DE69121242T2

DE69121242T2 - Leichtgewichtmetall mit isolierten poren sowie seine herstellung

Info

Publication number: DE69121242T2
Application number: DE69121242T
Authority: DE
Inventors: Iljoon Jin; Lorne Kenny; Harry Faircrest Blvd Sang; Martin Thomas
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1990-08-27
Filing date: 1991-08-26
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2011-08-27
Also published as: JPH06500359A; ATE141108T1; MX9100828A; AU8326791A; EP0545957B1; DE69121242D1; EP0545957A1; WO1992003582A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen leichtgewichtigen Gas/Metall-Verbundwerkstoff mit isolierten teilchenstabilisierten Poren, insbesondere einen leichtgewichtigen Aluminium-Verbundwerkstoff, sowie dessen Herstellung.
Leichtgewichtige aufgeschäumte Metalle haben hohe Festigkeits-/Zuggewichtsverhältnisse und sind äußerst nützlich als lasttragende Materialien und als thermische Isolatoren. Metallische Schäume sind charakterisiert durch hohe Schlagenergieaufnahmefähigkeit, geringe thermische Leitfähigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit und hohe akustische Absorptionseigenschaften.

Stand der Technik

Aufgeschäumte Metalle wurden zuvor beispielsweise in US- Patenten 2 895 819, 3 300 296 und 3 297 431 beschrieben. Im allgemeinen werden solche Schäume hergestellt durch Zugabe einer Gas freisetzenden Verbindung zur einem geschmolzenen Metall. Das freigesetzte Gas expandiert und schäumt das geschmolzene Metall auf. Nach dem Aufschäumen wird der resultierende Körper unter Verfestigung der aufgeschäumten Masse abgekühlt, wodurch ein aufgeschäumter Metallfestkörper gebildet wird. Die gasbildende Verbindung kann ein Metallhydrid wie beispielsweise Titanhydrid, Zirkonhydrid, Lithiumhydrid usw. sein. wie in US-Patent 2 983 597 beschrieben. Eine neuere Entwicklung in der Herstellung von leichtgewichtigem aufgeschäumtem Metall ist in Jin, US-Patent 4 973 358, veröffentlicht am 27. November 1990, beschrieben. In diesem Patent wurde ein Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix und feinverteilten festen Stabilisatorteilchen über die Liquidus-Temperatur der Metallmatrix erhitzt und Gasblasen unterhalb der Oberfläche in den geschmolzenen Metall-Verbundwerkstoff freigesetzt, wodurch eine aufgeschäumte Schmelze auf der Oberfläche des geschmolzenen Metall-Verbundwerkstoffes gebildet wurde. Wenn dieser Schaum abgekühlt wurde, bildete sich ein festes aufgeschäumtes Metall mit einer Vielzahl geschlossener Zellen. Die Zellen dieses Schaums waren groß und hatten eine polygonale Struktur mit ziemlich dünnen Wänden zwischen den Zellen. Solche Schäume in flüssigem Zustand sind dem Formgießen und der Formung nicht zugänglich, da die ausgeübten Kräfte zum Aufbrechen der fragilen Zellstruktur neigen. Beispielsweise ist es schwierig, eine offene Form gleichförmig mit diesem Material zu füllen. Selbst vorsichtiges Nachhelfen mit einem Spatel oder einem ähnlichem Werkzeug zerstört den Schaum leicht.
Der erfindungsgemäße Gegenstand ist die Herstellung eines leichtgewichtigen Gas/Metall-Verbundwerkstoffes, der in der Lage ist, Formgebungsprozeduren ohne Zerstörung seiner strukturellen Unversehrtheit unterzogen zu werden. Dieser Gegenstand wird erzielt durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren. Bevorzugte Ausführungsformen des beanspruchten Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix und feinverteilten festen Stabilisatorteilchen über die Liquidus-Temperatur der Metallmatrix erhitzt. Der geschmolzene Metall-Verbundwerkstoff wird dann heftig gemischt, so daß ein Wirbel gebildet wird. Gas auf der Oberfläche des geschmolzenen Metall-Verbundwerkstoffes wird durch Wirkung des Wirbels in den geschmolzenen Verbundwerkstoff eingesogen. Das Gas wird mit Fortschreiten der Mischung derart eingesogen, daß der heiße geschmolzene Metall-Verbundwerkstoff letztendlich zu einem expandierten Material mit einer pastösen oder viskosen Konsistenz geformt wird. Das Gas ist vollständig über dieses expandierte viskose Material in Form kleiner isolierter Poren verteilt.
Dieses expandierte viskose Metall-Verbundwerkstoffmaterial verhält sich in sehr andersartiger Weise als der stabilisierte flüssige Schaum, der in US-Patent 4 973 358 beschrieben ist, wenn es immer noch oberhalb der Liquidus- Temperatur des Metalles ist. Daher bricht das erfindungsgemäße heiße expandierte viskose Material nicht infolge der Ausübung einer externen Kraft auseinander. Dieses gilt auch dann, nachdem der Verbundwerkstoff für eine längere Zeit in geschmolzenen Zustand stehen gelassen wurde (z.B. bis zu 72 h). Es wird angenommen, daß die Kräfte im Inneren des Materials überwiegend hydrostatischer Natur sind, und daß nur vernachlässigbare Scherkräfte auftreten. Auf der Oberfläche sind die Scherkräfte jedoch ziemlich stark und die poröse Struktur wird zerstört. Das Ergebnis ist ein Produkt mit einer porösen Innenstruktur und einer glatten Außenhaut.
