DE68908870T2

DE68908870T2 - Verfahren zur Herstellung einer metallurgischen Verbindung zwischen einem metallischen Material oder einem Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix und einem Metallguss oder Metall-Legierungsguss.

Info

Publication number: DE68908870T2
Application number: DE89202324T
Authority: DE
Inventors: Steven Antony Gedeon; Renato Guerriero; Ilario Tangerini
Original assignee: Temav SpA
Current assignee: Enirisorse SpA
Priority date: 1989-02-22
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2009-09-16
Also published as: CN1045049A; EP0384045A2; US4980123A; IT1228449B; JPH02220759A; ES2042977T3; EP0384045B1; BR8905576A; DE68908870D1; CA1325706C; IT8919516A0; EP0384045A3; ATE93754T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ausbildung einer metallurgischen Bindung zwischen einem Metallmaterial oder einem eine Metallmatrix aufweisenden Verbundmaterial und einem Metallgußstück oder einem Metallegierungs-Gußstück nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Im speziellen ermöglicht ein derartiges Verfahren eine Verstärkung vorbestimmter Bereiche von stationären oder in Bewegung befindlichen mechanischen Komponenten durch Einführen von Einsätzen, oder die Erfindung ermöglicht auch das Aneinanderkuppeln von zwei oder mehreren Gußstücken.
Die aus der technischen Literatur zur Ausbildung eines verstärkten Bereiches innerhalb eines Gußstückes bekannten Methoden können im wesentlichen auf die folgenden beiden Vorgangsweisen reduziert werden:
- Mechanische Einschnürung des Einsatzes durch das erstarrte Gußstück: diese Methode nützt den Unterschied der thermischen Ausdehnung zwischen dem Gußstück und dem Einsatz aus. In diesem Falle ist die Bindung daher eine nicht-metallische: das erhaltene Material ist nicht kontinuierlich, und über die Grenzfläche kann das Eindringen korrodierender Mittel erfolgen.
Der Einsatz sollte von dem Gußmaterial umgeben sein und kann daher nicht an einer Ecke des Endproduktes positioniert werben.
- Infiltration von vorgeformten Stücken mit Hilfe der "squeeze casting"-Technik: nach dieser Methode wird nicht ein Einsatz verwendet, es wird vielmehr ein im allgemeinen aus keramischen Fasern gebildetes und entsprechend angeordnetes vorgeformtes Stück verwendet, durch welches das Gußmaterial durch Anwendung eines hohen Drucks infiltriert wird. In diesem Falle wird keine Bindung zwischen dem Gußmaterial und dem Einsatz erhalten; dies stellt vielmehr eine Methode zur Ausbildung von Verbundmaterialien dar.
Anderseits können die aus dem Stand der Technik zur Ausbildung einer Verbindung zwischen einem Metallguß und einem anderen Guß oder einem Verbundmaterial bekannten Methoden, wie sie beispielsweise in der US-A-3 841 386 beschrieben sind, worauf der Oberbegriff des Anspruches 1 beruht, in ihrer Gesamtheit auf Schweiß- oder Löttechniken reduziert werden; derartige Methoden erfordern jedoch stets die Durchführung einer Bearbeitungsstufe im Anschluß an die Herstellung der Gußstücke (oder der Verbundkörper).
Es wurde nunmehr gefunden, daß mittels einer geeigneten Oberflächenbehandlung des Materials (entweder eines Verstärkungsmaterials oder eines zu kuppelnden Materials) eine starke metallurgische Bindung zwischen diesem Material und dem Gußteil erhalten werden kann.
Im speziellen garantiert das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das als "Schweißen durch Gießen" oder "Gieß- Schweißen" bezeichnet werden könnte, daß sämtliche klassischen Anforderungen des Schweißvorganges erfüllt werden: nämlich die Beseitigung der Oberflächenverunreinigungen und der Oxide, der innige Kontakt und das Zusammenfließen der miteinander zu verbindenden Materialien.
Diese Art von Verschweißen ist jedoch von anderen Methoden äußerst unterschiedlich, indem sie stattfindet, während der Gießvorgang vorgenommen wird.
Darüberhinaus können nach einem derartigen Verschweißungsvorgang Metalle, die nicht leicht nach anderen Methoden aneinandergekuppelt werden können, miteinander verbunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung einer metallurgischen Bindung zwischen einem Metallmaterial oder einem eine Metallmatrix aufweisenden Verbundmaterial und einem Metallguß oder einem Metallegierungsguß zeichnet sich durch die Merkmale aus, wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind.
Das Metallmaterial, das aus einem einzigen Metall oder aus einer Metallegierung bestehen kann, oder der Verbundkörper mit Metallmatrix kann beispielsweise ein Einsatz zum Verstärken vorbestimmter Bereiche stationärer oder in Bewegung befindlicher mechanischer, einem Verschleiß unterliegender Komponenten sein (wie Führungen, Kolben, Getrieberäder und dergleichen), oder ein Gußstück, das mit einem oder mit mehreren Gußstücken gekuppelt werden soll, um gegebenenfalls ein komplex geformtes Stück auszubilden, das in anderer Weise nicht erhalten werden kann oder das nur in schwieriger Weise erhalten werden kann (infolge von Beschränkungen wegen der Geometrie des Stückes oder wegen der Materialtype, oder wegen zu hoher Kosten).
