DE4112693A1

DE4112693A1 - Verfahren zur herstellung eines oertlich verstaerkten aluminiumlegierungs-verbundmaterials

Info

Publication number: DE4112693A1
Application number: DE19914112693
Authority: DE
Inventors: Takashi Oda
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1991-11-07
Also published as: DE4112693C2; JPH0636984B2; JPH0413822A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungs-Verbundmaterials mit einem speziellen Abschnitt, der mit einem SiC-Whisker verstärkt ist.

Bekannte Mittel für die Konstruktion eines Kolbens, einer Kurbelschwinge, eines Verbindungsstabes oder dergleichen für einen Verbrennungsmotor mit einer leichten Aluminiumlegierung und örtlicher Verstärkung des oben beschriebenen Teils an einer Stelle, die starkem Hitzeschock oder Gleitwirkung ausgesetzt ist, mit einem SiC-Whisker bestehen darin, daß eine aus einem SiC-Whisker hergestellte Vorform an einer vorbestimmten Stelle einer Form angeordnet wird und eine geschmolzene Aluminiumlegie rung einem Preßgießverfahren unterzogen wird (siehe beispiels weise die japanische Patentanmeldung Kokai-Veröffentlichung Nr. 55-24 763 und 55-24 945).

Da jedoch die Vorform eines SiC-Whiskers ein sehr brüchiges Aggregat ist, unterliegt sie in ungünstiger Weise Deformation, Brüchen usw. während des Preßgießens. Dies führte zu energeti schen Studien bei einem Verfahren zur Verstärkung einer Vorform. Bisher wurde jedoch keine zufriedenstellende Methode entwickelt.

Außerdem liegt eine kleinere Menge von O₂, SiO₂ oder dergleichen, die aus der Hitzebehandlung während der Herstellung eines Whiskers stammen, auf einer Oberfläche des SiC-Whiskers vor. Diese oxidierenden Komponenten reagieren selektiv mit Magnesium, das in der Aluminiumlegierung als eine Matrix enthalten ist, was eine Abscheidung von Mg₂Si usw. verursacht, so daß keine ausreichende Leistung des Verbundmaterials erhalten werden kann.

Im allgemeinen wurden magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen für das Gießen, wie Al-Si Mg-Cu-Ni-Legierung (ASTM Nr. 332.0), Al-Si-Mg-Legierung (ASTM Nr. 356.1) und Al-Si-Cu-Mg-Legierung (ASTM Nr. 355.0), und Aluminiumlegierungen für das Verlängern von Materialien, wie Al- Cu-Mg-Legierung (ASTM Nr. 2618), Al-Cu-Mg-Legierung (ASTM Nr. 2024), Al-Mg-Legierung (ASTM Nr. 5052) und Al-Si-Mg-Legierung (ASTM Nr. 6061), hauptsächlich als die Matrix verwendet, was häufig ein Auftreten von Mg₂Si-Abscheidung mit sich bringt und ernsthafte Probleme verursacht. Preßgießen (squeeze casting) einer geschmolzenen Aluminiumlegierung unter Verwendung einer SiC-Whiskervorform, die von der in der Oberflächenschicht des Whiskers vorhandenen SiO₂-Komponente befreit wurde, ist brauchbar für die Verhinderung der Abscheidung (siehe japanische Patent veröffentlichung Nr. 62-40 409). Bei dieser Methode kann jedoch die Vorform als solche nicht verstärkt werden, obwohl die Abscheidung verhindert werden kann.

