DE3882397T2 - Flugasche enthaltende metallische Verbundwerkstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet konstruktiver und ornamenteller Kompositmaterialien, bei denen unübliche Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Leitfähigkeit und Verschleißbeständigkeit gegenüber einem Matrixmaterial allein vorhanden sind.
Beschreibung des Standes der Technik
• Das Gebiet der Metall-Metallverbindung-Kompositwerkstoffe ist bereits im einzelnen erforscht worden. In Metallmatrizen fein verteilte Metallverbindungen bilden heute die Basis für einige der höchst fortgeschrittenen Hochtechnologie-Materialien, beispielsweise Kohlenstoff-Aluminiumlegierungen, metallcarbidgehärtete Stähle, ausscheidungsgehärtete Stähle, ausscheidungsgehärtete Aluminiumlegierungen und Kupferlegierungen - Metals Handbook Band 1, 8. Auflage 1961. Diese Techniken zum Dispergieren einer Verbindung innerhalb einer anderen sind gut bekannt und umfassen im allgemeinen Ausscheidungsverfahren aus flüssigen oder festen Lösungen. Ein Beispeil eines gemäß dieser Techniken hergestellten Materials ist die Kupfer-Kupferoxid-Legierung, in welcher das Oxid ein Primärkristallisationsprodukt oder eine eutektische Dispersion sein kann; siehe "Engineering Materials and their Applications" - R.A. Flinn und P.K. Trojan - Houghton-Mifflin Co., Boston, 1981. Andere hochfeste Metall-Keramik-Kompositmaterialien werden im allgemeinen durch Infiltration des flüssigen Metalls um die Keramikpartikel oder durch mechanischen Einbau des Keramikmaterials in die Metallmatrix durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt, wie beispielsweise durch Mischen, Verdichten und Sintern von Pulvermischungen, oder durch Bindung in der flüssigen Phase. Die US-A-3 055 763 beschreibt ein Produkt, das aus Metall und einem Aggregat besteht, wobei das Aggregat in Form diskreter, in einer Matrix des Metalls eingebetteter Teilchen besteht.
• Jedoch sind diese Hochtechnologiematerialien aufgrund der dazu erforderlichen komplizierten Verfahren sowie der hohen Kosten der in dem Kompositmaterial verwendeten Keramikmaterialien sehr teuer. Demgemäß besteht ein Bedarf an der Erzeugung von Metallkompositmaterialien, die herkömmlichen Materialien im wesentlichen gleichwertig oder diesen noch überlegen sind, in einer wirtschaftlicheren Weise.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung weniger teurer Metallkompositmaterialien mit Flugasche sowie dadurch hergestellte Metallkompositwerkstoffe. Durch das Einbauen von Flugasche in ein Metallmatrix zur Bildung eines weniger teuren Metallkompositmaterials mit im wesentlichen allen Eigenschaften seines teureren Gegenstücks bieten die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien eine wirtschaftliche Alternative zu den bisher bekannten Metallkompositmaterialien.
• Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein weniger teures Metallkompositmaterial aus Flugasche herzustellen.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines weniger teuren Metallkompositmaterials mit wesentlich verbesserten Eigenschaften gegenüber der Matrix und mit im wesentlichen gleichwertigen oder besseren Eigenschaften als dem teureren Gegenstück ohne darin eingebaute Flugasche. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist der Einsatz eines wirtschaftlichen Verfahrens zur Herstellung der vorgenannten Metallkompositmaterialien, wobei die Metallkompositmaterialien dann als Substitut für das teurere Gegenstück auf dem Markt wettbewerbsfähig ist.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwendung von Flugasche, die im allgemeinen entsorgt wird oder als Geländeauffüllmaterial usw. verwendet wird.
• Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials aus einer Metallmatrix und einer weiteren Substanz vorgesehen, wie im Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Merkmale dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 12 definiert.
• Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung ist ein festes Kompositmaterial vorgesehen, das nach einem Verfahren gemäß dem genannten einen Aspekt dieser Erfindung herstellbar und im Anspruch 13 definiert ist. Bevorzugte Merkmale dieses festen Kompositmaterials sind durch die Ansprüche 14 bis 20 definiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des spezifischen Widerstands der gemäß der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien.
• Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Dichte der nach der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien. Die auf der vertikalen Achse angegebenen Einheiten müssen mit 27,7 multipliziert werden, um sie in g/cm³ umzuwandeln.
• Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Rockwell-A-Härte der nach der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien.
• Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der Rockwell-B-Härte der nach der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien.
