DE69301638T2

DE69301638T2 - Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern und Metall-Verbundstoff verstärkt durch TiC-Whisker

Info

Publication number: DE69301638T2
Application number: DE69301638T
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Nukami; Tetsuya Suganuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1992-08-06
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1996-07-25
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: DE69301638D1; EP0582435A1; US5441697A; EP0582435B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Whiskern, insbesondere TiC-Whiskern, und betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Metall Verbundstoffs, der durch TiC-Whisker verstärkt ist.
Als Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern ist herkömmlicherweise ein Verfahren bekannt, das z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung 58-60 700 beschrieben ist, das die folgenden Schritte umfaßt:
Behandeln eines kohlenstoffhaltigen Substrats mit einer wäßrigen Lösung eines Edelmetallsalzes und anschließend
Zuführen eines Gasgemisches aus Titanhalogeniddampf und CO um das kohlenstoffhaltige Substrat, so daß sich TiC-Whisker absetzen und auf der Oberfläche des kohlenstoffhaltigen Substrats wachsen, bis sie eine erforderliche Größe erreicht haben, wobei diese TiC-Whisker dann eingesammelt werden.
Mit dem zuvorgenannten Verfahren können je nach geeigneter Wahl des Edelmetallelements und der Dichte der von dessen wäßriger Salzlösung TiC-Whisker mit einer erwünschten Größe innerhalb eines Bereichs von 1 bis 30 µm mittleren Durchmessers und 0,5 bis 5 mm mittlerer Länge erhalten werden.
Es ist allgemein bekannt, daß der Durchmesser jedes Whiskers derart verringert werden muß, daß er so klein wie möglich ist, um die Festigkeit, Zähigkeit und Schleiffähigkeit eines Verbundstoffes zu verbessern, der durch solche Whisker verstärkt ist.
Jedoch können mit dem Verfahren, das in der zuvorgenannten Patentveröffentlichung beschrieben ist, keine Whisker mit einem mittleren Durchmesser, der kleiner als 1 µm ist, erhalten werden.
Angesichts der zuvorgenannten Probleme des herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von TiC-Whiskern, das in der zuvorgenannten Veröffentlichung beschrieben worden ist, ist es zunächst Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung sehr feiner TiC-Whisker zur Verfügung zu stellen, die einen mittleren Durchmesser haben, der kleiner als 1 µm ist.
Zudem ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Verbundstoffes zur Verfügung zu stellen, der mit solchen sehr feinen TiC-Whiskern verstärkt ist, die mit dem Verfahren, das die zuvorgenannte erste Aufgabe löst, erhältlich sind.
Erfindungsgemäß wird die zuvorgenannte erste Aufgabe gelöst durch
(1) ein Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:
Zugeben eines Ti-Pulvers und eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus reinem Al oder einer Al- Legierung, und
Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die durch Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, durch die jeder dieser freien Zwischenräume definiert ist, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und anschließend Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen, oder
(2) ein Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:
Zugeben eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus einer Al-Legierung, die Ti enthält, und
Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die durch Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden der freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen und anschließend
Verdichten der geschmolzene Masse, und
Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.
Weiter wird erfindungsgemäß die zweite Aufgabe gelöst durch
(3) ein Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:
Zugeben eines Ti-Pülvers und eines Graphitpülvers zu einer geschmolzenen Masse aus reinem Al oder einer Al- Legierung, und
Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die durch Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden der freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und anschließend
Verdichten der geschmolzenen Masse, und
Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen, oder
(4) ein Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:
Zugeben eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus einer Al-Legierung, die Ti enthält, und
Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die durch Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden der freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und anschließend
Verdichten der geschmolzenen Masse, und
Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.
Gemäß den zuvorgenannten Verfahren (1) und (3) wird TiC aus Ti des Ti-Pulvers und C des Graphitpulvers gebildet, die miteinander in der geschmolzenen Masse aus dem reinem Al oder der Al-Legierung reagieren, während nach den zuvorgenannten Verfahren (2) und (4) TiC aus Ti der Al-Legierung und C des Graphitpulvers erzeugt wird, die miteinander in der geschmolzenen Masse der Al-Legierung reagieren, und indem das so erzeugte TiC eine Unzahl von Einkristallen bildet, wobei jeder der Einkristalle von der freien Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die Blasen aus dem im wesentlichen inaktiven Gas begrenzt, in Richtung des Zentrums des Blasenraumes wächst, der von der Atmosphäre isoliert ist, so daß sehr feine TiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 0,5 µm in einer Form hergestellt werden, wobei sich jeder Whisker von der freien Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die Blase begrenzt, in Richtung von deren Zentrum erstreckt.
Wenn die so gebildete geschmolzene Masse, die TiC-Whisker enthält, die in den darin dispergierten freien Blasenzwischenräumen erzeugt worden sind, verdichtet wird, dringt das geschmolzene Metall in die Lücken der TiC-Whisker, so daß ein Metallverbundstoff erhalten wird, der im allgemeinen mit TiC-Whiskern verstärkt ist, wobei die TiC- Whisker in einer Anzahl von Koloniebereichen konzentriert sind, die darin dispergiert aber im allgemeinen gleichförmig verteilt sind.
Wird die gebildete geschmolzene Masse mit den TiC-Whiskern, die in jedem freien Blasenzwischenraum gewachsen sind, mit einem Filter vor oder nach deren Verdichtung, jedoch bevor sie abgekühlt wird, bearbeitet, das die TiC-Whisker zurückhält, so daß ein Teil des geschmolzenen Metalls herausgefiltert wird, wird die Dichte der TiC-Whisker, falls erforderlich, in geeigneter Weise erhöht.
Ist die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder Al-Legierung niedriger als 1.200 ºC, insbesondere niedriger als 1.100 ºC, können die TiC-Whisker nur schwer zufriedenstellend wachsen. Andererseits, ist die Temperatur der geschmolzenen Masse höher als 1.500 C, steigt der Energieverbrauch im unerwünschten Maße.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird daher die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder einer Al-Legierung derart eingestellt, daß sie in einem Bereich von 1.100 bis 1.500 ºC, vorzugsweise 1.200 bis 1.500 ºC, liegt.
Das erfindungsgemäß verwendete inaktive Gas kann ein beliebiges Gas sein, solange es im wesentlichen gegenüber den anderen Bestandteilen, mit denen es in Kontakt ist, wie der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder Al-Legierung und dem Ti- oder C-Bestandteil, inaktiv ist. Es können Edelgase wie Argon, Helium usw., eine Mischung aus Edelgas und Stickstoff oder Stickstoff verwendet werden.
Damit jeder TiC-Kristall zu einem Whisker mit einem erwünschten Durchmesser und einer erwünschten Länge wachsen kann, ist natürlich eine gewisse Zeitdauer für die Schritte der Zugabe eines Ti-Pulvers und eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus reinem Al oder Al-Legierung in Verbindung mit der Zufuhr eines im wesentlichen inaktiven Gases zu der geschmolzenen Masse oder der Zugabe eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus einer Al-Legierung, die Ti enthält, in Verbindung mit der Zufuhr eines im wesentlichen inaktiven Gases zu der geschmolzenen Masse erforderlich.
Obwohl diese Zeitdauer entsprechend der Größe der hergestellten TiC-Whisker, der Menge und der Temperatur der geschmolzenen Masse, der Größe der Ti-Pulverteilchen und/oder Graphitpulverteilchen usw. in geeigneter Weise festgesetzt werden sollte, beträgt sie vorzugsweise .1 bis 15 min.
Obwohl bei den zuvorgenannten Verfahren (1) und (3) das Ti- Pulver und das Graphitpulver zu der geschmolzenen Masse in der natürlichen Pulverform zugegeben wird, werden sie vorzugsweise zu einem vorbearbeiteten Block vorgebildet, der in die geschmolzenen Masse gegeben wird, so daß die Pulver- teilchen, ohne daß sie auf der Obefläche der geschmolzenen Masse schwimmen, in der geschmolzenen Masse gut dispergiert werden.
