DE69125604T2

DE69125604T2 - Verfahren mit sperrwerkstoffe zur herstellung eines verbundwerkstoffes mit metallmatrix

Info

Publication number: DE69125604T2
Application number: DE69125604T
Authority: DE
Inventors: Michael Aghajanian; Kurt Becker; John Burke; Ratnesh Dwivedi; Gregory Hannon; Steven Keck; Allyn Mccormick; Steven Taylor; Robert Wiener
Original assignee: Lanxide Technology Co LP
Current assignee: Lanxide Technology Co LP
Priority date: 1990-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2011-05-10
Also published as: US5316069A; EP0527943A1; EP0527943B1; ATE151470T1; AU8084191A; DE69125604D1; JPH05507123A; WO1991017278A1

Description

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Prozeß zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern unter Verwendung eines reaktiven Sperrschichtmaterials. Im einzelnen befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zum reaktiven Sperrschichtmaterial spontan zu infiltrieren. Diese spontane Infiltration erfolgt, ohne daß irgendein Druck oder Vakuum angelegt werden muß. Dementsprechend können geformte Metallmatrix- Verbundkörper mit ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit hergestellt werden.

Hintergrund der Erfindung

Verbundprodukte, die aus einer Metallmatrix und einer stabilisierenden oder verstärkenden Phase, wie z.B. keramischen Teilchen, Whiskern, Fasern oder dergleichen, bestehen, sind für eine Vielzahl von Anwendungen sehr vielversprechend, da sie einen Teil der Steifheit und der Verschleißfestigkeit der verstärkenden Phase mit der Biegsamkeit und der Zähigkeit des Matrixmetalls kombinieren. Allgemein weist ein Metallmatrix-Verbundmaterial Verbesserungen solcher Eigenschaften wie der Stabilität, der Steifheit, der Verschleißfestigkeit, des Wärmeausdehnungskoeffizienten, der Dichte, der Wärmeleitfähigkeit und der Beibehaltung der Stabilität bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu denjenigen des Matrixmetalls, wenn es als ein Stück vorliegt, auf, aber das Ausmaß, in dem die jeweilige Eigenschaft verbessert werden kann, hängt stark von den jeweiligen Bestandteilen und ihrem Volumen- oder Gewichtsanteil ab und davon, wie sie bei der Bildung des Verbundmaterials verarbeitet werden. In einigen Fällen kann das Verbundmaterial auch leichter als das Matrixmetall per se sein. Verbundmaterialien mit einer Aluminiummatrix, die mit Keramikmaterialien, wie z.B. Siliciumcarbid in Form von beispielsweise Teilchen, Plättchen oder Whiskern verstärkt sind, sind aufgrund ihrer größeren spezifischen Steifheit (z.B. Elastizitätsmodul geteilt durch Dichte), ihrer Verschleißfestigkeit, ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer hohen Hitzestabilität und/oder ihrer spezifischen Stabilität (z.B. Stabilität geteilt durch Dichte) im Vergleich zum Aluminium von Interesse.
Es sind verschiedene metallurgische Prozesse für die Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Aluminiummatrix beschrieben worden, einschließlich von Methoden, die auf pulvermetallurgischen Techniken und Techniken der Infiltration flüssiger Metalle beruhen, die Preßgießen, Vakuumgießen, Rühren und Netzmittel zum Einsatz bringen. Bei pulvermetallurgischen Techniken werden das Metall in Form eines Pulvers und das verstärkende Material in Form eines Pulvers, von Whiskern, Schnittfasern etc. miteinander vermischt und entweder kalt gepreßt und gesintert oder warm gepreßt. Es wurde berichtet, daß der maximale Volumenanteil der Keramik in Verbundmaterialien mit einer durch Siliciumcarbid verstärkten Aluminiummatrix, die durch dieses Verfahren erzeugt werden, im Falle von Whiskern bei ungefähr 25 Volumenprozent und im Falle von Teilchen bei ungefähr 40 Volumenprozent liegt.
Die Herstellung von Metallmatrix-Verbundmaterialien durch pulvermetallurgische Techniken unter Verwendung konventioneller Prozesse setzt den Charakteristika der erreichbaren Produkte gewisse Grenzen. Der Volumenanteil der keramischen Phase im Verbundmaterial ist typischerweise, im Falle von Teilchen, auf ungefähr 40 Prozent begrenzt. Auch setzt der Preßvorgang der erzielbaren Größe Grenzen. Es sind nur relativ einfache Formen der Produkte ohne eine sich anschließende Weiterverarbeitung (z.B. Ausformen oder Abspanen) oder ohne komplexe Pressen möglich. Auch kann es während des Sinterns zu einem ungleichmäßigen Schrumpfen sowie zu einer Uneinheitlichkeit der Mikrostruktur aufgrund einer Entmischung in den verdichteten Körpern und eines Kornwachstums kommen.
Das US-Patent Nr. 3 970 136, das am 20. Juli 1976 an J.C. Cannell et al. erteilt wurde, beschreibt einen Prozeß zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundmaterials, der eine faserförmige Verstärkung eingearbeitet enthält, z.B. Whisker aus Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, die ein vorher festgelegtes Muster der Faseranordnung aufweist. Das Verbundmaterial wird dadurch herstellt, daß parallele Matten oder Filze aus Fasern, die in derselben Ebene liegen, in eine Form gegeben werden, wobei sich ein Reservoir aus schmelzflüssigem Matrixmetall, z.B. Aluminium, zwischen zumindest einigen der Matten befindet, und durch Anwenden von Druck, um das schmelzflüssige Metall dazu zu zwingen, die Matten zu durchdringen und die ausgerichteten Fasern zu umgeben. Es kann schmelzflüssiges Metall auf den Stapel der Matten gegossen werden, während es durch Anwendung von Druck dazu gezwungen wird, zwischen die Matten zu fließen. Es wurde über Beladungen von bis zu ungefähr 50 Volumenprozent an verstärkenden Fasern im Verbundmaterial berichtet.
Der oben beschriebene Infiltrationsprozeß ist, im Hinblick auf seine Abhängigkeit von äußerem Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall durch den Stapel der faserförmigen Matten zu pressen, den Unregelmäßigkeiten druckinduzierter Flußprozesse ausgesetzt, d.h. einer möglichen Uneinheitlichkeit der Matrixbildung, einer Porosität, etc.. Eine Uneinheitlichkeit der Eigenschaften ist auch, wenn das schmelzflüssige Metall an mehreren Stellen in die faserförmige Anordnung eingebracht werden kann, möglich. Deshalb ist es erforderlich, komplizierte Anordnungen aus Matte und Reservoir und von Flußwegen zu schaffen, um eine angemessene und gleichmäßige Durchdringung des Stapels aus Fasermatten zu erzielen. Auch ermöglicht die eben beschriebene Methode der Druckinfiltration aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Infiltration großer Mattenvolumina verbunden sind, nur eine relativ geringe Verstärkung des Volumens der Matrixfraktion. Außerdem werden Formen benötigt, die das unter Druck stehende schmelzflüssige Metall enthalten, was die Kosten des Prozesses erhöht. Schließlich zielt der genannte Prozeß, der auf die Infiltration ausgerichteter Teilchen oder Fasern begrenzt ist, nicht darauf ab, Verbundmaterialien mit einer Matrix aus Aluminiummetall zu erzielen, die mit Materialien in Form von zufällig orientierten Teilchen, Whiskern oder Fasern verstärkt sind.
Bei der Herstellung von Verbundmaterialien, die aus einer Aluminiummatrix und Füllstoffen aus Aluminiumoxid bestehen, benetzt das Aluminium nicht ohne weiteres das Aluminiumoxid, wodurch es schwierig wird, ein zusammenhängendes Produkt herzustellen. Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Ein derartiger Ansatz liegt darin, das Aluminiumoxid mit einem Metall zu beschichten (z.B. Nickel oder Wolfram), das dann zusammen mit dem Aluminium warm gepreßt wird. Bei einer anderen Technik ist das Aluminium mit Lithium legiert, und das Aluminiumoxid kann mit Siliciumoxid beschichtet sein. Jedoch weisen diese Verbundgegenstände Schwankungen ihrer Eigenschaften auf, oder die Beschichtungen können den Füllstoff abbauen, oder die Matrix enthält Lithium, das die Eigenschaften der Matrix beeinflussen kann.
Das US-Patent Nr. 4 232 091, erteilt an R. W. Grimshaw et al., überwindet bestimmte Schwierigkeiten auf diesem Gebiet, die bei der Herstellung von Verbundmaterialien aus einer Aluminiummatrix und Aluminiumoxid auftreten können. Dieses Patent beschreibt die Anwendung von Drucken von 75-375 kg/cm², um das schmelzflüssige Aluminium (oder eine schmelzflüssige Aluminiumlegierung) in eine Matte aus Fasern oder Whiskern aus Aluminiumoxid, die auf 700 bis 1050ºC vorerhitzt worden ist, zu pressen. Das maximale Volumenverhältnis von Aluminiumoxid zu Metall im resultierenden festen Gußkörper betrug 0,25/1. Da äußerer Druck angelegt werden muß, um die Infiltration zu erzielen, unterliegt dieser Prozeß vielen der gleichen Mängel wie derjenige von Cannell et al..
Die europäische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 115 742 beschreibt die Herstellung von Verbundmaterialien aus Aluminium und Aluminiumoxid, die besonders als Bauteile von elektrolytischen Zellen nützlich sind, durch das Füllen der Hohlräume in einer vorgeformten Matrix aus Aluminiumoxid durch schmelzflüssiges Aluminium. Die Anmeldung betont, daß das Aluminiumoxid durch das Aluminium nicht benetzbar ist, und deshalb werden verschiedene Techniken angewendet, um das Aluminiumoxid in der gesamten Vorform zu benetzen. Zum Beispiel wird das Aluminiumoxid mit einem Netzmittel aus einem Diborid des Titans, Zirkoniums, Hafniums oder Niobs beschichtet oder mit einem Metall, d.h. Lithium, Magnesium, Calcium, Titan, Chrom, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium oder Hafnium. Zur Erleichterung der Benetzung werden inerte Atmosphären, z.B. Argon, eingesetzt. Diese Arbeit zeigt auch, wie durch die Anwendung von Druck das schmelzflüssige Aluminium dazu gezwungen wird, eine nicht beschichtete Matrix zu durchdringen. In dieser Hinsicht wird die Infiltration durch Evakuierung der Poren und anschließendes Anlegen von Druck an das schmelzflüssige Aluminium in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, erreicht. Alternativ kann die Vorform durch die Ablagerung von dampfförmigem Aluminium infiltriert werden, um die Oberfläche vor der Füllung der Hohlräume durch die Infiltration mit schmelzflüssigem Aluminium zu benetzen. Um das Verbleiben des Aluminiums in den Poren der Vorform abzusichern, ist eine Hitzebehandlung, z.B. bei 1400 bis 1800ºC, entweder im Vakuum oder in Argon, notwendig. Anderenfalls führt entweder die Exposition des druckinfiltrierten Materials gegen Gas oder die Entfernung des Infiltrationsdrucks zu einem Verlust an Aluminium aus dem Körper.
Die Verwendung von Netzmitteln zur Erzielung einer Infiltration einer Komponente aus Aluminiumoxid in einer elektrolytischen Zelle mit schmelzflüssigem Metall wird auch in der europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 0094353 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt die Herstellung von Aluminium durch elektrolytische Extraktion mit einer Zelle, die eine kathodische Stromversorgung in Form einer Zellenauskleidung oder eines Substrats aufweist. Um dieses Substrat vor schmelzflüssigem Kryolith zu schützen, wird ein dünner Überzug aus einer Mischung aus einem Netzmittel und einem Löslichkeitserniedriger auf das Substrat aus Aluminiumoxid vor dem Anfahren der Zelle, oder während es im schmelzflüssigen Aluminium, das durch den elektrolytischen Prozeß gebildet wird, eingetaucht ist, aufgetragen. Die offengelegten Netzmittel sind Titan, Zirkonium, Hafnium, Silicium, Magnesium, Vanadium, Chrom, Niob oder Calcium, und Titan wird als das bevorzugte Mittel bezeichnet. Von Verbindungen des Bors, Kohlenstoffs und des Stickstoffs wird beschrieben, daß sie nützlich für die Erniedrigung der Löslichkeit der Netzmittel im schmelzflüssigen Aluminium sind. Diese Arbeit legt jedoch weder die Herstellung von Metallmatrix-Verbundmaterialien nahe, noch legt sie die Bildung eines derartigen Verbundmaterials in beispielsweise einer Stickstoffatmosphäre nahe.
Zusätzlich zur Anwendung von Druck und von Netzmitteln wurde offengelegt, daß das Anlegen eines Vakuums das Eindringen des schmelzflüssigen Aluminiums in einen porösen keramischen Preßkörper erleichtert. Zum Beispiel berichtet das US-Patent Nr. 3 718 441, das am 27. Februar 1973 an R. L. Landingham erteilt wurde, über die Infiltration eines keramischen Preßkörpers (z.B. Borcarbid, Aluminiumoxid oder Berylliumoxid) durch entweder schmelzflüssiges Aluminium, Beryllium, Magnesium, Titan, Vanadium, Nickel oder Chrom in einem Vakuum von weniger als 10&supmin;&sup6; Torr. Ein Vakuum von 10&supmin;² bis 10&supmin;&sup6; Torr führte in einem solchen Ausmaß zu einer mangelhaften Benetzung des Keramikmaterials durch das schmelzflüssige Metall, daß das Metall nicht frei in die Hohlräume des Keramikmaterials floß. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die Benetzung verbesserte, wenn das Vakuum auf weniger als 10&supmin;&sup6; Torr vermindert wurde.
Das US-Patent Nr. 3 864 154, das am 4. Februar 1975 an G. E. Gazza et al. erteilt wurde, berichtet ebenfalls über die Verwendung eines Vakuums zur Erzielung der Infiltration. Dieses Patent beschreibt das Laden eines kalt gepreßten Preßkörpers aus einem AlB&sub1;&sub2;-Pulver auf ein Bett aus kalt gepreßtem Aluminiumpulver. Dann wurde zusätzliches Aluminium oben auf den Preßling aus AlB&sub1;&sub2;-Pulver aufgebracht. Der Schmelztiegel, der mit dem Preßling aus AlB&sub1;&sub2;, der sandwichartig zwischen den Schichten aus Aluminiumpulver vorlag, beladen war, wurde in einen Vakuumschmelzofen gegeben. Der Ofen wurde auf ungefähr 10&supmin;&sup5; Torr evakuiert, um ein Ausgasen zu ermöglichen. Die Temperatur wurde anschließend auf 1100ºC erhöht und 3 Stunden lang gehalten. Unter diesen Bedingungen durchdrang das schmelzflüssige Aluminium den porösen Preßkörper aus AlB&sub1;&sub2;.
Das US-Patent Nr. 3 364 976, das am 23. Januar 1968 an John N. Reding et al. erteilt wurde, legt das Konzept zur Schaffung eines selbsterzeugten Vakuums in einem Körper zur Verbesserung des Eindringens eines schmelzflüssigen Metalls in den Körper offen. Speziell wird offengelegt, daß ein Körper, z.B. eine Graphitform, eine Stahlform oder ein poröses hitzebeständiges Material, vollkommen in einem schmelzflüssigen Metall untergetaucht wird. Im Falle einer Form steht der Formhohlraum, der mit einem Gas gefüllt ist, das mit dem Metall reagiert, mit dem außen lokalisierten schmelzflüssigen Metall durch zumindest eine Öffnung in der Form in Verbindung. Wenn die Form in die Schmelze eingetaucht wird füllt sich der Hohlraum, da die Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall das selbsterzeugte Vakuum schafft. Insbesondere ist das Vakuum das Ergebnis der Bildung einer festen oxidierten Form des Metalls. Somit legen Reding et al. offen, daß es essentiell ist, eine Reaktion zwischen dem Gas im Hohlraum und dem schmelzflüssigen Metall hervorzurufen. Die Verwendung einer Form zur Erzeugung eines Vakuums kann jedoch aufgrund der Beschränkungen, die zwangsläufig mit der Verwendung einer Form verbunden sind, unerwünscht sein. Formen müssen zunächst durch Abspanen in die jeweilige Gestalt gebracht werden; dann müssen sie geglättet werden, um eine annehmbare Gußoberfläche auf der Form zu erzeugen; dann vor ihrer Verwendung zusammengebaut werden; dann nach ihrer Verwendung auseinandergenommen werden, um das gegossene Stück aus ihnen zu entfernen; und danach muß die Form überholt werden, wozu höchstwahrscheinlich eine Neubearbeitung der Oberflächen der Form oder das Verwerfen der Form gehört für den Fall, daß sie nicht mehr für eine Verwendung geeignet ist. Das Abspanen der Form, um ihr eine komplexe Gestalt zu geben, kann sehr teuer und zeitaufwendig sein. Darüber hinaus kann das Entfernen eines geformten Stückes aus einer Gußform von komplexer Gestalt ebenfalls schwierig sein (d.h., gegossene Stücke mit einer komplexen Form könnten beim Entfernen aus der Form zerbrochen werden). Weiterhin muß, obwohl vorgeschlagen wurde, daß ein poröses hitzebeständiges Material direkt in ein schmelzflüssiges Metall eingetaucht werden kann, ohne daß eine Form notwendig ist, das hitzebeständige Material aus einem Stück bestehen, da in Abwesenheit eines Formbehälters keine Möglichkeit besteht, ein in mehrere Teile zerfallenes poröses Material zu infiltrieren (d.h., es wird allgemein angenommen, daß das teilchenförmige Material beim Eintauchen in ein schmelzflüssiges Metall typischerweise auseinanderfällt oder auseinanderschwimmt). Weiterhin sollte, wenn es gewünscht war, ein teilchenförmiges Material oder eine locker geformte Vorform zu infiltrieren, Vorsorge getroffen werden, daß das infiltrierende Metall nicht zumindest Bereiche der Teilchen oder der Vorform verdrängt, was zu einer inhomogenen Mikrostruktur führen würde.
Demnach bestand schon lange ein Bedarf an einem einfachen und zuverlässigen Prozeß zur Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundmaterialien, der nicht auf die Verwendung eines Druckes oder eines Vakuums angewiesen ist (ganz gleich, ob äußerlich angewendet oder intern erzeugt) oder auf schädigende Netzmittel, um eine Metallmatrix zu erzeugen, die ein anderes Material, wie z.B. ein keramisches Material, einbettet. Darüber hinaus besteht schon lange ein Bedarf, das Ausmaß der abschließenden maschinellen Bearbeitungen, die zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers erforderlich sind, zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß sie auf einem Mechanismus zur spontanen Infiltration eines Materials (z.B. eines keramischen Materials) beruht, das zu einer Vorform ausgebildet und/oder mit einem Sperrschichtelement versehen sein kann, durch schmelzflüssiges Matrixmetall (z.B. Aluminium) bis zu einem aufgetragenen Sperrschichtmaterial, in Anwesenheit einer Infiltrationsatmosphäre (z.B. Stickstoff) bei normalem Atmosphärendruck, solange wie ein Infiltrationsverstärker zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses anwesend ist.