• Fig. 5 zeigt eine graphische Darstellung des Elastizitätsmoduls der nach der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien. Die auf der Vertikalachse angegebenen Einheiten müssen mit 6,9 multipliziert werden, um sie in kN/m² x 10&sup6; umzuwandeln.
• Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Bruchspannung (max.) der nach der beanspruchten Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien. Die an der Vertikalachse angegebenen Einheiten müssen mit 6,9 multipliziert werden, um sie in kN/m² x 10³ umzuwandeln.
• Die Fig. 7 und 8 sind graphische Darstellungen der Ergebnisse von Verschleißtests, die an nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Metallkompositmaterialien durchgeführt wurden.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• Die Fig. 1 bis 8 stellen graphisch die in der untenstehenden Tafel I angegebenen Daten dar. Die verschiedenen Datenpunkte sind in Fig. 1 definiert und sind in den anderen Figuren ebenfalls definiert, wo dies notwendig ist.
• Gemäß Fig. 6 verändert sich die maximale Bruchspannung eines Metallprodukts mit null Gewichtsprozent Flugaschegehalt wesentlich, je nachdem, ob das Produkt aus pulverisiertem ZA-27 oder Barrenmaterial ZA-27 hergestellt wird. Die Figuren 7 und 8 stellen die aus einem Koppers-Bremsschuh-Trockenverschleißtest mit Proben- bzw. Trommelanalyse erhaltenen Ergebnisse dar. Die Verschleißtests bestimmen den Gewichtsverlust der Probe sowie auch der Bremstrommel und werden mit Industriestandards wie beispielsweise Raybestes- und Halbmetall-Materialien verglichen. Die in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Datenpunkte entsprechen im allgemeinen den gemäß einer ersten, unten erörterten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltenen Daten.
• Die Figuren dienen lediglich Erläuterungszwecken; keine Figur stellt an sich und aus sich heraus patentfähige Substanz der vorliegenden Erfindung dar. Die Figuren erläutern, wie die physikalischen Eigenschaften eines Metallkompositmaterials in Abhängigkeit von Menge und Art der darin enthaltenen Flugasche verändert werden können. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, daß die physikalischen Eigenschaften des Kompositmetallmaterials nach der beanspruchten Erfindung als direkte Funktion des vorgesehenen Ergebnisses optimiert werden kann. Beispielsweise erläutert die Grafik in Fig. 5, daß der Elastizitätsmodul bei ZA-27 sein Maximum bei 15 Gewichtsprozent Flugasche erreicht.
• Mechanisch-konstruktive Gesichtspunkte, nämlich die Elastizitätsgrenze und der Young'sche Elastizitätsmodul des Materials machen die Tatsache evident, daß das nach der beanspruchten Erfindung hergestellte Kompositmaterial höhere mechanische Konstruktionsgrenzen als ein aus dem reinen Metallmatrixmaterial hergestelltes Produkt hat. Die in Fig. 5 für die verschiedenen Zusammensetzungen angegebenen Elastizitätsmoduldaten legen nahe, daß ein Metallkompositmaterial mit überragenden mechanischen Konstruktionsgrenzen durch Optimierung des Flugaschegehalts ausgewählt werden kann. Alle mechanischen Tests wurden entsprechend den eingeführten Verfahren in der Industrie durchgeführt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung billiger Metallkompositwerkstoffe mit darin enthaltener Flugasche, und auf dadurch erhaltene Produkte. Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Metallkompositwerkstoffe haben ein in ihr Matrixsystem eingebautes leicht verfügbares, billiges Erdprodukt, das ihren wirtschaftlichen Wert in vorteilhafter Weise über andere bisher bekannte Metallkompositmaterialien verbessert, ohne die interessierenden physikalischen Eigenschaften der Kompositmaterialien nachteilig zu beeinflussen.
• Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung liegt in der Erkenntnis einer einzigartigen Eigenschaft von Flugasche, der sich beim Erhitzen in Anwesenheit einer Metallmatrix zeigt.
