DE68909522T2

DE68909522T2 - Metall-Matrix-Verbundschleudergiessen.

Info

Publication number: DE68909522T2
Application number: DE89201761T
Authority: DE
Inventors: Wilfred Hendrik Henri Alsem; Cornelis Jacobus R Groenenberg; Jan Noordegraaf; Cornelis Rensen
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2009-07-04
Also published as: CA1331687C; US5002115A; EP0350124B1; JPH0259167A; EP0350124A2; DE68909522D1; EP0350124A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen geformter Gegenstände. Die Erfindung betrifft vor allem das Schleudergießen von Metallmatrix-Verbundstoffen. Zu diesem Zweck wird ein geschmolzenes reines Metall oder eine Legierung in eine Gußform eingebracht, die einer Zentrifugalbeschleunigung, die auf den Boden der Gußform gerichtet ist, unterworfen wird. Ein dispergierter Füllstoff wird vorher in die Form gegeben. Als Füllstoffkann jeder üblicherweise zur Herstellung von Verbundstoffen eingesetzte Füllstoff dienen, d.h der eine der Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Elastizität, Schallabsorptionsfähgikeit oder Verschleißfestigkeit, verstärken kann.
Ein solches Verfahren ist aus der Literatur WEAR 81(1982), Seiten 209-220 von J.Sugishita et al, bekannt. Der in diesem Verfahren eingesetzte Füllstoff ist Graphit. Es war das Ziel, die Verschleißfestigkeit von Aluminium zu verbessern. Nachdem man eine kleine Menge von Graphitgranulaten (Durchmesser 4 x 10&supmin;&sup8;m) in eine röhrenförmige Gußform gegeben und eine Menge geschmolzenes Aluminium dazugegeben hat, wird die Gußform in Rotation versetzt. Die beschriebenen Versuche waren dazu bestimmt, ein zylindrisches Gußstück zu erhalten, in welchem die Graphitteilchen sich nur an der Außenseite des geformten Gegenstands befanden. Der Kern enthält keinen Füllstoff. Dieses Phänomen wird von den Autoren als "Teildispersion" des Füllstoffes bezeichnet. Das geschmolzene Aluminium, das unter dem Einfluß der hohen Beschleunigung einfließt, schiebt die Graphitteilchen weg, so daß sie in der zur Beschleunigung entgegengesetzten Richtung an der Wand hoch laufen (run "up")(siehe 1.c Fig.13 a-d).
Aus dem US-Patent Nr. 2 612 443 ist es bekannt, geformte Gegenstände aus Verbundmaterial aus Metallen, Legierungen, feuerfesten Verbindungen u.ä. zu bilden. Vor allem wird in einer ersten Verfahrensstufe aus einem Füllstoff ein Gerüstkörper gebildet, z.B. durch Sintern, und anschließend wird dieses Gerüst mit einem metallischen Material mit niedrigerem Schmelzpunkt durch Aufbringen eines Druckdifferentials (mechanisch, Druckgas, Vakuum, Zentrifugalkraft) imprägniert. Durch Einsatz eines solchen vorgeformten Gerüsts wird ein Ausbreiten des Füllmaterials während des Imprägnierens verhindert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, geformte Gegenstände herzustellen, in welchen die Füllstoffteilchen so homogen wie möglich durch die gesamte Metallmatrix hindurch verteilt sind. Das wird dadurch erreicht, daß man so weit als möglich verhindert, daß sich die Füllstoffteilchen während des Füllens der Gußform mit reinem Metall oder mit einer Legierung bewegen. Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Gießen von geformten Gegenständen durch Unterwerfen einer Gußform einer Zentrifugalbeschleunigung, die auf den Boden der Form ausgerichtet ist, und durch Einführen eines geschmolzenen reinen Metalls oder einer Legierung in die Gußform, in welche vor Zugabe der Schmelze dispergierte Füllstoffteilchen gegeben werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Füllstoffteilchen während der Zugabe der Schmelze in unbewegtem Zustand gehalten werden.
Die einfachste Art und Weise, die Bewegung des Füllstoffes während des Einlaufens des reinen Metalls oder der Metallegierung zu verhindern, besteht darin, daß man ihn in einer solchen Packungsdichte in der Gußform anordnet, z.B. durch vorherige Kompression, durch Vibrationsverdichtung oder durch Sintern des Füllstoffes mit Hilfe eines Bindemittels, daß der Füllstoff an seinem Ort festgehalten wird, weil er während des Gießens zwischen den Wänden der Gußform eingeklemmt ist.