Beschreibung von US-Patenten und Patentanmeldungen desselben Anmelders

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-part-Anmeldung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 07/520 915, eingereicht am 9. Mai 1990 (und nun fallen gelassen) im Namen von Michael K. Aghajanian et al., mit dem Titel "Method of Making Metal Matrix Composite Bodies With Use of A Barrier".
Der Gegenstand dieser Anmeldung steht in Zusammenhang mit denjenigen verschiedener anderer ebenfalls anhängiger Patentanmeldungen und veröffentlichter Patente desselben Anmelders. Im einzelnen beschreiben diese anderen ebenfalls anhängigen Patentanmeldungen und veröffentlichten Patente desselben Anmelders neuartige Verfahren zur Herstellung von Verbundmaterialien mit einer Metallmatrix (die hier im folgenden manchmal als "Metallmatrix- Patentanmeldungen desselben Anmelders" bezeichnet werden).
Ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit einer Metallmatrix wird in dem US-Patent Nr. 4 828 008 offengelegt, das dm 9. Mai 1989 veröffentlicht wurde und aus der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 049 171 hervorging, die am 13. Mai 1987 unter dem Namen White et al. eingereicht wurde, den Titel "Metal Matrix Composites" trägt und vom EPO am 17. November 1988 als Veröffentlichungs-Nr. 0291441 veröffentlicht wurde. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung von White et al. wird ein Metallmatrix-Verbundmaterial durch die Infiltration einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial (z.B. einem keramischen oder einem keramikbeschichteten Material) durch schmelzflüssiges Aluminium, das zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium, hergestellt. Die Infiltration erfolgt spontan, ohne daß ein äußerer Druck oder ein Vakuum angelegt wird. Ein Vorrat der schmelzflüssigen Metallegierung wird mit der Masse aus Füllstoffmaterial bei einer Temperatur von mindestens ungefähr 675ºC in Kontakt gebracht, und zwar in Gegenwart eines Gases, das ungefähr 10 bis 100 Volumenprozent, und vorzugsweise mindestens 50 Volumenprozent, Stickstoff aufweist, wobei das restliche Gas, wenn solches vorhanden ist, ein nicht-oxidierendes Gas ist, z.B. Argon. Unter diesen Bedingungen infiltriert die schmelzflüssige Aluminiumlegierung die keramische Masse bei normalem Atmosphärendruck unter Bildung eines Verbundkörpers mit einer Matrix aus Aluminium (oder aus einer Aluminiumlegierung). Wenn die gewünschte Menge des Füllstoffmaterials durch die schmelzflüssige Aluminiumlegierung infiltriert worden ist, wird die Temperatur abgesenkt, um die Legierung erstarren zu lassen, wodurch sich eine feste Metallmatrixstruktur bildet, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Üblicherweise und vorzugsweise wird genügend schmelzflüssige Legierung bereitgestellt, daß die Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen der Masse aus Füllstoffmaterial voranschreiten kann. Die Menge des Füllstoffmaterials in den Aluminiummatrix-Verbundmaterialien, die gemäß der Erfindung von White et al. hergestellt werden, kann extrem hoch sein. In dieser Hinsicht können Volumenverhältnisse von Füllstoff zu Legierung von mehr als 1:1 erzielt werden.
Unter den Prozeßbedingungen der oben erwähnten Erfindung kann sich Aluminiumnitrid als eine diskontinuierliche Phase, die in der Aluminiummatrix verteilt ist, bilden. Die Menge des Nitrids in der Aluminiummatrix kann, in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie der Temperatur, der Legierungszusammensetzung, der Gaszusammensetzung und dem Füllstoffmaterial, schwanken. Somit können durch Kontrollieren von einem oder mehreren derartigen Faktor(en) im System bestimmte Eigenschaften des Verbundmaterials maßgeschneidert werden. Für einige der Endanwendungen kann es jedoch erwünscht sein, daß das Verbundmaterial wenig oder im wesentlichen kein Aluminiumnitrid enthält.
Es wurde beobachtet, daß höhere Temperaturen die Infiltration fördern, den Prozeß aber auch mehr in Richtung einer Nitridbildung abändern. Die genannte Erfindung ermöglicht die Wahl eines Gleichgewichtes zwischen der Infiltrationskinetik und der Nitridbildung.
Ein Beispiel für ein geeignetes Sperrschichtelement für die Verwendung bei der Bildung von Metallmatrix-Verbundmaterialien wird im US-Patent Nr. 4 935 055 desselben Anmelders, das am 19. Juni 1990 veröffentlicht wurde und aus der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 141 642 hervorging, die am 7. Januar 1988 unter dem Namen Michael K. Aghajanian et al. eingereicht wurde, den Titel "Method of Making Metal Matrix Composite with the Use of a Barrier" trägt und vom EPO am 12. Juli 1989 als Veröffentlichungs-Nr. 0323945 veröffentlicht wurde. Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung von Aghajanian et al. wird ein Sperrschichtelement (z.B. teilchenförmiges Titandiborid oder ein Graphitmaterial, wie z.B. ein biegsames Graphitfolienprodukt, das von Union Carbide unter dem Handelsnamen GRAFOIL vertrieben wird) auf eine festgelegte Oberflächengrenze eines Füllstoffmaterials aufgebracht, und die Matrixlegierung infiltriert bis zu der Grenze, die durch das Sperrschichtelement festgelegt wird. Das Sperrschichtelement wird verwendet, um die Infiltration der schmelzflüssigen Legierung zu hemmen, zu verhindern oder zu beenden, wodurch es zur Bildung eines Metallmatrix- Verbundmaterials mit einer endgültigen oder nahezu endgültigen Form kommt. Dementsprechend weisen die gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper eine äußere Form auf, die im wesentlichen der inneren Form des Sperrschichtelements entspricht.
Das Verfahren des US-Patents Nr.4 828 008 wurde dann durch die ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 517 541 desselben Anmelders, eingereicht am 24. April 1990, verbessert, die eine Weiterführung der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 168 284 war, eingereicht am 15. März 1988 (und inzwischen fallengelassen) unter dem Namen Michael K. Aghajanian und Marc S. Newkirk, die den Titel "Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same" trägt, und die vom EPO am 20. September 1989 als Veröffentlichung Nr. 0333629 veröffentlicht wurde. Gemäß den Verfahren, die in diesen US-Patentanmeldungen offengelegt werden, liegt eine Matrixmetallegierung als eine erste Quelle eines Metalls und als ein Reservoir an Matrixmetallegierung vor, das z.B. aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Quelle an schmelzflüssigem Metall kommuniziert. Insbesondere beginnt unter den Bedingungen, die in dieser Patentanmeldung beschrieben werden, die erste Quelle der schmelzflüssigen Matrixlegierung die Masse aus Füllstoffmaterial bei normalem Atmosphärendruck zu infiltrieren und beginnt somit die Bildung eines Metallmatrix-Verbundmaterials. Die erste Quelle an schmelzflüssiger Matrixmetallegierung wird während ihrer Infiltration in die Masse aus Füllstoffmaterial aufgebraucht, und sie kann, wenn es gewünscht wird, bei Bedarf aus dem Reservoir an schmelzflüssigem Matrixmetall nachgeliefert werden, und zwar vorzugsweise kontinuierlich, wenn die spontane Infiltration voranschreitet. Wenn eine gewünschte Menge an permeablem Füllstoff durch die schmelzflüssige Matrixlegierung spontan infiltriert worden ist, wird die Temperatur erniedrigt, um die Legierung zu verfestigen, wodurch eine feste Metallmatrixstruktur gebildet wird, die das verstärkende Füllstoffmaterial einbettet. Es sollte klar sein, daß die Verwendung eines Reservoirs an Metall lediglich eine Ausführungsform der Erfindung, die in dieser Patentanmeldung beschrieben wird, darstellt, und es ist nicht erforderlich, die Ausführungsform mit dem Reservoir mit jeder der anderen Ausführungsformen der Erfindung, die hier offengelegt werden, zu kombinieren, von denen einige auch vorteilhaft für eine Verwendung in Kombination mit der vorliegenden Erfindung sein könnten.
Das Metallreservoir kann in einer solchen Menge vorliegen, daß es eine ausreichende Menge an Metall bereitstellt, um die permeable Masse aus Füllstoffmaterial in einem vorher festgelegten Ausmaß zu infiltrieren. Alternativ kann ein bei Bedarf verwendetes Sperrschichtelement zumindest an einer Seite mit der permeablen Füllstoffmasse in Kontakt stehen und eine Oberflächengrenze festlegen.
Weiterhin könnte, obwohl der bereitgestellte Nachschub an schmelzflüssiger Matrixlegierung zumindest ausreichend sein sollte, um die spontane Infiltration im wesentlichen bis an die Grenzen (z.B. Sperren) der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial zu ermöglichen, die im Reservoir vorhandene Menge an Legierung größer als diese ausreichende Menge sein, so daß nicht nur eine ausreichende Legierungsmenge für die vollständige Infiltration zur Verfügung steht, sondern daß überschüssige schmelzflüssige Metallegierung zurückbleiben und mit dem Metallmatrix-Verbundkörper verbunden sein könnte. Somit ist, wenn überschüssige schmelzflüssige Legierung vorhanden ist, der resultierende Körper ein komplexer Verbundkörper (z.B. ein Makroverbundkörper), bei dem ein infiltrierter keramischer Körper, der eine Metallmatrix enthält, direkt an überschüssiges Metall, das übrigbleibt, gebunden ist.
Weitere Fortschritte auf dem Gebiet der Metallmatrix-Technologie können in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung desselben Anmelders mit der Serien-Nr. 521 043, eingereicht am 9. Mai 1990, gefunden werden, die eine Continuation-in-part der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 484 753 , eingereicht am 23. Februar 1990, war, die eine Continuation-in-part der US- Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 432 661, eingereicht am 7. November 1989 (und nun fallengelassen) war, die eine Continuation-in-part der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 416 327, eingereicht am 6. Oktober 1989 (und nun fallengelassen in den USA, aber veröffentlicht vom EPO am 27. Juni 1990 als EPO-Veröffentlichung Nr. 0 375 588) war, die eine Continuation- in-part der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 349 590, eingereicht am 9. Mai 1989 (und nun fallengelassen) war, die ihrerseits eine Continuation-in-part der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 269 311, eingereicht am 10. November 1988 (und nun fallengelassen), war, wobei alle unter dem Namen Michael K. Aghajanian et al. eingereicht wurden und alle den Titel "A Method of Forming Metal Matrix Composite Bodies By A Spontaneous Infiltration Process, and Products Produced Therefrom" tragen. Gemäß diesen Anmeldungen von Aghajanian et al. wird eine spontane Infiltration eines Matrixmetalls in eine permeable Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform durch die Verwendung eines Infiltrationsverstärkers und/oder eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers und/oder einer Infiltrationsatmosphäre erreicht, die sich, wenigstens an einem gewissen Punkt während des Prozesses, in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform befinden, was es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Aghajanian et al. legen verschiedene Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre offen, die zur spontanen Infiltration führen. Im einzelnen legen Aghajanian et al. offen, daß die spontane Infiltration beobachtet wurde für das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff, das System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff, das System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff und das System aus Aluminium/Calcium/Stickstoff. Jedoch geht aus der Offenlegung, die in den Anmeldungen von Aghajanian et al. dargelegt wurde, klar hervor, daß das Verhalten der spontanen Infiltration auch in anderen Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre erfolgen sollte.
Alle oben diskutierten Metallmatrix-Patente und -Patentanmeldungen desselben Anmelders beschreiben Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern sowie neuartige Metallmatrix-Verbundkörper, die mit diesen hergestellt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es wird ein Metallmatrix-Verbundkörper durch das spontane Infiltrieren eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in eine permeable Masse eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform, bei dem bzw. bei der wenigstens eine Oberflächengrenze durch ein reaktives Sperrschichtelement festgelegt oder definiert ist, hergestellt. Im einzelnen befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zum Sperrschichtmaterial spontan zu infiltrieren. Ein Sperrschichtmaterial hemmt typischerweise den Transport des schmelzflüssigen Matrixmetalls über sich hinaus, wodurch die Herstellung geformter Metallmatrix-Verbundkörper ermöglicht wird.
Das Sperrmaterial der vorliegenden Erfindung umfaßt wenigstens eine reaktive Sperre, wenn es gewünscht wird in Kombination mit einer physikalischen Sperre. Ein Sperrmaterial sollte das schmelzflüssige Matrixmetall daran hindern, über die gewünschten Grenzen des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus zu infiltrieren, und es sollte vorzugsweise dem fertigen Metallmatrix-Verbundkörper eine glatte Oberflächenbeschaffenheit verleihen.
Zur Erzielung der spontanen Infiltration kann ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer wenigstens einem aus der Gruppe zugesetzt werden, die aus dem Füllstoffmaterial und/oder der Vorform und/oder einem Matrixmetall und/oder einer Infiltrationsatmosphäre besteht. Der bereitgestellte Infiltrationsverstärker-Vorläufer kann dann mit wenigstens einem aus der Gruppe, die aus dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, unter Bildung des Infiltrationsverstärkers in oder auf wenigstens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform reagieren. Letztlich sollte sich wenigstens während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker mit wenigstens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform in Kontakt befinden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann man, statt einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitzustellen, einen Infiltrationsverstärker direkt zumindest entweder dem Füllstoffmaterial und/oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zusetzen. Letztlich sollte sich wenigstens während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker mit wenigstens einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform in Kontakt befinden.
Diese Anmeldung diskutiert verschiedene Beispiele für Matrixmetalle, die an einem gewissen Punkt während der Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer in Kontakt gebracht werden, und zwar in Gegenwart einer Infiltrationsatmosphäre. Somit wird des öfteren auf bestimmte Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphär, die zur spontanen Infiltration führen, Bezug genommen werden. Jedoch ist es denkbar, daß sich neben den in dieser Anmeldung diskutierten Systemen viele andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre auf ähnliche Weise wie die Systeme verhalten, die oben diskutiert wurden. Im einzelnen wurde die spontane Infiltration in dem System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff beobachtet; dem System aus Aluminium/Strontium/Stickstoff; dem System aus Aluminium/Zink/Sauerstoff; und dem System aus Aluminium/Calcium/Stickstoff. Dementsprechend sollte klar sein, daß, obwohl diese Anmeldung nur diejenigen Systeme diskutiert, auf die oben Bezug genommen wurde (wobei besonderes Gewicht auf das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff gelegt wird), sich auch andere Systeme aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ähnlich verhalten können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung der spontanen Infiltration in eine permeable Masse eines Füllstoffmaterials oder in eine Vorform wird schmelzflüssiges Matrixmetall mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial in Kontakt gebracht. Die Vorform oder das Füllstoffmaterial kann einen beigemischten Infiltrationsverstärker-Vorläufer enthalten und/oder an einem gewissen Punkt während des Prozesses einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ausgesetzt werden. Weiterhin stehen bei einer bevorzugten Ausführungsform das schmelzflüssige Matrixmetall und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial, wenigstens während eines Teils des Prozesses, mit einer Infiltrationsatmosphäre in Verbindung. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform stehen das Matrixmetall und/oder die Vorform oder das Füllstoffmaterial im wesentlichen während des gesamten Prozesses mit einer Infiltrationsatmosphäre in Verbindung. Die Vorform oder das Füllstoffmaterial wird spontan vom schmelzflüssigen Matrixmetall infiltriert, und das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers hängt von einer vorgegebenen Kombination an Verarbeitungsbedingungen ab, zu denen z.B. die Konzentration des Infiltrationsverstärker- Vorläufers gehört, der dem System zur Verfügung steht (z.B. in der schmelzflüssigen Matrixlegierung und/oder im Füllstoffmaterial oder in der Vorform und/oder in der Infiltrationsatmosphäre), die Größe und/oder die Zusammensetzung des Füllstoffmaterials, die Größe und/oder die Zusammensetzung der Teilchen in der Vorform, die für die Infiltration der Vorform oder des Füllstoffmaterials zur Verfügung stehende Porosität, der Zeitraum, über den man die Infiltration ablaufen läßt, und/oder die Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt. Typischerweise erfolgt die spontane Infiltration in einem Ausmaß, das ausreicht, die Vorform oder das Füllstoffmaterial im wesentlichen vollständig einzubetten.
Weiterhin können durch Variieren der Zusammensetzung des Matrixmetalls und/oder der Verarbeitungsbedingungen die physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers für jede beliebige Anwendung oder jeden beliebigen Bedarf konstruiert werden. Weiterhin können die mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften dadurch, daß der gebildete dünne Metallmatrix-Verbundkörper einem Nachbehandlungsprozeß unterzogen wird (z. B. einer gerichteten Verfestigung, einer Wärmebehandlung etc.), außerdem so konstruiert werden, daß sie jeder beliebigen Anwendung oder jedem beliebigen Bedarf gerecht werden. Und außerdem kann durch Steuern der Verarbeitungsbedingungen während der Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers der Stickstoffgehalt des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers so maßgeschneidert werden, daß er einem breiten Bereich industrieller Anwendungen gerecht wird.
Weiterhin können durch Steuern der Zusammensetzung und/oder der Größe (z.B. des Teilchendurchmessers) und/oder der Geometrie des Füllstoffmaterials oder des Materials, das die Vorform ausmacht, die physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers so gesteuert oder konstruiert werden, daß sie eine beliebige Zahl industrieller Anforderungen erfüllen. Zum Beispiel wurde entdeckt, daß die Verschleißfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers durch Erhöhen der Größe des Füllstoffmaterials erhöht werden kann (z.B. durch Erhöhen des durchschnittlichen Durchmessers der Teilchen des Füllstoffmaterials), vorausgesetzt daß die Verschleißfestigkeit des Füllstoffmaterials höher ist als diejenige des Matrixmetalls. Jedoch kann die Stabilität und/oder die Zähigkeit dazu neigen, mit abnehmender Größe des Füllstoffs anzusteigen. Weiterhin kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallmatrix-Verbundkörpers mit zunehmender Beladung mit Füllstoff abnehmen, vorausgesetzt daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllstoffmaterials niedriger ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Matrixmetalls. Und weiterhin können die mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften (z.B. die Dichte der Elastizitätsmodul und/oder der spezifische Modul, die Stabilität und/oder die spezifische Stabilität etc.) eines gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers in Abhängigkeit von der Beladung mit Füllstoffmaterials in der lockeren Masse oder in der Vorform maßgeschneidert werden. Zum Beispiel kann durch Bereitstellen einer lockeren Masse oder einer Vorform, die eine Mischung aus Füllstoffteilchen unterschiedlicher Größe und/oder Formen umfaßt, wobei die Dichte des Füllstoffs größer als diejenige des Matrixmetalls ist, aufgrund einer verbesserten Packung des Füllstoffmaterials eine höhere Beladung mit Füllstoff erreicht werden, wodurch ein Metallmatrix-Verbundkörper mit einer höheren Dichte erzielt wird. Durch Anwenden der Ausführungen der vorliegenden Erfindung können die Volumenprozente des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die infiltriert werden können, über einen weiten Bereich variieren. Die unteren Volumenprozente an Füllstoff, die infiltriert werden können, sind in erster Linie durch die Fähigkeit zur Bildung eines porösen Füllstoffmaterials oder einer porösen Vorform limitiert (z.B. auf ungefähr 10 Volumenprozent), während die höheren Volumenprozente des Füllstoffs oder der Vorform, die infiltriert werden können, in erster Linie durch die Fähigkeit zur Bildung eines dichten Füllstoffmaterials oder einer dichten Vorform mit zumindest etwas zusammenhängender Porosität limitiert sind (z.B. auf ungefähr 95 Volumenprozent). Demgemäß kann durch die Anwendung beliebiger der obigen Ausführungen, allein oder in Kombination, ein Metallmatrix-Verbundkörper so konstruiert werden, daß er eine gewünschte Kombination von Eigenschaften aufweist.

