DE68920267T2

DE68920267T2 - Verfahren zur Herstellung von einem durch Keramik verstärkten Verbundmaterial.

Info

Publication number: DE68920267T2
Application number: DE68920267T
Authority: DE
Inventors: John M Corwin
Original assignee: Chrysler Motors Corp
Current assignee: Chrysler Motors Corp
Priority date: 1988-10-17
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2009-10-18
Also published as: DE68920267D1; EP0365978A1; US4932099A; EP0365978B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines durch Keramik verstärkten Verbundmateriales, bei dem eine Aluminiumlegierung als Matrixmetall Verwendung findet.
In neuerer Zeit erzielte Fortschritte in der Technik, insbesondere im Automobilbau und Flugzeugbau, haben erhöhte Anforderungen an festere, leichtere und härtere Materialien gestellt. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, haben die Materialhersteller ihre Aufmerksamkeit auf die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften und die einfache Herstellung der gegenwärtig bekannten Verbundmaterialien gerichtet.
Ein Verbundmaterial, dem in neuerer Zeit erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt wurde, ist ein Metallmatrix-Verbundmaterial. Bei einem typischen Metallmatrix-Verbundmaterial ist eine Masse eines Verstärkungsmateriales, wie beispielsweise eines keramischen Materiales, innerhalb einer Metallmatrix verteilt. Für Anwendungsfälle, für die hohe Materialfestigkeit:Gewicht-Verhältnisse erforderlich sind, stellen Aluminiumlegierungen ein populäres Matrixmetall
Die Integrität und Festigkeit von Metallmatrix-Verbundmaterialien ist jedoch dadurch beschränkt, daß es nicht möglich ist, eine Masse eines Verstärkungsmateriales vollständig an ein Matrixmetall zu binden. In Fällen, in denen eine solche Bindung im wesentlichen nicht vollständig ist, wurde eine Abnahme der Festigkeit, insbesondere der Ermüdungsfestigkeit, des Materiales festgestellt. Es ist daher wichtig, ein Metallmatrix-Verbundmaterial herzustellen, das eine optimale Adhäsion zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Metallmatrix aufweist.
Momentan finden zwei Grundverfahren und deren Variationen häufig Anwendung, um Metallmatrix-Verbundmaterialien herzustellen, die ein keramisches Verstärkungsmaterial aufweisen, das in einer Matrix einer Aluminiumlegierung enthalten ist.
Das erste Verfahren, das üblicherweise als "Quetschverfahren" bezeichnet wird, beinhaltet die Aufbringung von hohen Drücken, um die Infiltration des Matrixmetalls in eine Masse der Verstärkungsfasern sicherzustellen (siehe hierzu die US-PS'en 44 92 265 und 44 50 207). Gemäß diesen Verfahren wird eine Masse aus Verstärkungsfasern in den Hohlraum einer Gießform eingebracht und dort erhitzt. Danach wird eine geschmolzene Aluminiumlegierung in den Formhohlraum gegossen. Ein relativ hoher Druck (in einem Bereich von 1055 bis 2531 kg/cm² (15000 bis 36000 lb/Zoll²) wird dann über einen Kolben auf das geschmolzene Metall aufgebracht. Bei der Aufbringung des Drucks (d.h. dem Quetschen) dringt das geschmolzene Matrixmetall in die Hohlräume in der Masse der Verstärkungsfasern ein. Der erhöhte Druck wird aufrechterhalten, bis sich das Matrixmetall aus Aluminium verfestigt.
Dieses Verfahren hat gewisse Nachteile, die seine Anwendbarkeit wesentlich einschränken. Beispielsweise ist das Verfahren in der Praxis auf die Herstellung von kleineren Teilen beschränkt. Dies ist auf den sehr großen Aufwand und die hohen Quetschlasten zurückzuführen, die zur Herstellung des Materiales erforderlich sind. Auch können viele kleine und/oder zerbrechliche Verstärkungsfaservorformen die hohen Drücke nicht aushalten, die zur Durchführung des Verfahrens erforderlich sind. So kann während dieses Herstellverfahrens häufig ein Zerbrechen und/oder eine Verschiebung der Keramikverstärkung auftreten. Wenn beim Einbringen der Vorform in die