NO172449B - Metallmatrikskompositt med tilfeldig orienterte, innleirede, uorganiske oksydfibre, prelaget legeme, samt fremgangsmaate for fremstilling av disse - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en metallmatriks-kompositt omfattende tilfeldig orienterte, porøse uorganiske oksyd-fibre med lav densitet, innleiret som forsterkning i et metallmatriksmateriale. Oppfinnelsen omfatter også prelagede legemer omfattende tilfeldig orienterte uorganiske oksydfibre med lav densitet, bundet sammen med et bindemiddel, samt fremgangsmåte for fremstilling av metallmatrikskompositten og det prelagede legeme.

Metallmatriks-kompositter (heretter benevnt som MMCer) er kjent å omfatte uorganiske oksyd-fibre som for eksempel poly- . krystallinske aluminiumoksyd-fibre innleiret som forsterkning i en metallmatriks omfattende et metall som for eksempel aluminium eller magnesium eller en legering inneholdende aluminium eller magnesium som hovedkomponent. En vanlig brukt fiber i slike MMCer er aluminiumoksyd-fibre i form av korte fibre (for eksempel opp til 5 mm) og med liten diameter (for eksempel 3 ^m) vilkårlig orientert i det minste i ett plan perpendikulært til retningen for metallkomposittens tykkelsesretning. MMCer av denne typen inneholdende aluminiumoksyd-fibre i legeringer, er nå blitt begynt brukt i industrien for en rekke formål, spesielt i stempler for forbrenningsmotorer der stempelringområder og/eller stempeltoppområder er forsterket med aluminiumoksyd-fibre.

MMCer inneholdende innrettede kontinuerlige fibre så som aluminiumoksyd-fibre og stålfibre har også vært foreslått brukt til formål der uni-rettet styrke kreves, for eksempel ved forsterkning av veivstenger i forbrenningsmotorer. I

MMCer av denne typen, har fibrene relativt stor diameter, for eksempel minst 8 /xm og vanligvis minst 10 fim, og dersom det dreier seg om aluminiumoksyd-fibre, utgjøres en stor del, for eksempel 60-100%, av a-aluminiumoksyd.

US 3 167 427 viser forsterkning av metaller så som aluminium med glassfibre.

US 4 152 149 viser forsterkning av aluminium eller aluminiumbaserte legeringer med aluminiumoksyd eller aluminiumoksyd/silisiumdioksyd-fibre.

De metallmatrikser hvor fiberforsterkninger av størst interesse, er de såkalte lette metaller eller legeringer inneholdende slike, spesielt aluminium og magnesium og deres legeringer. Densiteten av slike materialer er typisk 1,8-2,8 g/ml, og siden de uorganiske oksyd-fibre som hittil har blitt benyttet som forsterkning har en densitet større enn 3, typisk 3,3-3,9 g/ml, er det en ulempe ved den resulterende MMCen at den har større densitet enn metallet selv. Eksempel-vis har en MMC bestående av en aluminium-legering med densitet 2,8 og forsterket med 50 vol% av en aluminiumoksyd-fiber med densitet 3,9 en densitet på ca. 3,35. Det vil helt klart være fordelaktig hvis innleiringen av fiber-forsterkningen i metallet førte til en MMC med mindre eller i det minste ikke særlig større densitet enn metallet selv.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en metallmatriks-kompositt omfattende tilfeldig orienterte uorganiske oksyd-fibre som er innleiret i metallmatriks-materialet. Metallmatriks-kompositten er kjennetegnet ved at de uorganiske oksydfibre er porøse og har en densitet på minst 1,8 g/ml og mindre enn 2,5 g/ml.

Ifølge oppfinnelsen er det også tilveiebrakt et prelaget legeme som passer for innleiring i et metallmatriks-materiale for å danne en metallmatriks-kompositt som angitt i det fore-gående, omfattende tilfeldig orienterte uorganiske oksydfibre, bundet sammen med et bindemiddel, fortrinnsvis et uorganisk bindemiddel, idet de uorganiske oksydfibre er porøse og har en densitet på minst 1,8 g/ml og minste enn 2,5 g/ml.

