DE69922714T2

DE69922714T2 - Verbundkörper, Vorform zur seiner Herstellung sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69922714T2
Application number: DE1999622714
Authority: DE
Inventors: Makoto Higashihiroshima-shi Fujita
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-01-30
Also published as: DE69922714D1; US6291057B1; EP0933439B1; JP3315659B2; EP0933439A1; JPH11314975A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorform für einen Verbundkörper aus Leichtmetalllegierung gemischt mit Magnesium, eine Vorform, die sich als Verstärkung zur Herstellung eines Verbundkörpers aus Leichtmetalllegierung eignet, der durch Sintern von oxidierten Keramikteilchen oder Whiskern hergestellt wird, und ein Verfahren zur Herstellung der Vorform.
Um ein Aluminiumlegierungsprodukt, das mit Magnesium gemischt ist, beispielsweise AC4A- und AC4AC-Aluminiumlegierungen (die in dem Japanischen Industriestandard H5202-Aluminium Alloy Casting 1992 spezifiziert ist) zu verstärken, ist es typisch, ein Aluminiumlegierungsprodukt mit einer Verstärkung, beispielsweise nicht-kontinierlichen oder zerstückelten Fasern, Keramik-Whiskern und/oder Keramikteilchen, zu kombinieren. In den letzten Jahren hat es im Hinblick auf die teilweise Kombination eines Aluminiumlegierungsprodukts mit einer Verstärkung und auf die Einfachheit und Angemessenheit der Herstellung des Verbundkörpers eine Tendenz gegeben, eine vorgeformte, poröse Form (die als Vorform bezeichnet wird) vom kontinuierlichen Porentyp als Verstärkung für einen Verbundkörper zu verwenden. Diese poröse Vorform als Verstärkung wird mit einer geschmolzenen Aluminiumlegierung imprägniert, um sie in einen Verbundkörper umzusetzen. Als Materialien, die zur Herstellung der Vorform verwendet werden, werden Titanoxidteilchen, die leicht zu sintern sind und als Keramikteilchen verhältnismäßig preiswert sind, und Aluminiumborat-Whisker (9Al₂O₃·2B₂O₃)- und Kaliumtitanat (K₂O·6TiO₂)-Whisker als keramische Whisker aufgeführt.
Um bei einem Verbundkörper, der aus einer durch Sintern von Keramikteilchen oder Keramikwhiskern hergestellten Vorform hergestellt ist, eine Erhöhung der Festigkeit und Härte herbeizuführen, ist es typisch, eine Hitzebehandlung auf den Verbundkörper anzuwenden. Es ist jedoch schwierig, die Festigkeit und Härte eines Verbundkörpers zu erhöhen, der durch Imprägnieren einer Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierung als Basismetall mit einer gesinterten keramischen Vorform selbst mit Hilfe einer Hitzebehandlung zu imprägnieren. Tabelle 1 zeigt beispielsweise die Zugfestigkeit und Härte von Produkten von F- und T6-Aluminiumlegierungs-Gussteilen (AC8A), von denen einer eine Beimischung von Kaliumtitanat (K₂O·6TiO₂)-Whisker als Verstärkung und der andere keine Beimischung mit einer Verstärkung aufweist. Die Symbole "AC8A" und "AC4A", wie sie in der Beschreibung verwendet werden, sind Bezeichnungen für Typen von Aluminiumlegierungs-Gussteilen, die in JIS H5202 (Japanischer Industriestandard, 1992) definiert sind, und die Symbole "F" und "TX", wie sie hier verwendet werden, sind Temperbezeichnungen für Aluminium und Aluminiumlegierungen, die in JIS H0001 (Japanischer Industriestandard, 1988) definiert sind. Die Temperbezeichnung "F" bezeichnet Aluminium und Aluminiumlegierungen, die weder mit Werkstückhärtung noch mit Hitzebehandlung hergestellt worden sind, und die Temperbezeichnung "T6" bezeichnet Aluminium und Aluminiumlegierungen, die mit Wärmebehandlung und nachfolgender Aushärtung zum Zwecke stabiler mechanischer Eigenschaften hergestellt worden sind.
TABELLE 1
Wie in Tabelle 1 zusammengefasst ist, ist es aus einem Vergleich zwischen einem F-Aluminiumlegierungsprodukt (AC8A) und einem T6-Aluminiumlegierungsprodukt (AC8A) ersichtlich, dass die Wärmebehandlung einen Effekt bei der Erhöhung der Zugfestigkeit und der Härte des AC8A-Aluminiumlegierungsprodukts, das nicht mit einer Verstärkung gemischt ist, jedoch keinen Effekt bei dem AC8A-Aluminiumlegierungsprodukt hat, welches mit Kaliumtitanat (K₂O·6TiO₂)-Whiskern als Verstärkung beigemischt hat. Aufgrund dessen gibt es selbst Fälle, wo Aluminiumlegierungsprodukte, die mit keiner Verstärkung gemischt sind, sich besser verhalten als Aluminiumlegierungsprodukte mit beigemischter Verstärkung in Bezug auf Festigkeit und Härte, wenn sie hitzebehandelt worden sind.
Man ist der Auffassung, dass dies von der folgenden Sache abhängt. Während der Hitzebehandlung einer Magnesium (Mg) enthaltenden Aluminiumlegierung, um eine Lösung der Aluminiumlegierung zu liefern, verbindet sich das Magnesium (Mg) chemisch mit dem Silicium (Si), so dass Magnesiumsilicat (Mg₂Si) in der Struktur ausfällt mit einem Effekt, die Härte der Aluminiumlegierung zu erhöhen. Wenn jedoch Keramik vom Oxidtyp, das zur Herstellung einer Vorform verwendet wird, eine Verbindung enthält, die leicht chemisch mit Magnesium (Mg) eine Verbindung eingehen kann, verbindet sich, während die Vorform unter einem hohen Druck während der Herstellung eines Verbundkörpers oder während einer Hitzebehandlung eines aus der Vorform hergestellten Verbundkörpers umgewandelt wird, die Keramik vom Oxidtyp chemisch mit Magnesium (Mg) mit der Wirkung, dass das Ausfällen von Magnesiumsilicat (Mg₂Si) reduziert wird, was zu einer Aushärtung führt.
Insbesondere in dem Fall, wo ein Titanoxid oder Kaliumoxid (K₂O·6TiO₂) als Keramik vom Oxidtyp zur Herstellung einer Vorform verwendet wird, hat man angenommen, dass Magnesium mit dem Fortschreiten der Reaktion, die durch die folgende chemische Formel (I) ausgedrückt wird, verbraucht wird. In diesem Fall reagiert Titan (Ti), das als Resultat der chemischen Reaktion, die durch die Formel (I) ausgedrückt wird, ausfällt, weiter mit Aluminium (Al), wie durch die folgende chemische Formel (II) ausgedrückt wird, wenn eine Aluminiumlegierung als Basismetall verwendet wird. 3TiO₂ + 2Mg → 2MgTiO₃ + Ti (I) Ti + 3Al → Al₃Ti (II)
Der Verbrauch das Magnesiums (Mg) verhindert das Ausfallen von Magnesiumsilicat (Mg₂Si) in der Vorform, und folglich gibt es keine Erhöhung der Härte des Verbundkörpers mit Hilfe einer Hitzebehandlung.
Wenn Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃) als Keramik vom Oxidtyp verwendet wird, reagieren das Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃) und zersetztes Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit Magnesium (Mg), um das Ausfallen von Aluminiumsilicat (Mg₂Si) und damit eine Aushärtung zu verhindern.
Wenn eine durch Sintern von Keramikwhiskern hergestellte Vorform verwendet wird, ist es ferner schwierig, eine Erhöhung der Härte mit Hilfe einer Hitzebehandlung zu erreichen, und darüber hinaus tritt eine Beeinträchtigung der physikalischen Eigenschaften eines aus der Vorform hergestellten Verbundkörpers auf, weil Whisker als Resultat einer Reaktion der Oxidtypkeramik mit Magnesium verschwinden und/oder eine Porosität oder Hohlräume aufgrund des Verschwindens der Whisker gebildet wird bzw. werden.