Form keine extremen Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, können Fasern aus der Masse der Verstärkungsfasern an der Trennfläche der Formen haften bleiben und somit ein voll ständiges Schließen der Form verhindern. Dies verursacht wiederum unerwünschte Lecks in der Form und setzt darüber hinaus die Ausbeute an einwandfreien Gußstücken herab. Obwohl bei Anwendung dieses Verfahrens eine vollständige Infiltration stattfinden kann, ist oft nur eine begrenzte chemische (metallurgische) Bindung zwischen der Matrix und den Verstärkungen vorhanden. Wie bekannt, ist eine metallurgische Bindung ein notwendiges Erfordernis für maximale mechanische Eigenschaften.
Bei einem zweiten Verfahren wird eine Masse aus einem Verstärkungsmaterial, wie beispielsweise Aluminiumoxidfasern, in eine Form aus rostfreiem Stahl eingepaßt. Ein Ende der Form wird in eine geschmolzene Aluminiumlegierung eingetaucht. Der Druck am anderen Ende wird dann reduziert, wodurch ein Saugeffekt erzeugt wird, der ein Aufsaugen der Aluminiumlegierung oder ein Wandern derselben in die Masse der Fasern bewirkt, so daß diese auf diese Weise infiltriert wird. Ein kritisches Erfordernis für eine erfolgreiche Durchführung dieses Verfahrens ist die Verwendung einer Aluminiumlegierung, die ein Benetzungsmittel von etwa 2 bis 3 % Lithium enthält. Ein Benetzungsmittel, wie beispielsweise Lithium, wird Materialien, wie beispielsweise Aluminium, zugesetzt, um den physikalischen Prozeß der Benetzung, d.h. den Prozeß der Herstellung eines physikalischen Kontaktes zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff, zu fördern. Wenn der Kontakt einmal hergestellt ist, kann eine Ausbreitung der Flüssigkeit zur Bedeckung der festen Oberfläche mit Hilfe von Kapillarkräften vonstatten gehen. Durch das Vorhandensein eines Lithium-Benetzungsmittels wird daher sichergestellt, daß die Masse des Verstärkungsmateriales im wesentlichen infiltriert und an die Aluminiumlegierung gebunden wird.
Auch dieses Verfahren hat wesentliche inhärente Beschränkungen. Durch die Verwendung von teurem Lithium und von starren Metallformen wird das Verfahren sehr teuer. Des weiteren eignet sich das Verfahren nicht ohne weiteres für die Herstellung von Teilen, die andere als einfache geometrische Formen besitzen. Ein weiteres negatives Merkmal, das mit diesem Verfahren verknüpft ist, besteht darin, daß rasche Kühltechniken, die wegen der Notwendigkeit einer Begrenzung der Reaktion zwischen dem Lithium und den Verstärkungsfasern eingesetzt werden, die Kosten des Verfahrens weiter erhöhen.
Es sind weitere weniger populäre Verfahren bekannt, mit denen ein Metallmatrix-Verbundmaterial hergestellt werden kann. Ein derartiges Verfahren betrifft die Beschichtung von Verstärkungsfasern mit verschiedenen Metallen, um die Benetzung vor dem Gießen der Aluminiumlegierung zu fördern. Beispielsweise wurde ein Überzug aus Zinn oder Silber auf Aluminiumoxid unmittelbar vor dem Gießen der geschmolzenen Aluminiumlegierung aufgebracht. In einer Variante dieses Verfahrens werden Fasern mit einer Aluminiumlegierung beschichtet und dann zusammengesintert oder heißgepreßt. Die zusätzlichen Beschichtungsschritte sind jedoch sehr kostenintensiv.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Herstellung von durch Keramik verstärkten Metallverbundmaterialien ist ein pulvermetallurgisches Verfahren. Dieses Verfahren kann eingesetzt werden, um eine gute Verteilung von Verstärkungsmaterialien innerhalb einer Metallmatrix zu erhalten. Die an pulvermetallurgischen Verfahren gestellten Anforderungen machen jedoch dieses Verfahren für Verbunde aus kontinuierlichen Fasern oder starren Vorformen ungeeignet.