Forbedring av metallenes egenskaper ved innleiring av fibre er forbundet med styrke og modulus til de fibre som anvendes, og det er ønskelig at fibrene har høy strekkfasthet og høy modulus.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er det tilveiebrakt MMCer og prelagede legemer der fibrene har en strekkfasthet større enn 1500, fortrinnsvis større enn 1750 MPa og modulus større enn 100 GPa.

Hvis ønsket kan de porøse uorganiske fibrene bli brukt i blanding med andre typer fibre, for eksempel aluminiumsilikat-fibre (densitet ca. 2,8 g/ml) eller silisiumkarbid-fibre (densitet ca. 3,2 g/ml), der andelen av porøse uorganiske oksydfibre i en slik blanding typisk er fra 40-80% av fibrene. De uorganiske oksydfibre kan også inneholde oksydene av mer

enn ett metall, ett spesielt eksempel på en slik fiber er en aluminiumoksyd-fiber inneholdende noen få vekt%, for eksempel 4 eller 5 vekt% av en fasestabilisator som silisiumdioksyd.

Volumdelen av fibrene i MMCen (og i det prelagede legeme) varierer sterkt avhengig av hva MMCen skal brukes til. Som en veiledning kan volumdeler opp til 50-60%, typisk 30-40% av MMCen oppnås. MMC kan inneholde for eksempel fra 0,1-2 g/ml fibre, fortrinnsvis minst 0,3 g/ml og typisk fra 0,8-1,6 g/ml eller mer. Fiberinnholdet i MMCen kan variere gjennom kompositten. Variasjonen i fiberinnhold kan være jevn eller trinnvis. En utførelsesform av en MMC inneholdende en trinnvis variasjon av fiberinnhold er tilveiebrakt ved et laminat av MMCer av forskjellig fiberinnhold, hvor komposittene er separert hvis ønsket i et integral-laminat ved et lag av metall, dvs. et aluminiumark. Flere lags kompositter kan bygges opp hvis ønsket. MMC kan ha et støtte-ark av et passende tekstilstoff, for eksempel Kevlar-stoff.

Fortrinnsvis har fibrene en strekkfasthet på minst

1000 MPa og en modul på minst 70 GPa og fortrinnsvis minst 100 GPa. De bør fortrinnsvis være i alt vesentlig kjemisk inert overfor metallet som danner matriksen slik at fiber-egenskapene ikke nedbrytes, skjønt noen reaksjoner med fibrene kan tolereres, for eksempel reaksjoner som øker bindingen mellom metallet og fibrene. Fibrene burde fortrinnsvis lett vætes av metallet.

De foretrukne porøse fibre er porøse polykrystallinske aluminiumoksydfibre siden slike fibre viser en god balanse av ønskede egenskaper slik som stor styrke, stor stivhet, hard-het, lav densitet og kjemisk inerthet overfor metaller slik som aluminium og magnesium. En typisk polykrystallinsk aluminiumoksyd-f iber med diameter rundt 3 /^m har en styrke på 1500-2000 MPa, en modul på 150-200 GPa og en densitet på rundt 2,0-2,5 g/ml.

Fibrene er vilkårlig orientert og kan være kortstaplede (noen få cm) fibre; maltstaplede (50-1000 im) er foretrukket. Fiberlengden har en viktig virkning på pakkedensiteten av fibrene i det prelagede legeme hvor fibrene er plassert i vilkårlig eller planvilkårlige orienteringer, og derfor på volumfraksjonen av fibrene i MMCen. Vanligvis krever høye volumfraksjoner av fibre svært korte fibre, for eksempel fibre med lengder mellom 500 /Lim og så lavt som 10 eller 20 im avhengig av til en viss grad de spesielle fibrene som benyttes og spesielt deres diameter og stivhet. Det finnes en kritisk minimal fiberlengde som gjør at fibrene yter maksimal strekkfasthet-forbedring av metallmatriksen.