Wie in der Japanischen Ungeprüften Patentveröffentlichung No. 6-192765 beschrieben ist, was es bekannt, einen pulverförmigen, anorganischen Binder zu keramischen Whiskern und/oder zerstückelten Fasern zuzugeben, was zur Bildung einer Vorform gepresst wird. Der anorganischer Binder wird durch Kühlen einer geschmolzenen Mischung aus Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO) und Aufbrechen der Mixtur in Pulver hergestellt. Während der Herstellung der anorganischen Binderpulver reagiert das Siliciumoxid (SiO₂) möglicherweise mit dem Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und/oder Calciumoxid (CaO), um chemische Verbindungen zu bilden, und es ist folglich nicht imstande, seine eigene Reaktion mit keramischen Whiskern und/oder zerstückelten Fasern während der Hitzebehandlung einer Mischung aus keramischen Whiskern und/oder zerstückelten Fasern und organischem Binder einzugehen.
Die US-A-5,137,789 offenbart eine Verbundkeramik und einen Metallgegenstand, die eine thermische Isolationskomponente, die aus einem einphasigen magnesiumstabilisierten Aluminiumtitanat hergestellt ist, und eine in-situ-gegossene Strukturkomponente aufweisen, die aus einem Metall mit hoher Schmelztemperatur gebildet ist. Die thermische Isolationskomponente wird durch eine zweistufi gen Prozess hergestellt, der isostatisches Formen vor einem Reaktionssintern umfasst. Das Ausgangsmaterial für diesen Prozess ist ein Pulvermaterial, das Aluminiumoxid, Titandioxid und Magnesiumoxid enthält.
Die EP 0 776 998 A1 zeigt die Herstellung von Titanwhiskern und eines Verbundkörpers aus Whiskern mit einem Harz oder Aluminium oder Aluminiumlegierung. Bei der Herstellung des Verbundkörpers werden Whisker mit einem Pulver der Legierung gemischt, geschmolzen und gesintert. Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers werden die Whisker mit der Legierung unter Druck in einer Gussform imprägniert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorform zur Herstellung eines Verbundkörpers, der an einer chemischen Reaktion zwischen einer Komponente, die eine der Ausgangsmaterialien für die Reduktion bei der an der Vorform durchgeführten Hitzebehandlung ist, und Magnesium zu verhindern, ein Verfahren zur Herstellung der Vorform und einen Verbundkörper bereitzustellen, bei dessen Herstellung die Vorform als Verstärkung verwendet wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorform nach Anspruch 1, einen Verbundkörper nach Anspruch 13 und ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die vorliegende Erfindung wurde auf der Basis des von dem Erfinder erworbenen Wissens gemacht, das ein spezielles Metalloxid einer Oxidtypkeramik daran hindert, mit Magnesium zu reagieren. Insbesondere ist die Vorform zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß der Erfindung von dem Typ, der durch reaktives Sintern von Oxidtypkeramikteilchen und/oder Whiskern mit Magnesium gebildet wird und ein Metalloxid enthält, welches eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als ein Magnesiumoxid hat.
Es werden als Oxidtypkeramik Titanoxid (TiO₂)-Teilchen und Siliciumoxid (SiO₂) in Form von Teilchen und Kaliumtitanat (K₂O·6TiO₂) und Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃) in Form von Whiskern aufgeführt. Als Metalloxid, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesiumoxid hat, wird vorzugsweise wenigstens eines aus der Gruppe umfassend Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) ausgewählt. Die Vorform kann nicht-kontinuierliche oder zerstückelte Fasern enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung der Vorform für einen Verbundkörper umfasst Schritte einschließlich Vorbereiten einer homogenen Mischung von Oxidtypkeramikteilchen und/oder Whiskern, die chemisch mit Magnesium (Mg) reagieren, und einem Metalloxid, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesiumoxid (MgO) hat, oder einer anorganischen chemischen Verbindung, die durch Zersetzen des Metalloxids hergestellt wird, Aufheizen der homogenen Mischung, um die Oxidtypkeramikteilchen und/oder Whisker zu sintern. Die anorganische, chemische Verbindung ist vorzugsweise Calciumcarbonat (CaCO₃). Die Menge an Metalloxid, die zu der Mischung zugegeben wird, ist zwischen 0,1 und 80 Vol% in Bezug auf die Menge der Verstärkung. Die homogene Mischung kann mit trennbaren, sich verflüchtigenden Teilchen, einem anorganischen Binder und/oder zerstückelten Fasern gemischt sein.
Der Verbundkörper wird dadurch hergestellt, dass die Poren der Vorform mit einer Magnesium (Mg) enthaltenden Aluminiumlegierung aufgefüllt werden, und sie hat eine Struktur von Magnesiumsilicat (Mg₂Si).
Der Begriff "Standard-Bindungsenergie" bezieht sich auf die freie Energie, die allgemein durch die Formel (III) ausgedrückt wird und die notwendig ist, um ein Oxid, welches durch die Formel (IV) ausgedrückt wird, zu bilden. 2x/yM + O₂ → 2/yM_xO_y (III) ΔG⁰ = RTInP₀₂(kg·cal/g·mol) (IV)wobei ΔG⁰ die Änderung in der freien Gibbs'schen Energie in einer chemischen Reaktion zur Bildung von einem Mol einer Substanz unter Standardbedingungen von einem Element in dem normalen Standardzustand ist;
R die Gaskonstante (1,987 cal/mol·K) ist;
T die absolute Temperatur (K) ist;
P₀₂ der Partialdruck des Sauerstoffs ist, der speziell beispielsweise in "Nonferrous Metal Making" von The Metal Society of Japan gezeigt ist.
Das Metalloxid, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner oder Magnesium (Mg) hat, reagiert mit einer Oxidtypkeramik, um eine stabile chemische Verbindung zu bilden, um dadurch zu verhindern, dass die Oxidtypkeramik mit Magnesium (Mg) reagiert. Mit anderen Worten verhindert das Metalloxid den Verbrauch an Magnesium (Mg) in der Aluminiumlegierung und bewirkt, dass die Oxidtypkeramik Magnesiumsilicat (Mg₂Si) in seiner Struktur ausfallen lässt und dass es als Konsequenz den erwünschten Effekt bei der Hitzebehandlung zeigt.
Gemäß der Erfindung wird, da die Vorform ein Metalloxid enthält, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesium (Mg) hat, selbst wenn es eine Skelettstruktur hat, die aus einer mit Magnesium (Mg) reaktiven Oxidtypkeramik besteht und verwendet wird, um einen Verbundkörper aus Leichtmetalllegierung enthaltend Magnesium (Mg) verwendet wird, die Oxidtypkeramik der Vorform daran gehindert, chemisch mit Magnesium (Mg) in dem Basismetall für das Verbundprodukt chemisch zu reagieren. Wenn eine Hitzebehandlung, beispielsweise eine T6- Hitzebehandlung, auf das Verbundprodukt angewendet wird, fällt in dem Verbundprodukt folglich Magnesiumsilicat (Mg₂Si) mit einem Effekt von Alterungshärtung aus, so dass dadurch eine Vergrößerung der Festigkeit und Härte geliefert wird. Wenn Oxidtypkeramikwhisker für die Vorform verwendet werden, wird eine chemische Reaktion der Whisker mit Magnesium (Mg) verhindert, so dass als Resultat keine Veränderung aufgrund einer Alterung, beispielsweise ein Verschwinden der Whisker, auftritt. Aufgrund einer chemischen Reaktion der Oxidtypkeramik, die eine Skelettstruktur der Vorform bildet, mit einem Metalloxid, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesium (Mg) hat, liefert ferner die Vorform einer Vergrößerung in ihrer eigenen Festigkeit.
