DE69106504T2

DE69106504T2 - Giessystem für die herstellung von verbundwerkstoffen mit metallmatrix.

Info

Publication number: DE69106504T2
Application number: DE69106504T
Authority: DE
Inventors: Michael Aghajanian; John Crowther; Gregory Hannon; Christopher Kennedy; Ralph Langensiepen; Allyn Mccormick; Michael Rocazella; Robert Wiener
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1990-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2011-05-10
Also published as: JP3022925B2; JPH05507030A; US5119864A; ATE116582T1; EP0527901B1; CA2081554A1; AU656322B2; AU7878991A; EP0527901A1; WO1991017011A1; DE69106504D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung einer Anschnitteinrichtung in Kombination mit verschiedenen Metallinfiltrierungsverfahren, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet werden können. Insbesondere wird eine permeable Masse von Füllstoffmaterial oder eine Vorform durch ein schmelzflüssiges Matrixmetall zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers (beispielsweise spontan, durch Druckinfiltrierung, durch Vakuuminfiltrierung usw.) infiltriert. Beispielsweise stehen bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch ein spontanes Infiltrierungsverfahren ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer sowie eine Infiltrierungsatmosphäre auch in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens, um es dem schmelzflüssigen Matrixmetall zu gestatten, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Außerdem ist eine Anschnitteinrichtung vorgesehen, welche den Flächenkontakt zwischen schmelzflüssigem Matrixmetall und dem Füllstoffmaterial oder der Vorform steuert oder begrenzt. Die Verwendung einer Anschnitteinrichtung sorgt für die Steuerung der Menge an Matrixmetall, die die Vorform oder das Füllstoffmaterial kontaktieren kann. Ein solcher begrenzter oder gesteuerter Flächenkontakt kann zu einem geringeren Bedarf an spanender Bearbeitung eines gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers zur Erzielung eines Körpers mit einer Netto- oder nahezu Nettogestalt im Vergleich zu einem ähnlichen Metallmatrix-Verbundkörper führen, der ohne Anschnitteinrichtung hergestellt wurde. Außerdem verbessert die Verwendung einer Anschnitteinrichtung die Neigung eines gebildeteten Metallmatrix-Verbundkörpers, sich aufgrund des Kontakts zwischen dem gebildeten Verbundkörper und dem Matrixmetallgerippe zu verbiegen. Ein solches Verbiegen kann bei Metallmatrix-Verbundkörpern mit einem großen Oberflächenbereich mit Bezug auf die Querschnittsdicke sehr vorherrschen.

Stand der Technik

Verbundkörperprodukte, die ein Matrixmetall und eine Verstärkungsphase, wie keramische Teilchen, Einkristallfäden, Fasern oder dergleichen, aufweisen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend, da sie etwas von der Steifigkeit und Verschleißbeständigkeit der Verstärkungsphase mit der Verformbarkeit und Zähigkeit der Metallmatrix kombinieren. Im allgemeinen zeigt ein Metallmatrix-Verbundkörper eine Verbesserung solcher Eigenschaften, wie Festigkeit, Steifigkeit, Kontaktverschleißbeständigkeit und Festigkeitsbeibehaltung bei hohen Temperaturen mit Bezug auf das Matrixmetall in monolithischer Form, aber der Grad, zu dem irgendeine gegebene Eigenschaft verbessert werden kann, hängt großenteils ab von den spezifischen Bestandteilen, ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil und wie sie zur Bildung des Verbundkörpers verarbeitet werden. In einigen Fällen kann der Verbundkörper auch ein leichteres Gewicht als das Matrixmetall als solches haben. Aluminiummatrix-Verbundkörper, die mit Keramik verstärkt sind, wie Siliciumcarbid in Teilchen-, Blättchen- oder Einkristallfadenform, sind beispielsweise aufgrund ihrer höheren Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und hohen Temperaturfestigkeit mit Bezug auf Aluminium von Interesse.
Verschiedene metallurgische Verfahren wurden für die Herstellung von Aluminiummatrix-Verbundkörpern, einschließlich Verfahren auf der Grundlage von Pulvermetallurgietechniken und Flüssigmetallinfiltrierungstechniken, beschrieben, die Druckguß-, Vakuumguß-, Rühr- und Benetzungmittel verwenden. Bei Pulvermetallurgietechniken wird das Metall in der Form eines Pulvers und das Verstärkungsmaterial in der Form eines Pulvers, von Einkristallfäden, zerhackten Fasern usw. gemischt und dann entweder kalt gepreßt und gesintert oder heiß gepreßt. Der maximale keramische Volumenanteil bei Aluminiummatrix-Verbundkörpern, die mit Siliciumcarbid verstärkt sind und durch dieses Verfahren hergestellt wurden, beträgt etwa 25 Vol.-% im Fall von Einkristallfäden und etwa 40 Vol.-% im Fall von Teilchen.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch Pulvermetallurgietechniken unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren legt den Charakteristiken der erzielbaren Produkte bestimmte Beschränkungen auf. Der Volumenanteil der keramischen Phase in dem Verbundkörper ist typischerweise in dem Fall von Teilchen auf etwa 40% beschränkt. Der Preßvorgang setzt der erzielbaren praktischen Größe auch eine Grenze. Nur relativ einfache Produktformen sind ohne nachträgliches Bearbeiten (d. h. Formen oder spanendes Bearbeiten) oder ohne auf komplexe Pressen zurückzugreifen möglich. Auch kann ein nicht gleichförmiges Schrumpfen während des Sinterns auftreten sowie auch eine Ungleichmäßigkeit der Mikrostruktur aufgrund der Segregation in den Preßlingen und dem Kornwachstum.
Das US Patent 3 970 136 von J. C. Cannell et al., erteilt am 20. Juli 1976, beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, in dem eine faserförmige Verstärkung enthalten ist, beispielsweise Siliciumcarbid- oder Aluminiumoxideinkristallfäden mit einem vorbestimmten Muster der Faserorientierung. Der Verbundkörper wird hergestellt, indem parallele Matten oder Filze coplanarer Fasern in eine Form mit einem Reservoir von schmelzflüssigem Matrixmetall, beispielsweise Aluminium, zwischen mindestens einige der Matten verbracht werden, und Druck angewendet wird, um das schmelzflüssige Metall zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die orientierten Fasern zu umgeben. Schmelzflüssiges Metall kann auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es unter Druck gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beschickungen von bis zu etwa 50 Vol.- % der Verstärkungsfasern in dem Verbundkörper berichtet.
Das vorstehend beschriebene Infiltrierungsverfahren unterliegt in Anbetracht seiner Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu zwingen, den Launen von druckinduzierten Fließverfahren, d.h. einer möglichen Nichtgleichförmigkeit der Matrixbildung, Porosität usw.. Die Nichtgleichförmigkeit der Eigenschaften ist möglich, selbst wenn schmelzflüssiges Metall an einer Vielzahl von Stellen innerhalb der faserförmigen Anordnung eingeführt werden kann. Folglich müssen komplizierte Matten-/Reservoiranordnungen und Fließwege vorgesehen sein, um eine adäquate und gleichförmige Durchdringung des Stapels von Fasermatten zu erzielen. Das vorstehend erwähnte Druckinfiltrierungsverfahren gestattet auch nur eine relativ geringe Verstärkung mit Bezug auf den zu erzielenden Matrixvolumenanteil, aufgrund der der Infiltrierung eines großen Mattenvolumens innewohnenden Schwierigkeit. Weiterhin sind Formen erforderlich, um das schmelzflüssige Metall unter Druck zu enthalten, was das Verfahren verteuert. Außerdem ist das vorstehende Verfahren, das auf die Infiltrierung ausgerichteter Teilchen oder Fasern beschränkt ist, nicht auf die Bildung von Aluminiummetall-Matrixverbundkörpern gerichtet, die mit Materialien in der Form von zufällig orientierten Teilchen, Einkristallfäden oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von mit Aluminiumoxid gefüllten Aluminiummatrix-Verbundkörpern benetzt Aluminium das Aluminiumoxid nicht leicht, wodurch es schwierig gemacht wird, ein zusammenhängendes Produkt zu bilden. Verschiedene Lösungen dieses Problems wurden vorgeschlagen. Ein solcher Ansatz ist die Beschichtung des Aluminiumoxids mit einem Metall (beispielsweise Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium heiß gepreßt wird. Bei einer anderen Technik wird das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Diese Verbundkörper weisen jedoch Schwankungen in den Eigenschaften auf oder die Überzüge können den Füllstoff verschlechtern oder die Matrix enthält Lithium, welches die Matrixeigenschaften beeinträchtigen kann.
Das US Patent 4 232 091 von R. W. Grimshaw et al. überwindet bestimmte Schwierigkeiten des Stands der Technik, die bei der Herstellung von Aluminiummatrix-Aluminiumoxid-Verbundkörpern auftreten. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drücken von 75 bis 375 kg/cm², um schmelzflüssiges Aluminium (oder schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine faserförmige oder Einkristallfadenmatte von Aluminiumoxid zu zwingen, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt wurde. Das maximale Volumenverhältnis des Aluminiumoxids zum Metall in dem sich ergebenden massiven Gußteil betrug 0,25/1. Aufgrund seiner Abhängigkeit von einer äußeren Kraft zur Bewirkung der Infiltrierung, unterliegt dieses Verfahren vielen der gleichen Nachteile wie das von Cannell et. al.
Die europaische Patentanmeldungsveröffentlichung 115 742 beschreibt die Herstellung von Aluminium-Aluminiumoxid-Verbundkörpern, die insbesondere als elektrolytische Zellbestandteile brauchbar sind, durch Füllen der Leerräume einer vorgeformten Aluminiumoxidmatrix mit schmelzflüssigem Aluminium. Die Anmeldung betont die Nichtbenetzbarkeit von Aluminiumoxid durch Aluminium, und deshalb werden verschiedene Techniken verwendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Das Aluminiumoxid wird beispielsweise mit einem Benetzungsmittel eines Diborids von Titan, Zirconium, Hafnium oder Niobium, oder mit einem Metall, das heißt Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirconium oder Hafnium überzogen. Inerte Atmosphären wie Argon werden verwendet, um die Benetzung zu erleichtern. Diese Druckschrift zeigt auch die Anwendung von Druck, um zu bewirken, daß schmelzflüssiges Aluminium in eine nicht überzogene Matrix eindringt. Bei diesem Aspekt wird die Infiltrierung bewirkt, indem die Poren evakuiert werden und dann Druck auf das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise Argon, angewandt wird. Alternativ kann die Vorform durch Dampfphasen-Aluminiumabscheidung infiltriert werden, um die Oberfläche vor dem Füllen der Leerräume durch Infiltrierung mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um die Beibehaltung des Aluminiums in den Poren der Vorform sicherzustellen, ist eine Wärmebehandlung, beispielsweise bei 1400 bis 1800ºC entweder in einem Vakuum oder in Argon erforderlich. Sonst würde entweder die Aussetzung des druckinfiltrierten Materials an Gas oder die Entfernung des Infiltrierungdrucks den Verlust von Aluminium aus dem Körper verursachen.
Die Verwendung von Benetzungsmitteln zur Bewirkung der Infiltrierung einer Aluminiumoxidkomponente in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung 94 353 gezeigt. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle mit einem Kathodenstromzuführer als Zellauskleidung oder - substrat. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug einer Mischung eines Benetzungsmittels und eines Löslichkeitssuppressors auf das Aluminiumoxidsubstrat vor der Anlaufperiode der Zelle aufgetragen oder während sie in dem durch das elektrolytische Verfahren hergestellten, schmelzflüssigen Aluminium eingetaucht ist. Die offenbarten Benetzungsmittel sind Titan, Zirconium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niobium oder Calcium, und Titan wird als bevorzugtes Mittel genannt. Verbindungen von Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als nützlich bei der Unterdrückung der Löslichkeit der Benetzungsmittel in schmelzflüssigem Aluminium beschrieben. Die Druckschrift schlägt jedoch nicht die Herstellung von Matrixmetall-Verbundkörpern vor und schlägt auch nicht die Bildung eines solchen Verbundkörpers in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre vor.
Zusätzlich zu der Anwendung von Druck und der Verwendung von Benetzungsmitteln wurde offenbart, daß ein angewandtes Vakuum bei dem Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen, keramischen Preßling hilft. Das US Patent 3 718 441 von R. L. Landingham, erteilt am 27. Februar 1973, berichtet beispielsweise über die Infiltrierung eines keramischen Preßlings (beispielsweise Borcarbid, Aluminiumoxid und Berylliumoxid) mit entweder schmelzflüssigem Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom unter einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin; &sup6; Torr führte zu einer schlechten Benetzung der Keramik durch das schmelzflüssige Metall in dem Ausmaß, daß das Metall nicht frei in die Keramikleerräume floß. Es wurde jedoch gesagt, daß die Benetzung verbessert war, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr verringert wurde.
Das US Patent 3 864 154 von G.E. Gazza et al., erteilt am 4. Februar 1975, zeigt auch die Verwendung von Vakuum, um die Infiltrierung zu erzielen. Dieses Patent beschreibt das Beschicken eines kaltgepreßten Preßlings aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett von kaltgepreßtem Aluminiumpulver. Zusätzliches Aluminium wurde dann auf den AlB&sub1;&sub2;-Pulverpreßling gelegt. Der Schmelztiegel, der mit dem AlB&sub1;&sub2;-Preßling, sandwichartig zwischen den Schichten von Aluminiumpulver angeordnet, beschickt war, wurde in einen Vakuumofen verbracht. Der Ofen wurde auf etwa 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um das Ausgasen zu gestatten. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und während eines Zeitraums von 3 Stunden beibehalten. Unter diesen Bedingungen drang das schmelzflüssige Aluminium in den porösen AlB&sub1;&sub2;-Preßling ein.
Das US Patent 3 364 976 von John N. Reding et al., erteilt am 23. Januar 1968, offenbart das Konzept der Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung des Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper. Spezifisch wird offenbart, daß ein Körper, beispielsweise eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses, feuerfestes Material, vollständig in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. In dem Fall einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem mit dem Metall reaktionsfähigen Gas gefüllt ist, mit dem sich außen befindenden, schmelzflüssigen Metall durch mindestens eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird, tritt ein Füllen des Hohlraums auf, während das selbsterzeugte Vakuum aus der Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall erzeugt wird. Insbesondere ist das Vakuum ein Ergebnis der Bildung einer festen, oxidierten Form des Metalls. So offenbaren Reding et al., daß es wesentlich ist, eine Reaktion zwischen dem Gas in dem Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall herbeizuführen. Die Verwendung einer Form zur Schaffung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der inhärenten Beschränkungen unerwünscht sein, die mit der Verwendung einer Form verbunden sind. Formen müssen zuerst spanend zu einer bestimmten Form bearbeitet werden, dann müssen sie endbearbeitet werden, spanend bearbeitet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form herzustellen, dann müssen sie vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden, dann müssen sie nach ihrer Verwendung auseinandergebaut werden, um das gegossene Stück daraus zu entfernen und dann muß die Form zurückgewonnen werden, was höchstwahrscheinlich ein Nachbearbeiten der Oberflächen der Form oder ein Wegwerfen der Form, falls sie nicht länger zur Verwendung annehmbar ist, umfaßt. Die spannende Bearbeitung einer Form zu einer komplexen Gestalt kann sehr kostspielig und zeitraubend sein. Außerdem kann das Entfernen eines geformten Stücks aus einer komplex geformten Form auch schwierig sein (d.h. gegossene Stücke mit einer komplexen Gestalt können brechen, wenn sie aus der Form entfernt werden). Während es einen Vorschlag gibt, daß ein poröses, feuerfestes Material direkt in einem schmelzflüssigen Metall ohne die Notwendigkeit einer Form eingetaucht werden kann, müßte das feuerfeste Material ein einstückiges Stück sein, weil es keine Vorkehrung zur Infiltrierung eines losen oder getrennten porösen Materials gibt, falls keine Behälterform verwendet wird (d.h. es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material sich typischerweise dissoziiert oder voneinander wegschwimmt, wenn es in ein schmelzflüssiges Metall verbracht wird). Falls es erwünscht ist, ein teilchenförmiges Material oder eine lose geformte Vorform zu infiltrieren, müßten außerdem Vorkehrungen getroffen werden, so daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Teile des teilchenförmigen Materials oder der Vorform verschiebt, was zu einer nicht homogenen Mikrostruktur führt.
Entsprechend bestand seit langem ein Bedarf nach einem einfachen und zuverlässigen Verfahren zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper, welches sich nicht auf die Verwendung von angewandtem Druck oder Vakuum (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen) oder beschädigende Benetzungsmittel zur Schaffung einer Metallmatrix verläßt, in der ein weiteres Material, wie ein keramisches Material, eingebettet ist. Außerdem besteht seit langem ein Bedarf zur Minimierung der Anzahl an abschließenden spanenden Bearbeitungsvorgängen, die notwendig sind, um einen Metallmatrix-Verbundkörper herzustellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Bedürfnisse, indem sie einen Mechanismus zur Infiltrierung eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall (beispielsweise Aluminium) unter Verwendung einer Anschnitteinrichtung vorsieht, welche für die Steuerung der Menge des Matrixmetalls sorgt, das das Füllstoffmaterial oder die Vorform kontaktieren kann, was dazu führt, daß weniger spanende Bearbeitung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers notwendig ist, um einen Körper mit einer Netto- oder nahezu Nettogestalt zu erzielen im Vergleich zu einem Metallmatrix-Verbundkörper, der ohne die Verwendung einer Anschnitteinrichtung hergestellt worden ist.

Beschreibung der sich im gemeinsamen Besitz befindenden US Patente und Patentanmeldungen

