DE69023802T2

DE69023802T2 - Metallbasis-Verbundkörper und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE69023802T2
Application number: DE69023802T
Authority: DE
Inventors: Hajime Hata; Takao Kitamura; Kohji Sakane; Seiji Sogabe; Hideo Wada
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology; Shikoku Chemicals Corp
Current assignee: Shikoku Chemicals Corp; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1990-04-20
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2010-04-21
Also published as: EP0394056A1; US5013523A; EP0394056B1; DE69023802D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes auf der Basis eines Metalls der Aluminiumart, der einen Aluminiumborat-Whisker als Verstärkungsmittel umfaßt.
Durch jüngste technische Entwicklungen in verschiedenen Industriezweigen, vertreten durch die Luft- und Raumfahrtindustrie, ist die Nachfrage nach einem neuen Material mit einer höheren Festigkeit, Elastizität und Härte sowie Widerstandsfähigkeit gegenüber einer höheren Temperatur, als dies bei herkömmlichen Metallmaterialien der Fall ist, gestiegen.
Unter den Metallmaterialien weisen Aluminium und Aluminiumlegierungen ein niedriges spezifisches Gewicht und eine leichte Bearbeitbarkeit auf und werden kostengünstig geliefert, und deshalb werden sie häufig als Materialien, die eine hohe Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen, in verschiedenen Bereichen für Flugzeuge, Automobile, Baumaterialien, chemische Maschinen und dergleichen verwendet.
Als das Mittel zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Metallen der Aluminiumart sind Verfahren zur Bildung von Verbundwerkstoffen durch Kombinieren einer Aluminiumlegierung mit einem Whisker oder einer Faser aus einem Material mit einer hohen Festigkeit und Elastizität, wie z.B. Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Kohlenstoff, Aluminiumoxid oder Kaliumhexatitanat als einem Whisker oder Verstärkungsmittel mit Nachdruck untersucht worden, und als das Verbundwerkstoffbildungsverfahren sind ein Heißpreßverfahren, ein HIP-Verfahren (hot isostatic pressing/isostatisches Heißpressen), ein Durchdringungsverfahren, ein Pulvermetallurgieverfahren, ein Hochdruckgießkastenverfahren und ein Warmstrangpreßverfahren bekannt.
Bei der Herstellung eines Verbundwerkstoffes auf der Basis eines Metalls der Aluminiumart ist es wichtig, daß ein Verstärkungswhisker oder eine Verstärkungsfaser eine hohe Benetzbarkeit mit einer Aluminiumschmelze aufweist und gegenüber dieser inert ist. Aber Verstärkungsmittel mit solchen Eigenschaften sind zahlenmäßig begrenzt, und die meisten der Whisker und Fasern werden praktisch in dem Zustand verwendet, bei dem die Oberfläche mit einer inerten Masse überzogen ist.
Unter diesen Verstärkungsmitteln erfüllen eine Faser bzw. ein Whisker der Aluminiumoxidart und ein Siliziumkarbidwhisker die beiden oben genannten Bedingungen und sind vielversprechend als verstärkendes Material. Aber da sie teuer sind, können sie kaum zur Verwendung für allgemeine Zwecke bei Automobilen, Baumaterialien und dergleichen verwendet werden, obwohl sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden können.
Im Augenblick kann vom wirtschaftlichen Standpunkt her nur ein Whisker aus Kaliumhexatitanat als ein Allzweck-Verstärkungsmittel für die Herstellung eines Metallverbundwerkstoffs der Aluminiumart verwendet werden. Aber dieser Verbundwerkstoff birgt ein Problem in sich, das darin liegt, daß vierwertiges Titan durch metallisches Aluminium reduziert wird und eine intermetallische Verbindung wie z.B. Ti&sub3;Al gebildet wird.
Folglich wird diese Reduzierreaktion durch Verkürzen der Wärmebehandlungszeit aufs äußerste gesteuert, aber in diesem Fall wird der Vorgang unbrauchbar, da kein zufriedenstellender Verbundeffekt erzielt werden kann.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu lösen und ein Verfahren zur Herstellung eines mit Whisker verstärkten Verbundwerkstoffes auf der Basis eines Metalls der Aluminiumart vorzusehen, bei dem ein ausreichender Verstärkungseffekt durch Verwendung eines kostengünstigen Verstärkungsmaterials erzielt werden kann, das mit einem Matrixmetall nicht reagiert.
Aluminiumborat-Whisker, die durch die chemische Formel 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; oder 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; dargestellt werden, und ihre Verwendung als Verstärkungsmaterialien für Kunststoffe, Klebstoffe (Zement), Keramikwerkstoffe und Metalle sind in der EP-A-0296779 beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes auf Aluminiumbasis oder auf der Basis einer Aluminiumlegierung, das folgendes umfaßt: Mischen eines Pulvers aus Aluminium oder eines Pulvers aus einer Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumborat-Whisker derart, daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung 5 bis 40 Volumenprozent beträgt, Druckformen und Hartbrennen der Mischung oder Laden der Mischung in eine Form und Hartbrennen der Mischung unter Druckbeanspruchung bei einer Temperatur von 500 bis 650ºC, oder Mischen eines Aluminiumborat-Whiskers mit einem Bindemittel, das Wasser enthält, so daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung bei 3 bis 40 Massenanteilen liegt, Pressen, Trocknen und Hartbrennen der Mischung, um einen vorgeformten Körper zu bilden, und Tränken des vorgeformten Körpers aus einem Aluminiumborat-Whisker mit einer Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bei einem Druck von 4,9-196x10&sup6; Pa (50 bis 2000 kgf/ cm²), wobei der Aluminiumborat-Whisker einen Durchmesser von 0,5 bis 5 um und eine Länge von 5 bis 200 um aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Ansprüchen 2-7 gezeigt.

Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Aluminiumborat- Whisker ist eine Verbindung, die gemäß dem in der ungeprüft veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 63-319298 und in der ungeprüft veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 63-319299 offenbarten Verfahren hergestellt wird. Demgemäß kann der Aluminiumborat-Whisker entsprechend dem Flüssigphasenverfahren hergestellt werden, das den Schritt des Reagierens von mindestens einer aluminiumliefernden Komponente, die aus anorganischen Aluminiumsalzen ausgewählt wird, mit mindestens einer borsäureliefernden Komponente, die aus Oxiden und Oxysäuren von Bor und Alkalimetallsalzen der Borsäure ausgewählt wird, unter Anwesenheit mindestens eines Flußmittels, das aus den Alkalimetall-Chloriden, -Sulfaten und -Karbonaten ausgewählt wird, bei einer hohen Temperatur von 900 bis 1200ºC für 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; bzw. 600 bis 1000ºC für 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; und den Schritt des Wachsens des Reaktionsprodukts umfaßt.
Teure Whisker werden hauptsächlich mit Hilfe des Gasphasenprozesses hergestellt, der eine hochentwickelte Technologie verlangt. Im Gegensatz dazu kann der bei der vorliegenden Erfindung verwendete Whisker auf einfache Weise entsprechend dem Flüssigphasenverfahren unter Verwendung eines Flußmittels hergestellt werden, und deshalb kann der Whisker kostengünstig geliefert werden.
Ein Mittel zum Herstellen des Verbundwerkstoffs der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das das Mischen eines Aluminiumpulvers oder eines Aluminiumlegierungspulvers mit einem Aluminiumborat-Whisker, das Druckformen der Mischung und das Hartbrennen des geformten Körpers umfaßt.
Beim Ausführen dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Teilchengröße des Aluminiumpulvers oder des Aluminiumlegierungspulvers, das als Matrix benutzt wird, kleiner als 50 um, vorzugsweise kleiner als 20 um, und vom Gesichtspunkt der Sintereigenschaften aus eignet sich ein Pulver, das einen stark verringerten Grad an Oxidation der Oberfläche aufweist.
Typische Beispiele für den Aluminiumborat-Whisker stellen die chemischen Formeln 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; und 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; dar. Vorzugsweise wird ein Aluminiumborat-Whisker verwendet, der keine Anhäufungen wie z.B. Pillbildung (Pillenbildung, Tablettenbildung) aufweist und entwirrt ist.
Der Betrag an Whisker, der dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung hinzugefügt wird, liegt bei 5 bis 40 Volumenprozent. Wenn der Betrag an Whisker zu klein ist, wird kein ausreichender Verstärkungseffekt erzielt, und wenn der Betrag an Whisker zu groß ist, ist die Kompatibilität des Whiskers mit dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung an ihrer Schnittstelle unzureichend und kein zufriedenstellender Verstärkungseffekt kann erreicht werden.
Beim Durchführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die Kompatibilität des Whiskers mit dem Aluminiummetall vorzugsweise durch Verteilen von Lithiumhydroxid auf der Oberfläche des Aluminiumborat-Whiskers gesteigert. Dieses Verteilen kann dadurch erzielt werden, daß der Whisker in eine Lösung eingetaucht wird, die Lithiumhydroxid gelöst darin enthält, und daß der Whisker getrocknet wird.
Eine Mischung, die 5 bis 40 Volumenprozent Aluminiumborat-Whisker enthält, die in dem bzw. der pulverförmigen Aluminium bzw. Aluminiumlegierung dispergiert wird, wird bei einer normalen Temperatur unter Druckeinwirkung von 49-196x10&sup7; Pa (5 bis 20 ton/cm²) druckgeformt, und der gepreßte bzw. geformte Körper (Formkörper) wird bei einer Temperatur von 500 bis 650ºC, vorzugsweise bei 580 bis 630ºC, bei atmosphärischem Druck in einem Inertgas wie z.B. Stickstoff oder Argon, oder in einer reduzierenden Atmosphäre wie z.B. Wasserstoff über einen Zeitraum von 5 Minuten bis 2 Stunden gesintert, um einen geplanten Verbundwerkstoff auf der Basis eines Metalls der Aluminiumart zu erhalten.
Ein einheitliches und homogenes Mischen der Aluminiumborat- Whisker mit dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung wird durch ein trockenes Vermischen nicht in einem ausreichenden Maße erzielt, und es wird vorzugsweise ein nasses Vermischen unter Verwendung eines Lösungsmittels gewählt. Für diesen Zweck wird vorzugsweise ein polares Lösungsmittel verwendet, und am bevorzugtesten wird ein Alkohol verwendet.
Vorbestimmte Beträge des Aluminiumpulvers oder des Aluminiumlegierungspulvers und des Aluminiumborat-Whisker werden dem Lösungsmittel zugesetzt, und sie werden in dem Lösungsmittel durch Bestrahlung mit Ultraschallschwingungen einheitlich dispergiert. Das Verhältnis der Feststoffe zu dem Lösungsmittel wird auf 3 zu 30 Volumenprozent eingestellt. Als das Mittel zum Erhalten einer trockenen Mischung durch Entfernen des Lösungsmittels aus dem erhaltenen Brei kann ein Verfahren, bei dem der Brei sofort einer Saugfiltration unterzogen und der verbleibende Feststoff bzw. Festkörper getrocknet wird, oder ein Verfahren gewählt werden, bei dem der Brei einer Verdampfung bis zur Trockenheit unterzogen wird, während der Dispersionszustand erhalten wird.
Alternativ dazu wird das Aluminiumpulver oder das Aluminiumlegierungspulver mit dem Aluminiumborat-Whisker in der gleichen Art und Weise gemischt, wie dies oben beschrieben worden ist, und das gemischte Pulver wird in eine Form geladen und erhitzt und bei einer Temperatur, die in dem Bereich von 500 bis 650ºC liegt, im Vakuum für die Dauer von 5 Minuten bis zu 2 Stunden bei einer Druckbeaufschlagung von 4,9-49 x10&sup7; Pa (500 bis 5000 kgf/cm²) gesintert, wodurch ein gewünschter Verbundwerkstoff erhalten werden kann.