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der Vorform gemäß der Erfindung wird die Sinterung der Vorform mit Hilfe der Coexistenz eines speziellen Metalloxids in der Oxidtypkeramik verbessert, wobei die Vorform eine Verstärkung enthält, die bei einer Temperatur niedriger als eine Vorform gesintert wird, die die gleiche Verstärkung aufweist und durch ein herkömmliches Verfahren hergestellt ist. Ferner ist die Vorform mit einer verbesserten Porosität ausgestattet, was in einem geringeren Druck zur Herstellung eines Verbundkörpers aus der Vorform resultiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung zu verstehen, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, in denen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die eine Druckgussvorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers zeigt;
2 eine schematische Querschnittsdarstellung ist, die eine Gasdruckgussvorrichtung zur Herstellung eines Verbundkörpers zeigt;
3 eine elektronische Mikrophotographie ist, die eine Mikrostruktur eines Verbundprodukts, das aus einer Vorform EX-I hergestellt wurde, vor der Hitzebehandlung zeigt;
4 ist eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, vor der Hitzebehandlung zeigt;
5 ist eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, vor der Hitzebehandlung zeigt;
6 ist eine Röntgenphotographie, die eine Ca-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, vor der Hitzebehandlung zeigt;
7 ist eine Röntgenphotographie, die eine Mg-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, vor der Hitzebehandlung zeigt;
8 ist eine elektronische Mikrophotographie, die eine Mikrostruktur des Verbundprodukts, das aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, nach der T6-Hitzebehandlung zeigt;
9 eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
10 ist eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
11 ist eine Röntgenphotographie, die eine Ca-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus einer Vorform EX-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
12 eine Röntgenphotographie ist, die eine Mg-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus einer Vorform EX-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
13 eine elektronische Mikrophotographie ist, die eine Mikrostruktur des Verbundkörpers, der aus einer Vorform CS-I hergestellt wurde, vor einer Hitzebehandlung zeigt;
14 eine Röntgenphotographie ist, die eine Ti-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, vor einer Hitzebehandlung zeigt;
15 eine Röntgenphotographie ist, die eine O-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, vor einer Wärmebehandlung zeigt;
16 eine Röntgenphotographie ist, die eine Mg-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, vor einer Wärmebehandlung zeigt;
17 eine elektronische Mikrophotographie ist, die eine Mikrostruktur des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
18 eine Röntgenphotographie ist, die eine Ti-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt;
19 eine Röntgenphotographie ist, die eine O-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt; und
20 eine Röntgenphotographie ist, die eine Mg-Charakteristik des Verbundkörpers, der aus einer Vorform CS-I hergestellt wurde, nach einer T6-Hitzebehandlung zeigt.
Der Begriff "Volumenbruchteil" wird hier so benutzt, dass er sich auf ein Verhältnis eines Volumens von Komponenten einer Mischung für eine poröse Vorform, beispielsweise Keramikteilchen und Keramikwhisker, vor dem Sintern bezieht, die basierend auf der Proportion und dem spezifischen Gewicht der Komponenten relativ zu dem Volumen eines Verbundkörpers berechnet wird, der durch Imprägnieren der porösen Vorform mit dem geschmolzenen Basismetall hergestellt wird.
Die folgende Beschreibung ist auf eine Vorform gerichtet, die verwendet wird, um einen Verbundkörper herzustellen, und auf ein Verfahren zur Herstellung der Vorform.
Eine homogene Mischung wird bereitgestellt durch Vermischen von Oxidtypkeramikteilchen, die mit Magnesium reagieren können, und Metalloxidteilchen, die eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als das Magnesiumoxid (MgO) haben. Die Oxidtypkeramik, die mit Magnesium reagieren kann, bezieht sich auf Oxidtypkeramiken, die eine Skelettstruktur einer Vorform bilden und es ermöglichen, dass sich ihre Keramikkomponente vollständig oder teilweise mit Magnesium kombiniert. Als Oxidtypkeramik werden ein Titanoxid (TiO₂) und ein Siliciumoxid (SiO₂) in Form von Teilchen und ein Kaliumtitanat (K₂O·6TiO₂) und ein Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃) in Form von Whiskern aufgeführt. Eine oder mehrere dieser Oxidtypkeramiken kann verwendet werden, um die gewünschten Eigenschaften der Vorform bereitzustellen. Beispielsweise werden wegen ihrer hervorragenden Eigenschaft, gesintert zu werden, Titanoxidteilchen alleine verwendet, um eine Skelettstruktur der Vorform zu bilden, oder Titanoxidteilchen und andere Keramikmaterialien werden gemeinsam verwendet, um die Sinterfähigkeit der Keramikteilchen zu erhöhen. Wegen der hervorragenden Abriebfestigkeit kann die Vorform ferner ein Titanoxid enthalten, um seine Abriebfestigkeit zu erhöhen. Eine Mischung, die hauptsächlich aus Keramikteilchen besteht, kann Keramikwhisker enthalten, um eine erhöhte Festigkeit zu erhalten. Nicht nur Keramikwhisker alleine, sondern eine Mischung, die hauptsächlich aus Titanoxidteilchen enthaltenden Whiskern besteht, kann verwendet werden, um eine Vorform zu bilden mit dem Effekt, dass die Sinterfähigkeit der Keramikwhisker erhöht wird.
Während die Teilchengröße der Keramikteilchen von der Art der Keramik abhängig, ist die vorzugsweise größer als 0,1 μm und insbesondere größer als 0,3 μm, jedoch kleiner als 10,0 μm und insbesondere als 1,0 μm im Hinblick auf die Sinterfähigkeit. Wenn die unterste Grenze von 0,1 μm überschritten wird, ist es schwierig, eine keramische Mischung herzustellen. Andererseits, wenn die Obergrenze von 10,0 μm überschritten wird, ist es schwierig, die Keramikteilchen zu sintern aufgrund eines Abfalls in der Oberflächenenergie der Teilchen. Als Keramikwhisker haben die Whisker vorzugsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 und 1,0 μm und eine Länge zwischen 10,0 und 30 μm. Whisker mit einem Durchmesser und einer Länge, die die Untergrenzen jeweils überschreiten, sind zu dünn und kurz, um die Vorform mit einer gewünschten Porengröße zu versehen, so dass es schwierig gemacht wird, die Vorform mit einem geschmolzenen Basismetall zur Erzeugung eines Verbundkörpers zu imprägnieren. Andererseits sind Whisker mit einem Durchmesser und einer Länge, die die Obergrenzen respektive überschreitet, zu dick und lang für das Einfüllen in eine Mischung für die Vorform. Die Füllproportion einer Oxidtypkeramik in einer Mischung für eine Vorform liegt zwischen einer Grenze für die Füllung mit oberster Dichte für die Oxidtypkeramik und einem minimalen Volumenbruchteil (Vf) von 40 % relativ zu der Gesamtmischung, wenn die Oxidtypkeramik in Form von Teilchen alleine vor liegt, oder bis zu einem minimalen Volumenbruchteil (Vf) von 25 Gewichtsprozent relativ zu der Gesamtmischung, wenn die Oxidtypkeramik in Form von Whiskern alleine vorliegt. Während der minimale Volumenbruchteil (Vf), der die Füllungsproportion darstellt, größer wird, während die Festigkeit der Vorform höher wird, ist in diesem Fall die Dichte der Oxidkeramik zu hoch, um eine gewünschte Porengröße zu erreichen, was immer beim Imprägnieren der Vorform mit geschmolzenen Basismetall unerwünscht ist. Im Hinblick auf eine leichte Imprägnierung mit geschmolzenem Basismetall ist das Füllungsverhältnis der Oxidtypkeramik vorzugsweise weniger als 25 % im Volumenbruchteil im Falle von Teilchen alleine oder weniger als 15 % im Volumenbruchteil im Fall von Whiskern alleine. Wenn eine Oxidtypkeramikmischung aus Teilchen und Whiskern verwendet wird, sind die Füllproportionen dieser Oxidtypkeramikteilchen und Whisker weniger als 40 bzw. 25 % im Volumenbruchteil, und insbesondere weniger als 25 % bzw. 15 % im Volumenbruchteil. Diese Proportionen können geeignet festgelegt werden entsprechend einer Festigkeitsanforderung an die Vorform und der Leichtigkeit der Imprägnierung mit einem geschmolzenen Basismetall.