Diese Anmeldung ist eine continuation-in-part-Anmeldung der US Patentanmeldung Serial No. 07/521 196, eingereicht am 9. Mai 1990, die eine continuation-in-part des US Patents 5 007 474 ist, das am 16. April 1991 im Namen von Ralph Alfred Langensiepen et al. erteilt wurde und den Titel "Method of Providing a Gating Means, and Products Produced Thereby" hat.
Der Gegenstand dieser Anmeldung bezieht sich auf den Gegenstand von verschiedenen anderen, gleichzeitig anhängigen und sich im gemeinsamen Besitz befindenden Patentanmeldungen. Insbesondere beschreiben die Patente und andere gleichzeitig anhängige Patentanmeldungen neue Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpermaterialien (nachstehend manchmal als "sich im gemeinsamen Besitz befindende Metallmatrix- Patente und -Patentanmeldungen" bezeichnet).
Ein neues Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpermaterials ist in dem sich im gemeinsamen Besitz befindenden US Patent 4 828 008, das auf den Namen von White et al. am 9. Mai 1989 erteilt wurde und den Titel "Metal Matrix Composites" trägt und das im EPA am 17. November 1988 als Veröffentlichung Nr. 0 291 441 veröffentlicht wurde, offenbart. Gemäß dem Verfahren der Erfindung von White et al. wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch Infiltrieren einer permeablen Masse des Füllstoffmaterials (beispielsweise einer Keramik oder eines mit Keramik überzogenen Materials) hergestellt, wobei das schmelzflüssige Aluminium mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium, enthält. Die Infiltrierung erfolgt spontan ohne die Anwendung von äußerem Druck oder Vakuum. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metall-Legierung wird mit der Masse des Füllstoffmaterials bei einer Temperatur von mindestens etwa 675ºC in Anwesenheit eines Gases in Berührung gebracht, das etwa 10 bis 100 Vol.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-%, Stickstoff enthält, und ein Rest des Gases, falls vorhanden, ein nichtoxidierendes Gas ist, beispielsweise Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse unter normalen Atmosphärendrücken zur Bildung eines Aluminium-(oder Aluminiumlegierungs-)Matrix-Verbundkörpers. Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials mit der schmelzflüssigen Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise reicht der Vorrat von zugeführter schmelzflüssiger Legierung aus, um zu gestatten, daß die Infiltrierung im wesentlichen zu den Grenzen der Masse des Füllstoffmaterials fortschreitet. Die Menge des Füllstoffmaterials in den gemäß der Erfindung von White et al. hergestellten Aluminiummatrix- Verbundkörpern kann äußerst hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Verfahrensbedingungen der vorstehenden Erfindung von White et al. kann sich Aluminiumnitrid als diskontinuierliche Phase, die in der gesamten Aluminiummatrix dispergiert ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann in Abhängigkeit von solchen Faktoren, wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial, variieren. So ist es durch Steuerung von einem oder mehreren dieser Faktoren in dem System möglich, bestimmte Eigenschaften des Verbundkörpers maßzuschneidern. Für einige Endverbrauchsanwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß der Verbundkörper wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltrierung begünstigen, aber das Verfahren der Nitridbildung gegenüber geneigter machen. Die Erfindung von White et al. gestattet die Wahl eines Gleichgewichts zwischen der Infiltrierungskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für geeignete Sperrschichten zur Verwendung mit der Metallmatrix-Verbundkörperbildung ist in dem sich im gemeinsamen Besitz befindenden US Patent 4 935 055, erteilt am 19. Juni 1990, aus der US Patentanmeldung, Serial No. 07/141 642, eingereicht am 7. Januar 1988, im Namen von Michael K. Aghajanian et al. mit dem Titel "Method of Making Metal Matrix Composite with the Use of a Barrier" und veröffentlicht im EPA am 12. Juli 1989 als Veröffentlichungsnummer 0 323 945 beschrieben. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung von Aghajanian et al.wird eine Sperrschicht (beispielsweise teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie ein flexibles Graphitbandprodukt, vertrieben von Union Carbide unter dem Handelsnamen Grafoil ) auf einer definierten Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials angeordnet, und eine Matrix-Legierung infiltriert bis zu der durch die Sperrschicht definierten Grenze. Die Sperrschicht wird verwendet, um die Infiltrierung der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch Netto- oder nahezu Nettoformen in dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper geschaffen werden. Entsprechend haben die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form, die im wesentlichen der inneren Form der Sperrschicht entspricht.
Das Verfahren des US Patents 4 828 008 wurde durch die sich im gemeinsamen Besitz befindende europäische Patentveröffentlichung 0 333 629 verbessert, die am 20. September 1989 veröffentlicht wurde. In Übereinstimmung mit den Verfahren, die in dieser europäischen Patentanmeldung offenbart sind, ist eine Matrixmetall-Legierung als erste Quelle des Metalls und als Reservoir der Matrixmetall-Legierung vorhanden, das mit der ersten Quelle des schmelzflüssigen Metalls aufgrund von beispielsweise Schwerkraftfluß in Verbindung steht. Insbesondere unter den in dieser europäischen Patentanmeldung beschriebenen Bedingungen beginnt die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse des Füllstoffmaterials unter normalen atmosphärischen Drücken zu infiltrieren und beginnt so die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers. Die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixmetall-Legierung wird während ihrer Infiltrierung in die Masse des Füllstoffmaterials verbraucht und kann, falls gewünscht, vorzugsweise durch eine kontinuierliche Einrichtung aus dem Reservoir des schmelzflüssigen Matrixmetalls nachgefüllt werden, während sich die spontane Infiltrierung fortsetzt. Wenn eine gewünschte Menge des permeablen Füllstoffs spontan durch die schmelzflüssige Matrix-Legierung infiltriert wurde, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es ist zu beachten, daß die Verwendung eines Reservoirs von Metall einfach eine Ausführungsform der in dieser europäischen Patentanmeldung beschriebenen Erfindung ist, und es nicht notwendig ist, die Reservoirausführungsform mit jeder der alternativen Ausführungsformen der Erfindung, die dort offenbart sind, zu kombinieren, von denen einige auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise verwendet werden können.
Das Reservoir des Metalls kann in einer solchen Menge vorhanden sein, daß es für eine ausreichende Menge an Metall sorgt, um die permeable Masse des Füllstoffmaterials in einem vorbestimmten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann eine wahlweise Sperrschicht die permeable Masse des Füllstoffs auf mindestens einer Seite davon kontaktieren, um eine Oberflächengrenze zu definieren.
Außerdem könnte, während die Zuführung der zugeführten schmelzflüssigen Matrixlegierung mindestens ausreichend sein sollte, um es der spontanen Infiltrierung zu gestatten, im wesentlichen zu den Grenzen (beispielsweise den Sperrschichten) der permeablen Masse des Füllstoffmaterials fortzuschreiten, die Menge der in dem Reservoir vorhandenen Legierung eine solche ausreichende Menge übersteigen, so daß es nicht nur eine ausreichende Menge an Legierung für die vollständige Infiltrierung gibt, sondern die überschüssige schmelzflüssige Metall-Legierung verbleiben und an dem Metallmatrix-Verbundkörper (beispielsweise einem Makroverbundkörper) anhaften könnte. So ist, falls eine überschüssige schmelzflüssige Legierung vorliegt, der sich ergebende Körper ein komplexer Verbundkörper (beispielsweise ein Makroverbundkörper), wobei ein infiltrierter keramischer Körper mit einer darin enthaltenen Metallmatrix direkt an das überschüssige Metall, das in dem Reservoir verbleibt, gebunden wird.
Weitere Verbesserungen in der Metallmatrixtechnologie sind in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung 0 375 588 zu finden, die am 27. Juni 1990 veröffentlicht wurde. Gemäß dieser europäischen Patentanmeldung wird die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in eine permeable Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch die Verwendung eines Infiltrationsverstärkers und/oder eines Infiltrationsverstärkervorläufers und/oder einer Infiltrierungsatmosphäre erreicht, die mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung stehen, was es gestattet, daß schmelzflüssiges Matrixmetall das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert.
Die Anmeldung offenbart eine Reihe von Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären- Systemen, die eine spontane Infiltrierung aufweisen. Insbesondere offenbart die Anmeldung, daß ein spontanes Infiltrierungsverhalten in dem Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System, dem Aluminium-/Strontium-/Stickstoffsystem, dem Aluminium-/Zink-/Sauerstoffsystem und dem Aluminium-/Calcium- /Stickstoffsystem beobachtet wurde. Es ist jedoch aufgrund der in der Anmeldung dargelegten Offenbarung klar, daß das spontane Infiltrationsverhalten in anderen Matrixmetall- /Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären- Systemen auftreten sollte.
Jede der vorstehend erörterten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patente und -patentanmeldungen beschreibt Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern und neue Metallmatrix-Verbundkörper, die daraus hergestellt sind. Die gesamten Offenbarungen aller vorstehend erwähnten, sich im gemeinsamen Besitz befindenden Metallmatrix-Patente und -patentanmeldungen sind ausdrücklich in dieser Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wird durch die Infiltrierung einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder einer Vorform mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall hergestellt. Die Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform kann mittels jeder herkömmlichen Flüssigmetallinfiltrierungstechnik zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern (beispielsweise Druckinfiltrierung, Vakuuminfiltrierung usw.) oder bei einer bevorzugten Ausführungsform durch die spontane Infiltrierung eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform in Gegenwart eines Infiltrationsverstärkers oder irgendeiner Kombination dieser Metallmatrix-Verbundkörperherstellungstechniken durchgeführt werden. Vor einer solchen Infiltrierung wird eine Anschnitteinrichtung zwischen das schmelzflüssige Matrixmetall und das zu infiltrierende Füllstoffmaterial oder die zu infiltrierende Vorform angeordnet. Die Anschnitteinrichtung wirkt, um den Flächenkontakt zwischen dem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem permeablen Füllstoffmaterial oder der Vorform zu steuern. Eine solche Steuerung kann verwendet werden, um schmelzflüssiges Matrixmetall bevorzugten Bereichen einer Vorform oder eines Füllstoffmaterials zuzuführen und/oder kann das Verbiegen einer Vorform oder eines Füllstoffmaterials verbessern, indem sie den Kontakt zwischen der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und dem Matrixmetallgerippe verringert, und/oder kann die Eigenschaften des sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörpers verbessern, indem ein zu opfernder Bereich geschaffen wird, (i) damit eine Richtungsverfestigung auftritt und (ii) wo eine Wärmeausdehnungsdiskrepanz isoliert werden kann, und/oder kann die Menge an spanender Oberflächenbearbeitung verringern oder unnötig machen, die erforderlich ist, um einen Metallmatrix-Verbundkörper mit Netto- oder nahezu Nettogestalt herzustellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Metallmatrix-Verbundkörper durch spontane Infiltrierung gebildet wird, stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder eine Infiltrierungsatmosphäre mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung, was es gestattet, daß das schmelzflüssige Matrixmetall das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre zugeführt werden. Auf jeden Fall sollte schließlich mindestens während der spontanen Infiltrierung ein Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform angeordnet sein.
Falls eine Anschnitteinrichtung zwischen mindestens einem Teil eines schmelzflüssigen Matrixmetalls und einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform angeordnet ist, kann ein verbesserter Metallmatrix-Verbundkörper erzielt werden. Geeignete Anschnitteinrichtungen umfassen Materialien, die dem schmelzflüssiges Matrixmetall gegenüber unter den Verfahrensbedingungen permeabel oder impermeabel sein können und/oder die das Entfernen eines Gerippes des Matrixmetalls erleichtern können, das in Berührung mit dem infiltrierten Füllstoffmaterial oder der infiltrierten Vorform nach Beendigung der spontanen Infiltrierung verbleibt. Ein Beispiel einer geeigneten Anschnitteinrichtung zur Verwendung bei einem Aluminiummatrixmetall ist ein Graphitmaterial, das dem Matrixmetall gegenüber im wesentlichen impermeabel ist, wie ein Graphitbandprodukt, das eine einzige Öffnung oder eine Vielzahl von Öffnungen oder Durchlässen enthält. Ein weiteres Beispiel einer geeigneten Anschnitteinrichtung zur Verwendung bei einem Aluminiummatrixmetall ist ein Graphitring oder -rohr oder eine Vielzahl von Graphitringen oder -rohren, die auch im wesentlichen dem Matrixmetall gegenüber impermeabel sind, aber die den Durchtritt des schmelzflüssigen Matrixmetalls dahindurch gestatten. Der (die) Ring(e) oder das (die) Rohr(e) sind typischerweise von einem Material (beispielsweise einem teilchenförmigen Material) wie teilchenförmigem Aluminiumoxid, das unter den Material), wie teilchenförmigem Aluminiumoxid, umgeben, das unter den Verfahrensbedingungen nicht spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall infiltriert wird. Entsprechend beschränkt die Kombination von Graphitrohr(en) oder -ring(en) mit einem Umgebungsmaterial, das nicht spontan infiltriert wird, den Flächenkontakt zwischen dem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem Füllstoffmaterial oder der Vorform auf nur den Durchgang innerhalb des (der) Graphitrings (Graphitringe) oder des (der) Graphitrohrs (Graphitrohre). Die Anzahl von Löchern oder Durchgängen, die Größe der Löcher und Durchgänge und die Form der Löcher und Durchgänge usw. kann auf irgendeine geeignete Weise gesteuert werden, um einen verstärkten Metallmatrix-Verbundkörper zu erzielen. Außerdem kann der Graphitring oder das Graphitrohr von irgendeiner gewünschten Querschnittsgeometrie (beispielsweise kreisförmig, eiförmig, vieleckig usw.) und/oder jeder gewünschten vertikalen Geometrie (beispielsweise gerade, verjüngt usw.) sein. Außerdem kann der Graphitring oder das Graphitrohr eine ausreichende Länge aufweisen so daß er (es) als Speiser funktioniert. Insbesondere ist es ein erstes Ziel des Rings oder Rohrs, daß er (es) als Durchlaß funktioniert, welcher die Verbindung zwischen einer Quelle des Matrixmetalls und einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform gestattet. Das zweite Ziel des Speisers ist es, als zu opfernder Bereich zu wirken, an dem Richtungsverfestigungsleerstellen oder Porosität konzentriert werden können. Weiterhin ist es ein drittes Ziel des Speisers, jegliche Wärmespannungen zu verbessern, die zwischen dem Matrixmetall und der Vorform vorhanden sein können und die zu einer Rißbildung in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper führen könnten. Insbesondere können Wärmespannungen durch die Anordnung von mindestens etwas Füllstoffmaterial innerhalb des Speiserhohlraums verbessert werden. Jegliche gebildeten Wärmespannungen können dann näher an der Grenzfläche zwischen dem Matrixmetall und dem Speiser statt in der Nähe des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers und dem Speiser konzentriert werden. Das Füllstoffmaterial, das sich innerhalb des Speiserhohlraums befinden kann, kann ein Material mit einer Zusammensetzung umfassen, die die gleiche ist wie die Zusammensetzung der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform oder kann von dieser verschieden sein. Außerdem kann sich das sich innerhalb des Speiserhohlraums befindende Füllstoffmaterial sich beispielsweise in der Zusammensetzung, Größe, dem Volumenprozent usw. von einem Teil des Speiserhohlraums zu einem anderen Teil des Speiserhohlraums unterscheiden.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten impermeablen Anschnitteinrichtung für ein Aluminiummatrixmetall ist eine Anschnitteinrichtung, die beispielsweise eine kolloidale Graphitschicht oder eine Schicht aus teilchenförmigem Aluminiumoxid umfaßt, die so (beispielsweise durch Sprühen usw.) aufgebracht werden kann, daß sie der Infiltrierung durch schmelzflüssiges Aluminiummatrixmetall gegenüber impermeabel ist, aber die Kanäle oder Durchlässe dahindurch enthält, die es dem schmelzflüssigen Matrixmetall gestatten, durch die Anschnitteinrichtung zu fließen und das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu kontaktieren. Beispielsweise kann die impermeable Anschnitteinrichtung auf einer Oberfläche eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform vorgesehen werden, indem zuerst ein Masken- oder Mustermaterial vorgesehen wird, um die Anordnung der Anschnitteinrichtung auf der Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu steuern, um beispielsweise einen Kanal oder ein Loch oder eine Vielzahl von Kanälen und Löchern in der Anschnitteinrichtung zu schaffen. Das Anschnitteinrichtungsmaterial kann dann auf die Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform in einer Dicke aufgesprüht, tauchbeschichtet, siebgedruckt, aufgestrichen usw. werden, die ausreicht, um die Anschnitteinrichtung dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber impermeabel zu machen. Beim Entfernen des Masken- oder Mustermaterials ist eine Anschnitteinrichtungsschicht mit einem Loch oder Kanal oder einer Vielzahl von Löchern oder Kanälen darin auf der Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung könnte ein Trennmittel wie eine relativ dünne Metallplatte, die eine Zusammensetzung haben könnte, die der der Zusammensetzung des Matrixmetalls im wesentlichen ähnlich oder von dieser unterschiedlich ist, an einer Stelle angeordnet werden, die einer der Öffnungen (d.h. der Öffnung, die sich in der Nähe des Matrixmetalls befindet oder der Öffnung, die sich in der Nähe des Füllstoffmaterials oder der Vorform befindet) der Anschnitteinrichtung entspricht. Das Trennmittel sollte imstande sein, mindestens teilweise dem Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls gegenüber bei einer Temperatur, die im wesentlichen der Schmelztemperatur des Matrixmetalls gleich ist (beispielsweise innerhalb von etwa ± 100ºC) permeabel zu sein. Das Trennmittel erleichtert den spontanen Infiltrierungsprozeß.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Anschnitteinrichtung, die mindestens teilweise dem Matrixmetall gegenüber permeabel ist, vorgesehen sein. Eine solche permeable Anschnitteinrichtung kann beispielsweise ein im wesentlichen dreidimensional untereinander verbundenes poröses Material aufweisen. Ein solches poröses Material kann aus einem Vorläufer eines porösen Materials gebildet werden. Beispiele geeigneter Materialien zur Verwendung als permeable Anschnitteinrichtung, die mindestens teilweise einem Aluminiummatrixmetall gegenüber permeabel sind, umfassen kolloidales Graphit (beispielsweise DAG 154, erhältlich von Acheson Colloids) und teilchenförmiges Aluminiumoxid (beispielsweise A-1000 Aluminiumoxid, erhältlich von Alcoa Industries Chemical Division, Bauxite, AR), das auf die Oberfläche eines Füllstoffmaterials oder eine Vorform, beispielsweise durch Sprühen, Tauchen, Siebdruck, Aufstreichen usw. aufgetragen werden kann. Ohne daß gewünscht wird durch irgendeine bestimmte Erklärungstheorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß das poröse Material (1) eine Vielzahl von Mikrokanälen, die den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls durch das poröse Material gestatten und/oder (2) eine Reaktionsschicht, die unter den Verfahrenbedingungen ausgebildet wird (beispielsweise ausgebildet bei der Reaktion eines Vorläufers für ein poröses Material mit mindestens dem Matrixmetall und/oder Füllstoffmaterial oder Vorform und/oder Infiltrationsverstärker und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrierungsatmosphäre) umfassen kann, wobei die Reaktionsschicht eine Vielzahl von Mikrokanälen aufweist, die den Transport von schmelzflüssigem Matrixmetall durch das poröse Material gestattet und so das Auftreten der Infiltrierung des Füllstoffmaterials durch das schmelzflüssige Matrixmetall gestattet. Außerdem kann sich ein Infiltrationsverstärkervorläufer oder ein Infiltrationsverstärker an der Grenzfläche zwischen dem Matrixmetall und dem porösen Material befinden, um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu verstärken. Außerdem kann es möglich sein, die Zusammensetzung des porösen Materials bei Kontakt mit schmelzflüssigem Matrixmetall zu modifizieren, während das Matrixmetall durch die Mikrokanäle innerhalb des porösen Materials fließt. Es wird angenommen, daß bei Verfestigung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers und des Gerippes des Matrixmetalls alle Spannungen die zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls existieren und/oder die zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls gebildet werden können (beispielsweise Scherspannung, Zugspannung usw. aufgrund von beispielsweise einer Diskrepanz der Wärmeausdehnungskoeffizienten (C.T.E) zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls, Spannungen, die während der Richtungsverfestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers und dem Gerippe des Matrixmetalls geschaffen werden usw.) die Trennung des Metallmatrix- Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls erleichtern kann. Außerdem wird weiterhin angenommen, daß jegliche Reaktionsschicht, die unter den Verfahrensbedingungen gebildet werden kann, ein Material umfassen kann, das schwach ist (beispielsweise eine Bruchfestigkeit besitzt, die geringer ist als die Bruchfestigkeit des Metallmatrix- Verbundkörpers oder des Metallmatrixgerippes) mit Bezug auf den Metallmatrix-Verbundkörper oder das Gerippe des Matrixmetalls, wodurch die Trennung des Metallmatrix- Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls erleichtert wird.
Die Dicke der permeablen Anschnitteinrichtung, die erforderlich ist, um die Trennung des Metallmatrix-Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls zu erzielen, kann in Abhängigkeit von beispielsweise der Menge und/oder Zusammensetzung und/oder Geometrie des Matrixmetalls und/oder Füllstoffmaterials oder Vorform und/oder Anschnitteinrichtung usw., die verwendet werden, den verwendeten Reaktionsbedingungen (beispielsweise Zeit, Temperatur usw.), dem (den) verwendeten Verfahren zur Aufbringung der Anschnitteinrichtung auf das Füllstoffmaterial oder die Vorform usw. variieren. Falls beispielsweise die Anschnitteinrichtungsschicht nicht auf dem Füllstoffmaterial oder der Vorform in einer ausreichenden Menge vorhanden ist (beispielsweise die Anschnitteinrichtung zu dünn ist), kann die Anschnitteinrichtung an dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper nach Auftreten der Infiltrierung haften bleiben. Außerdem kann, falls eine überschüssige Menge der Anschnitteinrichtung auf dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vorgesehen wird (beispielsweise die Anschnitteinrichtung zu dick ist), das Matrixmetall nicht imstande sein, die Anschnitteinrichtung zu permeieren, wodurch die Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall gehindert oder verhindert wird. Außerdem kann die bevorzugte Aufbringung der permeablen Anschnitteinrichtung auf die Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform (beispielsweise variierende Dicke, variierende Zusammensetzung usw.) die Trennung weiter verbessern. So wird angenommen, ohne daß der Wunsch besteht, durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden zu sein, daß eine permeable Anschnitteinrichtung, die ein porösen Material (das aus dem Vorläufers eines porösen Materials hergestellt sein kann) aufweist, verwendet werden kann, um den Flächenkontakt eines schmelzflüssigen Matrixmetalls und eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform zu steuern und die Trennung in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren, einschließlich der, aber nicht beschränkt auf die Menge und/oder Zusammensetzung und/oder Geometrie des Matrixmetalls und/oder Füllstoffmaterials oder Vorform und/oder Anschnitteinrichtung, die verwendet werden, den angewandten Reaktionsbedingungen, dem Verfahren des Aufbringens und/oder der Dicke der Anschnitteinrichtung, den zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls bei der Verfestigung vorhandenen Spannungen und des Vorhandenseins einer Reaktionsschicht in dem porösen Material.
Es ist festzustellen, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch eine spontane Infiltrierungstechnik, diese Anmeldung hauptsächlich Aluminiumatrixmetalle erörtert, die zu irgendeinem Zeitpunkt während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers mit Magnesium kontaktiert werden, der als Infiltrationsverstärkervorläufer dient, in Anwesenheit von Stickstoff, das als Infiltrierungsatmosphäre wirkt. So zeigt das Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-System von Aluminium/Magnesium/Stickstoff eine spontane Infiltrierung. Eine geeignete Anschnitteinrichtung zur Verwendung bei diesem System umfaßt ein Graphitmaterial wie ein Graphitbandprodukt, vertrieben von Union Carbide unter dem Warenzeichen GRAFOIL . Jedoch können andere Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systeme auch ähnlich wie das Aluminium-/Magnesium- /Stickstoff-System wirken. Beispielsweise wurde ein ähnliches spontanes Infiltrierungsverhalten bei dem Aluminium- /Strontium-/Stickstoff-System, dem Aluminium-/Zink-/Sauerstoff-System und dem Aluminium-/Calcium-/Stickstoff-System beobachtet. Entsprechend ist zu beachten, daß, obgleich das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System hier hauptsächlich erörtert wird, sich andere Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systeme ähnlich verhalten können und von der Erfindung umfaßt werden sollen. Eine geeignete Anschnitteinrichtung kann zur Verwendung bei jedem der anderen spontanen Infiltrierungssysteme gewählt werden.
Wenn das Matrixmetall eine Aluminiumlegierung umfaßt, wird die Aluminiumlegierung mit einer Vorform, die ein Füllstoffmaterial (beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid) aufweist und/oder einer Masse eines Füllstoffmaterials, in geeigneter Weise kontaktiert, wobei der Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform Magnesium beigemischt und/oder diesem zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens ausgesetzt wird. Außerdem sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Aluminiumlegierung und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial mindestens während eines Teils des Verfahrens in einer Stickstoffatmosphäre enthalten. Die Vorform wird spontan infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und die Bildung der Metallmatrix variieren mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich beispielsweise der Konzentration des dem System zugeführten Magnesiums (beispielsweise in der Aluminiumlegierung und/oder in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder in der Infiltrierungsatmosphäre), der Größe und/oder Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial, der Konzentration von Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung erlaubten Zeit und/oder der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Die spontane Infiltrierung tritt typischerweise in einem Ausmaß auf, das ausreichend ist, um im wesentlichen die Vorform oder das Füllstoffmaterial vollständig einzubetten.

Definitionen

"Aluminium", wie hier verwendet, bedeutet und umfaßt im wesentlichen reines Metall (beispielsweise ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Qualitäten von Metall und Metall-Legierungen, wie die im Handel erhältlichen Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, wie beispielsweise Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink usw. darin. Für die Zwecke dieser Definition ist eine Aluminiumlegierung eine Legierung oder eine intermetallische Verbindung, bei der Aluminium der Hauptbestandteil ist.
"Nichtoxidierendes Restgas", wie hier verwendet, bedeutet, daß irgendein Gas, das zusätzlich zu dem Hauptgas vorhanden ist, das die infiltrierende Atmosphäre umfaßt, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das mit dem Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen im wesentlichen nicht reaktionsfähig ist. Jegliches oxidierende Gas, das als eine Unreinheit in dem verwendeten Gas (den verwendeten Gasen) vorhanden sein kann, sollte nicht ausreichen, um das Matrixmetall in irgendeinem wesentlichen Ausmaß unter den Verfahrensbedingungen zu oxidieren.
"Sperrschicht", wie hier verwendet, bedeutet jegliches geeignete Mittel, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen von schmelzflüssigem Matrixmetall über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse von Füllstoffmaterial oder Vorform stört, hemmt, verhindert oder beendet, wo eine solche Oberflächengrenze von der Sperrschicht definiert ist. Geeignete Sperrschichten können irgendein Material, irgendeine Verbindung, irgendein Element, irgendeine Zusammensetzung oder dergleichen sein, die unter den Verfahrensbedingungen eine gewisse Integrität beibehalten und im wesentlichen nicht flüchtig sind (d.h. das Sperrschichtmaterial verflüchtigt sich nicht in einem solchen Ausmaß, daß es als Sperrschicht unbrauchbar gemacht wird).
Außerdem umfassen geeignete "Sperrschichten" Materialien, die im wesentlichen durch das wandernde, schmelzflüssige, Matrixmetall unter den verwendeten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint im wesentlichen wenig oder keine Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetall aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze der Masse des Füllstoffmaterials oder Vorform wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches endgültige spanende Bearbeiten oder Schleifen, das erforderlich sein kann, und definiert mindestens einen Teil der Oberfläche des sich ergebenden Matrixmetall-Verbundkörperprodukts. Die Sperrschicht kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder beispielsweise durch Bohren von Löchern oder Durchbohren der Sperrschicht permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu kommen.
"Gerippe" oder "Matrixmetallgerippe", wie hier verwendet, bezieht sich auf irgendeinen ursprünglichen Körper des Matrixmetalls, der verbleibt und der während der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht wurde, und typischerweise einen, der, falls er kühlen gelassen wird, zumindest teilweise in Berührung mit dem gebildeten Metallmatrix- Verbundkörper verbleibt. Es ist zu beachten, daß das Gerippe auch ein zweites oder Fremdmetall darin enthalten kann.
"Füllstoff", wie hier verwendet, soll entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen bedeuten, die im wesentlichen nicht reaktionsfähig mit und/oder von begrenzter Löslichkeit in dem Matrixmetall sind und Einzelphasen oder Mehrphasen sein können. Füllstoffe können in einer großen Vielfalt von Formen, wie Pulver, Flocken, Blättchen, Mikrokügelchen, Einkristallfäden, Blasen, Fasern, teilchenförmiges Material, Fasermatten, zerkleinerten Fasern, Kugeln, Pellets, Röhrchen, feuerfestem Tuch usw. vorgesehen sein und können entweder dicht oder porös sein. "Füllstoff" kann auch keramische Füllstoffe wie Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid als Fasern, zerkleinerte Fasern, Teilchen, Einkristallfäden, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen umfassen und keramikbeschichtete Füllstoffe wie Kohlenstoff-Fasern, beschichtet mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, um den Kohlenstoff vor einem Angriff beispielsweise durch ein schmelzflüssiges Aluminiummatrixmetall zu schützen. Füllstoffe können auch Metalle umfassen.
"Anschnitteinrichtung", wie hier verwendet, bedeutet jegliches Material oder jegliche Kombination von Materialien, das bzw. die unter den Verfahrensbedingungen eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist: (1) dem schmelzflüssiges Matrixmetall gegenüber mit Bezug auf das zu infiltrierende Füllstoffmaterial oder die zu infiltrierende Vorform permeabel oder im wesentlichen impermeabael ist; (2) die Festigkeit der Bindung und/oder die Menge an Bindung zwischen dem Matrixmetallgerippe und dem infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörper verringert, wodurch (i) die Menge an Beanspruchung (beispielsweise Verbiegen), verbessert wird, die auf den Metallmatrix-Verbundkörper durch das Matrixmetallgerippe aufgrund von unterschiedlicher Kühlungsschrumpfung zwischen dem Gerippe des Matrixmetalls und dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper übertragen wird und/oder (ii) die Menge an spanender Bearbeitung verringert, die bei einer Oberfläche eines sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörpers aufgrund von verringertem Flächenkontakt zwischen dem Gerippe des Matrixmetalls und dem sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörper und/oder aufgrund von verringertem Flächenkontakt zwischen dem Matrixmetall und der zu infiltrierenden Vorform oder dem zu infiltrierenden Füllstoffmaterial während des Auftretens der Infiltrierung erforderlich ist.
"Infiltrierungsatmosphäre", wie hier verwendet, bedeutet diejenige Atmosphäre, die vorhanden ist und die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung steht, und die die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls gestattet oder verbessert.
"Infiltrationsverstärker", wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltrierung eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder dabei hilft. Ein Infiltrationsverstärker kann beispielsweise aus (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärkervorläufers und des Füllstoffmaterials oder der Vorform gebildet sein. Außerdem kann der Infiltrationsverstärker direkt zu mindestens der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden und kann in im wesentlichen der gleichen Weise wie ein Infiltrationsverstärker wirken, der als Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer anderen Spezies gebildet wurde. Schließlich sollte der Infiltrationsverstärker zumindest während der spontanen Infiltrierung sich in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform befinden, um eine spontane Infiltrierung zu erzielen, und der Infiltrationsverstärker kann mindestens teilweise durch das Matrixmetall reduzierbar sein.
"Infiltrationsverstärkervorläufer" oder "Vorläufer für den Infiltrationsverstärker" bedeutet, wie hier verwendet, ein Material, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrierungsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall dazu verleitet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren, oder dem Matrixmetall dabei hilft. Ohne durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden sein zu wollen, scheint es, daß es für den Vorläufer für den Infiltrationsverstärker notwendig sein kann, daß er imstande ist, an eine Stelle positioniert, angeordnet oder zu einer Stelle transportiert zu werden, die es dem Infiltrationsverstärkervorläufer gestattet, mit der Infiltrierungsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu stehen. Beispielsweise ist es bei einigen Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer- /Infiltrierungsatmosphären-Systemen wünschenswert, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer sich bei, in der Nähe von oder in einigen Fällen sogar etwas oberhalb der Temperatur verflüchtigt, bei der das Matrixmetall schmelzflüssig wird. Eine solche Verflüchtigung kann zu folgendem führen: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung einer gasförmigen Spezies, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verbessert und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers mit der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, was die Benetzung verbessert und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärkervorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die einen festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform bildet, was die Benetzung verbessert.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetall-Legierung", wie hier verwendet, bedeutet das Metall, das verwendet wird zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers (beispielsweise vor der Infiltrierung) und/oder das Metall, das zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers mit einem Füllstoffmaterial gemischt wird (beispielsweise nach der Infiltrierung). Wenn ein spezifisches Metall als Matrixmetall erwähnt wird, ist zu verstehen, daß ein solches Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, ein im Handel erhältliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen darin, eine intermetallische Verbindung oder eine Legierung, bei der das Metall der Haupt- oder ein vorherrschender Bestandteil ist, umfaßt.
"Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-System" oder "spontanes System", wie hier verwendet, bezieht sich auf die Kombination von Materialien, die eine spontane Metallinfiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigen. Es ist zu beachten, daß, immer wenn ein "/" zwischen einem beispielhaften Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einer Infiltrierungsatmosphäre erscheint, das "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu bezeichnen, das bzw. die, auf eine besondere Art kombiniert, eine spontane Infiltrierung in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial zeigt.
"Metallmatrix-Verbundkörper" oder "MMC", wie hier verwendet, bedeutet ein Material, das eine zwei- oder dreidimensional miteinander verbundene Legierung oder Matrixmetall umfaßt, in der bzw. dem eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet ist. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente umfassen, um die spezifisch gewünschten, mechanischen und physikalischen Eigenschaften in dem sich ergebenden Verbundkörper zu liefern.
Ein von dem Matrixmetall "unterschiedliches" Metall bedeutet ein Metall, das als einen Hauptbestandteil nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall enthält (beispielsweise falls der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, könnte das "unterschiedliche" Metall einen Hauptbestandteil aus beispielsweise Nickel aufweisen).
"Nicht reaktives Gefäß zur Unterbringung von Matrixmetall" bedeutet irgendein Gefäß, in dem ein schmelzflüssiges Matrixmetall und/oder ein Füllstoffmaterial (oder eine Vorform) unter den Verfahrensbedingungen aufgenommen werden kann oder das diese enthalten kann, und mit der Matrix und/der der Infiltrierungsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial (oder der Vorform) nicht in einer Weise reagiert, die für den spontanen Infiltrierungmechanismus sehr schädlich wäre.
"Vorform" oder "permeable Vorform", wie hier verwendet, bedeutet eine poröse Masse von Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die mit mindestens einer Oberflächengrenze hergestellt ist, die im wesentlichen eine Grenze für die Infiltrierung des Matrixmetalls definiert, wobei eine solche Masse eine ausreichende Formintegrität und Grünfestigkeit beibehält, um eine Abmessungsbeständigkeit vor der Infiltrierung durch das Matrixmetall zu liefern. Die Masse sollte ausreichend porös sein, um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls dort hinein aufzunehmen. Eine Vorform umfaßt typischerweise eine gebundene Anordnung des Füllstoffs, entweder homogen oder heterogen, und kann aus irgendeinem geeigneten Material (beispielsweise Keramik- und/oder Metallteilchen, Pulvern, Fasern, Einkristallfäden usw. und irgendeiner Kombination davon) bestehen. Eine Vorform kann entweder einzeln oder als Zusammenstellung existent sein.
"Reservoir", wie hier verwendet, bedeutet einen eigenständigen Körper aus Matrixmetall, der mit Bezug auf eine Masse Füllstoff oder eine Vorform so angeordnet ist, daß das Metall, wenn es geschmolzen ist, fließen kann, um den Teil, das Segment oder die Quelle des Matrixmetalls, die in Berührung mit dem Füllstoff oder der Vorform steht, nachzufüllen oder in einigen Fällen anfänglich vorzusehen und anschließend nachzufüllen. Das Reservoir kann auch mindestens etwas Metall zuführen, das von dem Matrixmetall unterschiedlich ist.
"Speiser", wie hier verwendet, bedeutet sowohl eine Komponente der Anschnitteinrichtung und eine Anschnitteinrichtung an sich, welche die Trennung zwischen einem Metallmatrix-Verbundkörper und dem restlichen Matrixmetall verbessert. Der Speiser ist dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber im wesentlichen impermeabel und enthält mindestens einen Durchlaß, der den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls durch das Speisermaterial gestattet. Der Speiser kann beispielsweise eine Ring- oder eine Rohr- oder irgendeine andere zylindrische Konfiguration oder eine andere Konfiguration aufweisen, die den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls dort hindurch gestattet.
"Spontane Infiltrierung", wie hier verwendet, bedeutet, daß die Infiltrierung des Matrixmetalls in die permeable Masse des Füllstoffs oder der Vorform ohne das Erfordernis der Anwendung von Druck oder Vakuum stattfindet (gleichgültig, ob von außen aufgebracht oder innen geschaffen).

