DK172193B1 - Fiberarmerede sammensatte materialer med metalgrundmasse - Google Patents

Description

DK 172193 B1

Den foreliggende opfindelse angår generelt armering af metaller med uorganiske fibre, og mere specielt fiberarmerede sammensatte materialer med metalgrundmasse omfattende porøse, uorganiske oxidfibre med en vægtfylde på mindst 1,8 mg/1 og 5 mindre end 2,5 g/ml, især aluminiumoxidfibre, indlejret som armering i en metalgrundmasse. Opfindelsen indbefatter præforme fremstillet af porøse, uorganiske oxidfibre med lav vægtfylde, der er egnede til inkorporering som armering i en metalgrundmasse .

10 Der kendes sammensatte materialer med metalgrundmasse (i det følgende forkortet MMC) omfattende uorganiske oxidfibre, såsom polykrystallinske aluminiumoxidfibre indlejret som armering i en grundmasse omfattende et metal, såsom aluminium eller magnium eller en legering indeholdende aluminium eller magnium 15 som hovedkomponent. En fiber, der almindeligt anvendes i sådanne MMC'er, er aluminiumoxidfibre i form af korte (f.eks. op til 5 mm) fibre med fin diameter (f.eks. gennemsnitsdiameter 3 mikron), som er tilfældigt orienteret i det mindste i et plan vinkelret på tykkelsesretningen af det sammensatte mate- 20 riale. MMC'er af denne type indeholdende aluminiumoxidfibre i legeringer er begyndt at blive anvendt i industrien til en række formål, især i stempler til forbrændingsmotorer, hvori ringområderne og stempeltopområderne armeres med aluminiumoxidfibre .

25 MMC'er indeholdende ensrettede kontinuerlige fibre, såsom aluminiumoxidfibre og stålfibre, er også blevet foreslået til anvendelse til formål, hvor der kræves ensrettet styrke, f.eks. til armering af plejlstænger til forbrændingsmotorer. I MMC'er af denne type har fibrene forholdsvis stor diameter f.eks.

30 mindst 8 og i reglen mindst 10 mikron, og hvor det drejer sig om aluminiumoxidfibre, omfatter de en høj mængde f.eks. fra 60 til 100% f.eks a-aluminiumoxid.

De metalgrundmasser, til hvilke fiberarmering er af størst interesse, er de såkaldte letmetaller og legeringer indehol- DK 172193 B1 2 dende dem, især aluminium og magnium og deres legeringer.

Vægtfylden af disse metaller er typisk ca. 1,8 til 2,8 g/ml, og da de uorganiske oxidfibre, der hidtil har været anvendt som armering, har en vægtfylde større end 3, typisk ca. 3,3 5 til 3,9 g/ml, er en ulempe ved de fremkomne MMC'er, at de er tungere end metallet selv. En MMC bestående af en aluminiumlegering med vægtfylde 2,8 armeret med 50 rumfangsprocent alumi-niumoxidfibre med en vægtfylde på 3,9 vil således have en vægtfylde på ca. 3,35. Det ville klart være fordelagtigt, hvis 10 inkorporering af en fiberarmering i metallet gav en MMC med mindre eller i det mindste ikke betydeligt større vægtfylde end metallet selv.

Ifølge opfindelsen angives et sammensat materiale med metal-grundmasse omfattende tilfældigt orienterede porøse uorganiske 15 oxidfibre med en vægtfylde på mindst 1,8 g/ml og mindre end 2,5 g/ml indlejret i et grundmassemateriale af metal.

Ifølge opfindelsen angives også en præform, der er egnet til inkorporering i et metalgrundmassemateriale til fremstilling af et sammensat materiale med metalgrundmasse i overensstem-20 melse med foregående afsnit, og omfattende tilfældigt orienterede porøse uorganiske oxidfibre med en vægtfylde på mindst 1,8 g/ml og mindre end 2,5 g/ml sammenbundet med et bindemiddel, fortrinsvis et uorganisk bindemiddel.

Forstærkelse af egenskaberne af metaller ved inkorporering af 25 en fiberarmering deri står i forhold til styrken og modulet af de anvendte fibre, idet det er ønskeligt at fibrene har høj trækstyrke og højt modul.