Definitionen

"Aluminium" wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet und beinhaltet das im wesentlichen reine Metall (z.B. ein relativ reines, im Handel erhältliches, nicht legiertes Aluminium) oder andere Reinheitsgrade des Metalls und von Metallegierungen, wie z.B. die im Handel erhältlichen Metalle, die Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteile, wie z.B. Eisen, Silicium, Kupfer, Magnesium, Mangan, Chrom, Zink etc. enthalten. Eine Aluminiumlegierung für die Zwecke dieser Definition ist eine Legierung oder eine Zwischenmetallverbindung, in der Aluminium den Hauptbestandteil darstellt.
"Restliches nicht-oxidierendes Gas", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß jedes beliebige Gas, das zusätzlich zu dem primären Gas, das die Infiltrationsatmosphäre ausmacht, entweder ein inertes Gas oder ein reduzierendes Gas ist, das im wesentlichen unter den Prozeßbedingungen mit dem Matrixmetall nicht reaktiv ist. Jedes beliebige oxidierende Gas, welches als eine Verunreinigung in dem Gas oder den Gasen, die verwendet werden, vorkommen kann, sollte nicht ausreichen, das Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen in einem nennenswerten Ausmaß zu oxidieren.
"Sperre" oder "Sperrschichtelement", wie die Begriffe in allen Patentanmeldungen des Anmelders, die sich auf Metallmatrix-Verbundmaterialien beziehen, verwendet werden, bedeutet jedes geeignete Mittel, das die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt, wobei diese Oberflächengrenze durch das genannte Sperrschichtelement festgelegt wird. Geeignete Sperrschichtelemente können jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches bzw. welche unter den Bedingungen des Prozesses eine gewisse Integrität bewahrt und im wesentlichen nicht flüchtig ist (d.h., das Sperrschichtelement ist nicht in einem derartigen Maße flüchtig, daß es nicht mehr als Sperre fungieren kann).
Weiterhin gehören zu geeigneten "Sperrschichtelementen" Materialien, die durch das wandernde schmelzflüssige Matrixmetall unter den angewandten Prozeßbedingungen im wesentlichen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs weist offenbar im wesentlichen keine oder nur wenig Affinität für das schmelzflüssige Matrixmetall auf, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächengrenze der Masse aus Füllstoffmaterial oder der Vorform wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert das Ausmaß einer möglichen abschließenden maschinellen Bearbeitung oder eines Schleifens, die bzw. das erforderlich sein kann, und legt zumindest einen Teil der Oberfläche des resultierenden Metallmatrix-Verbundkörperprodukts fest. Die Sperre kann in bestimmten Fällen permeabel oder porös sein oder permeabel gemacht werden, z.B. durch Bohren von Löchern oder durch Anstechen der Sperre, um es dem Gas zu ermöglichen, mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten etc.
"Gerust" oder "Gerust aus Matrixmetall", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet irgendeinen verbliebenen Teil des ursprünglichen Körpers aus Matrixmetall, der bei der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers nicht verbraucht worden ist, und der typischerweise, wenn man ihn abkühlen läßt, in zumindest teilweisem Kontakt mit dem gebildeten Metallmatrix- Verbundkörper verbleibt. Es versteht sich dabei, daß das Gerüst auch ein zweites oder fremdes Metall enthalten kann.
"Füllstoff" wie der Begriff hier verwendet wird, soll entweder einzelne Bestandteile oder Mischungen von Bestandteilen beinhalten, die mit dem Matrixmetall im wesentlichen nicht reagieren und/oder von begrenzter Löslichkeit im Matrixmetall sind, und die aus einer Phase oder mehreren Phasen bestehen können. Füllstoffe könner in einer großen Vielzahl von Formen bereitgestellt werden, wie z.B. als Pulver, Flocken, Plättchen, Mikrokugeln, Whisker, Blasen, Fasern, Teilchen, Fasermatten, Schnittfasern, Kugeln, Pellets, Röhrchen Feuerfestfasergewebe etc., und sie können entweder dicht oder porös sein. Zu "Füllstoffen" können auch keramische Füllstoffe gehören, wie z.B. Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid in Form von Fasern, Schnittfasern, Teilchen, Whiskern, Blasen, Kugeln, Fasermatten oder dergleichen und keramikbeschichtete Füllstoffe, wie z.B. Kohlenstoff-Fasern, die mit Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid beschichtet sind, um den Kohlenstoff vor einem Angriff, z.B. durch ein schmelzflüssiges Aluminium-Grundmetall, zu schützen. Zu Füllstoffen können auch Metalle gehören.
"Hot-Topping" wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet das Anordnen einer Substanz auf einem Ende (dem "Topping"-Ende eines wenigstens teilweise geformten Metallmatrix- Verbundmaterials, die exotherm mit wenigstens einem aus der Gruppe reagiert, die aus dem Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial und/oder einem anderen Material besteht, das am "Topping"-Ende zur Verfügung steht. Diese exotherme Reaktion sollte genügend Wärme bereitstellen, um das Matrixmetall am "Topping"-Ende schmelzflüssig zu halten, während der Rest des Matrixmetalls im Verbundkörper auf die Erstarrungstemperatur abkühlt.
"Infiltrationsatmosphäre" wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet diejenige vorliegende Atmosphäre, die mit dem Matrixmetall und/oder der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Infiltrationsverstärker in Wechselwirkung tritt und die spontane Infiltration des Matrixmetalls gestattet oder verstärkt.
"Infiltrationsverstärker", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Material, das die spontane Infiltration eines Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform fördert oder unterstützt. Ein Infiltrationsverstärker kann stammen aus z.B. (1) einer Reaktion eines Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit einer Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Species und/oder (2) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder (3) einem Reaktionsprodukt des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform. Darüber hinaus kann der Infiltrationsverstärker direkt auf zumindest eines aus der Gruppe aufgetragen werden, die aus der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und er wirkt im wesentlichen auf eine ähnliche Weise wie ein Infiltrationsverstärker, der sich aus einer Reaktion zwischen einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer anderen Species gebildet hat. Letztendlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker zumindest in einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen, damit die spontane Infiltration erzielt wird, und der Infiltrationsverstärker kann durch das Matrixmetall zumindest teilweise reduzierbar sein.
"Infiltrationsverstärker-Vorläufer" oder "Vorläufer des Infiltrationsverstärker", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Matenai, das, wenn es in Kombination mit (1) dem Matrixmetall, (2) der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder (3) einer Infiltrationsatmosphäre verwendet wird, einen Infiltrationsverstärker bildet, der das Matrixmetall dazu bringt oder es dabei unterstützt, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren. Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Metall in Wechselwirkung zu treten. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphare wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur. in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der zumindest ein Teil das Matrixmetalls schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Species, die die Benetzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
"Matrixmetall" oder "Matrixmetall-Legierung", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet dasjenige Metall, das zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet wird (z.B. vor der Infiltration), und/oder dasjenige Metall, das mit einem Füllstoffmaterial zur Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers vermischt wird (z.B. nach der Infiltration). Wenn ein bestimmtes Metall als das Matrixmetall erwähnt wird, dann sollte klar sein, daß dieses Matrixmetall das Metall als ein im wesentlichen reines Metall, als ein im Handel erhältliches Metall mit darin enthaltenen Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, als eine Zwischenmetallverbindung oder als eine Legierung umfaßt, bei der dieses Metall den Hauptbestandteil darstellt.
"System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre oder "spontanes System", wie die Begriffe hier verwendet werden, bezieht sich auf diejenige Kombination von Materialien, die zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führt. Es sollte klar sein, daß immer, wenn ein "/" zwischen einem exemplarischen Matrixmetall, einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und einer Infiltrationsatmosphäre vorkommt, das "/" verwendet wird, um ein System oder eine Kombination von Materialien zu benennen, die, wenn sie auf bestimmte Weise kombiniert werden, zu einer spontanen Infiltration in eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial führen.
"Metallmatrix-Verbundmaterial" oder "MMV", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet ein Material, das ein(e) zwei- oder dreidimensional in sich verbundene Legierung oder Matrixmetall aufweist, die bzw. das eine Vorform oder ein Füllstoffmaterial eingebettet hat. Das Matrixmetall kann verschiedene Legierungselemente beinhalten, um im resultierenden Verbundmaterial besonders gewünschte mechanische und physikalische Eigenschaften bereitzustellen.
Ein Metall, das vom Matrixmetall "verschieden" ist, bedeutet ein Metall, das nicht das gleiche Metall wie das Matrixmetall als einen Hauptbestandteil enthält. (Wenn z.B. der Hauptbestandteil des Matrixmetalls Aluminium ist, dann könnte das "verschiedene" Metall als Hauptbestandteil z.B. Nickel enthalten).
"Nicht-reaktives Gefäß für das Unterbringen des Matrixmetalls" bedeutet jedes beliebige Gefäß, das ein Füllstoffmaterial (oder eine Vorform) und/oder schmelzflüssiges Matrixmetall unter den Prozeßbedingungen aufnehmen oder enthalten kann und das nicht mit der Matrix und/oder der Infiltrationsatmosphäre und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform auf eine Weise reagiert, die den Mechanismus der spontanen Infiltration auf erhebliche Weise nachteilig beeinflussen würde. Das nicht-reaktive Gefäß kann wegwerfbar sein und entfernt werden können, nachdem die spontane Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls vollständig erfolgt ist.
"Physikalische Sperre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet jede beliebige Sperre, die keine reaktive Sperre ist.
"Vorform oder permeable Vorform", wie die Begriffe hier verwendet werden, bedeutet eine poröse Masse aus Füllstoff oder Füllstoffmaterial, die so hergestellt ist, daß sie mindestens eine Oberflächenbegrenzung aufweist, die im wesentlichen eine Grenze für das infiltrierende Matrixmetall festlegt, wobei die Masse ausreichend Formzusammenhalt und Grünfestigkeit behält, damit sie, ehe sie durch das Matrixmetall infiltriert wird, ihre äußeren Abmessungen beibehalten kann. Die Masse sollte porös genug sein, um die spontane Infiltration des Matrixmetalls in sie hinein aufnehmen zu können. Ein Vorform besteht typischerweise aus einer gebundenen Anordnung oder einem gebundenen Aufbau aus Füllstoff entweder homogen oder heterogen, und kann jedes geeignete Material umfassen (z.B. Teilchen aus Keramik und/oder Metall, Pulver, Fasern, Whisker etc. und jede Kombination davon). Eine Vorform kann entweder als Einzelteil oder als ein Zusammenbau vorkommen.
"Reaktive Sperre", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet eine Sperre, die mit wenigstens einer Komponente aus der Gruppe reagiert, die aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall, dem Füllstoffmaterial, dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker- Vorläufer und der Infiltrationsatmosphäre besteht, so daß eine Substanz dem System der spontanen Infiltration entweder bereitgestellt oder aus diesem entfernt wird, wodurch die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform hinaus beeinflußt, gehemmt, verhindert oder gestoppt wird, wobei diese Oberflächengrenze durch die genannte reaktive Sperre festgelegt wird. Zum Beispiel könnte die reaktive Sperre mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall beim Kontakt mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall unter Bildung einer Verbindung reagieren, die die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt; oder alternativ könnte die reaktive Sperre lokal mit dem Infiltrationsverstärker oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer reagieren, was zur Entfernung des Infiltrationsverstärkers oder des Infiltrationsverstärker- Vorläufers aus der unmittelbaren Nachbarschaft der reaktiven Sperre führen könnte, was wiederum die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über den Bereich hinaus, aus dem der Infiltrationsverstärker-Vorläufer oder der Infiltrationsverstärker entfernt wurden, beeinflußt, hemmt, verhindert oder stoppt.
Die reaktive Sperre sollte mit wenigstens einem aus der Gruppe reagieren, die aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall, dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, dem Infiltrationsverstärker, dem Füllstoffmaterial und der Infiltrationsatmosphäre besteht, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die ausreicht, um das schmelzflüssige Matrixmetall daran zu hindern, in einem nennenswerten (oder unerwünschten) Ausmaß über die gewünschten Grenzen des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus zu wandern oder zu infiltrieren. Deshalb kann ein Material nur dann als reaktive Sperre bezeichnet werden, wenn die Kinetik der Reaktion zwischen dem Material und wenigstens einer Komponente aus der Gruppe, die aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall, dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, dem Füllstoffmaterial und der Infiltrationsatmosphäre besteht, genügend schnell ist, um eine nennenswerte (oder unerwünschte) Infiltration oder Wanderung des schmelzflüssigen Matrixmetalls über die gewünschten Grenzen des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus zu verhindern.
Ein Material, das als Sperrmaterial fungiert und mit wenigstens einer Komponente aus der Gruppe reagiert, die aus dem schmelzflüssigen Grundmetall, dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, dem Füllstoffmaterial und der Infiltrationsatmosphäre besteht, so daß eine Substanz dem System der spontanen Infiltration bereitgestellt oder aus diesem entfernt wird, was dazu führt, daß die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls beeinflußt, gehemmt, verhindert oder gestoppt wird, ist nicht notwendigerweise eine reaktive Sperre. Zum Beispiel kann die Sperre als physikalische Sperre fungieren, da die Kinetik der Reaktion zwischen dem Material und wenigstens einer Komponente aus der Gruppe, die aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall, dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker- Vorläufer, dem Füllstoffmaterial und der Infiltrationsatmosphäre besteht, zu langsam ist, um die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen des schmelzflüssigen Matrixmetalls über eine Oberflächengrenze einer permeablen Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform hinaus wirkungsvoll zu beeinflussen, zu hemmen, zu verhindern oder zu stoppen. Somit bestimmt der primäre Mechanismus, über den ein Material als Sperrmaterial fungiert, ob ein Material als physikalische Sperre oder als reaktive Sperre klassifiziert wird.
"Reservoir", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet einen separaten Körper aus Matrixmetall, der so zu einer Füllstoffmasse oder einer Vorform angeordnet ist, daß er, wenn das Metall schmelzflüssig vorliegt, fließen kann, um denjenigen Teil, der sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, aufzufüllen, oder um in bestimmen Fällen denjenigen Teil, dasjenige Segment oder diejenige Quelle des Matrixmetalls, der bzw. das bzw. die sich in Kontakt mit dem Füllstoff oder der Vorform befindet, bereitzustellen und anschließend aufzufüllen.
"Spontane Infiltration", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet, daß die Infiltration des Matrixmetalls in die permeable Füllstoffmasse oder die Vorform erfolgt, ohne daß es erforderlich ist, einen Druck oder ein Vakuum anzulegen (gleichgültig, ob von außen angelegt oder im Inneren erzeugt).