In dem Fall, wo eine Oxidtypkeramik und Magnesium gemeinsam vorhanden sind, wird ein Metalloxid mit einer Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesiumoxid (MgO) verwendet, um mit einer Oxidtypkeramik bevorzugt vor Magnesium zu reagieren. Diese Reaktion des Metalloxids im Vorzug zu dem Magnesium führt dazu, dass eine Reaktion der Oxidtypkeramik mit Magnesium unterbunden wird, mit dem Effekt, dass der Verbrauch von Magnesium in dem Basismetall verhindert wird. Ein Calciumoxid (CaO) und eine Magnesiumoxid (MgO) stehen als Metalloxid zur Verfügung, das eine Standard-Bindungsenergie gleich oder kleiner als Magnesiumoxid (MgO) hat. Diese Metalloxide können so wie sie sind in eine Mischung kombiniert werden, oder ansonsten können Verbindungen verwendet werden, die während der Sinterung der Mischung zerfallen, verwendet werden, um die entsprechenden Metalloxide zu erzeugen. Wenn beispielsweise eine Mischung aus einem Schlamm mit Hilfe von Vakuumverarbeitung hergestellt wird, ist es bevorzugt, ein Carbonat, beispielsweise Calciumcarbonat (C₂CO₂), das in Wasser löslich ist, statt einem Calciumoxid (CaO) zu verwenden, um zu verhindern, dass ein Metalloxid mit Wasser reagiert. Die Metalloxidteilchen oder die Metallverbindungsteilchen, aus der das Metalloxid durch Zersetzung hergestellt wird, haben vorzugsweise eine mittlere Teilchengröße von etwa 0,1 bis 10 μm. Diese ist deshalb so, weil die Metalloxidteilchen eine Verschlechterung der Reaktionsfähigkeit mit Oxidtypkeramiken aufgrund eines Abfalls in dem Oberflächenbereich und aufgrund von Schwierigkeiten bei der gleichmäßigen Verteilung in einer Mischung, wenn die Obergrenze überschritten wird, oder von Schwierigkeiten bei der Formgebung erfahren, wenn die untere Grenze überschritten wird. Während der Metalloxidgehalt der Mischung entsprechend den Arten der Oxidtypkeramiken, die in der Mischung existieren, und/oder den Arten der Oxidtypkeramiken, beispielsweise Teilchen und Whisker, unterschiedlich sind, liegt es vorzugsweise zwischen 0,1 und 80 des Gesamtvolumens des Verstärkungsmaterials für eine Vorform. Wenn die untere Grenze überschritten wird, zeigt sich der Effekt des Metalloxids in keiner Weise, und die Sinterung der Mischung wird zu stark beschleunigt, was dazu führt, dass eine Vorform leicht schrumpft. Andererseits bewirkt, wenn die Obergrenze überschritten wird, die Oxidtypkeramik eine Verschlechterung der Sinterfähigkeit, was zu einem Abfall in der Festigkeit einer Vorform führt. Im Hinblick auf die Reaktion des Titanoxids mit der Oxidtypkeramik ist der Gehalt an Titanoxid in der Mischung vorzugsweise größer als 1 %, insbesondere größer als 5 %, des Gesamtvolumens des Verstärkungsmaterials der Vorform, wenn eine Oxidtypkeramik in Form von Teilchen vorliegt, oder zwischen 0,6 und 25 %, insbesondere zwischen 2 und 25 %, wenn eine Oxidtypkeramik in Form von Whiskern vorliegt.
Wenn erforderlich, kann die Mischung brennbare Teilchen, andere keramische Teilchen und Whisker, nicht-kontinuierliche oder zernagte Fasern, anorganische Binder, Flockungsmittel und andere Additive enthalten. Die brennbaren Teilchen mit Hinsicht auf Teilchen, die bei einer Sintertemperatur ausgebrannt werden, um Poren in der Vorform zu bilden. Wenn Oxidtypkeramikteilchen alleine mit der höchsten Dichtigkeit gefüllt werden mit dem Resultat, dass der Verstärkungs-Volumenbruchteil (Vf) eines Verbundproduktes zu groß ist, um die Permeabilität der Vorform zu verbessern, das heißt, seinen Gehalt an Lücken oder seine Porosität zu steuern, ist es bevorzugt, die brennbaren Teilchen zuzumischen. Als brennbare Teilchen werden pulverförmige Harze, beispielsweise Polypropylenteilchen, Polyethylenteilchen und Polyacrylamidteilchen und pulverförmiger Graphit aufgeführt. Im Hinblick auf die Brennbarkeit ist pulverförmiger Graphit bevorzugt. Die brennbaren Teilchen sind vorzugsweise größer als 1 μm, und insbesondere größer als 30 μm, jedoch kleiner als 250 μm, und insbesondere kleiner als 100 μm, in ihrer mittleren Teilchengröße. Wenn die Größe der brennbaren Teilchen zu groß ist, ist eine zu lange Zeit erforderlich, um große Hohlräume in der Vorform auszubrennen und zu bilden, was die Homogenität des Verbundkörpers beeinflusst, der von der Vorform hergestellt wird. Wenn andererseits die Größe der brennbaren Teilchen kleiner als 1 μm ist, beginnen die Hohlräume, die als Resultat des Ausbrennens der brennbaren Teilchen gebildet werden, eine Volumenschrumpfung der Keramikteilchen, die an den brennbaren Teilchen haften, während der Sinterung zu bewirken, so dass die Vorform nicht die gewünschte Porosität haben kann. Der brennbare Anteil der Mischung wird entsprechend einem Volumenverhältnis des Verstärkungsmaterials, das heißt, entsprechend dem Volumenbruchteil (Vf) der Keramik, von dem gesamten Verbundprodukt bestimmt. Mit Zunahme des Anteils an brennbaren Teilchen fällt der Keramik-Volumenbruchteil einer Vorform, das heißt, der Verstärkungs- Volumenbruchteil (Vf) eines Verbundprodukts, ab mit dem Resultat, dass ein Abfall in der Festigkeit verursacht und möglicherweise ein Verbundprodukt hergestellt wird, das nicht gleich einem Druckguss ist. Entsprechend ist es erforderlich, eine Proportion der brennbaren Teilchen so festzulegen, dass wenigstens das Verstärkungsmaterial mit Sicherheit einen Volumenbruchteil (Vf) von etwa 10 % hat. Während der Teilchen-Volumenbruchteil einer Mischung je nach der Teilchengröße unterschiedlich ist, beträgt seine Grenze etwa 40 % selbst dann, wenn die brennbaren Teilchen mit der höchsten Dichte eingefüllt sind. Im Hinblick auf das Vorstehende ist das Volumenverhältnis von brennbaren Teilchen zu Keramikteilchen vorzugsweise zwischen 10 : 30 und 25 : 15. Der Verstärkungs-Volumenbruchteil (Vf) eines Verbundproduktes wird auf etwa zwischen 10 und 15 % eingestellt, indem eine Mischung bereitgestellt wird, die diese Teilchen mit Volumenverhältnissen zwischen 10 : 30 und 25 : 15 enthalten.
Als andere Keramik werden Siliciumcarbid (SiC) und Bornitrid (NB) aufgeführt, die Nicht-Oxidtyp-Keramiken sind. Wenn erforderlich, können diese Nicht-Oxidtyp-Keramiken mit der Wirkung eingemischt werden, die Härte eines Verbundproduktes zu erhöhen.
Zerstückelte Fasern, beispielsweise Aluminiumfasern und Mullitfasern können vorzugsweise eingemischt werden, um eine Verringerung der Volumenschrumpfrate während des Sinterns zu erzielen. Speziell ist es bevorzugt, zerstückelte Fasern in eine Mischung einzumischen, die hauptsächlich aus Keramikwhiskern besteht, um eine Vorform zu bilden, die möglicherweise während des Sinterns eine große Volumenschrumpfung bewirkt. Die zerstückelten Fasern sind vorzugsweise länger in ihrer Faserlänge als ein Whisker und größer in ihrem Faserdurchmesser als ein Whisker. Speziell hat eine zerstückelte Faser eine Faserlänge zwischen 200 und 300 μm und einen Faserdurchmesser zwischen 2 und 10 μm. Wenn eine oder beide der oberen Grenzen überschritten werden, ist es aufgrund der sperrigen Fasern zu schwierig, die zerstückelten Fasern gleichförmig in einer Mischung zu verteilen und eine Erhöhung in der Festigkeit einer Vorform zu liefern.
Andererseits sind, wenn eine oder beide der unteren Grenzen überschritten werden, die zerstückelten Fasern im Wesentlichen das Gleiche wie Whisker, und sie können nicht zu einer Erhöhung der Festigkeit einer Vorform beitragen. Um eine signifikante Erhöhung in der Festigkeit einer Vorform bereitzustellen, ist es erforderlich, eine Skelettstruktur mit dicken und langen, zerstückelten Fasern in einem gewissen Ausmaß zu erzeugen, und dafür zu sorgen, das die Skelettstruktur Teilchen oder Fasern enthält.
