichen gemäß dem gleichen Verfahren, wie in Beispiel I beschrieben, präpariert, in die Infiltrationseinheit eingeführt und evakuiert. Die Einheit wurde danach unter Verwendung des folgenden Wärmezyklus vorerwärmt: A mild steel infiltration crucible was then prepared according to the same procedure as described in Example I, introduced into the infiltration unit and evacuated. The unit was then preheated using the following heat cycle:
Etwa 600 Gramm kommerzielle reines Aluminium, wie oben in Beispiel I verwendet, wurden dann geschmolzen, und eine Inertgasinfiltration wurde verwendet, um einen Verbundwerkstoff im Wesentlichen gemäß den Verfahren von Beispiel I herzustellen.Approximately 600 grams of commercial pure aluminum, as in Example I above were then melted, and an inert gas infiltration was used to make a composite material essentially according to the procedures of Example I.
Die
folgenden mechanischen Eigenschaften wurden gemessen:
Materialzustand:
Wie gegossen
Schallmodul, Pa (MSI) = 122 (17,7)
Querdrehzahl
= 0,288
Dichte (g/cm3) = 3,113
Materialzustand:
Extrudiert
Reißfestigkeit,
MPa (ksi) = 448 (65)
Dehnung = 4The following mechanical properties were measured:
Material condition: as cast
Sound modulus, Pa (MSI) = 122 (17,7)
Lateral speed = 0.288
Density (g / cm 3 ) = 3.113
Material condition: extruded
Tear strength, MPa (ksi) = 448 (65)
Elongation = 4
Härtehardness
- 70 Rb70 Rb
Beispiel IVExample IV
Es wurde ein Verbundwerkstoff-Material mit einer Matrix aus kommerziell reinem Mg hergestellt, die 30 Vol.-% MgO-Keramikteilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 0,8 Mikrometern (etwa 0,2 Mikrometern nach Mahlen) einschloss. Die verwendeten Ausgangsmaterialien waren die gleichen wie die, die in Beispiel I verwendet wurden, mit den folgenden Ausnahmen: Die Verstärkung umfasste MAGCHEM 20-M, Magnesiumoxid technischer Güte von Martin Marietta Magnesia Specialities, Inc.; der verwendete Träger war denaturiertes Ethanol von E.K. Industries, Inc.; das organische Bindemittel war Bulls Eye Shellac, Clear Sealer and Finish, von Williams Zinsser & Co., Inc., und die Matrix bestand aus kommerziell reinem Magnesium, 99,8 Gew.-% Magnesium, 0,453 kg (1 Pfund) -Stäbe, 3,3 cm (1,3 Inch) Durchmesser × 30 cm (12 Inch) Länge.It became a composite material with a matrix of commercial pure Mg, the 30 vol .-% MgO ceramic particles with a average particle size of about 0.8 microns (about 0.2 microns after milling) included. The starting materials used were the same as those used in Example I, with the following exceptions: The reinforcement included MAGCHEM 20-M, magnesium oxide technical grade from Martin Marietta Magnesia Specialties, Inc .; the carrier used was denatured ethanol from E.K. Industries, Inc .; the organic one Binder was Bulls Eye Shellac, clear sealer and finish, from Williams Zinsser & Co., Inc., and the matrix was commercially pure magnesium, 99.8 Wt% magnesium, 0.453 kg (1 pound) rods, 3.3 cm (1.3 inches) diameter x 30 cm (12 inches) in length.
Die
Ausgangsmaterialien wurden wie folgt ausgewogen:
Verstärkung: MAGCHEM
20-M Magnesiumoxid, Martin Marietta Magnesia Specialities, Inc.,
232,3 Gramm.
Träger:
POLAR destilliertes Wasser, 727,2 Gramm.
Füllstoff: Micro 450 (M-450)
Graphit, 98,6 Gramm.
Organisches Bindemittel: Bulls Eye Shellac,
116,4 Gramm.The starting materials were weighed as follows:
Reinforcement: MAGCHEM 20-M Magnesium Oxide, Martin Marietta Magnesia Specialties, Inc., 232.3 grams.
Carrier: POLAR distilled water, 727.2 grams.
Filler: Micro 450 (M-450) graphite, 98.6 grams.
Organic binder: Bulls Eye Shellac, 116.4 grams.
Diese Mischung wurde unter Verwendung der folgenden Mahlparameter in einer Mühle vereinigt: Aufschlämmungs-Feststoffgehalt von 10 % und Mühlen-Füllniveau von 25 %.These Mixture was made using the following milling parameters in one Mill united: Slurry solids content of 10% and mill filling level of 25%.