• Flugasche besteht hauptsächlich aus Eisenoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid mit verschiedenen äußeren Verunreinigungen. Bekanntermaßen ist sie glasartig und das Eisen liegt im zweiwertigen Zustand vor, der bei erhöhten Temperaturen durch Oxidation in den dreiwertigen Zustand übergeht (siehe "Utilization of Waste Boiler Fly Ash and Slags in the Structural Clay Industrie" von Minnick und Bauer, American Ceramic Society Bulletin, Vol. 29, Nr. 5, Seiten 177-180 (1959). Dieser Sauerstoffbedarf steht in Konkurrenz zu dem Sauerstoff in Oxidfilmen aus dispergierten Metallteilchen und erzeugt daher Bindungen des "Reaktionstyps" zwischen der Flugasche und dem Metall. Eine weitere Reaktion tritt auf, wenn die Matrix Metalle enthält, die eine Thermitreaktion mit den Eisenoxiden bedingen. In diesem Fall reduziert das Metall das Eisenoxid zu elementarem Eisen, das sich in der Metallmatrix lösen kann, das aber im allgemeinen in einer aus der Reaktion hervorgehenden neuen, harten, dauerhaften Phase gebunden ist.
• Wenn das reagierende Metall Aluminium war, beträgt die Differenz zwischen der Bildungswärme von Aluminiumoxid mit 1.643.737.600 J (392.600 Kalorien) und Eisenoxid mit 824.799.600 J (197.000 Kalorien) also 818.938.000 J (195.600 Kalorien). Jedoch arbeitet das Verfahren mit jedem Metall mit einer Oxidbildungswärme, die größer als diejenige von Eisenoxid ist.
• Da Flugasche hauptsächlich aus den Oxiden von Eisen, Aluminium und Silizium besteht, kann vernünftigerweise erwartet werden, daß irgendwelches Aluminium in der Metallmatrix des Kompositprodukts mit dem Siliziumoxid sowie auch mit dem Eisenoxid reagieren wird, da die Bildungswärme für Siliziumoxid sich im Bereich von 874.827.000 J (202.500 Kalorien) für glasartiges Silica über 876.715.920 J (209.400 Kalorien) für Tridymit, und 877.134.600 J (209.500 Kalorien) für Christobalit bis 878.809.320 J (209.900 Kalorien) für Quarz bewegt. In diesem Fall kann das reduzierte Silizium sich in der Metallmatrix auflösen, ist aber außerdem im allgemeinen in der sich aus der Reaktion ergebenden neuen Phase gebunden.
• Wenn die Asche-Metall-Mischung (die verdichtet wird, damit die Hohlräume zwischen den Teilchen minimal sind) erhitzt wiid, hat deshalb das Metall mit der hohen Oxidationsenergie nicht nur die Neigung zum Verschweißen oder Sintern, sondern führt außerdem zu einer Thermitreaktion der Flugasche. Das Maß der Vollständigkeit dieser Reaktion hängt von Faktoren wie beispielsweise dem Aschegehalt, der Teilchengröße sowie Verteilung und Temperatur ab.
• Die Brauchbarkeit der Metallkompositmaterialien nach der Erfindung kann manchmal eine Funktion der Formbarkeit der Materialien sein. Falls der hergestellte Gegenstand ohne weitere Formung in seiner ursprünglichen Gestalt zu verwenden ist, konzentriert sich der wichtigste Gesichtspunkt auf die Flugasche, beispielsweise durch Verbrennen von Kohle oder Öl. Die Metallmatrix ist von sekundärer Bedeutung. Das Metallmatrixmaterial des Metallkompositmaterials kann aus irgendeiner Anzahl von Metallen oder Metallegierungen einschließlich der Metallegierung ZA-27 bestehen. Dem Durchschnittsfachmann ist ZA-27 als Legierung bekannt, die im wesentlichen aus 27 Gewichtsprozent Aluminium und 23 Gewichtsprozent Zink besteht. Andere geeignete Metallmatrixmaterialien sind Legierungen aus Aluminium, Zinn, Zink und Kupfer.
• Wenn das Metallkomposit in einer zweckmäßigen Form hergestellt und anschließend gepreßt, gewalzt, gestanzt, extrudiert, bearbeitet oder sonstwie geformt wird, sollte das gewählte Matrixmaterial ein solches sein, das gute Formbarkeit besitzt. Ein solches Metallmaterial kann von Natur aus schmiedbar sein oder kann durch Überführen in einen superplastischen Zustand schmiedbar gemacht werden. Obwohl es viele superplastische Legierungen gibt, sind im wesentlichen alle Metalleutektika oder zähe Metalle mit Korngrößen von weniger als 10 Mikron superplastisch. Dieser umfangreiche Bereich von Möglichkeiten wird von B. Baudelot in "A Review of Super Plasticity" in Memoires Scientifiques Revue Metallurgia 1971, Seiten 479-487, dargestellt. Zum Zwecke der Erläuterung der vorliegenden Erfindung wurde nur das Monotektoid von Al-Zn (ZA-27) untersucht. Für den Fachmann ist leicht erkennbar, daß zahlreiche andere superplastische Legierungen anstelle der Al-Zn-Legierung genommen werden können.