Außerdem kann die Packform dadurch aufrechterhalten werden, daß man den Füllstoff unter einer Deckplatte hält. Die Dichte der Deckplatte ist vorzugsweise höher als die Dichte des geschmolzenen Metalls. Auf diese Weise können Füllstoffe mit sowohl einer niedrigeren als auch einer höheren Dichte als die Dichte des geschmolzenen Metalls in einfacher Weise verwendet werden. Ruht die Deckplatte auf dem Füllstoff, dann drückt diese aufgrund der hohen Beschleunigung, der die Deckplatte während des Zentrifugierens ausgesetzt ist, den Füllstoff mit großer Kraft in Richtung des mit dem Füllstoff gefüllten Raums. Die Presswirkung ist natürlich umso größer, je größer die Masse der Deckplatte ist. Die Dichte des Füllstoffes kann variiert werden durch Variieren der Masse der Deckplatte. Die Deckplatte kann auch auf einem in der Gußform vorgesehenen Träger ruhen. In diesem Fall wird die Bewegung des Füllstoffes auch ohne Kornpression verhindert.
Die Deckplatte muß nicht eng an der Wand der Gußform anliegen. Ein gewisser Spielraum zwischen der Wand und der Deckplatte macht das Einführen von geschmolzenem Metall in die Gußform möglich. Ferner ist ein gewisser Spielraum sowohl für die leichte Bewegbarkeit der Deckplatte als auch, um im Füllstoff vorhandene Luft zu entfernen, erwünscht. Andererseits ist ein zu großer Spielraum nicht erwünscht, da auch die Kanten des Füllstoffes gut nach unten gedrückt werden sollten.
Neben der Zugabe der Schmelze durch den Freiraum zwischen der Wand und der Deckplatte, ist es auch möglich, in der Deckplatte eine oder mehrere Öffnungen vorzusehen oder sie am Umfang mit einer oder mehreren Nuten zu versehen. Je nach der Teilchenform und der Teilchengröße des Füllstoffes kann es vorteilhaft sein, eine Gazestruktur zwischen der Deckplatte und dem Füllstoff vorzusehen, um ein Austreten des Füllstoffes zu vermeiden. Ist der Spielraum sehr klein, dann wird die Deckplatte mit mindestens einem Kanal versehen, durch welchen die Schmelze unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung in die Gußform fließen kann.
Der Füllstoff kann in jeder geeigneten Form eingesetzt werden, z.B. in Form von Granulaten, Pulver, Flocken, Granulat, Stapelfasern, kontinuierlichen Fasern, gewebten oder nicht gewebten Stoffen oder Vorformlingen. Gute Füllstoffe sind Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Aluminiumoxid und Kohlenstoff.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell für alle reinen Metalle und Metallegierungen angewendet werden. Es wird vor allem für das Gießen von Zink, Aluminium und Legierungen dieser Metalle, wie Al/Mg, Al/Si und Zn/Al/Mg angewendet.
Beim erfindungsgemäßen Gießverfahren werden große Zentrifugalbeschleunigungen angewendet, nämlich von mindestens 100g (g= 9,81 m/s²), vorzugsweise von 400 bis 1500 g. Das ist erforderlich, damit alle Hohlräume zwischen den Füllstoffteilchen ausreichend ausgefüllt werden und damit gleichzeitig jegliche vorhandene Luft ausgetrieben wird. Für Füllstoffe mit einer Teilchengröße von weniger als 1 um ist es wünschenswert, eine Zentrifugalbeschleunigung von mindestens 1500 g anzuwenden, um eine gute Infiltration zu erzielen. Die Packungsdichte des Füllstoffes in der Gußform hat einen beträchtlichen Einfluß auf die Volumenfraktion des Füllstoffes in dem nach dem Abkühlen erhaltenen Verbundmaterial. Das Ausmaß des Füllens liegt in der Regel über 70 Volumenprozent und wird daher von der Form der Teilchen beeinflußt.
Das Auftreten von durch Schrumpfung verursachten Hohlräumen in den Gußstücken während des Abkühlens nach dem Gießen und Festwerden kann durch Anwendung einer Gußform mit einem Boden ,der nicht thermisch isoliert ist oder sogar aus einer Platte mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen kann, während die andere Wand oder die anderen Wände thermisch isoliert sind, verhindert werden. Das führt zu einer richtungsabhängigen Verfestigung, so daß immer ein zusätzliches Zuspeisen der Schmelze möglich ist. Das thermische Isolationsmaterial kann ein keramisches Material sein. Um ein vorzeitiges Verfestigen des geschmolzenen Metalls zu verhindern, wird empfohlen, die Gußform vorzuwärmen.