Men hvor en betydelig økning i strekkfastheten ikke er så viktig, kan fibre med lengde under den kritiske lengden brukes for å tilveiebringe en MMC med redusert densitet uten tap av strekkfasthet i kompositten, men med øket slitestyrke og stivhet/modul. I slike tilfeller kan fibrene være ekstremt korte, for eksempel få Jim slik at ligner pulvere.

Som nevnt ovenfor bør den kritiske lengden av fibrene bli overskredet slik at strekkfastheten av metallmatriksen er betydelig øket og den maksimale nytten med hensyn på strekkfasthet oppnås vanligvis når den aktuelle fiberlengden over-skrider den kritiske lengden med en faktor på rundt 10. Den kritiske lengden avhenger av andelene av de spesielle fibrene og metallet som brukes, og ved hvilken temperatur den resulterende MMC skal anvendes. I tilfeller hvor det anvendes polykrystallinske aluminiumoksyd-fibre med gjennomsnittlig diameter på 3 /im, foretrekkes det fiberlengder på opp til 1000 jum, men for kompositter av fibre med høye volumfraksjoner, er det typisk med fiberlengder mellom 100 og 500 / im. Hvor den resulterende MMC er planlagt å brukes bare ved lave temperaturer, kan fiberlengder så lave som 20 /xm være akseptable. Som en generell regel foretrekker vi den maksimale fiberlengde som er forenlig med en høy volumandel av fibre.

Fiberdiameteren kan variere over et vidt område, for eksempel fra 2 /xm til 100 /zm. Fine fibre gir de høyeste volumandeler av fibre i MMCen, og diametre i området 2 til 10 fim er foretrukket. Polykrystallinske aluminiumoksydfibre med diameter rundt 3 /Ltm og lengder 10-200 /xm er spesielt hensiktsmessige for å oppnå høye volumandeler av fibre i MMCen. Men det må forståes at fiberlengden som nevnes her, gjelder lengden i MMCen, og disse lengdene kan være mindre enn fibrene som brukes for å danne MMCen, siden en viss ned-brytning av fibrene (som er harde og skjøre) kan skje under produksjonen av MMCen. Vanligvis brukes det lengre fibre for å lage kompositten enn de som er beskrevet ovenfor.

De foretrukne fibrene for fiberforsterkningen er aluminiumoksyd-fibre med lav densitet. I dette tilfelle består aluminiumoksyd-fibre helt av et overgangsaluminiumoksyd eller en mindre andel av a-aluminiumoksyd innleiret i en matriks av et overgangsaluminiumoksyd så som 7-, 6- eller 77-aluminiumoksyd. Vi foretrekker fibre uten a-aluminiumoksyd eller med bare et meget lavt a-aluminiumoksydinnhold og spesielt et a-aluminiumoksydinnhold mindre enn 1 vekt%.

De foretrukne fibrene oppviser akseptabel strekkfasthet og har en høy fleksibilitet. I en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen har fibrene en strekkfasthet større enn 1500 MPa, fortrinnsvis større enn 1750 MPa, og en modulus større enn 100 GPa. Typiske tilsynelatende densiteter for fibrene med lav densitet er 2 g/ml til mindre enn 2,5 g/ml, skjønt fibre med enhver ønsket densitet innen området 1,8 til mindre enn 2,5 g/ml kan oppnås ved nøyaktig regulering av varmebe-handlingen som fibrene utsettes for. Vanligvis har fibre som behandles ved lavere temperaturer, for eksempel 800-1000°C, en lavere densitet og lavere strekkfasthet og modul enn "fibre som behandles ved høyere temperaturer, for eksempel 1100-1300°C. Som en regel kan en si at fibre med lav densitet har en strekkfasthet rundt 1500 MPa og moduler rundt 150 GPa, mens fibre med høyere densitet har styrker og moduler rundt 1750 MPa og 2 00 GPa. Men vi har observert at modulene av fibrene med lav densitet ikke ser ut til å bli særlig påvirket av varmebehandlingsprogrammet som fibrene utsettes for, og varierer ikke mye i henhold til den tilsynelatende densitet av fibrene. Derfor er vanligvis forholdet mellom fibermodulus og fiberdensitet (= spesifikk modul) størst når det gjelder fibre med lav densitet.