Da diese anderen Keramiken und zerkleinerten Fasern Verstärkungen für ein Verbundprodukt sind, ist der Volumenbruchteil der Mischung an Keramik und Fasern vorzugsweise kleiner als 15 % selbst für den maximalen Verstärkungs-Volumenbruchteil. Dies beruht darauf, dass die zerkleinerten Fasern und Nicht-Oxidtyp-Keramiken im Allgemeinen hohe Sintertemperaturen aufweisen und folglich die Sinterfähigkeit der Mischung abgesenkt wird, wenn der Keramik- oder Faser-Volumenbruchteil der Mischung 15 % übersteigt.
Anorganische Binder, die kolloidale Materialien, beispielsweise Silicagel und Aluminiumoxidsol, umfassen, werden vorzugsweise als Sinterhilfe in eine Mischung eingemischt, die hauptsächlich aus Keramikwhiskern besteht, um eine Vorform zu bilden. Ferner werden als Flockungsmittel Polyacrylamidgel und als Additiv Ammoniumsulfat aufgezählt.
Verfahren, die in der Lage sind, Teilchen, Whisker und/oder zerstückelte Fasern in ein Verstärkungsmaterial mit höchster Dichte gleichförmig zu mischen, sind ohne Bedingungen als Verfahren zur Herstellung einer homogenen Mischung verwendbar, die die Verbindungen für eine Vorform enthalten. Eines der Verfahren, welches einen einfachen Weg zur Herstellung der Mischung darstellt, ist beispielsweise aus der Japanischen Patentanmeldung Nr. 8 (1996) – 331578 bekannt, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen wurde. Das Verfahren umfasst die Vorbereitung eines Schlamms, in dem Keramikteilchen und/oder Keramikwhisker und Metalloxide und, wenn erforderlich, brennbare Teilchen, zerstückelte Fasern und anorganische Binder als Additive in einem Dispersionsströmungsmittel, beispielsweise Wasser, gemischt werden, das Entwässern des Schlamms, der in eine vorgeschriebene Form eines Behälters eingefüllt wurde, mit Hilfe einer Filtration unter reduziertem Druck und Verdichten des entwässerten Produkts durch Verwendung einer Presse, um einen homogen gemischten Körper mit höchster Dichte zu liefern. Schließlich wird der eine homogene Mischung aufweisende Körper aufgeheizt, um die Oxidtypkeramikteilchen und/oder Whisker zu sintern, um eine Vorform herzustellen. Die Sintertemperatur kann eine Temperatur sein, bei der Keramiken gesintert werden. An der Sintertemperatur reagiert die Oxidtypkeramik, die die Vorform bildet, mit einem Metalloxid. Beispielsweise reagiert ein Calciumoxid (CaO) mit einem Titanoxid (TiO₂), um Perovskit (CaTiO₃) zu bilden, oder es regiert mit Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃), um eine Verbindung wie beispielsweise (CaAl₂B₂O₇), (CaAl₁₂O₁₉) und (CaB₂O₃) zu erzeugen. Als Konsequenz wird eine Oxidtypkeramik, beispielsweise Titanoxid (TiO₂) und Bortrioxid (B₂O₃) daran gehindert, mit Magnesium (Mg) zu reagieren, um dadurch den Verbrauch an Magnesium (Mg) in einer Aluminiumlegierung zu verhindern oder signifikant zu verringern mit dem Resultat, dass der erwartete Effekt der Hitzebehandlung aufgrund der Ausfallhärtung von Magnesiumsilicat (Mg₂Si) erzeugt wird. Ferner wird der Effekt erzeugt, dass eine Sintertemperatur der Oxidtypkeramik abgesenkt wird als ein Resultat der Ausbildung solch einer Verbindung durch die Reaktion des Metalloxids mit der Oxidtypkeramik während der Sinterung.
Die auf diese Weise hergestellte Vorform hat eine Skelettstruktur in dem Zustand, bei dem Keramikteilchen, Keramikwhisker oder Keramikteilchen und Whisker miteinander durch Sinterung verbunden oder einstücktig gemacht worden sind. Das Metalloxid in der Mischung einer Vorform existiert in einer daraus sich ergebenden Vorform als Verbindung, die durch eine Reaktion mit einer Oxidtypkeramik hergestellt ist. Andererseits brennen im Falle, wenn die brennbaren Teilchen in der Mischung enthalten sind, die Teilchen aus und werden aus der Mischung als Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) abgegeben, wobei eine Anzahl von Lücken in der Mischung gebildet werden, weshalb eine Vorform mit verbesserter Permeabiliät geliefert wird.
Die auf diese Weise hergestellte Vorform wird verwendet, um einen Verbundkörper herzustellen, der beispielsweise durch Pressformen oder Gasdruckgießen hergestellt ist. Das Pressgießen ist eine der Gusstechniken. Wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, wird ein geschmolzenes Basis-Leichtmetall 12 in einen Hohlraum, der in einer Gussform 11 ausgebildet ist, in der eine Vorform 10 eingesetzt ist, eingegossen und mit Hilfe eines Stempels 13 unter Druck gesetzt, um die Vorform 10 mit dem geschmolzenen Basis-Leichtmetall 12 zu imprägnieren. Eine Heizeinrichtung 14 ist auf der Außenseite der Gussform 11 angeordnet, um die Gussform 11 zu heizen. Die Gasdruckgusstechnik ist eine andere Gusstechnik. Wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, wird eine untere Gussform 21a, in der eine Vorform 20 eingelegt ist, mit einem oberen Gussformdeckel 21b verschlossen. Ein geschmolzenes Basismetall 22 wird durch eine Zufuhrleitung 23 in einen Hohlraum eingeführt, der von der unteren Gussform 21a und dem oberen Gussformdeckel 21b gebildet wird. Danach wird ein Gas durch die Zufuhrleitung 23 in den Hohlraum eingespritzt, um das geschmolzene Basismetall 22 unter Druck zu setzen und damit die Vorform 20 mit dem geschmolzenen Basismetall 22 zu imprägnieren. Eine Heizeinrichtung 24 ist auf der Außenseite der unteren Gussform 21a und des oberen Gussformdeckels 21b angeordnet, um sie zu beheizen.
Das Basismetall für ein Verbundprodukt ist nicht auf Leichtmetalle beschränkt und kann Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen umfassen. Wie oben beschrieben wurde, bringt, da eine Reaktion zwischen einer Oxidtypkeramik und Magnesium verhindert mit der Wirkung, dass der erwartete Effekt der Hitzebehandlung während der Herstellung der Vorform erreicht wird, wenn Leichtmetalllegierungen, die Magnesium enthalten, als Basismetall für den Verbundkörper verwendet werden, die Vorform gemäß der Erfindung ihre Vorteile in vollem Umfang zur Geltung. Als Aluminiumlegierungen, die Magnesium enthalten, werden AC8A und AC4A (Japanischer Industriestandard – H5202) aufgeführt. Der Gasdruck, das auf das geschmolzene Basismetall aufgebracht wird, ist unterschiedlich entsprechend dem Verstärkungs-Volumenbruchteil einer Vorform, was dem Verstärkungs-Volumenbruchteil (Vf) eines Verbundproduktes entspricht, wenn die Vorform dazu keine Volumen schrumpfung hat, entsprechend den Arten der Keramiken, aus denen die Vorform hergestellt wird, entsprechend den Proportionen der Verstärkungswhisker und -teilchen und den Arten des geschmolzenen Basismetalls. Da mit zunehmendem Anteil von Whiskern in einer Verstärkung die Festigkeit einer Vorform geringer wird, ist es im Allgemeinen unmöglich, einen höheren Druck auf die Vorform anzuwenden. Da jedoch die Vorform gemäß der Erfindung eine erhöhte Festigkeit hat, ist es gestattet, einen höheren Druck auf die Vorform auszuüben, als der, der auf eine herkömmliche Vorform ausgeübt wird.