Alternativ dazu gibt es für den Verbundwerkstoff auf Metallbasis der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren, das das Tränken eines Formkörpers eines Aluminiumborat-Whiskers mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfaßt.
Beim Durchführen dieses Prozesses nach der vorliegenden Erfindung wird ein gepreßter Aluminiumborat-Whisker-Körper, der im voraus in eine geeignete Form gebracht worden ist, mit einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bei einem Druck von 4,9-196x10&sup6; Pa (50 bis 2000 kgf/cm²) in Kontakt gebracht, um einen gewünschten Verbundwerkstoff auf Metallbasis zu erhalten.
Ausführungsbeispiele dieses Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beschrieben.
Als das Aluminium und die Aluminiumlegierung als die Matrix können die Materialien verwendet werden, die herkömmlicherweise als sich verteilende Gießmaterialien verwendet werden. Es werden bevorzugt Aluminiumborat-Whisker benutzt, wie sie oben beschrieben worden sind.
Zur Bildung des geformten Körpers aus dem Whisker wird zuerst ein Brei hergestellt, indem Wasser als Dispergiermittel verwendet wird. Die Whiskerkonzentration in dem Brei wird auf 3 bis 40 Massenanteile eingestellt, und ein organisches Bindemittel und ein inorganisches Bindemittel werden dem Brei jeweils in Mengen von 0,1 bis 20 Massenanteilen bzw. 0,01 bis 5 Massenanteilen, je nach Bindemittel, beigemengt. Der Brei sollte durch mechanisches Rühren oder Bestrahlen mit Ultraschallwellen einheitlich gemacht werden, so daß der Whisker in einzelne Fäden entwirrt wird.
Es werden wasserlösliche oder hydrophile organische und anorganische Bindemittel verwendet. Genauer gesagt werden vorzugsweise ein Alginsäuresalz, Zucker, Molassen, ein Zelluloseether, Polyvinylalkohol, und Carboximethylcellulose als das organische Bindemittel verwendet, und Wasserglas, Silikasol und Aluminiumoxidsol werden bevorzugt als die anorganischen Bindemittel verwendet.
Der vorbereitete Aluminiumborat-Whisker-Brei wird konzentriert, um einen halbtrockenen Zustand zu erzeugen, bei dem der Wassergehalt bei etwa 1 bis etwa 10 % liegt. Die halbtrockene Dispersion wird in eine Form gegeben, die so ausgelegt ist, daß sie eine vorbestimmte Formgebung aufweist, und ein Druckformen wird durchgeführt. Bei diesem Schritt hat das organische Bindemittel die Funktion, die Formbarkeit zu verbessern.
Der geformte Körper wird bei 100 bis 200ºC getrocknet, damit das anorganische Bindemittel geliert, und der Formkörper wird bei 500 bis 1000ºC hartgebrannt, damit die mechanische Festigkeit des Formkörpers auf ein Niveau erhöht wird, das dem Druck, der bei dem Schmelzumformungsschritt ausgeübt wird, widerstehen kann.
Durch diesen Brennvorgang wird das gesamte organische Bindemittel komplett weggebrannt.
Der so hergestellte Formkörper des Whiskers wird in einer Form plaziert, die so ausgelegt ist, daß sie eine vorbestimmte Form aufweist, und ein vorbestimmter Betrag einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wird in die Form gegossen. Von einem sich darüber befindenden Stempel wird eine Verdichtung bewirkt, die dazu führt, daß die Schmelze in Hohlräume in dem Whiskerformkörper eindringt, woraufhin das Abkühlen folgt, wodurch ein gewünschter Verbundwerkstoffkörper erhalten wird.
Der Druck für das Durchdringen der Schmelze beträgt 4,9-196x 10&sup6; Pa (50 bis 2000 kgf/cm²), die Formtemperatur beträgt 200 bis 500ºC, die Schmelztemperatur beträgt 700 bis 900ºC, und die Temperatur des Whiskerformkörpers ist vorzugsweise fast gleich der Schmelztemperatur.
Wenn die Formtemperatur zu hoch ist, wird die Koagulationsgeschwindigkeit der Schmelze niedrig und die Produktivität wird herabgesetzt, obwohl ein Produkt mit besseren Nutzeffekten erzielt werden kann. Wenn im Gegensatz dazu die Formgebungstemperatur niedrig ist, wird die Koagulation des Whiskerformkörpers und der Schmelze zu hoch, und die Durchdringung wird unzureichend. Aus ähnlichen Gründen ist es notwendig, daß der Whiskerformkörper in einem ausreichenden Maße vorgewärmt wird.
Der Aluminiumborat-Whisker weist eine hohe Festigkeit, eine hohe Elastizität und einen hohen Schmelzpunkt auf und enthält in der Verbindung eine große Menge der Aluminiumoxidkomponente. Die chemischen Eigenschaften des Aluminiumborat-Whiskers sind deshalb denen einer Aluminiumoxidfaser ähnlich, und die Affinität mit Aluminium ist gut. Wenn folglich der Aluminiumborat-Whisker mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kombiniert wird, wird das Metall der Aluminiumart innig und einheitlich mit dem Aluminiumborat-Whisker vermischt, und es wird angenommen, daß man aus diesem Grund eine exzellente Festigkeit bei dem Verbundwerkstoffkörper erzielt.
Wenn man den Metallverbundstoffkörper der Aluminiumart der vorliegenden Erfindung mit Hilfe der Röntgenstrahlen-Diffraktometrie oder unter einem Elektronenmikroskop der Abtastart untersucht, wird bestätigt, daß der Aluminiumborat-Whisker mit dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung als der Matrix in keinster Weise reagiert hat. Wenn ein Teststück aus dem Verbundstoffkörper ausgeschnitten wird und die mechanische Festigkeit gemessen wird, wird bestätigt, daß durch den Whisker ein ausreichender Verstärkungseffekt erreicht worden ist. Dadurch ist der Nachweis erbracht, daß die vorliegende Erfindung sehr effektiv ist.
Der Verbundwerkstoff nach der vorliegenden Erfindung kann durch eine Wärmebehandlung, ein Warmstrangpressen unter Verwendung einer Düse oder durch einen spanabhebenden Vorgang zu einem Endprodukt geformt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele genauer beschrieben.