Beliebige herkömmliche Techniken, die normalerweise ausschließlich für Flüssigkeiten oder Feststoffe angewandt werden, können zur Formung der kleinporigen 3-Phasenmischung dieser Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann Düsenguß angewandt werden, der normalerweise nur mit Flüssigkeiten verwendet wird. Ebenso ist es möglich, thixotrope Formgebungstechniken anzuwenden (M. C. Flemings, Rheocasting, Seiten 4241 bis 4243 Encyclopedia of Material Sciences and Engineering, Herausgeber M. B. Bever, veröffentlicht von Pergamon Press, 1986), beispielsweise Thixo-Extrusion oder Thixo-Schmieden.
Ebenso kann das erfindungsgemäße expandierte Metallprodukt überraschenderweise verfestigt werden und zur Bildung eines geformten Produktes ohne Zusammenbrechen der expandierten Struktur wieder aufgeschmolzen werden.
Das erfindungsgemäße Produkt wie in Anspruch 14 definiert, ist ein stabilisierter leichtgewichtiger Metallkörper, der eine Metallmatrix, worin feinverteilte feste Stabilisatorteilchen dispergiert sind, umfaßt. Ebenso sind in dem Körper eine Vielzahl geschlossener und isolierter, im allgemeinen sphärischer Poren mit Durchmessern im Bereich von 50 bis 100 µm dispergiert, wobei die in der Matrix enthaltenen Stabilisatorteilchen in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Matrixmetall und den geschlossenen Poren konzentriert sind. Die Poren sind relativ gleichförmig über die Matrix verteilt und weisen wesentliche Mengen an Matrixmaterial zwischen den Poren auf. In einer typischen Struktur liegen weit voneinander entfernte Poren mit großem Durchmesser mit zwischen den großen Poren befindlichen Poren mit kleinem Durchmesser in dem Matrixmaterial vor.
Der Abstand zwischen den Poren ist durchschnittlich mindestens 50 µm und typischerweise 100 µm oder mehr. Ein erfindungsgemäß bedeutsames Merkmal ist, daß eine wesentliche Menge an Metall-Verbundwerkstoff zwischen den Poren vorhanden ist. Daher hat das Produkt vorzugsweise eine relative Dichte (P*/Ps) von ungefähr 0,3 bis ≤ 1, worin P* die Dichte des porösen Materials und Ps die Dichte des festen Verbundwerkstoffes darstellt.
Eine große Bandbreite feuerfester Materialien kann als feinverteilte feste Stabilisatorteilchen verwendet werden.
Die Haupterfordernisse an solche Teilchen sind, daß diese in der Lage sind, in der Metallmatrix aufgenommen und darin verteilt zu werden und im wesentlichen ihre Unversehrtheit so zu bewahren, wie sie inkorporiert wurden, anstatt ihre Form oder ihre Identität durch Auflösung oder durch extensive chemische Reaktion mit der Metallmatrix zu verlieren.
Beispiele für geeignete feste Stabilisatormaterialien schließen Aluminiumoxid, Titandiborid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid usw. ein. Der Volumenanteil an Teilchen in dem Schaum ist typischerweise weniger als 25 % und vorzugsweise im Bereich von 5 bis 15 %. Die Teilchengröße kann innerhalb eines relativ breiten Bereiches liegen, z.B. von ungefähr 0,1 bis 50 µm, üblicherweise liegen die Teilchengrößen jedoch im Bereich von ungefähr 0,5 bis 25 µm, wobei ein Teilchengrößenbereich von ungefähr 1 bis 20 µm bevorzugt ist.
Die Metallmatrix kann aus einer großen Bandbreite von Metallen bestehen, die in der Lage sind, mit dem geschmolzenen Zustand durch Wirbelmischung gemischt zu werden. Beispiele dafür schließen Aluminium, Magnesium, Stahl, Zink, Blei, Nickel, Kupfer und Legierungen daraus ein. Von besonderem Interesse sind geschmiedete, gegossene oder andere Standard-Aluminium-Legierungen, beispielsweise die Legierungen der Aluminium Association (AA) Bezeichnungen 6061, 2024, 7075, 7079 und A 356.
Das die Poren bildende Gas kann typischerweise ausgewählt werden aus Luft, Kohlendioxid, Sauerstoff, Inertgasen, usw. Wegen der leichten Verfügbarkeit ist Luft üblicherweise bevorzugt.
Das Mischen kann mit einer beliebigen Vorrichtung durchgeführt werden, die zur Bildung eines Wirbels geeignet ist. Beispielsweise kann ein mechanischer Rührflügel oder ein elektromagnetisches Mischsystem verwendet werden.
Bei der Bildung des erfindungsgemäßen Produktes wurde herausgefunden, daß die Stabilisatorteilchen an der Gas- Flüssigkeits-Grenzfläche der Poren anhaften. Dies passiert, da die Gesamtenergie dieses Zustandes geringer ist als die Oberflächenenergie der getrennten Flüssigkeit-Dampf- und Flüssigkeit-Feststoff-Zustände. Die Gegenwart der Teilchen um die Peripherie der Poren neigt dazu, das expandierte leichtgewichtige Material zu stabilisieren.
Die erfindungsgemäßen Produkte sind industriell weitverbreitet anwendbar, wenn leichtgewichtige Metallgußstücke mit Formen enger dimensionaler Toleranzen erforderlich sind, z.B. bei Teilen für die Automobilindustrie.

