DE19606689B4

DE19606689B4 - Verfahren zur Herstellung eines Verbunderzeugnisses auf Basis eines Leichtmetalls oder einer Leichtmetallegierung

Info

Publication number: DE19606689B4
Application number: DE19606689A
Authority: DE
Inventors: Makoto Higashihiroshima Fujita; Kazuo Sakamoto; Yukihiro Higashihiroshima Sugimoto; Yukio Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2016-02-23
Also published as: DE19606689A1; KR960031023A; US6044894A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines auf einem Leichtmetall oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses, umfassend die Schritte:
(a) Herstellen einer wässrigen Aufschlämmung, die Wasser, Verstärkerpulver und ein Bindemittel umfaßt;
(b) Herstellen eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel der Aufschlämmung zusammengesetzt ist;
(c) Sintern des Vorformlings; und
(d) Imprägnieren des gesinterten Vorformlings in einem Guß mit einer Schmelze aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung zum Erhalt eines auf Aluminium oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses,
wobei das Bindemittel 0,5 bis 5 Gew.-% Aluminiumoxidsol, bezogen auf das Gewicht des Verstärkermaterials, ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines auf einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung basierenden Verbundwerkstoffs oder -erzeugnisses, insbesondere ein auf einer Aluminium- oder Magnesiummatrix basierendes, mehrteiliges Erzeugnis, das bei notwendigen Bereichen durch einen Verstärkervorformling teilweise verstärkt bzw. versteift ist.
Viele Teile für Kraftfahrzeuge, wie die Kante eines Kolbenbodenringteils, ein Bremsscheibenrotorteil und ein Wulst- bzw. Kolbenhebeteil benötigen eine Verschleißfestigkeit bzw. Abriebbeständigkeit bei der Gleitzone und sind somit aus einem Aluminium-Verbundwerkstoff hergestellt, in welchem ein Matrixmetall mit einem Verstärkermaterial, das eine Verschleißfestigkeit aufweist, kombiniert ist.

Als Verfahren zur Herstellung des Aluminium-Verbundwerkstoffs ist das sogenannte Schmelz-Rühr-Verfahren bekannt, worin eine Schmelze aus Aluminium mit 5 bis 30 Gew.-% des Verstärkerpulvers bzw. -materials wie SiC vermischt wird, während es gerührt wird, und danach zu einem Erzeugnis oder Element in Form gegossen wird. Deshalb wird über die gesamten Teile des resultierenden Erzeugnisses, über die notwendigerweise zu verstärkende Gleitzone hinaus, das Verstärkermaterial verteilt, und zusätzlich weisen ein Trichter und ein Speiser, die für das Gießen verwendet werden, das Verstärkermaterial auf, so daß sich die Gesamtmenge des zu verwendenden Verstärkermaterials erhöht, und somit auch die Kosten höher werden.

Daher ist für die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines teilweise verstärkten Verbunderzeugnisses nachgesucht worden, um die Herstellungskosten zu verringern, und es wurde ein sogenanntes Hochdruck-Gießverfahren, wie in der japanischen Patentanmeldung JP 03 151158 A beschrieben, vorgeschlagen, worin ein Gemisch aus SiC-Whisker bzw. -Whiskerkristalle (kurze Faserkristalle mit einem Durchmesser in der Größenordnung von Mikrometer) und Metallpulver auf Aluminiumbasis zu einem Verbundvorformling mit einer bestimmten Form gesintert wird, der weiter auf der Oberfläche mit einer dünnen Schicht eines Materials auf Edelmetallbasis versehen wird. Der Verbundvorformling wird bei einer bestimmten Position in einer Gußform angeordnet, in welche eine Schmelze aus Metall auf Aluminiumbasis unter einem hohen Druck gegossen wird. Dadurch wird das resultierende Erzeugnis aufgrund der mit der Schmelze ummantelten Verbundmatrix teilweise verstärkt.