Beispiel 1

In einen Becher wurde Ethylalkohol gegeben, und 3,1 g eines Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 1 um und einer Länge von 10 bis 30 um und 12,2 g eines reinen Aluminiumpulvers mit einer Teilchengröße, die kleiner als 20 um ist (der Gehalt des Whiskers betrug etwa 20 Volumenprozent) wurden in das Becherglas zugegeben. Die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt und wurde dann sofort der Saugfiltration unterzogen. Die Feststoffe wurden getrocknet, um ein Probestück für das Druckformen zu bilden. Das Probestück wurde in eine Form eingebracht, die einen Durchmesser von 20 mm aufwies, und das Probestück wurde bei einem Gesamtdruck von 30 Tonnen gepreßt, während in der Form durch einen Saugvorgang ein Vakuum aufrechterhalten wurde, wodurch ein geformter Körper mit einer Höhe von etwa 10 mm gebildet wurde.
Der Formkörper wurde in ein Aluminiumoxidschiffchen gesetzt und 20 Minuten lang in einer Stickstoffatmosphäre bei 620ºC gelassen, und der Körper wurde über einen Zeitraum von 1 Stunde auf Raumtemperatur abgekühlt. Der so erhaltene hartgebrannte Verbundstoffkörper wurde mit einem Schleifwerkzeug und einer Drehmaschine spanabhebend bearbeitet, um Teststücke für den Zugversuch und die Messung der Härte zu erhalten, und die physikalischen Eigenschaften wurden untersucht. Man hat herausgefunden, daß die Zugfestigkeit 137x10&sup6; Pa (14 kgf/mm²) betrug und die Mikrohärte nach Vickers mit einer Last von 0,2 kg den Wert 75 aufwies.

Vergleichsbeispiel 1

Der hartgebrannte Körper, der in der gleichen Art und Weise wie bei Beispiel 1, aber ohne den Zusatz des Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; hergestellt worden ist, wies eine Zugfestigkeit von 88x10&sup6; Pa (9 kgf/mm²) und eine Mikrohärte nach Vickers von 34 unter einer Last von 0,2 kg auf.