Da in dem Verbundprodukt, das auf diese Weise hergestellt ist, das in dem Basismetall enthaltene Magnesium nicht mit den Keramikbestandteilen reagiert, die die Vorform bilden, und übrigbleibt, fällt Magnesiumsilicat (Mg₂Si) in der Struktur aus und wird durch eine Hitzebehandlung, beispielsweise die T6-Hitzebehandlung, gehärtet, die mit dem Ziel von Alterungseffekten angewendet wird, die eine Erhöhung der Festigkeit und der Härte des Verbundkörpers liefern. Selbst in dem Fall, wo eine Vorform hauptsächlich aus Keramikwhiskern besteht, verschwinden die Whisker nicht aufgrund von Alterungsveränderungen, was den Verbundkörper davon abhält, den Verstärkungseffekt durch die Whisker zu verlieren.
Die folgende Beschreibung ist auf Beispiel von Vorformen gemäß der Erfindung gerichtet.
BEISPIEL 1
Ein homogener Schlamm wurde dadurch hergestellt, dass Titanoxid (TiO₂) Teilchen des Rutiltyps mit einer mittleren Teilchengröße von 0,3 μm, die als Keramikteilchen auf dem Markt sind, Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃)-Whisker mit einer mittleren Länge von 3 μm und einem mittleren Durchmesser von 1 μm, zerstückelte Aluminiumoxid (Al₂O₃)-Fasern mit einer mittleren Länge von 300 μm und einem mittleren Durchmesser von 3 μm, Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm, Graphitteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 75 μm als brennbare Teilchen und Aluminiumhydroxidsol als anorganisches Bindemittel gleichförmig in Wasser dispergiert wurden. Der homogene Schlamm wurde in eine spezielle Form von Behälter geschüttet und mit einer Vakuumextraktionsvorrichtung als entwässertes Schlammprodukt entwässert. Der Volumenbruchteil (Vf) der Verstärkungsmaterialien (Titanoxidteilchen, Aluminiumboratwhisker, zerstückelte Aluminiumoxidfasern, Calciumcarbonatteilchen und Graphit) eines Verbundkörpers wurde eingestellt, wie in Tabelle II zusammengefasst ist. Der Volumenbruchteil (Vf) des Graphits wurde auf 25 % eingestellt. Das entwässerte Schlammprodukt wurde bei 1140 °C während drei Stunden aufgeheizt, um eine scheibenförmige Vorform EX-I mit einem Durchmesser von 95 mm und einer Dicke von 15 mm herzustellen. Nach Einlegen der scheibenförmigen Vorform in die Gussform 21a, die durch den oberen Gussformdeckel 21a verschlossen war, wie in 2 gezeigt ist, wurde geschmolzene Aluminiumlegierung AC8A in den Hohlraum in der Gussform 21a, die durch den Gussformdeckel 21b verschlossen war, durch die Zufuhrleitung 23 eingegossen und unter den Bedingungen behandelt, die in Tabelle 2 zusammengefasst sind, um einen Verbundkörper herzustellen. Der Verbundkörper wurde durch eine T6-Hitzebehandlung (Lösungsbehandlung bei 500 °C während 4,5 Stunden) und Wasserquetschen behandelt. Des Weiteren wurde der Verbundkörper einer Ausfallhärtungsbehandlung mit gekühlter Luft unterworfen, nachdem er in einer Atmosphäre bei 180 °C während sechs Stunden belassen worden war.
Die 3 bis 7 sind Photographien des Verbundkörpers vor der Hitzebehandlung, und sie sind insbesondere eine elektronische Mikrophotographie, die eine Mikrostruktur zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik zeigt, eine Röntgenstrahlphotographie, die eine Ca-Charakteristik zeigt bzw. eine Röntgenphotographie, die eine Mg-Charakteristik zeigt. In jeder der Röntgenphotographien zeigen hervorgehobene Abschnitte entsprechende Elemente. Die 8 bis 12 sind Photographien des Verbundkörpers nach der Härtungsbehandlung und speziell eine elektronische Mikrophotographie, die eine Mikrostruktur zeigen, eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine Ca-Charakteristik zeigt bzw. eine Röntgenphotographie, die eine Mg-Charakteristik zeigt.
Um die Vorform zu bewerten, wurde eine Vorform (CS-I) als Vergleichsmuster hergestellt. Das entwässerte Schlammprodukt wurde aus einem homogenen Schlamm hergestellt, der der gleiche war wie der bei der Vorform nach Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass er nicht mit Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen gemischt war. Das entwässerte Schlammprodukt wurde bei 1250 °C während drei Stunden aufgeheizt, um eine Vorform CS-I nach dem Vergleichsbeispiel herzustellen, das dieselben Dimensionen wie die Beispiel-Vorform EX-I hatte und unter den Bedingungen behandelt wurde, die in Tabelle II zusammengefasst sind, um einen Verbundkörper zu erzeugen. Die Bedingung war die gleiche wie bei der Beispiel-Vorform EX-I mit der Ausnahme, dass der Druck auf 10 Atmosphären erhöht war. Das entwässerte Schlammprodukt, in dem keine Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen eingemischt waren, hatte eine erhöhte Sintertemperatur und erforderte einen erhöhten Druck zur Imprägnierung mit einem geschmolzenen Metall. Das Vergleichs-Verbundprodukt, welches aus der Vorform CS-I nach dem Vergleichsbeispiel hergestellt war, wurde einer T6-Hitzebehandlung unter denselben Bedingungen wie das Verbundprodukt unterworfen, das aus der Beispiel-Vorform EX-I hergestellt wurde.
Die 13 bis 16 zeigen Photographien des Verbundprodukts nach dem Vergleichsbeispiel vor der Hitzebehandlung, und insbesondere eine elektronische Mikrophotographie, die eine Mi krostruktur zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik zeigt bzw. eine Röntgenphotographie, die eine Mg-Charakteristik zeigt. Die 8 bis 12 sind Photographien eines Verbundprodukts gemäß Vergleichsbeispiel nach der Härtungsbehandlung und insbesondere eine elektronische Mikrophotographie, die eine Mikrostruktur zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine Ti-Charakteristik zeigt, eine Röntgenphotographie, die eine O-Charakteristik zeigt, bzw. eine Röntgenphotographie, die eine Mg-Charakteristik zeigt.
TABELLE II
In den 4 bis 6 ist gezeigt, dass in dem Verbundprodukt nach Beispiel I Calcium (Ca) sich hauptsächlich in Teilen konzentriert, wo Titanoxid (TiO₂)-Teilchen vorhanden sind. Wie in 7 zu sehen ist, existiert Magnesium (Mg) nicht in den Teilen, wo Titanoxid (TiO₂)-Teilchen existieren, und näherungsweise gleichförmige Konzentrationen in Bereichen vorhanden ist, wo Titanoxid (TiO₂) nicht existiert. Dieselbe Tendenz erscheint bei dem Verbundprodukt von Beispiel I nach der Hitzebehandlung. Es ist in den 14 bis 16 gezeigt, dass in dem Vergleichs-Verbundprodukt Magnesium (Mg) sich relativ dicht in Bereichen konzentriert, wo Titanoxid (TiO₂)-Teilchen existieren. Dies zeigt, dass das Verbundprodukt, das aus einer Vorform, die nicht mit Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen gemischt ist, eine Tendenz hat, dass Magnesium (Mg) sich mit Titanoxiden (TiO₂) verbindet. Das Verbundprodukt erhöht diese Tendenz nach der Hitzebehandlung, wie aus den 17 bis 20 zu ersehen ist.