Da jedoch so große Mengen an SiC-Whisker als Verstärkermaterial aufgrund der Fasern noch verwendet werden müssen, werden hohe Herstellungskosten verursacht, und dies führt auch zu starken Beschädigungen an anderen beteiligten Teilen. Ferner ist es schwierig, SiC-Whisker hinsichtlich des Mischungsverhältnisses zwischen der Aluminiummatrix und dem Verstärker (SiC) einzustellen. Dies hat somit eine hohe Raumerfüllung (Vf) von SiC-Whisker in der Verbundmatrix zur Folge, auch wenn ein Verbundwerkstoff mit einer niedrigen Raumerfüllung für den praktischen Gebrauch benötigt wird.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs auf Leichtmetallbasis bereitzustellen, der insbesondere eine niedrige Raumerfüllung des Verstärkermaterials aufweist.

Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines auf einem Leichtmetall oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses bereitgestellt, umfassend die Schritte:

(a) Herstellen einer wässrigen Aufschlämmung, die Wasser, Verstärkerpulver und ein Bindemittel umfaßt;
(b) Herstellen eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel der Aufschlämmung zusammengesetzt ist;
(c) Sintern des Vorformlings; und
(d) Imprägnieren des gesinterten Vorformlings in einem Guß mit einer Schmelze aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung zum Erhalt eines auf Aluminium oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses,

wobei das Bindemittel 0,5 bis 5 Gew.-% Aluminiumoxydsol, bezogen auf das Gewicht des Verstärkermaterials, ist.

Das so hergestellte Verbunderzeugnis bzw. Schichtkörpererzeugnis bzw. der so hergestellte Verbundwerkstoff führt zu einem teilweise verstärkten Verbunderzeugnis auf Leichtmetallbasis mit einer optimalen Raumerfüllung des Verstärkermaterials, insbesondere mit einer niedrigen Raumerfüllung, was tatsächlich benötigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für ein Matrixmetall, das aus Aluminium, Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen wie AZ91D ausgewählt ist, angewendet werden.

Die wässrige Aufschlämmung kann aus Wasser, den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel hergestellt werden. Das Verstärkerpulver bzw. -material wird zur Verstärkung bzw. Aussteifung des Matrixmetalls in bezug auf Verschleißfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit und auch in bezug auf die Verbesserung der mechanischen Festigkeit verwendet, wobei das Verstärkerpulver aus (1) Keramikpulvern und (2) Metallpulvern zur Herstellung einer intermetallischen Verbindung bzw. Intermetallverbindung mit dem Leichtmetall oder der Leichtmetallegierung (Matrixmetall) ausgewählt ist. Das Keramikpulver kann aus SiC, SiN, TiO₂ und Al₂O₃ ausgewählt sein. Andererseits kann das Metallpulver aus Ni, Cu, Fe und Ti ausgewählt sein. Im Fall von SiC liegt die durchschnittliche Größe (der Teilchen) des SiC-Pulvers vorzugsweise zwischen 10 bis 20 μm, und ist insbesondere etwa 15 μm, da weniger als 10 μm die Verschleißfestigkeit des resultierenden Verbunderzeugnisses erniedrigt, wohingegen mehr als 20 μm dessen Verarbeitbarkeit verschlechtert. Im Fall von Ni liegt die durchschnittliche Größe (der Teilchen) des Ni-Pulvers vorzugsweise zwischen 20 und 40 μm, und ist insbesondere 30 μm, da weniger als 20 μm die Verschleißfestigkeit des Verbunderzeugnisses nicht verbessert, wohingegen mehr als 40 μm dessen Verarbeitbarkeit verschlechtert.

Das Bindemittel wird zum Binden des Verstärkerpulvers im Vorformling verwendet, und hinsichtlich der Bindungsstärke zwischen den Verstärkerpulvern wird Aluminiumoxydsol verwendet. Das Aluminiumoxydsol ist ein Aluminiumhydrat-Böhmit, das Kolloide von etwa 5 bis 200 μm aufweist und einen Stabilisator wie Cl^–, CH₃OOO^–, NO₃ ^– etc., enthält. Aluminiumoxydsol-100-, -200-und-520-Typen sind erhältlich. Das Mischungsverhältnis zwischen den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel sollte unter Berücksichtigung der Formaufrechterhaltung bzw. -beibehaltung des Vorformlings bestimmt werden. Wenn keine Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulver zur Aufschlämmung zugegeben werden, werden 0,5 bis 5 Gew.-% Aluminiumoxydsol, bezogen auf das Gewicht des Verstärkermaterials, zugegeben. Andererseits, wenn Aluminium oder Aluminiumlegierungspulver zur Aufschlämmung zugegeben werden, sollten 0,5 bis 3 Gew.-% Aluminiumoxydsol, bezogen auf das Gesamtgewicht des Verstärkermaterials und der Aluminium- oder Aluminiumlegierungspulver, zugegeben werden.