• Eine erste Ausführungsform der Herstellung von Metallkompositmaterialien mit darin eingebauter Flugasche umfaßt das Mischen einer vorgegebenen Menge der Flugasche mit einem gewünschten pulverisierten Metallmatrixmaterial, um ein homogenes Pulvergemisch zu erhalten, das Pressen des Gemisches zur Herstellung eines Preßlings, die Wärmebehandlung und das weitere Pressen des Preßlings zum Erzeugen von Bindungen zwischen dem Metallmatrixmaterial und der Flugasche sowie auch innerhalb der Flugasche und innerhalb des Metallmatrixmaterials, um so das schließliche Metallkompositmaterial zu erhalten. Jeder der obigen Verfahrensschritte wird nachstehend noch mehr im einzelnen beschrieben.
• Anfänglich, bevor die Verarbeitung beginnt, müssen die Teilchengrößen des pulverisierten Metallmatrixmaterials und der Flugasche gewählt werden. Obwohl die Teilchengrößen der Flugasche im allgemeinen dadurch bestimmt werden, wie man dieses Produkt in der Natur vorfindet (ohne weitere Verarbeitung wie beispielsweise Schleifen), kann das Verhältnis der Teilchengrößen des Metallmatrixmaterials zur Flugasche irgendwo zwischen 10 zu 1 und 1 zu 10 liegen, vorzugsweise zwischen 5 zu 1 und 1 zu 5, höchst vorzugsweise bei etwa 1 zu 1. Es wurde herausgefunden, daß ein Verhältnis von 1 zu 1 im allgemeinen bessere Mischungen der Materialien ergibt, was zu einem homogeneren Gemisch führt. Die Teilchengrößen sowohl des Metallmatrixmaterials wie auch der Flugasche sollten im Bereich von etwa 1 bis 100 Mikrometer liegen. Sowohl das Teilchenverhältnis als auch die Teilchengröße beeinflussen das Kontinuum des Metallkompositmaterials. Sowohl ein näher bei 1 zu 1 liegendes Verhältnis als auch kleinere Teilchengrößen erzeugen ein besseres Kontinuum in dem Metallkompositmaterial.
• Nachdem die Teilchengrößen ausgewählt worden sind, muß die Menge der Flugasche bestimmt werden, die mit dem Metallmatrixmaterial vermischt werden soll. Es kann irgend ein Anteil im Bereich von 1 bis 40 Gewichtsprozent Flugasche auf der Basis der Metallmatrixmaterialmenge verwendet werden, vorzugsweise zwischen 5 und 25 %. Falls weniger als 1 % Flugasche verwendet wird, fallen die oben erörterten wirtschaftlichen Vorteile nicht mehr ins Gewicht. Irgendein Anteil oberhalb von 40 % ergibt ein Produkt, das zutreffender als keramisches Kompositmaterial zu beschreiben wäre.
• Nachdem die Teilchengrößen und die Zusammensetzungsmengen bestimmt worden sind, werden die Metallmatrixmaterialien und die Flugasche zu einem homogenen Gemisch vermischt. Das Mischen kann mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Techniken erfolgen. Es hat sich gezeigt, daß Mahlen in einer Kugelmühle die effizientesten Ergebnisse bringt. Die zur Herstellung eines homogenen Gemisches erforderliche Zeitdauer hängt im allgemeinen von der Größe der Schleifmittel in der Kugelmühle, dem Fassungsvermögen der Kugelmühle sowie auch von deren Wirkungsgrad ab, wobei all dies zur Kenntnis des Fachmanns gehört.
• Nachdem man ein homogenes Gemisch erhalten hat, wird ein Teil hiervon in ein Gesenk gegeben und bei einem Druck zwischen 69.000 bis 345.000 kN/m², vorzugsweise zwischen 138.000 bis 207.000 kN/m² gepreßt. Die Größe des angewendeten Druckes wird nur durch den Preßdruck begrenzt, dem das jeweilige Gesenk standhalten kann. Dementsprechend können Preßdrücke von bis zu 690.000 bis 1.035.000 kN/m² angewendet werden. Im allgemeinen sind 69.000 bis 345.000 kN/m² als zufriedenstellend festgestellt worden. Nach Beendigung dieses Schrittes erhält man einen Preßling aus einer Metallmatrix/Flugasche, wobei dieser Preßling für eine Wärmebehandlung versehen ist.