Fibrene kan produseres ved en blåse-spinne-teknikk eller en sentrifugal-spinne-teknikk; i begge tilfeller dannes et spinnemateriale til en mangfoldighet av fiber-forløper-strømmer som tørkes i det minste delvis i svevet/flukten og gir gelfibre, som så samles på en passende anordning så som en wire(duk) eller et bærebelte.

Spinnematerialet som brukes for å produsere fibrene kan være et av de som er kjent på området for å produsere polykrystallinske metalloksyd-fibre og er fortrinnsvis en spinne-oppløsning fri for eller så godt som fri for suspenderte faste partikler med størrelse større en 10 /im, fortrinnsvis med størrelse større enn 5 /xm. De rheologiske egenskaper av spinnematerialet kan lett justeres, for eksempel ved bruk av spinnehjelpemidler, så som organiske polymerer, eller ved å variere konsentrasjonen av de fiberdannende komponentene i materialet.

Ethvert metall som smelter ved temperaturer under 1200°C, fortrinnsvis under 950°C, kan brukes som matriks-materiale.

En spesiell fordel med oppfinnelsen er forbedring av anvendeligheten av lette metaller slik at de kan brukes i stedet for tyngre metaller, og oppfinnelsen angår spesielt forsterkning av lettmetaller. Eksempler på egnede lettmetaller er aluminium, magnesium og titan og legeringer av disse metaller inneholdende de nevnte metaller som hovedkomponent, for eksempel i en mengde større enn 80 vekt% eller 90 vekt% av legeringen.

Som beskrevet ovenfor er fibrene porøse materialer med lav densitet, og siden fibrene kan utgjøre 50 volum% eller mer av volumet av MMCen, kan densiteten av fibrene virke betydelig inn på densiteten av MMCen. Derfor vil for eksempel en magnesiumlegering med densitet rundt 1,9 g/ml forsterket med 30 volum% fraksjon av fibre med densitet 2,3 g/ml tilveiebringe en MMC med densitet rundt 2,0 g/ml, dvs. bare litt høyere densitet enn legeringen selv; omvendt vil en aluminium-legering med densitet 2,8 g/ml forsterket med en 30 volum% fraksjon av fibre med densitet 2,1 g/ml tilveiebringe en MMC med densitet 2,65 g/ml, dvs. mindre tett en legeringen selv.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å produsere en

MMC som har en forhåndsbestemt densitet innen et vidt område. Aluminium og magnesium og deres legeringer har typisk en densitet i området 1,8 til 2,8 g/ml. En spesielt lett metall eller legering forsterket med en spesielt lett fiber er en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, spesielt magnesium eller en magnesiumlegering med densitet mindre enn 2,0 g/ml forsterket med en porøs fiber med lav densitet (spesielt en aluminiumoksydfiber) med densitet rundt 2,0 g/ml for å tilveiebringe en MMC med densitet mindre enn 2,0 g/ml.

Hvis ønsket kan overflaten av fibrene være modifisert for

å bedre fukteevnen til fibrene og/éller reaktiviteten av fibrene i forhold til det metalliske matriks-materialet. For eksempel kan fiberoverflaten være modifisert ved å dekke fibrene eller ved å inkorporere et modifiserende middel i fibrene. Al

ternativt kan matriks-materialet være modifisert ved å inkorporere elementer i det som øker fukteevnen og reduserer reaktiviteten av de uorganiske oksydfibrene, for eksempel tinn, kadmium, antimon, barium, vismut, kalsium, strontium eller indium.