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die folgenden Fig. sind vorgesehen, um bei dem Verständnis der Erfindung zu helfen, aber sie sollten den Umfang der Erfindung nicht einschränken. Gleiche Bezugszeichen wurden, wo immer möglich, in jeder der Fig. verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen, wobei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 1 verwendet werden,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 2 verwendet werden,
Fig. 3 eine Photographie, die sowohl die infiltrierte Vorform als auch das Gerippe des Matrixmetalls gemäß Beispiel 1 zeigt,
Fig. 4 eine Photographie, die sowohl die infiltrierte Vorform als auch das Gerippe des Matrixmetalls gemäß Beispiel 2 zeigt,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 3 verwendet werden,
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 4 verwendet werden,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 7 verwendet werden,
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 8 verwendet werden,
Fig. 9 eine Photographie mit einer 0,3-fachen Vergrößerung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der in Beispiel 9, Probe A hergestellt wurde, die die Oberfläche des Körpers bei Kontaktierung mit einer Anschnitteinrichtung zeigt,
Fig. 10 eine Photographie mit einer 0,3-fachen Vergrößerung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, der in Beispiel 9, Probe B hergestellt wurde, die die Oberfläche zeigt, die ein schmelzflüssiges Matrixmetall kontaktiert hat (ohne die Verwendung einer Anschnitteinrichtung), und
Fig. 11 einen schematischen Querschnitt durch einen Aufbau der Materialien, die zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 10 verwendet werden.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugte Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch die Verwendung einer Anschnitteinrichtung zur Steuerung oder Regelung der spontanen Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform. Die Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform kann durch irgendeine herkömmliche Flüssigmetallinfiltrierungstechnik zur Herstellung von Metallmatrixverbundkörpern (beispielsweise Druckinfiltrierung, Vakuuminfiltrierung usw.) oder bei einer bevorzugten Ausführungsform durch spontane Infiltrierung eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform in Gegenwart eines Infiltrationsverstärkers oder irgendeiner Kombination dieser Metallmatrix- Verbundkörperherstellungstechniken durchgeführt werden. Insbesondere wird bei der bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch spontane Infiltrierung schmelzflüssiges Matrixmetall dazu veranlaßt, ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform nach dem Hindurchfließen durch eine Anschnitteinrichtung zu infiltrieren. Die Anschnitteinrichtung umfaßt jegliches Material, das zwischen dem schmelzflüssigen Matrixmetall und einem permeablen Füllstoffmaterial oder einer Vorform angeordnet werden kann und das das schmelzflüssige Matrixmetall veranlassen kann, vorzugsweise das Füllstoffmaterial oder die Vorform durch mindestens einen in der Anschnitteinrichtung gebildeten Durchlaß zu infiltrieren. So wirkt die Anschnitteinrichtung zur Steuerung des Flächenkontakts zwischen dem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem permeablen Füllstoffmaterial oder der Vorform.
Eine solche Steuerung kann dazu verwendet werden, schmelzflüssiges Matrixmetall bevorzugten Bereichen einer Vorform oder eines Füllstoffmaterials zuzuführen und/oder kann das Verbiegen einer Vorform oder eines Füllstoffmaterials durch Verringerung des Kontakts zwischen der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und dem Matrixmetallgerippe verbessern, und/oder kann die Eigenschaften des sich ergebenden Metallmatrix-Verbundkörpers verbessern, indem sie einen zu opfernden Bereich (i) für das Auftreten der Richtungsverfestigung schafft und (ii) wo die Wärmeausdehnungsdiskrepanz isoliert werden kann und/oder kann die Menge an spanender Oberflächenbearbeitung verringern oder eliminieren, die erforderlich ist, um einen Metallmatrix-Verbundkörper einer Netto- oder nahezu Nettogestalt herzustellen. Geeignete Anschnitteinrichtungen umfassen Materialien, die typischerweise dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber unter den Verfahrensbedingungen permeabel oder impermeabel sind und/oder die die Entfernung eines Gerippes des Matrixmetalls erleichtern können, das in Berührung mit dem infiltrierten Füllstoffmaterial oder der infiltrierten Vorform nach Beendigung der spontanen Infiltrierung verbleibt.
Der Durchlaß bzw. die Durchlässe, der bzw. die in der Anschnitteinrichtung (nachstehend detaillierter erörtert) vorgesehen ist bzw. sind, kann bzw. können irgendeine geeignete Anzahl umfassen und von irgendeiner geeigneten Konfiguration sein. Die Anschnitteinrichtung kann beispielsweise einen einzelnen Durchlaß oder eine Vielzahl von gleichmäßig oder zufällig beabstandeten Durchlässen vorsehen oder eine Vielzahl von Durchlässen vorsehen, die in bevorzugter Weise beabstandet sind, um die Bildung einer gewünschten Metallmatrix-Verbundkörperkonfiguration zu fördern. Die Anschnitteinrichtung sollte imstande sein, (1) jegliche Kühlungsbeanspruchungen, die zwischen dem Gerippe des Matrixmetalls und dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper bestehen, zu absorbieren und/oder (2) die Festigkeit der Bindung zu verringern und/oder die Menge an Haftung zwischen dem Matrixmetallgerippe und dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper zu verringern. Weiterhin kann die Anschnitteinrichtung, indem der Durchlaß bzw. die Durchlässe in geeigneter Weise in der Anschnitteinrichtung angeordnet werden, verwendet werden, um jegliches ungleichmäßige Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform auszugleichen. Nach ordnungsgemäßer Auswahl, Konstruktion und Anordnung der Anschnitteinrichtung, kann die permeable Vorform oder das Füllstoffmaterials durch schmelzflüssiges Matrixmetall infiltriert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Metallmatrix-Verbundkörper durch spontane Infiltrierung hergestellt wird, stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder eine Infiltrierungsatmosphäre mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform mindestens während irgendeines Zeitpunkts des Verfahrens in Verbindung, was es gestattet, daß schmelzflüssiges Matrixmetall das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan infiltriert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Infiltrationsverstärker mindestens der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre zugeführt werden. Auf jeden Fall sollte schließlich mindestens während der spontanen Infiltrierung, ein Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform angeordnet sein.
Eine Anschnitteinrichtung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung kann eine Schicht eines Materials, beispielsweise eines Graphitmaterials oder eines Aluminiumoxidmaterials, das im wesentlichen dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber impermeabel ist (d.h. die schmelzflüssige Matrix infiltriert die Schicht des Materials unter den Verfahrensbedingungen nicht) oder die mindestens teilweise permeabel ist und die mindestens einen Durchlaß dort hindurch enthält, der es dem schmelzflüssigen Matrixmetall gestattet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform vorzugsweise zu infiltrieren. Die Anschnitteinrichtung kann beispielsweise die Form eines Blatts, einer aus einzelnen Teilchen bestehenden Schicht, einer Aufschlämmung oder Paste oder eines Überzugs haben, die auf das Füllstoffmaterial oder die Vorform beispielsweise durch Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Aufstreichen usw. aufgetragen werden kann oder irgendeine andere Form oder Kombination von Formen haben, die die Stelle(n) reguliert oder steuert, an denen die Infiltrierung des schmelzflüssigen Materials in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform stattfinden kann. Ein Beispiel einer geeigneten Anschnitteinrichtung zur Verwendung mit einem Aluminiummatrixmetall ist ein Graphitmaterial, das dem Matrixmetall gegenüber im wesentlichen impermeabel ist, wie ein Graphitbandprodukt, das ein einziges Loch oder eine Vielzahl von Löchern oder Durchlässen dort hindurch aufweist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Anschnitteinrichtung ein Graphitbandprodukt, vertrieben unter dem Namen GRAFOIL , eingetragen für Union Carbide, das darin mindestens einen Durchlaß aufweist, der den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls vorzugsweise dort hindurch gestattet. Bei Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das schmelzflüssige Matrixmetall, ist der hergestellte Metallmatrix-Verbundkörper an dem restlichen Matrixmetall nur an dem Durchlaß (den Durchlässen) innerhalb der Anschnitteinrichtung verbunden. Die Trennung des hergestellten Metallmatrix-Verbundkörpers von dem restlichen Matrixmetall wird erleichtert, wodurch der Bedarf nach zeitraubenden und/oder teuerer spanender Bearbeitung des Metallmatrix-Verbundkörpers zur Entfernung von überschüssigem Matrixmetall auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Anschnitteinrichtung ein Material oder eine Kombination von Materialien umfassen, das bzw. die die Trennung zwischen einem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper und dem restlichen Matrixmetall verbessert. Beispielsweise kann die Anschnitteinrichtung mindestens einen Speiser umfassen, beispielsweise einen Ring oder ein Rohr aus Material, das dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber unter den Verfahrensbedingungen im wesentlichen impermeabel ist und das mindestens einen Durchlaß zwischen dem schmelzflüssigen Matrixmetall und dem Füllstoffmaterial oder der Vorform schafft. Ein Beispiel einer geeigneten Anschnitteinrichtung zur Verwendung mit einem Aluminiummatrixmetall ist ein Graphitring oder -rohr oder eine Vielzahl von Graphitringen oder -rohren, die dem Matrixmetall gegenüber im wesentlichen impermeabel sind, aber den Durchlaß von schmelzflüssigen Matrixmetall dort hindurch gestattet. Die Anschnitteinrichtung befindet sich zwischen einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform und einer Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetalls, indem mindestens ein Speiser angeordnet wird, so daß ein Durchlaß zwischen dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und der Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetalls geschaffen wird. Maßnahmen müssen ergriffen werden, um sicherzustellen, daß es dem Matrixmetall nicht gestattet wird, in irgendeinen verbleibenden Raum zwischen der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und der Quelle des Matrixmetalls zu fließen. Beispielsweise könnte der verbleibende Raum mit einem Pulver oder einem teilchenförmigen Material wie einem teilchenförmigen Aluminiumoxid gefüllt werden, das durch das schmelzflüssige Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar ist. Alternativ könnte der Kontaktbereich zwischen der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und der Anschnitteinrichtung in geeigneter Weise abgedichtet sein, um zu verhindern, daß schmelzflüssiges Matrixmetall die Vorform oder das Füllstoffmaterial an irgendeiner anderen Stelle als der Anschnitteinrichtung kontaktiert. So infiltriert schmelzflüssiges Matrixmetall vorzugsweise spontan unter den Verfahrensbedingungen das Füllstoffmaterial oder die Vorform durch den Durchlaß bzw. die Durchlässe, die durch den bzw. die Speiser in der Anschnitteinrichtung gebildet sind. Die Anzahl der Löcher oder Durchlässe, die Größe der Löcher und Durchlässe und die Form der Löcher und Durchlässe usw. kann auf irgendeine geeignete Weise gesteuert werden, um einen verbesserten Metallmatrix-Verbundkörper zu erzielen. Bei Verwendung eines Graphitrings oder -rohrs kann der Graphitring oder das Graphitrohr von jeder gewünschten Querschnittsgeometrie (beispielsweise kreisförmig, eiförmig, vieleckig usw.) und/oder jeder gewünschten vertikalen Geometrie (beispielsweise gerade, verjüngt, usw. sein). Außerdem kann der Graphitring oder das Graphitrohr eine ausreichende Länge aufweisen, so daß er bzw. es als Speiser wirken kann. Insbesondere ist es ein erstes Ziel des Rings oder Rohrs, daß er bzw. es als Durchlaß wirkt, der eine Verbindung zwischen einer Quelle des Matrixmetalls und einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform gestattet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Anschnitteinrichtung mindestens einen Speiser aufweisen, der beispielsweise einen Graphitring oder ein Graphitrohr aufweist, welcher die Quelle des Matrixmetalls und die Vorform oder das Füllstoffmaterial räumlich trennt. Ein teilchenförmiges Material, das beispielsweise ein teilchenförmiges Aluminiumoxidmaterial, das durch das schmelzflüssige Matrixmetall unter den Verfahrensbedingungen nicht benetzbar ist, umfaßt, wird dann in dem offenen Raum angeordnet, der zwischen der Quelle des Matrixmetalls und der Vorform oder dem Füllstoffmaterial besteht, wodurch der Speiser im wesentlichen vollständig umgeben wird. Bei Infiltrierung des Füllstoffmaterial oder der Vorform durch das schmelzflüssige Matrixmetall, wird das nicht infiltrierte Pulver oder das nicht infiltrierte teilchenförmige Material der Anschnitteinrichtung typischerweise leicht durch ein nur minimales mechanisches Schütteln (beispielsweise durch Ausgießen) entfernt, wodurch so der bzw. die Speiserbereich(e) der Anschnitteinrichtung als der bzw. die einzige(n) Verbindungspunkt(e) zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem restlichen Matrixmetall belassen werden. So kann nach Beendigung der Infiltrierung der Speiserbereich leicht mit minimaler spanender Bearbeitung (beispielsweise Schneiden oder Zerlegen des Speisers mit einer Säge usw.) entfernt werden.
Um die mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Metallmatrix-Verbundkörper weiter zu verbessern, kann eine Richtungsverfestigung des gebildeteten Metallmatrix-Verbundkörpers bewirkt werden. Schrumpfleerräume können beispielsweise durch Verwendung der in der sich im gemeinsamen Besitz befindenden europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung 0 368 785, veröffentlicht am 16. Mai 1990, erörterten Richtungsverfestigungstechniken, im wesentlichen eliminiert werden. Beispielsweise können durch das Anordnen eines gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers, der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurde, auf eine Abschreckplatte (beispielsweise eine wassergekühlte Aluminiumabschreckplatte) Verfestigungsporosität und/oder Sprünge in dem Verbundkörper verringert oder im wesentlichen eliminiert werden. Außerdem kann auf der Oberseite des restlichen Matrixmetalls ein heißes Oberschichtmaterial vorgesehen werden, um die Richtungsverfestigung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers zu fördern, und so weiter die Verfestigungsfehler in dem Verbundkörper zu verringern oder auszuschalten.
Ein zweites Ziel des Speisers ist die Schaffung eines zu opfernden Bereichs, an dem Richtungsverfestigungs-Leerräume oder Porosität konzentriert werden können. Das restliche Matrixmetall innerhalb des Speisers der Anschnitteinrichtung kann als zu opfernder Bereich verwendet werden, um die Eigenschaften des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers weiter zu verbessern. Insbesondere kann nach Auftreten der Infiltrierung die Richtungsverfestigung des gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers durchgeführt werden und jegliche Verfestigungsporosität, die sich typischerweise bildet, kann im wesentlichen aus dem Verbundkörper eliminiert werden, indem bewirkt wird, daß sich eine solche Porosität im wesentlichen vollständig auf den Speiser der Anschnitteinrichtung und/oder das Gerippe des Matrixmetalls konzentriert. Der restliches Matrixmetall enthaltende Speiser kann dann leicht von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper entfernt werden.
Der Speiser kann auch gestaltet sein, um andere Fehler, die in dem Metallmatrix-Verbundkörper vorhanden sein oder geschaffen werden können, zu verbessern, was ein drittes Ziel des Speisers ist. Beispielsweise kann sich der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers (d.h. Matrixmetall plus Füllstoff) von dem CTE des restlichen Matrixmetalls (d.h. nur Matrixmetall) unterscheiden. So können durch Verwendung des Speisers zur Trennung des Matrixmetalls von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper Risse, die sich in dem Verbundkörper während des Aufheizens und/oder Abkühlens bilden können, im wesentlichen verringert oder eliminiert werden. Außerdem kann die Verwendung eines Speisers allein alle Sprünge oder Risse in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper nicht vollständig verbessern. Dementsprechend kann es notwendig sein, innerhalb des Speisers der Anschnitteinrichtung vor dem Infiltrieren des Füllstoffmaterials oder der Vorform mit schmelzflüssigem Matrixmetall ein Füllstoffmaterial zu verwenden. Die Verwendung eines Füllstoffmaterials in dem Speiser bewegt den Punkt der CTE- Diskrepanz wirksam weg von der Oberfläche des Metallmatrix- Verbundkörpers und in den zu opfernden Metallmatrixbereich (d.h. den Bereich des Speisers, bei dem Füllstoffmaterial durch das Matrixmetall infiltriert wird) innerhalb des Speisers hinein. Die zu opfernde Metallmatrix innerhalb des Speisers kann dann (beispielsweise durch spanende Bearbeitung) von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper ohne das Auftreten irgendwelcher Fehler in dem gebildeten Verbundkörper entfernt werden. In Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis kann das innerhalb des zu opfernden Bereichs vorgesehene Füllstoffmaterial die gleiche Größe und/oder Form und/oder Füllstoffbeschickung und/oder Zusammensetzung wie oder eine unterschiedliche Größe und/oder Form und/oder Füllstoffbeschickung und/oder Zusammensetzung als der Füllstoff in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper aufweisen. Indem beispielsweise ein Füllstoffmaterial innerhalb des zu opfernden Bereichs vorgesehen wird, das größer ist als der Füllstoff in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper, wird der Strom des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform während der Infiltrierung nicht wesentlich verringert.
Ein weiteres Beispiel einer geeigneten, impermeablen Anschnitteinrichtung für ein Aluminiummatrixmetall ist eine Anschnitteinrichtung die beispielsweise eine kolloidale Graphitschicht oder eine teilchenförmige Aluminiumoxidschicht aufweist, die so aufgetragen werden kann (beispielsweise durch Sprühen usw.), daß sie der Infiltrierung durch schmelzflüssiges Aluminiummatrixmetall gegenüber impermeabel ist, aber Kanäle oder Durchlässe enthält, die es dem schmelzflüssigen Matrixmetall gestatten, durch die Anschnitteinrichtung zu fließen und das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu kontaktieren. Beispielsweise kann die impermeable Anschnitteinrichtung auf der Oberfläche eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform vorgesehen werden, indem zuerst ein Masken- oder Mustermaterial zu Steuerung der Anordnung der Anschnitteinrichtung auf der Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorgesehen wird, um beispielsweise einen Kanal oder ein Loch oder eine Vielzahl von Kanälen oder Löchern in der Anschnitteinrichtung zu schaffen. Die Anschnitteinrichtung kann dann auf die Oberfläche des Füllstoffmaterial oder der Vorform aufgesprüht, tauchbeschichtet, siebgedruckt, aufgestrichen usw. mit einer ausreichenden Dicke sein, um die Anschnitteinrichtung dem schmelzflüssigen Matrixmetall gegenüber impermeabel zu machen. Bei Entfernen des Masken- oder Mustermaterials, ist eine Anschnitteinrichtungsschicht mit einem Loch oder Kanal oder einer Vielzahl von Löchern und Kanälen darin auf der Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Trennmittel, beispielsweise eine Metallfolie oder ein reduzierbares Oxid, Nitrid usw. auf mindestens einem Teil einer Grenzfläche zwischen beispielsweise dem Matrixmetall und der Anschnitteinrichtung oder der Anschnitteinrichtung und dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper vorgesehen sein, um die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch das erfindungsgemäße Verfahren zu verbessern. Das Trennmittel kann verwendet werden, um die Trennung des gebildeten Körpers und des restlichen Matrixmetalls durch Umsetzung beispielsweise mit dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre zur Bildung eines Reaktionsprodukts (beispielsweise einer intermetallischen Verbindung, eines Nitrids usw.) zu erleichtern, das beispielsweise Sprödigkeit oder CTE-Diskrepanz aufweisen kann. Beispielsweise umfaßt für ein Aluminiummatrixmetall ein geeignetes Trennmittel eine Aluminiummetallfolie, welche bei Kontakt mit einer Infiltrierungsatmosphäre aus Stickstoff Aluminiumnitrid bildet, das spröder ist als das Matrixmetall, wodurch das Trennen von beispielsweise dem Metallmatrix-Verbundkörper von dem Matrixmetall erleichtert wird. Die Zusammensetzung des Trennmittels kann im wesentlichen die gleiche sein wie die Zusammensetzung des Matrixmetalls oder sich von dieser unterscheiden, und das Trennmittel kann fest oder perforiert sein. Außerdem stört das Trennmittel den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform nicht wesentlich. Das Trennmittel ist beispielsweise typischerweise dem Strom des schmelzflüssigen Matrixmetalls gegenüber nicht impermeabel. Weiterhin wird angenommen, daß das Trennmittel die Bildung der Metallmatrix-Verbundkörper fördern kann, indem verhindert wird, daß Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker bei Verdampfen, wenn Verdampfen angewandt wird, aus dem Reaktionssystem entweicht, wodurch das Auftragen des Infiltrationsverstärkers auf das Füllstoffmaterial erleichtert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Anschnitteinrichtung, die dem Matrixmetall gegenüber mindestens teilweise permeabel ist, vorgesehen werden. Eine solche permable Anschnitteinrichtung kann beispielsweise ein im wesentlichen dreidimensional untereinander verbundenes, poröses Material umfassen. Solch ein poröses Material kann aus einem Vorläufer eines porösen Materials gebildet werden. Beispiele geeigneter Materialien zur Verwendung als permeable Anschnitteinrichtung, die einem Aluminiumatrixmetall gegenüber mindestens teilweise permeabel sind, umfassen kolloidales Graphit (beispielsweise DAG 154, erhältlich von Acheson Colloids) und teilchenförmiges Aluminiumoxid (beispielsweise A-1000 Aluminiumoxid, erhältlich von Alcoa Industries Chemical Division, Bauxite, AR) das auf die Oberfläche eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform beispielsweise durch Sprühen, Tauchen, Siebdrucken, Aufstreichen usw. aufgetragen werden kann. Ohne daß gewünscht wird, durch irgendeine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden zu sein, wird angenommen, daß das poröse Material (1) eine Vielzahl von Mikrokanälen, die den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls durch das poröse Material gestatten, und/oder (2) eine Reaktionsschicht, umfassen kann, die unter den Verfahrensbedingungen (beispielsweise gebildet bei der Reaktion eines Vorläufers eines porösen Materials mit mindestens dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Infiltrationsverstärker und/oder dem Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder der Infiltrierungsatmosphäre) gebildet wird, wobei die Reaktionsschicht eine Vielzahl von Mikrokanälen aufweist, die den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls durch das poröse Material gestatten, wodurch das Auftreten der Infiltrierung des porösen Füllstoffmaterials durch das schmelzflüssige Matrixmetall gestattet wird. Außerdem kann ein Infiltrationsverstärkervorläufer oder ein Infiltrationsverstärker auf der Grenzfläche zwischen dem Matrixmetall und dem porösen Material zur Förderung der spontanen Infiltrierung des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform angeordnet werden. Außerdem kann es möglich sein, die Zusammensetzung der porösen Schicht bei Kontakt mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zu modifizieren, während Matrixmetall durch die Mikrokanäle innerhalb des porösen Materials strömt. Es wird angenommen, daß bei Verfestigung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers und des Gerippes des Matrixmetalls, jegliche Spannungen, die zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls (beispielsweise Scherspannung, Zugspannung usw. aufgrund von beispielsweise einer Wärmeausdehnungskoeffizient-(CTE)-Diskrepanz zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls, Spannungen, die während der Richtungsverfestigung des Metallmatrix-Verbundkörpers und des Gerippes des Matrixmetalls auftreten usw.) existieren oder geschaffen werden können, können die Trennung des Metallmatrix-Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls erleichtern. Außerdem wird weiterhin angenommen, daß jegliche Reaktionsschicht, die unter den Verfahrensbedingungen gebildet werden kann, ein Material aufweisen kann, das schwach ist (beispielsweise eine Bruchfestigkeit aufweist, die geringer ist als die Bruchfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers oder des Matrixmetallgerippes) mit Bezug auf den Metallmatrix-Verbundkörper und/oder das Gerippe des Matrixmetalls, wodurch die Trennung des Metallmatrix-Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls erleichtert wird.
Die Dicke der permeablen Anschnitteinrichtung, die erforderlich ist, um die Trennung des Metallmatrix-Verbundkörpers von dem Gerippe des Matrixmetalls zu erreichen, kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Menge und/oder Zusammensetzung und/oder Geometrie des Matrixmetalls und/oder des Füllstoffmaterials oder der Vorform und/oder der Anschnitteinrichtung usw., die verwendet werden, den verwendeten Reaktionsbedingungen (beispielsweise Zeit, Temperatur usw.), dem bzw. den für die Aufbringung der Anschnitteinrichtung auf das Füllstoffmaterial oder die Vorform angewandten Verfahren usw. variieren. Falls beispielsweise die Anschnitteinrichtung auf dem Füllstoffmaterial oder der Vorform nicht in ausreichender Menge vorhanden ist (beispielsweise die Anschnitteinrichtung zu dünn ist), kann die Anschnitteinrichtung mit dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper nach Auftreten der Infiltrierung verbunden bleiben. Falls eine überschüssige Menge der Anschnitteinrichtung auf dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vorgesehen wird (d.h. die Anschnitteinrichtung zu dick ist), kann es sein, daß das Matrixmetall nicht imstande ist, die Anschnitteinrichtung zu permeieren, wodurch die Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall behindert oder verhindert wird. Außerdem kann die vorzugsweise Aufbringung der permeablen Anschnitteinrichtung auf die Oberfläche des Füllstoffmaterials oder der Vorform (beispielsweise variierende Dicke, variierende Zusammensetzung usw.) die Trennung weiter fördern. Ohne daß gewünscht wird, durch eine bestimmte Theorie oder Erklärung gebunden zu sein, wird angenommen, daß eine permeable Anschnitteinrichtung, die ein poröses Material (das aus einem Vorläufer eines porösen Materials hergestellt sein kann) umfaßt, verwendet werden kann, um den Flächenkontakt eines schmelzflüssigen Matrixmetalls und eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform zu steuern und um die Trennung in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren zu erleichtern, einschließlich, aber nicht beschränkt, auf die Menge und/oder Zusammensetzung und/oder Geometrie des Matrixmetalls und/oder Füllstoffmaterials oder der Vorform und/oder Anschnitteinrichtung, die verwendet wurde, den angewandten Reaktionsbedingungen, dem Verfahren der Aufbringung und/oder der Dicke der Anschnitteinrichtung, den zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem Gerippe des Matrixmetalls bei Verfestigung vorhandenen Spannungen und der Gegenwart einer Reaktionsschicht in dem porösen Material. In Abhängigkeit von der gewünschten Geometrie des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers und jeglicher spanender Endbearbeitungstauglichkeiten, kann die Anschnitteinrichtung in irgendeiner Anzahl von gewünschten Konfigurationen vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine Anschnitteinrichtung an der Oberseite oder Unterseite des Füllstoffmaterials oder der Vorform oder an den Seiten des Füllstoffmaterials oder der Vorform oder in irgendeiner Kombination davon vorgesehen werden. Außerdem kann die Vorform oder das Füllstoffmaterial so konfiguriert sein, um die Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers durch die Verwendung einer Anschnitteinrichtung zu fördern. Beispielsweise kann ein Teil einer Vorform oder eines Füllstoffmaterials, das die Anschnitteinrichtung kontaktiert so konfiguriert sein, daß sie opfernd wird und aus dem endgültigen Metallmatrix-Verbundkörper leicht entfernt werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Füllstoffmaterial oder die Vorform so konfiguriert, daß sich ein zu opfernder Abschnitt über die Geometrie des endgültigen herzustellenden Verbundkörpers hinaus erstreckt. Beispielsweise kann ein Vorsprung oder Ansatz, der beispielsweise eine rechteckige Form aufweist und sich nur von einem kleinen Bereich aus oder gegebenenfalls von der gesamten Länge oder Breite einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials erstrecken kann, als Kontaktfläche für die Anschnitteinrichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen werden. Der Ansatzbereich kann ein Füllstoffmaterial enthalten, das eine Zusammensetzung und/oder Größe aufweist, die identisch, ähnlich oder unterschiedlich von dem Füllstoffmaterial in dem verbleibenden Bereich der Vorform oder des Füllstoffmaterials ist. Nach Infiltrierung der Vorform oder des Füllstoffmaterials durch schmelzflüssiges Matrixmetall, kann der Ansatz von dem endgültigen Verbundkörper leicht durch spanende Bearbeitung entfernt werden, wodurch die Herstellung von fehlerfreien Metallmatrix-Verbundkörpern einer nahezu Nettogestalt erleichtert wird. Außerdem kann, wenn eine lose Masse des Füllstoffmaterials infiltriert wird, indem ein zu opfernder Ansatzbereich in der Form oder dem Rückhaltebett zum Kontakt mit der Anschnitteinrichtung vorgesehen wird, die Oberfläche der losen Masse des Füllstoffmaterials gesteuert werden (d.h. unter Verwendung einer Beschwerungseinrichtung beschwert werden), um die lose Masse in einer im wesentlichen gleichmäßigen Konfiguration aufrechtzuhalten, wobei das Verschieben von losen Füllstoff bei der Infiltrierung auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Um die Infiltrierung eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform durch die bevorzugte spontane Infiltrierungstechnik zu erzielen, stehen ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder eine Infiltrierungsatmosphäre mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform mindestens zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens in Verbindung, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall gestattet, das Füllstoffmaterial oder die Vorform durch die Anschnitteinrichtung spontan zu infiltrieren. Um die spontane Infiltrierung des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu bewirken, sollte insbesondere ein Infiltrationsverstärker in dem spontanen System vorgesehen werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärkervorläufer gebildet sein, der (1) in dem Matrixmetall und/oder (2) in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform vorgesehen ist und/oder (3) aus der Infiltrierungsatmosphäre und/oder (4) aus einer äußeren Quelle dem spontanen System zugeführt wird. Außerdem könnte statt der Zuführung eines Infiltrationsverstärkervorläufers, ein Infiltrationsverstärker mindestens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre direkt zugeführt werden. Schließlich sollte mindestens während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden sein.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern durch spontane Infiltrierung ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärkervorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrierungsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker mindestens in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, vor dem Kontaktieren des Füllstoffmaterials oder der Vorform mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall, oder im wesentlichen gleichzeitig hiermit, gebildet werden kann (beispielsweise falls Magnesium der Infiltrationsverstärkervorläufer und Stickstoff die Infiltrierungatmosphäre ist, könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorhanden ist).
Ein Beispiel eines Matrixmetall-/Infiltrationsverstärkervorläufer-/Infiltrierungsatmosphären-Systems ist das Aluminium-/Magnesium-/Stickstoff-System. Insbesondere kann ein Aluminiummatrixmetall innerhalb eines Füllstoffmaterials eingebettet sein, das innerhalb eines geeigneten feuerfesten Gefäßes enthalten sein kann, das unter den Verfahrensbedingungen nicht mit dem Aluminiummatrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial reagiert, wenn das Aluminium schmelzflüssig gemacht wird. Ein Füllstoffmaterial, das Magnesium enthält oder diesem ausgesetzt ist und das mindestens während eines Zeitpunkt während des Verfahrens einer Stickstoffatmosphäre ausgesetzt ist, kann mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht werden. Das Matrixmetall infiltriert dann spontan das Füllstoffmaterial oder die Vorform.
Außerdem kann ein Infiltrationsverstärker direkt mindestens zu der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrierungsatmosphäre geliefert werden, statt einen Infiltrationsverstärkervorläufer zu liefern. Schließlich sollte zumindest während der spontanen Infiltrierung der Infiltrationsverstärker in mindestens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform angeordnet sein.