BEISPIEL II
Ein homogener Schlamm wurde hergestellt durch gleichförmige Dispersion von Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃)-Whisker mit einer mittleren Länge zwischen 10 und 30 μm und einem mittleren Durchmesser zwischen 0,5 und 1 μm, Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 5 μm und Aluminiumhydroxidsol als anorganischer Binder in Wasser. Der homogene Schlamm wurde in eine spezielle Form von Behälter geschüttet und von einer Vakuumextraktionsvorrichtung als entwässertes Schlammprodukt entwässert. Der Volumenbruchteil (Vf) der Verstärkungsmaterialien (Aluminiumborat-Whisker und Calciumcarbonat-Teilchen) eines Verbundprodukts wurde eingestellt, wie in Tabelle III zusammengefasst ist. Das entwässerte Schlammprodukt wurde bei 1100 °C für zwei Stunden aufgeheizt, um eine quaderförmige Vorform EX-II mit einer Basis von 36 mm × 15 mm und einer Höhe von 54 mm herzustellen. Nachdem die quaderförmige Vorform in die Gussform 11 eingesetzt worden war, wie in 1 gezeigt ist, wurde geschmolzene Aluminiumlegierung AC8A in den Hohlraum in der Gussform 1 eingegossen und unter den Bedingungen behandelt, die in Tabelle III zusammengefasst sind, um ein Verbundprodukt herzustellen. Ferner wurde eine Vorform (CS-II) als Vergleichsbeispiel hergestellt. Das entwässerte Schlammprodukt wurde aus einem homogenen Schlamm hergestellt, der der gleiche war wie der bei der Vorform nach Beispiel II mit der Ausnahme, dass er nicht mit Calciumcarbonat (CaCO₃)-Teilchen gemischt war. Das entwässerte Schlammprodukt, das als Vergleichsbeispiel-Vorform CS-II hergestellt wurde, hatte die gleichen Abmessungen wie die Beispiel-Vorform EX-II und wurde unter den Bedingungen behandelt, die in der Tabelle III zusammengefasst sind, um ein Verbundprodukt herzustellen. Das Beispiel-Verbundprodukt und das Vergleichsbeispiel-Verbundprodukt, die aus den Vorformen EX-II bzw. CS-2 hergestellt wurden, wurden einer T6-Hitzebehandlung (Lösungstemperatur bei 505 °C während 4,5 Stunden) und Wasserauspressung unterworfen. Ferner wurden beide Verbundprodukte einer Ausfall-Härtebehandlung mit gekühlter Luft unterworfen, nachdem sie in einer Atmosphäre bei 180 °C während sechs Stunden belassen worden waren.
Die 21A und 21B sind elektronische Mikrophotographien, die eine Mikrostruktur der Vorform nach Beispiel II zeigen. Als Resultat der Röntgen-Diffraktionsanalyse wurde nachgewiesen, dass die Bildung von Verbindungen, wie (CaAl₂B₂O₇), (CaAl₁₂O₁₉) und (CaB₂O₅), um Aluminiumborat (9Al₂O₃·2B₂O₃)-Whiskern auftraten. Die 22A und 22B sind elektronische Mikrophotographien, die Mikrostrukturen der Vergleichsbeispiel-Vorformen CS-II zeigen.
Die 23A und 23B sind elektronische Mikrophotographien, die eine Mikrostruktur des Verbundkörpers zeigen, der aus der Vorform von Beispiel II vor bzw. nach der Hitzebehandlung hergestellt wurde. Die 24A und 24B sind Skizzen der Mikrostruktur, die in den 23A bzw. 23B gezeigt sind.
TABELLE III
Es ist in den 21A, 21B, 22A und 22B, in denen hervorgehobene Abschnitte Whisker bedeuten, gezeigt, dass beide Verbundkörper eine ineinandergreifende Mikrostruktur von Fasern haben. Wenn man jedoch die Mikrostruktur, die in den 23A und 23B gezeigt ist, mit der Mikrostruktur vergleicht, die in den 24A bzw. 24B gezeigt sind, ist es ersichtlich, dass, während Whisker so wie sie sind in dem Verbundkörper geblieben sind, der aus der Vorform EX-II (ein schraffierter Abschnitt in der in 24A gezeigten Skizze entspricht einem hervorgehobenen Abschnitt in der Mikrophotographie, die in 23A gezeigt ist), Whisker in dem Vergleichs-Verbundkörper verschwunden sind, der aus der Vorform CS-II hergestellt wurde (ein schraffierter Abschnitt in der in 24 gezeigten Skizze entspricht einem dunklen Abschnitt in der Mikrophotographie, die in 23B gezeigt ist).
Um die Schrumpfungs- und Kompressionsfestigkeit der Vorform gemäß der Erfindung zu beurteilen, wurden verschiedene Mustervorformen in einem ähnlichen Verfahren hergestellt, in dem auch die Vorform EX-II hergestellt worden war, hergestellt und hatten Volumenbestandteile an Whiskern, zerstückelten Fasern und Calciumcarbonat (CaCO₃), wie in Tabelle IV zusammengefasst ist. In diesem Fall enthielt nur eine Mustervorform a-1, die eine Verstärkung mit einem Volumenbruchteil von 11 enthielt, brennbare Teilchen (pulverförmige Graphitteilchen). Der Calciumcarbonatgehalt betrug 12 Vol.% in Bezug auf Whisker, und die sie sind durch Volumenbruchteile (Vf) in Tabelle IV zusammengefasst, in der eine Mustervorform, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthält, mit einem Kreis (O) oder einem Dreieck (Δ) und eine Mustervorform, die ein Calciumcarbonat (CaCO₃) enthält, mit einem schwarzen Punkt (•) bezeichnet sind.
TABELLE IV
Die Vorformschrumpfung in Prozent, die durch eine Längenänderung von jeder Muster-Vorform vor und nach dem Sintern gemessen wurde, ist in Bezug auf verschiedene Verstärkungsvolumenbruchteile (Vf) in 25 gezeigt. Wie aus 25 ersichtlich ist, haben die Mustervorformen, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten, eine höhere Schrumpfung als die Mustervorformen, die kein Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten, und zerstückelte Fasern bewirken einen Abfall in dem Schrumpfungsprozentsatz von jeder Vorform unabhängig von dem Gehalt an Calciumcarbonat (CaCO₃).
Die Kompressionsfestigkeit der Vorform, die durch die mechanische Bruchbelastung in Druck (MPa) von jeder Mustervorform mit einer Größe von 15 mm × 15 mm × 15 mm gemessen wurde, ist in Bezug auf die verschiedenen Volumenbruchteile (Vf) des Verstärkungsmaterials (Whisker und zerstükkelte Fasern) in 26 gezeigt. Wie aus 26 ersichtlich ist, haben die Mustervorformen, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten, eine höhere Kompressionsfestigkeit als die Mustervorformen, die kein Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten. Es ist auch ersichtlich, dass, während Mustervorformen, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten, eine erhöhte Kompressionsfestigkeit mit ansteigendem Verstärkungs-Volumenbruchteil haben, Mustervorformen, die kein Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten, keine Erhöhung in der Kompressionsfestigkeit unabhängig von einer Erhöhung in dem Verstärkungs-Volumenbruchteil zeigen. Der Anstieg an Festigkeit der Vorform, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthält, resultiert vermutlich von einer Erhöhung in der Festigkeit des Aluminiumborats (9Al₂O₃·2B₂O₃)-Whiskern aufgrund der chemischen Kombination des Aluminiumborats (9Al₂O₃·2B₂O₃) mit Calciumoxid (CaO). Zwischen den Vorformen, die Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten und denselben Verstärkungs-Volumenbruchteil haben, zeigt die Vorform, die zerkleinerte Aluminiumfasern als Verstärkungsmaterialien enthalten, eine geringere Festigkeit als die Vorform, die keine zerstückelten Aluminiumfasern enthält. Dies beruht vermutlich darauf, dass die Aluminiumfasern enthaltende Vorform weniger durch den Verstärkungseffekt aufgrund der chemischen Kombination des Aluminiumborats (9Al₂O₃·2B₂O₃) mit Calciumoxid (CaO) beeinflusst wird. In 26 zeigt eine strichpunktierte Linie eine untere Grenze der Kompressionsfestigkeit, die bei einer Vorform erforderlich ist, um einen Verbundkörper herzustellen.