Die Aufschlämmung kann ferner ein flüchtiges Material zum Erzeugen von Leerräumen, die mit dem Matrixmetall im Vorformling aufgrund der Verdampfung während des Sinterschritts aufgefüllt werden, umfassen. Das flüchtige Material kann aus Graphit oder einem organischen Material wie Phenolharzen ausgewählt sein. Das flüchtige Material hat eine durchschnittliche Größe von 35 bis 55 μm und der Gehalt kann im Bereich von 0 bis 35 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Vorformlings, liegen. Die resultierende Raumerfüllung des Vorformlings liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30%. Wenn der Vorformling eine Raumerfüllung von 20% aufweist, wird die Aufschlämmung vorzugsweise durch Mischen von 20 Vol.-% Verstärkermaterial und 20 Vol.-% flüchtigem Material hergestellt. Ferner, wenn Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder eine Magnesium-legierung eine Matrix des Verbunderzeugnisses ist, kann die Aufschlämmung weiter Aluminiumpulver und/oder Al- oder Mg- Metallegierungspulver umfassen. Bei Mg-Legierungspulvern sollten Mg-Teilchen mit mehr als 200 μm verwendet werden. Deshalb kann die bevorzugte Aufschlämmung Wasser, die Verstärkerpulver, das Bindemittel, Aluminiumpulver und/oder Leichtmetallegierungspulver und das flüchtige Material zur Erzeugung von Leerstellen, wie Graphit, umfassen.

Da die Aufschlämmung viel Wasser enthält, ist es bei der Herstellung des Vorformlings bevorzugt, daß der Schritt (b) zur Herstellung des Vorformlings durch (1) Dehydratisieren der Aufschlämmung in einem Vorformlingsguß zur Herstellung eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel zusammengesetzt ist, und durch (2) Komprimieren bzw. Verpressen des dehydratisierten Vorformlings ausgeführt werden kann.

Während der Vorformling bei einer Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt des Matrixmetalls gesintert werden kann, kann im Sinterschritt die Sintertemperatur, die höher als der Schmelzpunkt ist, abhängig von der gewünschten Festigkeit des Vorformlings ausgewählt werden. Da jedoch das Aluminiumoxydsol bei einer Temperatur von höher als 485 °C zu γ-Al₂O₃ kristallisiert werden kann, was ein Verhindern der Reaktion bzw. Umsetzung des Aluminiumoxydsols mit Mg in der Matrix zur Folge hat, sollte das Sintern bei einer Temperatur von höher als 500 °C ausgeführt werden. Andernfalls reagiert das Aluminiumoxydsol mit Mg in der Matrix, was eine unzureichende Extraktion bzw. Gewinnung von Mg₂Si während der Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Verbunderzeugnisses zur Folge hat. Wenn Metallpulver wie Ni-Pulver zur Bildung der intermetallischen Verbindung zur Herstellung der Aufschlämmung verwendet werden, kann die Sintertemperatur höher als 530 °C sein, um zur Bildung der Metall-Intermetallischen Verbindung mit dem Matrixmetall befähigt zu sein. Wenn ein anderes Matrixmetall als das Verstärkermaterial zur Herstellung der Aufschlämmungszusammensetzung verwendet wird, kann die Sintertemperatur vorzugsweise höher als dessen Schmelzpunkt (z.B. Legierungen auf Aluminiumbasis: etwa 570 °C, deren Pulver: 530–540 °C) sein, da die Sintertemperatur ein Schmelzen des Matrixmetalls verursacht, was eine starke Verbindung der Verstärkerpulver in Netzwerkform mit Hilfe von Aluminiumoxydsol erzeugt. Deshalb kann der Vorformling, der insbesondere aus einer Legierung auf Aluminiumbasis zusammengesetzt ist, bei einer Temperatur von höher als 580 °C gesintert werden, und nicht höher als bei 900 °C, da bei einer solch hohen Temperatur die Formaufrechterhaltung des Vorformlings nicht beibehalten werden könnte.