Weiterhin ist es möglich, Zuflucht zu einem Teilverbundverfahren zu nehmen, bei dem ein Vorverbundmaterial mit einer bestimmten Form mit Hilfe eines SiC-Whiskers und einer Aluminiumlegierung gebildet wird, worauf das Vorverbundmaterial an einer bestimmten Stelle einer Form angeordnet wird und sodann eine geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form gegossen wird. Bei diesem Verfahren bildet sich jedoch Al₂O₃ auf der Oberfläche des Vorverbundmaterials während der Bildung des Vorverbundmaterials oder in der Stufe des Vorerhitzens beim Gießen, und dieser Oxidfilm macht es sehr schwierig für das Vorverbundmaterial, die Aluminiumlegierung als die Matrix zu benetzen, was die Festig keit der Bindung zwischen dem Vorverbundmaterial und der Matrix ungünstig vermindert.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebe nen Nachteile, die der Bildung eines Oxidfilms auf der Ober fläche eines SiC-Whiskers und einem Vorverbundmaterial zuzu schreiben sind, welche ein Hindernis für die teilweise Ver bundmaterialverstärkung einer Aluminiumlegierung mit einem SiC- Whisker werden, zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungs-Verbundmaterials zu bekommen, das örtlich mit einem SiC-Whisker verstärkt ist.

Die oben beschriebene Aufgabe der Erfindung kann durch Sintern eines Gemisches eines SiC-Whiskers mit einem Aluminiumlegie rungspulver unter Bildung eines Verbundausgangsmaterials, Bildung eines dünnen Aluminiumfilmes mit einer Dicke von 0,5 bis 20 µm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials, Anordnung des mit dem dünnen Aluminiumfilm überzogenen Verbundausgangs materials in einer Form in einem Bereich entsprechend einer beabsichtigten Verstärkungsstelle einer Aluminiumlegierung und Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in die Form unter Bildung einer teilweise mit einer faserverstärkten Alumini umlegierung gelöst werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein Verbund ausgangsmaterial hergesetellt, das einen SiC-Whisker als ein Verstärkungsmaterial und eine Aluminiumlegierung als eine Matrix umfaßt.

Ein nadelförmiger Einkristall mit einem solchen Mengenverhält nis, daß der Durchmesser und die Länge 0,1 bis 5 µm bzw. 30 bis 100 µm betragen, wird als der SiC-Whisker in dem Verbundaus gangsmaterial verwendet. Aluminiumlegierungen für Dehnungs materialien, wie Al-Cu-Mg-Basislegierungen (ASTM Nr.: in der Größenordnung von 2000), Al-Mn-Basislegierungen (ASTM Nr.: in der Größenordnung von 3000), Al-Mg-Basislegierungen (ASTM Nr.: in der Größenordnung von 5000) und Al-Si-Mg-Basislegierungen (ASTM Nr.: in der Größenordnung von 6000), sowie Aluminiumlegie rungen für Gießen, wie Al-Si-Mg-Basislegierungen, Al-Mg-Basisle gierungen und Al-Si-Mg-Cu-Ni-Basislegierungen, sind als die Aluminiumlegierung brauchbar.

Bei der vorliegenden Erfindung wird das Verbundausgangsmaterial durch feuchtes Vermischen eines SiC-Whiskers mit einem Alumini umlegierungspulver und Sinterung des Gemisches im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre zu einer vorbestimmten Form unter Verwendung einer Heißpresse, von HIP oder dergleichen, herge stellt.

Das Mischverhältnis des SiC-Whiskers zu dem Aluminiumlegierungs pulver ist gewöhnlich 10 bis 50%, ausgedrückt als Vf (Volumen fraktion) des SiC-Whiskers, bezogen auf das Verbundausgangs material.

Sodann wird auf der Oberfläche des resultierenden Verbund ausgangsmaterials ein dünner Aluminiumfilm ausgebildet. Äußerst reines Aluminium mit einem Aluminiumgehalt über 99% wird als Aluminium für die Bildung des dünnen Filmes verwendet. Der dünne Aluminiumfilm wird beispielsweise durch Ionenmetallisierung, Vakuumabscheidung oder Flammbeschichten gebildet.