Das Metallverbundmaterial und das Gußmaterial können verschiedene Zusammensetzungen aufweisen, und die darin enthaltenen Metalle können vorzugsweise aus der aus Al, Zn, Pb, Mg, Cu, Sn, In, Ag, Au, Ti und ihren Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt sein.
Wie zuvor erwähnt, kann das Material auch ein eine Metallmatrix aufweisendes Verbundmaterial sein: ein derartiges Material besteht aus einer Metallphase (oder aus einer Metallegierungsphase), das andere Phasen umgibt und bindet, welche die Verstärkung ausmachen (Pulver oder keramische Fasern).
Die Verstärkung weist hohe Werte hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Härte auf, und auf sie werden die Spannungen übertragen, denen die Matrix unterworfen wird; die Matrix ihrerseits sollte, in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendungsart, geeignete Eigenschaften aufweisen.
Die Verstärkung kann aus langen oder kurzen keramischen Fasern (Al&sub2;O&sub3;, SiC, C, BN, SiO&sub2;, Glas) oder aus keramischen Whiskern (SiC, Si&sub3;N&sub4;, B&sub4;C, Al&sub2;O&sub3;) oder aus Nicht-Metallpulvern (SiC, BN, Si&sub3;N&sub4;, B&sub4;C, SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, Glas, Graphit) oder aus Metallfasern (Be, W, W mit SiC-Überzug, W mit B&sub4;C-Überzug, Stahl) bestehen.
Die Methoden zur Herstellung der Verbundmaterialien können die folgenden sein:
- Dispergieren des Verstärkungsmaterials in der Matrix im geschmolzenen Zustand;
- Dispergieren des Verstärkungsmaterials in der Matrix in einem partiell verfestigten Zustand;
- Pulvermetallurgie;
- Fasermetallisierung;
- Schichtkompaktieren;
- Infiltration.
Das Verbundmaterial kann entweder direkt oder mittels einer anschließenden mechanischen Bearbeitung erhalten werden.
Das Metall, das die in einer Stärke von vorzugsweise im Bereich von 10 bis 20 nm auf der Oberfläche aus dem Metallmaterial oder aus dem Metallmatrix-Verbundmaterial abzuscheidende dünne Schicht ausbildet, welches Dünnschichtmetall von den im Material und im Gußteil enthaltenen Metallen unterschiedlich sein kann, kann vorzugsweise aus der aus Au, Ag, Cu, Ni, Pt, Pd, Cr, W, Ir, Mo, Ta, Nb, Os, Re, Rh, Ru und Zr bestehenden Gruppe ausgewählt sein.
Die Abscheidung dieser dünnen Schicht kann vorzugsweise durch Sputtern erfolgen, oder mittels eines elektrochemischen Abscheidungsverfahrens.
Ebenso können beliebige andere bekannte Methoden chemischer oder physikalischer Art zur Ausbildung von Oberflächenbeschichtungen angewendet werden: als Beispiele können die Methoden des Plasma-Spritzens, der Laser-assistierten Abscheidung, der Thermo-Verdampfungsabscheidung, die Magnetron-assistierte Abscheidung, die Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition CVD) und dergleichen erwähnt werden.
Unter Anwendung eines geeigneten Überzuges wird die den Gießprozeß zu unterwerfende Flüssigkeit befähigt sein, das Metallmaterial oder Metallmatrix-Verbundmaterial in einem ausreichend hohen Ausmaß zu benetzen, um Wärme auf das Material zu übertragen, die auf der Oberfläche dieses Materials vorliegende Oxidschicht wegzuwaschen und eine direkte Bindung mit dem Material im Falle eines Metallmaterials oder mit der Metallmatrix im Falle eines Verbundmaterials auszubilden.
Sobald das Material entsprechend gereinigt, beschichtet und innerhalb der Form angeordnet worden ist, müssen die Betriebsbedingungen der Gießstufe so eingestellt werden, daß sichergestellt wird, daß ein passender Strom aus überhitzter Flüssigkeit die Oberflächen des Materials überdeckt.
Es ist wichtig, daß die Anordnung des Materials so geeignet ausgewählt und daß die Form der abwärtsführenden Kanäle (Speisekanäle) und der aufwärtsführenden Kanäle (Ausguß) innerhalb der Form so angelegt werden, daß die Flüssigkeit dazu gezwungen wird, die Wände des Materials zu überdecken, zu benetzen und auszuwaschen, bevor das flüssige Metall zu kalt wird.
Kurz gesagt, müssen die folgenden drei Parameter geregelt werden: Temperatur der Materialvorwärmung, Metall- (oder Legierungs-)gießtemperatur, Störmungsbedingungen. In dieser Weise kann eine hervorragende metallurgische Bindung zwischen dem Material und dem Gußmaterial erhalten werden.
Die Metallmaterialien können nach aus dem Stand der Technik bekannten Methoden erhalten werden (beispielsweise Schwerkraftgießen, Druckgießen oder Preßgießen ("squeeze casting")), entweder direkt oder mit einer anschließenden Verarbeitungsstufe.
Nachstehend werden einige Beispiele zur besseren Veranschaulichung der Erfindung gegeben. Keineswegs sollen diese Beispiele als die Erfindung beschränkend angesehen werden.