• Der Preßling kann nunmehr gemäß einem von zwei Verfahren erwärmt werden. Das erste Verfahren umfaßt das Erwärmen des verdichteten Materials gerade unterhalb der Solidustemperatur des Metallmatrixmaterials und anschließendes Pressen derselben mit einem Preßdruck oberhalb der Fließgrenze des Metalls bei dieser Temperatur. Dieser Druck bestimmt sich natürlich durch die Zusammensetzung des verwendeten Metallmatrixmaterials und kann vom Fachmann leicht bestimmt werden. Dieses Verfahren ist dem Fachmann als Heißpressen bekannt. Dieser besondere Heiz- und Preßvorgang erzeugt die Bindungen zwischen den Metallmatrixteilchen, zwischen den Flugascheteilchen, und zwischen den Flugascheteilchen und Metallmatrixteilchen, wodurch ein festes Metallkompositmaterial gebildet wird. Dieses Kompositmaterial kann eine Metallmatrix, die durch aus der Flugasche durch die Bindungsreaktion reduzierte Elemente modifiziert ist, sowie eine identifizierbare Reaktionsphase aufweisen, die das Ergebnis des Bindungsmechanismus ist. Der Fachmann erkennt außerdem, daß dieser Schritt leicht im Sinne der Herstellung eines Metallkompositmaterials durch einen Heißextrusionsvorgang angepaßt werden kann, d.h. nachdem das Metallmatrixmaterial auf eine Temperatur gerade unterhalb seiner Solidustemperatur erwärmt worden ist, kann das verdichtete homogene Gemisch anschliessend durch eine kleine Öffnung extrudiert werden, um eine Metallmatrix in Form eines Drahtes, einer Stange, einer Platte oder in anderer Form herzustellen.
• Eine Alternative zu dem obigen Wärmebehandlungsschritt wäre das Erhitzen einer der Phasen (der Metallmatrix oder Flugasche) auf gerade oberhalb ihrer Solidustemperatur und das Anwenden eines Preßdruckes gerade unterhalb des Druckes, bei welchem geschmolzenes Metall aus dem Gesenk aus geschleudert würde. Offensichtlich hängt auch dieser Druck vollständig von der Bauart des verwendeten Gesenksystems ab. Dieser Druck muß jedoch mindestens 27.000 kN/m² betragen. Wie im obigen Fall sind bei dem erzeugten Metallkompositmaterial die Teilchen der dispergierten Flugasche an die Teilchen des Metallmatrixmaterials und aneinander gebunden, wodurch ein Metallkompositmaterial mit der gewünschten physikalischen Eigenschaft hergestellt wird.
• Die Auswahl, welcher Wärmebehandlungsschritt angewendet wird, hängt von den relativen Schmelztemperaturen der Matrixlegierung und des Füllmaterials und von den nachfolgenden Formungsvorgängen ab (d.h. Belassen in der gepreßten Form oder Erzeugen einer davon verschiedenen Form durch mechanische Deformation).
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein homogenes Gemisch aus Teilchen der Flugasche und des pulverisierten metallenen Matrixmaterials erhitzt, ohne zuvor verdichtet worden zu sein, bis das Metall geschmolzen wird. Die Auswahl der Teilchengröße sowohl der Flugasche wie auch des metallenen Matrixmaterials sowie das Mischverfahren zum Erhalt eines gleichförmigen homogenen Gemisches sind wie vorstehend beschrieben.
• Wegen der Bildung eines Oxidfilms auf den metallenen Matrixmaterialteilchen verbleibt das Gemisch in Pulverform, selbst wenn das Metall sich in seinem geschmolzenen Zustand befindet. Demgemäß werden Flugascheteilchen innerhalb der geschmolzenen metallenen Matrixmaterialteilchen dispergiert.
• Das homogene Gemisch wird dann kontinuierlich einem Formungsvorgang zugeführt, beispielsweise einer Kokillenblockschmelzextraktion (wie im US-Patent Nr. 4,326,579 beschrieben), einem Quetschwalzenpaar, Pressen, Stanzen, Extrudieren u.s.w., um zu einer Schiene, Stange, Platte, einen Draht und dgl. geformt zu werden. Natürlich kann noch eine weitere Veredelung des so geformten Materials gemäß irgendeinem der eingeführten Verfahren durchgeführt werden.