I foretrukne udførelsesformer for opfindelsen angives derfor MMC'er og præforme, hvori fibrene har trækstyrke større end 30 1500 fortrinsvis større end 1750 MPa og modul større end 100 GPa.

DK 172193 B1 3

Hvis det ønskes, kan de uorganiske oxidfibre anvendes i blanding med andre typer fibre, f.eks. aluminiumsilikatfibre (vægtfylde ca. 2,8 g/ml) eller siliciumcarbid whiskers (vægtfylde ca. 3,2 g/ml), idet mængden af uorganiske oxidfibre i 5 sådanne blandinger typisk er fra 40 til 80% af fibrene. De uorganiske oxidfibre kan omfatte oxiderne af mere end et metal, og et særligt eksempel på en sådan fiber er en aluminium-oxidfiber indeholdende nogle få vægt%, f.eks. 4 eller 5 vægt% af et fasestabiliseringsmiddel, såsom siliciumdioxid.

10 Rumfangs fraktionen af fibrene i MMC (og i præformen) kan variere inden for vide grænser afhængende af de krav, der stilles til MMC'en. Som vejledning kan opnås rumfangsfraktioner på op til 50 til 60%, typisk fra 30 til 40% af MMC'en. MMC kan f.eks. indeholde fra 0,1 til g/ml fibre, fortrinsvis mindst 15 0,3 g/ml og typisk fra 0,8 til 1,6 g/ml eller endnu mere. Fi berindholdet i MMC'en kan variere gennem hele tykkelsen af det sammensatte materiale. Ændringen i fiberindhold kan være ensartet eller trinvis. En udførelsesform for en MMC omfattende en trinvis variation af fiberindholdet haves i et laminat af 20 MMC'er med forskelligt fiberindhold, hvor de sammensatte materialer, om ønsket, er adskilt i et komplet laminat af et lag af metallet, f.eks. en plade af aluminium. Sammensatte materialer med flere lag kan opbygges som det ønskes. MMC'en kan have en bagklædning af et egnet tekstilstof f.eks. Kevlar 25 stof.

Fortrinsvis har fibrene en trækstyrke på mindst 1000 MPa og et modul på mindst 70 GPa, og fortrinsvis mindst 100 GPa. De skal fortrinsvis være i det væsentlige kemisk indifferente over for metallet, der danner grundmassen, således at fiberegenskaberne 30 ikke nedbrydes omend nogen reaktion med fibrene kan tolereres, f.eks. reaktioner som forøger bindingen mellem metallet og fibrene. Fibrene skal fortrinsvis befugtes let af metallet.

De foretrukne fibre er porøse, polykrystallinske aluminium-oxidfibre, idet sådanne fibre udviser en god balance mellem de DK 172193 B1 4 ønskelige egenskaber, såsom høj styrke, høj stivhed, hårdhed, lav vægtfylde og kemisk indifferenthed over for metaller såsom aluminium og magnium. En typisk polykrystallinsk aluminium-oxidfiber med en diameter på ca. 3 mikron har en styrke på 5 1500 til 2000 MPa, et modul på 150 til 200 GPa og en vægtfylde på ca. 2,0 til 2,5 g/ml.

Fibrene er tilfældigt orienteret og kan være korte stabelfibre (f.eks. nogle få cm) og valsede stabelfibre (f.eks. 50 til 1000 mikron) foretrækkes. Fiberlængden har en betydelig virk-10 ning på pakningstætheden af fibrene i præforme, hvori fibrene er arrangeret i tilfældig eller plan tilfældig orientering, og derfor på rumfangsfraktionen af fibrene i MMC'en. I almindelighed kræver høje rumfangsfraktioner af fibre meget korte fibre, f.eks. fibre med en længde under 500 mikron, og så lavt 15 som 10 eller 20 mikron, afhængende til en vis grad af de særligt anvendte fibre og især deres diameter og stivhed. Der er en kritisk minimumsfiberlængde, for at fibrene giver maksimal trækstyrkeforøgelse af metalgrundmassen.

