DE4112693C2

DE4112693C2 -

Info

Publication number: DE4112693C2
Application number: DE19914112693
Authority: DE
Inventors: Takashi Gotenba Shizuoka Jp Oda
Original assignee: TOKAI CARBON CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: TOKAI CARBON CO Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 1993-09-23
Also published as: JPH0636984B2; DE4112693A1; JPH0413822A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungs-Verbundmaterials mit einem speziellen Abschnitt, der mit SiC-Whiskern verstärkt ist.

Bekannte Mittel für die Konstruktion eines Kolbens, einer Kurbelschwinge, eines Verbindungs stabes oder dergleichen für einen Verbrennungsmotor mit einer leichten Aluminiumlegierung und für örtliche Verstärkung des oben beschriebenen Teils an einer Stelle, die starkem Hitzeschock oder Gleitwirkung ausgesetzt ist, mit SiC-Whiskern bestehen darin, daß eine aus SiC-Whiskern hergestellte Vorform an einer vorbestimmten Stelle einer Form angeordnet wird und eine Aluminiumlegierung einem Preßgießverfahren unterzogen wird (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung Kokai-Veröffentlichung Nr. 55-24 763 und 55-24 945).

Da jedoch die Vorform aus SiC-Whiskern ein sehr brüchiges Aggregat ist, unterliegt sie in ungünstiger Weise Deformation, Brüchen usw. während des Preßgießens. Dies führte zu energeti schen Studien bei einem Verfahren zur Verstärkung einer Vorform. Bisher wurde jedoch keine zufriedenstellende Methode entwickelt.

Außerdem liegt eine kleinere Menge von O₂ oder SiO₂ die aus der Wärmebehand lung während der Herstellung von Whiskern stammen, Oberfläche der SiC-Whisker vor. Diese oxidierenden Komponenten reagieren selektiv mit Magnesium, das in der Alumini umlegierung enthalten ist, was eine Abscheidung von Mg₂Si verursacht und das Verbundmaterial schwächt.

Im allgemeinen wurden magnesiumhaltige Aluminiumgußlegierungen, wie Al-Sl-Mg-Cu-Nl- Legierung (AA Nr. 332.0), Al-Si-Mg-Legierung (AA Nr. 356.1) und Al-Si-Cu-Mg-Legierung (AA Nr. 355.0), und Aluminiumknetlegierungen, wie Al-Cu-Mg-Legierung (AA Nr. 2618), Al-Cu-Mg- Legierung (AA Nr. 2024), Al-Mg-Legierung (AA Nr. 5052) und Al-Si-Mg-Legierung (AA Nr. 6061), als Matrix verwendet, was häufig ein Auftreten von Mg₂Si-Abscheidung mit sich bringt und ernsthafte Probleme verursacht. Preßgießen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung unter Verwendung einer SiC-Whiskervorform, die von der in der Oberflächenschicht der Whisker vorhandenen SiO₂-Komponente befreit wurde, ist brauchbar für die Verhinderung der Abscheidung (siehe japanische Patentveröffentlichung Nr. 62-40 409). Bei dieser Methode kann jedoch die Vorform als solche nicht verstärkt werden, obwohl die Abscheidung verhindert werden kann.

Weiterhin ist ein Teilverbundverfahren möglich, bei dem ein Vorverbundmaterial mit einer bestimmten Form mit Hilfe von SiC-Whiskern und einer Aluminiumlegierung gebildet wird, worauf das Vorverbundmaterial an einer bestimmten Stelle einer Form angeordnet wird und sodann eine geschmolzene Aluminiumlegierung in die Form gegossen wird. Bei diesem Verfahren bildet sich jedoch Al₂0₃ auf der Oberfläche des Vorverbundmaterials oder während des Vorerhitzens beim Gießen; dieser Oxidfilm macht es sehr schwierig für das Vorverbundmaterial, die Alumini umlegierung zu benetzen, was die Festigkeit der Bindung zwischen dem Vorverbundmaterial und der Matrix vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile, die der Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche von SiC-Whiskern und einem Vorverbundmaterial zuzu schreiben sind, zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungs- Verbundmaterials zu bekommen, das örtlich mit SiC-Whiskern verstärkt ist.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe geschieht ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 enthalten.

Gemäß der Erfindung wird zunächst ein Verbundausgangsmaterial hergestellt, das SiC-Whisker als Verstärkungsmaterial und eine Aluminiumlegierung als Matrix umfaßt Nadelförmige Einkristalle mit einem Verhältnis Durchmesser : Länge von 0,1 bis 5 bzw. 30 bis 100 µm werden als SiC-Whisker in dem Verbundausgangsmaterial verwendet. Aluminiumknetlegierungen, wie AlCu-Mg-Legierungen (AA-Gruppe 2000), Al-Mn-Legierungen (AAGruppe 3000), Al-Mg Legierungen (AA-Gruppe 5000) und Al-Si-M-Legierungen (AA-Gruppe 6000) sowie Aluminiumgußle gierungen, wie Al-S-Mg-Legierungen, Al-Mg-Legierungen und Al-Si-Mg-Cu-N-Legierungen, sind als Matrix brauchbar.