• Eine Modifizierung dieser Ausführungsform stellt das Sprühbeschichten durch Zuführen des homogenen Teilchengemisches aus der Flugasche und dem pulverisierten Metallmatrixmaterial durch eine Hochtemperaturflammenquelle wie beispielsweise eine Metco-Sprühkanone oder eine Plasmasprühkanone dar, wobei geschmolzene Teilchen der Flugasche sowie geschmolzene Teilchen des Metallmatrixmaterials gleichzeitig gegen stillstehende Objekte geschleudert werden, um dort Volumen von in einer Metallmatrix homogen dispergierter Flugasche aufzubauen.
• Anders als bei der ersten Ausführungsform, wo das Material zunächst vor dem Erhitzungsschritt (ein chargenweiser Vorgang) verdichtet werden muß, ermöglicht diese Ausführungsform die Anwendung eines kontinuierlichen Prozesses, was wiederum in beträchtlichem Maße Kosten verringert und die Entwicklung und Produktion in großem Maßstab erleichtert.
• Außerdem erfordert die Kokillenblockschmelzextraktion, anders als andere Formungsvorgänge, nicht die hohen statischen Drücke, die normalerweise beim Pressen, Walzen, Stanzen, Extrudieren usw. erforderlich sind, wie oben beschrieben (zum Bewirken der Bindung notwendig), wobei diese statischen Drücke zum Aufbrechen der Oberflächenspannungen der einzelnen Teilchen wirken und dadurch die Bindungen innerhalb des fertigen Metallkompositmaterials erzeugen. Statt dessen ist der Druck von kinetischer Natur und entsteht aus den Scherspannungen, die in dem homogenen Gemisch wirken. Die Scherspannungen bewirken das Aufbrechen der Oberflächenfilme der einzelnen Teilchen und erleichtern so die Erzeugung von Bindungen im Fertigprodukt.
• Bei einer dritten Ausführungsform werden Metallbarren des Metallmatrixmaterials (nicht pulverisiert) bis zum flüssigen geschmolzenen Zustand erhitzt, und die Flugasche wird dann in das geschmolzene flüssige Metall zugemischt, um ein gleichförmiges homogenes Gemisch von in dem geschmolzenen Metallmatrixmaterial dispergierter Flugasche herzustellen. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht auch die Anwendung eines kontinuierlichen Verfahrens mit allen damit zusammenhängenden Vorteilen. Beispielsweise kann das geschmolzene Gemisch einer Kokillenblockschmelzextraktion unterzogen werden, um zu einer Schiene, Platte, Stange u.s.w. geformt zu werden. Alternativ dazu kann das gemschmolzene Gemisch der heißen isostatischen Formung von Barren unterzogen werden, wobei ein anschließendes Schmieden, Walzen oder sonstiges Formgeben stattfindet. Wie zu erwarten ist, erfordert der Barren zweifellos eine weitere Wärmebehandlung vor der Weiterverarbeitung.
• Anders als bei den ersten beiden Ausführungsformen erfordert diese spezielle Ausführungsform nicht die Auswahl eines besonderen Teilchengrößenverhältnisses von Metallmatrixmaterial zur Flugasche, da das Metallmatrixmaterial anfänglich in Barren- oder Blockform vorliegt und anschließend bis zum flüssigen geschmolzenen Zustand erhitzt wird. Die Flugascheteilchen werden anschließend nach irgendeinem bekannten Verfahren dem flüssigen geschmolzenen Metallmatrixmaterial beigemischt, bis ein gleichförmiges homogenes Gemisch aus Flugascheteilchen erhalten worden ist, die gleichmäßig in dem gesamten geschmolzenen Flüssigmetall dispergiert sind. Jedoch sollten die Teilchengrößen der Flugasche zwischen 1 und 100 um betragen, um sicherzustellen, daß das fertige Metallkompositmaterial eine gleichförmige Struktur hat.
• Die folgenden Beispiele dienen nur Illustrationszwecken und sind nicht in dem Bereich der beanspruchten Erfindung einschränkendem Sinne zu verstehen.
Beispiel 1
• Al-Zn-Legierungspulver mit einem Aluminiumgehalt von 27 Gewichtsprozent (ZA-27) werden mit Flugaschepulver in Konzentrationen von 5 Gewichtsprozent, 10 Gewichtsprozent, 15 Gewichtsprozent, 20 Gewichtsprozent und 25 Gewichtsprozent, jeweils basierend auf dem Gewicht der Al-Zn-Legierung, innig vermischt. Die Gemische werden in trockenem Zustand bei Drücken von bis zu 103.000 kN/m² verdichtet, dann auf eine Temperatur von 400ºC gebracht, die gerade unterhalb der Solidustemperatur für die Legierung liegt. Die erhitzten Gemische werden dann auf 138.000 kN/m² verdichtet, um Gegenstände herzustellen, die dicht sind und Festigkeit, Leitfähigkeit und Verschleißeigenschaften haben, die alle vom Flugasche/Metall-Verhältnis abhängen. Diese Materialien sind von Natur aus spröde, aber durch Abschrecken des Gegenstands aus oberhalb 275ºC werden sie zäh mit einem vom Asche/Metall- Verhältnis abhängigen Maß an Zähigkeit. Das Teilchenverhältnis des Metallmatrixmaterials zu Flugasche für die obigen Gemische liegt im Bereich von zwischen 10 zu 1 und 1 zu 10.