Die Aufschlämmungscharge wurde gemäß den Mahlverfahren von Beispiel I gemahlen. Als die Filtration beendet war, wurde die grüne Vorform aus der Filtrationseinheit entfernt. Es wurde gemessen, dass sie Abmessungen von etwa 4,9 cm Durchmesser × 10 cm Länge aufwies. Die grüne Vorform hatte eine Verstärkungsbeladung von etwa 26 Vol.-% und wurde dann bei Umgebungsbedingungen getrocknet, bis ein Gewichtsverlust von mindestens etwa 25 Gew.-% erreicht worden war. Dies dauerte etwa fünf Tage.The slurry batch was according to the milling process of Example I ground. When the filtration was over, the green preform removed from the filtration unit. It was measured that they are dimensions of about 4.9 cm diameter × 10 cm length had. The green Preform had a reinforcement loading of about 26 vol.% and was then dried at ambient conditions, until a weight loss of at least about 25% by weight has been achieved was. This lasted about five Days.
Die getrocknete Vorform wurde dann in einen Ofen gegeben und gemäß dem folgenden Schema gebrannt: The dried preform was then placed in an oven and fired according to the following scheme:
Die gebrannte Vorform wies eine Beladung von etwa 29 Vol.-% gesinterten Keramikteilchen auf. Sie wurde entfernt und überprüft, und ein Gewichtsverlust von mindestens etwa 34 Gew.-% wurde festgestellt.The fired preform had a loading of about 29% by volume sintered Ceramic particles on. She was removed and checked, and a weight loss of at least about 34% by weight was found.
Es wurde ein Infiltrationstiegel im Wesentlichen wie in Beispiel I beschrieben präpariert und hergerichtet. Etwa 300 Gramm Matrix-Magnesiumlegierung wurden oben auf der Vorform und dem Vorform-Trägerstab angeordnet. Der Tiegel wurde in die Druckinfiltrationseinheit eingeführt, die Einheit wurde evakuiert und wieder auf einen Argondruck von etwa 300 psi gefüllt. Die Einheit wurde dann unter Verwendung des folgenden Wärmezyklus vorerwärmt: An infiltration crucible was prepared and prepared essentially as described in Example I. About 300 grams of matrix magnesium alloy was placed on top of the preform and preform support rod. The crucible was introduced into the pressure infiltration unit, the unit was evacuated and refilled to an argon pressure of about 300 psi. The unit was then preheated using the following heat cycle:
Nach dem zweistündigen Halt bei etwa 705°C wurde die Einheit evakuiert. Nach der Evakuierung wurde sie mit Argon unter einen Druck von etwa 14,82 MPa (2.150 psi) gesetzt und fünf Minuten gehalten. Die gerichtete Verfestigung und die Entfernungsschritte waren im Wesentlichen die gleichen wie die, die oben bei Beispiel I beschrieben wurden. Es wurden Proben hergestellt, und ein Härtewert von 65 Rb wurde gemessen. Die Warmhärtewerte zeigten im Wesentlichen einen parallelen Trend wie bei den Aluminium-Matrix-Proben.To the two-hour Stop at about 705 ° C the unit was evacuated. After the evacuation, she was with Set argon under a pressure of about 14.82 MPa (2,150 psi) and five minutes held. Directional consolidation and removal steps were essentially the same as the ones above at example I have been described. Samples were made and a hardness value of 65 Rb was measured. The hot hardness values essentially showed a parallel trend as with the aluminum matrix samples.
Test auf maschinelle SpanbarkeitTest on machine machinability
Es wurden Proben aus dem Al/25 Vol.-% Al2O3 (Beispiel I); Al/40 Vol.-% Al2O3 (Beispiel II); Al-2,5 Mg/25 Vol.-% Al2O3 (Beispiel III); und Mg/30 Vol.-% MgO (Beispiel IV) hergestellt.There were samples of the Al / 25 vol .-% Al 2 O 3 (Example I); Al / 40 vol.% Al 2 O 3 (Example II); Al-2.5 Mg / 25% by volume Al 2 O 3 (Example III); and Mg / 30% by volume of MgO (Example IV).
Jede
dieser Proben wurde den folgenden maschinellen Bearbeitungsvorgängen mit
den angemerkten Ergebnissen unterzogen:
Ein Flächenfräsen und
Endfräsen
wurde mit HSS-Werkzeugen durchgeführt. Man erfuhr keine Schwierigkeiten bei
Verwendung von Geschwindigkeiten von etwa 0,66 m/s (130 sfm) und
bis zu etwa 0,63 cm (1/4 Inch) Spanabnahmen. Die Oberflächenbeschaffenheit
war gut.Each of these samples was subjected to the following machining operations with the noted results:
Surface milling and finish milling was performed with HSS tools. There was no difficulty in using speeds of about 0.66 m / s (130 sfm) and up to about 0.63 cm (1/4 inch) chip removal. The surface finish was good.