Ved en fremgangsmåte for å fremstille MMCs som beskrives nedenfor, samles først fibrene til et forprodukt hvor fibrene bindes sammen ved hjelp av et bindemiddel, vanligvis et uorganisk bindemiddel slik som silisiumdioksyd eller aluminiumoksyd. Det er mulig å inkorporere elementer i bindemidlet som øker fukteevnen og reduserer reaktiviteten av fibrene under infiltrering av forproduktet ("det prelagede legeme").

Når det gjelder fremgangsmåten for fremstilling av metallmatrikskompositten og det prelagede legeme, vises det til karakteristikken i kravene 7-10.

Vi har observert at anvendelse av trykk eller vakuum for

å lette infiltreringen av forprodukter av aluminiumoksyd-fibre med metallmaterialet vanligvis forebygger problemer med fukting av fibrene av matriks-materialet, og teknikken med infiltrering i et forprodukt er en av våre foretrukne teknikker for å fremstille MMCene ifølge oppfinnelsen.

Ved en foretrukket forprodukt/infiltreringsteknikk kan det smeltede metall presses inn i forproduktet under trykk eller det kan bli suget inn i forproduktet under vakuum. I tilfellet med vakuum-infiltrering kan fuktehjelpemiddel være ønskelig. Infiltrering av metallet inn i forproduktet kan ut-føres i forproduktets tykkelsesretning eller i en annen ret-ning, for eksempel vertikalt på tykkelsesretningen og langs fibrene.

Infiltreringen av smeltet metall inn i forproduktet kan i tilfellet med aluminium eller aluminium-legeringer utføres under en atmosfære inneholdende oksygen, for eksempel om-givende luft, men når det brukes spesielle metallmatriks-materialer slik som for eksempel magnesium og magnesium-legeringer, foretrekkes det å fjerne oksygen fra atmosfæren over det smeltede metall. Smeltet magnesium eller en legering av magnesium håndteres typisk i en inert atmosfære under infiltreringen i forproduktet, for eksempel en atmosfære omfattende en liten del (for eksempel 2%) svovelheksafluorid i karbondioksyd.

Fremstilling av forprodukter for infiltrering med smeltede metallmatriks-materialer kan utføres ved hjelp av flere teknikker, inkludert for eksempel ekstrudering, injeksjonstøping, kompresjonstøping og sprøyting eller dypping. Slike teknikker er kjent ved produksjon av fiberforsterkede harpikskompositter og det vil forståes at bruk av en suspensjon av et bindemiddel i stedet for en harpiks som ved den kjente teknikk vil gi et forprodukt.

En teknikk hvor det brukes et f iber-forprodukt er foretrukket for å oppnå en høy volumandel av fibre i metallmatriks-kompositten. En brukbar teknikk for å fremstille et fiber-forprodukt med en høy volumandel av fibre omfatter å danne en oppslemming av korte fibre i et flytende, vanligvis vandig, medium og tillate det flytende medium å renne av i en støpeform. Væskedreneringen kan lettes ved burk av høyt trykk eller vakuum hvis ønsket. Et uorganisk bindemiddel og eventuelt også et organisk bindemiddel, for eksempel gummilateks som kan bli brent ut etterpå (hvis ønsket), vil vanligvis bli inkorporert i slammet eller oppslemmingen for å gi bedre håndteringsmuligheter for det resulterende prelagede fiberlegemet. For prelagede legemer som skal infiltreres med aluminium eller dens legeringer, er silisiumdioksyd et passende bindemiddel, men for prelagede legemer som skal infiltreres med magnesium eller dets legeringer foretrekker vi å anvende zirkoniumoksyd som bindemiddel siden det kan skje en reaksjon hvis det anvendes silisiumdioksyd. Det kan anvendes bindemidler i mengder på fra 1 til 15 vekt% i forhold til mengden av fibre. Hvis ønsket kan det prelagede legemet presses sammen under trykk mens det er vått, for eksempel i løpet av tørkingen for å øke pakkedensiteten av fibrene og dermed volumfraksjonen av fibrene i det prelagede legemet.