Hvor en betydelig stigning i trækstyrken ikke er så vigtig, 20 kan der imidlertid anvendes fibre med en længde under den kritiske længde til at give en MMC med nedsat vægtfylde uden tab af trækstyrke i det sammensatte materiale, men med forøget slidstyrke og stivhed/modul. I sådanne tilfælde kan fibrene være ekstremt korte, f.eks. nogle få mikron, således at de 25 ligner pulvere.

Som ovenfor nævnt skal den kritiske længde af fibrene overstiges for at trækstyrken af metalgrundmassen forøges betydeligt og der opnås maksimal nytte med hensyn til trækstyrke i almindelighed, når de faktiske fiberlængder overstiger den kritiske 30 længde med en faktor på ca. 10. Den kritiske længde afhænger af mængderne af de særlige fibre og det anvendte metal, og den temperatur, ved hvilken den fremkomne MMC skal arbejde. Hvis det drejer sig om polykrystallinske aluminiumoxidfibre med en gennemsnitsdiameter på 3 mikron foretrækkes fiberlængder op DK 172193 B1 5 til ca. 1000 mikron, men til sammensatte materialer med en høj rumfangsfraktion af fibre, er fiberlængder mellem 100 og 500 mikron typiske. Hvor den fremkomne MMC kun er beregnet til at arbejde ved lav temperatur, kan fiberlængder så lave som 20 5 mikron være acceptable. Som almen vejledning foretrækkes den maksimale fiberlængde svarende til en høj rumfangfraktion fibre.

Fiberdiameteren kan variere inden for et bredt interval f.eks. fra 2 mikron til 100 mikron. Fine fibre giver de højeste rum-10 fangsfraktioner af fibre i MMC'erne, og diametre i intervallet 2 til 10 mikron foretrækkes. Polykrystallinske aluminiumoxid-fibre med en diameter på ca. 3 mikron og med længder på 10-200 mikron er særligt egnede til at opnå høje rumfangsfraktioner af fibre i MMC'erne. Det skal dog forstås, at de her nævnte fi-15 berlængder refererer til længden i MMC'en, og disse længder kan være mindre end de fibre, der anvendes til at danne MMC'-en, idet der kan ske nogen nedbrydning af fibrene (som er hårde og skøre) under fremstilling af MMC'en. I almindelighed kan der anvendes længere fibre til fremstilling af det sammensatte 20 materiale end de ovenfor beskrevne.

De foretrukne fibre i fiberarmeringen er aluminiumoxidfibre med lav vægtfylde. I dette tilfælde omfatter aluminiumoxidfib-rene helt et overgangsaluminiumoxid eller en mindre mængde a-aluminiumoxid indlejret i en grundmasse af et overgangsalumi-25 niumoxid, såsom γ-, δ- eller 77-aluminiumoxid. Ifølge opfindelsen foretrækkes fibre, der ikke har noget eller et meget lavt α-aluminiumoxidindhold, og især et a-aluminiumoxidindhold under l vægt%.

De foretrukne fibre udviser acceptable trækstyrker og har høj 30 fleksibilitet. I en særlig udførelsesform ifølge opfindelsen har fibrene en trækstyrke større end 1500 MPa, fortrinsvis større end 1750 MPa, og et modul større end 100 GPa. Typiske tilsyneladende vægtfylder for fibrene med lav vægtfylde er 2 g/ml til 2,5 g/ml, selv om fibre med enhver ønsket vægtfylde i DK 172193 B1 6 intervallet 1,8 til 2,5 g/ml kan opnås ved omhyggelig regulering af varmebehandlingen, som fibrene underkastes. I almindelighed har fibre opvarmet til lavere temperaturer, f.eks. 800 til 1000°C, lavere vægtfylde og lavere trækstyrke og modul end 5 fibre opvarmet til højere temperaturer, f.eks. 1100 til 1300°C. Som vejledning kan siges, at fibre med lav vægtfylde udviser trækstyrker på ca. 1500 MPa og modul på ca. 150 GPa, medens fibre med højere vægtfylde udviser styrker og modul på ca. 1750 MPa og 200 GPa. Det er blevet iagttaget, at modulet 10 af fibrene med lav vægtfylde ikke findes at påvirkes meget af det varmebehandlingsprogram, som fibrene har været underkastet og ikke varierer meget i overensstemmelse med den tilsyneladende vægtfylde af fibrene. Forholdet mellem fibermodul og fibervægtfylde (= specifikt modul) er derfor i almindelighed 15 størst for fibrene med lav vægtfylde.