Unter den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Bedingungen sollte im Fall eines spontanen Aluminium- /Magnesium-/Stickstoff-Infiltrierungssystems das Füllstoffmaterial oder die Vorform ausreichend permeabel sein, um es dem stickstoffenthaltenden Gas zu gestatten, in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zu irgendeinem Zeitpunkt während des Verfahrens einzudringen oder sie zu durchdringen und/oder das schmelzflüssige Matrixmetall zu kontaktieren. Außerdem kann das permeable Füllstoffmaterial oder die Vorform die Infiltrierung des schmelzflüssigen Matrixmetalls aufnehmen, wodurch bewirkt wird, daß das stickstoffdurchdrungene Füllstoffmaterial oder die stickstoffdurchdrungene Vorform, das bzw. die mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers spontan zu infiltrieren ist, und/oder bewirkt wird, daß der Stickstoff mit einem Infiltrationsverstärkervorläufer zur Bildung eines Infiltrationsverstärkers in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform reagiert, und so zu einer spontanen Infiltrierung führt. Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltrierung und der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers variiert mit einem gegebenen Satz von Verfahrensbedingungen, einschließlich dem Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, dem Magnesiumgehalt des Füllstoffmaterials oder der Vorform, dem Magnesiumnitridgehalt in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, der Anwesenheit von zusätzlichen Legierungselementen (beispielsweise Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), der durchschnittlichen Größe (beispielsweise Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, der Oberflächenbedingung und Art des Füllstoffmaterials, der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre, der für die Infiltrierung gestatteten Zeit und der Temperatur, bei der die Infiltrierung auftritt. Beispielsweise kann, damit die Infiltrierung des schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetalls spontan auftritt, das Aluminium mit mindestens etwa 1 Gew.-%, und vorzugsweise mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium (das als Infiltrationsverstärkervorläufer wirkt) mit Bezug auf das Legierungsgewicht legiert sein. Legierungshilfselemente, wie vorstehend erörtert, können in dem Matrixmetall auch enthalten sein, um die Eigenschaften spezifischen Bedürfnissen anzupassen. Zusätzlich können die Legierungshilfselemente die Mindestmenge von Magnesium beeinflussen, die in dem Matrixaluminiummetall erforderlich ist, um zur spontanen Infiltrierung des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu führen. Der Verlust von Magnesium aus dem spontanen System aufgrund von beispielsweise Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Ausmaß auftreten, daß kein Magnesium zur Bildung des Infiltrationsverstärkers vorhanden ist. So ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge an anfänglichen Legierungselementen zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltrierung nicht nachteilig durch die Verflüchtigung beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und dem Matrixmetall oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform allein zu einer Verringerung der zur Erzielung der spontanen Infiltrierung erforderlichen Menge an Magnesium (nachstehend detaillierter erörtert) führen.
Der Volumenprozentsatz von Stickstoff in der Stickstoffatmosphäre beeinträchtigt auch die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere tritt, wenn weniger als etwa 10 Vol.-% Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre vorhanden sind, eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltrierung auf. Es wurde festgestellt, daß, wenn vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.-% Stickstoff in der Infiltrierungsatmosphäre vorhanden sind, dies beispielsweise zu kürzeren Infiltrierungszeiten aufgrund einer viel schnelleren Infiltrierungsgeschwindigkeit führt. Die Infiltrierungsatmosphäre (beispielsweise ein stickstoffenthaltendes Gas) kann dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall direkt zugeführt werden oder sie kann durch eine Zersetzung eines Materials hergestellt werden oder sich aus dieser ergeben.
Der Mindestmagnesiumgehalt, der erforderlich ist, damit schmelzflüssiges Matrixmetall Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen wie der Verfahrenstemperatur, der Zeit, der Anwesenheit von Legierungshilfselementen, wie Silicium oder Zink, der Natur des Füllstoffmaterials, der Anordnung des Magnesiums in einer oder mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit ab, mit der die Stickstoffatmosphäre strömt. Niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten können verwendet werden, um eine vollständige Infiltrierung zu erhalten, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Bei einem gegebenen Magnesiumgehalt gestattet die Zugabe von bestimmten Legierungshilfselementen, wie Zink, auch die Verwendung von niedrigeren Temperaturen. Ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des funktionsfähigen Bereichs, beispielsweise etwa 1 bis 3 Gew.-%, kann beispielsweise in Verbindung mit mindestens einem der folgenden Parameter verwendet werden: einer Verarbeitungstemperatur, die oberhalb des Minimums liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren Legierungshilfselementen. Wenn dem Füllstoffmaterial oder der Vorform kein Magnesium zugefügt wird, werden Legierungen, die etwa 3 bis 5 Gew.-% Magnesium enthalten, auf der Grundlage ihrer allgemeinen Brauchbarkeit über eine große Vielfalt von Verfahrensbedingungen bevorzugt, wobei mindestens etwa 5% bevorzugt sind, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten verwendet werden. Magnesiumgehalte, die über etwa 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung liegen, können verwendet werden, um die für die Infiltrierung erforderlichen Temperaturbedingungen zu mäßigen. Der Magnesiumgehalt kann verringert werden, wenn er in Verbindung mit einem Legierungshilfselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine Hilfsfunktion und werden zusammen mit mindestens der vorstehend angegebenen Mindestmenge Magnesium verwendet. Beispielsweise gab es im wesentlichen keine Infiltrierung von nominell reinem Aluminium, legiert nur mit 10% Silicium bei 1000ºC in ein Bett von 500 mesh 39 CRYSTOLOL 99% reines Siliciumcarbid von der Norton Co.). In Gegenwart von Magnesium wurde jedoch gefunden, daß Silicium das Infiltrierungsverfahren fördert. Als weiteres Beispiel variiert die Menge an Magnesium, falls es exklusiv der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugeführt wird. Es wurde festgestellt, daß eine spontane Infiltrierung mit einem geringeren Gewichtsprozentsatz an Magnesium auftritt, das dem spontanen System zugeführt wird, wenn mindestens etwas der Gesamtmenge an zugeführtem Magnesium in die Vorform oder das Füllstoffmaterial verbracht wird. Es kann wünschenswert sein, daß eine geringere Menge Magnesium geliefert wird, um die Bildung von unerwünschten intermetallischen Verbindungen in dem Metallmatrix-Verbundkörper zu verhindern. Im Fall einer Siliciumcarbidvorform wurde festgestellt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, wobei die Vorform mindestens etwa 1 Gew.-% Magnesium enthält und sich in Gegenwart einer im wesentlichen reinen Stickstoffatmosphäre befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Fall einer Aluminiumoxidvorform ist die Menge an Magnesium, die für die Erzielung einer annehmbaren spontanen Infiltrierung benötigt wird, geringfügig höher. Es wurde insbesondere gefunden, daß bei einer Aluminiumoxidvorform, wenn sie mit einem ähnlichen Aluminiummatrixmetall in Berührung gebracht wird, bei etwa der gleichen Temperatur wie das Aluminium, das in die Siliciumcarbidvorform infiltriert ist, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltrierung zu erzielen wie die, die bei der vorstehend erörterten Siliciumcarbidvorform erzielt wurde.
Es ist auch zu beachten, daß es möglich ist, dem spontanen System Infiltrationsverstärkervorläufer und/oder Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder auf einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder innerhalb der Vorform oder des Füllstoffmaterials vor dem Infiltrieren des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzuführen (d.h. es muß nicht notwendig sein, daß der zugeführte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärkervorläufer mit dem Matrixmetall legiert wird, sondern eher einfach dem spontanen System zugeführt wird). Falls das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen wurde, kann es vorzuziehen sein, daß diese Oberfläche die Oberfläche sein sollte, die der permeablen Masse von Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Berührung mit dieser steht oder umgekehrt oder solch ein Magnesium könnte in mindestens einen Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials gemischt sein. Weiterhin ist es möglich, daß irgendeine Kombination der Oberflächenaufbringung, Legierung oder Verbringen des Magnesium in mindestens einen Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform verwendet werden könnte. Eine solche Kombination der Aufbringung von Infiltrationsverstärker(n) und/oder Infiltrationsverstärkervorläufer(n) könnte zu einer Verringerung des für die Förderung der Infiltrierung des Matrixaluminiummetalls in das Füllstoffmaterial benötigten Gesamtgewichtsprozentsatzes an Magnesium und zu der Erzielung niedrigerer Temperaturen, bei denen die Infiltrierung auftreten kann, führen. Außerdem könnte die Menge an unerwünschten, aufgrund der Anwesenheit von Magnesium gebildeten, intermetallischen Verbindungen auch auf ein Minimum herabgesetzt werden.
Die Verwendung von einem oder mehreren Legierungshilfselementen und die Konzentration von Stickstoff in dem Umgebungsgas beeinträchtigt auch das Ausmaß der Nitridierung des Matrixmetalls bei einer gegebenen Temperatur. Beispielsweise können Legierungshilfselemente wie Zink oder Eisen, die in der Legierung enthalten sind oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht sind, verwendet werden, um die Infiltrierungstemperatur abzusenken und dadurch die Menge der Nitridbildung zu verringern, wohingegen die Erhöhung der Konzentration von Stickstoff in dem Gas zur Förderung der Nitridbildung verwendet werden kann.
Die Konzentration von Magnesium, das sich in der Legierung befindet und/oder auf eine Oberfläche der Legierung verbracht wurde und/oder in dem Füllstoff oder der Vorform kombiniert wurde, neigt auch dazu, das Ausmaß der Infiltrierung bei einer gegebenen Temperatur zu beeinträchtigen. Folglich kann es in einigen Fällen bevorzugt werden, bei denen wenig oder kein Magnesium direkt mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial in Berührung gebracht wird, daß mindestens etwa 3 Gew.-% Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte von weniger als dieser Menge, beispielsweise 1 Gew.-% Magnesium, können höhere Verfahrenstemperaturen oder ein Legierungshilfselement für die Infiltrierung benötigen. Die für die Bewirkung des spontanen Infiltrierungsverfahrens dieser Erfindung erforderliche Temperatur kann niedriger sein: (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, beispielsweise auf mindestens etwa 5 Gew.-%, und/oder (2) wenn die Legierungsbestandteile mit der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform gemischt werden und/oder (3) wenn ein weiteres Element wie Zink oder Eisen in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch mit unterschiedlichen Füllstoffmaterialien variieren. Im allgemeinen tritt eine spontane und fortschreitende Infiltrierung bei einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 675ºC, und vorzugsweise einer Verfahrenstemperatur von mindestens etwa 750ºC bis 800ºC, auf. Temperaturen, die im allgemeinen über 1200ºC liegen, scheinen das Verfahren nicht zu begünstigen, und es wurde gefunden, daß ein besonders brauchbarer Temperaturbereich zwischen etwa 675ºC und etwa 1200ºC liegt. Im allgemeinen ist jedoch die spontane Infiltrierungstemperatur eine Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls, aber unterhalb der Verflüchtigungstemperatur des Matrixmetalls liegt. Außerdem sollte die spontane Infiltrierungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Füllstoffmaterials liegen. Weiterhin nimmt bei Erhöhung der Temperatur die Neigung zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre zu (beispielsweise in dem Fall von Aluminiummatrixmetall und einer Stickstoffinfiltrierungsatmosphäre kann Aluminiumnitrid gebildet werden). Ein solches Reaktionsprodukt kann auf der Grundlage der beabsichtigten Anwendung des Matrixmetall- Verbundkörpers wünschenswert oder nicht wünschenswert sein. Zusätzlich wird typischerweise eine elektrische Widerstandsheizung verwendet, um die Infiltrierungstemperaturen zu erzielen. Jegliche Heizvorrichtung, die zum Schmelzen des Matrixmetalls führen kann und die spontane Infiltrierung nicht nachteilig beeinflußt, ist jedoch zur Verwendung bei der Erfindung annehmbar.
Bei dem vorliegenden Verfahren kommt beispielsweise ein permeables Füllstoffmaterial oder eine permeable Vorform in Berührung mit schmelzflüssigem Aluminium in Anwesenheit eines stickstoffenthaltenden Gases mindestens zu einem Zeitpunkt während des Verfahrens. Das stickstoffenthaltende Gas kann dadurch zugeführt werden, daß ein kontinuierlicher Strom von Gas in Berührung mit mindestens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall gehalten wird. Obgleich die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffenthaltenden Gases nicht kritisch ist, wird bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreicht, um jeglichen Stickstoff auszugleichen, der aus der Atmosphäre aufgrund von Nitridbildung in der Legierungsmatrix verloren geht und um auch den Einfall von Luft, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall haben kann, zu verhindern oder zu hemmen.
Die Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern bei der vorliegenden Erfindung sind auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Wahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren ab, wie der Matrixlegierung, den Verfahrensbedingungen, der Reaktionsfähigkeit der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial, der Fähigkeit des Füllstoffmaterials, sich dem Matrixmetall anzugleichen, und den für das endgültige Verbundkörperprodukt gewünschten Eigenschaften. Wenn Aluminium das Matrixmetall ist, umfassen geeignete Füllstoffmaterialien beispielsweise (a) Oxide, beispielsweise Aluminiumoxid, (b) Carbide, beispielsweise Siliciumcarbid, (c) Boride, beispielsweise Aluminiumdodecaborid und (d) Nitride, beispielsweise Aluminiumnitrid und Mischungen davon. Falls das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminiummatrixmetall zu reagieren, kann dem Rechnung getragen werden, indem die Infiltrierungszeit und -temperatur auf ein Minimum herabgesetzt werden, oder indem eine nichtreaktionsfähige Beschichtung auf dem Füllstoff vorgesehen wird. Das Füllstoffmaterial kann ein Substrat umfassen, beispielsweise Kohlenstoff oder ein anderes nichtkeramisches Material, das eine Beschichtung trägt, um das Substrat vor Angriff oder Degradation zu schützen. Geeignete Keramikbeschichtungen umfassen Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Keramische Materialien, die bei dem vorliegenden Verfahren bevorzugt verwendet werden, umfassen Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in der Form von Teilchen, Blättchen, Einkristallfäden und Fasern. Die Fasern können diskontinuierlich (in zerkleinerter Form) oder in der Form einer gewebten Matte und eines kontinuierlichen Fadens wie Mehrfädenseile vorliegen. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial homogen oder heterogen sein.
Bestimmte Füllstoffmaterialien weisen eine verbesserte Infiltrierung mit Bezug auf Füllstoffmaterialien auf, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung haben. Beispielsweise weisen zerkleinerte Aluminiumoxidkörper, die durch das Verfahren hergestellt wurden, das in dem US Patent 4 713 360 mit dem Titel "Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same", offenbart ist, das für Marc S. Newkirk et al. am 15. Dezember 1987 erteilt wurde, wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältliche Aluminiumoxidprodukte auf. Außerdem können zerkleinerte Aluminiumoxidkörper durch das Verfahren hergestellt werden, das in dem sich im gemeinsamen Besitz befindenden US Patent 4 851 375 mit dem Titel "Methods of Making Composite Ceramic Articles Having Embedded Filler", offenbart ist, das am 25. Juli 1989 für Marc S. Newkirk et al. erteilt wurde, auch wünschenswerte Infiltrierungseigenschaften mit Bezug auf im Handel erhältliche Aluminiumoxidprodukte aufweisen. Der Gegenstand jeder der erteilten Patente wird hier ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen. Insbesondere wurde gefunden, daß die vollständige Infiltrierung einer permeablen Masse eines keramischen oder Keramik-Verbundkörpermaterials bei niedrigeren Infiltrierungstemperaturen und/oder kürzeren Infiltrierungszeiten durch Verwendung eines zerkleinerten Körpers auftreten kann, der durch das Verfahren der vorstehend erwähnten US Patente hergestellt wurde.
Die Größe und Form des Füllstoffmaterials kann irgendeine sein, die benötigt wird, um die in dem Verbundkörper gewünschten Eigenschaften zu erzielen, und die sich dem Matrixmetall anpassen kann. So kann das Füllstoffmaterial in der Form von Teilchen, Einkristallfäden, Blättchen, Fasern oder Mischungen vorliegen, da die Infiltrierung nicht durch die Form des Füllstoffmaterials beschränkt ist. Andere Formen wie Kugeln, Röhrchen, Kügelchen, feuerfestes Fasergewebe und dergleichen können verwendet werden. Außerdem beschränkt die Größe des Materials die Infiltrierung nicht, obgleich eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum für die vollständige Infiltrierung einer Masse von kleineren Teilchen benötigt wird als für größere Teilchen. Außerdem sollte die zu infiltrierende Masse des Füllstoffmaterials (zu einer Vorform geformt) permeabel sein, d.h. dem schmelzflüssigen Matrixmetall und der Infiltrierungsatmosphäre gegenüber permeabel.
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht auf die Anwendung von Druck angewiesen ist, um schmelzflüssiges Matrixmetall in eine Vorform oder in eine Masse von Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu drücken, gestattet die Herstellung von im wesentlichen gleichförmigen Metallmatrix-Verbundkörpern mit einem hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und niedriger Porosität. Höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial in der Größenordnung von mindestens etwa 50% können erzielt werden, indem eine Ausgangsmasse von Füllstoffmaterial mit einer niedrigeren Porosität und Mischungen von Teilchengrößen verwendet werden und durch Beimischung von Teilchen unterschiedlicher Größe. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse gepreßt oder anderweitig verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht entweder in einen Preßling mit enger Zellporosität oder in eine vollständig dichte Struktur umgewandelt wird, was die Infiltrierung durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde.
Es wurde beobachtet, daß das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminiummatrixmetall ein wichtiger Teil des Infiltrierungsmechanismus für die Aluminiuminfiltrierung und Matrixbildung um einen keramischen Füllstoff herum sein kann. Außerdem tritt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen eine vernachlässigbare oder minimale Menge an Metallnitridierung auf, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase von in der Metallmatrix dispergiertem Aluminiumnitrid führt. Wenn man sich jedoch dem oberen Ende des Temperaturbereichs nähert, tritt die Nitridierung des Metalls mit größerer Wahrscheinlichkeit auf. Die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix kann so durch Änderung der Verarbeitungstemperatur, bei der die Infiltrierung auftritt, gesteuert werden. Die spezifische Verfahrenstemperatur, bei der die Nitridbildung ausgeprägter wird, variiert auch mit solchen Faktoren, wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge relativ zu dem Volumen des Füllstoffmaterials, dem zu infiltrierenden Füllstoffmaterial und der Stickstoffkonzentration der Infiltrierungsatmosphäre. Es wird beispielsweise angenommen, daß das Ausmaß der Aluminiumnitridbildung bei einer gegebenen Verfahrenstemperatur erhöht wird, wenn die Fähigkeit der Legierung, den Füllstoff zu benetzen, abnimmt, und wenn die Stickstoffkonzentration der Atmosphäre zunimmt.
Deshalb ist es möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundkörpers besonderen Bedürfnissen anzupassen, um dem sich ergebenden Produkt bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Bei einem gegebenen System können die Verfahrensbedingungen zur Steuerung der Nitridbildung ausgewählt werden. Ein Verbundkörperprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für die Leistung des Produkts günstig sein oder diese verbessern können. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltrierung mit einer Aluminiumlegierung mit dem verwendeten, keramischen Material variieren. Im Fall von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial, sollte die Temperatur für die Infiltrierung vorzugsweise etwa 1000ºC nicht übersteigen, falls es gewünscht wird, daß die Verformbarkeit der Matrix durch die beträchtliche Bildung von Nitrid nicht verringert wird. Temperaturen von mehr als 1000ºC können jedoch angewandt werden, falls es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger verformbaren und steiferen Matrix herzustellen. Um Siliciumcarbid zu infiltrieren, können höhere Temperaturen von etwa 1200ºC angewandt werden, da die Aluminiumlegierung zu einem geringeren Ausmaß mit Bezug auf die Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff nitriert, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Außerdem ist es möglich, ein Reservoir von Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltrierung des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall zuzuführen, das eine von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterschiedliche Zusammensetzung hat. Spezifisch kann es in einigen Fällen wünschenswert sein, ein Matrixmetall in dem Reservoir zu verwenden, das sich in der Zusammensetzung von der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet. Falls beispielsweise eine Aluminiumlegierung als erste Quelle von Matrixmetall verwendet wird, könnte praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metall-Legierung, die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig ist, als Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr mischbar miteinander, was dazu führen würde, daß das Reservoirmetall sich mit der ersten Quelle von Matrixmetall mischt, solange ein angemessener Zeitraum für das Auftreten des Mischens gegeben ist. So ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in der Zusammensetzung von der der ersten Quelle des Matrixmetalls unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix so anzupassen, daß sie unterschiedliche Betriebserfordernisse erfüllen, und so die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers anzupassen. Eine Sperrschicht kann auch in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Spezifisch kann die Sperrschicht zur Verwendung bei dieser Erfindung irgendein geeignetes Mittel sein, das die Wanderung, Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung (beispielsweise einer Aluminiumlegierung) über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus stört, hemmt, verhindert oder beendet. Geeignete Sperrschichten können aus irgendeinem Material, irgendeiner Verbindung, irgendeinem Element, irgendeiner Zusammensetzung oder dergleichen bestehen, die unter den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung etwas Integrität beibehält, nicht flüchtig ist und vorzugsweise dem bei dem Verfahren verwendeten Gas gegenüber permeabel ist und auch imstande ist, die fortgesetzte Infiltrierung oder irgendeine andere Art der Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus örtlich zu hemmen, zu stoppen, sie zu stören, sie zu verhindern oder dergleichen.
Geeignete Sperrschichten umfassen Materialien, die im wesentlichen durch die Wanderung der schmelzflüssigen Matrixlegierung unter den angewandten Verfahrensbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperrschicht dieser Art scheint wenig oder keine Affinität bezüglich der schmelzflüssigen Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus wird durch die Sperrschicht verhindert oder gehemmt. Die Sperrschicht verringert jegliches abschließendes spanendes Bearbeiten oder Schleifen, das bei dem Metallmatrix-Verbundkörperprodukt erforderlich sein kann. Wie vorstehend angegeben, sollte die Sperrschicht vorzugsweise permeabel oder porös sein oder durch Durchbohren permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu gestatten, die schmelzflüssige Matrixlegierung zu kontaktieren.
Bei Aluminiummatrixlegierungen besonders brauchbare, geeignete Sperrschichten sind jene, die Kohlenstoff enthalten, insbesondere die kristalline, allotrope Form von Kohlenstoff, die als Graphit bekannt ist. Graphit ist im wesentlichen durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung unter den beschriebenen Verfahrensbedingungen nicht benetzbar. Ein besonders bevorzugter Graphit ist ein Graphitbandprodukt, das unter dem Warenzeichen GRAFOIL , eingetragen für die Union Carbide, vertrieben wird. Dieses Graphitband hat Abdichtungseigenschaften, die die Wanderung von schmelzflüssiger Aluminiumlegierung über die definierte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials hinaus verhindern. Dieses Graphitband ist auch wärmebeständig und chemisch inert. GRAFOIL -Graphitmaterial ist flexibel, kompatibel, anpassungsfähig und nachgiebig. Es kann zu einer Vielzahl von Formen geformt werden, um für jede Sperrschichtanwendung geeignet zu sein. Graphitsperrschichten können jedoch als Aufschlämmung oder Paste und selbst als Aufstrichfilm um die und auf die Grenze des Füllstoffmaterials angewendet werden. GRAFOIL wird besonders bevorzugt, weil es in der Form einer flexiblen Graphitfolie vorliegt. Bei Verwendung wird dieser papierartige Graphit einfach um das Füllstoffmaterial herum geformt.
Wie früher erörtert, faßt die Erfindung die Verwendung einer GRAFOIL -Folie sowohl als Sperrschicht als auch als Anschnitteinrichtung ins Auge. Die Anschnitteinrichtung unterscheidet sich jedoch von der Sperrschicht mindestens durch deren Anordnung mit Bezug auf das Matrixmetall und die Vorform. Insbesondere kann die Sperrschicht die allerletzte Bewegung des schmelzflüssigen Matrixmetalls innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform nach der Infiltrierung begrenzen, während die Anschnitteinrichtung den Grad und/oder den Ort der Berührung des Matrixmetalls mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform sowohl vor als auch während der Infiltrierung des Matrixmetalls steuert. Es ist außerdem möglich, daß die Anschnitteinrichtung sowohl als Sperrschicht als auch als Anschnitteinrichtung wirkt. Nachdem das schmelzflüssige Matrixmetall durch die Anschnitteinrichtung gelangt ist, kann das schmelzflüssige Matrixmetall beispielsweise das Füllstoffmaterial oder die Vorform infiltrieren, bis es die Rückseite der Anschnitteinrichtung kontaktiert (die Infiltrierung könnte beispielsweise bis zu dem Punkt auftreten, an dem die Anschnitteinrichtung das Füllstoffmaterial oder die Vorform aktiv kontaktiert).
Eine andere bevorzugte Sperrschicht bzw. andere bevorzugte Sperrschichten für Aluminiummetall-Matrixlegierungen in Stickstoff sind die Übergangsmetallboride (beispielsweise Titandiborid (TiB&sub2;)), die im allgemeinen durch die schmelzflüssige Aluminiummetall-Legierung unter bestimmten der verwendeten Verfahrensbedingungen bei Verwendung dieses Materials nicht benetzbar sind. Mit einer Sperrschicht dieser Art sollte die Verfahrenstemperatur etwa 875ºC nicht übersteigen, da sonst das Sperrschichtmaterial weniger wirksam wird, und tatsächlich mit erhöhter Temperatur eine Infiltrierung in die Sperrschicht auftritt. Die Übergangsmetallboride liegen typischerweise in einer Teilchenform (1-30 um) vor. Die Sperrschichtmaterialien können als Aufschlämmung oder Paste auf die Grenzen der permeablen Masse des Füllstoffmaterials, welches vorzugsweise als Vorform vorgeformt ist, aufgebracht werden.
Andere brauchbare Sperrschichten für Aluminiummetallmatrixlegierungen in Stickstoff umfassen organische Verbindungen mit niedriger Flüchtigkeit, die als Film oder Schicht auf die Außenoberfläche des Füllstoffmaterials aufgebracht sind. Bei Brennen in Stickstoff, insbesondere bei den Verfahrensbedingungen dieser Erfindung, zersetzt sich die organische Verbindung unter Belassung eines Rußfilms. Die organische Verbindung kann durch irgendwelche herkömmlichen Mittel wie Aufstreichen, Sprühen, Eintauchen usw. aufgebracht werden.
Außerdem können fein vermahlene, teilchenförmige Materialien als Sperrschicht wirken, solange die Infiltrierung des teilchenförmigen Materials mit einer Geschwindigkeit auftritt, die geringer ist als die Infiltrierungsgeschwindigkeit des Füllstoffmaterials.
So kann die Sperrschicht auf irgendeine geeignete Weise aufgebracht werden, wie beispielsweise durch Bedecken der definierten Oberflächengrenze mit einer Schicht der Sperrschicht. Solch eine Schicht der Sperrschicht kann durch Aufstreichen, Eintauchen, Siebdruck, Verdampfen oder anderweitiges Auftragen der Sperrschicht in flüssiger, Aufschlämmungs- oder Pastenform oder durch Sputtern einer verdampfbaren Sperrschicht oder durch einfaches Abscheiden einer Schicht einer festen, teilchenförmigen Sperrschicht aufgebracht werden oder durch Aufbringen einer festen, dünnen Folie oder Films der Sperrschicht auf die definierte Oberflächengrenze. Wenn sich die Sperrschicht an Ort und Stelle befindet, endet die spontane Infiltrierung im wesentlichen, wenn das infiltrierende Matrixmetall die definierte Oberflächengrenze erreicht und die Sperrschicht kontaktiert.
Verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung sind in den nachstehenden Beispielen enthalten. Diese Beispiele sollten jedoch als veranschaulichend angesehen werden und nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert beschränken.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt eine Anordnung im Querschnitt, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Insbesondere infiltriert ein Matrixmetall (5) spontan eine Vorform (2) durch die Anschnitteinrichtung (3) hindurch. Insbesondere wurde eine GRAFOIL -Schachtel (1) mit den ungefähren Abmessungen 51 x 51 x 51 mm (2 x 2 x 2 Zoll) zusammengebaut. Das zur Bildung der Schachtel (1) verwendete GRAFOIL war ein flexibles Graphitbandprodukt, das von der Union Carbide erhalten wurde und eine Dicke von 0,4 mm (0,015 Zoll) hatte. Eine Vorform (2) mit den ungefähren Abmessungen 51 x 51 x 13 mm (2 x 2 x 1/2 Zoll) wurde in die Schachtel (1) verbracht. Die Vorform (2) bestand aus etwa 12 Vol.-% zerkleinerte Aluminiumoxidfasern (mindestens 90 Gew.-% der Aluminiumoxidfasern waren Fiber FP, hergestellt von der Du Pont Company), und die Aluminiumoxidfasern waren durch kolloidales Aluminiumoxid verbunden. Das Gewichtsverhältnis von kolloidalem Aluminiumoxid zur Faser betrugt etwa 1/4, und der Rest des Vorformvolumens umfaßte untereinander verbundene Porosität. Eine Anschnitteinrichtung (3) wurde direkt auf die Vorform (2) in der GRAFOIL -Schachtel (1) gelegt. Die Anschnitteinrichtung (3) umfaßte eine weitere GRAFOIL -Folie, in der fünf Löcher (30) (d.h. Durchlässe) gebildet wurden. Die Anschnitteinrichtung (3) wurde entlang der Nähte (4) mit der GRAFOIL - Schachtel (1) durch Auftragen einer Mischung von Graphitpulver und kolloidalem Siliciumoxid versiegelt. Die Aluminiumlegierung (5) wurde dann direkt auf die Anschnitteinrichtung (3) in der Schachtel (1) gelegt. Die Aluminiumlegierung (5) umfaßte etwa 10,5% Mg, 4% Zn, 0,5% Silicium, 0,5% Kupfer und als Rest Aluminium. Die Aluminiumlegierung (5) wurde in zwei Blöcken, jeweils mit den ungefähren Abmessungen 25 x 22 x 13 mm (1 x 7/8 x 1/2 Zoll), vorgesehen. Die GRAFOIL -Schachtel (1), die die Blöcke (5) und die Vorform (2) enthielt, wurde in ein Graphitschiffchen (6) verbracht, das teilweise mit einem Aluminiumoxidbett (7) von 24 grit 38 ALUNDUM, erhalten von Norton, gefüllt war. Das Graphitschiffchen (6) wurde dann bis auf eine Höhe gefüllt, die in etwa die gleiche wie die darin enthaltene Graphitschachtel (1) war. Der Hauptzweck des Betts (7) war eine Stütze für die GRAFOIL -Schachtel (1) vorzusehen.
Das Graphitschiffchen (6), welches die Anordnung von Fig. 1 enthielt, wurde in einen elektrischen Widerstandsofen mit kontrollierter Atmosphäre (d.h. einen Vakuumofen, der auf 1 x 10&supmin;&sup4; mm Hg (1 x 10&supmin;&sup4; torr) abgepumpt worden war) verbracht. Der Ofen wurde dann mit Stickstoff aufgefüllt und auf etwa 200ºC aufgeheizt, um die Umgebung in dem Ofen zu spülen. Während des anschließenden Erhitzens und Infiltrierens, wurde Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 Liter pro Minute durch den Vakuumofen geleitet. Der Ofen wurde während eines Zeitraums von etwa 5 Stunden bis zu einer Temperatur von etwa 700ºC aufgeheizt. Die Temperatur wurde etwa 20 Stunden aufrechterhalten, zu welchem Zeitpunkt der Ofen auf natürliche Weise auf Umgebungstemperaturen abkühlen gelassen wurde.
Nachdem der Ofen abgekühlt worden war, wurden das Schiffchen (6) und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt. Ein Gerippe aus Aluminiumlegierung wurde leicht aus der Vorform mit einem Hammer und einem Meißel entfernt. Insbesondere wurde wie in Fig. 3 gezeigt, der Metallmatrix-Verbundkörper (20) im wesentlichen vollständig durch das Matrixmetall infiltriert. Ein Gerippe des Matrixmetalls (21) wurde leicht von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper (20) getrennt. Die kreisförmigen Bereiche (23) auf jedem Metallmatrix-Verbundkörper (20) und das Gerippe des Matrixmetalls (21) entsprechen den Durchlässen (30) in der Anschnitteinrichtung (3). Der Flächenkontakt zwischen dem Matrixmetallgerippe (21) und dem Metallmatrix-Verbundkörper (20) wurde auf ein Minimum herabgesetzt, um so eine leichtere Abtrennung zu gestatten. Außerdem wurde die Oberfläche der Metallmatrix (20), die in Berührung mit der Anschnitteinrichtung (3) stand, sandgestrahlt, um verbleibendes GRAFOIL zu entfernen, was zu einem Metallmatrix-Verbundkörper mit einer nahezu Nettogestalt führte.