Beispiel 2

Ein Becher wurde mit 0,17 g LiOH 2H&sub2;O und 100 cc Ethylalkohol gefüllt, and eine homogene Lösung wurde hergestellt. Dann wurden ein Whisker aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 1 um und einer Länge von 10 bis 30 um, und 12,2 g reines Aluminiumpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 20 um (der Gehalt des Whiskers lag bei etwa 20 Volumenprozent) der Lösung hinzugefügt, und die Mischung wurde etwa 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt. Der Alkohol wurde mit Hilfe eines Rotationsverdampfers entfernt, um ein Probestück für das Druckformen zu erhalten. Die nachfolgenden Bearbeitungen wurden in der gleichen Art und Weise wie oben bei Beispiel 1 beschrieben durchgeführt. Die Zugfestigkeit des erhaltenen Verbundstoffkörpers betrug 196x10&sup6; Pa (20 kgf/mm²).

Beispiel 3

Ein Verbundstoffkörper wurde in der gleichen Art und Weise wie oben bei Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer daß der Betrag an LiOH 2H&sub2;O auf 0,08 g geändert worden war, der Betrag an 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; auf 1,5 g geändert worden war, und der Betrag des puren Aluminiumpulvers auf 13,8 g geändert worden war (der Betrag des Whiskers lag bei etwa 10 Volumenprozent). Die Zugfestigkeit des Verbundstoffkörpers lag bei 127x10&sup6; Pa (13 kgf/mm²), und die Mikrohärte nach Vickers lag bei einer Last von 0,2 kg bei 55.

Beispiel 4

Ein Verbundstoffkörper wurde in der gleichen Art und Weise wie oben bei Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer daß der Betrag an LiOH 2H&sub2;O auf 0,25 g geändert worden war, der Betrag an 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; auf 4,6 g geändert worden war, und der Betrag des puren Aluminiumpulvers auf 10,7 g geändert worden war (der Betrag des Whiskers lag bei etwa 30 Volumenprozent). Die Zugfestigkeit des Verbundstoffkörpers lag bei 235x10&sup6; Pa (24 kgf/mm²), und die Mikrohärte nach Vickers lag bei einer Last von 0,2 kg bei 110.

Beispiel 5

Ein Becherglas wurde mit 0,10 g LiOH 2H&sub2;O und 100 cc Ethylalkohol gefüllt, und es wurde eine homogene Lösung hergestellt. Dann wurden 3,1 g eines Whiskers aus 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 0,5 um und einer Länge von 5 bis 15 um und 12,2 g eines reinen Aluminiumpulvers mit einer Teilchengröße, die kleiner als 20 um war (der Gehalt des Whiskers lag bei etwa 20 Volumenprozent), der Lösung zugesetzt, und die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt. Der Alkohol wurde mit Hilfe eines Rotationsverdampfers entfernt, um ein Probestück für das Druckformen zu erhalten. Die nachfolgenden Bearbeitungen wurden in der gleichen Art und Weise wie bei Beispiel 1 beschrieben durchgeführt. Die Zugfestigkeit des so erhaltenen Verbundstoffkörpers betrug 176x10&sup6; Pa (18 kgf/mm²).

Beispiel 6

In einen Becher wurden 0,12 g LiOH 2H&sub2;O und 100 cc Ethylalkohol gefüllt, und eine homogene Lösung wurde hergestellt. Dann wurden 3,1 g eines Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 1 um und einer Länge von 10 bis 30 um und 12,2 g eines Al-Si-Mg-Legierungspulvers [ISO: Al-Si7Mg(Fe)) mit einer Teilchengröße, die kleiner als 44 um war (der Gehalt des Whiskers betrug etwa 20 Volumenprozent), der Lösung hinzugefügt. Die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt, und der Alkohol wurde mit Hilfe eines Rotationsverdampfers entfernt, um ein Probestück für das Druckformen zu erhalten.
Das Probestück wurde in eine Form gegeben, die einen Durchmesser von 8 mm aufwies, und wurde bei einem Gesamtdruck von 5 Tonnen verpreßt, während in der Form durch Saugen ein Vakuum geschaffen wurde, um einen Formkörper herzustellen, der eine Höhe von etwa 20 mm aufwies. Der Formkörper wurde in ein Aluminiumoxidschiffchen gesetzt und 60 Minuten lang in einer Wasserstoffatmosphäre auf einer Temperatur von 630ºC gehalten. Über einen Zeitraum von etwa 1 Stunde wurde der Körper auf Raumtemperatur abgekühlt, und die nachfolgenden Behandlungen wurden in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt. Die Zugfestigkeit des erhaltenen Verbundwerkstoffkörpers betrug 274x10&sup6; Pa (28 kgf/mm²). Vergleichsbeispiel 2 Ein Körper, der in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 6 beschrieben, aber ohne Zusatz des Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; hergestellt worden war, wies eine Zugfestigkeit von 176x10&sup6; Pa (18 kgf/mm²) auf.