In der vorliegenden Erfindung wird das resultierende Verbunderzeugnis vorzugsweise einer T6-Wärmebehandlung unterworfen, da das Erzeugnis ausreichend Mg aufgrund der hinreichenden Überführung von Aluminiumoxydsol zu γ-Aluminiumoxyd während des Sinterschritts enthält, so daß die T6-Wärmebehandlung das Verbinden bzw. das Zusammenfügen der Mg-Komponente mit der Si-Komponente zur Bildung von Mg₂Si ermöglicht, was die mechanische Festigkeit des resultierenden Verbunderzeugnisses verbessert.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung durch bevorzugte Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Teile durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet sind, näher erläutert.
1 ist ein Blockdiagramm, das die Schritte der Herstellung eines teilweise verstärkten Aluminiumlegierungsverbundwerkstoffs zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die einen Schritt der Herstellung der Aufschlämmung zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die einen Schritt der Filtration der Aufschlämmung zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die einen Schritt der Kompression des filtrierten Materials zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die einen Trocknungs- und Sinterschritt des komprimierten Materials zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die einen Schritt des Verbundformens des gesinterten Vorformlings mit einer Schmelze einer Leichtmetallmatrix zeigt.
7 ist eine Schnittansicht des teilweise verstärkten Aluminiumlegierungsverbunderzeugnisses.
8 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminiumlegierungsteilchen und den Verstärkungsteilchen darstellt, wenn der Vorformling bei einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt der Aluminiumlegierungsteilchen gesintert wird.
9 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminiumlegierungsteilchen und den Verstärkungsteilchen darstellt, wenn der Vorformling bei einer Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt der Aluminiumlegierungsteilchen gesintert wird.
10 ist eine photographische Elektronenmikroskopieabbildung der Vorformlingsstruktur, wenn der Vorformling bei einer Temperatur höher als der Schmelzpunkt der Aluminumlegierungsteilchen gesintert wird.
11 ist eine photographische Elektronenmikroskopieabbildung der Vorformlingsstruktur, wenn der Vorformling bei einer Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt der Aluminumlegierungsteilchen gesintert wird.
12 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen den Sintertemperaturen und dem Verbesserungseffekt hinsichtlich der Festigkeit des Vorformlings zeigt.
13 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Sintertemperatur und der Wärmebehandlung zeigt.
14 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminiumlegierungsteilchen und den Ni-Teilchen im Vorformling vor dem Sintern zeigt.
15 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminiumlegierungsteilchen und den Ni-Teilchen im Vorformling nach dem Sintern zeigt.
16 ist eine schematische Darstellung, die eine Struktur des nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundwerkstoffs zeigt.
17 ist eine photographische Elektronenmikroskopieabbildung der Verbundwerkstoffstruktur, die durch ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt wird.
18 ist eine schematische Darstellung, die einen weiteren Schritt der Verbundformung des gesinterten Vorformlings mit einer Schmelze einer Leichtmetallmatrix zeigt.
19 ist eine Schnittansicht des teilweise verstärkten Aluminiumlegierungsverbunderzeugnisses, das durch den Schritt von 18 hergestellt ist.
20 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminumlegierungsteilchen, den SiC-Teilchen und den Graphit-Teilchen im Vorformling vor dem Sintern zeigt.
21 ist eine schematische Darstellung, die einen Bindungszustand zwischen den Aluminiumlegierungsteilchen und den SiC-Teilchen im Vorformling nach dem Sintern zeigt.
Gemäß den in 1 gezeigten Schritten S1 (Herstellen der Aufschlämmung), S2 (Filtration), S3 (Kompression), S4 (Trocknung), S5 (Sintern), bis S6 (Verbundformung) oder S7 (Wärmebehandlung ist fakultativ) wurden viele Arten von Aluminiumverbunderzeugnissen hergestellt.