Kurze Beschreibung der Figuren

Die folgenden Figuren werden gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, aber sie sollen den Bereich der Erfindung nicht einschränken.
Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines typischen Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers, wie es unten beschrieben wird, verwendet wurde;
Figur 2a-2e sind schematische Querschnittsansichten, die die wichtigen Verarbeitungsschritte darstellen, die zur Erzeugung des geformten Metallmatrix-Verbundkörpers aus Beispiel 1 eingesetzt wurden;
Figur 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 2 verwendet wurde;
Figur 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 3 verwendet wurde;
Figur 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 4 verwendet wurde;
Figur 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 5 verwendet wurde; und
Figur 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus, der zur Bildung eines geformten Metallmatrix-Verbundkörpers gemäß Beispiel 6 verwendet wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und bevorzugter Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung eines geformten Metallmatrix- Verbundkörpers durch das spontane Infiltrieren eines schmelzflüssigen Matrixmetalls in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform bis zu einem reaktiven Sperrschichtmaterial. Im einzelnen befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses, wodurch es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform bis zum reaktiven Sperrschichtmaterial spontan zu infiltrieren.
Das Folgende bezieht sich auf die Figur 1, in der ein einfacher Aufbau 10 zur Herstellung eines spontan infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörpers dargestellt ist. Im einzelnen wird ein Füllstoff oder eine Vorform 1, der bzw. die aus jedem beliebigen geeigneten Material bestehen kann, wie unten im Detail diskutiert wird, in ein Gefäß 2 gegeben. Die inneren Oberflächen des Gefäßes 2 sind mit einem Sperrschichtmaterial 4 beschichtet. Ein Matrixmetall 3 wird auf dem oder angrenzend an den Füllstoff 1 oder auf der oder angrenzend an die Vorform 1 unter Bildung eines Aufbaus angeordnet. Der Aufbau wird dann in eine Masse aus einem Stützmaterial 5, das in einem feuerfesten Schiffchen 6 enthalten ist, gegeben. Der Aufbau aus dem feuerfesten Schiffchen 6 und seinem Inhalt wird anschließend in einen Schmelzofen gegeben und auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Matrixmetalls erhitzt, um die spontane Infiltration einzuleiten. Wie oben ausgeführt wurde, befinden sich ein Infiltrationsverstärker und/oder ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer sowie eine Infiltrationsatmosphäre in Verbindung mit dem Füllstoffmaterial oder der Vorform, zumindest an einem gewissen Punkt während des Prozesses wodurch es dem schmelzflüssigen Matrixmetall ermöglicht wird, das Füllstoffmaterial oder die Vorform spontan zu infiltrieren.
Ohne sich auf irgendeine besondere Theorie oder Erklärung festlegen zu wollen, kann, wenn ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit wenigstens einem aus der Gruppe eingesetzt wird, die aus dem Matrixmetall und/oder einem Füllstoffmaterial oder einer Vorform und/oder einer Infiltrationsatmosphäre besteht, der Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung eines Infiltrationsverstärkers reagieren, was das schmelzflüssige Matrixmetall dazu bringt oder es dabei unterstützt, ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform spontan zu infiltrieren. Weiterhin sieht es so aus, als ob es für den Vorläufer des Infiltrationsverstärkers erforderlich sein könnte, daß er in einer solchen Position angebracht oder angeordnet oder zu ihr transportiert werden kann, die es dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer ermöglicht, mit wenigstens einem aus der Gruppe in Wechselwirkung zu treten, die aus der Infiltrationsatmosphäre und/oder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem schmelzflüssigen Matrixmetall besteht. Zum Beispiel ist es bei bestimmten Systemen aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker-Vorläufer/Infiltrationsatmosphare wünschenswert, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer bei der Temperatur, in der Nähe der Temperatur oder, in bestimmten Fällen, sogar etwas oberhalb der Temperatur, bei der zumindest ein Teil das Matrixmetalls schmelzflüssig wird, verflüchtigt. Eine derartige Verflüchtigung kann führen zu: (1) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker-Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung einer gasförmigen Species, die die Berietzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform durch das Matrixmetall verstärkt; und/oder (2) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers mit der Infiltrationsatmosphäre unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird; und/oder (3) einer Reaktion des Infiltrationsverstärker- Vorläufers innerhalb des Füllstoffmaterials oder der Vorform unter Bildung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Infiltrationsverstärkers in zumindest einem Teil des Füllstoffmaterials oder der Vorform, wodurch die Benetzung verstärkt wird.
Somit ist es z.B. möglich, wenn ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer wenigstens an einem bestimmen Punkt während der spontanen Infiltration im schmelzflüssigen Matrixmetall enthalten ist oder mit ihm kombiniert wird, daß sich der Infiltrationsverstärker-Vorläufer aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall verflüchtigen und mit wenigstens dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre reagieren kann. Eine derartige Reaktion könnte zur Bildung eines Infiltrationsverstärkers führen, der ein Feststoff sein kann, wenn ein solcher Feststoff bei der Infiltrationstemperatur stabil ist, wobei der genannte Feststoff in der Lage ist, wenigstens einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform als z.B. eine Beschichtung aufgelagert zu werden. Weiterhin ist es vorstellbar, daß eine derartige feste Species als ein erkennbarer Feststoff in wenigstens einem Bereich der Vorform oder des Füllstoffmaterials vorhanden sein könnte. Wenn eine derartige feste Species gebildet wurde, kann schmelzflüssiges Matrixmetall dazu neigen, mit der festen Species zu reagieren (z.B. kann das schmelzflüssige Matrixmetall die gebildete feste Species reduzieren), so daß der Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall eine enge Verbindung eingehen kann (z.B. in diesem gelöst oder in dieses einlegiert werden kann). Dementsprechend kann dann zusätzlicher Infiltrationsverstärker-Vorläufer für eine Verflüchtigung zur Verfügung stehen und mit einer anderen Species (z.B. dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder der Infiltrationsatmosphäre) reagieren und wiederum eine ähnliche feste Species bilden. Es erscheint denkbar, daß ein kontinuierlicher Prozeß der Umwandlung von Infiltrationsverstärker-Vorläufer in Infiltrationsverstärker gefolgt von einer Reduktionsreaktion des Infiltrationsverstärker mit schmelzflüssigem Matrixmetall, wodurch sich wiedewm zusätzlicher Infiltrationsverstärker- Vorläufer bildet usw., ablaufen könnte, bis das erzielte Ergebnis aus einem spontan infiltrierten Metallmatrix-Verbundkörper besteht.
Damit die spontane Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform ablaufen kann, sollte ein Infiltrationsverstärker dem spontanen System zugesetzt werden. Ein Infiltrationsverstärker könnte aus einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer hergestellt werden, der z.B. (1) im Matrixmetall und/oder (2) im Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder (3) von der Infiltrationsatmosphäre und/oder (4) von einer äußeren Quelle dem spontanen System zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer bereitstellt, direkt entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte zumindest während der spontanen Infiltration der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, daß der Infiltrationsverstärker- Vorläufer zumindest teilweise mit der Infiltrationsatmosphäre umgesetzt werden kann, so daß der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Teil des Füllstoffs oder der Vorform vor oder im wesentlichen gleichzeitig mit dem Inkontaktbringen des Füllstoffmaterials oder der Vorform mit dem Matrixmetall gebildet werden kann (wenn z.B. Magnesium als Infiltrationsverstärker-Vorläufer und Stickstoff als Infiltrationsatmosphäre verwendet werden, dann könnte der Infiltrationsverstärker Magnesiumnitrid sein, das in zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials vorkommen würde).
Ein Beispiel für ein System aus Matrixmetall/Infiltrationsverstärker- Vorläufer/Infiltrationsatmosphäre ist das System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff. Speziell kann ein Aluminium-Matrixmetall in einem geeigneten feuerfesten Schiffchen enthalten sein, das unter den Prozeßbedingungen nicht mit dem Aluminium-Matrixmetall und/oder dem Füllstoffmaterial reagiert, wenn man das Aluminium schmilzt. Ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform kann anschließend mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht und spontan infiltriert werden.
Darüber hinaus kann ein Infiltrationsverstärker, statt daß man einen Infiltrationsverstärker- Vorläufer bereitstellt, direkt entweder der Vorform oder dem Füllstoffmaterial und/oder dem Matrixmetall und/oder der Infiltrationsatmosphäre zugesetzt werden. Letztlich sollte, zumindest während der spontanen Infiltration, der Infiltrationsverstärker in zumindest einem Bereich des Füllstoffmaterials oder der Vorform vorkommen.
Unter den Bedingungen, die im erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden, sollte im Falle eines spontanen Infiltrationssystems aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff die Vorform oder das Füllstoffmaterial in ausreichendem Maße permeabel sein, damit es dem stickstoffhaltigen Gas ermöglicht wird, an einem gewissen Punkt während des Prozesses in das Füllstoffmaterial oder die Vorform einzudringen oder sie zu durchdringen und mit dem schmelzflüssigen Matrixmetall in Kontakt zu treten. Weiterhin kann das permeable Füllstoffmaterial oder die permeable Vorform die Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls aufnehmen, wodurch die von Stickstoff durchdrungene Vorform dazu gebracht wird, spontan durch schmelzflüssiges Matrixmetall unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert zu werden, und/oder wodurch der Stickstoff dazu gebracht wird, mit einem Infiltrationsverstärker-Vorläufer unter Bildung des Infiltrationsverstärkers im Füllstoffmaterial oder in der Vorform zu reagieren, was zur spontanen Infiltration führt. Das Ausmaß oder die Geschwindigkeit der spontanen Infiltration und der Bildung des Metallmatrix-Verbundmaterials hängt von verschiedenen Parametern des Prozesses ab, wozu der Magnesiumgehalt der Aluminiumlegierung, der Magnesiumgehalt der Vorform oder des Füllstoffmaterials, die Menge des Magnesiumnitrids in der Vorform oder im Füllstoffmaterial, die Anwesenheit zusätzlicher Legierungselemente (z.B. Silicium, Eisen, Kupfer, Mangan, Chrom, Zink und dergleichen), die durchschnittliche Größe (z.B. der Teilchendurchmesser) des Füllstoffmaterials, aus der die Vorform besteht, oder des Füllstoffmaterials, die Oberflächenbeschaffenheit und der Typ des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die Stickstoffkonzentration der Infiltrationsatmosphäre, die Zeitspanne, für die man die Infiltration ablaufen läßt, und die Temperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gehören. Zum Beispiel kann, damit die Infiltration des schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls spontan erfolgt, das Aluminium mit zumindest ungefähr 1 Gewichtsprozent, und vorzugsweise mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Legierungsgewicht, Magnesium (das als der Infiltrationsverstärker-Vorläufer fungiert) legiert werden. Zusätzliche Legierungselemente können, wie oben diskutiert wurde, auch im Matrixmetall enthalten sein, um dessen spezifische Eigenschaften maßzuschneidern. Außerdem können de zusätzlichen Legierungselemente die minimale Menge an Magnesium beeinflussen, die im Matrix-Aluminiummetall benötigt wird, um eine spontane Infiltration des Füllstoffmaterials oder der Vorform zu bewirken. Ein Verlust an Magnesium aus dem spontanen System aufgrund z.B. einer Verflüchtigung sollte nicht in einem solchen Umfang erfolgen, daß kein Magnesium für die Bildung des Infiltrationsverstärkers zurückbleibt. Somit ist es wünschenswert, eine ausreichende Menge der ursprünglichen Legierungselemente zu verwenden, um sicherzustellen, daß die spontane Infiltration nicht durch eine Verflüchtigung negativ beeinflußt wird. Weiterhin kann die Anwesenheit von Magnesium in sowohl der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) als auch dem Matrixmetall oder lediglich der Vorform (oder dem Füllstoffmaterial) allein zu einer Verminderung der benötigten Magnesiummenge führen, die gebraucht wird, um die spontane Infiltration zu bewirken (wie unten genauer diskutiert werden wird).
Die Volumenprozente des Stickstoffs in der Infiltrationsatmosphäre beeinflussen ebenfalls die Bildungsgeschwindigkeiten des Metallmatrix-Verbundkörpers. Insbesondere findet eine sehr langsame oder geringe spontane Infiltration statt, wenn weniger als ungefähr 10 Volumenprozent an Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden ist. Es wurde entdeckt, daß vorzugsweise mindestens ungefähr 50 Volumenprozent Stickstoff in der Atmosphäre vorhanden sein sollten, was z.B. aufgrund einer erheblich höheren Infiltrationsgeschwindigkeit zu kürzeren Infiltrationszeiten führt. Die Infiltrationsatmosphäre (z.B. ein stickstoffhaltiges Gas) kann dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder dem Matrixmetall direkt zugeführt werden, oder sie kann als das Ergebnis eines Zerfalls eines Materials erzeugt werden.
Der Mindestgehalt an Magnesium, der erforderlich ist, damit das schmelzflüssige Matrixmetall ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform infiltriert, hängt von einer oder mehreren Variablen ab, wie z.B. der Verarbeitungstemperatur. der Zeit, der Anwesenheit weiterer Legierungselemente, wie z.B. Silicium oder Zink, der Art des Füllstoffmaterials, der Lokalisation des Magnesiums in einer oder in mehreren Komponenten des spontanen Systems, dem Stickstoffgehalt der Atmosphäre und der Geschwindigkeit, mit der die Stickstoffatmosphäre strömt. Für das Erzielen einer vollständigen Infiltration können niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhitzungszeiten verwendet werden, wenn der Magnesiumgehalt der Legierung und/oder der Vorform erhöht wird. Auch erlaubt bei einem vorgegebenen Magnesiumgehalt der Zusatz gewisser weiterer zusätzlicher Legierungselemente, wie z.B. Zink, die Anwendung niedrigerer Temperaturen. Zum Beispiel kann ein Magnesiumgehalt des Matrixmetalls am unteren Ende des brauchbaren Bereiches, z.B. von ungefähr 1 bis 3 Gewichtsprozent, zusammen mit mindestens einem der folgenden verwendet werden: einer Temperatur, die über der minimalen Verarbeitungstemperatur liegt, einer hohen Stickstoffkonzentration oder einem oder mehreren zusätzlichen Legierungselement(en). Wenn der Vorform kein Magnesium zugesetzt wird, dann werden Legierungen, die von ungefähr 3 bis 5 Gewichtsprozent Magnesium enthalten, aufgrund ihrer allgemeinen Einsetzbarkeit über einen weiten Bereich von Prozeßbedingungen bevorzugt, wobei mindestens 5 Prozent bevorzugt werden, wenn niedrigere Temperaturen und kürzere Zeiten eingesetzt werden. Magnesiumgehalte von mehr als ungefähr 10 Gewichtsprozent der Aluminiumlegierung können eingesetzt werden, um die Temperaturbedingungen, die für die Infiltration benötigt werden, zu mäßigen. Der Gehalt des Magnesiums kann vermindert werden, wenn es zusammen mit einem weiteren Legierungselement verwendet wird, aber diese Elemente haben nur eine unterstützende Funktion und werden zusammen mit mindestens der oben angegebenen Mindestmenge an Magnesium verwendet. Zum Beispiel wurde bei 1000ºC praktisch keine Infiltration von nominal reinem Aluminium, das mit lediglich 10 Prozent Silicium legiert war, in eine Einbettung aus 39-CRYSTOLON (zu 99 Prozent reines Siliciumcarbid von Norton Co.) von 25 µm (500 Mesh) beobachtet. Jedoch wurde für Silicium gefunden, daß es in Gegenwart von Magnesium den Infiltrationsprozeß fördert. Als weiteres Beispiel sei erwähnt, daß die Menge an Magnesium variiert, wenn es lediglich der Vorform oder dem Füllstoffmaterial zugesetzt wird. Es wurde entdeckt, daß die spontane Infiltration bei einem geringeren Gewichtsprozentanteil an Magnesium, das dem spontanen System zugesetzt wurde, erfolgt, wenn zumindest ein Teil der gesamten zugesetzten Magnesiummenge in die Vorform oder das Füllstoffmaterial gegeben wird. Es kann erwünscht sein, eine geringere Menge an Magnesium zu verwenden, damit die Bildung unerwünschter Zwischenmetallverbindungen im Metallmatrix-Verbundkörper verhindert wird. Für den Fall einer Vorform aus Siliciumcarbid wurde entdeckt, daß, wenn die Vorform mit einem Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird und mindestens ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält und sich in einer Atmosphäre aus im wesentlichen reinem Stickstoff befindet, das Matrixmetall die Vorform spontan infiltriert. Im Falle Einer Vorform aus Aluminiumoxid liegt die Menge an Magnesium, die erforderlich ist, eine akzeptable spontane Infiltration zu erreichen, etwas höher. Insbesondere wurde gefunden, daß, wenn eine Vorform aus Aluminiumoxid mit einem ähnlichen Aluminium-Matrixmetall in Kontakt gebracht wird, und zwar bei etwa der gleichen Temperatur wie beim Aluminium, das die Vorform aus Siliciumcarbid infiltrierte, und in Gegenwart der gleichen Stickstoffatmosphäre, mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium erforderlich sein können, um eine ähnliche spontane Infiltration wie diejenige zu erreichen, die mit der eben diskutierten Vorform aus Siliciumcarbid erreicht wurde.
Es wird außerdem angemerkt, daß es möglich ist, dem spontanen System einen Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder einen Infiltrationsverstärker auf einer Oberfläche der Legierung und/oder einer Oberfläche der Vorform oder des Füllstoffmaterials und/oder in der Vorform oder dem Füllstoffmaterial vor der Infiltration des Matrixmetalls in das Füllstoffmaterial oder die Vorform zuzugeben (d.h., es braucht nicht erforderlich sein, daß der zugesetzte Infiltrationsverstärker oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer mit dem Matrixmetall legiert ist, sondern sie können einfach dem spontanen System zugesetzt werden.) Wenn z.B. im System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff das Magnesium auf eine Oberfläche des Matrixmetalls aufgetragen würde, dann kann es bevorzugt sein, daß die Oberfläche diejenige Oberfläche ist, die der permeablen Masse aus Füllstoffmaterial am nächsten ist oder vorzugsweise in Kontakt mit ihr steht oder umgekehrt; oder dieses Magnesium könnte mit zumindest einem Teil der Vorform oder des Füllstoffmaterials vermischt werden. Weiterhin ist es möglich, daß eine gewisse Kombination aus dem Auftragen auf die Oberfläche, dem Einlegieren und/oder Einbringen des Magnesiums in zumindest einen Teil der Vorform verwendet werden könnte. Eine derartige Kombination des Auftragens des bzw. der Infiltrationsverstärker(s) und/oder Infiltrationsverstärker-Vorläufer(s) könnte zu einer Erniedrigung des Gesamtanteils des Magnesiums, der benötigt wird, um die Infiltration des Matrix-Aluminiummetalls in die Vorform zu bewirken, führen, und auch dazu, niedrigere Temperaturen zu erreichen, bei denen die Infiltration erfolgen kann. Außerdem könnte auch die Menge der gebildeten unerwünschten Zwischenmetallverbindungen minimiert werden.
Die Verwendung von einem oder von mehreren zusätzlichen Legierungselement(en) und die Konzentration des Stickstoffs im umgebenden Gas beeinflussen ebenfälls das Ausmaß der Nitridierung des metallischen Bestandteils oder zumindest einer metallischen Komponente des metallischen Bestandteils bei einer gegebenen Temperatur. Zum Beispiel können zusätzliche Legierungselemente, wie z.B. Zink oder Eisen, die im metallischen Bestandteil enthalten sind und/oder auf eine Oberfläche des Verbundkörpers aufgebracht werden, verwendet werden, um die Infiltrationstemperatur und dadurch das Ausmaß der Nitridbildung zu erniedrigen, während eine Erhöhung der Stickstoffkonzentration im Gas dazu verwendet werden kann, die Nitridbildung zu fördern.
Die Konzentration des Magnesiums, das in der Legierung enthalten ist und/oder auf eine Oberfläche der Legierung aufgebracht wurde und/oder mit dem Material des Füllstoffs oder der Vorform kombiniert wurde, beeinflußt ebenfalls oft das Ausmaß der Infiltration bei einer gegebenen Temperatur. Demnach kann es in einigen Fällen, in denen wenig oder kein Magnesium mit der Vorform oder dem Füllstoffmaterial direkt in Kontakt steht, bevorzugt sein, daß mindestens ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium in der Legierung enthalten sind. Legierungsgehalte, die unter dieser Menge liegen, wie z.B. ein Gewichtsprozent Magnesium, können höhere Prozeßtemperaturen oder ein zusätzliches Legierungselement für die Infiltration erforderlich machen. Die Temperatur, die benötigt wird, um den Prozeß der spontanen Infiltration dieser Erfindung zu bewirken, kann niedriger sein (1) wenn der Magnesiumgehalt der Legierung allein erhöht wird, z.B. auf mindestens ungefähr 5 Gewichtsprozent; und/oder (2) wenn Legierungsbestandteile mit der permeablen Masse des Füllstoffmaterials oder der Vorform vermischt werden; und/oder (3) wenn ein weiteres Element, wie z.B. Zink oder Eisen, in der Aluminiumlegierung vorhanden ist. Die Temperatur kann auch in Abhängigkeit vom Füllstoffmaterial variieren. Im allgemeinen erfolgt im System aus Aluminium/Magnesium/Stickstoff eine spontane und fortschreitende Infiltration bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 675ºC, und vorzugsweise bei einer Prozeßtemperatur von mindestens ungefähr 750ºC - 800ºC. Temperaturen, die generell über 1200ºC liegen, scheinen den Prozeß nicht vorteilhaft zu beeinflussen, und es hat sich gezeigt, daß ein besonders nützlicher Temperaturbereich von ungefähr 675ºC bis ungefähr 1000ºC reicht. Als allgemeine Regel gilt jedoch, daß die Temperatur der spontanen Infiltration eine Temperatur ist, die über dem Schmelzpunkt des Matrixmetalls, aber unter der Temperatur, die für die Verflüchtigung des Matrixmetalls erforderlich ist, liegt. Weiterhin sollte die Temperatur der spontanen Infiltration unter dem Schmelzpunkt des Füllstoffmaterials liegen. Weiterhin steigt, wenn die Temperatur steigt, die Tendenz zur Bildung eines Reaktionsprodukts zwischen dem Matrixmetall und der Infiltrationsatmosphäre (z.B. kann es im Falle eines Aluminium-Matrixmetalls und einer Infiltrationsatmosphäre aus Stickstoff zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen). Ein derartiges Reaktionsprodukt kann entweder erwünscht oder unerwünscht sein, was von der vorgesehenen Anwendung des Metallmatrix-Verbundkörpers abhängt. Außerdem wird typischerweise das Erhitzen in einem elektrischen Widerstandsofen verwendet, um die Infiltrationstemperaturen zu erreichen. Jedoch kann jedes beliebige Heizverfahren in der Erfindung eingesetzt werden, das das Matrixmetall zum Schmelzen bringen kann und die spontane Infiltration nicht negativ beeinflußt
Beim vorliegenden Verfahren kommt z.B. ein permeables Füllstoffmaterial oder eine permeable Vorform in Kontakt mit schmelzflüssigem Aluminium in Gegenwart eines, zumindest während eines bestimmten Prozeßabschnittes, stickstoffhaltigen Gases. Das stickstoffhaltige Gas kann durch Aufrechterhalten eines konstanten Gasflusses in Kontakt mit mindestens entweder dem Füllstoffmaterial oder der Vorform und/oder mit schmelzflüssigem Aluminium-Matrixmetall bereitgestellt werden. Obwohl die Strömungsgeschwindigkeit des stickstoffhaltigen Gases nicht kritisch ist, wird es bevorzugt, daß die Strömungsgeschwindigkeit ausreichend ist, einen möglichen Stickstoffverlust aus der Atmosphäre aufgrund der Nitridbildung in der Legierungsmatrix auszugleichen und auch den Einbruch von Luft zu verhindern oder zu hemmen, die eine oxidierende Wirkung auf das schmelzflüssige Metall ausüben kann.
Das Verfahren zur Herstellung eines Metallmatrix-Verbundkörpers ist auf eine große Vielzahl von Füllstoffmaterialien anwendbar, und die Auswahl der Füllstoffmaterialien hängt von solchen Faktoren wie der Matrixlegierung, den Prozeßbedingungen, der Reaktivität der schmelzflüssigen Matrixlegierung mit dem Füllstoffmaterial und den Eigenschaften, die für das letztendliche Verbundprodukt angestrebt werden, ab. Wenn z.B. Aluminium das Matrixmetall ist, dann gehören zu geeigneten Füllstoffmaterialien a) Oxide, z.B. Aluminiumoxid; Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid etc.; b) Carbide, z.B. Siliciumcarbid; c) Boride, z.B. Aluminiumdodecaborid, Titandiborid, und d) Nitride, z.B. Aluminiumnitrid, und e) Mischungen von diesen. Wenn das Füllstoffmaterial dazu neigt, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall zu reagieren, dann kann das durch Minimieren der Infiltrationszeit und der Temperatur oder durch Bereitstellen einer nicht-reaktiven Beschichtung auf dem Füllstoff berücksichtigt werden. Das Füllstoffmaterial kann ein Trägermaterial, wie z.B. Kohlenstoff oder ein anderes nicht-keramisches Material, das eine keramische Beschichtung aufweist, um das Trägermaterial vor dem Angriff oder einem Abbau zu schützen, aufweisen. Zu geeigneten keramischen Beschichtungen gehören Oxide, Carbide, Boride und Nitride. Zu Keramikmaterialien, die für eine Verwendung im vorliegenden Verfahren bevorzugt werden, gehören Aluminiumoxid und Siliciumcarbid in Form von Teilchen, Plättchen, Whiskern und Fasern. Die Fasern können unzusammenhängend (in gehackter Form) oder in Form von kontinuierlichen Filamenten vorliegen, wie z.B. als Werg aus vielen Filamenten. Weiterhin kann das Füllstoffmaterial oder die Vorform entweder homogen oder heterogen sein.
Es wurde auch entdeckt, daß bestimmte Füllstoffmaterialien im Vergleich zu Füllstoffmaterialien mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung ein verbessertes Infiltrationsverhalten zeigen. Zum Beispiel weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid, die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das im US-Patent Nr. 4 713 360 mit dem Titel "Novel Ceramic Materials and Methods For Making Same", das am 15. Dezember 1987 unter dem Namen Marc S. Newkirk et al. veröffentlicht wurde, offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Weiterhin weisen zerkleinerte Körper aus Aluminiumoxid die nach dem Verfahren hergestellt wurden, das im US- Patent Nr. 4 851 375 desselben Anmelders wie der vorliegenden Erfindung, das am 25. Juli 1989 unter dem Namen Marc S. Newkirk et al. veröffentlicht wurde und den Titel "Methods of Making Composite Ceramic Artides Having Embedded Filler" trägt, offengelegt wurde, im Vergleich zu im Handel erhältlichen Produkten aus Aluminiumoxid ebenfalls erwünschtere Infiltrationseigenschaften auf. Der Inhalt aller dieser veröffentlichten Patente ist hier ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen. Somit wurde entdeckt, daß eine komplette Infiltration einer permeablen Masse aus einem keramischen Material bei niedrigeren Infiltrationstemperaturen und/oder bei kürzeren Infiltrationszeiten erfolgen kann, wenn ein zerkleinertes oder zermahlenes Material, das durch die Verfahren der vorher erwähnten US- Patente hergestellt wurde, verwendet wird.
Die Größe, die Form, die Chemie und die Volumenprozente des Füllstoffmaterials (oder der Vorform) können beliebig sein und so gewählt werden, daß die Eigenschaften, die für das Verbundmaterial angestrebt werden, erzielt werden. So kann das Füllstoffmaterial in Form von Teilchen, Whiskern, Plättchen oder Fasern vorliegen, da die Infiltration nicht durch die Form des Füllstoffmaterials begrenzt wird. Andere Formen, wie Kugeln, Röhrchen, Pellets, Feuerfestfasergewebe und dergleichen, können ebenfalls verwendet werden. Weiterhin begrenzt die Größe des Materials nicht die Infiltration, obwohl im Vergleich zu größeren Teilchen eine höhere Temperatur oder ein längerer Zeitraum erforderlich sein kann, um die Infiltration einer Masse aus kleineren Teilchen zu vollenden und umgekehrt, in Abhängigkeit von den jeweiligen Reaktionsbedingungen. Durchschnittliche Teilchendurchmesser von einem µm oder weniger bis ungefähr 1100 µm oder mehr können erfolgreich in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wobei ein Bereich von ungefähr 2 µm bis ungefähr 1000 µm für die überwiegende Mehrheit der kommerziellen Anwendungen bevorzugt wird. Weiterhin sollte die Masse des Füllstoffmaterials (oder der Vorform), die infiltriert werden soll, permeabel sein (d.h. zumindest etwas zusammenhängende Porosität enthalten, um sie für das schmelzflüssige Matrixmetall und/oder die Infiltrationsatmosphäre permeabel zu machen.) Weiterhin können durch Kontrollieren der Größe (z.B. des Teilchendurchmessers) und/oder der Geometrie und/oder der Zusammensetzung des Füllstoffmaterials oder des Materials, das die Vorform ausmacht, die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers so gesteuert oder konstruiert werden, daß eine beliebige Zahl industrieller Bedürfnisse befriedigt wird. Zum Beispiel kann die Verschleißfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers durch Erhöhung der Größe des Füllstoffmaterials erhöht werden (z.B. durch Erhöhung des durchschnittlichen Durchmessers der Teilchen des Füllstoffmaterials), vorausgesetzt, daß das Füllstoffmaterial eine höhere Verschleißfestigkeit als das Matrixmetall aufweist. Jedoch kann bzw. können die Stabilität und/oder die Zähigkeit dazu neigen, mit abnehmender Füllstoffgröße anzusteigen. Weiterhin kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Metallmatrix-Verbundkörpers mit ansteigender Beladung an Füllstoff abnehmen, vorausgesetzt daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Füllstoffs kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Matrixmetalls ist. Und weiterhin können die mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften (z.B. die Dichte, der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Elastizitätsmodul und/oder der spezifische Modul, die Stabilität und/oder die spezifische Stabilität etc.) des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers in Abhängigkeit von der Beladung mit Füllstoffmaterial in der lockeren Masse oder in der Vorform maßgeschneidert werden. Zum Beispiel kann durch Bereitstellen einer lockeren Masse oder einer Vorform, die eine Mischung aus Füllstoffteilchen unterschiedlicher Größen und/oder Formen umfaßt, wobei die Dichte des Füllstoffs größer als diejerige des Matrixmetalls ist, aufgrund einer verbesserten Packung der Füllstoffmaterialien eine höhere Beladung mit Füllstoff erzielt werden, was zu einem Metallmatrix-Verbundkörper mit erhöhter Dichte führt. Durch Anwenden der Ausführungen der vorliegenden Erfindung können die Volumenprozente des Füllstoffmaterials oder der Vorform, die infiltriert werden können, über einen weiten Bereich variieren. Die niedrigeren Volumenprozente an Füllstoff, die infiltriert werden können, sind in erster Linie durch die Fähigkeit zur Ausbildung eines porösen Füllstoffmaterials oder einer porösen Vorform limitiert (z.B. auf ungefähr 10 Volumenprozent); dagegen sind die höheren Volumenprozente an Füllstoff oder der Vorform, die infiltriert werden können, in erster Linie durch die Fähigkeit zur Ausbildung eines dichten Füllstoffmaterials oder einer dichten Vorform mit wenigstens etwas zusammenhängender Porosität limitiert (z.B. auf ungefähr 95 Volumenprozent). Demgemäß kann durch Praktizieren beliebiger der obigen Ausführungen, allein oder in Kombination, ein Metallmatrix-Verbundkörper so konstruiert werden, daß er eine gewünschte Kombination an Eigenschaften aufweist.
Das Verfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern gemäß der vorliegenden Erfindung, das nicht von der Anwendung von Druck, um das schmelzflüssige Matrixmetall in eine Vorform oder eine Masse aus Füllstoffmaterial zu zwingen oder zu pressen, abhängig ist, ermöglicht die Herstellung von im wesentlichen gleichmäßigen Metallmatrix-Verbundkörpern, die einen hohen Volumenanteil an Füllstoffmaterial und eine geringe Porosität aufweisen. Es können höhere Volumenanteile an Füllstoffmaterial erzielt werden, wenn ein Füllstoffmaterial geringerer anfänglicher Porosität verwendet wird. Höhere Volumenanteile können auch erzielt werden, wenn die Füllstoffmasse kompaktiert oder sonstwie verdichtet wird, vorausgesetzt, daß die Masse nicht in einen Festkörper mit der Porosität der geschlossenen Zelle oder in eine völlig dichte Struktur überführt wird, die die Infiltration durch die schmelzflüssige Legierung verhindern würde. Im einzelnen können Volumenanteile im Bereich von ungefähr 60 bis 80 Volumenprozent durch Verfahren wie Schwingungsverdichtung, Kontrollieren der Größenverteilung der Teilchen. etc. erzielt werden. Jedoch können auch andere Techniken verwendet werden, um noch höhere Volumenanteile des Füllstoffs zu erzielen. Volumenanteile des Füllstoffs im Bereich von 40 bis 50 Prozent werden für das Wärmeformen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Bei derartigen Volumenanteilen behält der infiltrierte Verbundkörper seine Form vollständig oder im wesentlichen bei, wodurch eine Weiterverarbeitung erleichtert wird. Höhere oder niedrigere Teilchenbeladungen oder Volumenanteile könnten jedoch ebenfalls verwendet werden, in Abhängigkeit von der gewünschten letztendlichen Teilchenbeladung nach dem Wärmeformen. Weiterhin können Verfahren zur Verminderung der Teilchenbeladungen in Verbindung mit den Wärmeformprozessen der vorliegenden Erfindung zur Erzielung niedrigerer Teilchenbeladungen eingesetzt werden
Es wurde beobachtet, daß für die Infiltration durch das Aluminium und die Bildung einer Matrix um einen keramischen Füllstoff das Benetzen des keramischen Füllstoffs durch das Aluminium-Matrixmetall einen wichtigen Teil des Infiltrationsmechanismus darstellen kann. Außerdem kann das Benetzen des Füllstoffs durch das schmelzflüssige Matrixmetall eine gleichmäßige Verteilung des Füllstoffs im gesamten gebildeten Metallmatrix-Verbundkörper ermöglichen und die Bindung des Füllstoffs an das Matrixmetall verbessern. Zudem erfolgt bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen in einem vernachlässigbaren oder minimalen Ausmaß eine Nitridierung des Metalls, was zu einer minimalen diskontinuierlichen Phase aus Aluminiumnitrid, das in der Metallmatrix verteilt ist, führt. Jedoch ist es, wenn das obere Ende des Temperaturbereichs erreicht wird, wahrscheinlicher, daß eine Nitridierung des Metalls geschieht. Somit kann die Menge der Nitridphase in der Metallmatrix durch Variieren der Prozeßtemperatur, bei der die Infiltration erfolgt, gesteuert werden. Die jeweilige Prozeßtemperatur, bei der sich die Nitridbildung stärker ausprägt, hängt auch von solchen Faktoren wie der verwendeten Matrixaluminiumlegierung und ihrer Menge im Vergleich zum Volumen des Füllstoff oder der Vorform, dem Füllstoffmaterial, das infiltriert werden soll, und der Stickstoffkonzentration in der Infiltrationsatmosphäre ab. Es wird z.B. angenommen, daß das Ausmaß der Bildung von Aluminiumnitrid bei einer vorgegebenen Prozeßtemperatur ansteigt, wenn die Fähigkeit der Legierung zur Benetzung des Füllstoffs abnimmt und die Stickstoffkonzentration in der Atmosphäre ansteigt.
Es ist demnach möglich, die Zusammensetzung der Metallmatrix während der Bildung des Verbundmaterials maßzuschneidern, um dem resultierenden Produkt bestimmte gewünschte Eigenschaften zu verleihen. Für ein vorgegebenes System können die Prozeßbedingungen so gewählt werden, daß die Nitridbildung gesteuert wird. Ein Verbundprodukt, das eine Aluminiumnitridphase enthält, weist bestimmte Eigenschaften auf, die für das Produkt vorteilhaft sein können oder die die Leistungsfähigkeit des Produktes verbessern. Weiterhin kann der Temperaturbereich für die spontane Infiltration durch eine Aluminiumlegierung in Abhängigkeit vom Keramikmaterial, das verwendet wird, variieren. Im Falle der Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoffmaterial sollte die Temperatur für die Infiltration ungefähr 1000ºC vorzugsweise nicht übersteigen, wenn es gewünscht wird, daß die Duktilität der Matrix durch die erhebliche Nitridbildung nicht verringert wird. Es können jedoch Temperaturen verwendet werden, die 1000ºC überschreiten, wenn es gewünscht wird, einen Verbundkörper mit einer weniger biegsamen und steiferen Matrix herzustellen. Für die Infiltration von Siliciumcarbid können höhere Temperaturen von ungefähr 1200ºC verwendet werden, da die Aluminiumlegierung im Vergleich zur Verwendung von Aluminiumoxid als Füllstoff in einem geringeren Ausmaß nitridiert wird, wenn Siliciumcarbid als Füllstoffmaterial verwendet wird.
Weiterhin können die Beschaffenheit des Matrixmetalls im Metallmatrix-Verbundkörper sowie Defekte, z.B. Porosität, durch Steuern der Abkühlgeschwindigkeit des Metallmatrix- Verbundkörpers modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Metallmatrix-Verbundkörper durch eine beliebige Zahl von Techniken gerichtet verfestigt werden, zu den gehören: das Anordnen des Behälters, der den Metallmatrix-Verbundkörper enthält, auf einer Kühlplatte; und/oder das selektive Anordnen isolierender Materialien um den Behälter herum und/oder das Anordnen von "Hot-Topping"-Materialien in Kontakt mit dem Behälter. Ferner kann die Zusammensetzung der Metallmatrix nach der Bildung des Metallmatrix-Verbundkörpers modifiziert werden. Zum Beispiel kann dadurch, daß der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper einer Wärmebehandlung unterzogen wird, die Zugfestigkeit des Metallmatrix-Verbundkörpers verbessert werden (der Standardtest für die Zugfestigkeit ist in der ASTM-D3552-77 festgehalten, die 1982 bestätigt wurde).
Zum Beispiel kann eine wünschenswerte Wärmebehandlung eines Metallmatrix- Verbundkörpers, der eine 520.0-Aluminiumlegierung als Matrixmetall enthält, ein Erhitzen des Metallmatrix-Verbundkörpers auf eine erhöhte Temperatur, z.B. auf ungefähr 430ºC, die über einen längeren Zeitraum (z.B. 18-20 Stunden) aufrechterhalten wird, umfassen. Der Metallmatrix- Verbundkörper kann dann in kochendem Wasser von ungefähr 100ºC ungefähr 20 Sekunden lang abgeschreckt werden (d.h. es handelt sich um eine T-4-Wärmebehandlung), was die Fähigkeit des Verbundkörpers, Zugspannungen zu widerstehen, tempern oder verbessern kann.
Darüber hinaus ist es möglich, ein Reservoir aus Matrixmetall zu verwenden, um die vollständige Infiltration des Füllstoffmaterials sicherzustellen und/oder ein zweites Metall bereitzustellen, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Insbesondere kann es in bestimmten Fällen erwünscht sein, ein Matrixmetall im Reservoir zu verwenden, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet. Wenn z.B. eine Aluminiumlegierung als die erste Quelle an Matrixmetall verwendet wird, dann kann praktisch jedes andere Metall oder jede andere Metallegierung, das bzw. die bei der Verarbeitungstemperatur schmelzflüssig vorliegt, als das Reservoirmetall verwendet werden. Schmelzflüssige Metalle sind häufig sehr leicht miteinander mischbar, was dazu führen würde, daß sich das Matrixmetall des Reservoirs mit der ersten Quelle an Matrixmetall vermischt, solange eine angemessene Zeit zur Verfügung steht, während der die Vermischung erfolgen kann. Somit ist es durch Verwendung eines Reservoirmetalls, das sich in seiner Zusammensetzung von der ersten Quelle an Matrixmetall unterscheidet, möglich, die Eigenschaften der Metallmatrix maßzuschneidern, um verschiedene Anforderungen an die Verwendung zu erfüllen und somit die Eigenschaften des Metallmatrix-Verbundkörpers maßzuschneidern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch eine reaktive Sperrschichteinrichtung in Kombination mit der spontanen Infiltration von schmelzflüssigem Matrixmetall in ein Füllstoffmaterial oder eine Vorform eingesetzt.
Es gibt viele verschiedene Typen von Materialien, die nützlich als Sperrschichteinrichtungen für den Prozeß der spontanen Infiltration sind. Ganz allgemein fallen diese Materialien in zwei große Kategorien, nämlich reaktive Sperren und physikalische Sperren. Eine reaktive Sperre ist ein Material, das mit wenigstens einer Komponente aus der Gruppe reagiert, die aus dem schmelzflüssigen Matrixmetall, dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer, dem Füllstoffmaterial und der Infiltrationsatmosphäre besteht, so daß eine Substanz entweder für das System der spontanen Infiltration bereitgestellt oder aus diesem entfernt wird, was dazu führt, daß die Wanderung, die Bewegung oder dergleichen der schmelzflüssigen Matrixlegierung über die festgelegte Oberflächengrenze des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus beeinflußt, gehemmt, verhindert oder gestoppt wird. Zum Beispiel kann eine reaktive Sperre mit einem schmelzflüssigen Matrixmetall unter Bildung einer Verbindung reagieren, die als eine Sperre gegen die weitere Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls fungiert. Alternativ kann eine reaktive Sperre lokal wenigstens eine Komponente aus der Gruppe verbrauchen oder modifizieren, die aus dem Infiltrationsverstärker, dem Infiltrationsverstärker- Vorläufer oder der Infiltrationsatmosphäre besteht, und zwar auf eine solche Weise, daß die weitere Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls in den betroffenen Bereich verhindert wird. Reaktive Sperren für die Verwendung mit einem Matrixinetall aus einer Aluminiumlegierung und einer Stickstoffatmosphäre werden aus der Gruppe ausgewählt, die aus CaCO&sub3;, AlPO&sub4;, kolloidalem SiO&sub2;, CaSO&sub4;, glasförmigem Boroxid und Borsilikatglas besteht.
Physikalische Sperren können als diejenigen Spetten definiert werden, die keine reaktiven Sperren sind. Zu physikalischen Sperren gehören diejenigen Materialien, die wirkungsvolle Sperren darstellen und reaktive Sperren sein könnten, aber die nicht als reaktive Sperren wirken, da die Kinetik der Reaktion zwischen dem Material und dem schmelzflüssigen Matrixmetall und/oder dem Infiltrationsverstärker und/oder dem Infiltrationsverstärker-Vorläufer und/oder dem Füllstoffmaterial und/oder der Infiltrationsatmosphäre zu langsam ist, als daß es dem Material möglich wäre, effizient als reaktive Sperre zu wirken. Weiterhin gehören zu physikalischen Sperren auch diejenigen Materialien, die einfach mit keiner der Komponenten des Systems der spontanen Infiltration reagieren, oder die durch das Matrixmetall nicht benetzbar sind. Beispiele für physikalische Sperren für eine Aluminium-Matrixmetall-Legierung mit einer Stickstoffatmosphäre sind kolloidaler Graphit und bestimmte nicht-reaktive, glasbildende Materialien. Die glasbildenden Materialien können mit einem teilchenförmigen Material vermischt werden, und sie sind manchmal sogar als physikalische Sperren wirksam, wenn sie mit einem teilchenförmigen Material vermischt werden, das normalerweise nicht als ein Sperrmaterial fungieren würde.
Bestimmte Materialtypen können teilweise als reaktive Sperre und teilweise als physikalische Sperre wirken. In diesen Situationen würde das Material als eine physikalische Sperre oder als eine reaktive Sperre klassifiziert werden, in Abhängigkeit davon, welcher Aspekt effizienter eine Verhindewng der Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls über die gewünschten Oberflächengrenzen eine Masse aus Füllstoffmaterial oder einer Vorform hinaus bewirken würde. Ein Beispiel für ein Material, das sowohl als physikalische Sperre als auch als reaktive Sperre wirken kann, ist sehr feines, teilchenförmiges Aluminiumoxid. Zum Beispiel wird für Grade-A-17-Aluminiumoxid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von ungefähr 3,5 µm (hergestellt von Alcoa Industrial Products, Bauxite, AR) angenommen, daß es sowohl als reaktive Sperre als auch als physikalische Sperre wirkt. Jedoch wird auch angenommen, daß derartiges feines Aluminiumoxid mehr als reaktive Sperre als als physikalische Sperre fungiert. Deshalb würde das feine Aluminiumoxid als reaktive Sperre klassifiziert.
Eine weitere Diskussion von Sperren, einschließlich der Diskussion verschiedener spezifischer Typen von Sperrschichtmaterialien, erfolgt in den folgenden Abschnitten.
Zu geeigneten Sperrschichtelementen gehören Materialien, die im wesentlichen durch die wandernde schmelzflüssige Matrixlegierung unter den eingesetzten Prozeßbedingungen nicht benetzbar sind. Eine Sperre dieses Typs scheint wenig oder keine Affinität für die schmelzflüssige Matrixlegierung aufzuweisen, und die Bewegung über die festgelegte Oberflächenbegrenzung des Füllstoffmaterials oder der Vorform hinaus wird durch das Sperrschichtelement verhindert oder gehemmt. Die Sperre vermindert ein mögliches abschließendes maschinelles Bearbeiten oder ein Schleifen, das für das Metallmatrix-Verbundkörperprodukt erforderlich sein kann. Wie oben festgestellt wurde, sollte die Sperre vorzugsweise permeabel oder porös sein, oder sie sollte durch Anstechen permeabel gemacht werden, um es dem Gas zu ermöglichen, mit der schmelzflüssigen Matrixlegierung in Kontakt zu treten.
Zu Beispielen für reaktive Sperrmaterialien, die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlich sind, gehören calciumhaltige Verbindungen, wie Calciumsulfat oder Calciumsulfid, entweder allein oder in Kombination mit anderen Materialien wie Graphit oder kolloidalem Siliciumoxid. Weiterhin haben sich bestimmte borhaltige Verbindungen ebenfalls als nützliche Sperrmaterialien erwiesen, besonders mit Aluminiumlegierungen.
Das reaktive Sperrschichtelement kann auf jede geeignete Weise aufgetragen werden, wie z.B. durch Bedecken der festgelegten Oberflächengrenze mit einer Schicht des Sperrschichtelements oder durch Umhüllen eines Füllstoffmaterials oder einer Vorform mit einer Sperrstruktur. Eine derartige Schicht aus einem Sperrschichtelement kann durch Aufmalen, Eintauchen, Siebdrucken, Verdampfen oder ein sonstiges Verfahren zum Auftragen des Sperrschichtelements in flüssiger, breiiger oder pastöser Form aufgetragen werden, oder durch Aufdampfen eines verdampfbaren Sperrschichtelements, oder einfach durch Ablagern einer Schicht eines festen teilchenförmigen Sperrschichtelements, oder durch Auftragen eines festen dünnen Überzugs oder Films aus dem Sperrschichtelement auf die festgelegte Oberflächengrenze. Wenn das Sperrschichtelement aufgetragen ist, hört die spontane Infiltration im wesentlichen auf, wenn das infiltrierende Matrixmetall die festgelegte Oberflächengrenze erreicht und mit dem Sperrschichtelement in Kontakt tritt.
Die unmittelbar folgenden Beispiele enthalten verschiedene Veranschaulichungen der vorliegenden Erfindung. Jedoch sollten diese Beispiele nur als illustrativ verstanden werden, und sie sollten nicht so ausgelegt werden, daß sie den Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, einschränken sollen.