Kurze Beschreibung der Figuren

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung werden im folgenden durch Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
Figur 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung der Wirbelmischung illustriert;
Figur 2 zeigt ein 10-fache Vergrößerung eines Querschnittes durch einen erfindungsgemäßen gegossenen, leichtgewichtigen Aluminium-Verbundwerkstoff;
Figur 3 ist ein Photomikrograph des Materials aus Figur 2 in 100-facher Vergrößerung;
Figur 4 zeigt eine 4-fach vergrößerte Schnittansicht durch einen weiteren erfindungsgemäßen gegossenen leichtgewichtigen Aluminium-Verbundwerkstoff; und
Figur 5 zeigt eine 25-fache Vergrößerung eines Querschnittes durch einen Teil des Produktes aus Figur 4.

Beste Weise zur Ausführung der Erfindung

In dem in Figur 1 gezeigten System enthält ein Tiegel 35 einen drehbaren Schaft 36 mit einem Rührflügel 37. In dieser besonderen Ausführungsform hat der Tiegel einen Durchmesser von 32 cm und die Klingen des Rührflügels sind rechtwinklig mit Maßen von ungefähr 76 x 127 mm.
Im Betrieb wird bis zum Level 38 ein geschmolzener Metall- Verbundwerkstoff eingefüllt. Der Rührflügel wird dann mit hoher Geschwindigkeit gedreht, wodurch ein Wirbel 39 gebildet wird. Eine Gasschicht wird auf der Oberfläche des Schmelzenwirbels bereitgestellt, und das Gas wird in die Schmelze hineingezogen, wodurch letztendlich ein expandiertes poröses Material gebildet wird. Die Expansion wird fortgeführt, bis der Tiegel weitestgehend gefüllt ist. An diesem Punkt wird das Mischen unterbrochen und das Material aus dem Tiegel zur Formgebung in die gewünschten Formen entfernt.
Die folgenden nicht-limittierenden Beispiele illustrieren bestimmte bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungen.