Beispiel 2

Fig. 2 zeigt eine Anordnung im Querschnitt, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde. Insbesondere wurde eine GRAFOIL - Schachtel (8) mit den ungefähren Abmessungen 305 x 152 x 51 mm (12 x 6 x 2 Zoll) hergestellt. Eine Vorform (9) mit den ungefähren Abmessungen 305 x 152 x 8 mm (12 x 6 x 0,3 Zoll) wurde in die Schachtel (8) verbracht. Die Vorform (9) bestand etwa aus 40,3 Vol.-% einer kontinuierlichen Aluminiumoxidfaser (mindestens 90 Gew.-% der Aluminiumoxidfasern waren Fiber FP, hergestellt von der Du Pont Company). Die Aluminiumoxidfaser war mit Siliciumoxid überzogen und mit 4 Vol.-% kolloidalein Aluminiumoxid zusammengebunden, worin die Faser eine 0º/90º Orientierung hatte. Eine GRAFOIL -Anschnitteinrichtung (10) wurde direkt oberhalb der Vorform (9) angeordnet und mit der GRAFOIL -Schachtel (8) in der vorstehend in Beispiel 1 erörterten Weise versiegelt. Bei diesem Beispiel hatte die Anschnitteinrichtung (10) jedoch nur eine einzige rechteckige Öffnung (31) mit den ungefähren Abmessungen 127 x 25 mm (5 Zoll x 1 Zoll). Ein Aluminiumlegierungsblock (11), der etwa 1700 g wog und etwa 10,5 Gew.-% Mg enthielt, wurde direkt auf die GRAFOIL -Folienanschnitteinrichtung (10) in der Schachtel (8) angeordnet. Die Legierung (11) wurde auf eine solche Weise angeordnet, daß die Aluminiumlegierung, wenn sie schmelzflüssig wurde, spontan durch die Anschnitteinrichtung (10) und in die Vorform (9) fließen würde. Außerdem wurden zwei Stangen (12) aus rostfreiem Stahl an jedem Ende der GRAFOIL -Anschnitteinrichtung (10) angeordnet, aber sie standen nicht mit der Aluminiumlegierung (11) in Berührung. Die Stangen (12) dienten dazu, die Anschnitteinrichtung (10) während der spontanen Infiltrierung in ihrer Lage zu halten. Die GRAFOIL -Schachtel (8) wurde dann in ein Graphitschiffchen (14) verbracht. Ein Bett (13) aus 24 grit Alundum wurde um die Schachtel (8) herum in der gemäß Beispiel 1 beschriebenen Weise angeordnet.
Das Graphitschiffchen (14) wurde dann in einen Vakuumofen verbracht und wie vorstehend in Beispiel 1 erörtert gespült. Während der anschließenden Erhitzungs- und Infiltrierungsschritte wurde Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,5 Litern pro Minute durch den Vakuumofen geleitet. Der Ofen wurde auf etwa 725ºC während eines Zeitraums von etwa 5 Stunden erhitzt. Diese Temperatur wurde während etwa 45 Stunden aufrechterhalten, danach wurde der Ofen abgeschaltet und auf natürliche Weise kühlen gelassen. Das Graphitschiffchen wurde aus dem Ofen entfernt, und die Gerippelegierung wurde wie vorstehend in Beispiel 1 erörtert aus der Vorform entfernt. Wie insbesondere in Fig. 4 gezeigt, war der Metallmatrix-Verbundkörper (40) im wesentlichen vollständig durch das Matrixmetall infiltriert. Das Gerippe des Matrixmetalls (41) ließ sich leicht von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper (40) trennen, indem die beiden Körper auseinandergezogen wurden. Der rechteckige Bereich (42) auf beiden Körpern entspricht dem Durchlaß (31) in der Anschnitteinrichtung (10), welcher es dem schmelzflüssigen Matrixmetall gestattete, hindurchzufließen.
In jedem dieser Beispiele wurden die GRAFOIL -Schachtel und die Anschnitteinrichtung leicht, wo notwendig, durch leichtes Sandstrahlen entfernt. In einigen Fällen kann es notwendig sein, leicht zu schleifen, zu ätzen usw., um die verbleibenden Verarbeitungsmaterialien zu entfernen.
Diese beiden Beispiele zeigen zwei Vorteile dieser Erfindung. Nachdem die spontane Infiltrierung der Metallmatrixlegierung in eine Vorform stattgefunden hat, muß insbesondere das Gerippe des Matrixmetalls nicht spanend bearbeitet werden, um es von dem Matrixmetall-Verbundkörper zu trennen. Außerdem verhinderte die Anschnitteinrichtung ein Verbiegen des Metallmatrix-Verbundkörpers beim Kühlen. Insbesondere hatte das Aluminium in dem Matrixmetallgerippe einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der gebildete Metallmatrix- Verbundkörper. Dementsprechend schrumpfte das Gerippe beim Abkühlen mit einer höheren Geschwindigkeit als der infiltrierte Verbundkörper, und, falls das Gerippe in direktem Kontakt mit dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper steht, neigt das Gerippe dazu, zu bewirken, daß der Verbundkörper sich verbiegt (beispielsweise U-förmig wird). Die Anschnitteinrichtung der Erfindung stellt eine Lösung zur Verringerung der unerwünschten Aspekte jedes der vorstehend erörterten Probleme zur Verfügung.