Die EP-A-0 291 441 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundmateriales. Eine Aluminiumlegierung, die mindestens ein Gewichtsprozent Magnesium enthält, wird geschmolzen und spontan in ein Füllmaterial eingeführt. Um diese spontane Infiltration zu erreichen, ist es erforderlich, eine Magnesium enthaltende Aluminiumlegierung, eine Stickstoff enthaltende Atmosphäre und eine Prozeßtemperatur über 700ºC, vorzugsweise von 800-1200ºC, einzusetzen. Das Füllmaterial wird in eine Keramikschale eingegeben, und ein fester Block des Legierungsmateriales wird auf dem Keramikmaterial angeordnet. Die aus der Legierung und der Keramik bestehende Einheit wird in einen Ofen eingebracht und unter der Stickstoffatmosphäre auf die erforderliche Temperatur erhitzt, um das Verbundmaterial zu erhalten.
Die US-A-3 547 180 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Metallmatrix-Verbundmaterialien. Die Form und ein Block einer Aluminiumlegierung werden in ein Gehäuse aus Aluminiumoxid eingebracht. Das Gehäuse, Metall und die Form werden auf eine Temperatur von 550ºC erhitzt und unter Unterdruck entgast. Die Einheit wird dann auf eine Temperatur von mindestens 950ºC erhitzt. Auf dieser Temperatur schmilzt das Aluminium und benetzt das Aluminiumoxidgehäuse. Das Aluminium wird dann durch Druckaufbringung in das Verstärkungsmaterial eingeführt. Es wird danach verfestigt, um das erforderliche Verbundmaterial zu erhalten.
Bei Einsatz dieser vorstehend erwähnten bekannten Verfahren umfaßt die Zeitdauer, um eine Infiltration zu erhalten, Stunden und manchmal sogar Tage. Unabhängig von der Tatsache, ob hohe Drücke verwendet werden oder nicht, werden langsame Infiltrationsraten festgestellt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß durch Erhitzen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung und einer Gießform auf einen bestimmten Temperaturbereich vor dem Gießen der geschmolzenen Legierung die Infiltration der Legierung in eine Masse eines Verstärkungsmateriales dramatisch verbessert wird, ohne daß ein externer Druck zur Erzwingung der Infiltration und ein teures Benetzungsmittel Verwendung finden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte des Evakuierens einer Kammer auf einen ersten Kammerdruck, der unter atmosphärischem Druck liegt, das Schmelzen einer Aluminiumlegierung und das Erhitzen der geschmolzenen Aluminiumlegierung auf eine Temperatur in einem Bereich von 982ºC (1800ºF) bis 1204ºC (2200ºF). Die geschmolzene Aluminiumlegierung wird in eine erhitzte Form, die eine Masse eines keramischen Verstärkungsmateriales enthält, gegossen. Nach dem Gießen wird ein zweiter Kammerdruck, der größer ist als der erste Druck, aufgebracht, um eine aus der geschmolzenen Aluminiumlegierung gebildete Oxidschicht aufzubrechen, damit die geschmolzene Aluminiumlegierung die Masse des keramischen Verstärkungsmateriales benetzen kann. Der zweite Druck liegt in einem Bereich von 101,325 kPa (760 mmHg) bis 199,983 kPa (1500 mmHg) und wird gesteuert, indem ein im wesentlichen nicht reaktives Gas eingeführt wird. Man läßt die geschmolzene Aluminiumlegierung dann sich verfestigen.
Es können daher viele der mit den momentan zur Verfügung stehenden Verfahren zur Ausbildung von Metallmatrix-Verbundmaterialien verbundenen Probleme überwunden werden, indem die Gießtemperatur der Form und der flüssigen Aluminiumlegierung richtig gesteuert wird. Da keine teuren Benetzungsmittel und keine schwere und übermäßig große Ausrüstung erforderlich sind, können erfindungsgemäß auch komplizierte Formen mit relativ geringen Kosten erstellt werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Teile besitzen die gewünschten Eigenschaften von Metallmatrix-Verbundmaterialien, wie beispielsweise ein hohes Verhältnis Festigkeit:Gewicht, eine hohe Ermüdungsdruckfestigkeit und relativ gute Betriebseigenschaften bei Temperaturen, die wesentlich über der der nicht verfestigten Matrixlegierung liegen, d.h. in einem Bereich von etwa 149ºC (300ºF) bis etwa 316ºC (600ºF) für Aluminiumlegierungen.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von einer der bevorzugten Ausführungsformen, den folgenden Patentansprüchen und den beigefügten Zeichnungen besonders deutlich. Es zeigen:
Figur 1 einen typischen vorgeformten Körper, der keramische Verstärkungsfasern enthält;
Figur 2 eine Form, die zum Gießen von Teilen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Figur 3 das Gießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in eine Form, wie sie der in Figur 2 gezeigten entspricht.
Dies stellt eine von zwei Patentanmeldungen dar, die am gleichen Tage eingereicht wurden. Beide Anmeldungen betreffen verwandte Erfindungen. Sie haben den gleichen Inhaber und den gleichen Erfinder. Beide Anmeldungen sind einzigartig. Auf die Patentanmeldung "Verfahren zur Herstellung von durch Keramik verstärkten Verbundkraftfahrzeugteilen" (EP-A-0 364 963) wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten durch Keramik verstärkten Verbundmaterialien besitzen eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den Verbundmaterialien des Standes der Technik, einschließlich ausgezeichnete Festigkeits:Gewichts-Eigenschaften, Eignung zu einer relativ billigen Herstellung von Teilen, die groß sind und/oder komplizierte geometrische Formen besitzen, und ausgezeichnete Ermüdungsdruckfestigkeit.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß durch das Erhitzen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung auf eine Temperatur in einem Bereich von 982ºC (1800ºF) bis 1204ºC: (2200ºF) und folgendes Gießen des Metalls in eine vorerhitzte Form, die eine Masse eines keramischen Verstärkungsmateriales enthält, die Infiltration des Metalls in die Masse des Materials sowie die Adhäsion des Metalls an der Masse des Materials dramatisch verbessert wird.
Wie in Figur 1 gezeigt, wird zur Herstellung eines Gegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung ein keramisches Verstärkungsmaterial in einem vorgeformten Körper 10 (hiernach als "Vorform" bezeichnet) angeordnet. Die Vorform 10 enthält vorzugsweise eine Masse aus willkürlich gepackten dünnen keramischen Fasern, die in einer einzigen Richtung orientiert, d.h. uniaxial, und über ein geeignetes Bindemittel oder Klebemittel, wie beispielsweise Wachs, aneinandergebunden sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Vorform um die sogenannte DUPONT FP-Vorform, die von der Firma DuPont vertrieben wird (DUPONT FP ist ein registriertes Warenzeichen der Firma Dupont). Die DUPONT FP-Vorform besteht aus einer uniaxialen Masse von willkürlich gepackten Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)-Fasern, die einen Faserdurchmesser von etwa 20 um besitzen. Vorzugsweise wird die Masse der Fasern über eine Menge Wachs aneinandergebunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der bevorzugte Volumenanteil der Fasern 40 bis 65 %. Bei einer bevorzugteren Ausführungsform beträgt der Volumenanteil der Fasern etwa 50 bis 55 %. In diesen Volumenprozentbereichen sollten die Fasern während der nachfolgenden Schritte des Schmelzens und Ausbrennens des Wachses aus der Vorform expandieren und im wesentlichen einen Formhohlraum ausfüllen.
Wahlweise kann irgendein geeignetes Verstärkungsmaterial verwendet werden. Geeignete Verstärkungsmaterialien umfassen diejenigen keramischen Systeme, die auf Silicium (Si), Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Titan (Ti) oder Gemischen davon basieren. Der Fachmann weiß jedoch, daß auch eine Reihe von anderen geeigneten Verstärkungsmaterialien vorhanden ist, die ohne Beschränkung Karbide, Oxide und Nitride sowie solche Materialien, die Bor oder Kohlenstoff enthalten, umfassen. Vorzugsweise basiert das Verstärkungsmaterial auf keramischen Systemen, die SiO&sub2;, SiC, Al&sub2;O&sub3;, Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;, MgO-Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2; und