Beispiel 2
• Das Verfahren nach Beispiel 1 wird im wesentlichen wiederholt, wobei aber ZA-27 durch Aluminium, Zinn, Zink, Aluminiumbronze und Kupfer ersetzt wird. Der Flugaschegehalt wird konstant bei 15 Gewichtsprozent gehalten. Die Solidustemperatur des spezifischen Metalls ändert sich entsprechend, während die übrigen Verfahrensparameter konstant bleiben.
Beispiel 3
• Zu Vergleichszwecken wurden zwei Kontrollproben hergestellt. Die Kontrollprobe 1 bestand aus anfänglich in Form von Pulver (das von Natur aus einen Al&sub2;O&sub3;-Film auf den ZA-27-Teilchen und einen Monotektoid-Kern aufweist) vorliegendem reinem ZA-27. Die Kontrollprobe 2 bestand aus anfänglich in Barrenmaterialform vorliegendem reinem ZA-27. Die Kontrollprobe 1 wurde gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 hergestellt. Die Daten für die obigen Beispiele sind unten in Tafel 1 und graphisch in den Figuren 1 bis 8 dargestellt.
Beispiel 4
• Al-Zn-, Aluminium-, Zinn- und Zink-Metallmatrixmaterialien in pulversierter Form werden gleichförmig mit Flugasche vermischt, und zwar in verschiedenen Kombinationen zwischen 5 und 25 Gewichtsprozent, basierend auf dem Metallmatrixmaterial. Das resultierende homogene Gemisch wird anschließend auf die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt, und das erhitzte Gemisch kann dann kontinuierlich nach einer der hier aufgelisteten Verfahren zu einer Platte, Schiene, Stange, einem Draht oder dgl. geformt werden. Die erhaltenen Produkte haben Festigkeit, sind dicht und haben Leitfähigkeit und Verschleißeigenschaften, die alle von dem Flugaschegehalt abhängen. Das Teilchengrößenverhältnis liegt zwischen 10 zu 1 und 1 zu 10.
Beispiel 5
• Al-Zn-, Aluminium-, Zinn- und Zink-Metallmatrixmaterialien in Barren- oder Blockform werden auf ihre Schmelztemperatur erhitzt und mit Flugasche in verschiedenen Mengen zwischen 5 und 25 Gewichtsprozent, basierend auf dem Metallmaterial, vermischt, um ein homogenes Gemisch aus in dem geschmolzenen flüssigen Metall dispergierter Flugasche zu erhalten. Das erhaltene Gemisch wird dann kontinuierlich in Barren geformt, die dann einem Schmieden, Walzen oder anderen Formungsvorgang unterzogen werden, oder das heiße geschmolzene Gemisch kann kontinuierlich einem Kokillenblockschmelzextraktionsvorgang zugeführt werden, um Brammen, Platten, Stangen und dgl. zu formen.