En eller flere tilsetningsmidler kan inkorporeres i det prelagede fiberlegemet før infiltrering av dette med metall. Derfor kan for eksempel fyllstoff som aluminiumoksyd og andre keramiske pulvere inkorporeres i det prelagede fiberlegemet, samt andre modifiserende midler slik som organiske fibre og andre organiske materialer. En vanlig metode for å inkorporere tilsetningsmidlene er å blande dem inn i og fordele dem jevnt i oppslemmingen fra hvilken det prelagede fiberlegemet produseres.

Andre teknikker for å fremstille bundne prelagede legemer omfatter håndteknikker og pulversammenpressingsteknikker. Ved håndteknikker impregneres tynne prøver av fibermaterialer som for eksempel vevede eller ikke-vevede platematerialer, med en suspensjon av et bindemiddel eller flere bindemidler og flere lag av de fuktede impregnerte platene samles for hånd og sam-lingen presses så i en stålform eller støpeform for å gi et komplett prelaget legeme.

Bindemidlet som brukes for å danne det prelagede legemet kan være et uorganisk bindemiddel eller et organisk bindemiddel eller en blanding av disse. Ethvert uorganisk eller organisk bindemiddel kan brukes som (når det tørkes) binder fibrene sammen i en slik utstrekning at det prelagrede legemet ikke deformeres vesentlig når det infiltreres av et smeltet metallmatriks-materiale. Eksempler på passende uorganiske bindemidler er silisiumdioksyd, aluminiumoksyd, zirkoniumoksyd og magnesiumoksyd og blandinger av disse. Eksempler på passende organiske bindemidler er karbohydrater, proteiner, gummier, lateksmaterialer og oppløsninger eller suspensjoner av polymerer. Organiske bindemidler som brukes for å fremstille det prelagede legemet kan være flyktende (dvs. for-trengt av smeltet metall) eller kan brennes ut før infiltrering med smeltet metall.

Mengden av bindemiddel kan variere innen et stort område fra opp til 50 vekt% av fibrene i det prelagede legemet, men typisk vil mengden være innen området mellom 10 til 30 vekt% av fibrene. Som en generell regel omfatter et passende blandet bindemiddel fra 1 til 20, for eksempel 15 vekt% av et uorganisk bindemiddel slik som silisiumdioksyd og fra 1 til 10, for eksempel 5 vekt%, av et organisk bindemiddel slik som stivelse. I tilfellet hvor bindemidlet brukes i form av en suspensjon i en bærevæske, er en vandig bærevæske foretrukket.

Som det blir diskutert foran kan MMCene ifølge oppfinnelsen lages ved infiltrering av et prelaget legeme. Alternativt kan enhver av teknikkene som blir beskrevet for å fremstille de prelagede legemene tilpasses for å fremstille MMCer direkte ved å bruke et metallmatriks-materiale i stedet for et bindemiddel eller blanding av bindemidler. Alternativt kan MMCer fremstilles ved pulverkompresjonsteknikker hvor en blanding av fibre og metall (pulver) presses sammen ved en temperatur som er tilstrekkelig for å smelte eller mykne metallet for å danne en MMC direkte eller for å danne et prelaget legeme eller barre, som videre behandles til den ferdige MMC for eksempel ved varm sammenpressing, ekstrudering eller valsing. Blandingen av fibrene og metall (pulver) kan bli laget for eksempel, ved håndteknikk hvor lag av fibre og metall samles i en støpeform ferdig for varmesammenpressing.

Ekstrudering av et prelaget legeme eller barre av fibre og metallpulver er en spesielt foretrukket teknikk for å fremstille MMCene ifølge oppfinnelsen, samt også ekstrudering av et aggregat av fibre og metallpulver pakket eller "herme-tisert" i en form passende for ekstrudering.