Beispiel 1

Dieses Beispiel veranschaulicht die Verwendung eines Genauguß-Mantels als reaktive Sperre zur Festlegung der äußeren Oberflächen eines Metallmatrix-Verbundkörpers.
Es wurde ein Flansch 50, wie er in der Figur 2a dargestellt ist, der ungefähr 3 in (76 mm) im Durchmesser maß und ungefähr 2 in (51 mm) hoch war, mit einem Trockenschmiermittel 52 aus einem Grade-MS-122-Fluorkohlenwasserstoff-freisetztenden Agens (Miller-Stephenson Company Inc., Danbury, CT) spritzbeschichtet. Eine Grade-GI-1000-Gummiformmasse 54 (Plastic Tooling Supply Company, Exton, PA) wurde so um den spritzbeschichteten Flansch herum gegossen, daß ein Gummiformkörper 54 gebildet wurde, der die Form der Außenseite des Flanschs 50 umgekehrt wiederholte. Nach ungefähr 12stündigem Trocknen der Gummiformmasse 54 an Luft wurde der spritzbeschichtete Flansch 50, 52 von der Form 54 getrennt. Dann wurde ein genaues Wachsmodell 56 des ursprünglichen Flanschs 50 durch Gießen von schmelzflüssigem Grade-5550-K.GRN.FLK.-Wachs (Yates Manufacturing Company, Chicago, IL) bei einer Temperatur von ungefähr 110ºC in den Hohlraum 60 der Gummiform, der nach dem Entfernen des Flanschs 50 zurückgeblieben war, hergestellt, wie in der Figur 2b dargestellt ist. Dann ließ man das Wachs 58 sich auf im wesentlichen Raumtemperatur abkühlen. Vor der Verfestigung wurde jedoch ein Formkörper 62 in das Wachs 58 eingebracht, und anschließende erstarrte das Wachs 58 um den Formkörper 62 herum, wodurch er an Ort und Stelle fixiert wurde. Nachdem sich das Wachs 58 auf im wesentlichen Raumtemperatur abgekühlt hatte, wurden das Wachsmodell 56 und der Formkörper 62 als eine Einheit von der Gummiform 54 getrennt.
Ein Genauguß-Mantel 64 wurde dann auf der Oberfläche des Wachsmodells 56, wie in der Figur 2c dargestellt ist, aufgebaut. Im einzelnen wurde das Wachsmodells 56 in einen Schlicker 66 oder eine Aufschlämmung eingetaucht, der bzw. die ungefähr 67 Gewichtsprozent reines Calciumcarbonat (Standard Ceramic Supply Company, eine Abteilung der Chem-Clay Corp., Pittsburgh, PA), ungefähr 16,5 Gewichtsprozent kolloidales, 40prozentiges Siliciumoxid NYACOL -2040 (Nyacol Products Inc., eine Schwestergesellschaft der PQ-Corporation, Ashland, MA) und ungefähr 16,5 Gewichtsprozent Wasser umfaßte. Das mit dem Schlicker beschichtete Wachsmodell 55, 66 wurde dann mit trockenem 37-CRYSTOLON -Siliciumcarbid 68 von 90 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 216 µm) (Norton Co., Worcester, MA) eingestaubt oder stukkatiert. Das Wachsmodell 56 und der sich entwickelnde Genauguß-Mantel 66, 68 wurden dann ungefähr ½ Stunde lang bei ungefähr Raumtemperatur an Luft getrocknet. Diese Abfolge aus Eintauchen-Einstäuben-Trocknen wurde dann wiederholt. Das beschichtete Wachsmodell wurde dann in eine Aufschlämmung 70 eingetaucht, die ungefähr 67 Gewichtsprozent 37-CRYSTOLON -Siliciumcarbid von 500 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 17 µm) (Norton Co), ungefähr 16,5 Gewichtsprozent kolloidales, 40prozentiges Siliciumoxid NYACOL -2040 und ungefähr 16,5 Gewichtsprozent Wasser umfaßte. Das beschichtete Wachsmodell wurde dann mit 37-CRYSTOLON -Siliciumcarbid 72 von 24 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 1035 µm) (Norton Co.) stukkatiert, und anschließend wurde es wieder ungefähr ½ Stunde lang an Luft bei ungefähr Raumtemperatur getrocknet. Diese zweite Folge aus Eintauchen-Stukkatieren-Eintauchen wurde dann weitere dreimal wiederholt, um die Abfolge der Beschichtungen zu erzeugen, die in der Figur 2d dargestellt ist. Das beschichtete Wachsmodell 56, 64 wurde dann in einem gasbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre ungefähr 10 Minuten lang bei einer Temperatur von ungefähr 700ºC gebrannt, um das Wachsmodell 56 vom Genauguß-Mantel 64 zu entfernen. Der Genauguß-Mantel 64 wurde dann von dem ungefähr 700ºC heißen, gasbeheizten Ofen ungefähr 2 bis 3 Stunden lang in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre von ungefähr 750ºC gegeben, um das chemisch gebundene Wasser auszutreiben und den Mantel 64 zu entgasen und zu verfestigen. Nach diesem zweiten Brennen wurde der Genauguß-Mantel 64 aus dem ungefähr 750ºC heißen Ofen entnommen und zum Abkühlen auf eine feuerfeste Platte von ungefähr Raumtemperatur gesetzt.
E67-ALUNDUM -Aluminiumoxidpulver von 1000 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 5 µm) (Norton Company) wurde ungefähr 5 Stunden lang bei ungefähr 150ºC in einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Es wurde ein AESAR -Magnesiumpulver (oben beschrieben) von -325 Mesh (durchschnittlicher Teilchendurchmesser kleiner als 45 µm) dem Aluminiumoxidpulver zur Erzeugung einer Mischung 74 zugesetzt, die ungefähr 10 Gewichtsprozent Magnesium umfaßte. Ungefähr 160 Gramm der Mischung 74 wurden in ein trockenes Gefäß aus Aluminiumoxid von ungefähr 1,1 Liter gegeben, das ungefähr 325 Gramm an trockenen BURUNDUM -Steinen aus Aluminiumoxid von ungefähr ½ in (13 mm) Durchmesser (U.S. Stoneware, Mahwah, NJ) enthielt, und ungefähr zwei Stunden lang gemahlen. Die gemahlene Mischung 74 wurde dem Gefäß aus Aluminiumoxid entnommen und ein zweites Mal wenigstens ungefähr 4 Stunden lang bei ungefähr 150ºC unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Die gemahlene und getrocknete Mischung 74 wurde in den Genauguß-Mantel 64 gegossen, der dann auf einen Vibrationstisch gesetzt und ungefähr 30 Sekunden lang vibriert wurde. Der Genauguß-Mantel 64 wurde während des Vibrierens leicht per Hand aufgestoßen, um mögliche Hohlräume in der Mischung 74 zusammenbrechen zu lassen. Nach dem Vibrieren wurde die Mischung 74 glattgestrichen, und es wurde teilchenförmiges AESAR -Magnesium 76 von -50 Mesh (Teilchendurchmesser kleiner als ungefähr 30 µm) (AESAR-Gruppe von Johnson Matthey Company, Seabrook, NH) gleichmäßig über die Oberfläche der im Genauguß-Mantel 64 enthaltenen Mischung 74 gestreut, bis eine Konzentration von ungefähr 23 Milligramm Magnesium pro Quadratzentimeter der Oberfläche der Mischung erreicht wurde.
Der mit der Mischung gefüllte Genauguß-Mantel 67, 74 wurde dann in eine rechteckige Dose 78 aus rostfreiem Stahl (rostfreier AISI-Stahl Typ 316) von ungefähr 10 in (254 mm) mal ungefähr 12 in (305 mm) und ungefähr 10 in (254 mm) Höhe (siehe Figur 4e) gesetzt. Ein ungefähr 370 Gramm schwerer Block 80 aus einer Standard-520-Aluminiumlegierung mit einer nominell angegebenen Zusammensetzung von ungefähr ≤0,25 Gewichtsprozent Si, ≤0,30 Gewichtsprozent Fe, ≤0,25 Cu, ≤0,15 Gewichtsprozent Mn, 9,5-10,6 Gewichtsprozent Mg, ≤0,15 Gewichtsprozent Zn und ≤0,15 Gewichtsprozent Ti, der Rest war Aluminium, wurde im Genauguß- Mantel 64 in Kontakt mit der mit Magnesium beschichteten Oberfläche 76 der Mischung 74 angeordnet. Es wurden ungefähr 5 Gramm TI-LOY-97-Titanschwamm 82 (Chemalloy Co., Bryn Mawr, PA) außerhalb des Genauguß-Mantels 64 in die Dose 78 aus rostfreiem Stahl gegeben. Die Funktion des Titanschwamms 82 bestand darin, als Sauerstofffänger zu wirken. Ein Kupferblech 84, das ungefähr 14 in (356 mm) mal ungefähr 16 in (406 mm) maß und ungefähr 6 Milliinch (0,15 mm) dick war, wurde über die Öffnung der Dose 78 gelegt. Diejenigen Teile des Kupferblechs 84, die über die Seiten der Dose 78 ragten, wurden nach unten gegen die Seiten der Dose 78 gefaltet, so daß eine isolierte Kammer gebildet wurde. Ein Stickstoff-Einspeisröhrchen 86 ragte durch eine Seite der Dose 78 aus rostfreiem Stahl.
Die Dose 78 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre gegeben. Der Ofen wurde geschlossen, und das Innere der Dose wurde über das Einspeisröhrchen mit einer Stickstoffgas-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 2,5 Liter pro Minute versorgt. Der Ofen wurde dann innerhalb eines Zeitraums von ungefähr 1,5 Stunden auf ungefähr 800ºC aufgeheizt und ungefähr 1 Stunde lang bei ungefähr 800ºC gehalten. Nach der oben beschriebenen Erhitzung wurden der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt bei ungefähr 800ºC aus dem Ofen entnommen und auf ein Sandbett von Raumtemperatur gesetzt. Nachdem sich der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt auf im wesentlichen Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurde der Genauguß-Mantel entfernt, und es zeigte sich, daß das Matrixmetall 80 die Mischung 74 unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers in Form des Flanschs 50 infiltriert hatte.