Die Zugfestigkeit der Verbundkörper, die aus den Vorformen EX-I und CS-I respektive hergestellt wurden, wurde vor und nach der T6-Hitzebehandlung durch mechanische Bruchkräfte in Druck (MPa) an spezifizierten Testtemperaturen von 25 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C und 300 °C unter den Bedingungen für Zugfestigkeitstests von Metallen in dem Japanischen Industriestandard gemessen wurde, ist in 27 gezeigt. Wie erwähnt wurde, sind die Vorformen EX-I und CS-I hauptsächlich aus Keramikteilchen aufgebaut. In 27 ist die Zugfestigkeit mit einem (O) für den T6-Verbundkörper, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, mit einem schwarzen Punkt (•) für den F-Verbundkörper, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde, mit einem Quadrat (☐) für den T6-Verbundkörper, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, und mit einem schwarzen Quadrat (∎) für den F-Verbundkörper bezeichnet, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde. Wie aus 27 ersichtlich ist, ist, was die Verbesserung der Festigkeit betrifft, die Hitzebehandlung bei dem Verbundkörper unwirksam, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, jedoch wirksam bei dem Verbundkörper, der aus der Vorform EX-I hergestellt wurde. Dies zeigt, dass der Verbundkörper, der aus einer Vorform, die mit Calciumcarbonat (CaCO₃) gemischt ist, eine Erhöhung in der Festigkeit durch die T6-Hitzebehandlung liefert.
Die Zugfestigkeit der Verbundkörper, die aus den Vorformen a-1 und c-1 hergestellt wurden, die hauptsächlich aus Keramikwhiskern aufgebaut sind, die vor und nach einer T6-Hitzebehandlung durch mechanische Bruchkräfte in Druck (MPa) unter den Erfordernissen für einen Zugfestigkeitstest von Metallen nach dem Japanischen Industriestandard gemessen wurde, und ihre Härte sind in Tabelle V zusammengefasst.
TABELLE V
Wie aus Tabelle V ersichtlich ist, ist im Hinblick auf eine Verbesserung der Festigkeit und der Härte die Hitzebehandlung bei dem Verbundkörper, der aus der Vorform c-1, die nicht mit Calciumcarbonat (CaCO₃) gemischt ist, unwirksam, jedoch bei dem Verbundkörper, der aus der Vorform a-1, die mit Calciumcarbonat (CaCO₃) gemischt ist, wirksam. Im Lichte des Resultats ist es vorteilhaft, eine Vorform mit Calciumcarbonat (CaCO₃) zu mischen, damit ein Verbundkörper, der aus der Vorform hergestellt wird, einen Hitzebehandlungseffekt zeigt.
Abriebfestigkeitstests für Ringe und Scheiben als Verbundkörper, die aus Vorformen EX-I und CS-I und anderen Verbundkörpern hergestellt wurden, wurden unter den Testbedingungen durchgeführt, die in Tabelle VI zusammengefasst sind. Die anderen Verbundkörper umfassen einfache Aluminiumlegierungsprodukte, beispielsweise AC8A und A390, Gusseisen, Nickelchrom (Ni-Cr), Cermetverbundprodukt, das mit demselben Verfahren wie der Verbundkörper gemäß der Erfindung aus einer porösen Metallvorform mit Verstärkungen von etwa 8 % Volumenbruchteil hergestellt wurde und das durch Sintern eines aufgeschäumten Kunststoffmaterials mit pulverförmigen Nickelteilchen, die daran hafteten, hergestellt wurde, und ein Aluminiumlegierungs(AC8A)-Verbundkörper, der mit zerstückelten Aluminiumfasern als Verstärkung nach der T6-Hitzebehandlung gemischt wurde. Das Resultat ist in 28 zusammengefasst.
TABELLE VI
Wie aus 28 ersichtlich ist, ist der Verbundkörper, der aus der Vorform gemäß der Erfindung hergestellt wurde, in seiner Abriebfestigkeit einem Metallcermet-Verbundkörper und dem Verbundkörper, der eine nicht vorgeformte Verstärkung enthält, überlegen. Ferner ist der Verbundkörper, der aus der Vorform EX-I der Erfindung hergestellt wurde und der Calciumcarbonat (CaCO₃) enthält, in der Abriebfestigkeit dem Verbundkörper überlegen, der aus der Vorform CS-I hergestellt wurde, die kein Calciumcarbonat (CaCO₃) enthält. Dies beruht vermutlich darauf, dass in der Vorform, die Calciumcarbonat enthält, das Calciumcarbonat (CaCO₃) bewirkt, dass Titanoxid (TiO₂) seine eigene Abriebfestigkeit zeigt.
Es ist zu beachten, dass, obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele davon beschrieben wurde, verschiedene andere Ausführungsbeispiele und Varianten für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich sind, die im Schutzumfang der Erfindung liegen, und diese anderen Ausführungsbeispiele und Varianten sollen durch die folgenden Ansprüche abgedeckt sein.

Claims

Eine Vorform, die durch das Sintern von wenigstens einem der Stoffe Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Wisker oder Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker hergestellt wird, wobei die Vorform ferner umfasst: wenigstens einen der Stoffe Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO).
Die Vorform nach Anspruch 1, worin Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) eine mittlere Teilchengröße zwischen 0,1 und 10,0 μm haben.
Die Vorform nach Anspruch 2, worin Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) eine mittlere Teilchengröße zwischen 0,3 und 1,0 μm haben.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Whisker und Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker einen mittleren Durchmesser zwischen 0,5 und 1,0 μm und eine mittlere Länge zwischen 10 und 30 μm haben.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin die Volumenbruchteile von Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) mit Bezug auf das Verbundprodukt und Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Whisker und Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker jeweils kleiner als 25 % bzw. 15 % sind.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, die ferner aufgeteilte Fasern umfasst.
Die Vorform nach Anspruch 6, worin die aufgeteilte Faser einen mittleren Durchmesser zwischen 2 und 10 μm und eine mittlere Länge zwischen 200 und 300 μm hat.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) sich in der Teilchenform befinden mit einer mittleren Größe zwischen 0,1 und 10 μm.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin ein Volumenbruchteil von Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) mit Bezug auf die Vorform zwischen 0,1 und 80 % liegt.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) einen Volumenbruchteil von Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) mit Bezug auf keramische Teilchen zwischen 1 und 25 % haben.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, worin Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Whisker und Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker einen Volumenbruchteil von Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO) mit Bezug auf Keramikwhisker zwischen 0,6 und 25 % haben.
Die Vorform nach den vorhergehenden Ansprüchen, die ferner ein anorganisches Bindemittel umfasst.
Ein Verbundkörper, umfassend eine poröse Vorform, die wenigstens einen der Stoffe Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Whisker oder Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker umfasst, die gesintert sind, um eine vorgegebene Skelettstruktur für den Verbundkörper zu bilden; wobei die poröse Vorform umfasst: wenigstens einen der Stoffe Calciumoxid (CaO) und Magnesiumoxid (MgO); und eine Leichtmetalllegierung, die Magnesium (Mg) enthält, die in die Poren der porösen Vorform eingefüllt ist.
Der Verbundkörper nach Anspruch 13, worin die poröse Vorform ferner aufgeteilte Fasern umfasst.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Vorform für einen Verbundkörper durch Erhitzen einer homogenen Mischung aus wenigstens einem der Stoffe Titanoxid (TiO2) und/oder Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumborat (9Al2O3·2B2O3)-Whisker oder Kaliumtitanat (K2O·6TiO2)-Whisker und wenigstens einem der Stoffe Magnesiumoxid (MgO) oder einer anorganischen chemischen Mischung, die thermisch in Magnesiumoxid (MgO) zerfällt, und die homogene Mischung sintert, um dadurch eine Vorform herzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 15, worin die anorganische Mischung Magnesiumcarbonat (MgCO3) ist.
Das Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend die Schritte des Mischens eines Dispersionsmediums, das Wasser enthält, mit der homogenen Mischung, um eine wässrige Mischung zu bilden und um die wässrige Mischung in einem Behälter mit einer vorgegebenen Form zu entwässern, um ein entwässertes Produkt aus der homogenen Mischung herzustellen.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 1 5 bis 17, worin ein Bruchteil des Volumens von Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO) mit Bezug auf die Vorform zwischen 0,1 und 80 % liegt.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 15 bis 18, worin die homogene Mischung ferner brennbare Teilchen enthält.
Das Verfahren nach Anspruch 19, worin die brennbaren Teilchen aus Graphit bestehen.
Das Verfahren nach den Ansprüchen 19 oder 20, worin das brennbare Teilchen eine mittlere Größe zwischen 1 und 250 μm hat.
Das Verfahren nach Anspruch 21, worin das brennbare Teilchen eine mittlere Größe zwischen 30 und 100 μm hat.
Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 22, worin die homogene Mischung ferner ein anorganisches Bindemittel enthält.