Fibrene kan fremstilles ved en oppustning-spindingsteknik eller en centrifugal spindingsteknik, og i dette tilfælde formes et spindemateriale til mange strømme af fiberforstadium, som tørres i det mindste delvis i flugten til dannelse af gelfib-20 re, som så opsamles på et egnet organ såsom et trådnet eller bærebånd.

Spindematerialet, der anvendes til at fremstille fibrene, kan være ethvert af de, der er kendt til fremstilling af polykry-stallinske metaloxidfibre, og er fortrinsvis en spindeopløs-25 ning, der er fri eller i det væsentlige fri for suspenderede faste partikler med en størrelse større end 10, fortrinsvis en størrelse større end 5 mikron. Rheologiegenskaberne af spindematerialet kan let indstilles, f.eks. ved anvendelse af spin-dehjælpemidler, såsom organiske polymerer eller ved at variere 30 koncentrationerne af fiberdannende komponenter i materialet.

Som grundmassemateriale kan anvendes ethvert metal, der smelter ved en temperatur under ca. 1200°C, fortrinsvis under 950°C.

DK 172193 B1 7

En særlig fordel ved opfindelsen er forbedring i virkningen af letmetaller, således at de kan anvendes i stedet for tunge metaller, og det er armering af letmetaller, som opfindelsen særligt angår. Eksempler på egnede letmetaller er aluminium, mag-5 nium og titan og legeringer af disse metaller indeholdende det nævnte metal som hovedkomponent, f.eks. repræsenterende mere end 80 eller 90 vægt% af legeringen.

Som beskrevet i det foregående er fibrene porøse materialer med lav vægtfylde, og da fibrene kan udgøre 50% eller mere af 10 rumfanget af MMC'en, kan vægtfylden af fibrene i betydelig grad påvirke vægtfylden af MMC'en. En magniumlegering med en vægtfylde på ca. 1,9 g/ml armeret med 30 rumfangs% fibre med en vægtfylde på 2,3 g/ml, vil således give en MMC med en vægtfylde på ca. 2,0 g/ml, dvs. kun lidt tungere end legeringen 15 selv. Omvendt vil en aluminiumlegering med en vægtfylde på 2,8 g/ml armeret med 30 rumfangs% fibre med en vægtfylde på 2,1 g/ml, give en MMC med en vægtfylde på 2,65 g/ml, dvs. lettere end legeringen selv.

Den foreliggende opfindelse gør det således muligt at frem-20 stille MMC'er; der har en forudbestemt vægtfylde inden for et bredt interval. Aluminium og magnium og deres legeringer har typisk en vægtfylde i intervallet 1,8 til 2,8 g/ml, og da vægtfylden af fibrene kan variere fra 1,8 til 2,5 g/ml, kan der let fremstilles MMC'er med en vægtfylde på 1,8 til 2,8 25 g/ml. Et særligt let metal eller en særligt let legering armeret med en særlig let fiber er en foretrukken ejendommelighed ifølge opfindelsen, især magnium eller magniumlegering med en vægtfylde mindre end 2,0 g/ml armeret med en porøs fiber med lav vægtfylde (især en aluminiumoxidfiber) med en vægtfylde på 30 ca. 2,0 g/ml til fremstilling af en MMC med en vægtfylde mindre end 2,0 g/ml.

Hvis det ønskes kan overfladen af fibrene modificeres for at forbedre befugtigheden af fibrene med og/eller reaktionsdygtigheden af fibrene med metalgrundmassematerialet. F.eks. kan DK 172193 B1 8 fiberoverfladen modificeres ved belægning af fibrene eller ved inkorporering af et modifikationsmiddel i fibrene. Alternativt kan grundmassematerialet modificeres ved inkorporering deri af grundstoffer, som fremmer befugteligheden og reducerer reakti-5 onsdygtigheden af de uorganiske oxidfibre f.eks. tin, cadmium, antimon, barium, vismuth, calcium, strontium eller indium.