Beispiel 2

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung eines Genauguß-Mantels, der einen glasbildenden Zusatz enthält, der den Genauguß-Mantel verstärkt und die Oberflächenbeschaffenheit des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers verbessert. Der experimentelle Aufbau, der für den Herstellungsprozeß des Metallmatrix-Verbundkörpers verwendet wurde, ist schematisch in der Figur 3 dargestellt.
Ein Metallmatrix-Verbundkörper in Form eines geschlitzten Bolzens mit einer Länge von ungefähr 2 in (51 mm) und einem Durchmesser von ungefähr 5/8 in (16 mm) wurde im wesentlichen mit den gleichen Techniken wie der Flansch im Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit gewissen Abweichungen, die unten angegeben sind. Im einzelnen wurde ein Genauguß-Mantel 140 auf einem Wachsmodell des geschlitzten Bolzens aufgebaut. Die primäre Schicht des Genauguß-Mantels umfaßte ungefähr 28,7 Gewichtsprozent kolloidales Siliciumoxid NYACOL - 1430AT (Nyacol Products Inc., eine Schwestergesellschaft der PQ-Corporation, Ashland, MA), ungefähr 63,2 Gewichtsprozent HUBERCARB -Q-325-Calciumcarbonat von -325 Mesh (durchschnittlicher Teilchendurchmesser kleiner als ungefähr 45 µm) (JM Huber Corporation, Calcium Carbonate Div., Quincy, IL), ungefähr 4,3 Gewichtsprozent teilchenförmiges grünes 39- ALUNDUM -Siliciumcarbid von 500 Grit (durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 17 µm) (Norton Co.), ungefähr 2,9 Gewichtsprozent TETRABOR -Borcarbid von 500 Grit (Exolon-ESK Corporation, Tonawanda, NY), ungefähr 0,6 Gewichtsprozent VICTOWET -12-Netzmittel (Ransom und Randolph Inc., Maumee, OH) und ungefähr 0,3 Gewichtsprozent DCI-I-ANTIFOAM - Antischaummittel (Ransom und Randolph Inc., Maumee, OH) umfaßte. Wie im Beispiel 1 wurden zwei primäre Schichten für den Genauguß-Mantel aufgetragen. Der sekundäre Genauguß-Mantel umfaßte ungefähr einen Gewichtsteil REDIP -Indikator (Ransom und Randolph Inc.), ungefähr zwei Gewichtsteile VICTOWET -12-Netzmittel (Ransom und Randolph Inc.), ungefähr 56 Gewichtsteile destilliertes Wasser, ungefähr 274 Gewichtsteile kolloidales Siliciumoxid NYACOL - 830 und ungefähr 700 Gewichtsteile Siliciumoxidpulver RANCO -SIL Nr.2 (Ransom und Randolph Company), so daß eine Zähigkeit der Aufschlämmung erhalten wurde, die ungefähr 15 Sekunden in einem Zahn-Nr.4-Gefäß entsprach. Der mit der Aufschlämmung beschichtete Genauguß-Mantel wurde dann in einem Fließbett aus RANCO -SIL-B-Siliciumoxidsand (Ransom und Randolph Inc.) von ungefähr 30 Grit (durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 930 µm) stukkatiert oder untergetaucht. Der stukkatierte Mantel für den Genauguß wurde dann wieder bei einer Temperatur von ungefähr 18ºC ungefähr ½ Stunde lang, oder bis der REDIP -Indikator im Mantel seine Farbe von gelb/grün nach tieforange veränderte, getrocknet. Diese zweite Folge aus Eintauchen-Stukkatieren-Eintauchen wurde dann weitere fünfmal wiederholt. Es war kein Befeuchten des Genauguß-Mantels mit kolloidalem Siliciumoxid zwischen den Eintauchvorgängen in die sekundäre Aufschlämmung für den Genauguß-Mantel erforderlich.
Der beschichtete Formkörper aus Wachs wurde dann zwei Erhitzungsprozessen unterzogen, wobei der erste zur Entfernung des Wachsmodells und der zweite zur Entgasung und Verfestigung des Genauguß-Mantels 140 diente. Das erste Erhitzen umfaßte das Einbringen des beschichteten Wachsmodells in einen gasbeheizten Ofen von einer Temperatur von ungefähr 800ºC. Nach ungefähr 15 Minuten bei einer Temperatur von ungefähr 800ºC war praktisch das gesamte Grade-5550.K.GRN.FLK.-Wachs aus dem Mantel entweder verdampft oder ausgebrannt. Der Mantel 140 wurde dann bei einer Temperatur von ungefähr 800ºC aus dem Ofen entnommen und für die zweite Erhitzung direkt in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre von einer Temperatur von ungefähr 850ºC gegeben. Nach dem ungefähr 4stündigen Erhitzen des Mantels 140 bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC wurde der gebrannte Mantel 140 aus dem widerstandsbeheizten Ofen entnommen und zum Abkühlen auf eine feuerfeste Platte gesetzt. Es wurde beobachtet, daß der Genauguß-Mantel als Folge der Oxidation von wenigstens etwas Borcarbid im Mantel zu glasförmigem Boroxid während der zweiten Erhitzung im widerstandsbeheizten Ofen seine Farbe von hellgrau nach fast weiß verändert hatte.
Tafelförmiges Grade-T-64-Aluminiumoxidpulver (Alcoa Industrial Chemicals Division, Bauxite, AR) wurde ungefähr 12 Stunden lang bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Das Aluminiumoxid wurde dann aus dem Vakuum-Trockenofen entnommen und mit AESAR - Magnesiumpulver von -325 Mesh (durchschnittlicher Teilchendurchmesser kleiner als ungefähr 45 µm) zusammengegeben, um eine Mischung 142 zu erzeugen, die ungefähr 5 Gewichtsprozent Magnesium umfaßte. Ungefähr 160 Gramm dieser Mischung 142 wurden in ein trockenes Porzellangefäß von ungefähr 1,1 Liter gegeben, das ungefähr 325 Gramm an trockenen BURUNDUM -Steinen aus Aluminiumoxid von ungefähr ½ in (13 mm). Durchmesser enthielt und ungefähr 2 Stunden lang gemischt. Die gemischte Mischung 142 wurde dann aus dem Porzellangefäß entnommen und wenigstens vier Stunder lang bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Ungefähr 68 Gramm der gemischten und getrockneten Mischung 142 wurden dann in den Genauguß-Mantel 140 gegossen. Der Genauguß-Mantel 140 wurde dann ungefähr zwei- bis dreimal auf einer harten Oberfläche aufgeklopft, um mögliche Hohlräume in der Mischung 142 zu entfernen. Eine dünne Schicht aus teilchenförmigem Magnesium 144 von 50 Mesh (Teilchendurchmesser kleiner als ungefähr 300 µm) (Reade Manufacturing Company, Lakehurst, NJ) wurde dann gleichmäßig über die obere Fläche der Füllstoffmaterial-Mischung 142 gestreut, bis eine Konzentration von ungefähr 12 Milligramm pro Quadratzentimeter erreicht worden war. Das teilchenförmige Magnesium 144 wirkte als ein Infiltrationsverstärker-Vorläufer.
Der Genauguß-Mantel 140 und sein Inhalt wurden dann in eine Dose 100 aus rostfreiem Stahl gesetzt, die ungefähr 10 in (254 mm) breit, ungefähr 12 in (305 mm) lang und ungefähr 10 in (254 mm) hoch war. Ein Block aus Matrixmetall 122, der ungefähr 167 Gramm wog und ungefähr 11,0 - 13,0 Gewichtsprozent Silicium, ≤ 2,0 Gewichtsprozent Eisen, ≤ 1,0 Gewichtsprozent Kupfer, ≤ 0,35 Gewichtsprozent Mangan, ≤ 0,10 Gewichtsprozent Magnesium, ≤ 0,50 Gewichtsprozent Nickel, ≤ 0,50 Gewichtsprozent Zink und ≤ 0,15 Gewichtsprozent Zinn umfaßte, der Rest war Aluminium, wurde über, aber nicht in Kontakt mit der Schicht 144 aus teilchenförmigem Magnesium 144 auf der Oberfläche der Füllstoffmaterial-Mischung 142 mit dem Genauguß-Mantel 140 verkeilt. Es wurden ungefähr 5 Gramm an Drehspänen 146 aus Grade-RMC-3-Magnesium (Reade Manufacturing Company, Lakehurst, NJ) und ungefähr 7 Gramm TI-LOY-97- Titanschwamm 82 wurden in die Dose 100 aus rostfreiem Stahl außerhalb des Genauguß-Mantels 140 gegeben. Die Drehspäne 146 aus Magnesium und der Titanschwamm 82 wirkten als Sauerstoffänger. Ein Bogen 148 aus PERMA-FOIL-Graphitfolie (TTAmerica, Portland, OR) von ungefähr 4 in (102 mm) im Quadrat wurde über die Öffnung des Genauguß-Mantels 140 gelegt. Ein Kupferblech 84, das ungefähr 14 in (356 mm) mal ungefähr 16 in (406 mm) maß und ungefähr 6 Milliinch (0,15 mm) dick war, wurde über die Öffnung der Dose 100 aus rostfreiem Stahl gelegt. Diejenigen Teile des Kupferblechs 84, die über die Seiten der Dose 100 ragten, wurden eng nach unten gegen die Seiten der Dose 100 gefaltet, so daß eine isolierte Kammer gebildet wurde. Ein Einspeisröhrchen 86 für Stickstoffgas ragte durch eine Seite der Dose 100.
Die Dose 100 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre gegeben. Es wurde eine Stickstoff-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 14 Liter pro Minute in das Innere der Dose 100 aus rostfreiem Stahl durch ein Einspeisröhrchen 86 eingestellt. Der Ofen wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 600ºC pro Stunde von im wesentlichen Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 200ºC aufgeheizt. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 200ºC für ungefähr 13 ½ Stunden wurde die Ofentemperatur mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 600ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 760ºC aufgeheizt. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 760ºC für ungefähr 1 Stunde wurde das Stickstoffgas-Einspeisröhrchen, das während des gesamten Heizzyklus Stickstoffgas mit einer Flußgeschwindigkeit von ungefähr 14 Liter pro Minute bereitgestellt hatte, von der Dose 100 aus rostfreiem Stahl abgetrennt. Die Dose und ihr Inhalt wurden aus dem Ofen entnommen und auf eine wassergekühlte Kühlplatte aus Kupfer gesetzt. Die Bögen aus Kupferfolie 84 und aus Graphitfolie 148 wurden von der Dose 100 aus rostfreiem Stahl bzw. dem Genauguß-Mantel 140 entfernt, und eine teilchenförmige FEEDOL -Nr.9-Hot- Topping-Mischung wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls 122, das im Genauguß-Mantel 140 enthalten war, gegossen, um eine exotherme Reaktion auszulösen, die der Oberfläche des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls 122 Wärme zuführte und dadurch die gerichtete Verfestigung des schmelzflüssigen Matrixmetalls, das im Genauguß-Mantel 140 enthalten war, unterstützte. Der Genauguß-Mantel 140 und sein Inhalt wurden der Dose 100 aus rostfreiem Stahl entnommen.
Nachdem sich die Dose 100 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt auf im wesentlichen Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurde der Genauguß-Mantel 140 dann mittels leichter Hammerschläge entfernt, wobei sich zeigte, daß zumindest etwas des Matrixmetalls 122 die Füllstoffmaterial-Mischung 142 unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert hatte. Die weitere Untersuchung zeigte, daß der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper im wesentlichen die gleiche Größe und Form hatte wie der Formhohlraum, der durch den Genauguß-Mantel 140 definiert war. Außerdem war die Oberflächenbeschaffenheit des gebildeten Metallmatrix- Verbundkörpers der Oberflächenbeschaffenheit von Metallmatrix-Verbundkörpern überlegen, die mit Genauguß-Mänteln hergestellt wurden, die nicht den glasbildenden Zusatz enthielten, der in diesem Beispiel eingesetzt wurde.

Beispiel 3

Das folgende Beispiel demonstriert, daß ein lockeres Bett aus teilchenförmigem Aluminiumoxid und Glasmasse als ein Sperrschichtmaterial eingesetzt werden kann, das schmelzflüssiges Matrixmetall daran hindert, über die Grenzen einer sedimentgegossenen Vorform hinaus zu infiltrieren.
Eine wäßrige Lösung von kolloidalem BLUONIC -A-Aluminiumoxid (Buntrock Industries Inc., Lively, VA) von insgesamt 261,4 Gramm wurde mit einer zusätzlichem Menge von ungefähr 522,8 Gramm Wasser verdünnt und in ein Plastikgefäß von ungefähr 2 Liter gegeben. Es wurden ungefähr 1280,9 Gramm teilchenförmiges grünes 39-CRYSTOLON -Siliciumcarbid von 220 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 66 µm) (Norton Co.) und ungefähr 548,9 Gramm teilchenförmiges grünes 39-CRYSTOLON -Siliciumcarbid von 500 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 17 µm) dem Gefäß zur Zubereitung einer Aufschlämmung für das Sedimentgießen zugegeben. Das Gesamtgewicht der Aufschlämmung betrug ungefähr 2615 Gramm und umfaßte ungefähr 49 Gewichtsprozent Siliciumcarbid von 220 Grit, ungefähr 21 Gewichtsprozent Siliciumcarbid von 500 Grit, ungefähr 2 Gewichtsprozent kolloidales Aluminiumoxid (auf Trockenbasis) und ungefähr 28 Gewichtsprozent Wasser. Nach ungefähr 45minütigem Mischen auf einer Wälzmühle wurde die Aufschlämmung in eine Form aus Silicongummi mit einem inneren Hohlraum von ungefähr 7 in (178 mm) im Quadrat und ungefähr 1 % in (38 mm) Tiefe gegossen. Die Form wurde dann zur Unterstützung des Absetzvorgangs vibriert. Nach ungefähr halbstündigem Vibrieren wurde das überschüssige Wasser auf der Oberfläche der entstehenden Vorform mit einem Papierhandtuch entfernt. Nach dem Vibrieren für ungefähr weitere 1 Stunde bis 1 % Stunden wurde das verbliebene Oberflächenwasser entfernt, und die Form aus Silicongummi wurde vom Vibrationstisch genommen und in einen Gefrierschrank verbracht. Nachdem das restliche Wasser in der Vorform gefroren war, wurden die Form aus Silicongummi und die Vorform aus dem Gefrierschrank entnommen, und die gefrorene, sedimentgegossene Vorform wurde der Form entnommen. Man setzte die Vorform auf ein Bett aus teilchenförmigem 38-ALUNDUM -Aluminiumoxid von 90 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 216 µm) und ließ sie ungefähr 16 Stunden bei Raumtemperatur trocknen.
Nach dem Trocknen wurde die sedimentgegossene Vorform 150 in eine neue Einbettung aus Aluminiumoxid von 90 Grit verbracht, die von einer feuerfesten Platte unterstützt wurde, und zum Brennen in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre gesetzt. Die Ofentemperatur wurde innerhalb von ungefähr 10 Stunden von im wesentlichen Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 1050ºC erhlht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 1050ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Temperatur innerhalb von ungefähr 10 Stunden auf im wesentlichen Raumtemperatur abgesenkt.
Ein Kasten 152 aus Graphitfolie, der ungefähr 8,5 in (216 mm) im Quadrat maß und ungefähr 4 in (102 mm) hoch war und in der Figur 4 gezeigt wird, wurde aus einem Bogen GRAFOIL -Graphitfolie (Union Carbide Company, Danbury, CT) hergestellt und in ein Graphitschiffchen 154 gesetzt, das einen inneren Hohlraum von ungefähr 9 in (229 mm) im Quadrat und ungefähr 4 in (102 mm) Höhe hatte. Die gebrannte, sedimentgegossene Vorform 150 wurde dann in den unteren Teil des Kastens 152 aus Graphitfolie gesetzt. Ein Einbettungsmaterial 156, das zu ungefähr 15 Gewichtsprozent eine Masse aus Grade-F-69-Borsilicatglas (Fusion Ceramics Inc., Carrollton, OH) umfaßte, der Rest bestand aus gleichen Anteilen von teilchenförmigem E1-ALUNDUM -Aluminiumoxid von 90, 220 und 500 Grit (Norton Co.), wurde bis zu einer solchen Höhe in den Kasten 152 aus Graphitfolie und um die gebrannte sedimentgegossene Vorform 150 herum gegeben, das es im wesentlichen bündig mit der Oberfläche der Vorform 150 abschloß. Eine dünne Oberflächenschicht aus Magnesiumpulver 158 von -100 Mesh (Teilchengröße kleiner als ungefähr 150 µm) (Hart Corporation, Tamaqua, PA) wurde über die obere Oberfläche der Vorform 150 gestreut.
Eine Durchlaßvorrichtung, die einen Graphitring 160 umfaßte und einen Innendurchmesser von ungefähr 2 % in (64 mm) und eine Höhe von ungefähr ½ in (13 mm) aufwies, wurde über einem Loch von ungefähr 2 ½ in (64 mm) Durchmesser in einem ungefähr 14 Milliinch (0,36 mm) dicken Bogen aus GRAFOIL -Graphitfolie 162 von ungefähr 7 in (178 mm) im Quadrat zentriert. Der Graphitring 160 wurde dann mit einer dünnen Schicht aus einem Klebstoff, der ungefähr 25 bis 50 Volumenprozent RIGIDLOCK -Graphitzement (Polycarbon Corporation, Valencia, CA) umfaßte, der Rest war Ethylalkohol, an der Graphitfolie 162 befestigt. Die verbundenen Bauteile aus Graphit ließ man bei Raumtemperatur ungefähr 3 bis 5 Stunden lang an der Luft trocknen.
Der Zusammenbau aus der Graphitfolie 162 und dem Ring 160 wurde dann so in den Kasten 152 aus Graphitfolie auf die Oberseite der Schicht 158 aus Magnesiumpulver von -100 Mesh gesetzt, daß der Graphitring 160 nach oben zeigte. Der Innenraum des Graphitrings 160 wurde dann mit mit einer trockenen teilchenförmig en Mischung 164 gefüllt, die ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesiumpulver von -100 Mesh, ungefähr 1 Gewichtsprozent Magnesiumpulver von -325 Mesh und ungefähr 29 Gewichtsprozent grünes 39-CRYSTOLON -Siliciumcarbid von 90 Grit umfaßte, der Rest bestand aus grünem Siliciumcarbid von 54 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 430 µm). Weiteres Einbettungsmaterial 156 (die oben diskutierte teilchenförmige Mischung aus Aluminiumoxid und Glasmasse) wurde dann in den Graphitkasten 152 um den Zusammenbau aus der Graphitfolie 162 und dem Ring 160 herum bis zu einer Höhe gegossen, daß es im wesentlichen bündig mit der Oberseite des Graphitrings 160 abschloß, aber nach außen in Richtung der Wände des Graphitkastens 152 etwas höher wurde. Ein Block aus Matrixmetall 166, der ungefähr 1736 Gramm wog, ungefähr 5 in (127 mm) im Quadrat maß, ungefähr 1 % in (38 mm) dick war und ungefähr 12 Gewichtsprozent Silicium und ungefähr 6 Gewichtsprozent Magnesium umfaßte, der Rest war Aluminium, wurde zur Bildung eines Aufbaus in den Kasten 152 aus Graphitfolie gesetzt und über dem Graphitring 160 zentriert.
Das Graphitschiffchen 154 und sein Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit kontrollierter Atmosphäre von Raumtemperatur gegeben. Die Ofenkammer wurde auf ein Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule evakuiert und dann wieder mit Stickstoffgas gefüllt. Es wurde eine Gasfluß-Geschwindigkeit von ungefähr 3 Liter pro Minute eingestellt. Die Ofentemperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde auf ungefähr 8250 C erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 825ºC für ungefähr 20 Stunden wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200ºC pro Stunde auf ungefähr 700ºC abgesenkt. Die Flußgeschwindigkeit des Stickstoffgases wurde während des gesamten Heizzyklus bei ungefähr 3 Liter pro Minute gehalten. Bei einer Temperatur von ungefähr 700ºC wurden das Graphitschiffchen 154 und sein Inhalt aus dem Ofen entnommen und auf eine wassergekühlte Kühlplatte aus Aluminium gesetzt. Ein teilchenförmiges FEEDOL - Nr. 9-Hot-Topping-Material wurde auf die Oberseite des restlichen, im Aufbau enthaltenen, schmelzflüssigen Matrixmetalls 166 gegossen, um eine exotherme Reaktion hervorzurufen, die der Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls 166 Wärme bereitstellte. Eine ungefähr 2 in (51 mm) dicke Schicht aus einer Isolierung aus einer CERABLANKET - Keramikfaser (Manville Refractory Products, Denver, CO) wurde auf die Oberseite des Aufbaus und über das Graphitschiffchen 154 gelegt, um den Prozeß der gerichteten Verfestigung weiter zu unterstützen. Nachdem sich das Graphitschiffchen 154 sein Inhalt im wesentlichen auf Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurde der Aufbau aus dem Graphitschiffchen 154 entnommen. Die Einbettung aus dem Aluminiumoxid und der Glasmasse 156 wurde von der Umgebung des Aufbaus entfernt, wobei sich zeigte, daß zumindest etwas des Matrixmetalls 166 die sedimentgegossene Vorform 150 unter Bildung eines Ziegels aus Metallmatrix- Verbundmaterial, der im wesentlichen die gleiche Größe und Form wie die Vorform 150 hatte, infiltriert hatte. Die weitere Untersuchung ergab, daß wenig oder keine Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls 166 in das Einbettungsmaterial 156 aus Aluminiumoxid und Glasmasse erfolgt war.