Ist bei den vorstehend genannten Verfahren (2) und (4) der Ti-Gehalt der Al-Legierung geringer als 0,1 Masse-%, wachsen die TiC-Whisker nur schwer unter guten Bedingungen, ist andererseits der Ti-Gehalt größer als 5 Masse-%, erhöht sich die Viskosität der geschmolzenen Masse, vorausgesetzt daß die Temperatur der geschmolzenen Masse derart eingestellt worden ist, daß das Wachstum der TiC-Whisker optimiert sein sollte, so daß das Wachsen der TiC-Whisker beeinträchtigt wird. Daher sollte gemäß einer Ausführungsform bei den vorstehend genannten Verfahren (2) und (4) der Ti-Gehalt der Al-Legierung vorzugsweise so eingestellt werden, daß er in einem Bereich von 0,1 bis 5 Masse-% liegt.
Ist der Druck in dem Verdichtungsprozeß niedriger als 300 kg/cm², dringt das geschmolzene Metall nicht ausreichend in die Lücken der TiC-Whisker ein, ist andererseits der Druck in dem Verdichtungsprozeß zu hoch, steigen die Kosten der Verdichtungsvorrichtung im unerwünschten Maße. Daher sollte der Druck in dem Verdichtungsprozeß vorzugsweise 300 bis 1.500 kg/cm², noch bevorzugter 800 bis 1.200 kg/cm², betragen.
Ist die Temperatur der geschmolzenen Masse während des Verdichtungsprozesses niedriger als 700 ºC, dringt die geschmolzene Masse aufgrund ihrer relativ hohen Viskosität nicht ausreichend in die Lücken der TiC-Whisker ein, ist andererseits die Temperatur der geschmolzenen Masse während des Verdichtungsprozesses zu hoch, erudieren die Formausmauerungen zu sehr. Deshalb sollte die Temperatur der geschmolzenen Masse während des Verdichtungsprozesses wünschenswerterweise 700 bis 950 ºC, vorzugsweise 750 bis 950 ºC, betragen.
Der Filter zum Abfiltrieren eines Teils des geschmolzenen Metalles aus der verbleibenden geschmolzenen Masse, die die TiC-Whisker enthält, kann von beliebiger Art sein, solange er die TiC-Whisker zurückhält und das geschmolzene Metall durchläßt.
Ein geeignetes Beispiel für einen solchen Filter ist ein Element aus kurzen Keramikfasern, die zu einem Filter geformt sind. Ein derartiges Filterelement zeigt die besten Eigenschaften in Hinblick auf Beständigkeit und Filtereffizienz, wenn die volumetrische Dichte der kurzen Keramikfasern 5 bis 40 % beträgt.
Im folgenden werden die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Pellet, das aus einer Mischung aus Ti- Pulver, Graphitpulver und Al-Pulver gebildet worden ist;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von TiC-Whiskern zeigt, die in den freien Zwischenräumen erzeugt werden, die durch Blasen eines im wesentlichen inaktiven Gases in einer geschmolzenen Metallmasse gebildet werden;
Fig. 3 ist eine mikroskopische Aufnahme mit 300-facher Vergrößerung der TiC-Whisker, die in den freien Zwischenräumen der geschmolzenen Metallmasse erzeugt worden sind;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt durch einen Metallkörper zeigt, der gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erhalten worden ist, wobei insbesondere die TiC-Whisker gezeigt sind, die in den freien Zwischenräumen erzeugt worden sind.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine andere Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von TiC-Whiskern zeigt, die in den freien Zwischenräumen erzeugt werden, die in einer geschmolzenen Metallmasse durch Blasen eines im wesentlichen inaktiven Gases gebildet worden sind;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Verdichtungsprozeß zeigt, dem die geschmolzene Masse mit den darin erzeugten TiC- Whiskern unterzogen wird;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt durch einen Metallkörper zeigt, der gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform erhalten worden ist;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das den Filterprozeß zeigt, dem die geschmolzene Masse mit den darin erzeugten TiC-Whiskern unterzogen wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das einen Querschnitt eines Metallkörpers zeigt, der durch Anwendung des Filterprozesses auf die geschmolzene Masse mit den darin erzeugten TiC- Whiskern erhalten worden ist;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Zugfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Verbundstoffes mit Vergleichs-Verbundstoffen zeigt;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Abriebsbeständigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Verbundstoffe mit Vergleichs-Verbundstoffen zeigt; und
Fig. 12 ist ein Diagramm, das einen Vergleich der Bestän digkeit gegen thermisches Anhaften der erfindungsgemäß hergestellten Verbundstoffe mit Vergleichs-Verbundstoffen zeigt.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen im einzelnen erläutert.