Beispiel 7

Ein Becherglas wurde mit 200 cc Ethylalkohol gefüllt, und 9,3 g eines Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 1 um und einer Länge von 10 bis 30 um und 36,6 g eines reinen Aluminiumpulvers mit einer Teilchengröße von weniger als 50 um (der Gehalt des Whiskers lag bei etwa 20 Volumenprozent) wurden dem Alkohol beigemengt. Die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt und danach sofort einer Saugfiltration unterzogen. Die Feststoffe wurden getrocknet, um ein Probestück für den Drucksintervorgang zu bilden. Dann wurde das Probestück in eine Form gegeben, die einen Durchmesser von 45 mm aufwies, und bei einem Gesamtdruck von 15 Tonnen gepreßt, während in der Form durch Saugen ein Vakuum erzeugt wurde. Die Form wurde auf 650ºC erhitzt und 20 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, um die Ausgangsmischung zu sintern. Die Form wurde abgekühlt und der Druck wurde auf den atmosphärischen Druck zurückgeführt, und der hartgebrannte Verbundstoffkörper wurde aus der Form genommen und mit Hilfe eines Schleifwerkzeugs und einer Drehmaschine spanabhebend bearbeitet, um Teststücke für den Zugversuch und die Messung der Härte herzustellen. Die physikalischen Eigenschaften der Teststücke wurden untersucht. Man hat herausgefunden, daß die Zugfestigkeit bei 176x10&sup6; Pa (18 kgf/mm²) und die Mikrohärte nach Vickers unter einer Last von 0,2 kg bei 68 lag.

Vergleichsbeispiel 3

Ein hartgebrannter Körper, der in der gleichen Art und Weise wie in Beispiel 7 beschrieben hergestellt wurde, aber ohne daß der Whiskers aus 9Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; zugegeben worden war, wies eine Zugfestigkeit von 88x10&sup6; Pa (9 kgf/mm²) und eine Mikrohärte nach Vickers bei einer Last von 0,2 kg von 38 auf.

Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 4

Ein Verbundwerkstoff wurde in der gleichen Art und Weise wie bei Beispiel 7 beschrieben hergestellt, außer daß ein reines Aluminiumpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 5 um verwendet wurde und der Whisker aus 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; in einem Betrag von 10, 20 bzw. 30 Volumenprozent bezüglich der gesamten Mischung hinzugefügt wurde. Die Zugfestigkeit und die Härte des Teststücks wurden gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.
Beim Vergleichsbeispiel 4 wurden die oben genannten Bearbeitungen in der gleichen Art und Weise durchgeführt, außer daß ein Kaliumhexatitanat-Whisker (TISMO-D, geliefert von Otsuka Kagaku) anstelle des 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3;-Whiskers verwendet wurde. Die Zugfestigkeit des erhaltenen Verbundwerkstoffs wurde gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Volumenverhältnis (%) des Whiskers Beispiel Vergleichsbeispiel Aluminiumborat-Whisker Kaliumhexatitanat-Whisker Zugfestigkeit Mikrohärte nach Vickers Kontrolle

Beispiel 9

Ein Becherglass wurde mit 200 cc Hexan gefüllt, und 9,3 g eines Whiskers aus 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 0,6 um und einer Länge von 10 bis 20 um und 36,6 g eines Aluminium-Magnesium-Legierungspulvers mit einer Teilchengröße von weniger als 50 um (der Gehalt des Whiskers betrug etwa 20 Volumenprozent) wurden in das Becherglass zugefügt. Die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt und danach sofort der Saugfiltration unterzogen, und die erhaltenen Feststoffe wurden getrocknet, um ein Probestück für das Drucksintern herzustellen. Das Probestück wurde in eine Form mit einem Durchmesser von 45 mm plaziert und bei einem Gesamtdruck von 20 Tonnen verpreßt, während in der Form durch Saugen ein Vakuum erzeugt wurde. Die Form wurde auf 620ºC erhitzt und 30 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, um die Ausgangsmaterialmischung zu sintern. Die nachfolgenden Behandlungen wurden in der gleichen Art und Weise durchgeführt, wie dies bei Beispiel 7 beschrieben worden ist, um Teststücke zu erhalten. Beim Messen der physikalischen Eigenschaften hat man festgestellt, daß die Zugfestigkeit 333x10&sup6; Pa (34 kgf/mm²) betrug und die Mikrohärte nach Vickers unter einer Last von 0,2 kg bei 75 lag.

Vergleichsbeispiel 5

Ein in der gleichen Art und Weise wie bei Beispiel 9 beschrieben hergestellter hartgebrannter Körper, aber ohne Zusatz des 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3;-Whiskers, wies eine Zugfestigkeit von 274x10&sup6; Pa (28 kgf/mm²) und eine Mikrohärte nach Vickers unter einer Last von 0,2 kg von 45 auf.