Die Aufschlämmungen zeigten folgende Zusammensetzungen: Probe A

SiC-Pulver (durchschnittliche Größe von 15 μm)	72 g
Al-Legierungspulver (durchschnittliche Größe von 70 μm) (JIS AC4C-Legierung)	77 g
Aluminiumoxydsol (10 %)	10 ml
Reinwasser (Verunreinigungen in der Größenordnung von ppm)	1000 ml

Probe B

Ni-Pulver (durchschnittliche Größe von 30 μm)	50 g
Al-Legierungspulver (durchschnittliche Größe von 70 μm) (JIS AC4C-Legierung)	80 g
Aluminiumoxydsol (10 %)	10 ml
Reinwasser (Verunreinigungen in der Größenordnung von ppm)	1000 ml

Probe C

SiC-Pulver (durchschnittliche Größe von 15 μm)	31 g
Al-Legierungspulver (durchschnittliche Größe von 70 μm) (JIS AC8A-Legierung)	70 g
Aluminiumoxydsol (10 %) (Aluminasol-520, hergestellt von Nissan Chemical Ltd.)	10 ml
Reinwasser (Verunreinigungen in der Größenordnung von ppm)	1000 ml

Probe D

SiC-Pulver (durchschnittliche Größe von 15 μm)	72 g
Al-Legierungspulver (durchschnittliche Größe von 70 μm) (JIS AC4C-Legierung)	35 g
Graphitpulver (durchschnittliche Größe von 45 μm)	35 g
Aluminiumoxydsol (10 %)	10 ml
Reinwasser (Verunreinigungen in der Größenordnung von ppm)	1000 ml

Probe E

SiC-Pulver (durchschnittliche Größe von 15 μm)	31 g
Al-Legierungspulver (durchschnittliche Größe von 70 μm) (JIS AC8A-Legierung)	36 g
Aluminiumoxydsol (10 %) (Aluminasol-520, hergestellt von Nissan Chemical Ltd.)	10 ml
Reinwasser (Verunreinigungen in der Größenordnung von ppm)	1000 ml