I en fremgangsmåde til fremstilling af MMC'er, der er beskrevet i det følgende, samles fibrene først til en præform, hvori fibrene er sammenbundne med et bindemiddel i reglen et uorga-10 nisk bindemiddel, såsom siliciumdioxid eller aluminiumoxid.

Det er muligt at inkorporere grundstoffer i bindemidlet som fremmer befugteligheden og reducerer reaktionsdygtigheden af fibrene under gennemtrængning af præformen.

Det er blevet iagttaget, at ved anvendelse af tryk eller vaku-15 um til at lette gennemtrængningen af aluminiumoxidfiberpræfor-me med metalgrundmassematerialet, undgås i almindelighed problemer med befugtning af fibrene med grundmassematerialet, og præform/gennemtrængningsteknikken er en af de foretrukne teknikker til fremstilling af MMC'er ifølge opfindelsen.

20 I en foretrukken præform/gennemtrængningsteknik kan det smeltede metal klemmes ind i præformen under tryk eller suges ind i præformen under vakuum. Hvor det drejer sig om vakuumindtrængning kan befugtningshjælpemidler være ønskelige. Gennemtrængning af metallet i præformen kan bevirkes i præformens 25 tykkelsesretning eller i en vinkel på f.eks. 90° med tykkelsesretningen af præformen og langs fibrene.

Indtrængning af det smeltede metal i præformen kan, hvor det drejer sig om aluminium eller aluminiumlegeringer, udføres under en atmosfære indeholdende oxygen, f.eks. omgivelsernes 30 luft, men når der anvendes visse metalgrundmassematerialer, som f.eks. magnium og magniumlegeringer, bliver oxygen fortrinsvis udelukket fra atmosfæren over det smeltede metal. Smeltet magnium eller en legering deraf håndteres typisk under en indifferent atmosfære under indtrængning deraf i præformen, f.eks. en atmosfære omfattende en ringe mængde (f.eks. 2%) svovlhexafluorid i carbondioxid.

DK 172193 B1 9

Fremstilling af præforme til gennemtrængning med smeltede me-5 talgrundmassematerialer kan udføres med megen forskellig teknik, herunder f.eks. ekstrusion, sprøjtestøbning, trykstøbning og sprøjtning eller dypning. Disse teknikker er velkendt til fremstilling af fiberarmerede sammensatte harpiksmaterialer, og det vil forstås, at brugen af en suspension af bindemiddel 10 eller bindemidler i stedet for en harpiks i den kendte teknik vil give en præform.

En teknik, der anvender en fiberpræform, foretrækkes for at opnå en høj rumfangsfraktion af fibre i det sammensatte materiale med metalgrundmasse. En nyttig teknik til dannelse af en 15 fiberpræform med en høj rumfangsfraktion fibre omfatter dannelse af en opslæmning af korte fibre i en væske, i reglen et vandigt medium, og at lade det flydende medium løbe af fra opslæmningen i en form. Afløb af væske kan understøttes med højt tryk eller vakuum, hvis det ønskes. Et uorganisk bindemiddel 20 og eventuelt også et organisk bindemiddel, f.eks. kautsjukla-tex, som derefter kan brændes ud (hvis det ønskes), vil i reglen blive inkorporeret i opslæmningen for at gøre den fremkomne fiberpræform håndterbar. Til præforme, der skal gennemt ranges med aluminium eller dets legeringer, er siliciumdioxid et 25 egnet bindemiddel, men til præforme, der skal gennemtrænges med magnium eller dets legeringer, foretrækkes det at anvende zirkondioxid som bindemiddel, da der kan ske en reaktion, hvis der anvendes silicumdioxid. Der kan anvendes mængder af binde-middel fra 1 til 15 vægt% af fibrene. Hvis det ønskes kan 30 præformen sammentrykkes ved tryk, medens den endnu er våd, f.eks. under tørring for at forøge pakningstætheden af fibrene og derfor rumfangsfraktionen af fibrene i præformen.