deren Gemische umfassen. Bevorzugte Arten von Vorformen umfassen Vorformen aus kontinuierlichen Fasern < wie beispielsweise die DuPont'sche FP-Vorform), aus zerkleinerten Fasern, aus Mattenfasern (d.h. Materialien, deren Längenverhältnisse mehr als etwa 20 x und vorzugsweise mehr als 100 x betragen), Fasern, die aus einer viskosen Schmelze gesponnen sind, Faser-Whiskern (d.h. Materialien, die Längenverhältnisse von weniger als 20 x besitzen), Schwämmen, extrudierten Körpern etc. Es finden auch Vorformen Verwendung, die Gemische oder Hybride der vorstehenden Arten von Vorformen umfassen. Es wird bevorzugt, daß das in diesen Vorformen vorhandene keramische Verstärkungsmaterial auf Silicium, Aluminium oder Gemischen davon basiert.
Die Fasern in der Vorform 10 sind vorzugsweise in einem geringfügigen Kompressionszustand gepackt, so daß eine nachfolgende Expansion beim Ausbrennen des Bindemittels die Vorform in der Form fixiert. Andere bevorzugte Vorformen, die verwendet werden können, umfassen eine Schaumvorform, bei der es sich um einen monolithischen keramischen Körper in der Form eines retikulären Schaumes handelt, und eine Vorform aus einer zerkleinerten Fasermatte, bei der es sich um ein Aggregat aus zufällig orientierten feinen Keramikfasern handelt, oder Verstärkungsmaterialien, die aus gebundenen Whiskern oder partikelförmigen Materialien bestehen. Wegen der verbesserten Möglichkeit der Ausbildung von komplizierten Formen, die mit diesen letztgenannten Vorformen erhalten werden können, ist es auch möglich, komplexe Teile herzustellen, indem alle oder einige Arten der vorstehend genannten Vorformen zu einer einzigen Vorform kombiniert werden. Mit anderen Worten, es können auch Gemische aus unterschiedlichen Arten von Vorformen eingesetzt werden.
Gemäß Figur 2 wird eine Investmentgießform 12 mit einem Hohlraum 14 und einer Gießöffnung 16 unter Einsatz von bekannten Verfahren geformt, um die Aluminiumoxidfasern der Vorform 10 während des Gießens aufzunehmen. Die bevorzugte Form für die vorliegende Erfindung sollte aus einem geeigneten feinkörnigen Keramikmaterial hergestellt werden, so daß die entstandene Form im wesentlichen gasdicht ist. Geeignete Materialien umfassen Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Siliciumdioxid (SiO&sub2;) Zirkon (ZrO&sub2;-SiO&sub2;) und Mullit (Al&sub2;O&sub3;- SiO&sub2;).
Wenn die Form hergestellt wird, wird zuerst ein Waschüberzug auf das Vorformmuster aufgebracht. Dieser Überzug, der vorzugsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid oder Magnesiumoxid besteht, hierauf jedoch nicht beschränkt ist, dient dazu, heftige Reaktionen zwischen dem flüssigen Metall und dem Formmaterial, die während des Gießens auftreten können, einzuschränken. Andere geeignete Waschüberzugsmaterialien umfassen Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, ZrO&sub2;-SiO&sub2; und Zirkondioxid (ZrO&sub2;).
Wie in Figur 2 gezeigt, wird die Vorform 10 als Muster zur Herstellung des Formhohlraumes 14 verwendet. Die Form 12, die die Vorform 10 enthält, wird dann einer Temperatur in einem Bereich von etwa 204ºC (400ºF) bis etwa 982ºC (1800ºF) ausgesetzt, um zu schmelzen und danach das Wachs aus der Vorform auszubrennen. Nachdem das Wachs ausgebrannt worden ist, sollten die Fasern geringfügig expandieren, um den Formhohlraum 14 im wesentlichen auszufüllen. Der Fachmann weiß, daß bei Ausführungsformen, die eine starre Vorform, wie beispielsweise eine Vorform aus einem retikulären Keramikschaum, verwenden, Vorkehrungen in der Form der Vorform getroffen werden können, um eine Halterung der Vorform in der Form nach den Schritten der Wachsentfernung sicherzustellen.