Beispiel 1

Unter Verwendung des Tiegels aus Figur 1 wurde eine A 356 Aluminium-Legierung geschmolzen und 15 Vol.-% Siliciumcarbid-Pulver hinzugegeben. Der Tiegel wurde dann evakuiert und auf der Oberfläche der Schmelze eine Argonatmosphäre bereitgestellt.
Bei einer Temperatur des geschmolzenen Metall- Verbundwerkstoffes von 650 bis 700ºC wurde der Rührflügel mit 900 U/min gedreht. Nach 10 min Mischen begann die Verbundwerkstoffschmelze zu expandieren. Wenn die Expansion den oberen Rand des Tiegels erreichte, wurde der Rührflügel gestoppt und Proben des expandierten viskosen geschmolzenen Materials entnommen und in eine Probengießform gegossen. Das Gußstück wurde geschnitten und mikroskopisch untersucht und die Ergebnisse sind in den Photomikrographen der Figuren 2 und 3 gezeigt.
Dieses expandierte Material besaß Poren, die sehr klein, von sphärischer Form und ziemlich gleichmäßig verteilt waren. Die Dichte des expandierten Metall-Verbundwerkstoffmaterials lag im Bereich von 1 bis 1,5 g/cm³ mit einer durchschnittlichen Porengröße von ungefähr 250 µm und einem durchschnittlichen Abstand zwischen den Poren von ungefähr 100 µm.

Beispiel 2

Unter Verwendung der Vorrichtung aus Figur 1 wurde ein Verbundwerkstoff aus mit 15 Vol.-% Aluminiumoxid-Pulver verstärkter Aluminium-Legierung 6061 aufgeschmolzen. Bei einer Temperatur des geschmolzenen Metall-Verbundwerkstoffes von 710ºC wurde der Rührflügel mit 800 U/min gedreht. Nach 15 min Mischen begann die Verbundwerkstoffschmelze zu expandieren und ein viskoses geschmolzenes Material zu bilden. Dieses expandierte viskose geschmolzene Material wurde in eine Probenform gegossen. Der verfestigte Gußkörper wurde geschnitten und mikroskopisch untersucht und er zeigte ein Erscheinungsbild, das den Photomikrographen der Figuren 2 und 3 ähnlich war.

Beispiel 3

Erneut wurde unter Verwendung der Vorrichtung aus Figur 1 ein Verbundwerkstoff aus einer Aluminium-Legierung aufgeschmolzen, die 8,5 Gew.-% Silicium und 10 Vol.-% Siliciumcarbid-Pulver enthielt.
Bei einer Temperatur des geschmolzenen Metall- Verbundwerkstoffes von 680ºC wurde der Rührflügel mit 1000 U/min gedreht. Nach ungefähr 15 min Mischen begann die Verbundwerkstoffschmelze zu expandieren. Als das Material seine Expansion beendet hatte, wurde das expandierte viskose geschmolzene Material in eine Keramikgußform mit Dimensionen von 20 cm x 20 cm x 2,5 cm gegossen. Innerhalb von 10 min bildete sich eine verfestigte, leichtgewichtige Platte, und diese wurde geschnitten und mikroskopisch untersucht. Eine 4- fache Vergrößerung ist in Figur 4 gezeigt, und es ist ersichtlich, daß gleichmäßig verteilte sphärisch geformte Poren vorhanden sind, die während des Gießvorganges nicht zerstört wurden, und die sich nicht während des langsamen Abkühlens vereinigten. Aus Figur 5, die eine 25-fache Vergrößerung darstellt, kann ersehen werden, daß eine geschmolzene Metallschicht am Boden als Ergebnis eines Ablaufvorganges gebildet wurde, die eine Dicke von nur ungefähr 1 mm aufweist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines leichtgewichtigen Gas-Metall-Verbundwerkstoffs, der isolierte teilchenstabilisierte Poren enthält, umfassend die Schritte:

Erhitzen eines Verbundwerkstoffs aus einer Metallmatrix und feinverteilten festen Stabilisatorteilchen über die Schmelztemperatur der Metallmatrix zur Bildung eines geschmolzenen Metall- Verbundwerkstoffs;