Im Mischschritt (S1) wurde jedes Gemisch der vorstehenden Zusammensetzungen in einem in 2 gezeigten Gefäß 1 vorgelegt und 5 Minuten durch ein Rührblatt 2 zum Erhalt einer Aufschlämmung 3 gerührt.
Im folgenden Filtrationsschritt (S2) wurde die Aufschlämmung 3 durch Absaugen von einer in 3 gezeigten Filtrationsvorrichtung 4 dehydratisiert, die ein Gefäß 5 mit einer in der Mitte angeordneten Schlitzplatte 8, welche mit einer Vielzahl von Schlitzen 7 ausgestattet ist und mit einem Papierfilter 9 bedeckt ist, und einen Saugauslaß 6 am Boden umfaßt, so daß das Wasser der Aufschlämmung über den Auslaß 6 abfließt und das dehydratisierte Material, das aus den Aufschlämmungsbestandteilen zusammengesetzt ist, auf dem Filter 9 zurückbleibt.
Im dritten Schritt (S3) wird die Vorrichtung 4 einschließlich des dehydratisierten Materials 11 auf eine Grundfläche 10, wie in 4 gezeigt, plaziert und das dehydratisierte Material 11 wird einer Kompressions- bzw. Komprimierungsbildung durch einen Stempel 12 unterworfen. Wenn das komprimierte Material 11 eine Länge von L = 100 mm, eine Breite von B = 40 mm und eine Höhe von H = 36 mm aufweist, wurde folgendes beobachtet:
Für Probe A:
SiC etwa 16 Vol.-%, Aluminiumlegierung (JIS AC4C-Legierung) etwa 19 Vol.-% und Leerräume zum Ausgleich.
Für Probe B:
Ni etwa 6 Vol.-%, Aluminiumlegierung (JIS AC4C-Legierung) etwa 29 Vol.-% und Leerräume zum Ausgleich.
Für Probe C:
SiC etwa 12 Vol.-%, Aluminiumlegierung (JIS AC8A-Legierung) etwa 30 Vol.-% und Leerräume zum Ausgleich.
Für Probe D:
SiC etwa 16 Vol.-%, Aluminiumlegierung (JIS AC4C-Legierung) etwa 9 Vol.-% und Leerräume zum Ausgleich.
Für Probe E:
SiC etwa 18 Vol.-%, Aluminiumlegierung (JIS AC4C-Legierung) etwa 24 Vol.-% und Leerräume zum Ausgleich.
Im vierten Schritt (S4) wird das komprimierte Material 11 einem Trocknungsverfahren in einem Temperaturbereich von 120 bis 150 °C für etwa 1 bis 4 Stunden unterworfen.
Im fünften Schritt (S5) wird das getrocknete Material einem Sinterverfahren bei den nachfolgenden Temperaturen zum Erhalt eines Vorformlings unterworfen.
Für Probe A:
Das Sintern wird bei etwa 500 °C für etwa zwei Stunden ausgeführt, was die Bildung des in 9 gezeigten Vorformlings zur Folge hat, worin SiC-Teilchen und Al-Teilchen hauptsächlich durch die Bindekraft des Aluminiumoxydsols gebunden sind.
Für Probe B:
Das Sintern wird bei etwa 530 °C für zwei Stunden ausgeführt, was die Bildung des in 15 von 14 gezeigten Vorformlings zur Folge hat, worin die Metallteilchen an die Al-Legierungsteilchen gebunden sind, um eine intermetallische Verbindung zu bilden, die eine viel höhere Festigkeit als die der Matrix und der Metallteilchen zeigt.
Für Probe C:
Das Sintern wird bei etwa 840 °C für etwa 2 Stunden ausgeführt, was die Bildung des in 8 gezeigten Vorformlings zur Folge hat, worin SiC-Teilchen durch eine Schmelze einer Al-Legierung gebunden sind, und die eine viel höhere Bindekraft als die Bindekraft zwischen den SiC-Teilchen und den Al-Legierungsteilchen, die durch das Aluminiumoxydsol hergestellt sind, zeigen.
Für Probe D:
Das Sintern wird bei etwa 600 °C für etwa 2 Stunden ausgeführt, was die Bildung des in 21 gezeigten Vorformlings mit vergrößerten Leerräumen aufgrund des Verschwindens von Graphit, das mit Sauerstoff von 20 reagiert, zur Folge hat.
Für Probe E:
Das Sintern wird bei etwa 840 °C und 520 °C für etwa 2 Stunden ausgeführt, was die Bildung des in 8 und 9 gezeigten Vorformlings zur Folge hat. 10 ist eine photographische Elektronenmikroskopieabbildung von etwa 500-facher Vergrößerung nach dem Sintern bei 840 °C für 2 Stunden und 11 ist eine photographische Elektronenmikroskopieabbildung von etwa 500-facher Vergrößerung nach dem Sintern bei 520 °C für 2 Stunden.
Im sechsten Schritt (S6) wird die Verbundformung in einer Hochdruckgießvorrichtung 14, wie in 6 gezeigt, ausgeführt, in welcher der gesinterte Vorformling 13 bei einer bestimmten Position angeordnet wird, und der Vorformling 13 wird mit der Al-Legierungsschmelze 15 zur Bildung eines Verbundwerkstoffs 21 verbunden, wobei die Matrix 20 bei notwendigen Abschnitten bzw. Bereichen durch den Vorformling 13, wie in 7 gezeigt, verstärkt wird.