Bei der Erfindung wird das Verbundausgangsmaterial durch feuchtes Vermischen von SiC-Whiskern mit Aluminiumlegierungspulver und Drucksintern des Gemisches in inerter Atmosphäre in einer isostatischen Heißpresse hergestellt.

Das Mischungsverhältnis SiC-Whiskers: Legierungspulver ist gewöhnlich 10 bis 50%, ausgedrückt als Vf (Volumenfraktion) der SiC-Whisker, bezogen auf das Verbundausgangsmaterial.

Sodann wird auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials ein dünner Aluminiumfilm gebildet. Reinaluminium mit einem Aluminiumgehalt über 99% wird für die Bildung des dünnen Filmes verwendet. Der Aluminiumfilm wird beispielsweise durch Ionenmetallisierung, Vakuum abscheidung oder Flammbeschichten gebildet.

Die Verwendung von Reinaluminium für die Bildung des dünnen Filmes verhindert die Oxidation des Verbundausgangsmaterials, welche die Ursache für eine Verminderung der Festigkeit der Bindung zwischen der Aluminiumgußlegierung und dem Verbundausgangsmaterial ist.

Die Einstellung der Dicke des dünnen Aluminiumfilmes auf 0,5 bis 20 µm ist wichtig. Wenn die Dicke weniger als 0,5 µm ist, ist die Fähigkeit zur Verhinderung der Oxidation des Verbundausgangsmaterials unzureichend. Wenn andererseits die Dicke 20 µm übersteigt, bleibt auf der Oberfläche des Ver bundmatrixmaterials eine Aluminiumschicht, wenn eine Aluminiumlegierungsschmelze in der nachfolgenden Stufe gegossen wird, was die Festigkeit der Bindung zwischen der Aluminum gußlegierung und dem Verbundausgangsmaterial vermindert.

Das Verbundausgangsmaterial mit seinem dünnen Aluminiumfilm wird in einem bestimmten Formabschnitt, entsprechend der beabsichtigten Verstärkungsstelle, eingelegt, und eine Alumini umlegierungsschmelze wird als Matrix durch Preßgießen aufgegossen.

Die Matrix kann eine Aluminiumlegierung sein, die von dem Aluminiumlegierungspulver verschieden ist. Die Verwendung des gleichen Aluminiumlegierungstyps ist jedoch aus der Sicht einer Verbes serung der Festigkeit der Bindung zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der Alumini umlegierung bevorzugt.

Wenn die Aluminiumlegierungsschmelze gegossen wird, soll das Verbundausgangsmaterial auf eine Temperatur 20 bis 100 K unterhalb der Solidustemperatur vorerhitzt werden und die Temperatur der Legierungsschmelze wenigstens 50 K oberhalb der Liquidustemperatur liegen.

Bei höherer Vorheiztemperatur des Verbundausgangsmaterials mit bei diesem Verformung auf. Wenn andererseits die Vorheiztemperatur unterhalb der Solidustemperatur minus 100 K liegt oder die Temperatur der Legierungsschmelze unterhalb der Liquidustemperatur plus 50 K liegt, wird die Bindung zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der Aluminiumlegierung schlecht.

Der Druck während des Preßgießens wird vorzugsweise auf 250 bis 3000 bar eingestellt. Wenn nämlich der Druck geringer als 250 bar ist, wird die Bindungsfestigkeit an einer Grenzfläche zwischen dem Verbundausgangsmaterial und der Matrix unzureichend, während bei mehr als 3000 bar Verformung des Verbundausgangsmaterials auftritt.

Somit wird ein Aiuminiumlegierungs-Gußteil mit einer mit SiC-Whiskern verstärkten Stelle produziert.

Da Aluminium einen hohen Dampfdruck hat, ist es gemäß der Erfindung möglich, einen dichten, gleichmäßigen dünnen Film auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials in kurzer Zeit zu bilden.

Während des Gießens wird der größere Teil des dünnen Aluminiumfilms in der als Matrix verwendeten Aluminiumlegierungsschmelze dispergiert.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 1

SiC-Whisker mit einem mittleren Durchmesser von 0,5 µm und einer mittleren Länge von 20 µm und Aluminiumlegierungspulver AlSi · 5 Mg) mit einer Teilchengröße von 61 µm oder weniger wurden in Wasser unter Rühren dispergiert. Die resultierende Dispersion wurde filtriert und getrocknet und ergab ein homogenes Gemisch mit einem Vf-Wert der SiC-Whisker von 15%. Das Gemisch wurde bei 600°C in einem Vakuum von 66×10^-4 Pa entgast und bei gleicher Temperatur und einem Druck von 1000 bar während 20 min in einer Heißpresse druckgesintert, um ein scheibenförmiges Verbundausgangsmaterial mit einer Dicke von 50 mm und einem Durchmesser von 80 mm herzustellen.

Das erhaltene Verbundausgangsmaterial wurde hälftig geschnitten, um ein halbkreisförmiges Material zu gewinnen, und ein 1,0 µm dicker Aluminiumfilm mit einer Reinheit von 99,5% wurde auf der Schnittfläche in Vakuum abgeschieden.