Die Verwendung von Aluminium mit einer Reinheit von 99% oder weniger für die Bildung des dünnen Filmes bewirkt die Fähigkeit, die Oxidation des Verbundausgangsmaterials zu verhindern, welches die Ursache für eine Verminderung der Festigkeit der Bindung zwischen der Aluminiumgießlegierung und dem Verbund ausgangsmaterial ist.

Was hier wichtig ist, ist die Einstellung der Dicke des dünnen Aluminiumfilmes auf 0,5 bis 20 µm. Wenn die Dicke weniger als 0,5 µm ist, ist die Fähigkeit zur Verhinderung der Oxidation des Verbundausgangsmaterials unzureichend. Wenn andererseits die Dicke 20 µm übersteigt, bleibt auf der Oberfläche des Ver bundmatrixmaterials eine Aluminiumschicht, wenn eine geschmolze ne Aluminiumlegierung in der nachfolgenden Stufe, die später noch beschrieben wird, gegossen wird, was eine Ursache für eine Verminderung der Festigkeit der Bindung zwischen der Aluminium gußlegierung und dem Verbundausgangsmaterial wird.

Das Verbundausgangsmaterial mit einem dünnen auf seiner Ober fläche gebildeten Aluminiumfilm wird in eine Form in einem vorbestimmten Abschnitt entsprechend der beabsichtigten Ver stärkungsstelle einer Aluminiumlegierung eingelegt, und eine geschmolzene Aluminiumlegierung wird als Matrix durch Preßgießen aufgegossen.

Die Aluminiumlegierung als Matrix kann eine Aluminiumlegierung sein, die von dem Aluminiumlegierungspulver verschieden ist, welches bei der Herstellung des Verbundausgangsmaterials verwendet wird. Die Verwendung der gleichen Aluminiumlegierungs type ist jedoch aus der Sicht einer Verbesserung der Festigkeit der Bindung zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der Aluminiumlegierung als Matrix bevorzugt.

Wenn die geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen wird, ist es bevorzugt, daß das Verbundausgangsmaterial auf eine Temperatur 20 bis 100°C unterhalb der Solidustemperatur vorerhitzt wird und daß die Temperatur der geschmolzenen Aluminiumlegierung wenigstens 50°C oberhalb der Liquidustemperatur liegt.

Wenn die Vorheiztemperatur eines Verbundausgangsmaterials oberhalb der Solidustemperatur minus 20°C liegt, tritt Ver formung des Verbundausgangsmaterials auf. Wenn andererseits die Vorheiztemperatur unterhalb der Solidustemperatur minus 100°C liegt oder die Temperatur des geschmolzenen Aluminiums unterhalb der Liquidustemperatur plus 50°C liegt, wird die geschmolzene Aluminiumlegierung rasch gekühlt, so daß die Bindung zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der Aluminiumlegierung schlecht wird.

Der Druck während des Preßgießens wird vorzugsweise auf 250 bis 3000 kg/cm² eingestellt. Wenn nämlich der Druck geringer als 250 kg/cm² ist, wird die Bindungsfestigkeit an einer Grenzfläche zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der als Matrix ver wendeten Aluminiumlegierung unzureichend, während, wenn der Druck 3000 kg/cm² übersteigt, die Verformung des Verbundausgangs materials auftritt.

Somit wird ein teilweise zusammengesetztes Aluminiummaterial mit einer speziellen mit einem SiC-Whisker verstärkten Stelle produziert.

Da Aluminium einen hohen Dampfdruck hat, ist es gemäß der Erfindung möglich, einen dichten, gleichmäßigen dünnen Film auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials in kurzer Zeit zu bilden.

Der gebildete dünne Aluminiumfilm kann wirksam die Bildung einer Oxidschicht in einem SiC-Whisker auf der Oberfläche des Verbund ausgangsmaterials oder in der Magnesium oder Kupfer enthaltenden Aluminiumlegierung verhindern.