Das Bohren wurde ohne Probleme mit unbeschichteten regulären HSS-Spiralbohrern durchgeführt. Das Bohren wurde mit etwa 0,51 m/s (100 sfm) bewerkstelligt. Die Bohrlöcher mit einem Durchmesser von etwa 0,85 mm (1/32 Inch) bis zu einem Durchmesser von etwa 1,59 cm (5/8 Inch) wurden ohne ersichtliche Beschränkung der Tiefe erzielt.The Drilling was done without any problem with uncoated regular HSS twist drills. The Drilling was accomplished at about 0.51 m / s (100 sfm). The holes with a diameter of about 0.85 mm (1/32 inch) to a diameter of about 1.59 cm (5/8 inches) were without apparent limitation of Depth achieved.
Das Innengewindeschneiden wurde mit einem unbeschichteten 3-Nuten-HSS-Gewindebohrer durchgeführt, von Hand auf Größen im Bereich von etwa 0,32 cm (1/8 Inch) bis etwa 1,9 cm (3/4 Inch) groben und feinen Gewinden geschnitten. Man stieß auf keine Schwierigkeiten.The Internal threading was performed with an uncoated 3-groove HSS tap, from Hand on sizes in the area from about 0.32 cm (1/8 inch) to about 1.9 cm (3/4 inch) coarse and fine Cut threads. You came up no difficulties.
Proben, die aus dem Al/25 Vol.-% Al2O3 und dem Al-2,5 Vol.-% Mg/25 Vol.-% Al2O3 hergestellt waren, wurden auf einer Drehbank unter Verwendung einer festen Carbid-Werkzeugschneidplatte mit etwa 1,78 m/s (350 sfm) gedrechselt. Die Werkzeugschneidplatte entfernte mindestens 98,3 cm3 (6 Kubikinch) Material und arbeitete mindestens drei Stunden lang ohne Schwierigkeiten.Samples prepared from the Al / 25 vol.% Al 2 O 3 and the Al-2.5 vol.% Mg / 25 vol.% Al 2 O 3 were spun on a lathe using a solid carbide Tool cutting plate with about 1.78 m / s (350 sfm) turned. The tool bit removed at least 98.3 cm3 (6 cubic inches) of material and operated for at least three hours without difficulty.
Eine Al/40 Vol.-% Al2O3-Probe wurde auf einer Drehbank unter Verwendung einer HSS-Werkzeugschneidplatte mit etwa 1,78 m/s (350 sfm) gedrechselt. Die Werkzeugschneidplatte entfernte mindestens etwa 49,2 cm3 (3 Kubikinch) Material und arbeitete mindestens zwei Stunden ohne Schwierigkeiten. Es wurden gute bis ausgezeichnete Oberflächenbeschaffenheiten erhalten.An Al / 40 vol.% Al 2 O 3 sample was lathe turned on a lathe using a HSS tool cutting plate at about 1.75 m / s (350 sfm). The tool bit removed at least about 49.2 cm3 (3 cubic inches) of material and operated at least two hours without difficulty. Good to excellent surface finishes were obtained.
Vergleichsbeispiel VComparative example V
Das Bohren wurde unter Verwendung einer 356-T6 Al-Matrix durchgeführt, die mit 20 Vol.-% SiC (durchschnittliche Teilchengröße 10 bis 15 Mikrometer) (DURALCAN F3A.20S) verstärkt war. Der Bohrvorgang wurde mit einer 0,63 cm (1/4 Inch)-HSS-Bohrerspitze unter Verwendung eines Handbohrers durchgeführt. Die Bohrspitze drang etwa 0,63 cm (1/4 Inch) ein und wurde bis zu dem Punkt abgestumpft, wo es erforderlich war, wiederum eine Schärfung vorzunehmen.The Drilling was performed using a 356-T6 Al matrix, the with 20% by volume of SiC (average particle size 10 to 15 microns) (DURALCAN F3A.20S) was. Drilling was done with a 0.63 cm (1/4 inch) HSS drill bit performed using a hand drill. The drill bit penetrated approximately 0.63 cm (1/4 inch) and was blunted to the point where it was necessary again to sharpen.
Es wurde ein Versuch unternommen, dieses Material unter Verwendung einer Bandsäge zu schneiden. Die Säge drang etwa 0,63 cm (1/4 Inch) ein und hielt dann an. Sowohl die Handbohr- als auch die Bandsäge-Technik wurden später bei einer Al/25 Vol.-% Al2O3-Probe von Beispiel I ohne Schwierigkeiten wiederholt.An attempt was made to cut this material using a band saw. The saw penetrated about 0.63 cm (1/4 inch) and then stopped. Both the hand drilling and band sawing techniques were later repeated with difficulty on an Al / 25 vol% Al 2 O 3 sample of Example I.