En spesielt foretrukket teknikk for å fremstille et prelaget legeme eller barre av fibre og metallpulver passende for ekstrudering eller andre behandlingsmåter til den ferdige MMCen omfatter å dispergere fibrene og metallpulver i et flytende bæremedium slik som et alkoholisk medium og avsette fibrene og metallpulver på for eksempel en tråd-duk ved vakuumfiltrering. Hvis ønsket kan ett eller flere bindemidler, som kan være organiske eller uorganiske bindemidler, inkorporeres i dispersjonen (og dermed i det prelagede legemet eller barren). Det prelagede legemet eller barren tørkes deretter, eventuelt under vakuum, før videre behandling ved for eksempel varm-sammenpressing, ekstrudering eller varme-bearbeiding slik som valsing eller "Conform"-prosessen.

En anvendbar teknikk for å fremstille MMCer omfatter ekstrudering av en blanding av fibre og metall laget for eksempel ved rørestøping eller reostøping, hvor fibrene, eventuelt forvarmet, røres inn i et smeltet metall som deretter støpes eller ekstruderes eller formes til en barre for etterfølgende ekstrudering. Andre teknikker er for eksempel kjemisk belegning, dampavsetning, plasmasprøyting, elektro-kjemisk plettering, diffusjonsbinding, varmvalsing, isostatisk pressing, eksplosiv-sveising og sentrifugal-støping.

Ved å fremstille MMCer ved enhver av de ovenfor nevnte teknikker, må det vises forsiktighet for å hindre dannelse av porer i MMCen. Vanligvis bør hulrommet i MMCen være under 10% og foretrukket under 5%, ideelt er MMCen totalt fri for porer. Anvendelsen av varme og høyt trykk på MMCen under dens produksjon vil vanligvis være tilstrekkelig for å sikre fravær av

porer i strukturen av MMCen.

MMCen ifølge oppfinnelsen kan brukes i enhver anvendelse hvor fiberforsterkede metaller anvendes, for eksempel i motor-industrien og for slagfasthets-anvendelser. MMCen kan, hvis ønsket, være laminert med andre MMCer eller andre substrater, for eksempel metallplater.

Oppfinnelsen blir illustrert ved hjelp av etterfølgende eksempler hvor prelagede fiberlegemer ble laget som følger:

Fremstilling av prelagede fiberlegemer

Prelagede aluminiumoksyd-fiberlegemer ble laget av aluminiumoksyd-fibre med densitet 2,0 g/ml ved hjelp av følgende generelle prosedyre.

Kappede aluminiumoksyd-fibre (1 kg) med gjennomsnittlig diameter på 3 /xm og lengde tilnærmet 500 ^m ble tilsatt til vann (100 kg) sammen med silisiumdioksyd (50 g tilsatt som en 27% w/w silisiumdioksyd-løsning) og blandingen ble rørt for å dispergere fibrene helt. En oppløsning av en kationisk stivelse ble tilsatt for å flokkulere silisiumdioksydet og suspensjonen ble heilt på et trådnett i en støpeform og vann ble drenert av gjennom nettet for å gi en sammenhengende pute av fibre, i hvilken fibrene ble tilfeldig orientert i to-dimensjonale plan parallelt til de store overflatene av puten. Fiberputen ble sammenpresset, mens den ennå var våt for å øke volumfraksjonen av fibrene i puten, hvoretter den sammen-pressede puten ble tørket og varmet til 950-1000°C for å sintre det uorganiske bindemidlet for å øke styrke av bindingen mellom silisiumdioksyd-bindemidlet og aluminiumoksyd-fibrene. Den resulterende puten eller prelagede fiberlegemet ble fjernet fra støpeformen og brukt for å danne en metallmatriks-kompositt som beskrevet i det følgende. Ved å bruke denne teknikken ble det laget prelagede fiberlegemer som har en volumfraksjon av fibre i området 0,12 til 0,3.