Die Hochdruckgießvorrichtung 14 umfaßt ein Paar Gießformen 16 und 17, ein Heizgerät 18 und einen Stempel 19, in welcher der Vorformling 13 auf die Gießform 16 plaziert wird. Das Paar Gießformen 16 und 17 und der Vorformling 13 werden auf eine bestimmte Temperatur (z.B. etwa 300 °C) erwärmt und danach wird der Vorformling mit der Aluminiumschmelze 15 unter Druck durch den Stempel 19 imprägniert.
18 zeigt eine weitere Hochdruckgießvorrichtung 22, die ein Paar Gießformen 24 und 25 umfaßt. In dieser Vorrichtung wird ein Teilverbundaluminiumlegierungserzeugnis 23, wie in 19 gezeigt, hergestellt, welches den Vorformling 13 und die Aluminiumlegierungsmatrix 20 zum Imprägnieren des Vorformlings 13 mit einer Schmelze aus der Aluminiumlegierung 15 durch Druck des Stempels 19 umfaßt.
Für die Proben A, B und D wird die Aluminiumschmelze der AC4C-Legierung verwendet, wohingegen die Aluminiumschmelze der AC8A-Legierung für die Proben C und E verwendet wird. 17 ist eine photographische Mikroskopieabbildung (× 200) des Verbundwerkstoffes (Probe A), worin graue Bereiche SiC-Teilchen und weiße Bereiche Al-Legierungsteilchen anzeigen.
Ferner kann für die Proben C und E der resultierende Verbundwerkstoff dem siebten Schritt (S7) unterworfen werden, d.h. die sogenannte T6-Wärmebehandlung, worin Schritte zum Halten bei 510 °C für etwa 4 Stunden, Abkühlen durch Wasser, Halten bei 170 °C und Abkühlen durch Luft nacheinander durchgeführt werden.
Bei Durchführung des Sinterschritts bei einer höheren Temperatur als dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls wurde in diesen Fällen das Aluminiumoxydsol ausreichend in γ-Aluminiumoxyd umgewandelt, und eine ausreichenden Menge Mg blieb zurück, so daß die T6-Wärmebehandlung einen Verbundwerkstoff mit Mg₂Si erzeugt, was die mechanische Festigkeit des Verbundwerkstoffes verbessern kann.
Test 1
Dieser Test wurde zur Bestätigung des Verhältnisses zwischen der Sintertemperatur und des Verbesserungseffekts der Festigkeit des Vorformlings unter Verwendung der Probe C durchgeführt. Diese Probe C wurde zu einem Vorformling mit SiC von etwa 12 Vol.-%, einer Aluminiumlegierung (JIS AC8A-Legierung) von etwa 30 Vol.-% und Leerräumen als Ausgleich komprimiert bzw. verpreßt. Jeder der Formlinge wurde entsprechend bei fünf Temperaturen im Bereich von 520 °C bis 840 °C gesintert. Die Stärke der Komprimierung der gesinterten Vorformlinge wurde gemessen und die Ergebnisse sind in 12 gezeigt. Der von der Menge des Aluminiumoxydsols abhängige Effekt wurde auch untersucht.
In 12 ist ersichtlich, daß je höher die Sintertemperatur wird, um so mehr wird die Komprimierungsstärke verbessert. Bei Verwendung von Aluminiumoxydsol in einer Menge von unterhalb einer bestimmten Grenze wird die Komprimierungsstärke umso mehr verbessert, je höher die Menge des Aluminiumoxydsols wird. Dies bedeutet, daß der selbst bei einer niedrigen Temperatur gesinterte Vorformling im wesentlichen die gleiche Festigkeit aufweisen kann, wenn die Menge des Aluminiumoxydsls erhöht wird.
Test 2
Dieser Test wurde zur Bestätigung des Verhältnisses zwischen der Sintertemperatur und dem Wärmebehandlungseffekt nach dem Verbundgießen unter Verwendung der Probe E durchgeführt. Diese Probe E wurde zu einem Vorformling mit SiC von etwa 18 Vol.-%, einer Aluminiumlegierung (JIS AC8A-Legierung) von etwa 24 Vol.-% und Leerräumen als Ausgleich komprimiert bzw. verpreßt. Jeder der Vorformlinge wurde entsprechend bei vielen Temperaturen im Bereich von 500 °C bis 840 °C gesintert. Die Vickers-Härte (Hv) der Verbundwerkstoffe (T6), die einer T6-Behandlung unterworfen worden sind, und der Verbundwerkstoffe (T6), die keiner T6-Behandlung unterworfen worden sind, wird jeweils gemessen und die Ergebnisse sind in 13 gezeigt.
In 13 ist ersichtlich, daß ein geringer Wärmebehandlungseffekt beobachtet werden kann, wenn die Sintertemperatur niedriger als der Schmelzpunkt der Aluminiumlegierungspulver ist, wohingegen ein beträchtlicher Wärmebehandlungseffekt beobachtet werden kann, wenn die Sintertemperatur höher als der Schmelzpunkt ist, wobei die Härte des Verbundwerkstoffes stark verbessert wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines auf einem Leichtmetall oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses, umfassend die Schritte: (a) Herstellen einer wässrigen Aufschlämmung, die Wasser, Verstärkerpulver und ein Bindemittel umfaßt; (b) Herstellen eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel der Aufschlämmung zusammengesetzt ist; (c) Sintern des Vorformlings; und (d) Imprägnieren des gesinterten Vorformlings in einem Guß mit einer Schmelze aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung zum Erhalt eines auf Aluminium oder auf einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses, wobei das Bindemittel 0,5 bis 5 Gew.