Beispiel 1

- Der Einsatz besteht aus einer Al-Si-Legierung mit 12 Gew.- % Si.
- Der Einsatz wird durch Sputtern mit einer dünnen Goldschicht überzogen.
- Der Einsatz und die Form werden auf die Temperatur von 300ºC vorgewärmt.
- Das den Gußkörper ausbildende Material ist eine ZA11C1- Legierung (11 Gew.-% Al, 1 Gew.-% Cu, Rest auf 100 Gew.-% aus Zn).
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 625ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials beläuft sich auf etwa 200 cm³.
- Das Material wird ausreichend langsam (10 cm³/Sekunde) durch eine Öffnung von 0,5 cm² Querschnittsfläche aus einer Höhe von etwa 10 cm oberhalb der Oberkante der Form unter einer Normalatmosphäre vergossen.
In Figur 1 bedeutet:
1 die Graphitform;
2 ist der Einsatz;
3 ist die Fließrichtung des Gießstroms und
4 ist der Tank.

Ergebnis des Versuches:

hervorragende Bindung, mit praktisch ununterscheidbarer Grenzfläche nach einer Überprüfung, die an einem Querschnitt nach Polieren und metallographischem Ätzen unter dem optischen Mikroskop ausgeführt wurde, wie aus Figur 2 ersichtlich ist. Die graue Phase aus Al-Si-Legierung liegt innerhalb der ZA11C1-Legierung vor, ohne irgendwelche Anzeichen einer ebenen Grenzfläche oder von Rissen.

Beispiel 2

- Der Einsatz ist ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix, bestehend aus ZA11C1-Legierung (12 Gew.-% Al, 1 Gew.-% Cu, Rest auf 100 Gew.-% aus Zn), die Verstärkung besteht aus SiC-Pulver bei 15 Volums-% (mittlerer Durchmesser 20 µ); hergestellt durch Infiltration.
- Der Einsatz wird durch Sputtern mit einer dünnen Goldschicht überzogen.
- Der Einsatz und die Form werden auf eine Temperatur von 300ºC vorgewärmt.
- Das Gußmaterial ist eine ZA11C1-Legierung.
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 600ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials beläuft sich auf etwa 200 cm³.
- Das Material wird ausreichend rasch (30 cm³/Sekunde) durch eine Öffnung mit 1 cm² Querschnittsfläche aus einer Höhe von etwa 10 cm durch ein Stahlrohr unter einer Argonatmosphäre vergossen.
In Figur 3 stellt:
1 die Form dar;
2 ist der Einsatz;
3 ist die Strömungsrichtung des Gußstroms;
4 ist der Tank;
5 ist das Stahlrohr.