Eksempel 1

Et prelaget fiberlegeme med fiber-volumfraksjon 0,2 ble forvarmet til 750"C og plassert i en pressform forvarmet til 300°C, og smeltet metall ved en temperatur på 840°C ble heilt opp på det prelagede legeme. Metallet var en aluminium-legering tilgjengelig som LM 10 og med omtrentlig sammen-setning 90% Al, og 10% Mg.

Det smeltede metallet ble tvunget inn i det prelagede legemet under et trykk på 20 MPa påsatt ved hjelp av et hydraulisk stempel (forvarmet til 300°C) i en periode på 1 minutt. Den resulterende barren (MMC) ble formet og avkjølt til romtemperatur og dens egenskaper ble målt. Resultatene er vist i tabell 1 under hvor de sammenlignes med egenskapene for en uforsterket metallmatriks.

Eksempel 2

Ved å bruke teknikken og betingelsene som beskrevet i eksempel 1 ble 4 kompositter laget som hadde en fiber-volumandel på henholdsvis 0,1, 0,2, 0,3 og 0,4. Matriksmetallet var en legering av aluminium med Mg, Si og Cu og er tilgjengelig som Al-6061.

Det ble observert at økning av volumandelen av fibre i kompositten resulterer i en økning i modulus av kompositten og en minskning av densiteten og kompositten; derfor øker den spesifikke modulusen kraftig sammenlignet med den uforsterkede legeringen.

Eksempel 3

Aluminiumoksydfibre/magnesium-kompositter ble laget ved hjelp av teknikk som beskrevet i eksempel 1 fra aluminiumoksyd-f ibre med densitet 2,0 g/ml og kommersiell magnesium med renhet 99,9%. Støpebetingelsene var:

Støpingen ble utført under en atmosfære av 2% SF6 i C02-gass.

Inkorporering av 2 0 volum% fibre øker dermed densiteten av magnesium med bare 2,2%.

Claims (10)

1. Metallmatriks-kompositt omfattende tilfeldig orienterte uorganiske oksydfibre som er innleiret i et metallmatriks-materiale, karakterisert ved at de uorganiske oksyd-fibre er porøse og har en densitet på minst 1,8 g/ml og mindre enn 2,5 g/ml.

2. Metallmatriks-kompositt ifølge krav 1, karakterisert ved at gjennomsnittsdia-meteren på fibrene er fra 2 til 10 /xm.

3. Metallmatriks-kompositt ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at fibrene utgjør fra 10 til 60 volum%.

4. Metallmatriks-kompositt ifølge krav 1 til 3, karakterisert ved at den har en densitet mindre enn 2,0 g/ml og har innleiret fibre med tilsynelatende densitet 1,8 - 2,0 g/ml.

5. Et prelaget legeme omfattende tilfeldig orienterte uorganiske oksydfibre som er bundet sammen med et bindemiddel, karakterisert ved at de uorganiske oksyd-fibre er porøse og har en densitet på minst 1,8 g/ml og mindre enn 2,5 g/ml.

6. Et prelaget legeme ifølge krav 5, karakterisert ved at fibrene utgjør fra 10 til 60 volum%.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av en metallmatriks-kompositt ifølge krav 1, karakterisert ved at det dannes et prelaget legeme av uorganiske fibre bundet sammen med et bindemiddel og infiltrering av det prelagede legeme med et flytende metallmatriks-materiale.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at kompositten fremstilles ved presseinfiltrering av det prelagede legeme.

9. Fremgangsmåte for fremstilling av en metallmatriks-kompositt ifølge krav 1, karakterisert ved at en blanding av de uorganiske fibre og et pulverformet metallmatriks-materiale ekstruderes.

10. Fremgangsmåte for fremstilling av et prelaget legeme ifølge krav 5, karakterisert ved at en blanding av de uorganiske oksydfibre og bindemidlet ekstruderes.