Beispiel 4

Diese Beispiel zeigt, daß das Konzept einer Genauguß-Mantel-Sperre nicht nur mit Genauguß-Modellen aus Wachs funktioniert, sondern daß es auch funktioniert, wenn das Modell ein Material auf Cellulosebasis, wie Balsaholz, umfaßt. Eine Querschnittsansicht eines derartigen Genauguß-Mantels und seines Inhalts ist schematisch in der Figur 5 dargestellt.
Es wurde ein Hohlkörper von dreieckigem Querschnitt, der ein offenes Ende aufwies und weitere Bauteile enthielt, durch Zusammenleimen von ungefähr 1/16 in (1,6 mm) dicken Platten aus Balsaholz zusammengebaut. Die Längen der Seiten des Dreiecks betrugen ungefähr 4, 4 bzw. 3 in (102, 102 bzw. 76 mm). Die Tiefe des Körpers betrug ungefähr 3 in (76 mm). Das Innere des dreieckigen Körpers wurde mit drei weiteren Platten aus Balsaholz versteift, die alle ungefähr 3 in (76 mm) lang und so ausgerichtet waren, daß zwei parallel zur Basis des Dreiecks verliefen und die dritte im wesentlichen senkrecht zur Basis verlief und an die Basis angrenzte. Die Platten aus Balsaholz wurden mit Hilfe von ELMERS Holzleim (Professional Carpenters Wood Glue, Borden Company, Columbus, OH) miteinander verbunden. Nach dem Trocknen des Leims an Luft bei im wesentlichen Raumtemperatur für ungefähr 2 bis 3 Stunden wurde das vergängliche Genauguß-Modell aus Balsaholz mit einer schützenden Schicht aus RED-DEVIL -Hi-GLOSS-70- Polyurethan (Red Devil Paints and Chemicals, Division of Insilco Company, Mount Vernon, NY) versiegelt. Nach ungefähr halbstündigem Trocknen der aufgebürsteten Polyurethan-Beschichtung wurden zwei weitere Beschichtungen aufgetragen, wobei nach dem Auftragen der Beschichtung jeweils ungefähr ½ Stunde getrocknet wurde. Das fertig bearbeitete Modell aus Balsaholz wurde dann mit einem Grade-5550-K.GRN.FLK.-Wachsmodell in Form des gewünschten Metallmatrix- Reservoirs, das ungefähr 3 in (76 mm) hoch war, einen Durchmesser von ungefähr 3 in (76 mm) an der Oberseite und von ungefähr 2 in (51 mm) an der Unterseite hatte, verbunden. Das Genauguß-Modell aus Balsaholz wurde mit Hilfe von schmelzflüssigem Wachs mit dem Reservoirmodell aus Wachs verbunden.
Der Zusammenbau der Modelle aus Balsaholz und aus Wachs wurde dann mit Beschichtungen für Genauguß-Mäntel im wesentlichen auf die gleiche Weise, wie es in Beispiel 2 beschrieben wurde, überzogen. Im vorliegenden Beispiel wurden jedoch drei primäre Beschichtungen für Genauguß-Mantel anstelle von zweien aufgetragen. Außerdem wurde, nachdem die dritte sekundäre Beschichtung für den Genauguß-Mantel aufgetragen worden war, der Genauguß-Mantel zur Erhöhung der Stabilität mit Draht umwickelt. Zwei weitere Schichten der sekundären Beschichtung für den Genauguß-Mantel wurden dann auf die Oberseite des mit Draht umwickelten Genauguß-Mantels aufgetragen.
Es wurden mehrere Löcher an geeigneten Stellen in den Genauguß-Mantel 170 gebohrt, um das Austreten von Gasen aus dem Balsaholz während des nachfolgenden Blitzbrennens zu unterstützen. Die beschichteten Genauguß-Modelle aus Balsaholz und dem Wachsreservoir wurden dann blitzgebrannt, indem die genannten Modelle in einen gasbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre von einer Temperatur von ungefähr 890ºC gegeben wurden und diese Temperatur ungefähr 15 Minuten gehalten wurde, um das Balsaholz und das Wachs auszubrennen. Der zurückbleibende Genauguß-Mantel 170 wurde dann aus dem Gasofen von 890ºC entnommen und sofort in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre mit einer Temperatur von ungefähr 850ºC gegeben. Nach dem ungefähr 6stündigen Brennen des Genauguß-Mantels 170 bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC zur Entfernung von chemisch gebundenem Wasser und anderer Dämpfe und zur Verfestigung des Mantels wurde der Genauguß-Mantel 170 bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC aus dem Ofen entnommen und auf eine feuerfeste Platte von Raumtemperatur gesetzt, und dann ließ man ihn abkühlen.
Eine Mischung aus grünen 39-CRYSTOLON -Siliciumcarbidteilchen, die ungefähr 772 Gramm an Teilchen von 220 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 66 µm) und ungefähr 193 Gramm an Teilchen von 500 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 17 µm) umfaßte, wurde in eine trockene Kugelmühle aus Aluminiumoxid von ungefähr 1,1 Liter gegeben, die ungefähr 2000 Gramm an trockenen BURUNDUM -Steinen aus Aluminiumoxid von ungefähr ½ in (13 mm) Durchmesser enthielt. Die Kugelmühle aus Aluminiumoxid, der Deckel der Kugelmühle (von der Mühle abgenommen) und ihr Inhalt wurden ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Die Kugelmühle und ihr Inhalt wurden aus dem Vakuumtrockner entnommen, und Magnesiumpulver von -325 Mesh (Teilchendurchmesser kleiner als ungefähr 45 µm) (Reade Manufacturing Company, Lakehurst, NJ) wurde zu den Siliciumcarbidteilchen in der Kugelmühle gegeben, so daß eine Füllstoffmaterial-Mischung 172 gebildet wurde. Der Deckel der Kugelmühle wurde dann befestigt, und die Füllstoffmaterial- Mischung 172 wurde ungefähr 2 Stunden lang gemischt. Dann wurde der Deckel der Kugelmühle von der Aluminiumoxid-Kugelmühle entfernt, und die Kugelmühle und ihr Inhalt wurden ein zweites Mal mindestens 4 Stunden lang bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC unter einem Quecksilbervakuum von ungefähr 30 in (762 mm) vakuumgetrocknet.
Die Lüftungslöcher im Genauguß-Mantel 170 wurden mit einem Tuch 174 aus CARBORUNDUM -FIBERFRAX -Keramikfaser gefüllt. Ungefähr 138 Gramm der gemahlenen und getrockneten Füllstoffmaterial-Mischung wurden dann in den Genauguß-Mantel 170 gegossen, während der Mantel hin und her geschüttelt wurde, um es der Mischung 172 zu ermöglichen, so viel wie möglich des Raums in den engen Wänden auszufüllen. Nachdem die gesamte Mischung 172 in den Genauguß-Mantel 170 gegossen worden war, wurde der Mantel ungefähr 5mal auf einer harten Oberfläche aufgeklopft, um das Packen der Mischung 172 abzuschließen. Teilchenförmiges Magnesiummaterial 176 (-50 Mesh, Reade Manufacturing Company) wurde gleichmäßig über die Oberfläche der Füllstoffmaterial-Mischung 172 gestreut, bis eine Konzentration von ungefähr 6 Milligramm pro Quadratzentimeter der Oberfläche des Füllstoffmaterials erreicht worden war. Ein Block aus Matrixmetall 178, der ungefähr 901 Gramm wog und ungefähr 11,0 - 13,0 Gewichtsprozent Si, ≤2,0 Gewichtsprozent Fe, ≤1,0 Gewichtsprozent Cu, ≤0,35 Gewichtsprozent Mn, ≤0,1 Gewichtsprozent Mg, ≤0,5 Gewichtsprozent Ni, ≤0,5 Gewichtsprozent Zn und ≤0,15 Gewichtsprozent Sn umfaßte, der Rest war Aluminium, wurde dann auf eine Tragevorrichtung 180 gegeben, die mehrere Streifen aus Kupferfolie umfaßte, die über der mit teilchenförmigem Magnesium 176 bestreuten Oberfläche der Füllstoffmaterial-Mischung 172 hing. Die Enden der Kupferstreifen wurden über die Wände des Genauguß-Mantels geschlagen. Die Tragevorrichtung 180 aus Kupferfolie diente dazu, einen Kontakt des Matrixmetalls 178 mit der Füllstoffmaterial-Mischung 172 zu verhindern, bis das Matrixmetall 178 geschmolzen war. Ein Bogen 182 aus PERMA-FOIL-Graphitfolie von ungefähr 4 in (102 mm) im Quadrat wurde über die Öffnung in der Oberseite des Genauguß-Mantels 170 gelegt.
Der Genauguß-Mantel 170 und sein Inhalt wurden dann in eine Dose 184 aus rostfreiem Stahl gesetzt, die ungefähr 10 in (254 mm) breit, ungefähr 10 in (254 mm) lang und ungefähr 10 in (254 mm) hoch war. Ungefähr 7 Gramm an Drehspänen 186 aus Grade-RMC-3-Magnesium und ungefähr 12 Gramm TI-LOY-97-Titanschwamm 188 wurden in die Dose 184 aus rostfreiem Stahl außerhalb des Genauguß-Mantels 170 gegeben. Die Drehspäne 186 aus Magnesium und der Titanschwamm 188 wurden als Sauerstoffänger eingesetzt. Zwei Bögen aus Kupferfolie 190, die beide ungefähr 14 in (356 mm) mal ungefähr 16 in (406 mm) maßen und ungefähr 6 Milliinch (0,15 mm) dick waren, wurden über die Öffnung der Dose 184 aus rostfreiem Stahl gelegt. Diejenigen Teile der Bögen 190, die über die Seiten der Dose 184 ragten, wurden eng nach unten gegen die Seiten der Dose 184 gefaltet, so daß eine isolierte Kammer gebildet wurde.
Die Dose 184 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt wurden in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre gegeben. Es wurde eine Stickstoff-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 15 Liter pro Minute in das Innere der Dose 184 durch ein Einspeisröhrchen 192, das sich durch eine Seite der Dose 184 erstreckte, eingestellt. Der Ofen wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 400ºC pro Stunde von im wesentlichen Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 790ºC aufgeheizt. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 790ºC für ungefähr 3 ½ Stunden wurde das Stickstoffgas-Einspeisröhrchen 192 von der Dose 184 aus rostfreiem Stahl abgetrennt, und die Dose und ihr Inhalt wurden aus dem Ofen entnommen und auf eine wassergekühlte Kühlplatte aus Kupfer gesetzt. Die Bögen aus Kupferfolie 190 und aus Graphitfolie 182 wurden von der Dose 184 aus rostfreiem Stahl bzw. dem Genauguß-Mantel 170 entfernt, und eine teilchenförmige FEEDOL -Nr.9-Hot-Topping-Mischung wurde auf die Oberseite des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls 178, das im Genauguß-Mantel 170 enthalten war, gegossen, um eine exotherme Reaktion auszulösen, die der Oberfläche des restlichen schmelzflüssigen Matrixmetalls 178 Wärme zuführte und dadurch die gerichtete Verfestigung des schmelzflüssigen Matrixmetalls 178, das im Genauguß-Mantel enthalten war, unterstützte.
Nachdem sich die Dose 184 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt auf Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurden der Genauguß-Mantel 170 und sein Inhalt aus der Dose 184 aus rostfreiem Stahl entnommen. Der Genauguß-Mantel 170 wurde entnommen, und es zeigte sich, daß das Matrixmetall 178 die Füllstoffmaterial-Mischung 172 unter Bildung eines Metallmatrix- Verbundkörpers infiltriert hatte. Die weitere Untersuchung zeigte, daß der gebildete Metallmatrix- Verbundkörper im wesentlichen die gleiche Größe und Form hatte wie der Formhohlraum, der durch den Genauguß-Mantel definiert war, der seinerseits wiederum durch die Form der Balsaholz- und Wachsmodelle definiert wurde.

Beispiel 5

Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung von Bornitrid als Material für eine physikalische Sperre zum Stoppen der spontanen Infiltration eines Matrixmetalls in ein permeables Material. Der Aufbau, der zur Durchführung des Prozesses der spontanen Infiltration verwendet wurde, war demjenigen, der in der Figur 3 gezeigt wurde, ähnlich, aber er wird extra in der Figur 6 gezeigt.
Es wurde ein Genauguß-Mantel für die Aufnahme des Füllstoffs und des Matrixmetalls, die im Prozeß der spontanen Infiltration verwendet werden sollten, und zur Festlegung der Gestalt des Metallmatrix-Verbundkörpers, der hergestellt werden sollte, erzeugt. Zwei Styropor-Becher von ungefähr 400 ml wurden zusammengeklebt, so daß ein an beiden Enden offenes Genauguß- Modell gebildet wurde. Eine Beschichtung 240, die COMBAT -Bornitrid (Carborundum Co., Niagara Falls, NY) umfaßte, wurde dann durch Tauchbechichten des Genauguß-Modells in einer Aufschlämmung aus Bornitrid aufgebaut. Dann wurde ein Genauguß-Mantel auf der Oberfläche des mit Bornitrid beschichteten Genauguß-Modells aus Styropor aufgebaut. Im einzelnen wurde das Genauguß-Modell, das die beschichteten Becher aus Styropor umfaßte, in eine Aufschlämmung getaucht, die ungefähr 29,6 Gewichtsprozent kolloidales Siliciumoxid NYACOL - 1430AT (Nyacol Products Inc., eine Schwestergesellschaft der PQ-Corporation, Ashland, MA), ungefähr 65,1 Gewichtsprozent HUBERCARB -Q-325-Calciumcarbonat (-325 Mesh, JM Huber Corporation, Calcium Carbonate Division, Quincy, IL), bei dem im wesentlichen alle Teilchen einen Durchmesser von weniger als ungefähr 45 µm hatten, ungefähr 4,3 Gewichtsprozent teilchenförmiges grünes 39-CRYSTOLON -Siliciumcarbid von 500 Grit (durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 17 µm) (Norton Company, Worcester, MA), ungefähr 0,6 Gewichtsprozent VICTOWET -12-Netzmittel (Ransom und Randolph Inc., Maumee, OH) und ungefähr 0,3 Gewichtsprozent DCH-ANTIFOAM -Antischaummittel (Ransom und Randolph Inc.) umfaßte. Das beschichtete Genauguß-Modell wurde dann mit trockenem RANCO -SIL-Nr.4- Siliciumoxidsand von 90 Grit (durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 216 µm) (Ransom und Randolph Inc.) eingestaubt oder stukkatiert. Das Genauguß-Modell aus Styropor und sein sich entwickelnder Genauguß-Mantel wurden dann ungefähr ½ Stunde lang bei einer Temperatur von ungefähr 65ºF getrocknet. Der getrocknete Genauguß-Mantel wurde dann ungefähr 2 Sekunden lang in ein Bad aus kolloidalem Siliciumoxid NYACOL -1430AT (Nyacol Products Inc.) getaucht. Diese Abfolge aus Eintauchen-Einstäuben-Trocknen-Befeuchten wurde dann sofort zweimal wiederholt. Dann wurde das beschichtete Genauguß-Modell sofort in eine zweite Aufschlämmung eingetaucht, die ungefähr 1 Gewichtsteil REDIP -Indikator (Ransom und Randolph Inc.), ungefähr 2 Gewichtsteile VLCTOWET -12-Netzmittel (Ransom und Randolph Inc.), ungefähr 56 Gewichtsteile destilliertes Wasser, ungefähr 274 Gewichtsteile kolloidales Siliciumoxid NYACOL - 830 (Nyacol Products Inc.) und ungefähr 700 Gewichtsteile Siliciumoxidpulver RANCO -SIL Nr.2 (Ransom und Randolph Inc.) umfaßte, und die eine Zähigkeit der Aufschlämmung aufwies, die ungefähr 15 Sekunden in einem Zahn-Nr.4-Gefäß entsprach. Der mit der Aufschlämmung beschichtete Genauguß-Mantel wurde dann in einem Fließbett aus RANCO -SIL-B- Siliciumoxidsand (Ransom und Randolph Inc.) von ungefähr 30 Grit (durchschnittliche Teilchengröße ungefähr 930 µm) stukkatiert oder untergetaucht. Der stukkatierte Mantel für den Genauguß wurde dann wieder bei einer Temperatur von ungefähr 65ºF ungefähr ½ Stunde lang, oder bis der REDIP -Indikator im Mantel seine Farbe von gelb/grün nach tieforange veränderte, getrocknet. Diese zweite Folge aus Eintauchen-Stukkatieren-Eintauchen wurde dann weitere fünfmal wiederholt. Es war ein Befeuchten des Mantels für den Genauguß mit kolloidalem Siliciumoxid zwischen den Eintauchvorgängen in die zweite Aufschlämmung für den Genauguß- Mantel erforderlich.
Das beschichtete Genauguß-Modell aus Styropor mit seinem Genauguß-Mantel wurde dann blitzgebrannt, indem das Modell mit dem Mantel für eine Dauer von ungefähr 15 Minuten in einen gasbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre mit einer Temperatur von ungefähr 950ºC gegeben wurde, um das Styropor zu verdampfen. Der zurückbleibende Genauguß-Mantel wurde dann aus dem Gasofen von ungefähr 950ºC entnommen und sofort in einen widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre mit einer Temperatur von ungefähr 850ºC gegeben. Nach dem Brennen des Genauguß-Mantels bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC für ungefähr 4 Stunden zur Entfernung chemisch gebundenen Wassers und anderer verunreinigender Dämpfe und zur Verfestigung des Mantels ließ man den Genauguß-Mantel im Ofen auf eine Temperatur von ungefähr 200ºC abkühlen, entnahm ihn dann aus dem Ofen, setzte ihn auf eine feuerfeste Platte von Raumtemperatur und ließ ihn auf Raumtemperatur abkühlen.
Es wurden ungefähr 400 Gramm an teilchenförmigem grünem 39-CRYSTOLON - Siliciumcarbid von 220 und 500 Grit (Norton Company, Worcester, MA, durchschnittliche Teilchendurchmesser ungefähr 66 bzw. 17 µm) in einem Gewichtsverhältnis von ungefähr 80:20 zusammen mit ungefähr 12 Gramm teilchenförmigem Magnesium (-325 Mesh, Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), bei dem im wesentlichen alle Teilchen kleiner als ungefähr 45 µm waren, und ungefähr 200 Gramm zylindrischen BURUNDUM -Mahlkörpern von ungefähr 0,5 in (13 mm) Durchmesser und ungefähr 0,5 in (13 mm) Höhe (U.S. Stoneware Corp., Mahwah, NJ) in eine Kugelmühle von ungefähr 1,9 Liter aus Porzellan gegeben. Die Kugelmühle aus Porzellan wurde verschlossen, und ihr Inhalt wurde ungefähr 2 Stunden lang gemischt.
Das Folgende bezieht sich auf die Figur 6. Es wurden ungefähr 50 Gramm der gemahlenen Füllstoffmaterial-Mischung 246 in den Genauguß-Mantel 242 gegossen, während der Mantel hin und her geschüttelt wurde, um es der Füllstoffmaterial-Mischung zu ermöglichen, so viel wie möglich des Raums in den ungefähr 0,125 in (3 mm) dicken Wänden auszufüllen. Nachdem die gesamte Füllstoffmaterial-Mischung 246 in den Genauguß-Mantel 242 gegossen worden war, wurde der Mantel ungefähr 5mal auf einer harten Oberfläche aufgeklopft, um das Packen der Füllstoffmaterial-Mischung abzuschließen. Teilchenförmiges Magnesiummaterial 263 (-50 Mesh, Reade Manufacturing Company, Lakehurst, NJ), bei dem im wesentlichen alle Teilchen zwischen ungefähr 430 µm und ungefähr 1035 µm lagen, wurde dann gleichmäßig über die Oberfläche der Füllstoffmaterial-Mischung 246 gestreut, bis eine Konzentration von ungefähr 6 mg teilchenförmiges Magnesium pro Quadratzentimeter der Oberfläche des Füllstoffmaterials erreicht worden war. Zwei Blöcke aus Matrixmetall 250, die beide ungefähr 2 in (51 mm) waren lang und ungefähr 1 in (25 mm) in der Breite und in der Tiefe maßen und ungefähr 11,0 - 13,0 Gewichtsprozent Silicium, ≤1,2 Gewichtsprozent Eisen, ungefähr 0,5 - 1,5 Gewichtsprozent Kupfer, ≤0,35 Gewichtsprozent Mangan, ungefähr 0,7 - 1,3 Gewichtsprozent Magnesium, ungefähr 2,0 - 3,0 Gewichtsprozent Nickel, ≤0,35 Gewichtsprozent Zink und ≤0,25 Gewichtsprozent Titan umfaßte, der Rest war Aluminium (nominell Aluminium-Association- Legierung Nr. 336), wurden in den Genauguß-Mantel 242 auf die Schicht aus teilchenförmigem Magnesiummaterial 263 gesetzt.
Der Genauguß-Mantel 242 und sein Inhalt wurden dann in eine Dose 252 aus rostfreiem Stahl gesetzt, die ungefähr 10 in (254 mm) breit, ungefähr 10 in (254 mm) lang und ungefähr 10 in (254 mm) hoch war, und die auf ihrer Innenseite mit GRAFOIL -Graphitfolie (Union Carbide Corp., Carbon Products Div., Cleveland, OH) mit einer nominalen Dicke von ungefähr 15 Milliinch (0,38 mm) ausgekleidet war. Es wurden ungefähr 7 Gramm an Drehspänen 146 aus Grade-RMC- 3-Magnesium (Reade Manufacturing Co.) und ungefähr 12 Gramm TI-LOY-97-Titanschwamm 82 (Chemalloy Company, Bryn Mawr, PA) außerhalb des Genauguß-Mantels in die Dose 252 aus rostfreiem Stahl gegeben. Die Drehspäne aus Magnesium und der Titanschwamm wurden als Sauerstoff-Fänger eingesetzt. Ein Bogen 256 aus Kupferfolie, der ungefähr 14 in (356 mm) mal ungefähr 16 in (406 mm) maß und ungefähr 6 Milliinch (0,15 mm) dick war, wurde über die Öffnung der Dose 252 aus rostfreiem Stahl gelegt. Diejenigen Teile des Bogens 256, die über die Seiten der Dose 252 ragten, wurden fest nach unten gegen die Seiten der Dose gefaltet, so daß eine isolierte Kammer gebildet wurde..
Die Dose 252 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt wurden in einen elektrischen Widerstandsofen mit Luftatmosphäre gegeben. Es wurde eine Stickstoff-Flußgeschwindigkeit von ungefähr 40 Kubikfuß pro Stunde (19 Liter pro Minute) im Inneren der Dose 252 durch ein Spülröhrchen 258, das durch eine Seite der Dose 252 ragte, eingestellt. Das Stickstoffgas entwich durch den Raum zwischen der Kupferfolie 256 und den äußeren Wänden der Dose aus rostfreiem Stahl. Der Ofen wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 800ºC pro Stunde von ungefähr Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 100ºC aufgeheizt. Nach dem Erreichen einer Temperatur von ungefähr 100ºC wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 170ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 440ºC erhöht. Nach dem Erreichen einer Temperatur von ungefähr 440ºC wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 12ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 550ºC weiter erhöht. Nach dem Erreichen einer Temperatur von ungefähr 550ºC wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 100ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 750ºC weiter erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 750ºC für ungefähr 1 Stunde wurde das Spülröhrchen 258 für das Stickstoffgas von der Dose 252 aus rostfreiem Stahl abgetrennt, und die Dose und ihr Inhalt wurden aus dem Ofen entnommen und auf eine wassergekühlte kupferne Kühlplatte gesetzt, um die gerichtete Verfestigung des schmelzflüssigen Matrixmetalls zu bewirken. Um die gerichtete Verfestigung zu unterstützen, wurde eine ungefähr 2 in (51 mm) dicke Decke aus FIBERFRAX -Keramikfaser (Carborundum Co., Niagara Falls, NY) auf die Oberseite der Dose gelegt.
Nachdem sich die Dose 252 aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt auf ungefähr Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurden der Genauguß-Mantel 242 und sein Inhalt aus der Dose 252 aus rostfreiem Stahl entfernt. Der Genauguß-Mantel 242 wurde mittels leichter Hammerschläge von seinem Inhalt entfernt, wobei sich zeigte, daß das Matrixmetall die Füllstoffmaterial-Mischung unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert hatte, der die Form von einem der mit Bornitrid beschichteten Styroporbecher sehr ähnlich wiederholte.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß die Beschichtung 240 aus Bornitrid als ein Sperrmaterial wirksam war, das das Ausmaß der Infiltration des Matrixmetalls auf die Füllstoffmaterial-Mischung 246 beschränkte und insbesondere die Infiltration des Matrixmetalls in den angrenzenden Genauguß-Mantel 242 verhinderte.