Ausführungsform 1

Zunächst wurden zehn Pellets wie Pellet Nr. 16, das in Fig. 1 gezeigt ist, aus einer Mischung aus Ti-Pulverteilchen 10, Graphitpulverteilchen 12, und Aluminiumpulverteilchen 14 gebildet, die in einem Verhältnis von 8:2:5, bezogen auf die Masse, vermischt waren, wobei jedes Pellet 30 mm Durchmesser, 10 mm Dicke und eine Masse von 15 g hatte.
Anschließend wurden die 10 Pellets, wie in Fig. 2 gezeigt, in eine geschmolzene Masse 18 aus 500 g reinem Aluminium geworfen, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas über ein Keramikrohr 20 in die geschmolzenen Masse eingeblasen wurde, wobei das Einblasen des Argongases anschließend für etwa 10 Minuten fortgesetzt wurde. Dann wurde die geschmolzene Masse 18 natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das so erhaltene verfestigte Material wurde zerschnitten, und die Schnittfläche wurde untersucht. Dabei ergab sich, daß in dem Material, wie in Fig. 4 gezeigt, eine große Anzahl von freien Zwischenräumen 26 vorhanden war, wobei in jedem davon eine große Anzahl sehr feiner Whisker 28 gewachsen war, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume begrenzte, in Richtung von deren Zentrum erstreckten.
Mittels Röntgenbeugung wurde bestätigt, daß diese Whisker TiC-Whisker waren. Sie hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm.
Fig. 3 ist eine mikroskopische Aufnahme mit 300-facher Vergrößerung der TiC-Whisker, die den freien Zwischenräumen entnommen wurden. Fig. 3 läßt erkennen, daß die TiC-Whisker sehr fein sind und eine gute Form haben.

Ausführungsform 2

Wie in Fig. 5 gezeigt, wurden 50 g Graphitpulver 32 zu einer geschmolzenen Masse 30 aus 500 g Al-Legierung (Al-3 Masse-% Ti) gegeben, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas in die geschmolzenen Masse über ein Keramikrohr 20 eingeblasen wurde, und das Einblasen des Argongases anschließend etwa 10 Minuten fortgesetzt wurde.
Dann wurde die geschmolzene Masse 30 natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das so erhaltenen verfestigte Material wurde zerschnitten, und die Schnittfläche wurde untersucht. Dabei ergab sich, daß wie in Ausführungsform 1 eine große Anzahl von freien Zwischenräumen vorhanden war, wobei in jedem davon eine große Anzahl sehr feiner Whisker gewachsen war, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume begrenzte, in Richtung von deren Zentrum erstreckten. Sie hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm.

Ausführungsform 3

Fünf Stücke derselben, in Fig. 1 gezeigten, Pellets wurden auf dieselbe Weise wie in Fig. 2 gezeigt, in eine geschmolzene Masse aus 500 g reinem Al gegeben, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas in die geschmolzenen Masse über ein Keramikrohr eingeleitet wurde, und anschließend das Einleiten des Argongases etwa 20 min. fortgesetzt wurde.
Dann wurde die geschmolzene Masse., wie in Fig. 6 gezeigt, bei einem Druck von 1.000 kg/cm² in einem Hohlraum 38, der von einer Form 36 und einem Kolben 40 einer Hochdruckgießvorrichtung 34 gebildet wurde, zu einer geschmolzenen Masse 18' verdichtet. Die Temperatur der geschmolzenen Masse zu Beginn der Verdichtung war 800 ºC.
Die verdichtete geschmolzene Masse 18' wurde natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt.
Das so erhaltenen verfestigte Material wurde zerschnitten, und die Schnittfläche wurde untersucht. Dabei ergab sich, daß in dem Material 42, wie in Fig. 7 gezeigt, eine große Anzahl von Verbundstoff-Koloniebereichen 44 vorhanden war, die in einer Matrix 46 aus im wesentlichen reinen Al dispergiert waren, wobei in jedem der Verbundstoff-Koloniebereiche 44 eine große Anzahl von sehr feinen Whiskern 48, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume begrenzte, in Richtung von deren Zentren erstreckten, mit Al der Matrix 46 durchdrungen war.
Es lagen im wesentlichen sphärische TiC-Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm in der Matrix 46 vor.
Die TiC-Whisker hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm.
Das Volumenverhältnis der TiC-Whisker 48 in dem Verbundstoff-Koloniebereich 44 war etwa 30 %. Das Volumenverhältnis der Verbundstoff-Koloniebereiche 44 in dem verfestigten Material war etwa 20 %. Das Volumenverhältnis der TiC- Teilchen, die in der Matrix 46 vorhanden waren, war etwa 0,2 %.