Während des Gießens wird der größere Teil des dünnen Alumini umfilms in der als Matrix verwendeten geschmolzenen Alumini umlegierung dispergiert, und es kann sogar eine sehr kleine Menge der Aluminiumkomponente in eine Komponente mit der gleichen Natur wie jene der Matrix aufgrund der Diffusion von Legierungselementen durch die Hitzebehandlung umgewandelt werden.

Eine Teilverbundform mit einer integralen Struktur, die ein Verbundausgangsmaterial und an dessen Oberfläche fest gebunden eine als Matrix verwendete Aluminiumlegierung umfaßt, wird durch die oben beschriebene Wirkung gebildet.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

Ein SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm und einer mittleren Länge von 20 µm und ein Aluminiumlegierungspul ver (AC8A) mit einer Teilchengröße von 250 Maschen oder weniger wurden in Wasser unter Rühren dispergiert. Die resultierende Dispersion wurde filtriert und getrocknet und ergab ein homoge nes Gemisch mit einem Vf-Wert des SiC-Whiskers von 15%. Das Gemisch wurde unter Bedingungen einer Temperatur von 600°C, eines Vakuumgrades von 5×10^-5 Torr, eines Druckes von 1000 kg/cm² und einer Preßzeit von 20 min mit Hilfe einer Heißpresse gesintert, um ein scheibenförmiges Verbundausgangsmaterial mit einer Dicke von 50 mm und einem Durchmesser von 80 mm herzustel len.

Das erhaltene Verbundausgangsmaterial wurde hälftig geschnitten, um ein halbkreisförmiges Material zu gewinnen, und ein 1,0 µm dicker Aluminiumfilm mit einer Reinheit von 99,5% wurde auf der Schnittfläche in Vakuum abgeschieden.

Das Verbundausgangsmaterial mit einem darauf gebildeten dünnen Aluminiumfilm wurde mit einer Halbkreisform in einer Form mit einem Durchmesser von 80 mm angeordnet, in Argon auf 500°C vorerhitzt und in eine Preßgießmaschine eingeführt. Dann wurde eine geschmolzene Aluminiumlegierung (AC8A) als Matrix bei einer Temperatur von 700°C in die Form gegossen, und das Preßgießen erfolgte unter Anlegen eines Druckes von 500 kg/cm².

Das resultierende Teilverbundmaterial hatte eine solche Form, daß eine halbkreisförmige Aluminiumlegierung als Matrix über die Schnittfläche gebunden war.

Das Teilverbundmaterial wurde senkrecht zu der Bindungsfläche geschnitten, um ein Teststück herzustellen. Das Teststück wurde einer T₆-Behandlung unterzogen, und seine Zugfestigkeit wurde gemessen. Man fand 35 kgf/mm². In diesem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Beispiel 2

Ein Teilverbundmaterial wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 3 µm dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangs materials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen, und man fand 32 kgf/mm². In diesem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Beispiel 3

Ein Teilverbundmaterial wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Temperatur der geschmolzenen Aluminiumlegierung als Matrix 800°C war.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Man fand 36 kgf/mm². In diesem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Aluminiumlegierung wurde einem Preßguß unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 unter Verwendung des gleichen Verbundausgangsmaterials wie im Beispiel 1 unterzogen, jedoch mit der Ausnahme, daß auf der Schnittfläche kein Überzug ausgebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Man fand einen Wert von 5 kgf/mm². In diesem Fall traten die Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und ein goldener Bereich, der durch die Oxidation der Aluminiumlegierung entstand, wurde auf der Bruchfläche beobachtet.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Teilverbundmaterial wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 0,3 µm dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Man fand einen Wert von 8 kgf/mm². In diesem Test traten wie im Vergleichsbei spiel 1 die Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und bei Durchführung einer Röntgenstrahlenmessung mit Hilfe eines Elektronensondenmikroanalysiergerätes wurde eine große Sauer stoffmenge an der Bruchfläche beobachtet.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Teilverbundmaterial wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 50 µm dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen, und man fand einen Wert von 8 kgf/mm². In diesem Test traten die Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und die Grenzfläche war eckig infolge von in Filmform gebildeten Aluminiumschichten.