Ergebnis des Versuches:

hervorragende Bindung, wie im vorstehenden Beispiel, wie aus Figur 4 ersichtlich ist. Die Mikrophotographie zeigt, daß selbst bei starker Vergrößerung eine Grenzfläche zwischen dem Gußmaterial und dem Einsatz aus dem Verbundprodukt nicht festgestellt werden kann.

Beispiel 3

- Der Einsatz ist ein Verbundmaterial mit einer Metallmatrix, bestehend aus einer Al-Si-Legierung mit 13 Gew.-% Si, die Verstärkung ist SiC-Pulver bei 50 Volums-% (mittlerer Durchmesser 20 µm). Der Einsatz wird durch Infiltration hergestellt.
- Die Temperatur des Einsatzes und der Form beträgt 300ºC.
- Der Überzug des Einsatzes wird durch elektrochemsiche Abscheidung von Kupfer erhalten.
-Das Gußmaterial ist eine Al-Si-Legierung mit 13 Gew.-% Si.
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 650ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials beträgt etwa 200 cm³, und dieses Material wird ausreichend langsam (20 cm³/Sekunde) durch eine Öffnung mit 0,75 cm² Querschnittsfläche in die Form vergossen.
In Figur 5 bedeutet:
1 die Form;
2 ist der Einsatz;
3 ist die Strömungsrichtung des Gießstroms;
4 ist der Tank.

Ergebnis des Versuchs:

hervorragende Bindung. Aus dem erhaltenen Stück wurden Proben bereitet, die Zugfestigkeitsversuchen unterworfen wurden. Die Zugfestigkeit liegt über 200 MPa und die Proben brechen entweder innerhalb des Verbundteils oder innerhalb der Matrix, sie brechen niemals an der Grenzfläche.

Beispiel 4

Das Beispiel 4 wurde in gleicher Weise wie Beispiel 1 ausgeführt, mit folgenden Unterschieden:
- Der Einsatz besteht aus einem Verbundmaterial mit einer Metallmatrix, gebildet aus einer Al-Si-Legierung (mit 12 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Mg, 0,3 Gew.-% Mn, Rest auf 100% aus Al), der zusätzlich Magnesium (2 Gew.-%) zugesetzt wird. Die Verstärkung besteht aus SiC-Pulver mit 52 Volums-%.
- Der Einsatz wird mit einer dünnen Cu-Schicht überzogen, abgeschieden mittels einer elektro-chemischen Abscheidungsmethode.
- Der Einsatz und die Form werden auf 270ºC vorgewärmt.
- Das Gußmaterial ist eine ZA27C2-Legierung (eine Zn-Al- Legierung mit 27 Gew.-% Al und 2 Gew.-% Cu).
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 560ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials liegt bei 200 cm³.
- Dieses Material wird ausreichend langsam (10 cm³/Sekunde, durch eine Öffnung von 0,5 cm² Querschnittsfläche aus einer Höhe von etwa 10 cm oberhalb der Oberkante der Form unter einer Normalatmosphäre vergossen.

Ergebnis des Versuches:

hervorragende Bindung.

Beispiel 5

Das Beispiel 5 wurde in gleicher Weise wie Beispiel 2 ausgeführt, mit den folgenden Unterschieden:
- Der Einsatz besteht aus einem Verbundmaterial mit einer Metallmatrix, gebildet aus einer ZA27C2-Legierung (27 Gew.-% Al, 2 Gew.-% Cu, Rest auf 100 Gew.-% aus Zn). Die Verstärkung besteht aus SiC-Pulver bei 50 Volums-%.
- Der Einsatz wird durch Sputtern mit einer dünnen Kupferschicht überzogen, nachdem zuvor ein Vorätzzyklus innerhalb der gleichen Sputteranlage ausgeführt worden ist.
- Der Einsatz und die Form werden auf 200ºC vorgewärmt.
- Das Gußmaterial ist eine Al-Si-Legierung (0,36 Gew.-% Fe, 0,05 % Mn, 1,20 % Mg, 11,6 % Si, 1,21 % Cu, 0,05 % Zn, 0,02 % Ti, 1,13 % Ni, Rest auf 100 % aus Al), die häufig zur Herstellung von Kolben verwendet wird.
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 650ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials liegt bei etwa 150 cm³.
- Dieses Material wird ausreichend rasch (30 cm³/Sekunde) durch eine Öffnung von etwa 1 cm² Querschnittsfläche) aus einer Höhe von 60 cm durch ein Stahlrohr unter einer Stickstoffatmosphäre vergossen.

Ergebnis des Versuches:

hervorragende Bindung.