Beispiel 10 und Vergleichsbeispiele 6 bis 9

In 1 l Wasser wurden 1009 eines 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3;-Whiskers mit einem Durchmesser von etwa 1 um und einer Länge von 10 bis 30 um dispergiert, und 5 g Polyvinylalkohol und 4 cc einer 30-prozentigen wässrigen Lösung aus Silikasol wurden der Dispersion hinzugefügt. Die Mischung wurde 20 Minuten lang mit Ultraschallwellen bestrahlt, um einen einheitlich dispergierten Brei zu erhalten.
Der Brei wurde mit Hilfe eines Rotationsverdampfers eingedickt, so daß der Wassergehalt auf etwa 10% reduziert wurde. Das Konzentrat wurde herausgenommen und in eine Polyvinylchlorid-Form gegeben, die eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 10 cm aufwies. Das eingefüllte Konzentrat wurde von einem Kolben aus Polyvinylchlorid komprimiert, so daß die Höhe des Inhalts auf 2 cm reduziert wurde. Der erhaltene Formkörper wurde aus der Form entfernt, bei 150ºC 2 Stunden lang getrocknet und bei 800ºC für die Dauer von 1 Stunde hartgebrannt, um das Silikasol zu gelieren, und um einen Formkörper zu erhalten, bei dem die Volumenfraktion (VF) des Whiskers 20% betrug.
Der sich im hartgebrannten Zustand bef indende, heiße Formkörper wurde in dem zentralen Abschnitt des Bodens einer Form plaziert, die eine zylindrische Form mit einem Innendurchmesser von 12 cm aufwies, die auf einer Temperatur von 300ºC gehalten wurde, und etwa 200 cc eines sich ausbreitenden Aluminiumlegierungsmaterials (ISO: A Mg1SiCu), das bei 800ºC geschmolzen worden war, wurde in die Form gegossen und sofort von einem Kolben gedrückt, der oberhalb der Form angebracht war, um zu bewirken, daß die geschmolzene Aluminiumlegierung in den Formkörper eindrang. Der gewählte Druck lag bei 78x10&sup6; Pa (800 kg/cm²). Da die Durchdringung der Schmelze und die Koagulation der Schmelze in etwa 1 Minute vollständig durchgeführt waren, wurde der geformte Verbundwerkstoff aus der Form entfernt.
Dann wurde der Verbundwerkstoff bei 515 bis 550ºC einem Lösungsglühvorgang unterzogen und danach mit Wasser abgekühlt. Dann wurde der Verbundwerkstoff bei etwa 170ºC über einen Zeitraum von 8 Stunden getempert, und Teststücke (Meßlänge = 50 mm, Parallelabschnittslänge = 60 mm, Durchmesser = 14 mm) wurden aus dem Verbundwerkstoff ausgeschnitten. Die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul wurden gemessen.
Die erzielten Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen ersichtlich wird, wurde die Festigkeit des Aluminiumwhiskers ausreichend manifestiert.
Zum Vergleich dazu wurden gemäß den oben erwähnten Verfahren Verbundwerkstoffe mit einem VF von 20% unter Verwendung einer Aluminiumoxidkurzfaser (ALCEN, geliefert von Denki Kagaku), Kaliumhexatitanat-Whisker (HT-300, geliefert von Titan Kogyo), einem Siliziumkarbid-Whisker (geliefert von Tateho Kagaku Kogyo) und einem Siliziumnitrid-Whisker (geliefert von Tateho Kagaku Kogyo) hergestellt. Die mechanische Festigkeit all dieser Verbundwerkstoffe wurde gemessen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Resultaten ersichtlich wird, war die mechanische Festigkeit jeder der dadurch erhaltenen Verbundwerkstoffe, außer bei dem unter Verwendung des Siliziumkarbid-Whiskers hergestellten Verbundwerkstoff, beträchtlich niedriger als die des unter Verwendung des Aluminiumborat-Whiskers hergestellten Verbundwerkstoffs.
Und übrigens ist der Aluminiumborat-Whisker aufgrund der Tatsache, daß der Siliziumkarbid-Whisker sehr viel teurer als der Aluminiumborat-Whisker ist, als Allzweckmaterial besser geeignet. Tabelle 2 Beispiel Vergleichsbeispiel Nr. Verstärkungsmittel Art 9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3; Aluminiumoxid-Kurzfaser Kaliumhexatitanat-Whisker Siliziumkarbid-Whisker Siliziumnitrid-Whisker Spezif.Gewicht Betrag (g) Zugfestigkeit Pa x 106 (kg/mm²) Elastizitätsmodul Pa x 10&sup9; (ton/mm²)

Beispiel 11

Ein Formkörper mit einem VF-Wert von 20 oder 30 % wurde in der gleichen Art und Weise hergestellt, wie dies bei Beispiel 10 beschrieben worden ist, außer daß ein Whisker aus 2Al&sub2;O&sub3; B&sub2;O&sub3; mit einem Durchmesser von etwa 0,5 um und einer Länge von 10 bis 20 um verwendet, Carboximethylcellulose als das organische Bindemittel zugesetzt und Aluminiumoxidsol als das anorganische Bindemittel zugesetzt wurde. Dann wurde ein Verbundwerkstoff hergestellt, indem dieser Formkörper und ein sich ausbreitendes Aluminiummaterial (150: A Cu&sub4;SiMg) als die Matrixlegierung verwendet wurden, und der Verbundwerkstoff wurde durch Wasserkühlung bei 495 bis 505ºC abgeschreckt. Nach der natürlichen Alterung wurde der Verbundwerkstoff einem Warmstrangpreßvorgang unterzogen, um einen Walzdraht mit einem Durchmesser von 12 mm zu erhalten.
Die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs sind in Tabelle 3 gezeigt. Aus diesen Ergebnissen wird ersichtlich, daß die Festigkeit des erhaltenen Verbundwerkstoffs ausreichend manifestiert wurde. Tabelle 3 Punkte Beispiel Verstärkungsmittel Betrag (g) Zugfestigkeit Pa x 10&sup6; (kg/mm²) Elastizitätsmodul Pa x 10&sup9; (ton/mm²) Art 9Al&sub2;O&sub3; 28&sub2;O&sub3;-Whisker Kontrolle, Whisker nicht zugesetzt