Et eller flere additiver kan inkorporeres i fiberpræformen før gennemtrængning af denne med metal. Fyldstoffer, såsom alumi- DK 172193 B1 10 niumoxid og andre keramiske pulvere, kan f.eks. inkorporeres i fiberpraeformen, og det samme kan andre modifikationsmidler, såsom organiske fibre og andre organiske materialer. En bekvem metode til inkorporering af additiverne er at blande dem i og 5 ensartet fordele dem i opslæmningen, hvoraf fiberpræformen fremstilles. Anden teknik til fremstilling af bundne præforme indbefatter manuel nedlægningsteknik og pulversammentryknings-teknik. Ved manuel nedlægningsteknik bliver tynde prøver af fibrøse materialer, f.eks. vævede eller ikke-vævede materialer 10 imprægneret med en suspension af bindemiddel eller bindemidler, og flere lag af de våde imprægnerede ark samles med hånden, og samlingen sammentrykkes så i en form til dannelse af en komplet præform.

Bindemidlet til dannelse af præformen kan være et uorganisk 15 bindemiddel eller et organisk bindemiddel eller en blanding deraf. Der kan anvendes ethvert uorganisk eller organisk bindemiddel som (når det er tørret) binder fibrene sammen i en sådan grad, at præformen ikke deformeres betydeligt, når den gennemtrænges med et smeltet metalgrundmassemateriale. Eksemp-20 ler på egnede uorganiske bindemidler er siliciumdioxid, aluminiumoxid, zlrkondioxid og magniumoxid og blandinger deraf. Eksempler på egnede organiske bindemidler er carbonhydrater, proteiner, gummier, latexmaterialer og opløsninger eller suspensioner af polymerer. Organiske bindemidler anvendt til 25 fremstilling af præformen, kan være flygtige (dvs. fortrænges af det smeltede metal) eller kan udbrændes før gennemtrængning med smeltet metal.

Mængden af bindemiddel kan variere inden for et bredt interval op til 50 vægt% af fibrene i præformen, men vil typisk være i 30 intervallet fra 10 til 30 vægt% af fibrene. Som vejledning kan siges, at et egnet blandet bindemiddel omfatter fra 1 til 20%, f.eks. 15 vægt% af et uorganisk bindemiddel, såsom siliciumdioxid, og fra 1 til 10%, f.eks. ca. 5 vægt% af et organisk bindemiddel, såsom stivelse. I det tilfælde, hvor bindemidlet an-35 vendes i form af en suspension i en bærevæske, foretrækkes en DK 172193 Bl 11 vandig bærevæske.

Som diskuteret i det foregående kan MMC'erne ifølge opfindelsen fremstilles ved gennemtrængning af en præform. Alternativt kan enhver af de teknikker, der er beskrevet til fremstilling 5 af præforme tilpasses til fremstilling af MMC'er direkte ved at anvende et metalgrundmassemateriale i stedet for et bindemiddel eller blandinger af bindemidler. Alternativt kan MMC'er fremstilles ved pulversammentrykningsteknik, ved hvilken en blanding af fibre og metal (pulver) sammentrykkes ved en tem-10 peratur, der er tilstrækkelig til at smelte eller blødgøre metallet til dannelse af en MMC direkte eller til dannelse af en præform eller barre, som yderligere forarbejdes til den færdige MMC, f.eks. ved varm komprimering, ekstrusion eller vals-ning. Blandingen af fibre og metal (pulver) kan fremstilles 15 f.eks. ved manuel nedlægningsteknik, ved hvilken lag af fibre og metal samles i en form, der er parat til varm komprimering.

Ekstrusion af en præform eller barre af fibre og metalpulver er en særlig foretrukken teknik til fremstilling af MMC'erne ifølge opfindelsen, og det samme er ekstrusion af et aggregat 20 af fibre og metalpulver, der er sammenpakket til en form egnet til ekstrusion.

En særligt foretrukket teknik til fremstilling af en præform eller barre af fibre og metalpulver, der er egnet til ekstrusion eller anden forarbejdning til færdige MMC'er, omfatter 25 dispergering af fibrene og metalpulver i et flydende bærermedium, såsom et alkoholisk medium, og af lej rer fibrene og metalpulveret på f.eks. en trådsigte ved vakuumfiltrering. Hvis det ønskes, kan et eller flere bindemidler, som kan være organiske eller uorganiske bindemidler, inkorporeres i dispersio-30 nen (og derfor i præformen eller barren). Præformen eller barren tørres så eventuelt under vakuum, før den forarbejdes videre ved f.eks. varm komprimering, ekstrusion eller varm bearbejdning, såsom valsning, eller ved Conformprocessen.