Das Verbundausgangsmaterial mit dem dünnen Aluminiumfilm wurde als zwei Halbkreise in einer Form mit einem Durchmesser von 80 mm angeordnet, in Argon auf 300°C vorerhitzt und in eine Preßgießmaschine eingeführt. Dann wurde eine AlSi, 5 Mg-Legierungsschmelze als Matrix mit einer Temperatur von 700°C in die Form gegossen und unter 500 bar preßgegossen.

Das Verbundmaterial wurde senkrecht zu der Bindungsfläche geschnitten, um ein Teststück herzustellen. Das Teststück wurde lösungsgeglüht und warmausgelagert und seine Zugfestigkeit gemessen. Man fand 350 N/mm². In diesem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Beispiel 2

Ein Verbundmaterial wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 3 um dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen, und man fand 320 N/mm². In dem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Beispiel 3

Ein Verbundmaterial wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß die Schmelztemperatur der Aluminiumiegierung 800°C war.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Man fand 360 N/mm². In diesem Test traten Brüche in der Matrix auf.

Vergleichsbeispiel 1

Eine Aluminiumlegierung wurde einem Preßguß unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 unter Verwendung des gleichen Verbundausgangsmaterials wie im Beispiel 1 unterzogen, jedoch mit der Ausnahme, daß auf der Schnittfläche kein Überzug ausgebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde in gleicher Weise wie in Beispiel 1 gemessen. Man fand einen Wert von 50 N/mm². In diesem Fall traten die Brüche an der Bindungs grenzfläche auf, und ein goldener Bereich, der durch die Oxidation der Aluminiumlegierung entstand, wurde auf der Bruchfläche beobachtet.

Vergleichsbeispiel 2

Ein Verbundmaterial wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 0,3 um dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen. Man fand einen Wert von 80 N/mm². In diesem Test traten wie im Vergleichsbeispiel 1 die Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und bei einer Röntgenstrahlenmessung mit einem Elektronensondenmikroanalysiergerät wurde eine große Sauerstoffmenge an der Bruchfläche beobachtet.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Verbundmaterial wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, daß ein 50 um dicker Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials gebildet wurde.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 gemessen, und man fand einen Wert von 80 N/mm². In diesem Test traten die Brüche an der Bindungsgrenzfläche auf, und die Grenzfläche war eckig infolge der vergleichsweise dicken Aluminiumschicht.

Vergleichsbeispiel 4

Eine Vorform mit einem Durchmesser von 80 mm, einer Höhe von 30 mm und einem Vf-Wert von 15% wurde nach dem Filtrationsverfahren unter Verwendung der gleichen SiC-Whisker, wie in Beispiel 1, gebildet. Die Vorform wurde hälftig geschnitten, und die erhaltenen halbkreisförmige Vorform wurde in eine Preßgießmaschine gegeben, um ein Verbundmaterial auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 zu gewinnen.

Die Zugfestigkeit des so gebildeten Verbundmaterials wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 gemessen und 150 N/mm² gemessen. In diesem Fall wurden Brüche des Verbundbereiches infolge von Brüchen der Vorform beobachtet.

Obschon der Verstärkungsabschnitt eine geringe Dicke und komplizierte Form hat, ist er dennoch leicht herstellbar. Da außerdem ein dünner Aluminiumfilm, der billig ist und gute Überzugseigenschaffen hat, auf der Oberfläche des Verbundausgangsmaterials erzeugt wird, kann ein Problem, das auf die Gegenwart von Al₂O₃ zurückzuführen ist, wirksam ausgeschaltet werden, so daß immer eine gute Grenzflächenbindung zwischen der Aluminiumlegierung als Matrix und dem Verbundausgangsmaterial erhalten wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines örtlich faserverstärkten Aluminiumlegierungs-Verbundmaterials als durch Umgießen eines SiC-Whisker enthaltenden Formkörpers an der beabsichtigten Ver stärkungsstelle mit einer Aluminumlegierungsschmelze in einer Form, dadurch gekenn zeichnet, daß der SiC-Whisker enthaltende Formkörper aus einem Gemisch der SiC-Whisker mit einem Aluminumlegierungspulver heißgepreßt und auf dessen Oberfläche ein dünner Aluminiumfilm einer Dicke von 0,5 bis 20 µm erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der SiC- Whisker in dem Formkörper auf 10 bis 50% eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reinheitsgrad des Aluminiums in dem dünnen Oberflächenfilm mit wenigstens 99 % vorgesehen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem dünnen Aluminiumfilm überzogene Formkörper auf eine Temperatur von 20 bis 100 K unterhalb der Solidustemperatur vorerhitzt und die Temperatur der Aluminiummatrixlegierung wenigstens 50 K oberhalb ihrer Liquidustemperatur gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck während des Gießens auf 250 bis 3000 bar gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß SiC-Whisker mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 µm und einer Länge von 30 bis 100 µm eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das für die Herstellung des Formkörpers verwendete Aluminiumlegierungspulver und für die Alumini ummatrixlegierung die gleiche Zusammensetzung ausgewählt wird.