Beispiel 12

Ein Formkörper (VF = 20%) eines Aluminiumborat-Whiskers, der in der gleichen Art und Weise hergestellt wurde, wie dies beim Beispiel 10 beschrieben worden ist, wurde genauso verarbeitet, wie dies bei Beispiel 10 beschrieben worden ist, indem ein Aluminiumgußmaterial (ASTM: 336,0) als die Aluminiumlegierung verwendet wurde, wodurch ein Verbundwerkstoff erhalten worden ist.
Der erhaltene Verbundwerkstoff wurde bei einer Temperatur von etwa 510ºC über einen Zeitraum von 4 Stunden einem Lösungsglühvorgang unterzogen, 10 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 170ºC geglüht, und wurde dann bei einer Temperatur von 25, 200 bzw. 300ºC 100 Stunden lang in Ruhe gelassen, und die Zugfestigkeit wurde bei der gleichen Temperatur wie die Stillstandtemperatur gemessen.

Vergleichsbeispiel 10

Das Aluminiumgußmatertial, das nicht mit dem Whisker verbunden war, wurde bei der oben genannten Temperatur für die oben genannte Dauer in Ruhe gelassen, und die Zugfestigkeit wurde bei der gleichen Temperatur gemessen.
Die erzielten Resulate sind in der Tablelle 4 gezeigt. Aus den Ergebnissen, die in Tabelle 4 gezeigt sind, ist ersichtlich, daß der Verbundwerkstoff, der unter Verwendung des Aluminiumborat-Whiskers als dem Verstärkungsmittel hergestellt worden ist, eine viel höhere Warmfestigkeit aufwies, als dies bei dem nicht verstärkten Material der Fall war, und das bei diesem Beispiel erhaltene Produkt war vor allem zur Verwendung an einer Stelle geeignet, an der das Produkt einer hohen Temperatur ausgesetzt war. Tabelle 4 Beispiel Vergleichsbeispiel Punkte Verstärkungsmittel Zugfestigkeit Gemessene Temperatur (ºC) Gemessener Wert Pa x 10&sup6; (kg/mm²) hinzugefügt nicht hinzugefügt

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Aluminium oder auf der Basis einer Aluminiumlegierung, das folgendes umfaßt: Mischen eines Pulvers aus Aluminium oder eines Pulvers aus einer Aluminiumlegierung mit einem Aluminiumborat-Whisker derart, daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung 5 bis 40 Volumenprozent beträgt, Druckformen und Hartbrennen oder Laden in eine Form und Hartbrennen unter Druckbeanspruchung der Mischung bei einer Temperatur von 500 bis 650ºC, oder Mischen eines Aluminiumborat-Whiskers mit einem Bindemittel, das Wasser enthält, so daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung bei 3 bis 40 Massenanteilen liegt, Pressen, Trocknen und Hartbrennen der Mischung, um einen vorgeformten Körper zu bilden, und Tränken des vorgeformten Körpers aus einem Aluminiumborat-Whisker mit einer Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bei einem Druck von 4,9-196x10&sup6; Pa (50 bis 2000 kgf/cm²), wobei der Aluminiumborat-Whisker einen Durchmesser von 0,5 bis 5 um und eine Länge von 5 bis 200 um aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: das Mischen des Pulvers aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung mit dem Whisker derart, daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung bei 5 bis 40 Volumenprozent liegt, Druckformen und Hartbrennen oder Laden in eine Form und Hartbrennen unter Druckbeanspruchung der Mischung bei einer Temperatur von 500 bis 650ºC.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das folgendes umfaßt: Druckformen der Mischung aus dem Aluminiumpulver oder dem Aluminiumlegierungspulver und dem Aluminiumborat-Whisker bei dem Druck von 49-196x10&sup7; Pa (5 bis 20 ton/cm²), und Hartbrennen der vorgeformten Körpereinheiten in einer inerten oder in einer reduzierenden Atmosphäre a

4. Verfahren nach Anspruch 2, das folgendes umfaßt: das Laden der Mischung aus Aluminiumpulver oder Aluminiumlegierungspulver und dem Aluminiumborat-Whisker in eine Form und Hartbrennen der Mischung bei einer Druckbeanspruchung von 4,9-49 x10&sup7; Pa (500 bis 5000 kgf/cm²).

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgendes umfaßt: Mischen des Whiskers mit einem Bindemittel, das Wasser enthält, so daß der Gehalt des Whiskers in der Mischung bei 3 bis 40 Massenanteilen liegt, Pressen, Trocknen und Hartbrennen der Mischung zur Bildung eines vorgeformten Körpers, und das Tränken des vorgeformten Körpers mit einer Schmelze aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung bei einem Druck von 4,9-196x10&sup6; Pa (50 bis 2000 kgf/cm²).

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Aluminiumborat-Whisker die folgende chemische Formel aufweist:

9Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3;.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Aluminiumborat-Whisker die folgende chemische Formel aufweist:

2Al&sub2;O&sub3; 2B&sub2;O&sub3;.