DK 172193 B1 12

En nyttig teknik til fremstilling af MMC'er omfatter ekstrusi-on af en blanding af fibre og metal fremstillet f.eks. ved omrøringsstøbning eller rheostøbning, ved hvilken fibre, der eventuelt er forvarmede, omrøres i smeltet metal, som så stø-5 bes eller ekstruderes eller formes til en barre med henblik på påfølgende ekstrusion. Anden teknik indbefatter kemisk overtrækning, dampaflejring, plasmasprøjtning, elektrokemisk plettering, diffusionsbinding, varm valsning, isostatisk presning, eksplosiv svejsning og centrifugalstøbning.

10 Ved fremstilling af MMC'er ved enhver af de ovennævnte teknikker, må der udvises omhu for at forhindre produktion af hulrum i MMC'en. I almindelighed skal hulrummet i MMC'en være under 10% og fortrinsvis under 5%. Ideelt er MMC'en helt fri for hulrum. Påføring af varme og højt tryk på MMC'en under dens 15 produktion vil i reglen være tilstrækkelig til at sikre fravær af hulrum i strukturen af MMC'en.

MMC'erne ifølge opfindelsen kan anvendes til ethvert af de formål, hvor der anvendes fiberarmerede metaller, f.eks. i motorindustrien og til slagresistente formål. Hvis det ønskes, 20 kan MMC'en lamineres med andre MMC'er eller andre substrater, f.eks. metalplader.

Opfindelsen illustreres af følgende eksempler, hvori fiberpræ-forme blev fremstillet som følger.

Fremstilling af fiberoræform.

25 Aluminiurftoxidfiberpræforme blev fremstillet af aluminiumoxid-fibre med en vægtfylde på 2,0 g/ml ved følgende almene fremgangsmåde .

Hakkede aluminiumoxidfibre (1 kg) med en gennemsnitsdiameter på 3 mikron og en længde på ca. 500 mikron blev sat til vand 30 (100 kg) sammen med siliciumdioxid (50 g tilsat som en 27% w/w siliciumdioxidsol), og blandingen blev omrørt for at disperge- DK 172193 B1 13 re fibrene grundigt. En opløsning af en kationisk stivelse blev tilsat for at flokkulere siliciumdioxidet, og suspensionen blev hældt på en trådsigte i en form, og vandet blev af-tappet gennem sigten til dannelse af en sammenhængende pude af 5 fibre, hvori fibrene var tilfældigt orienteret i todimensionale planer parallelle med pudens store flader. Puden af fibre blev sammentrykt, medens den endnu var våd, for at forøge rumfangsfraktionen af fibre i puden, hvorefter den sammentrykte pude blev tørret og opvarmet til 950-1000°C for at sintre det 10 uorganiske bindemiddel for at forøge styrken af bindingen mellem siliciumdioxidbindemidlet og aluminiumoxidfibrene. Den fremkomne pude eller fiberpræform blev udtaget af formen og anvendt til dannelse af et sammensat materiale med metalgrund-masse, som beskrevet i det følgende. Under anvendelse af denne 15 teknik blev der fremstillet fiberpræforme med en rumfangsfraktion af fibre i intervallet 0,12 til 0,3.

Eksempel 1.

En fiberpræform med en rumfangsfraktion af fibre på 0,2 blev forvarmet til 750°C og anbragt i en matrice, der var forvarmet 20 til 300°C, og- smeltet metal ved en temperatur på 840°C blev hældt på præformen. Metallet var en aluminiumlegering, der kan fås som LM 10 og med en omtrentlig procentisk sammensætning af 90 Al og lOMg.

Det smeltede metal blev tvunget ind i præformen under et tryk 25 på 20 MPa påført med et hydraulisk stempel (forvarmet til 300°C) i en periode på 1 minut. Den fremkomne barre (MMC) blev udtaget af formen og afkølet til stuetemperatur, og dens egenskaber blev målt. Resultaterne er vist i tabel 1 nedenfor, hvor de er sammenlignet med egenskaberne af en ikke-armeret 30 metalgrundmasse.