Ausführungsform 4

Fünf Stücke derselben, in Fig. 1 gezeigten Pellets wurden auf dieselbe Weise, wie in Fig. 2 gezeigt, zu einer geschmolzenen Masse aus 500 g reinem Al gegeben, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas über ein Keramikrohr in die geschmolzene Masse eingeleitet wurde und anschließend das Einblasen des Argongases für etwa 20 min fortgesetzt wurde.
Dann wurde die geschmolzene Masse auf dieselbe Weise wie in Fig. 6 gezeigt, für 90 s auf einen Druck von 1.000 kg/cm² in einem Hohlraum verdichtet, der durch eine Form einer Hochdruckgießvorrichtung gebildet wurde. Die Temperatur der geschmolzenen Masse zu Beginn der Verdichtung war 800 ºC.
Nach Ablauf der 90 s wurde die geschmolzene Masse in eine in Fig. 8 gezeigte Filtervorrichtung 56 gegossen, die ein Zylindergehäuse 50, einen Kolben 52 und ein Filterelement 54 enthielt, das aus kurzen Aluminiummoxid-Siliciumoxid- Fasern (50 % Al&sub2;O&sub3; - 50 % SiO&sub2;, Faserdurchmesser 2,8 µm, Faserlänge 500 µm) bestand, die so arrangiert waren, daß sie eine Volumendichte von 8 %, d. h. ein Öffnungsverhältnis von 92 %, hatten. Das geschmolzenen Matrixmetall wurde unter einem Druck von 500 kg/cm² durch das Filterelement 54 filtriert, wobei durch das Filterelement 54 die Verbundstoff-Koloniebereiche, die in der geschmolzenen Masse 18' gebildet waren, zurückgehalten wurden.
Das durch das Filterelement 54 zurückgehaltene und natürlich verfestigte Material wurde zerschnitten und die Schnittfläche wurde untersucht. Dabei ergab sich, daß in dem Material 58, wie in Fig. 9 gezeigt, eine große Anzahl von Verbundstoff-Koloniebereichen 60 vorhanden war, die dicht gepackt waren, wobei eine dünne Schicht aus Al 62 die engen Zwischenräume zwischen den benachbarten Verbundstoff- Koloniebereichen 60 füllte. In jedem der Verbundstoff- Koloniebereiche 60 war eine große Anzahl von sehr feinen Whiskern 64, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume umgab, in Richtung von deren Zentrum erstreckten, von Al der Matrix 62 durchdrungen.
Die TiC-Whisker hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm. Das Volumenverhältnis der TiC-Whisker 64 in dem Verbundstoff-Koloniebereich 60 war etwa 30 %. Das Volumenverhältnis der Verbundstoff-Koloniebereiche 60 in dem verfestigten Material 58 war etwa 80 %.

Ausführungsform 5

7 g Graphitpulver wurden auf dieselbe Weise wie in Fig. 5 gezeigt in eine geschmolzene Masse 30 aus 500 g Al-Legierung (Al - 5 Masse-% Ti) gegeben, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas über ein Keramikrohr in die geschmolzene Masse eingeblasen wurde, und das Einblasen des Argongases anschließend 20 min lang fortgesetzt wurde.
Dann wurde die geschmolzene Masse auf dieselbe Weise wie in Fig. 6 gezeigt bei 1.000 kg/cm² verdichtet. Die Temperatur der geschmolzenen Masse war zu Beginn der Verdichtung 800 ºC. Die geschmolzene Masse wurde unter Druck natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt. Das so verfestigte Material wurde zerschnitten und die Schnittfläche untersucht. Dabei ergab sich, daß in dem Material, wie in Fig. 7 gezeigt, eine große Anzahl von Verbundstoff-Koloniebereichen vorhanden war, die in einer Matrix aus im wesentlichen reinen Al dispergiert waren, wobei in jedem der Verbundstoff-Koloniebereiche eine große Anzahl von sehr feinen Whiskern, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume begrenzte, in Richtung von deren Zentrum erstreckten, von Al der Matrix durchdrungen war.
Die TiC-Whisker hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm. Das Volumenverhältnis der TiC-Whisker in dem Verbundstoff-Koloniebereich war etwa 20 %. Das Volumenverhältnis der Verbundstoff-Koloniebereiche in dem verfestigten Material war etwa 20%.