Wie in Figur 3 gezeigt, werden die Form 12 und die darin enthaltenen Verstärkungsfasern dann in eine Kammer 18 eingebracht, die evakuiert werden kann. Die Kammer 18 wird auf 13 Pa (0,10) bis 33 Pa (0,25 mmHg) evakuiert, um potentiell reaktive Gase zu entfernen. Vorzugsweise wird die die Verstärkungsfasern 10 enthaltende Form 12 dann in einem Widerstandsofen 20 innerhalb der Kammer erhitzt, um eine vorgegebene Temperatur in den Bereichen der Form zu erzielen, die sich im wesentlichen benachbart zu den Verstärkungsfasern befinden. Vorzugsweise liegt diese Temperatur in einem Bereich von 982ºC (1800ºF) bis 1204ºC (2200ºF). Bevorzugter sollte die Temperatur in einem Bereich von 1038ºC (1900ºF) bis 1121ºC (2050ºF) liegen. Diese Formtemperatur sollte im wesentlichen der Gießtemperatur der geschmolzenen Aluminiumlegierung entsprechen, die in die Form gegossen wird.
Eine Aluminiumlegierung wird in einem Schmelzofen 22 innerhalb der Kammer 18 auf eine Temperatur in einem Bereich von 982ºC (1800ºF) bis 1024ºC (2200ºF) geschmolzen und erhitzt. Dieser Temperaturbereich ist hoch genug, um das Benetzen der Keramikfasern während der nachfolgenden Gießschritte zu fördern. Vorzugsweise ist die Aluminiumlegierung eine solche, die etwa 315 Gew.% Magnesium enthält.
Die Aluminiumlegierungen werden vorzugsweise bis auf eine Temperatur in einem Bereich von 1038ºC (1900ºF) bis 1121ºC (2050ºF) erhitzt. Dies ist eine Temperatur, die 416ºC (780ºF) bis 504ºC (940ºF) über dem Schmelzpunkt der Legierung liegt. Es ist wesentlich, diese Legierung auf diese hohen Temperaturbereiche zu erhitzen, um die Reaktion zwischen dem flüssigen Metall und den keramischen Verstärkungsfasern in diesem Temperaturbereich auszunutzen. Mit anderen Worten, ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß bei einem Kontakt der geschmolzenen Legierung mit den oxidischen Keramikfasern bei diesen hohen Temperaturen eine Austauschreaktion zwischen dem Sauerstoff von den oxidischen Keramikfasern und dem Aluminium und Magnesium in der Legierung stattfindet. Es wird davon ausgegangen, daß diese Reaktion das Benetzen der Keramikfasern fördert. Durch das Benetzen werden wiederum die Kapillarkräfte gefördert, die die Infiltration des flüssigen Metalls in die Masse der Keramikfasern bewirken.
Es ist ferner von Bedeutung, daß der Kammerdruck zu diesem Zeitpunkt etwa auf dem Dampfdruck von Magnesium in Aluminium gehalten wird, um ein Sieden des Magnesiums zu verhindern. Der Dampfdruck von Magnesium kann aus bekannten thermodynamischen Daten berechnet werden. Bei einer Temperatur von 1038ºC (1900ºF) für eine Aluminiumlegierung, die etwa 3,5 % Magnesium enthält, entspricht dies einem Druck von etwa 0,101 kPa (0,76 mmHg absolut). Der Kammerdruck wird gesteuert, indem ein im wesentlichen nicht reaktives Gas in die Kammer 18 eingeführt wird, wie beispielsweise Stickstoff (N&sub2;) hoher Reinheit.
Die geschmolzene Legierung wird aus dem Schmelzofen 22 durch eine Öffnung 16 in der Form in den erhitzten Formhohlraum 14 gegossen. Diese extremen Gießtemperaturen neigen dazu, die Flüssigkeits-Dampf-Grenzfläche der geschmolzenen Flüssigkeit gegenüber einer Oxidation äußerst empfänglich zu machen, und bilden eine dünne Oxidschicht, die dazu neigt, das Fließen von flüssigem Metall und somit die Benetzung der Aluminiumoxidfasern zu verhindern. Um dieses Problem zu beseitigen, wird der Kammerdruck auf einen Druck von etwa 101,325 (760) bis 199,983 kPa (11500 mmHg) erhöht, indem Stickstoffgas hoher Reinheit nahezu unmittelbar nach dem Gießen eingeführt wird. Dieser Druckanstieg sollte für die Kammeratmosphäre ausreichend sein, daß diese die Oxidschicht aufbricht und somit ermöglicht, daß geschmolzenes Metall die Aluminiumoxidfasern benetzen kann. Diese Bedingungen werden in der Kammer aufrechterhalten, bis die Infiltration der Fasern im wesentlichen beendet ist. Danach läßt man das Gußstück verfestigen und abkühlen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines durch Keramik verstärkten Verbundmateriales mit den folgenden Schritten:

(a) Evakuieren einer Kammer auf einen ersten Kammerdruck, der unter atmosphärischem Druck liegt;

(b) Schmelzen einer Aluminiumlegierung;

(c) Erhitzen der geschmolzenen Aluminiumlegierung auf eine Temperatur in einem Bereich von 902ºC (1800ºF) bis 1204ºC (2200ºF);

(d) Gießen der geschmolzenen Aluminiumlegierung in eine erhitzte Form, die eine Masse aus keramischem Verstärkungsmaterial enthält;

(e) nach dem Gießen der geschmolzenen Aluminiumlegierung Aufbringen eines zweiten Kammerdrucks, der größer ist als der erste Kammerdruck, um eine von der geschmolzenen Aluminiumlegierung geformte Oxidschicht auf zubrechen, so daß die geschmolzene Aluminiumlegierung die Masse aus dem keramischen Verstärkungsmaterial benetzen kann, wobei der zweite Druck in einem Bereich von 101,325 kPa (750 mm Hg) bis 199,903 kPa (1500 mm Hg) liegt und durch Pinführen eines im wesentlichen nicht reaktiven Gases gesteuert wird; und

(f) Verfestigen der geschmolzenen Aluminiumlegierung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur gemäß Schritt (c) in einem Bereich von 1038ºC (1900ºF) bis 1121ºC (2050ºF) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die die Masse aus dem keramischen Verstärkungsmaterial enthaltende Form auf eine Temperatur erhitzt wird, die im wesentlichen der Temperatur des geschmolzenen Metalls entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Aluminiumlegierung etwa 3,5 (Gewichts-) % Magnesium enthält.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Masse aus dem keramischen Verstärkungsmaterial als vorgeformter Körper vorgesehen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorgefonnte Körper ein Vorformling aus kontinuierlichen Fasern ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorgeformte Körper ein Schaumvorformling ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der vorgeformte Körper ein Vlies aus zerkleinerten Fasern ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem

ein vorgeformter Körper, der Aluminiumoxid enthält, zum Formen einer Investmentgußform verwendet wird;

die Kammer auf den ersten Kammerdruck von 13 Pa (0,10 mm Hg) bis 33 Pa (0,25 mm Hg) evakuiert wird; und

die geschmolzene Aluminiumlegierung auf einem Druck von 101 Pa (0,76 mm Hg) gehalten wird, während auf die Temperatur von 982ºC (1800ºF) bis 1204ºC (2200ºF) erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem

der zum Formen einer Investmentgießform verwendete vorgeformte Körper eine Masse aus Aluminiumfasern enthält, die über Wachs als Matrix miteinander verbunden sind; und

das Wachs aus der Form entfernt wird, indem die Fasern und die Form auf eine Temperatur in einem Bereich von 204ºC (400ºF) bis 982ºC (1800ºF) erhitzt werden.