• Wie bei den obigen Beispielen hat das geformte Produkt physikalische Eigenschaften, die entsprechend dem Gehalt an dem billigen Erdprodukt variieren. Tafel 1 billiges Erdmaterial Metallmatrixmaterial Zusammensetzung (1) Leitfähigkeit (uΩcm) Härte (3) S(max) (4) (lbs/in²) Dichte (lbs/in³) Flugasche Kontrolle (x etwa 6,9 ergibt kN/m²) (x etwa 27,7 ergibt g/c³) (1) Gewichtsprozent der Flugasche, basierend auf Metallgewicht (2) Youngscher Elastizitätsmodul (3) R-A: Rockwell-A-Härtemessung; R-B: Rockwell-B-Härtemessung (4) Bruchfestigkeit (5) Reines ZA-27-Pulver mit natürlichem Al&sub2;O&sub3;-Film auf jedem Teilchen (6) Reines ZA-27 in Barrenmaterialform

Claims (20)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kompositmaterials aus einer Metallmatrix und einer anderen Substanz, wobei ein homogenes Gemisch des Metalls und der anderen Substanz erwärmt und geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Substanz Flugasche ist, die hauptsächlich aus Eisenoxyd, Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd besteht, und daß die Flugasche an die Metallmatrix gebunden ist, wobei die Bindung durch eine Reaktion zwischen Material der Metallmatrix und der Flugasche hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrixmaterial aus der Gruppe superplastische Legierungen, Aluminium, Zinn und Zink ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die superplastische Legierung das Monotektoid von Al-Zn ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrixmaterial in pulverisierter Teilchenform vorliegt und der genannte Schritt des Formens kontinuierlich erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das homogene Gemisch während des Schrittes des Erwärmens auf die Schmelztemperatur der Metallmatrix erhitzt wird, wodurch ein heißes Gemisch von zwischen Teilchen des geschmolzenen Metallmatrixmaterials dispergierten Flugascheteilchen hergestellt wird, wobei das geschmolzene Metallmatrixmaterial als Folge eines sich auf den Metallmatrixmaterialteilchen bildenden Oxydfilms in Teilchenform verbleibt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das homogene Gemisch einen Flugaschegehalt von 1 bis 40% auf Gewichtsbasis des Metallmatrixmaterials hat.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Formens kontinuierlich erfolgt und ein aus der Gruppe Stranggießen, Pressen, Walzen und Extrudieren ausgewähltes Verfahren umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem einen ersten Erwärmungsschritt vor dem genannten Mischschritt zum Erhitzen des Metallmatrixmaterials in fester Barrenform in geschmolzenem Zustand umfaßt, um den Mischschritt zu erleichtern.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Formens kontinuierlich erfolgt und ein aus der Gruppe isostatisches Heißpressen von Strängen, Gießen, Walzen, Stranggießen und Extrudieren ausgewähltes Verfahren umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das außerdem die Schritte der Wärmebehandlung des Strangs und eines anschließenden Schmiedens, Walzens oder eines anderen Formgebungsverfahrens umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallmatrixmaterial in pulverisierter Form vorliegt und das Verfahren außerdem den zusätzlichen Schritt des Verdichtens des homogenen Gemischs in einem Gesenk bei Drücken von 69.000 bis 345.000 kN/m vor den genannten Schritten des Erwärmens und Formens umfaßt, um so einen Preßling zu erhalten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das homogene Gemisch einen Flugaschegehalt von 1 bis 40% auf Gewichtsbasis des Metallmatrixmaterials aufweist.

13. Fester Metallkompositwerkstoff, der aus einem billigen Erdprodukt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 herstellbar ist, bestehend aus einem Gemisch aus einem Metallmatrixmaterial und Flugasche, die hauptsächlich aus Eisenoxyd, Aluminiumoxyd und Siliziumoxyd besteht, wobei das Gemisch zur Herstellung von Bindungen zwischen der Flugasche und dem Metallmatrixmaterial durch eine Reaktion zwischen Material der Metallmatrix und der Flugasche erhitzt worden ist und das Metallmatrixmaterial die in dem Metallkompositwerkstoff nach Gewicht vorherschende Komponente darstellt.

14. Metallkompositwerkstoff nach Anspruch 13, wobei das Metallmatrixmaterial aus der Gruppe superplastische Legierungen, Aluminium, Zinn und Zink ausgewählt ist.

15. Kompositwerkstoff nach Anspruch 13, wobei das Metallmatrixmaterial pulverisiert ist und das Metallmatrixmaterial und die Flugasche Teilchengrößen zwischen 1 und 100 Mikrometer haben.

16. Kompositwerkstoff nach Anspruch 13, der außerdem ein Verhältnis der Teilchengröße von Metallmatrixmaterial zu Flugasche von 10:1 bis 1:10 aufweist.

17. Kompositwerkstoff nach Anspruch 15, wobei die Flugasche in Mengen zwischen 1 und 40% auf Gewichtsbasis des Metallmatrixmaterials vorhanden ist.

18. Kompositwerkstoff nach Anspruch 17, wobei die Flugasche in Mengen zwischen 5 und 25% auf Gewichtsbasis des Metallmatrixmaterials vorhanden ist.

19. Kompositwerkstoff nach Anspruch 13, wobei dieser aus dem ursprünglich in Barrenform vorliegenden Metallmatrixmaterial hergestellt ist.

20. Kompositwerkstoff nach Anspruch 14, wobei die superplastische Legierung das Monotektoid von Al-Zn ist.