Ausführungsform 6

7 g Graphitpulver wurden auf dieselbe Weise wie in Fig. 5 gezeigt in eine geschmolzene Masse aus 500 g Al-Legierung (Al - 5 Masse-% Ti) gegeben, die bei 1.400 ºC gehalten wurde, wobei Argongas über ein Keramikrohr 20 in die geschmolzene Masse eingeleitet wurde, und anschließend das Einleiten des Argongases etwa 20 min lang fortgesetzt wurde.
Dann wurde die geschmolzene Masse, auf dieselbe Weise wie in Fig. 6 gezeigt, 90 s bei 1.000 kg/cm² verdichtet. Die Temperatur der geschmolzenen Masse war zu Beginn der Verdichtung 800 ºC.
Nach Ablauf der 90 s wurde die verdichtete geschmolzene Masse, auf dieselbe Weise wie in Fig. 8 gezeigt, in eine Filtervorrichtung von derselben Art, wie in Fig. 8 gezeigt, gegossen, und das geschmolzene Matrixmetall wurde unter einem Druck von 500 kg/cm² durch das Filterelement filtriert, während die Verbundstoff-Koloniebereiche, die sich in der geschmolzenen Masse gebildet hatten, von dem Filterelement zurückgehalten wurden.
Das so durch das Filterelement zurückgehaltene und natürlich verfestigte Material wurde zerschnitten und die Schnittflächen untersucht. Dabei ergab sich, daß in derselben Weise wie in Fig. 9 gezeigt, eine große Anzahl von Verbundstoff-Koloniebereichen vorhanden waren, die dicht gepackt waren, wobei eine dünne Schicht aus Al die engen Zwischenräume zwischen den benachbarten Verbundstoff- Koloniebereichen füllte.
In jedem der Verbundstoff-Koloniebereiche war eine große Anzahl von sehr feinen Whiskern von Al der Matrix durchdrungen, die sich von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die die freien Zwischenräume begrenzte, in Richtung von deren Zentren erstreckten.
Die TiC-Whisker hatten einen mittleren Durchmesser von etwa 0,3 µm und eine mittlere Länge von etwa 500 µm.
Das Volumenverhältnis der TiC-Whisker in dem Verbundstoff- Koloniebereich war etwa 20 %.
Das Volumenverhältnis der Verbundstof f-Kolonien in den verfestigten Materialbereichen war etwa 80 %.