Mischen des geschmolzenen Metall-Verbundwerkstoffs, wodurch ein Wirbel gebildet wird, und Fortführung des Mischens während ein Gas über den Wirbel in den geschmolzenen Verbundwerkstoff eingesogen wird, bis sich ein ausgedehntes viskoses, geschmolzenes Verbundwerkstoffmaterial gebildet hat; und

Abkühlen des expandierten Materials unter die Erstarrungstemperatur der Schmelze unter Bildung eines leichtgewichtigen festen Metallprodukts mit einer darin verteilten Vielzahl kleiner isolierter teilchenstabilisierter Poren.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, worin die Stabilisatorteilchen in dem Metallmatrix- Verbundwerkstoff in einer Menge von weniger als 25 Vol.% vorhanden sind.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, worin die Stabilisatorteilchen Grössen im Bereich von etwa 0,1 bis 50 µm aufweisen.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, worin die Stabilisatorteilchen Grössen im Bereich von etwa 0,5 bis 25 µm aufweisen und in dem Verbundwerkstoff in einer Menge von 5 bis 15 Vol.-% vorhanden sind.

5. Verfahren gemäss Anspruch 3, worin die Stabilisatorteilchen keramische oder intermetallische Teilchen sind.

6. Verfahren gemäss Anspruch 3, worin die Stabilisatorteilchen Metalloxide, Carbide, Nitride oder Boride sind.

7. Verfahren gemäss Anspruch 3, worin die Stabilisatorteilchen ausgewählt sind aus Aluminiumoxid, Titandiborid, Zirkonoxid, Siliciumcarbid und Siliciumnitrid.

8. Verfahren gemäss Anspruch 31 worin das Mischen fortgeführt wird, bis der expandierte geschmolzene Metall-Verbundwerkstoff eine pastöse oder viskose Konsistenz besitzt.

9. Verfahren gemäss Anspruch 1, worin das expandierte viskose, geschmolzene Verbundwerkstoffmaterial zu einem geformten leichtgewichtigen Metallprodukt ausgebildet wird.

10. Verfahren gemäss Anspruch 1, worin das feste Metallprodukt umgeschmolzen und zu einem geformten leichtgewichtigen Metallprodukt ausgestaltet wird.

11. Verfahren gemäss Anspruch 9 oder 10, worin die Formgebung Formgiessen oder thixotrope Formgebung umfasst.

12. Verfahren gemäss Anspruch 11, worin die thixotrope Formgebung Thixoextrusion oder Thixoschmiedung ist.

13. Verfahren gemäss Anspruch 1, worin die Metallmatrix Aluminium oder eine Legierung davon ist.

14. Stabilisierter leichtgewichtiger Metallkörper, umfassend eine Metallmatrix mit darin dispergierten, feinverteilten, festen Stabilisatorteilchen; und besagter Körper weist ebenso darin dispergiert eine Vielzahl an geschlossenen und isolierten, im allgemeinen sphärischen Poren mit Grössen im Bereich von 10 bis 500 µm auf, die in der Matrix enthaltenen Stabilisatorteilchen sind in der Umgebung der Grenzflächen zwischen dem Matrixmetall und den geschlossenen Poren konzentriert.

15. Metallkörper gemäss Anspruch 14, worin die Poren durch eine durchschnittliche Distanz von etwa 50 bis 100 µm voneinander räumlich getrennt sind.

16. Metallkörper gemäss Anspruch 15, worin der Metallkörper ein geformter Körper mit glatten Aussenflächen und einem Kern mit den besagten, räumlich getrennten Poren ist.

17. Metallkörper gemäss Anspruch 15, worin die Stabilisatorteilchen in dem Metallmatrix- Verbundwerkstoff in einer Menge von weniger als 25 Vol.-% vorhanden sind.

18. Metallkörper gemäss Anspruch 17, worin die Stabilisatorteilchen Grössen im Bereich von etwa 0,1 bis 50 µm aufweisen.

19. Metallkörper gemäss Anspruch 18, worin die Stabilisatorteilchen keramische oder intermetallische Teilchen sind.

20. Metallkörper gemäss Anspruch 19, worin die Metallmatrix Aluminium oder eine Legierung davon ist.

21. Metallkörper gemäss Anspruch 20, worin die Stabilisatorteilchen Metalloxide, Carbide, Nitride oder Boride sind.

22. Metallkörper gemäss Anspruch 14, der eine relative Dichte von etwa 0,3 bis etwa 1 aufweist.