Beispiel 6

Das Beispiel 6 wurde in gleicher Weise wie Beispiel 3 ausgeführt, mit den folgenden Unterschieden:
- Der Einsatz besteht aus einem Verbundmaterial mit einer Matrix, die aus einer Al-Si-Legierung (0,36 Gew.-% Fe, 0,05 % Mn, 1,20 % Mg, 11,6 % Si, 1,21 % Cu, 1,13 % Ni, 0,05 % Zn, 0,02 % Ti) gebildet ist. Die Verstärkung besteht aus SiC-Pulver bei 30 Volums-%.
- Der Einsatz wird durch Sputtern mit einer dünnen Schicht aus Silber überzogen.
- Die Temperatur des Einsatzes und der Form beträgt 300ºC.
- Das Gußmaterial ist eine ZA11C1-Legierung.
- Die Temperatur des Gußmaterials beträgt 650ºC.
- Das Volumen des Gußmaterials liegt bei 150 cm³, und dieses Material wird ausreichend langsam (20 cm³/Sekunde) durch eine Öffnung von 0,75 cm² Querschnittsfläche vergossen.

Ergebnis des Versuches:

hervorragende Bindung. Die den Zugfestigkeitstests unterworfenen Proben ergaben einen Wert von 200 MPa, bevor der Bruch in der Legierung des Gußmaterials erfolgte, weit entfernt von der Grenzschicht.

Claims

1. Verfahren zur Ausbildung einer metallurgischen Bindung zwischen:

(a) einem Metallmaterial oder einem eine Metallmatrix aufweisenden Verbundmaterial, welches Verbundmaterial durch ein Verstärkungsmaterial, ausgewählt unter langen und kurzen keramischen Fasern, keramischen Whiskern, nicht-metallischen Pulvern und Metallfasern, verstärkt ist, und

(b) einem Metall- oder Metallegierungsguß, worin die Metalle Von (a) und (b) unter Al, Zn, Pb, Mg, Cu, Sn, In, Ag, Au, Ti und Legierungen hievon ausgewählt sind, welches Verfahren die Stufen einer Durchführung einer Oberflächenbehandlung auf (a) durch Abscheiden einer dünnen Schicht aus einem Metall hierauf, welches Metall ein anderes ist als irgendeines der in (a) und (b) enthaltenen Metalle, des Anordnens von (a) in einer Form und des Gießens des Metalls oder der Metallegierung (b) um (a) umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Metall, das von den in (a) und (b) enthaltenen verschieden ist, unter Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Cr, W, Ir, Mo, Ta, Nb, Os, Re, Rh und Zr ausgewählt ist, wobei die Abscheidung der genannten dünnen Schicht nach einer der folgenden Methoden erfolgt:

- Sputtern;

- Plasmaspritzen;

- Laser-assistierte Abscheidung;

- Thermo-Verdampfungsabscheidung;

- Magnetron-assistierte Abscheidung und

- Gasphasenabscheidung (CVD).

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die keramischen Verstärkungsfasern für das Verbundmaterial (a) unter keramischen Fasern aus Al&sub2;O&sub3;, SiC, BN, SiO&sub2; und Glas ausgewählt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verstärkungswhisker für das Verbundmaterial (a) unter Whiskern aus SiC, Si&sub3;N&sub4;, B&sub4;C und Al&sub2;O&sub3; ausgewählt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die nicht-metallischen Verstärkungspulver für das Verbundmaterial (a) unter pulverförmigem SiC, BN, B&sub4;C, Si&sub3;N&sub4;, SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, Glas und Graphit ausgewählt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin die metallischen Verstärkungsfasern für das Verbundmaterial (a) unter Metallfasern aus Be, W, SiC-beschichtetem W, B&sub4;C-beschichtetem W oder Stahl ausgewählt sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Material (a) durch Schwerkraftgießen, Druckgießen oder Preßgießen hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Material (b) durch Schwerkraftgießen, Druckgießen oder Preßgießen hergestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin das eine Metallmatrix aufweisende Verbundmaterial (b) durch Dispergieren des Verstärkungsmaterials in der Matrix im geschmolzenen oder im teilweise festen Zustand oder durch Pulvermetallurgie, Fasermetallisierung oder Schichtkompaktieren oder durch Infiltration hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches weiterhin eine Bearbeitungsstufe des erhaltenen Materials umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, worin die abgelagerte dünne Metallschicht eine Stärke von 10 nm bis 200 nm aufweist.