Untersuchung der erhaltenen Verbundstoffe

Aus den Verbundstoffen, die erfindungsgemäß erhalten worden waren, wurden Proben für einen Festigkeitstest hergestellt. Weiter wurden Proben für Vergleichszwecke aus einem Verbundstoff aus reinem Al hergestellt, der mit 10 bis 30 Vol.-% dreidimensional statistisch verteilter Siliziumkarbid-Whisker verstärkt war (mittlerer Faserdurchmesser 0,5 µm und mittlere Faserlänge 50 µm).
Die Proben wurden auf ihre Festigkeit bei Raumtemperatur untersucht. Die Testergebnisse sind in Fig. 10 gezeigt, wobei die Festigkeit in %, bezogen auf die von reinem Al, die 100 % gesetzt wurde, ausgedrückt ist.
Zudem wurden scheibenförmige Proben für eine Abriebsuntersuchung aus den erfindungsgemäß erhaltenen Verbundstoffen und dem zuvorgenannten Vergleichsmaterial hergestellt. Diese wurden auf die Abriebsbeständigkeit untersucht, indem ein Ende eines rotierenden zylindrischen Gegenstücks unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen gegen die Proben gepreßt wurde:
Testtemperatur: 150ºC
Gegenstück: Trägerstahl (JIS SUJ 2)
Schmiermittel: Castle Motor-Öl (5W-30) (Reg. TM)
Belastung: 50 kgf
Drehzahl: 150 U/min.
Testdauer: 1 h
Die Testergebnisse sind in Fig. 11 gezeigt, wobei die Abriebmenge, die als die Tiefe einer Abriebspur gemessen wurde, die in der Oberfläche der Probe gebildet worden war, in %, bezogen auf die von reinem Aluminium, die 100 % ist, ausgedrückt ist.
Zudem wurden quadratische barrenförmige Proben zur Untersuchung des thermischen Anhaftens aus den erfindungsgemäß erhaltenen Verbundstoffen und den zuvorgenannten Vergleichsstoffen gebildet und in Bezug auf ihre Beständigkeit gegen thermisches Anhaften untersucht, indem ein Ende der Proben gegen ein Gegenstück unter den nachstehend beschnebenen Bedingungen gestoßen wurde: Testtemperatur: 250ºC Gegenstück: Trägerstahl (JIS SUJ 2) Probenoberfläche: 750 cm² Stoßdruck: 5 kgf
Die Testergebnisse sind in Fig. 12 gezeigt, wobei das Verhältnis der Fläche, mit der das Testmaterial an der Testoberfläche haftete, zu der Probenoberfläche in %, bezogen auf reines Aluminium, das 100 % ist, ausgedrückt ist.
Fig. 10 läßt erkennen, daß die Verbundstoffe der Ausführungsformen 3 und 5 eine Festigkeit haben, die mit der der Vergleichsverbundstoffe vergleichbar ist, während die Verbundstoffe der Ausführungsformen 4 und 6 den Vergleichsverbundstoffen in Bezug auf die Festigkeit überlegen und denjenigen der Ausführungsformen 3 und 5 weit überlegen sind. Weiter kann Figuren 11 und 12 entnommen werden, daß die erfindungsgemäßen Verbundstoffe den Vergleichsverbundstoffen in bezug auf die Abriebsbeständigkeit überlegen und in bezug auf Beständigkeit gegen thermisches Anhaften weit überlegen sind.
Es zeigt sich auch, daß die Verbundstoffe gemäß Ausführungsformen 4 und 6 denjenigen gemäß Ausführungsformen 3 und 5 sowohl in bezug auf Abriebsbeständigkeit als auch in bezug auf Beständigkeit gegen thermisches Anhaften überlegen sind. Die zuvorgenannten überlegenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verbundstoffes beruht offensichtlich darauf, daß die TiC-Whisker in dem erfindungsgemäßen Verbundstoff in der Matrix aus Verbundstoff nicht einfach dreidimensional statistisch dispergiert sind, sondern extrem regelmäßig dreidimensional radial in jedem der Verbundstoff-Koloniebereiche orientiert sind, so daß sich ein starkes Kemmaterial ergibt, das andererseits in einer Matrix aus Al gleichförmig dispergiert oder gleichmäßig gepackt ist, wobei relativ dünne Matrix-Bindeschichten die die Zwischenräume zwischen den benachbarten Verbundstoff Koloniebereichen innig ausfüllen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend im einzelnen in bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute ersichtlich, daß verschiedene andere Ausführungsformen innerhalb des Bereiches der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind.
Obwohl z. B. in den zuvorgenannten Ausführungsformen die geschmolzene Masse, nachdem die TiC-Whisker in den freien Zwischenräumen aus reinem Al oder einer Al-Legierung gewachsen waren, verdichtet wurde, bevor sie zur Verfestigung abgekühlt wurde, kann ein ähnlicher Verbundstoff erhalten werden, indem die geschmolzene Masse mit den in deren freien Zwischenräumen gebildeten TiC-Whiskern einmal zur Verfestigung abgekühlt wird, anschließend die verfestigte Masse erneut zur Schmelze erhitzt wird, und die geschmolzene Masse verdichtet wird.
Obwohl zudem in den zuvorgenannten Ausführungsformen 4 und 6 die geschmolzene Masse mit den in den freien Zwischenräumen gebildeten TiC-Whiskern verdichtet und dann filtriert wurde, kann die geschmolzene Masse mit den in den freien Zwischenräumen gebildeten TiC-Whiskern zuerst filtriert und dann verdichtet werden, oder der Filterprozeß kann sowohl vor als auch nach der Verdichtung durchgeführt werden.
Obwohl zudem reines Al oder Al-Ti-Legierung in den zuvorgenannten Ausführungsformen verwendet wurde, ergaben sich auch hervorragende Ergebnisse für den Fall, daß das geschmolzene Metall eine andere AL-Legierung war, die ein oder mehrere Elemente ausgewählt unter Cu, Si, Mg, Zn usw. enthielt wie JIS 2024, 6061, 7075 und AC8A.
Wie das vorstehende erkennen läßt, reagiert erfindungsgemäß Ti und C miteinander in der geschmolzenen Masse, um TiC zu erzeugen, und das so erzeugte TiG wächst unter Ausbildung einer Anzahl von Einkristallen, die sich jeweils von der Oberfläche der geschmolzenen Masse, die einen Blasenraum aus im wesentlichen inaktivem Gas begrenzt, der in der geschmolzenen Masse gebildet worden ist, unter der Bedingung, daß sie von der Atmosphäre isoliert sind, in Richtung von deren Zentren erstrecken, wobei sehr feine Whisker erzeugt werden, die einen mittleren Durchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 µm haben.
Wird zudem die geschmolzenen Masse mit den Verbundstoff- Koloniebereichen, die in dem Matrixmaterial gebildet worden sind, filtriert, wird ein mit TiC-Whiskern verstärkter Metallverbundstoff erhalten, der im Vergleich zu denjenigen, die mit herkömmlichen Methoden erhalten werden können, eine im wesentlichen hohe Faserdichte hat.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:

Zugabe eines Ti-Pulvers und eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus reinem Al oder Al-Legierung, und

Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume in der geschmolzenen Masse zu erzeugen, die aus Blasen des inaktiven Gas gebildet sind, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden dieser freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und anschließend Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder der Al-Legierung, zu der das Ti-Pulver und das Graphitpulver zugegeben werden, in einem Bereich von 1.100 bis 1.500 ºC liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder der Al-Legierung, zu der das Ti-Pulver und das Graphitpulver zugegeben werden, in einem Bereich von 1.200 bis 1.500 ºC liegt.

4. Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, das die Schritte umfaßt:

Zugeben eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus einer Al-Legierung, die Ti enthält, und

Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die aus Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse ge-bildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden der freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräumenwachsen, und

anschließend Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus der Al-Legierung, zu der das Graphitpulver zugegeben wird, in einem Bereich von 1.100 bis 1.500 ºC liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus der Al-Legierung, zu der das Graphitpulver zugegeben wird, in einem Bereich von 1.200 bis 1.500 ºC liegt.

7. Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, umfassend die Schritte:

Zugeben eines Ti-Pulvers und eines Graphitpulvers zu einer geschmolzenen Masse aus reinem Al oder einer Al- Legierung, und

Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die aus Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden dieser freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und

anschließend Verdichten der geschmolzenen Masse, und Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder der Al-Legierung, zu der das Ti-Pulver oder das Graphitpulver zugegeben werden, in einem Bereich von 1.100 bis 1.500 ºC liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus reinem Al oder der Al-Legierung, zu der das Ti-Pulver und das Graphitpulver zugegeben werden, in einem Bereich von 1.200 bis 1.500 ºC liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die geschmolzene Masse mit den darin ausgebildeten TiC-Whiskern filtriert wird, um einen Teil des geschmolzenen reinen Al oder Al- Legierung zu entfernen, um dadurch die Dichte der TiC- Whisker in der geschmolzenen Masse zu erhöhen.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Druck auf die geschmolzene Masse, die der Verdichtung unterzogen wird, in einem Bereich von 300 bis 1.500 kg/cm² liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Druck auf die geschmolzene Masse, die der Verdichtung unterzogen wird, in einem Bereich von 800 bis 1.200 kg/cm² liegt.

13. Verfahren zur Herstellung von TiC-Whiskern, umfassend die Schritte:

Einblasen eines inaktiven Gases in die geschmolzene Masse, um freie Zwischenräume zu erzeugen, die aus Blasen des inaktiven Gases in der geschmolzenen Masse gebildet werden, so daß TiC-Whisker erzeugt werden, indem sie von einer Grenzfläche, die jeden der freien Zwischenräume definiert, in jeden dieser freien Zwischenräume wachsen, und

anschließend Verdichten der gerschmolzenen Masse, und Abkühlen der geschmolzenen Masse, um die geschmolzene Masse zu verfestigen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus Al-Legierung, zu der Graphitpulver zugegeben wird, in einem Bereich von 1.100 bis 1.500 ºC liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Temperatur der geschmolzenen Masse aus Al-Legierung, zu der Graphitpulver zugegeben wird, in einem Bereich von 1.200 bis 1.500 ºC liegt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die geschmolzene Masse mit den darin gebildeten TiC-Whiskern filtriert wird, um einen Teil der geschmolzenen Al-Legierung zu entfernen, um dadurch die Dichte der TiC-Whisker in der geschmolzenen Masse zu erhöhen.

17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Druck auf die geschmolzene Masse, die der Verdichtung unterzogen wird, in einem Bereich von 300 bis 1.500 kg/cm² liegt.

18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Druck auf die geschmolzene Masse, die der Verdichtung unterzogen wird, in einem Bereich von 800 bis 1.200 kg/cm² liegt.