Beispiel 3

Fig. 5 zeigt im Querschnitt einen Aufbau, bei dem eine Anschnitteinrichtung zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Insbesondere wurde Graphitschiffchen 50 mit den Abmessungen von etwa 8 Zoll (203 min) mal etwa 4 Zoll (102 mm) und einer Höhe von etwa 3 Zoll (76 mm) auf seinen Innenflächen mit einer kolloidalen Graphitaufschlämmung 52 (DAG 154, Acheson Colloids Company, Port Huron, MI) überzogen, die in Luft bei Raumtemperatur während etwa vier (4) Stunden trocknen gelassen wurde. Eine gleichmäßige Schicht Magnesiumpulver 56 (-100 mesh, Hart Corporation, Tamagua, PA) wurde unter Verwendung eines Klebematerials 54, das etwa 40 Vol.-% RIGIDLOCK Graphitkleber (Polycarbon Corporation, Valencia, CA) und als Rest Ethylalkohol enthielt, an die Unterseite des Graphitschiffchens 50 angeklebt.
Etwa 1000 g eines Füllstoffmaterials, das etwa 4 Gew.-% Magnesiumpulver (-325 mesh, Hart Corporation) und als Rest 220 grit 39 CRYSTOLON grünes Silicumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) enthielt, wurden durch Verbringen der Magnesium- und Siliciumcarbidteilchen in ein 2-Liter-Kunststoffgefäß und Walzenmischen während etwa 2 Stunden hergestellt. Etwa 704 g des walzengemischten Füllstoffmaterials 58 wurden dann in das Graphitschiffchen 50 gegossen und nivelliert. Eine Schicht von -100 mesh Magnesiumpulver 60 wurde dann auf das nivellierte Füllstoffmaterial verbracht. Eine Folie aus etwa 14 mil (0,36 mm) dicker GRAFOIL -Graphitfolie 62 (Union Carbide Corporation, Danbury, CT), die im wesentlichen die gleiche Länge und Breite wie die Innenabmessungen des Schiffchens hatte und ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 1 1/2 Zoll (38 mm) in der Folie zentriert aufwies, wurde in das Graphitschiffchen 50 auf die Schicht des Magnesiumpulvers 60 verbracht. Ein Graphitring 64 mit einem Durchmesser von etwa 1 3/4 Zoll (44 mm) und einer Höhe von etwa 3/8 Zoll (10 mm) wurde über dem Loch in der Graphitfolie zentriert und unter Verwendung von kolloidalem Graphit (DAG 154) angeklebt. Der Ringhohlraum 66 wurde mit Magnesiumpulver (-100 mesh, Hart Corporation) gefüllt. Ein teilchenförmiges 90 grit 38 ALUNDUM Aluminiumoxidmaterial 68 (Norton Company, Worcester, MA) wurde dann in das Graphitschiffchen 50 um die Außenseite des Graphitrings 64 herum bis zu einem Niveau aufgebracht, das im wesentlichen mit der oberen Fläche des Graphitrings 64 bündig war. Ein Matrixmetallblock 70, der etwa 12 Gew.-% Silicium, 2 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt und etwa 1170 g wog, wurde in das Graphitschiffchen 50 verbracht und oberhalb des Graphitrings 64 zentriert.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei Raumtemperatur verbracht. Die Ofenkammer wurde auf ein Vakuum von etwa 30 Zoll (762 mm) Hg evakuiert und dann mit Stickstoffgas aufgefüllt, um innerhalb des Ofens eine Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 3 Litern pro Minute einzustellen. Die Ofentemperatur wurde auf etwa 525ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht und bei einer Temperatur von etwa 525ºC während etwa einer Stunde gehalten. Dann wurde die Temperatur auf etwa 775ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht, bei einer Temperatur von etwa 775ºC während etwa 10 Stunden gehalten und dann auf etwa 675ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Bei einer Temperatur von etwa 675ºC wurden das Graphitschiffchen und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt und auf eine wassergekühlte Aluminiumabschreckplatte gelegt. Ein teilchenförmiges, heißes FEEDOL 9 Oberschichtmaterial (Foseco, Inc., Cleveland, OH) wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls gegossen. Ein keramischer CERABLANKET Fasermantel (Manville Refractory Products, Denver, CO), der etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf die Oberseite der Anordnung verbracht. Nach Kühlen im wesentlichen auf Raumtemperatur wurde die Anordnung aus dem Graphitschiffchen entfernt, und das unfiltrierte Aluminiumoxidpulver wurde ausgegossen. Unter Verwendung von mäßigem Handdruck wurde dann das Gerippe von restlichem Matrixmetall leicht von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper an der Grenzfläche zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörper und dem unverstärkten Matrixmetall innerhalb des Graphitrings der Anschnitteinrichtung entfernt.

Beispiel 4

Fig. 6 zeigt im Querschnitt einen Aufbau, in dem eine Anschnitteinrichtung zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Insbesondere wurde eine teilchenförmige Mischung, die etwa 200 g Grade A-200 Aluminiumnitrid (Advanced Refractory Technologies, Inc., Buffalo, NY) und etwa 10 g Magnesium (-325 mesh, Hart Corporation, Tamaqua, PA) enthielt, in ein 1-Liter-Kunststoffgefäß verbracht und während etwa 2 Stunden walzengemischt. Die Mischung wurde dann in ein Preßgesenk verbracht und unter einem uniaxial ausgeübten Druck von etwa 5000 psi (35 MPa) zur Bildung einer Vorform 80 mit den Abmessungen von etwa 3 Zoll (76 mm) mal etwa 3 Zoll (76 mm) und einer Dicke von etwa 0,75 Zoll (19 mm) verbracht. Ein Graphitring 82 mit einem Durchmesser von etwa 1,75 Zoll (44 mm) und einer Höhe von etwa 0,375 Zoll (10 mm) wurde auf einer der 3 Zoll (76 mm) im Quadrat messenden Flächen der Vorform 80 zentriert. Die Oberflächen der Vorform 80, die nach außen mit Bezug auf die Anschnitteinrichtung 82 lagen, wurden mit AERODAG GS kolloidalem Graphit 84 (Acheson Colloids Company, Port Huron, MI) aerosolsprühbeschichtet. Der Graphitring 82 und die beschichtete Vorform 80 wurden dann in Luft bei Raumtemperatur während etwa 3 bis 5 Stunden trocknen gelassen.
Ein Graphitschiffchen 86 mit den Abmessungen von etwa 6 Zoll (152 mm) im Quadrat und einer Höhe von etwa 3 Zoll (76 mm) wurde auf eine Tiefe von etwa 1/2 Zoll (13 mm) mit 220 grit 38 ALUNDUM teilchenförmigem Aluminiumoxid 88 (Norton Company) gefüllt. Der Graphitring 82 und die beschichtete Vorform 80 wurden dann in das Graphitschiffchen 86 auf die Oberseite des Aluminiumoxids 88 verbracht. Zusätzliches Aluminiumoxid wurde in das Graphitschiffchen 86 um die Vorform 80 und den Graphitring 82 herum bis auf ein Niveau im wesentlichen bündig mit der Oberseite des Graphitrings 82, aber etwas höher nach außen in der Nähe der Wände des Graphitschiffchens 86 verbracht, um die Anschnitteinrichtung herzustellen. Der Innenraum 90 innerhalb des Graphitrings 82 wurde dann mit -50 mesh Magnesiumpulver (Hart Corporation) gefüllt. Ein etwa 623 g schwerer Block aus Matrixmetall 92, der im Handel erhältliches, reines Aluminiummetall umfaßte und etwa 3 Zoll (76 mm) im Quadrat maß und etwa 1 1/2 Zoll (38 mm) dick war, wurde dann in das Graphitschiffchen 86 verbracht und oberhalb des Graphitrings 82 zentriert.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einem widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei Raumtemperatur verbracht. Die Ofenkammer wurde auf ein Vakuum von etwa 30 Zoll (762 mm) Hg evakuiert und dann mit Stickstoffgas aufgefüllt, um innerhalb des Ofens eine Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 3 Litern pro Minute einzustellen. Die Ofentemperatur wurde auf etwa 525ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht und bei einer Temperatur von etwa 525ºC während etwa einer Stunde gehalten. Dann wurde die Temperatur auf etwa 775ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nach Aufrechterhaltung einer Temperatur von etwa 775ºC während etwa 7 Stunden, wurde die Temperatur gehalten dann auf etwa 675ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Bei einer Temperatur von etwa 675ºC wurden das Graphitschiffchen und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt und auf eine wassergekühlte Aluminiumabschreckplatte gelegt. Ein teilchenförmiges, heißes FEEDOL 9 Oberschichtmaterial (Foseco, Inc., Cleveland, OH) wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls gegossen. Ein keramischer CERABLANKET Fasermantel (Manville Refractory Products, Denver, CO), der etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf die Oberseite der Anordnung verbracht. Nach Kühlen im wesentlichen auf Raumtemperatur wurde die Anordnung aus dem Graphitschiffchen entfernt, und das unfiltrierte Aluminiumoxidpulver wurde ausgegossen. Dann wurde das Gerippe des restlichen Matrixmetalls von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper abgetrennt, indem durch den Graphitring und das darin befindliche unverstärkte Matrixmetall geschnitten wurde.

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel wurden vier Metallmatrix-Verbundkörper in einer Weise, die dem Verfahren von Beispiel 4 im wesentlichen identisch war, mit der Ausnahme hergestellt, daß die vier Vorformkörper in ein einziges Graphitschiffchen verbracht und gleichzeitig bearbeitet wurden. Insbesondere wurden etwa 10.000 g dichte Aluminiumoxidmahlmedien, wobei jedes Teilchen einen Durchmesser von etwa 0,94 Zoll (24 mm) hatte, in eine 8-Liter-Porzellankugelmühle verbracht. Etwa 5000 g teilchenförmiges -325 mesh T64 Tabular Alumina Aluminiumoxidfüllstoffmaterial (Alcoa Industrial Chemicals Div., Bauxite, AR) wurden der Mühle zugegeben, und der Aluminiumoxidfüllstoff wurde während sechs Stunden trocken in einer Kugelmühle vermahlen. Die Mahlmedien wurden dann aus der Kugelmühle entfernt, und etwa 100 g -325 mesh Magnesium (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurden dem Aluminiumoxidfüllstoff in der Kugelmühle zugegeben, die dann während etwa 2 Stunden walzengemischt wurden. Die walzengemischte Mischung wurde dann in die Mischkammer eines intensitätsstarken Mischers (Eirich Intensive Mixer, Modell RV 02, Eirich Machines Inc., Uniontown, PA) umgefüllt, und etwa 570 g einer Bindemittellösung, die etwa 20% QPAC Polypropylencarbonatbindemittel (Air Products and Chemicals, Inc., Emmaus, PA), 10% Propylencarbonat (Fisher Scientific, Pittsburgh, PA) und als Rest Aceton umfaßte, wurden gleichmäßig in das Pulver mit dem intensitätsstarken Mischer dispergiert. Das Pulver wurde dann unter einem angewandten Druck von etwa 10.000 psi (69 MPa) in eine Vorform uniaxial gepreßt, die etwa 3 Zoll (76 mm) im Quadrat maß und etwa 5/8 Zoll (16 mm) dick war. Drei weitere solcher Vorformen wurden auf die gleiche Weise gepreßt.
Ein Graphitring mit einem Durchmesser von etwa 2 Zoll (51 mm) und einer Höhe von etwa 3/8 Zoll (10 mm) wurde in die Mitte von einer der 3 Zoll (76 mm) im Quadrat messenden Flächen auf jeder der vier Vorformen unter Verwendung einer DAG 154 kolloidalen Graphitpaste (Acheson Colloid Company, Port Huron, MI) geklebt. Die vier Vorformen wurden in Luft bei Raumtemperatur während etwa 3 bis 5 Stunden trocknen gelassen. Nach dem Trocknen wurden die vier Vorformen in eine GRAFOIL Graphitfolienschachtel (Union Carbide Corp., Danbury, CT) mit den Abmessungen von etwa 8 1/2 Zoll (216 mm) mal 11 1/2 Zoll (292 mm) und einer Höhe von etwa 4 Zoll (102 mm) verbracht, die von einander um 1/2 Zoll (131 mm) und 1 Zoll (25 mm) beabstandet waren. Ein Bettmaterial, das etwa 15 Gew.-% P54 Borsilicat-Glasfritte (Mobay Chemical Corporation, Inorganic Chemicals Div., Baltimore, MD) und als Rest gleiche Gewichtsteile von 90, 220 und 500 grit E1 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA) umfaßte, wurde in eine Graphitfolienschachtel um die Vorformen und bis zu einem Niveau gelegt, das im wesentlichen mit der Oberseite der Graphitringe bündig war, aber in Richtung auf die Wände der Grapitfolienschachtel etwas höher war. Das Innere jedes Graphitrings wurde mit -100 mesh Magnesiumpulver (Hart Corporation) gefüllt. Zwei Matrixmetallblöcke, die etwa 9,5 bis 10,6 Gew.-% Magnesium, ≤ 0,25 Gew.-% Silicium, ≤ 0,3 Gew.-% Eisen, ≤ 0,25 Gew.-% Kupfer, ≤ 0,15 Gew.-%Mangan, ≤ 0,15 Gew.-% Zink, ≤ 0,25% Gew.-% Titan und als Rest Aluminium enthielten, wobei jeder Block etwa 8 Zoll (203 mm) mal etwa 4 Zoll (102 mm) mal etwa 1 1/2 Zoll (38 mm) maß und etwa 2160 g wog, wurden in die Graphitfolienschachtel so verbracht, daß jeder Matrixmetallblock zwei Vorform-/Graphitrohr-Anordnungen kontaktierte. Die Graphitfolienschachtel und ihr Inhalt wurden dann in ein Graphitschiffchen, das etwa 9 Zoll (229 mm) mal etwa 12 Zoll (305 mm) maß und etwa 4 Zoll (102 mm) hoch war, verbracht.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei Raumtemperatur verbracht. Die Ofenkammer wurde auf ein Vakuum von etwa 30 Zoll (762 mm) Hg evakuiert und dann mit Stickstoffgas aufgefüllt, um innerhalb des Ofens eine Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 4 Litern pro Minute einzustellen. Die Ofentemperatur wurde auf etwa 250ºC in einer Stunde erhöht, bei etwa 250ºC während etwa einer Stunde gehalten, und dann auf etwa 450ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 50ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 450ºC während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur auf etwa 775ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 150ºC pro Stunde erhöht, bei einer Temperatur von etwa 775ºC während etwa 7 Stunden gehalten und dann auf etwa 675ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Bei einer Temperatur von etwa 675ºC wurden das Graphitschiffchen und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt und auf eine wassergekühlte Aluminiumabschreckplatte gelegt. Ein teilchenförmiges, heißes FEEDOL 9 Oberschichtmaterial (Foseco, Inc., Cleveland, OH) wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls gegossen. Ein keramischer CERABLANKET Fasermantel (Manville Refractory Products, Denver, CO), der etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf die Oberseite der Anordnung in dem Graphitschiffchen verbracht. Nach Kühlen im wesentlichen auf Raumtemperatur wurde die Anordnung aus dem Graphitschiffchen entfernt. Das Bett aus Aluminium und Glasfritte wurde von der Anordnung durch leichte Hammerschläge entfernt, um ein Metallmatrix freizulegen, das die Vorform zur Herstellung von vier Metallmatrix-Verbundkörpern infiltriert hatte. Die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper wurden dann von dem Gerippe des restlichen Matrixmetalls entfernt, indem durch die Graphitringe und das darin enthaltene unverstärkte Matrixmetall unter Verwendung einer Säge geschnitten wurde.

Beispiel 6

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wurde auf eine Weise hergestellt, die im wesentlichen dem Verfahren von Beispiel 4 identisch war, wie in Fig. 6 gezeigt, mit der Ausnahme, daß eine Graphitfolie zwischen die Vorform und das lose Aluminiumoxid-Bettmaterial gelegt wurde statt eines Überzugs aus kolloidalem Graphit. Insbesondere wurde eine wässerige Lösung von BLUONIC A kolloidales Aluminiumoxid (Buntrock Industries, Inc., Lively, VA), die etwa 261,4 g wog, mit etwa 522,8 g Wasser verdünnt und in ein 2-Liter-Kunststoffgefäß verbracht. Etwa 1280,9 g 220 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid (Norton Co., Worcester, MA) und etwa 548,9 g 500 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid wurden dem Gefäß zur Herstellung einer Aufschlämmung zum Sedimentgießen zugegeben. Die Aufschlämmung wurde während etwa 45 Minuten walzengemischt und dann in eine Silicongummiform mit einem Innenhohlraum von etwa 7 Zoll (178 mm) im Quadrat und einer Tiefe von etwa 1 1/2 Zoll (38 mm) gegossen. Die Form wurde während etwa 2 Stunden auf einem Vibrationstisch schwingen gelassen, um bei der Sedimentbildung zu helfen und jegliches überschüssige Wasser auf der Oberfläche der gebildeten sedimentgegossenen Vorform wurde mit einem Papiertuch entfernt. Die Silicongummiform wurde dann von dem Vibrationstisch entfernt und in einen Gefrierraum verbracht. Nachdem das restliche Wasser in der Vorform gründlich gefroren worden ist, wurden die Silicongummiform und die Vorform aus dem Gefrierraum entfernt, und die gefrorene sedimentgegossene Vorform wurde aus der Form entfernt. Die Vorform wurde auf ein Bett aus 90 grit 38 ALUNDUM teilchenförmigem Aluminiumoxidmaterial (Norton Company) verbracht und in Luft bei Raumtemperatur während etwa 16 Stunden trocknen gelassen.
Nach dem Trocknen wurde die sedimentgegossene Vorform auf ein Bett aus 90 grit Aluminiumoxid überführt, das von einer feuerfesten Platte getragen wurde und in einen widerstandsbeheizten Luftatmosphären-Ofen zum Brennen verbracht. Die Ofentemperatur wurde von im wesentlichen Raumtemperatur auf eine Temperatur von etwa 1050ºC während eines Zeitraums von 10 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 1050ºC während etwa 2 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur auf im wesentlichen Raumtemperatur während eines Zeitraums von etwa 10 Stunden abgesenkt.
Eine GRAFOIL Graphitfolienschachtel (Union Carbide Company, Danbury, CT), die etwa 8,5 Zoll (216 mm) im Quadrat maß und etwa 4 Zoll (102 mm) hoch war, wurde in ein Graphitschiffchen mit den Innenabmessungen von etwa 9 Zoll (229 mm) im Quadrat und einer Höhe von etwa 4 Zoll (102 mm) verbracht, und die gebrannte, sedimentgegossene Vorform wurde auf die Unterseite der Graphitfolienschachtel verbracht. Ein Bettmaterial, das etwa 15 Gew.-% F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc. Carrollton, OH) und als Rest gleiche Verhältnisse von 90, 220 und 500 grit E1 ALUNDUM Aluminiumoxid enthielt wurde in die Graphitfolienschachtel um die gebrannte, sedimentgegossene Vorform herum auf ein Niveau verbracht, das im wesentlichen mit der Oberseite der Vorform bündig war. Eine dünne Oberflächensschicht von -100 mesh Magnesiumpulver (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurde auf die Oberseite der Vorform gestreut.
Ein Graphitring mit einem Innendurchmesser von etwa 2 1/2 Zoll (64 mm) und einer Höhe von etwa 1/2 Zoll (13 mm) wurde über ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 2 1/2 Zoll (64 mm) in einer Folie einer 14 mil (0,36 mm) dicken Graphitfolie, die etwa 7 Zoll (178 mm) im Quadrat maß, zentriert. Der Graphitring wurde dann an der Graphitfolie mit einer dünnen Schicht eines Klebstoffs angeklebt, der etwa 40 Vol.-% RIGIDLOCK Graphitklebstoff (Polycarbon Corporation, Valencia, CA) und als Rest Ethylalkohol umfaßte. Die verbundenen Graphitkomponenten wurden in Luft bei Raumtemperatur während etwa vier (4) Stunden trocknen gelassen.
Die Graphitfolien- und -ringanordnung wurde dann in die Graphitfolienschachtel auf die Schicht aus -100 mesh Magnesiumpulver mit dem Graphitring nach oben gerichtet verbracht. Die Innenseite des Graphitrings wurde dann mit einer trockenen teilchenförmigen Mischung gefüllt, die etwa 1 Gew.-% -100 mesh Magnesiumpulver, 1 Gew.-% -325 mesh Magnesiumpulver, 29 Gew.-% 90 grit 39 CRYSTOLON grünes Siliciumcarbid und als Rest 54 grit grünes Siliciumcarbid enthielt. Zusätzliches Bettmaterial (eine teilchenförmige Mischung aus Aluminiumoxid und Glasfritte) wurde dann in die Graphitschachtel um die Graphitfolien- und -ringanordnung auf eine Höhe gegossen, die im wesentlichen mit der Oberseite des Graphitrings bündig war, aber etwas höher in Richtung auf die Wände der Graphitschachtel war. Ein etwa 1736 g schwerer Block Matrixmetall, der etwa 5 Zoll (127 mm) im Quadrat maß und etwa 1 1/2 Zoll (38 mm) dick war und etwa 12 Gew.-% Silicium, 6 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in die Graphitfolienschachtel verbracht und über dem Graphitring zentriert.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei Raumtemperatur verbracht. Die Ofenkammer wurde auf ein Vakuum von etwa 30 Zoll (762 mm) Hg evakuiert und dann mit Stickstoffgas aufgefüllt, um innerhalb des Ofens eine Gasströmungsgeschwindigkeit von etwa 3 Litern pro Minute einzustellen. Die Ofentemperatur wurde auf etwa 825ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 150ºC pro Stunde erhöht, bei etwa 825ºC während etwa 20 Stunden gehalten, und dann auf etwa 700ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Bei einer Temperatur von etwa 700ºC wurden das Graphitschiffchen und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt und auf eine wassergekühlte Aluminiumabschreckplatte gelegt. Ein teilchenförmiges, heißes FEEDOL 9 Oberschichtmaterial (Foseco, Inc., Cleveland, OH) wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls gegossen. Eine keramische CERABLANKET Faserisolierung (Manville Refractory Products, Denver, CO), die etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf die Oberseite des Graphitschiffchens verbracht, um die Richtungsverfestigung weiter zu unterstützen. Nach Kühlen im wesentlichen auf Raumtemperatur wurde die Anordnung aus dem Graphitschiffchen entfernt.
Das Bett aus Aluminiumoxid und Glasfrittenmaterial wurde von der Anordnung mit leichten Hammerschlägen entfernt, um zu zeigen, daß das Matrixmetall die niederschlagsgegossene Vorform infiltriert hatte, um einen Metallmatrix-Verbundkörper von im wesentlichen der gleichen Größe und Gestalt wie die Vorform herzustellen. Das Gerippe des restlichen Matrixmetalls wurde dann leicht von dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper durch die Verwendung von mäßigem Handdruck abgebrochen. Die zwei Stücke wurden an der Grenze zwischen dem Metallmatrix-Verbundkörpermaterial innerhalb des Graphitrings und dem Gerippe des vorstehenden restlichen Matrixmetalls getrennt. Der Graphitring und das Metallmatrix-Verbundkörpermaterial innerhalb des Rings wurden von dem Metallmatrix-Verbundkörper durch spanende Diamantbearbeitung getrennt.