-% Aluminiumoxidsol, bezogen auf das Gewicht des Verstärkermaterials, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Leichtmetall Aluminium ist und die Leichtmetallegierung aus einer Al-Legierung und einer Mg-Legierung ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Aufschlämmung weiter Aluminiumpulver und/oder Leichtmetallegierungspulver umfassen kann, wenn Alumi nium oder eine Leichtmetallegierung eine Matrix des Verbunderzeugnisses ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aufschlämmung weiter ein flüchtiges Material, wie Graphit oder ein organisches Material, zum Erzeugen von Leerräumen im gesinterten Vorformling aufgrund der Verdampfung während des Sinterschritts umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Aufschlämmung weiter Aluminiumpulver und/oder Leichtmetallegierungspulver und ein flüchtiges Material, wie Graphit oder ein organisches Material, zum Erzeugen von Leerräumen im gesinterten Vorformling aufgrund der Verdampfung während des Sinterschritts umfaßt, wenn Aluminium oder eine Leichtmetallegierung eine Matrix des Verbunderzeugnisses ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verstärkerpulver aus Keramikpulvern und Metallpulvern zum Erzeugen einer intermetallischen Verbindung mit dem Leichtmetall oder der Leichtmetallegierung ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Keramikpulver aus SiC, SiN, TiO₂ und Al₂O₃ ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Metallpulver aus Ni, Cu, Fe und Ti ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Bindemittel 0,5 bis 3 Gew.-% Aluminiumoxidsol, bezogen auf das Gesamtgewicht des auf Aluminium oder auf einem Leichtmetall basierenden Legierungspulvers und des Verstärkermaterials, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin der Schritt (b) (b1) das Dehydratisieren der Aufschlämmung in einem Vorformlingsguß zum Herstellen eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstär kerpulvern und dem Bindemittel zusammengesetzt ist, und (b2) das Komprimieren des dehydratisierten Vorformlings umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin der Sinterschritt bei einer Temperatur im Bereich von 580 bis 900°C ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das weiter als Schritt (e) das Unterwerfen des Verbunderzeugnisses einer T6-Wärmebehandlung umfaßt.
Verfahren zur Herstellung eines auf einem Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung basierenden Verbunderzeugnisses, umfassend die Schritte: (a) Herstellen einer wässrigen Aufschlämmung, die Wasser, Verstärkerpulver und ein Bindemittel umfaßt; (b1) Dehydratisieren der Aufschlämmung in einem Vorformlingsguß zum Herstellen eines Vorformlings, der hauptsächlich aus den Verstärkerpulvern und dem Bindemittel zusammengesetzt ist; (b2) Komprimieren des dehydratisierten Vorformlings; und (c) Sintern des Vorformlings, wobei das Bindemittel 0,5 bis 5 Gew.-% Aluminiumoxidsol, bezogen auf das Gewicht des Verstärkermaterials, ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Aufschlämmung weiter Aluminiumpulver oder Leichtmetallegierungspulver umfaßt, wenn Aluminium oder eine Leichtmetallegierung eine Matrix des Verbunderzeugnisses ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Aufschlämmung weiter ein flüchtiges Material, wie Graphit oder ein organisches Material, zur Erzeugung von Leerräumen im gesinterten Vorformling aufgrund der Verdampfung während des Sinterschritts umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das Verstärkerpulver aus Keramikpulvern und Metallpulvern zum Erzeugen einer intermetallischen Verbindung mit dem Leichtmetall oder der Leichtmetallegierung ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Keramikpulver aus SiC, SiN, TiO₂ und Al₂O₃ ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Metallpulver aus Ni, Cu, Fe und Ti ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Bindemittel 0,5 bis 3 Gew.-% Aluminiumoxidsol, bezogen auf das Gesamtgewicht des auf Aluminium oder auf einem Leichtmetall basierenden Legierungspulvers und des Verstärkermaterials, ist.