Beispiel 1

Mit Siliciumcarbidteilchen verstärktes Zink

Die eingesetzte Gußform ist in Fig.1 schematisch dargestellt. Die Form (2) wurde durch Ausbohren eines festen Graphitblocks hergestellt. Sie wird teilweise mit SiC-Teilchen (5) (8-32 um, s.g. 3,21 g/cm³) gefüllt. Eine Deckplatte aus Molybdän (3) (s.g. 10,2 g/cm³), die mit einem vertikalen Kanal versehen ist, wird auf die Teilchen gelegt. Eine Edelstahlgaze (4) mit einer Maschenweite von 45 um wird an dem Boden der Deckplatte befestigt. Die die SiC-Teilchen und die Deckplatte enthaltende Gußform wird in einem Luftzirkulationsofen auf 550ºC erhitzt. Flüssiges Zink(s.g. 7,14 g/cm³) bei 500ºC wird dann aus einem Schmelzofen in den Raum (1) über der Deckplatte gegossen. Die Gußform mit Inhalt wird in einen isolierten Becher (6) mit einer Kühlplatte am Boden in einer Zentrifuge eingesetzt.(Hersteller; Heraeus, Modell: Cryofuge 8000).
Unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung bei 3000 UpM, mit einer Distanz zwischen der Rotationsachse und dem oberen Ende des Bechers von 14 cm, wird die Schrnelze in die Hohlräume zwischen den Teilchen gedrängt. Nach dem Abkühlen werden Längsschnitte und Querschnitte des resultierenden Verbundmaterials (20 x 80 mm) angefertigt. Diese werden unter einem optischen Mikroskop untersucht und in allen Fällen wird eine homogene Verteilung der SiC-Teilchen in einer porenfreien Zinkmatrix festgestellt.

Beispiel 2

Mit kontinuierlichen Fasern von Siliciumcarbid verstärktes Aluminium

Die eingesetzte Gußform ist ebenfalls in Fig.1 schematisch dargestellt, aber anstelle des ausgebohrten Graphitblocks (2) wird ein vorgeformtes feuerfestes Material eingesetzt. Solche Gußformen aus feuerfestem Material werden vor allem dann eingesetzt, wenn nicht-zylindrische oder asymmetrische Produkte erhalten werden sollen, da es nicht möglich ist, Formen aus mehreren Teilen beim Zentrifugalgießen einzusetzen. Die Form wird wie folgt hergestellt:
- die gewünschte Endform wird als eine mehrteilige Modellform hergestellt,
- die Modellform wird mit einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt (ca. 150ºC) gefüllt.
- nach dem Abkühlen wird das Gußstück herausgenommen und in ein an einem Ende geschlossenes Stahlrohr eingeführt,
- das Stahlrohr wird mit feuerfestem Material (Norton Cement) gefüllt,
- nach dem Trocknen des Zements bei ca. 110ºC, wird das Rohr auf ca. 160ºC erhitzt und die Legierung ausgegossen
- die resultierende Form wird bei ca. 850ºC gesintert.
Die Form wird teilweise mit SiC-Fasern gefüllt (s.g. 2,56 g/cm³). Eine Deckplatte aus Molybdän (s.g. 10,2 g/cm³) mit einem vertikalen Kanal wird auf die Fasern gelegt.
Die SiC-Fasern und die Deckplatte enthaltende Form wird in einem Luftzirkulationsofen auf 750ºC erhitzt. Geschmolzenes und entgastes Aluminium (s.g. 2,7 g/cm³) wird dann aus einem Schmelzofen auf die Deckplatte gegossen. Die Form und deren Inhalt werden in einen isolierten Becher mit einer Kühlplatte am Boden in einer Zentrifuge eingesetzt (Hersteller; Heraeus, Modell: Cryofuge 8000).
Unter dem Einfluß der Zentrifugalbeschleunigung bei 3000 UpM, mit einer Distanz zwischen der Rotationsachse und dem oberen Ende des Bechers von 14 cm, wird die Schmelze in die Hohlräume zwischen den Fasern gedrängt. Nach dem Abkühlen werden Längsschnitte und Querschnitte des resultierenden Verbundmaterials (5 x 12 x 100 mm) angefertigt. Diese werden unter einem optischen Mikroskop untersucht und in allen Fällen wird eine homogene Verteilung der SiC-Fasern in einer porenfreien Aluminiummatrix festgestellt.

Claims

1. Verfahren zum Gießen von geformten Gegenständen durch Unterwerfen einer Gußform einer Zentrifugalbeschleunigung, die auf den Boden der Form gerichtet ist, und durch Einführen eines geschmolzenen reinen Metalls oder einer Legierung in die Form, in welche vor Zugabe der Schrnelze dispergierte Füllstoffteilchen gegeben worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstoffteilchen während der Zugabe der Schmelze in umbewegtem Zustand gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form eingesetzt wird, die mit einer Deckplatte versehen ist, die den dispergierten Füllstoff während des Zentrifugierens bei maximaler Packungsdichte hält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte eingesetzt wird, die mit einem oder mehreren Kanälen für die Zugabe der Schmelze versehen ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Form eingesetzt wird, die mit einer thermisch isolierten Wand oder Wänden und einem nicht thermisch isolierten Boden ausgestattet ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene reine Metall oder die geschmolzene Legierung Zink, Aluminiumoxid oder eine Legierung davon ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Aluminiumoxid oder Kohlenstoff ist.