Beispiel 7

Dieses Beispiel zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörper unter Verwendung einer Anschnitteinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Eine bandgegossene Siliciumcarbidvorform, erhalten von Keramos Industries, Inc., Morrisville, PA, mit den Abmessungen von etwa 8 Zoll (203 mm) mal etwa 7 Zoll (177 mm) und einer Dicke von etwa 0,145 Zoll (4 mm), die etwa 70 Gew.-% 220 grit, 10 Gew.-% 500 grit, 10 Gew.-% 800 grit und 10 Gew.-% 1000 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) enthielt, wurde mit ihrer flachsten Seite nach unten gerichtet auf eine perforierte Cordieritplatte verbracht. Die Vorform wurde mit einer Folie aus FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (The Carborundum Company, Niagara Falls, NY) bedeckt. Eine zweite Cordieritplatte wurde auf die Oberseite des Faserisolierungspapiers zur Bildung einer Anordnung gelegt. Die Anordnung wurde in einen Raumtemperatur-Luftatmosphärenofen verbracht. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 425ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 50ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 425ºC erreicht worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 1050ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 1050ºC während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa Raumtemperatur in etwa 5 Stunden abgesenkt. Die Anordnung wurde aus dem Ofen entfernt, und das Gewicht der Vorform wurde mit etwa 257,04 g bestimmt.
Die Vorform wurde auf eine Drehplattform mit der flachen Seite nach oben verbracht. Eine erste Kante und die flache Seite der Vorform wurden mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung (Borden, Inc., Columbus, OH) sprühbeschichtet. Die Drehplattform und die Vorform wurden um 90º gedreht und eine zweite Kante der Vorform und die flache Seite wurden mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet. Dieses Verfahren wurde wiederholt, bis alle vier Kanten der Vorform mit einer Schicht KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet waren und die flache Seite der Vorform mit vier Schichten KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet war. Eine Temperatur von etwa 65ºC wurde innerhalb eines Luftatmosphärenofens eingestellt, und die Vorform wurde von der Drehplattform in den Luftatmosphärenofen überführt. Nach etwa 10 Minuten wurde die Vorform aus dem Luftatmosphärenofen entfernt und unter eine Abzugshaube gelegt, bis der Überzug im wesentlichen getrocknet war. Die Vorform wurde aus der Abzugshaube entfernt, auf eine Waage gelegt, und ein Vorformgewicht von etwa 257,22 g wurde festgehalten.
Eine Mischung, die etwa 50 Vol.-% DAG 154 kolloidales Graphit (Acheson Colloids, Port Huron, MI) und etwa 50 Vol.-% denaturiertes Ethanol enthielt, wurde hergestellt. Die Vorform wurde auf eine Drehplattform mit ihrer flachen Seite nach oben verbracht, und eine Luftspritzeinrichtung wurde verwendet, um eine dünne Schicht der Mischung auf eine erste Kante und die flache Seite der Vorform aufzubringen. Die Plattform und die Vorform wurden um 90º gedreht, und die Mischung wurde auf eine zweite Kante und die flache Seite der Vorform aufgebracht. Dieses Verfahren wurde wiederholt, bis alle vier Kanten der Vorform mit zwei Schichten und die flache Seite der Vorform mit acht Schichten der Mischung überzogen waren, obgleich aufgrund von Übersprühen und Ablaufen der Mischung während des Überziehens der flachen Seite der Vorform, die Dicke der Überzüge auf den Kanten in etwa gleich der Dicke der Überzüge auf der flachen Seite der Vorform war, wodurch eine Sperrschicht der Vorform gegenüber geschaffen wurde. Dann wurde die Vorform trocknen gelassen. Nachdem die Vorform im wesentlichen trocken war, wurde die Vorform auf eine Waage gelegt, und ein Vorformgewicht von etwa 257,92 g wurde festgehalten. Die Vorform wurde auf eine Drehplattform mit der flachen Seite nach unten gelegt. Die Vorform wurde mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung auf im wesentlichen die gleiche Weise wie bei der vorstehend beschriebenen KRYLON Sprühbeschichtung sprühbeschichtet. Eine Temperatur von etwa 65ºC wurde innerhalb eines Luftatmosphärenofens eingestellt, dann wurde die Vorform von der Drehplattform zu dem Luftatmosphärenofen überführt und während etwa 10 Minuten erhitzt. Die Vorform wurde aus dem Luftatmosphärenofen entfernt und unter eine Abzugshaube gelegt. Nachdem die Vorform im wesentlichen getrocknet war, wurde die Vorform auf eine Waage gelegt, und ein Vorformgewicht von etwa 258,7 g wurde festgehalten. Die Vorform wurde dann mit der flachen Seite nach unten auf eine Drehplattform verbracht, und eine Luftspritzeinrichtung wurde verwendet, um eine dünne Schicht der Mischung auf den oberen Bereich der Vorform aufzubringen. Die Mischung wurde dann vollständig trocknen gelassen. Insgesamt wurden drei Schichten der Mischung auf diese Weise zur Ausbildung einer Anschnitteinrichtung aufgebracht, dann wurde die Vorform auf eine Waage gelegt, und ein Vorformgewicht von etwa 259,23 g wurde festgehalten.
Wie in Fig. 7 gezeigt, wurde eine Folie einer GRAFOIL Graphitfolie (71) (Union Carbide Company, Danbury, CT), die etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 Zoll (235 mm) maß und etwa 0,015 Zoll (0,4 mm) dick war, auf die Unterseite eines Graphitschiffchens (72) mit den Innenabmessungen von etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 Zoll (235 mm) und einer Höhe von etwa 1 Zoll (25 mm) gelegt. Eine etwa 3/8 Zoll (9 mm) dicke Schicht Bettmaterial (73), das etwa 10 Gew.-% F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc., Carrollton, OH) aufwies und als Rest etwa 70 Gew.-% 36 grit und etwa 30 Gew.- % 60 grit E-38 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA) aufwies, wurde in das Graphitschiffchen (72) auf die GRAFOIL Folie (71) gegossen. Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um eine nivellierte Schicht des Bettmaterials (73) zu erhalten.
Ein Matrixmetallblock (74), der etwa 1462,92 g wog und etwa 20 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in ein Ethanolbad verbracht. Die Oberfläche des Matrixmetallblocks (74) wurde von Hand unter Verwendung eines Papiertuchs gereinigt, dann wurde der Matrixmetallblock (74) aus dem Ethanolbad entfernt und in einen Luftatmosphärenofen verbracht. Eine Temperatur von etwa 68ºC wurde innerhalb des Ofens eingestellt, und nach Erhitzen des Matrixmetallblocks während etwa 15 Minuten, wurde der Matrixmetallblock (74) aus dem Ofen entfernt und auf das Bettmaterial (73) innerhalb des Graphitschiffchens (72) gelegt. Zusätzliches Bettmaterial (73) wurde in das Graphitschiffchen (72) um den Matrixmetallblock (74) herum bis zu einem Niveau gegossen, das im wesentlichen das gleiche war wie der oberste Bereich des Matrixmetallblocks (74). Eine Folie einer GRAFOIL Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT), die etwa 8 1/4 Zoll (210 mm) mal etwa 7 1/4 Zoll (184 mm) maß und eine Dicke von etwa 0,005 Zoll (0,1 mm) hatte, wurde hergestellt, indem zuerst ein rechteckiges Loch mit den Abmessungen von etwa 7 7/8 Zoll (200 mm) mal etwa 6 7/8 Zoll (175 mm) in das Zentrum der GRAFOIL Folie zur Herstellung eines GRAFOIL Rahmens (75) geschnitten wurde. Eine Seite des GRAFOIL Rahmens (75) wurde mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet. Der GRAFOIL Rahmen (75) wurde dann auf der Oberseite des Matrixmetallblocks (74) zentriert, wobei die Acrylbeschichtung in Kontakt mit dem Matrixmetallblock (74) stand. Der Teil des Matrixmetallblocks (74) innerhalb der inneren Grenzen des GRAFOIL Rahmens (75) wurde mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet. Etwa 5,6 g -50 mesh atomisiertes Magnesium (76) (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurde auf einen Teil des Matrixmetallblocks (74) innerhalb der inneren Grenzen des GRAFOIL Rahmens (75) gestreut. Der GRAFOIL Rahmen (75), das -50 mesh atomisierte Magnesium (76) und der Matrixmetallblock (74) wurden dann mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet, und die Acrylsprühbeschichtung wurde etwa 3 Minuten trocknen gelassen. Die Vorform (77) wurde auf der Oberseite des GRAFOIL Rahmens (75) zentriert, wobei die flache Seite der Vorform (77) in Kontakt mit dem GRAFOIL Rahmen (75), dem -50 mesh atomisierten Magnesium (76) und dem Matrixmetallblock (74) stand.
Das Graphitschiffchen (72) und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei etwa Raumtemperatur verbracht. Der Ofen wurde abgedichtet, auf etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum evakuiert und dann mit Stickstoffgas auf etwa Atmosphärendruck aufgefüllt. Eine Stickstoffgasströmungsgeschwindigkeit von etwa 5 Litern pro Minute wurde innerhalb des Ofens eingestellt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 225ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 225ºC während etwa 52 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 850ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 850ºC während etwa 10 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 825ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Das Graphitschiffchen (72) und sein Inhalt wurden dann aus dem Ofen entfernt. Eine Schicht aus CERABLANKET keramischem Isolierungsmaterial (Manville Refractory Products, Denver, CO), die etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 min) maß und etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf einen Graphittisch gelegt. Eine einzige Folie der GRAFOIL Graphitfolie mit den Abmessungen von etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 mm) und einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) wurde auf die Oberseite des CERABLANKET Faserisolierungsmaterials gelegt. Das Graphitschiffchen (72) und sein Inhalt wurden auf die Oberseite der GRAFOIL Graphitfolie gelegt und kühlen gelassen. Nach etwa 13 Minuten, wurden leichte Meißelschläge auf das verfestigte Matrixmetall aufgebracht, wodurch bewirkt wurde, daß sich der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper von dem Matrixmetall trennte.

Beispiel 8

Dieses Beispiel zeigt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern unter Verwendung einer Anschnitteinrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Insgesamt 18 spritzgegossene Vorformen, die im wesentlichen 220 grit und 1000 grit teilchenförmiges Siliciumcarbid enthielten, wurden von Technical Ceramics Laboratories, Inc., Alpharetta, GA, erhalten.
Ein etwa 12 Zoll (305 mm) langes mal etwa 6 Zoll (152 mm) breites Blatt FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (The Carborundum Company, Niagara Falls, NY) wurde auf eine feuerfeste Platte, die etwa 12 Zoll (304 mm) lang, etwa 6 Zoll (152 mm) breit und etwa 1 Zoll (25 mm) dick war, gelegt, und die Vorformen wurden auf das Faserisolierungspapier gelegt. Die Anordnung aus feuerfester Platte, Faserisolierungspapier und Vorform wurde in einen Luftatmosphärenofen bei Raumtemperatur verbracht. Die Temperatur des Ofens wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 425ºC in etwa 8 Stunden erhöht. Die Temperatur in dem Ofen wurde dann auf etwa 1050ºC in etwa 3 Stunden erhöht. Nach Aufrechterhalten einer Temperatur von etwa 1050ºC während etwa 1 Stunde wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa Raumtemperatur in etwa 5 Stunden abgesenkt. Die Anordnung von feuerfester Platte/Faserisolierungspapier und Vorform wurde aus dem Ofen entfernt.
Jede Vorform wurde gewogen und ihr Gewicht festgehalten, wobei die Vorformgewichte im Bereich von etwa 5,78 g bis etwa 5,96 g lagen. Alle 18 Vorformen wurden dann auf die folgende Weise behandelt. Eine Vorform wurde auf eine Drehplattform mit ihrer flachen Seite nach oben gelegt. Die flache Seite und die Kanten der Vorform wurden leicht mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung (Borden, Inc., Columbus, OH) sprühbeschichtet. Die Drehplattform und die Vorform wurden langsam gedreht, um sicherzustellen, daß jede Kante der Vorform leicht mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung überzogen wurde. Eine Temperatur von etwa 65ºC wurde innerhalb eines Luftatmosphärenofens eingestellt, und die Vorform wurde von der Drehplattform zu dem Luftatmosphärenofen überführt. Nach etwa 10 Minuten wurde die Vorform aus dem Luftatmosphärenofen entfernt und unter eine Abzugshaube gelegt, bis der Überzug im wesentlichen trocken war. Eine Mischung, die etwa 50 Vol.-% DAG 154 kolloidales Graphit (Achseon Colloids, Port Huron, MI) und etwa 50 Vol.-% denaturiertes Ethanol enthielt, wurde hergestellt. Die Vorform wurde auf eine Drehplattform mit der flachen Seite nach oben gelegt, und eine Luftspritzeinrichtung wurde verwendet, um eine dünne Schicht der Mischung auf die flache Seite und die Kanten der Vorform aufzubringen. Die Plattform und die Vorform wurden gedreht, um sicherzustellen, daß alle Kanten mit einer im wesentlichen gleichförmigen Schicht der Mischung sprühbeschichtet wurden. Die Mischung wurde trocknen gelassen, und das Verfahren wurde wiederholt. Insgesamt etwa 0,04 g der Mischung wurden aufgebracht, um auf der Oberseite und den Kanten der Vorform eine Sperrschicht zu bilden. Die Vorform wurde auf eine Drehplattform mit ihrer flachen Seite nach unten gelegt. Die Vorform wurde mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung in im wesentlichen der gleichen Weise wie bei der vorstehend beschriebenen KRYLON Beschichtung sprühbeschichtet. Eine Temperatur von etwa 65ºC wurde innerhalb eines Luftatmosphärenofens festgelegt, die Vorform wurde von der Drehplattform in den Luftatmosphärenofen überführt und während etwa 10 Minuten erhitzt. Die Vorform wurde aus dem Luftatmosphärenofen entfernt und unter eine Abzugshaube gelegt. Nachdem die Vorform im wesentlichen trocken war, wurde die Vorform mit ihrer flachen Seite nach unten auf eine Drehplattform gelegt, und eine Luftspritzeinrichtung wurde verwendet, um eine dünne Schicht einer Mischung auf die freigelegten Oberflächen der Vorform aufzubringen. Die Mischung wurde dann vollständig trocknen gelassen. Insgesamt 3 Schichten der Mischung wurden auf diese Weise zur Bildung einer Anschnitteinrichtung aufgebracht, die ein Gesamtgewicht von etwa 0,02 g der aufgebrachten Mischung hatte.
Wie in Fig. 8 gezeigt wurde eine Folie einer GRAFOIL Graphitfolie (101) (Union Carbide Company, Danbury, CT), die etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 Zoll (235 mm) maß und eine Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,4 mm) hatte auf die Unterseite des Graphitschiffchens (100) gelegt, das die Innenabmessungen von etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 Zoll (235 mm) hatte und etwa 1 Zoll (25 mm) hoch war. Eine etwa 3/8 Zoll (9 mm) dicke Schicht Bettmaterial (102), das etwa 60 Gew.-% 36 grit E-38 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA), etwa 17 Gew.-% 90 grit E-1 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company) und etwa 13 Gew.-% F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc., Carrollton, OH) enthielt, wurde in das Graphitschiffchen (100) auf die Oberseite der GRAFOIL Folie (101) gegossen. Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um eine nivellierte Schicht des Bettmaterials (102) zu schaffen.
Ein Matrixmetallblock (103), der etwa 1013 g wog und etwa 15 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in ein Ethanolbad verbracht. Die Oberfläche des Matrixmetallblocks (103) wurde von Hand unter Verwendung eines Papiertuchs gereinigt, dann wurde der Matrixmetallblock (103) aus dem Ethanolbad entfernt und in einem Luftatmosphärenofen verbracht. Eine Temperatur von etwa 68ºC wurde innerhalb des Ofens eingestellt, und nach Erhitzen des Matrixmetallblocks während etwa 15 Minuten, wurde der Matrixmetallblock (103) aus dem Ofen entfernt und auf die Oberseite des Bettmaterials (102) innerhalb des Graphitschiffchens (100) verbracht. Zusätzliches Bettmaterial (102) wurde in das Graphitschiffchen (100) um den Matrixmetallblock (103) herum auf ein Niveau gegossen, das im wesentlichen das gleiche war wie der obere Bereich des Matrixmetallblocks (103). Eine Folie der GRAFOIL Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT) mit einer Länge und Breite, die im wesentlichen die gleichen waren wie die der freigelegten Oberfläche des Matrixmetallblocks (103) und einer Dicke von etwa 0,005 Zoll (0,1 mm) wurde hergestellt, indem zuerst 18 rechteckige Löcher, die etwa 1/8 Zoll (3 mm) kleiner waren als die Länge der Vorformen und etwa 1/8 Zoll (3 mm) weniger breit waren als die Breite der Vorformen, ausgeschnitten wurden. Eine Seite der GRAFOIL Graphitfolie (104) wurde mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet. Die GRAFOIL Graphitfolie (104) wurde dann auf der Oberseite des Matrixmetallblocks (103) zentriert, wobei sich die Acrylbeschichtung in Kontakt mit dem Matrixmetallblock (103) befand. Die Bereiche des Matrixmetallblocks innerhalb der inneren Grenzen der Löcher in der GRAFOIL Graphitfolie (104) wurden mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet. Etwa 0,13 g -50 mesh atomisiertes Magnesium (105) (Hart Corp., Tamaqua, PA) wurde auf die Bereiche des Matrixmetallblocks (103) innerhalb der inneren Grenzen jedes Lochs in der GRAFOIL Graphitfolie (104) gestreut. Die GRAFOIL Graphitfolie (104), das -50 mesh atomisierte Magnesium (105) und der Matrixmetallblock (103) wurden dann mit KRYLON Acrylsprühbeschichtung sprühbeschichtet und die Acrylsprühbeschichtung wurde während etwa 3 Minuten trocknen gelassen. Eine Vorform (106) wurde auf der Oberseite jedes ausgeschnittenen Bereichs der GRAFOIL Graphitfolie (104) zentriert, wobei die flache Seite jeder Vorform (106) mit der GRAFOIL Graphitfolie (104), dem -50 mesh atomisierten Magnesium (105) und dem Matrixmetallblock (103) in Kontakt befand.
Das Graphitschiffchen (100) und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei etwa Raumtemperatur verbracht. Der Ofen wurde abgedichtet, auf etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum evakuiert und mit Stickstoffgas auf etwa Atmosphärendruck aufgefüllt. Eine Stickstoffgasströmungsgeschwindigkeit von etwa 5 Litern pro Minute wurde innerhalb des Ofens eingestellt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 225ºC in einer Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 225ºC während etwa 2 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 850ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 850ºC während etwa 10 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 825ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Das Graphitschiffchen (100) und sein Inhalt wurden dann aus dem Ofen entfernt. Eine Schicht aus CERABLANKET keramischem Isolierungsmaterial (Manville Refractory Products, Denver, CO), die etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 mm) maß und etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf einen Graphittisch gelegt. Eine einzige Folie der GRAFOIL Graphitfolie mit den Abmessungen von etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 mm) und einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) wurde auf die Oberseite des CERABLANKET Faserisolierungsmaterials gelegt. Das Graphitschiffchen (100) und sein Inhalt wurden auf die Oberseite der GRAFOIL Graphitfolie gelegt und kühlen gelassen. Nachdem das Graphitschiffchen (100) und sein Inhalt im wesentlichen Raumtemperatur erreicht hatten, wurden die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper leicht von Hand von der Oberfläche des verfestigten Matrixmetalls entfernt.

Beispiel 9

Dieses Beispiel sieht Vergleichsbeispiele vor, die den Nutzen der Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers unter Verwendung einer Anschnitteinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Probe A veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anschnitteinrichtung. Die Probe B veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines vergleichbaren Metallmatrix-Verbundkörpers ohne eine Anschnitteinrichtung.

Probe A

Ein Metallmatrix-Verbundkörper wurde im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in Beispiel 7 beschrieben mit den folgenden Ausnahmen hergestellt. Die Vorformabmessungen waren etwa 6 1/2 Zoll (165 mm) mal etwa 7 Zoll (177 mm) mit einer Dicke von etwa 0,08 Zoll (2 mm). Nach der Entnahme aus dem Luftatmosphärenofen, wurde das Vorformgewicht mit etwa 115,79 g bestimmt. Nach dem ersten Auftragen der KRYLON Acrylsprühbeschichtung, wurde ein Vorformgewicht von etwa 116,54 g festgehalten. Nachdem die erste DAG 154 kolloidale Graphitmischung aufgebracht worden war, wurde das Vorformgewicht mit etwa 117,02 g bestimmt. Nach dem zweiten KRYLON Acrylsprühbeschichten wurde das Vorformgewicht mit etwa 117,39 g bestimmt. Nach dem endgültigen Auftragen der Mischung wurde das Vorformgewicht mit etwa 118,14 g bestimmt. Das Bettmaterial enthielt etwa 13 Gew.-% F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc., Carrollton, OH), etwa 60 Gew.-% 36 grit E38 ALUNDUM Aluminiummoxid (Norton Company, Worcester, MA) und etwa 17 Gew.-% 90 grit E1 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company). Der Matrixmetallblock wog etwa 1404,28 g. Das GRAFOIL Graphitfolienfenster (Union Carbide Company, Danbury, CT) hatte Außenabmessungen von etwa 6 3/4 Zoll (171 mm) mal etwa 7 1/4 Zoll (184 mm). Die rechteckigen Löcher in dem Zentrum der GRAFOIL Folie hatten Abmessungen von etwa 6 3/8 Zoll (162 mm) mal etwa 6 7/8 Zoll (175 min). Etwa 4,6 g -50 mesh atomisiertes Magnesium wurde auf den Bereich des Matrixmetallblocks innerhalb der inneren Grenzen des GRAFOIL Rahmens gestreut.
Die Temperatur innerhalb des widerstandsbeheizten Ofens mit kontrollierter Atmosphäre wurde während etwa 2 Stunden bei etwa 225ºC gehalten. Eine etwa 7 Zoll (178 mm) mal etwa 6 1/2 Zoll (165 mm) große und etwa 2 Zoll (51 mm) dicke Schicht aus CERABLANKET keramischem Isolierungsmaterial (Manville Refractory Products, Denver, CO) wurde hergestellt, indem ein rechteckiger Teil mit den Abmessungen von etwa 5 Zoll (127 mm) mal etwa 4 1/2 Zoll (114 mm) aus dem Zentrum des keramischen Isolierungsmaterials ausgeschnitten wurde, um einen Fasermantel-Fensterrahmen zu bilden. Nachdem das Graphitschiffchen und sein Inhalt aus dem Ofen entfernt worden waren und auf etwa 550ºC (wenn sich das Matrixmetall verfestigt) kühlen gelassen worden waren, wurde der Fasermantel-Fensterrahmen auf der Oberseite des jetzt gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers zentriert, und die Anordnung wurde auf Raumtemperatur kühlen gelassen. Beim Erreichen der Raumtemperatur wurde der Fasermantel-Fensterrahmen von dem Metallmatrix-Verbundkörper entfernt, und der Metallmatrix-Verbundkörper wurde von Hand von dem verfestigten Matrixmetall entfernt. Fig. 9 ist eine Photographie der Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers, der in Kontakt mit der Anschnitteinrichtung gestanden war, die den Flächenkontakt zwischen dem Füllstoffmaterial und dem Matrixmetall gesteuert hat.

Probe B

Eine bandgegossene Siliciumcarbid-Vorform mit den Abmessungen von etwa 8 Zoll (203 mm) mal etwa 7 Zoll (177 mm) und einer Dicke von etwa 0,08 Zoll (2 mm), die etwa 70 Gew.-% 220 grit, 10 Gew.-% 500 grit, 10 Gew.-% 800 grit und 10 Gew.-% 1000 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) enthielt, wurde mit ihrer flachsten Seite nach unten auf eine perforierte Cordieritplatte gelegt. Die Vorform wurde mit einem Blatt aus FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (The Carborundum Company, Niagara Falls, NY) bedeckt. Eine zweite Cordieritplatte wurde auf das Papierisolierungspapier zur Bildung einer Anordnung gelegt. Die Anordnung wurde in einen Luftatmosphärenofen mit Raumtemperatur verbracht. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 425ºC in etwa 8 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 425ºC während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 1050ºC in etwa 3 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 1050ºC während etwa 2 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa Raumtemperatur in etwa 5 Stunden abgesenkt. Die Anordnung wurde aus dem Ofen entfernt, und das Gewicht der Vorform wurde mit etwa 160,03 g bestimmt.
Eine Mischung, die etwa 50 Vol.-% DAG 154 kolloidales Graphit (Acheson Colloids, Port Huron, MI) und etwa 50 Vol.-% denaturiertes Ethanol enthielt, wurde hergestellt. Eine Luftspritzeinrichtung wurde verwendet, um eine dünne Schicht einer Sperrschichtbeschichtung auf eine 8 Zoll (203 mm) mal 7 Zoll (177 mm) große Seite der Vorform aufzutragen. Die Beschichtung wurde trocknen gelassen, und zwei zusätzliche Beschichtungen wurden auf diese Weise aufgebracht. Die Vorform wurde auf eine Waage gelegt, und ein Vorformgewicht von etwa 161,1 g wurde festgehalten.
Eine Folie einer GRAFOIL Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT) mit den Abmessungen von etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 (235 mm) und einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,4 mm) wurde auf den Boden eines Graphitschiffchens mit den Innenabmessungen von etwa 13 1/4 Zoll (337 mm) mal etwa 9 1/4 Zoll (235 mm) und einer Höhe von etwa 1 Zoll (25 mm) gelegt. Eine etwa 3/8 Zoll (9 mm) dicke Schicht Bettmaterial, das etwa 13 Gew.-% F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc. Carrollton, OH) und den Rest 90 grit E-38 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA) enthielt, wurde in das Graphitschiffchen auf die Oberseite der GRAFOIL Folie gegossen. Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um eine ebene Schicht des Bettmaterials zu erhalten.
Ein Matrixmetallblock, der etwa 2600 g wog und etwa 20 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in ein Ethanolbad verbracht. Die Oberfläche des Matrixmetallblocks wurde von Hand unter Verwendung eines Papiertuchs gereinigt, dann wurde der Matrixmetallblock aus dem Ethanolbad entfernt und in einen Luftatmosphärenofen verbracht. Eine Temperatur von etwa 68ºC wurde innerhalb des Ofens eingestellt, und nach Erhitzen des Matrixmetallblocks während etwa 10 Minuten, wurde der Matrixmetallblock aus dem Ofen entfernt und auf die Oberseite des Bettmaterials innerhalb des Graphitschiffchens gelegt. Zusätzliches Bettmaterial wurde in das Graphitschiffchen um den Matrixmetallblock auf ein Niveau gegossen, das im wesentlichen das gleiche war wie der obere Bereich des Matrixmetallblocks. Etwa 5,6 g -50 mesh atomisiertes Magnesium (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurde auf den oberen Bereich des Matrixmetallblocks gestreut. Die Vorform wurde in das Graphitschiffchen verbracht, wobei die unbeschichtete Seite der Vorform in Kontakt mit dem -50 mesh atomisierten Magnesiums und dem Matrixmetallblock stand.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei etwa Raumtemperatur verbracht. Der Ofen wurde abgedichtet, auf etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum evakuiert und mit Stickstoffgas auf etwa Atmosphärendruck aufgefüllt. Eine Stickstoffgasströmungsgeschwindigkeit von etwa 5 Litern pro Minute wurde innerhalb des Ofens eingestellt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 225ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 225ºC während etwa 52 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 850ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 850ºC während etwa 7 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 825ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden dann aus dem Ofen entfernt. Eine Schicht aus CERABLANKET keramischem Isolierungsmaterial (Manville Refractory Products, Denver, CO), die etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 min) maß und etwa 2 Zoll (51 mm) dick war, wurde auf einen Graphittisch gelegt. Eine einzige Folie der GRAFOIL Graphitfolie mit den Abmessungen von etwa 15 Zoll (381 mm) mal etwa 11 Zoll (279 mm) und einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) wurde auf die Oberseite des CERABLANKET Faserisolierungsmaterials gelegt. Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden auf die Oberseite der GRAFOIL Graphitfolie gelegt und eine Luftpistole Modell 500 (Milwaukee Heat Tools, Inc., Milwaukee, WI) wurde auf kalt eingestellt und eingeschaltet. Der kalte Luftstrom wurde auf den gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper und das Matrixmetallgerippe gerichtet, um bei dem Kühlen der Anordnung zu helfen. Nach etwa 3 Minuten wurde der Metallmatrix-Verbundkörper aus dem Graphitschiffchen unter Verwendung eines Spachtels aus rostfreiem Stahl entfernt, auf den Graphittisch gelegt und auf Raumtemperatur kühlen gelassen. Fig. 10 ist eine Photographie der Oberfläche des Metallmatrix-Verbundkörpers, der in Kontakt mit dem Matrixmetall gestanden hatte.