Vergleichsbeispiel VIComparative Example VI
Eine zusätzliche Vergleichsprobe wurde durch Gasdruckinfiltration von losem SiC-Keramikpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 10 Mikrometern und kommerziell reinem flüssigem Mg-Metall hergestellt. Der resultierende Mg/40 bis 50 Vol.-% SiC-Verbundwerkstoff wurde auf einer Drehbank unter Verwendung einer festen Carbid-Werkzeugschneidplatte gedrechselt. Die Drehbank schnitt nur wenige Sekunden lang, dann begann die Schneidplatte stumpf zu werden und schob das Material lediglich.A additional Comparative sample was prepared by gas pressure infiltration of loose SiC ceramic powder with a average particle size of 10 Micrometers and commercially pure liquid Mg metal. The resulting Mg / 40 to 50 vol% SiC composite was on a lathe using a solid carbide tool cutting plate Turned. The lathe just cut for a few seconds, then the insert began to dull and pushed the material only.
Vergleichsbeispiel VIIComparative example VII
Unter Verwendung der gleichen Technik, wie in Beispiel VI beschrieben, wurde eine weitere Vergleichsprobe mit einer durchschnittlichen SiC-Teilchengröße von 3 Mikrometern hergestellt. Es wurde ein Versuch vorgenommen, den resultierenden Mg/40 bis 45 Vol.-% SiC-Verbundwerkstoff mit einer Bandsäge zu sägen. Die Bandsäge hielt schnell innerhalb von etwa 10 bis 15 Sekunden ohne signifikantes Eindringen in die Matrix an.Under Using the same technique as described in Example VI, was another comparison sample with an average SiC particle size of 3 Made of micrometers. An experiment was made, the resulting Saw Mg / 40 to 45 vol.% SiC composite with a band saw. The band saw held fast within about 10 to 15 seconds without significant Intrusion into the matrix.
Aus dem Vorstehenden kann wahrgenommen werden, dass diese Erfindung maschinell bearbeitbare Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe mit hohem Modul und Metallinfiltrationstechniken für die Herstellung dieser Verbundwerkstoffe bereitstellt. Es wurden kritische Parameter entdeckt, welche die notwendigen Bereiche des Volumenbruchteils der Porosität und der Teilchengrößenverteilung kartieren, die für eine Niederdruck-Metallinfiltration und optimale mechanische Eigenschaften erforderlich sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen erläutert worden sind, geschah dies für den Zweck der Beschreibung und nicht zur Beschränkung der Erfindung. Verschiedene Abwandlungen, die dem Fachmann offensichtlich werden, liegen innerhalb des Bereiches dieser Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen beschrieben ist.Out From the foregoing, it can be appreciated that this invention high performance machinable metal matrix composites Module and metal infiltration techniques for the production of these composites provides. Critical parameters were discovered which the necessary areas of the volume fraction of porosity and the particle size distribution map that for low pressure metal infiltration and optimum mechanical properties required are. Although various embodiments have been explained are, this happened for the purpose of the description and not to limit the invention. Various Variations that will become apparent to those skilled in the art are within the scope of this invention, which is described in the appended claims.
Claims (21)
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102008032271A1 (en) | 2007-07-30 | 2009-02-12 | Ambos, Eberhard, Prof. Dr.-Ing. | Hard material body for molded parts and method for its production |
DE102009018801A1 (en) | 2009-04-24 | 2009-11-05 | Daimler Ag | Turbocharger arrangement has turbocharger shaft and turbocharger wheel, where turbocharger shaft with turbocharger wheel is made in single piece from material from group comprising metal matrix and ceramic matrix composites |
DE102010013999A1 (en) * | 2010-04-07 | 2011-10-13 | Vautid Gmbh | A method for producing a cast workpiece having at least partially increased wear protection |
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- 1995-11-27 JP JP52042997A patent/JP4049814B2/en not_active Expired - Fee Related
- 1995-11-27 DE DE69534107T patent/DE69534107T2/en not_active Expired - Lifetime
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DE102008032271A1 (en) | 2007-07-30 | 2009-02-12 | Ambos, Eberhard, Prof. Dr.-Ing. | Hard material body for molded parts and method for its production |
DE102008032271B4 (en) * | 2007-07-30 | 2009-11-12 | Ambos, Eberhard, Prof. Dr.-Ing. | Method for producing a composite material |
DE102009018801A1 (en) | 2009-04-24 | 2009-11-05 | Daimler Ag | Turbocharger arrangement has turbocharger shaft and turbocharger wheel, where turbocharger shaft with turbocharger wheel is made in single piece from material from group comprising metal matrix and ceramic matrix composites |
DE102010013999A1 (en) * | 2010-04-07 | 2011-10-13 | Vautid Gmbh | A method for producing a cast workpiece having at least partially increased wear protection |
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Legal Events
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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