Vergleichsbeispiel 4

Eine Vorform mit einem Durchmesser von 80 mm, einer Höhe von 30 mm und einem Vf-Wert von 15% wurde nach dem Filtrationsver fahren unter Verwendung des gleichen SiC-Whiskers, wie in Beispiel 1, gebildet. Die Vorform wurde hälftig geschnitten, und die erhaltene halbkreisförmige Vorform wurde in eine Preßgußma schine gegeben, um ein Teil Verbundmaterial auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 zu gewinnen.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Teilverbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen, wobei man sie so niedrig wie 15 kgf/mm² fand. In diesem Fall wurden Brüche des Verbundbereiches infolge von Brüchen der Vorform beobachtet.

Wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich ist, gibt es, da der Verstärkungsbereich mit einem Verbundausgangsmaterial, das einen zähen Sinter umfaßt, konstruiert wird, anders als beim Vor formformen keine Möglichkeit, daß Verformung und Brüche durch die Wirkung äußerer Kraft während des Verfahrens auftreten.

Demzufolge kann ein Verstärkungsabschnitt eine kleine Dicke und komplizierte Form haben und ist dennoch leicht herstellbar. Da außerdem ein dünner Aluminiumfilm, der billig ist und gute Überzugseigenschaft hat, auf der Oberfläche des Verbundausgangs materials erzeugt wird, kann ein Problem, das auf die Gegenwart eines Oxids, wie Al₂O₃ zurückzuführen ist, wirksam ausgeschaltet werden, so daß immer eine gute Grenzflächenbindung zwischen der Aluminiumlegierung als Matrix und dem Verbundausgangsmaterial erhalten wird.

Daher kann ein Teilverbundmaterial mit zäher einheitlicher Struktur durch ein relativ einfaches Verfahren hergestellt werden, welches die vorliegende Erfindung sehr brauchbar für die Fälle macht, wo eine SiC-Whisker-verstärkte Struktur örtlich an einer Stelle gebildet werden soll, die starkem Hitzeschock, Reibung usw. ausgesetzt wird, wie bei einem Kolbenkopf.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines örtlich faserverstärkten Aluminiumlegierungs-Verbundmaterials, dadurch gekennzeich net, daß man ein Gemisch eines SiC-Whiskers mit einem Aluminiumlegierungspulver unter Bildung eines Verbund ausgangsmaterials sintert, einen dünnen Aluminiumfilm mit einer Dicke von 0,5 bis 20 µm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials erzeugt, daß mit dem dünnen Aluminiumfilm überzogene Verbundausgangsmaterial in einer Form in einem Abschnitt anordnet, der einer beabsichtigten Verstärkungsstelle einer Aluminiumlegierung entspricht, und eine geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form gießt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil des SiC-Whiskers in dem Verbundausgangs material 10 bis 50% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumreinheit in dem dünnen Aluminiumfilm wenigstens 99% beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das mit dem dünnen Aluminiumfilm überzogene Verbundausgangsmaterial auf eine Temperatur 20 bis 100°C unterhalb der Solidustemperatur vorerhitzt wird und die Temperatur der als Matrix verwendeten geschmolzenen Alumini umlegierung wenigstens 50°C oberhalb der Liquidustemperatur der Aluminiumlegierung gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß man den Druck während des Gießens auf 250 bis 3000 kg/cm² hält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß man SiC-Whisker mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 µm und einer Länge von 30 bis 100 µm verwendet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das für die Herstellung des Verbundausgangs materials verwendete Aluminiumlegierungspulver und die als Matrix verwendete Aluminiumlegierung die gleiche Alumini umlegierung sind.