DK 172193 B1 14

Tabel 1.

Rumfangs- Vægt- Træk- Modul *Relativ *Relativ fraktion fibre fylde styrke (GPa) specifik specifik i præform (g/ml) (MPa) styrke modul ' 5 0 2,6 190 70 1,0 1,0 0,2 2,48 249 79,4 1,37 1,19 * I forhold til en værdi på 1,0 for ikke armeret legering. For det sammensatte materiale var den specifikke trækstyrke således 10,04 (x 105 cm) sammenlignet med 7,31 (x 105 cm) for le-10 geringen og det specifikke modul var 3,20 (x 107 cm) sammenlignet med 2,69 for legeringen.

Eksempel 2.

Under anvendelse af den teknik og de betingelser, der er beskrevet i eksempel 1, blev der fremstillet fire sammensatte 15 materialer med rumfangsfraktioner af fibre på henholdsvis 0,1, 0,2, 0,3 og 0,4. Grundmassemetallet var en legering af aluminium med Mg, Si og Cu, som kan fås som Al-6061.

Rumfangsfrak- Vægtfylde af sammensat tion fibre materiale_ 20 (g/ml) 0 2,70 0,1 2,63 0,2 2,56 0,3 2,49 25 0,4 2,42

Det blev iagttaget, at stigning i rumfangsfraktionen af fibre i de sammensatte materialer resulterer i en stigning i de sammensatte materialers modul og et fald i vægtfylden af de sammensatte materialer. Det specifikke modul forøges således me-30 get sammenlignet med den ikke armerede legering.

Claims (10)

10 Støbning blev foretaget under en atmosfære af 2% ST6 i C02 gas. Rumfangfraktion fibre Vægtfylde af sammensat materiale (g/ml) 0 1,8 15 0,2 1,84 0,4 1,88 Inkorporering"af 20 rumfangs% fibre forøgede således vægtfylden af magniumet med kun 2,2%. Patentkrav. 20 --------------------

1. Sammensat materiale med metalgrundmasse, kendetegnet ved, at det omfatter tilfældigt orienterede porøse uorganiske oxidfibre med en vægtfylde på mindst 1,8 g/ml og mindre end 2,5 g/ml indlejret i et metalgrundmassemateriale.

2. Sammensat materiale med metalgrundmasse ifølge krav l, kendetegnet ved, at gennemsnitsdiameteren af fibrene er fra 2 til 10 mikron.

3. Sammensat materiale med metalgrundmasse ifølge krav 1 el- DK 172193 B1 ler 2, kendetegnet ved, at belastningen af fibre er fra 10 til 60 rumfangs%.

4. Sammensat materiale ifølge krav 1-3, kendetegnet ved, at det omfatter en metalgrundmasse med en vægtfylde min- 5 dre end 2,0 g/ml, som har indlejret deri fibre med en tilsyneladende vægtfylde på 2 g/ml eller mindre.

5. Præform omfattende tilfældigt orienterede uorganiske oxidfibre sammenbundet med et bindemiddel, idet disse uorganiske oxidfibre er porøse og har en vægtfylde på mindst 1,8 g/ml og 10 mindre end 2,5 g/ml.

6. Præform ifølge krav 5, kendetegnet ved, at belastningen af fibre er fra 10 til 60 rumfangs%.

7. Fremgangsmåde til fremstilling af et sammensat materiale med metalgrundmasse ifølge krav 1, kendetegnet ved 15 dannelse af en præform af de uorganiske fibre sammenbundne med et bindemiddel og gennemtrængning af præformen med et flydende metalgrundmassemateriale.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at det sammensatte materiale fremstilles ved klemgennemtrængning 20 af præformen.

9. Fremgangsmåde til fremstilling af et sammensat materiale med metalgrundmasse ifølge krav 1, kendetegnet ved ekstrudering gennem et mundstykke af en blanding af de uorga- 25 niske oxidfibre og en pulveriseret metalgrundmasse.

10. Fremgangsmåde til fremstilling af en præform ifølge krav 5, kendetegnet ved ekstrudering gennem et mundstykke af en blanding af de uorganiske oxidfibre og bindemidlet. 30