Beispiel 10

Etwa 166,5 g einer Mischung, die etwa 30 Gew.-% AIRVOL PVA (Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, PA) und etwa 70 Gew.-% entionisiertes Wasser enthielt, wurden in ein Kunststoffgefäß verbracht. Etwa 24,9 g Polyethylenglycol 400 (J. T. Baker, Inc., Jackson, TN), etwa 2,4 g Zinkstearat (Fischer Scientific, Pittsburg, PA) und etwa 106,2 g LUDOX SM (E.I. DuPont DeNemours and Co., Inc., Wilmington, DE) wurden dem Gefäß zugegeben. Ein Handbohrer mit Laufradaufsatz wurde verwendet, um den Inhalt des Gefäßes gründlich zur Herstellung einer Bindemittellösung zu mischen.
Etwa 1750 g 320 grit, etwa 250 g 800 grit und etwa 250 g 1000 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) und etwa 250 g LC12N Si&sub3;N&sub4; Pulver (Herman C. Stark, Berlin, Deutschland) wurden einem 1- Gallonen-Kunststoffgefäß (Fischer Scientific, Pittsburg, PA) zugegeben, das dann auf eine Kugelmühle gelegt wurde, und wurde während zwei Stunden walzengemischt. Das Kunststoffgefäß und sein Inhalt wurden dann aus der Kugelmühle entfernt, und der Inhalt des Gefäßes wurde in einen Eirich-Mischer Modell RV02 (Eirich Machines, Maple, Ontario, Kanada) gegossen. Etwa 100 g der Bindemittellösung wurde in den Mischer gegossen, und der Mischer wurde eingeschaltet, wobei die Schalen- und Rotoreinstellungen auf schnell eingestellt waren. Nach etwa einer Minute, wurde der Mischer abgeschaltet, und eine gerade Kunststoffschneide wurde zur Entfernung jeglichen teilchenförmigen Siliciumcarbids oder jeglichen Siliciumnitridpulvers von den Seiten der Mischerschüssel verwendet, und zusätzlich wurden etwa 100 g Bindemittellösung in den Mischer gegeben. Der Mischer wurde ein zweites Mal eingeschaltet, wobei die Schalen- und Rotoreinstellungen auf schnell eingestellt waren. Nach etwa einer Minute wurde der Mischer ausgeschaltet, eine gerade Kunststoffschneide wurde verwendet, um jegliches teilchenförmige Siliciumcarbid oder Siliciumnitridpulver von den Seiten der Schüssel abzukratzen, und zusätzlich wurden etwa 100 g Bindemittellösung dem Mischer zugegeben. Der Mischer wurde ein drittes Mal eingeschaltet, wobei die Schalen- und Rotoreinstellungen auf schnell eingestellt waren. Nach etwa einer Minute wurde der Mischer ausgeschaltet, und die Mischung aus Bindemittel, teilchenförmigem Siliciumcarbid und Siliciumnitridpulver wurde auf einen Tisch gegossen, der vorher mit braunem Papier bedeckt worden war. Eine Schicht der Mischung, die etwa 1/8 Zoll (3 mm) bis etwa 1/4 Zoll (6 mm) dick war, wurde auf dem braunen Papier ausgebildet, und die Mischung wurde über Nacht trocknen gelassen.
Die Mischung wurde in eine Prüfsieb-Schüttelvorrichtung Modell B Ro-tap (Tyler Combustion Engineering, Inc.) verbracht und durch ein 25 mesh Sieb gesiebt. Etwa 160 g der Mischung wurden in eine Gesenkform mit den Abmessungen von etwa 3 Zoll (76 mm) im Quadrat verbracht und mit etwa 90 Tonnen Druck unter Verwendung einer CARVER Hyraulikpresse des Lufttyps (Fred S. Carver, Inc., Menomonee Falls, WI) gepreßt. Die sich ergebende Vorform wurde aus der Hydraulikpresse entfernt, und die Vorformabmessungen von etwa 3 Zoll (76 mm) im Quadrat mit einer Dicke von etwa 1/2 Zoll (13 mm) wurden festgehalten. Auf diese Weise wurden insgesamt vier Vorformen hergestellt. Die Vorformen wurden dann auf eine feuerfeste Trägerplatte verbracht, die mit einem Blatt FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (The Carborundum Company, Niagara Falls, NY) abgedeckt worden war. Die abgestützten Vorformen wurden in einen widerstandsbeheizten Luftatmosphärenofen bei Raumtemperatur verbracht. Die Ofentemperatur wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 500ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 100ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 500ºC während etwa zwei Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur dann von etwa 500ºC auf etwa 850ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 850ºC während etwa vier Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur auf etwa Raumtemperatur in etwa fünf Stunden abgesenkt.
Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um einen gleichmäßigen Überzug DAG 154 kolloidales Graphit (Acheson Colloids Co., Port Huron, MI) auf die vier 1/2 Zoll (13 min) dicken Seiten und eine 3 Zoll (76) im Quadrat messende Seite jeder Vorform aufzubringen. Der Überzug wurde trocknen gelassen, und ein zweiter Überzug DAG 154 kolloidales Graphit wurde auf die zuvor beschichteten fünf Seiten jeder Vorform aufgebracht. Jede Vorform wurde umgedreht, und die letzte Seite wurde mit DAG 154 kolloidalem Graphit beschichtet. Bevor jedoch das DAG 154 kolloidale Graphit auf der letzten Seite im wesentlichen getrocknet war, wurde überschüssiges DAG 154 von der Oberfläche der Vorform unter Verwendung eines Papiertuchs entfernt, wodurch ein sehr dünner Überzug gebildet wird. Ein zweiter Überzug DAG 154 kolloidales Graphit wurde auf die letzte Seite jeder Vorform aufgetragen und ein Papiertuch wurde wiederum verwendet, um überschüssige Beschichtung vor ihrem Trocknen zu entfernen, wodurch wiederum ein sehr dünner Überzug zur Verwendung als Anschnitteinrichtung gebildet wurde.
Ein Graphitschiffchen mit den Innenabmessungen von etwa 10 Zoll (254 mm) im Quadrat und einer Tiefe von etwa 4 Zoll (102 mm) wurde hergestellt, indem der Boden des Graphitschiffchen mit einer Folie GRAFOIL Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT) mit den Abmessungen von etwa 10 Zoll (254 mm) im Quadrat und einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) ausgekleidet wurde. Eine etwa 1 Zoll (25 mm) dicke Schicht eines Bettmaterials, das etwa 97,5 Gew.-% 90 grit E1 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA) und etwa 2,5 Gew.- % F-69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc., Carrollton, OH) enthielt, wurde in das Graphitschiffchen und auf die GRAFOIL Folie gegossen. Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um eine ebene Schicht von Bettmaterial herzustellen. Ein Matrixmetallblock mit den Abmessungen von etwa 7 Zoll (178 mm) im Quadrat mit einer Höhe von etwa 1/2 Zoll (13 mm), der etwa 1003 g wog und etwa 15 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in das Graphitschiffchen und auf das Bettmaterial verbracht. Vier gleich beabstandete Löcher mit den Abmessungen von 2 7/8 Zoll (73 mm) im Quadrat wurden aus einer GRAFOIL Graphitfolie mit den Abmessungen von etwa 7 Zoll (178 mm) im Quadrat mit einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) ausgeschnitten. Die GRAFOIL Folie wurde in das Graphitschiffchen gelegt und über dem Matrixmetallblock zentriert. Insgesamt etwa 1,8 g -50 mesh atomisiertes Magnesium (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurden gleichmäßig in den vier Löchern in der GRAFOIL Folie dispergiert. Die vier Vorformen wurden in das Graphitschiffchen gelegt, so daß eine Vorform über jedem Loch in der GRAFOIL Folie zentriert war und so daß die letzte Seite (wie vorstehend identifiziert) jeder Vorform, die die Anschnitteinrichtung enthielt, in Kontakt mit der Magnesiumschicht stand.
Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei etwa Raumtemperatur verbracht. Der Ofen wurde abgedichtet, auf etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum evakuiert und mit Stickstoffgas auf etwa Atmosphärendruck aufgefüllt. Eine Stickstoffgasströmungsgeschwindigkeit von etwa 5 Litern pro Minute wurde innerhalb des Ofens eingestellt. Die Temperatur in dem Ofen wurde von etwa Raumtemperatur auf etwa 200ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 200ºC während etwa 6 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 550ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 550ºC während etwa 2 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 875ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 875ºC während etwa 30 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 700ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 200ºC pro Stunde abgesenkt. Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden dann aus dem Ofen entfernt. Ein etwa 10 Zoll (254 mm) im Quadrat messendes Blatt FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (Carborundum Company, Niagara Falls, NY) wurde auf einen Graphittisch gelegt. Das Graphitschiffchen und sein Inhalt wurden auf das FIBERFRAX Isolierungsmaterial gelegt und auf Raumtemperatur kühlen gelassen. Nach Erreichen der Raumtemperatur wurden die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper leicht von dem verfestigten Matrixmetall entfernt, indem das verfestigte Matrixmetall umgedreht wurde und leichte Hammerschläge auf die Unterseite des Matrixmetalls zur Einwirkung gebracht wurden, wobei sich ein Metallmatrix-Verbundkörper mit einer Netto- oder nahezu Nettooberflächenbeschaffenheit an der Seite, die mit der Anschnitteinrichtung in Kontakt gestanden hatte, ergab.

Beispiel 11

Eine wässerige Lösung BLUONIC A kolloidales Aluminiumoxid (Wesbond Corp., Wilmington, DE), die etwa 1034 g wog, wurde mit etwa 2082 g entionisiertem Wasser verdünnt und in ein 5- Liter NALGENE Kunststoffgefäß (Nalge Company, Rochester, NY) verbracht. Etwa 7267 g 220 grit und etwa 3116 g 500 grit 39 CRYSTOLON teilchenförmiges grünes Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA) und etwa 109 g Kolloid-581-B-Antischaummittel (Colloids, Inc., Newark, NJ) wurden dem Gefäß zugegeben, um eine Aufschlämmung für das Sedimentgießen herzustellen. Das Gefäß und sein Inhalt wurden auf eine Kugelmühle verbrachte und während 5 Stunden walzengemischt.
Eine Grade GI-1000 Silicongummiform (Plastic Tooling Supply Company, Exton, PA) mit einem sechseckig geformten Innenhohlraum, dessen Seiten etwa 2 1/4 Zoll (57 mm) maßen und der eine Tiefe von etwa 2 Zoll (51 mm) hatte, wurde auf eine flache starre Aluminiumplatte gelegt. Die Anordnung von Form und Platte wurde dann auf einen ebenen Rütteltisch gelegt. Der Rütteltisch wurde eingeschaltet und etwa 680 g der Aufschlämmung wurden auf glatte und kontinuierliche Weise in die Form gegossen. Die Form und ihr Inhalt wurden mindestens 1 Stunde lang einer Vibration unterworfen, um die Aufschlämmung zu einer Vorform zu komprimieren, wobei überschüssige Oberflächenflüssigkeit mit einem Schwamm entfernt wurde. Der Rütteltisch wurde abgeschaltet, und die Anordnung von Form, Platte und Vorform wurde in einen Gefrierapparat verbracht. Das restliche Wasser in der Vorform wurde gründlich gefrieren gelassen, dann wurde die Anordnung von Form, Platte und Vorform aus dem Gefrierapparat entfernt und die gefrorene sedimentgegossene Vorform, deren Seiten etwa 2 1/4 Zoll (57 mm) maßen und die eine Dicke von etwa 3/4 Zoll (19 mm) hatte, wurde aus der Form entfernt. Die Vorform wurde dann auf eine feuerfeste Tragplatte gelegt, die mit einem Blatt FIBERFRAX 907-J Faserisolierungspapier (The Carborundum Company, Niagara Falls, NY) bedeckt wurde. Eine Temperatur von etwa 25ºC wurde innerhalb eines widerstandsbeheizten Luftatmosphärenofen eingestellt und die abgestützte Vorform wurde in den Ofen verbracht. Nach etwa 12 Stunden wurde die Ofentemperatur von etwa 25ºC auf etwa 85ºC während etwa 2 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 85ºC während etwa 12 Stunden aufrechterhalten wurde, wurde die Temperatur dann von etwa 85ºC auf etwa 1050ºC während etwa 10 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 1050ºC während etwa 2 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur auf etwa Raumtemperatur in etwa 10 Stunden abgesenkt.
Die Anordnung von feuerfester Platte, Faserisolierungspapier und Vorform wurde aus dem Ofen entfernt, und der obere Bereich der Vorform wurde leicht mit Sand geschmirgelt, um eine flache Oberfläche zu erhalten. Eine als Sperrschichtüberzug zu verwendende Mischung, die etwa 50 Vol.-% DAG 154 kolloidales Graphit (Acheson Colloids, Port Huron, MI) und etwa 50 Vol.-% denaturiertes Ethanol enthielt, wurde hergestellt. Die Vorform wurde auf einen Tisch mit der mit Sand geschmirgelten Seite nach unten gelegt. Eine Schaumstoffbürste wurde verwendet, um eine dünne Schicht des Sperrschichtüberzugs auf die freigelegten Flächen der Vorform aufzubringen. Der Sperrschichtüberzug wurde im wesentlichen trocknen gelassen, und dann wurde der Vorgang ein zweites Mal wiederholt. Die Vorform wurde umgedreht und ein dünner Überzug einer Anschnitteinrichtungsmischung, die etwa 33,7 Gew.-% A-1000 Aluminiumoxid (Aluminum Company of America, Pittsburgh, PA), etwa 67 Gew.-% denaturiertes Ethanol und etwa 0,3 Gew.-% HYPERMER KD2 Dispergiermittel (ICI Americas, Wilmington, DE) enthielt, wurde auf die mit Sand geschmirgelte Vorform unter Verwendung einer Schaumstoffbürste aufgebracht. Die Anschnitteinrichtungsmischung wurde trocknen gelassen. Insgesamt 3 Schichten der Anschnitteinrichtungsmischung wurden auf diese Weise aufgebracht.
Wie in Fig. 11 im Querschnitt gezeigt, wurde eine Graphitfolienschachtel (111) mit den Abmessungen von etwa 11 1/4 Zoll (286 mm) mal etwa 6 1/4 Zoll (159 mm) und einer Höhe von etwa 7 Zoll (178 mm) aus einer einzigen Folie GRAFOIL Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT) mit einer Dicke von etwa 0,015 Zoll (0,38 mm) hergestellt, indem strategisch plazierte Schnitte und Falten in der Folie gemacht wurden. Die Falten in der GRAFOIL Folie wurden mit RIGIDLOCK Graphitkleber (Polycarbon Corp., Valencia, CA) zusammengeklebt. Strategisch plazierte Klammern halfen dabei, den Graphitkleber zu verstärken. Die GRAFOIL Schachtel (111) wurde in ein Graphitschiffchen (110) mit Innenabmessungen gelegt, die im wesentlichen die gleichen waren wie die Außenabmessungen der GRAFOIL Schachtel (111).
Eine etwa 1 Zoll (25 min) dicke Schicht von Bettmaterial (112), die etwa 9 Gew.-% F69 Borsilicatglasfritte (Fusion Ceramics, Inc., Carrollton, OH), etwa 27 Gew.-% 90 grit E1 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company, Worcester, MA) und etwa 64 Gew.-% 36 grit E38 ALUNDUM Aluminiumoxid (Norton Company) enthielt, wurde in der GRAFOIL Schachtel (111) gegossen und nivelliert. Ein Matrixmetallblock (113) mit den Abmessungen von etwa 3 1/2 Zoll (89 mm) mal etwa 4 Zoll (102 mm) mal etwa 2 Zoll (51 mm), der etwa 1250 g wog und etwa 12 1/2 Gew.-% Silicium, 5 Gew.-% Magnesium und als Rest Aluminium enthielt, wurde in die GRAFOIL Schachtel (111) und auf das Bettmaterial (112) verbracht. Eine sechseckig geformte, im Handel erhältliche 6061 Aluminiumfolie (114), deren Seiten etwa 2 1/4 Zoll (57 mm) maßen und die etwa 0,05 Zoll (1 mm) dick war, wurde in die GRAFOIL Schachtel (111) gelegt und über den Matrixmetallblock (113) zentriert. Zusätzliches Bettmaterial (112) wurde in die GRAFOIL Schachtel (111) um den Matrixmetallblock (113) herum auf ein Niveau gegossen, das im wesentlichen mit der Oberseite der Aluminiumfolie (114) bündig war. Etwa 2 g -50 mesh gemahlenes Magnesium (115) (Hart Corp. Tamaqua, PA) wurden gleichmäßig auf die Aluminiumfolie (114) dispergiert. Die Vorform (116) wurde in die GRAFOIL Schachtel (111) mit der mit Sand geschmirgelten Seite in Kontakt mit dem Magnesium (115) verbracht.
Das Graphitschiffchen (110) und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei etwa Raumtemperatur verbracht. Der Ofen wurde abgedichtet, auf etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum evakuiert und auf etwa 50ºC während etwa einer Stunde erhitzt. Nachdem eine Temperatur von etwa 50ºC und ein Vakuum von etwa 30 Zoll (762 mm) Hg Vakuum während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde der Ofen mit Stickstoffgas auf etwa Atmosphärendruck nachgefüllt, und eine Stickstoffgasströmungsgeschwindigkeit von etwa 250 Kubikfuß (2 Liter pro Sekunde) wurde eingestellt. Die Temperatur innerhalb des Ofens wurde auf etwa 100ºC in etwa 1/2 Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 100ºC während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur auf etwa 200ºC in etwa einer Stunde erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 200ºC während etwa 1 Stunde aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur in dem Ofen auf etwa 800ºC während etwa 3 Stunden erhöht. Nachdem eine Temperatur von etwa 800ºC in dem Ofen während etwa 12 Stunden aufrechterhalten worden war, wurde die Temperatur während etwa 4 Stunden auf Raumtemperatur abgesenkt. Die Ofentür wurde geöffnet, und das Graphitschiffchen (110) und sein Inhalt wurden aus dem Ofen entfernt und auf einen Tisch gelegt. Der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper wurde von dem verfestigten Matrixmetallgerippe durch Aufbringen von leichten Hammerschlägen auf das verfestigte Matrixmetallgerippe entfernt.
Während die vorstehenden Beispiele mit Besonderheit beschrieben worden sind, fallen einem Fachmann mit normalen Fähigkeiten unterschiedliche Abänderungen dieser Beispiele ein. Und all diese Abänderungen werden als unter den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallend erachtet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers, das umfaßt:

Bereitstellen einer permeablen Masse, die einen Füllstoff oder eine Vorform (2) umfaßt;

Bereitstellen einer Quelle eines schmelzflüssigen Matrixmetalls (5); dadurch gekennzeichnet, daß eine Anschnitteinrichtung (3) zur Kontrolle des Flusses an schmelzflüssigem Matrixmetall in die genannte permeable Masse zwischen der genannten Quelle des schmelzflüssigen Matrixmetalls und der genannten permeablen Masse angeordnet ist, und wenigstens ein Teil der genannten permeablen Masse durch die genannte Anschnitteinrichtung (3) hindurch mit schmelzflüssigem Matrixmetall infiltriert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Anschnitteinrichtung ein Material umfaßt, das unter den Infiltrationsbedingungen für das schmelzflüssige Matrixmetall im wesentlichen undurchlässig ist und wenigstens einen Durchtritt aufweist, durch den schmelzflüssiges Matrixmaterial strömen kann, und wobei der genannte wenigstens eine Durchtritt wenigstens eines von einer Vielzahl von Durchgangslöchern und wenigstens einem Kanal umfaßt, der von einem ringartigen oder rohrartigen Teil gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der genannte wenigstens eine Kanal einen Füllstoff enthält, der ein Material umfaßt, das im wesentlichen das gleiche ist wie oder ein im wesentlichen anderes Material ist als das Material, das die permeable Masse bildet, und wobei der genannte wenigstens eine Kanal als zu opfernder Bereich für das Auftreten einer Richtungsverfestigung verwendet wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem ein dünnes Blatt aus Metall zwischen der genannten Anschnitteinrichtung und der genannten permeablen Masse angeordnet wird, wobei das genannte dünne Blatt aus Metall die Abtrennung der genannten Anschnitteinrichtung von der genannten infiltrierten permeablen Masse erleichtert.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem der genannte wenigstens eine Kanal im wesentlichen vollständig von einem Material umgeben ist, das unter den Infiltrationsbedingungen nicht infiltrierbar ist.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das genannte Matrixmetall Aluminium umfaßt und die genannte Anschnitteinrichtung ein Graphitmaterial umfaßt, wobei das genannte Graphitmaterial wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Graphit-Blattmaterial, einem Graphit-Bandmaterial und einem Graphit besteht, der auf wenigstens einen Teil der genannten permeablen Masse nach wenigstens einem Verfahren aufgebracht wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aufsprühen, Aufstreichen und Tauchen besteht, wobei in dem genannten Graphitmaterial wenigstens ein Durchtritt geschaffen wird, indem man eine Maskeneinrichtung verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Anschnitteinrichtung ein poröses Material umfaßt, das eine dreidimensional untereinander verbundene Porosität enthält, die wenigstens teilweise für das schmelzflüssige Matrixmaterial unter dem Infiltrationsbedingungen permeabel ist, und wobei das genannte poröse Material dadurch hergestellt wird, daß man einen Vorläufer für das poröse Material nach wenigstens einem Verfahren aufbringt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aufsprühen, Aufstreichen, Siebdrucken und Tauchen besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der genannte Vorläufer für das poröse Material wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kolloidalen Graphitmaterial und einem teilchenförmigen Aluminiumoxid besteht.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem das genannte Infiltrieren eine spontane Infiltration umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannte Anschnitteinrichtung ein poröses Material umfaßt; das poröse Material dadurch bereitgestellt wird, daß man zuerst wenigstens einen Teil der genannten permeablen Masse mit einem Vorläufer für das poröse Material überzieht und danach bewirkt, daß der genannte Vorläufer das genannte poröse Material bildet, wobei die genannte Infiltration die spontane Infiltration umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem wenigstens etwas Infiltrationsverstärkervorläufer zwischen dem genannten porösen Material und der genannten Quelle des schmelzflüssigen Grundmetalls bereitgestellt wird, bei dem eine Infiltrationsatmosphäre mit wenigstens der genannten permeablen Masse für wenigstens einen Teil des genannten Infiltrierens in Verbindung steht, und bei dem ein Infiltrationsverstärker in wenigstens einem Teil des genannten porösen Materials und der genannten permeablen Masse während wenigstens eines Teils der genannten Infiltration angeordnet ist.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem das genannte poröse Material in einer Dicke aufgebracht wird, die es ermöglicht, daß Matrixmetall hindurchströmen kann, und beim Abkühlen der genannten infiltrierten permeablen Masse eine im wesentlichen saubere Grenzfläche in dem gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper in dem Bereich gebildet wird, der ursprünglich mit dem genannten porösen Material in Kontakt war, wobei das genannte poröse Material eine Bruchfestigkeit aufweist, die geringer ist als die Bruchfestigkeit des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers, und wobei das genannte poröse Material spröder ist als der genannte gebildete Metallmatrix-Verbundkörper.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem wenigstens ein Teil des genannten porösen Materials während wenigstens eines Teils des Durchtritts des schmelzflüssigen Materials durch eine Reaktion von wenigstens einem Teil des genannten porösen Materials mit wenigstens einem von dem Matrixmetall, einer Infiltrationsatmosphäre, einem Infiltrationsverstärkervorläufer und einem Infiltrationsverstärker modifiziert wird.

14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der genannten Vorläufer für das poröse Material wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kolloidalen Graphitmaterial und einem teilchenförmigen Aluminiumoxid besteht, wobei das genannte poröse Material dadurch hergestellt wird, daß man einen Vorläufer für das poröse Material nach wenigstens einem Verfahren aufbringt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aufsprühen, Aufstreichen, Siebdrucken und Tauchen besteht.