Beispiel 6

Dieses Beispiel demonstriert eine spezielle Beschichtung für einen Genauguß-Mantel, die als Sperrschichtmaterial zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundkörpern mit guten Oberflächeneigenschaften geeignet ist. Der Aufbau, der zur Durchführung des Prozesses der spontanen Infiltration verwendet wurde, war demjenigen, der in der Figur 2e gezeigt wurde, ähnlich, aber er wird extra in der Figur 7 gezeigt.
Das Folgende bezieht sich auf die Figur 7. Es wurde ein Genauguß-Mantel 64 um ein Wachsmodell herum mittels im wesentlichen des gleichen Verfahrens, das im Beispiel 1 beschrieben wurde, hergestellt, einschließlich des Blitzbrennens im gasbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre und des 2- bis 3stündigen Brennens im widerstandsbeheizten Ofen mit Luftatmosphäre zur Austreibung des chemisch gebundenen Wassers oder anderer verunreinigender Gase und zur Verfestigung des Genauguß-Mantels.
Es wurde eine Aufschlämmung, die ungefähr 5 Gewichtsprozent Gips (Potters Gips Nr. 1, U.S. Gypsum Corp.), ungefähr 15 Gewichtsprozent kolloidalen Grade-KS-44-Graphit (Lonza Inc.) und ungefähr 8 Gewichtsprozent kolloidales Siliciumoxid NYACOL -1430-AT (Nyacol Products Inc., eine Schwestergesellschaft der PQ-Corporation, Ashland, MA) umfaßte, der Rest war Wasser, hergestellt und in den Genauguß-Mantel 64 gegossen, so daß sie den Genauguß-Mantel im wesentlichen ausfüllte. Der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt wurden dann in eine Vakuumkammer gesetzt, und die Atmosphäre in der Kammer wurde auf ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule evakuiert, um wenigstens einen Teil des Genauguß-Mantels vom Aufschlämmungsmaterial infiltrieren zu lassen. Nach dem ungefähr 2minütigen Aufrechterhalten dieses Vakuums wurde die Vakuumkammer wieder auf Umgebungsdruck gebracht, der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt wurden aus der Vakuumkammer entnommen, und die Aufschlämmung im Inneren des Genauguß-Mantels, die nicht infiltriert hatte, wurde ausgegossen. Dann ließ man den Genauguß-Mantel 64 mit der Beschichtung 260 aus der vakuuminfiltrierten Aufschlämmung an der Luft bei Umgebungstemperatur ungefähr 16 Stunden lang trocknen.
Nachdem der jetzt beschichtete Genauguß-Mantel 64 im wesentlichen vollständig getrocknet war, wurde der beschichtete Genauguß-Mantel in einen Kammerofen von ungefähr Raumtemperatur gegeben, und es wurde eine Flußgeschwindigkeit von Formiergas (96 Volumenprozent N&sub2;, 4 Volumenprozent H&sub2;) von ungefähr 10 bis 12 Standardliter pro Minute eingestellt. Nach ungefähr 30minütigem Durchströmen der Ofenkammer mit dem Formiergas bei ungefähr Raumtemperatur wurde die Temperatur der Kammer mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde von ungefähr Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 900ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 900ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Stromversorgung der Heizelemente des Kammerofens unterbrochen, und man ließ die Ofenkammer mit ihrem Inhalt wieder auf Raumtemperatur abkühlen.
Man nimmt an, daß beim Aufheizen des Kammerofens und seines Inhalts in einer strömenden Atmosphäre aus Formiergas bei ungefähr 900ºC der Gips in der Beschichtung aus der infiltrierten Aufschlämmung unter Bildung von Calciumsulfat dehydriert wurde, das dann durch den Wasserstoff im Formiergas zumindest teilweise unter Bildung von Calciumsulfid reduziert wurde.
Es wurden ungefähr 1000 Gramm grünes teilchenförmiges 39-CRYSTOLON - Siliciumcarbid (Norton Company, Worcester, MA), das zu ungefähr 20 Gewichtsprozent Teilchen von 500 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 17 µm) umfaßte, der Rest bestand aus Teilchen von 220 Grit (durchschnittlicher Teilchendurchmesser ungefähr 66 µm, in eine Schale aus rostfreiem Stahl gegeben, und die Schale mit ihrem Inhalt wurde in eine Vakuum- Trockenapparatur gesetzt und ungefähr 4 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC und einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Die Schale aus rostfreiem Stahl und ihr Inhalt wurden dann aus der Vakuum-Trockenapparatur entnommen und ungefähr 1000 Gramm dieser Mischung wurden zusammen mit zusätzlichen 5 Gewichtsprozent teilchenförmigem Magnesiummetall (-325 Mesh, Atlantic Equipment Engineers, Bergenfield, NJ), bei dem im wesentlichen alle Teilchen einen Durchmesser von weniger als 45 µm hatten, in eine trockene Kugelmühle aus Porzellan von ungefähr 10 Liter (U.S. Stoneware Corp., Mahwah, NJ) gegeben, die ungefähr 2000 Gramm an trockenen, zylindrischen BURUNDUM -Kugelmahlsteinen (U.S. Stoneware Corp.) von ungefähr 0,5 in (13 mm) Durchmesser und ungefähr 0,5 in (13 mm) Höhe enthielt und ungefähr 2 Stunden auf einem rotierenden Mühlenständer gemischt. Die auf der Kugelmühle gemischte Füllstoffmaterial-Mischung wurde dann aus der Kugelmühle aus Porzellan entfernt und mindestens ungefähr 4 Stunden lang bei einer Temperatur von ungefähr 150ºC unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule vakuumgetrocknet. Das Folgende bezieht sich auf die Figur 7. Es wurden dann ungefähr 75 Gramm der gemahlenen und getrockneten Füllstoffmaterial-Mischung 262 in den beschichteten Genauguß-Mantel 64 gegossen. Der beschichtete Genauguß-Mantel 64 wurde dann zwei- oder dreimal sanft auf einer harten Oberfläche aufgeklopft, um die Füllstoffmaterial-Mischung 262 durch ein Zusammenbrechen ungewöhnlich großer Hohlräume oder Lufteinschlüsse zwischen den Füllstoffteilchen zu verdichten. Es wurde dann eine dünne Schicht aus teilchenförmigem Magnesiummaterial 263 (Teilchendurchmesser -24 +50 Mesh (zwischen ungefähr 430 µm und ungefähr 1035 µm), Reade Manufacturing Company, Lakehurst, NJ), bei dem im wesentlichen alle Teilchendurchmesser kleiner als 300 µm waren, gleichmäßig über die obere Fläche der Füllstoffmaterial-Mischung 262 gestreut, bis eine Konzentration von ungefähr 6 mg teilchenförmiges Magnesium pro Quadratzentimeter der Oberfläche des Füllstoffmaterials erreicht worden war. Es wurden ungefähr 600 Gramm eines Matrixmetalls in Form von Blöcken 264, die alle ungefähr 2 in (51 mm) lang, ungefähr 0,5 in (13 mm) breit und ungefähr 0,5 in (13 mm) dick und ungefähr 11,0 - 13,0 Gewichtsprozent Silicium, ≤1,2 Gewichtsprozent Eisen, ungefähr 0,5 - 1,5 Gewichtsprozent Kupfer, (0 35 Gewichtsprozent Mangan, ungefähr 0,7 - 1,3 Gewichtsprozent Magnesium, ungefähr 2,0 - 3,0 Gewichtsprozent Nickel, ≤0,35 Gewichtsprozent Zink und ≤0,25 Gewichtsprozent Titan umfaßten, der Rest war Aluminium, in den Genauguß- Mantel 64 auf die Schicht aus teilchenförmigem Magnesium 248 gesetzt. Der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt wurden dann in ein Graphitschiffchen 266 gesetzt, das ungefähr 8 in (203 mm) breit, ungefähr 8 in (203 mm) lang und ungefähr 2,5 in (64 mm) hoch war. Der Aufbau wurde vervollständigt durch die Zugabe von ungefähr 7 Gramm an Drehspänen 146 aus Grade-RMC-3- Magnesium (Reade Manufacturing Company), die als Sauerstoff-Fänger während des Prozesses der spontanen Infiltration dienten, in den unteren Teil der Dose 266 aus rostfreiem Stahl außerhalb des Genauguß-Mantels 64.
Der Aufbau, der die Dose 266 aus rostfreiem Stahl und ihren Inhalt umfaßte, wurde in einen Kammerofen gegeben, und die Kammer wurde von der äußeren Atmosphäre abgeschlossen. Es wurde eine Flußgeschwindigkeit von Stickstoffgas von im Handel erhältlicher Reinheit von ungefähr 10-12 Standardlitern pro Minute durch die Kammer eingestellt. Nachdem das Stickstoffgas ungefähr 30 Minuten durch die Kammer geströmt war, wurde die Temperatur in der Kammer mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde von ungefähr Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 200ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 200ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 560ºC weiter erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 560ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 800ºC weiter erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 800ºC für ungefähr 3 Stunden wurde die Stromzufuhr zu den Heizelementen des Kammerofens unterbrochen, und man ließ die Kammer und ihren Inhalt auf ungefähr Raumtemperatur abkühlen.
Nachdem sich die Kammer und ihr Inhalt auf ungefähr Raumtemperatur abgekühlt hatten, wurde die Ofenkammer geöffnet, und der Aufbau wurde entnommen. Der Genauguß-Mantel 64 und sein Inhalt wurden dann aus der Dose 266 aus rostfreiem Stahl entnommen. Der Genauguß- Mantel 64, der die Schlickerbeschichtung trug, wurde mittels leichter Hammerschläge entfernt, wobei sich zeigte, daß das Matrixmetall die Füllstoffmaterial-Mischung 262 unter Bildung eines Metallmatrix-Verbundkörpers infiltriert hatte, der die Form der Füllstoffmaterial-Mischung 262, wie sie durch den sie umgebenden beschichteten Genauguß-Mantel festgelegt wurde, sehr ähnlich wiederholte. Der gebildete Metallmatrix-Verbundkörper wies eine gute Oberflächenbeschaffenheit auf, mit sehr geringer Infiltration des Matrixmetalls über die Grenze der Füllstoffmaterial-Mischung 262 hinaus in den umgebenden Genauguß-Mantel 64 hinein.
Somit demonstriert das vorliegende Beispiel, daß eine dünne Schicht, die ungefähr 5 Gewichtsteile Calciumsulfat, 15 Gewichtsteile Graphit und 8 Gewichtsteile Siliciumoxid umfaßt, wobei zumindest ein Teil des Calciumsulfats zu Calciumsulfid reduziert wurde, wirkungsvoll als ein Sperrschichtmaterial für ein schmelzflüssiges Aluminium-Matrixmetall fungiert, so daß ein Metallmatrix-Verbundkörper mit guter Oberflächenbeschaffenheit erzeugt wird.

Beispiel 7

Das Verfahren aus Beispiel 6 wurde im wesentlichen wiederholt, mit den folgenden wichtigen Ausnahmen.
Die Aufschlämmung 260, die auf das Innere des Genauguß-Mantels 64 aufgetragen wurde, umfaßte ungefähr 20 Gewichtsprozent Gips und ungefähr 8 Gewichtsprozent kolloidales Siliciumoxid NYACOL -1430-AT (Nyacol Products Inc., eine Schwestergesellschaft der PQ- Corporation, Ashland, MA), der Rest war Wasser.
Das Brennen des Genauguß-Mantels umfaßte das Erhitzen des beschichteten und getrockneten Genauguß-Mantels unter einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 75ºC pro Stunde von ungefähr Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 400ºC. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 400ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 75ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 100ºC abgesenkt. Der beschichtete Genauguß-Mantel wurde bei einer Temperatur von ungefähr 100ºC im Vakuum belassen, bis der beschichtete Genauguß-Mantel bereit war, mit der Füllstoffmaterial- Mischung 262, der Schicht aus teilchenförmigem Magnesium 248 und dem Matrixmetall 264 gefüllt zu werden.
Das Schema des Ofenaufheizens zur Durchführung des Prozesses der spontanen Infiltration unterschied sich auch etwas von demjenigen, das für Beispiel 6 beschrieben wurde, und diese Unterschiede werden hier vor allem beschrieben. Die Ofenkammer und ihr Inhalt wurden zuerst auf ein Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule evakuiert und anschließend mit Stickstoffgas von im Handel erhältlicher Reinheit wieder auf Atmosphärendruck aufgefüllt. Die Kammer wurde dann ein zweites Mal evakuiert, ungefähr 0,5 Stunden lang bei einem Vakuum von ungefähr 30 in (762 mm) Quecksilbersäule gehalten und dann ein zweites Mal mit Stickstoffgas wieder auf im wesentlichen Atmosphärendruck aufgefüllt. Es wurde eine Flußgeschwindigkeit von Stickstoffgas von im Handel erhältlicher Reinheit von ungefähr 10 Standardlitern pro Minute durch die Ofenkammer eingestellt. Die Temperatur in der Kammer wurde dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde von ungefähr Raumtemperatur auf eine Temperatur von ungefähr 400ºC erhöht. Nach dem Aufrechterhalten einer Temperatur von ungefähr 400ºC für ungefähr 2 Stunden wurde die Temperatur dann mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 150ºC pro Stunde auf eine Temperatur von ungefähr 560ºC weiter erhöht. Das Aufheizungsschema zur Durchführung des Prozesses der spontanen Infiltration war danach im wesentlichen das gleiche wie dasjenige, das im Beispiel 6 offengelegt wurde.
Die Untersuchung des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers zeigte, daß die Beschichtung 260 des Genauguß-Mantels des vorliegenden Beispiel bewirkte, daß das Matrixmetall im wesentlichen die gesamte Masse der Füllstoffmaterial-Mischung 262, die im Genauguß-Mantel 64 enthalten war, spontan infiltrieren konnte, und daß sie verhinderte, daß die Infiltration des schmelzflüssigen Matrixmetalls im wesentlichen über die Grenzen der Füllstoffmaterial-Mischung 262 hinaus erfolgte. Die Oberflächenbeschaffenheit des gebildeten Metallmatrix-Verbundkörpers war gut.
Somit demonstriert dieses Beispiel, daß eine dünne Schicht, die ungefähr 20 Gewichtsteile Calciumsulfat und ungefähr 8 Gewichtsteile Siliciumoxid umfaßt, wirkungsvoll als ein Sperrschichtmaterial für ein schmelzflüssiges Aluminium-Matrixmetall fungiert, so daß ein Metallmatrix-Verbundkörper mit guter Oberflächenbeschaffenheit erzeugt wird.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Metallmatrix- Verbundkörpers, das umfaßt:

(a) Bereitstellen einer permeablen Masse, die wenigstens eines von einem Körper aus einem im wesentlichen nicht reaktiven Füllstoff und einer Vorform umfaßt,

(b) In-Kontakt-Bringen der genannten permeablen Masse mit einer reaktiven Sperrschichteinrichtung, die wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus (1) Calciumcarbonat, (2) Calciumsulfat, (3) Aluminiumphosphat, (4) kolloidalem Siliciumdioxid, (5) glasartigem Boroxid und (6) Borsilicatglas, um wenigstens eine Oberfläche der genannten permeablen Masse festzulegen; und

(c) Spontan-Infiltrieren wenigstens eines Teils der genannten permeablen Masse mit einem schmelzflüssigen Aluminium- Matrixmetall, so daß wenigstens ein Teil der genannten reaktiven Sperrschichteinrichtung erreicht wird und wenigstens ein Teil der genannten wenigstens einen Oberfläche des genannten Aluminium- Metallmatrix-Verbundkörpers festgelegt wird.

2. Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Metallmatrix- Verbundkörpers, das umfaßt:

In-Kontakt-Bringen einer permeablen Masse, die wenigstens eines von einem Körper aus wenigstens einem Füllstoffmaterial und einer Vorform umfaßt, mit einer reaktiven Sperrschichteinrichtung, wobei die genannte reaktive Sperrschichteinrichtung wenigstens einen Teil wenigstens einer Oberfläche der genannten permeablen Masse festlegt, wobei die genannte reaktive Sperrschichteinrichtung wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus (1) Calciumcarbonat, (2) Calciumsulfat, (3) Aluminiumphosphat, (4) kolloidalem Siliciumdioxid, (5) glasartigem Boroxid und (6) Borsilicatglas;

Spontan-Infiltrieren wenigstens eines Teils der genannten permeablen Masse mit einem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall, wobei wenigstens eines von dem Aluminium-Matrixmetall und der permeablen Masse in Gegenwart von wenigstens einem von einem Infiltrationsverstärkervorläufer, einem Infiltrationsverstärker und einer Infiltrationsatmosphäre für wenigstens einen Teil des Zeitraums der Infiltration vorliegt;

Fortsetzen der genannten spontanen Infiltration, bis das genannte schmelzflüssige Aluminiummetall wenigstens einen Teil der genannten reaktiven Sperrschichteinrichtung berührt, wodurch die Infiltration des genannten schmelzflüssigen Aluminium- Matrixmetalls an der genannten wenigstens einen Oberfläche der genannten permeablen Masse beendet wird; und

Abkühlen des genannten schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetalls innerhalb der genannten permeablen Masse auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Aluminium-Matrixmetalls, und dadurch Bilden eines Aluminium-Metallmatrix-Verbundkörpers, bei dem wenigstens ein Teil wenigstens einer Oberfläche durch die genannte reaktive Sperrschichteinrichtung festgelegt ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, das außerdem wenigstens ein Material, das als eine physikalische Sperrschicht wirkt, in Kombination mit der genannten reaktiven Sperrschicht umfaßt, die mit wenigstens einer Komponente des Aluminium- Matrixmetalls reagiert.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die genannte reaktive Sperrschicht mit wenigstens einem von dem Aluminium-Matrixmetall, dem Infiltrationsverstärkervorläufer und dem Infiltrationsverstärker reagiert.

5. Verfahren zur Herstellung eines Aluminium-Metallmatrix- Verbundkörpers, das umfaßt:

(b) In-Kontakt-Bringen der genannten permeablen Masse mit einer Sperrschichteinrichtung, die wenigstens ein Material umfaßt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bornitrid und Calciumsulfid, so daß wenigstens eine Oberfläche der genannten permeablen Masse festgelegt wird; und

(c) Spontan-Infiltrieren wenigstens eines Teils der genannten permeablen Masse mit einem schmelzflüssigen Aluminium- Matrixmetall, so daß dieses wenigstens einen Teil der genannten Sperrschichteinrichtung berührt und wenigstens ein Teil von wenigstens einer Oberfläche des genannten Aluminium-Metallmatrix- Verbundkörpers festgelegt wird.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 5, bei dem der genannte Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Oxiden, Carbiden, Boriden, Nitriden sowie einem Füllstoffsubstrat mit einem keramischen Überzug, wobei dieser Überzug ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Oxiden, Carbiden, Boriden, Nitriden und Mischungen davon.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der genannte wenigstens eine von dem genannten Infiltrationsverstärkervorläufer und dem Infiltrationsverstärker sowohl in dem genannten Aluminium- Matrixmetall als auch dem genannten Füllstoffmaterial bereitgestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der genannte Infiltrationsverstärker dadurch gebildet wird, daß man den genannten Infiltrationsverstärkervorläufer mit wenigstens einer Spezies umsetzt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus der Infiltrationsatmosphäre, dem Füllstoff und dem Aluminium-Matrixmetall besteht, wobei sich der Infiltrationsverstärkervorläufer während der Infiltration verflüchtigt und reagiert, so daß ein Reaktionsprodukt in wenigstens einem Teil des Füllstoffs gebildet wird, und wobei das genannte Reaktionsprodukt wenigstens teilweise von dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall reduzierbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Infiltrationsverstärkervorläufer Magnesium umfaßt und die Infiltrationsatmosphäre Stickstoff umfaßt.

10. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 5, bei dem der genannte Füllstoff wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Pulvern, Flocken, Plättchen, Mikrosphären, Whiskers, Blasen, Fasern, teilchenförmigen Stoffen, Fasermatten, gehackten Fasern, kugelförmigen Teilchen, Pellets, Röhrchen und Feuerfestgeweben, wobei der Füllstoff eine begrenzte Löslichkeit in dem schmelzflüssigen Aluminium-Matrixmetall aufweist und wobei der Füllstoff wenigstens ein keramisches Material umfaßt.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2 oder 5, bei dem die genannte reaktive Sperrschichteinrichtung geformt sein kann, so daß ein selbsttragender Körper gebildet wird, der wenigstens eines von einer Form für einen Kontakt mit der genannten permeablen Masse, die mit dem Aluminium-Matrixmetall infiltriert werden muß, und einem Einsatz umfaßt, der eine Innenoberfläche oder einen Hohlraum der genannten permeablen Masse festlegt, die mit dem Aluminium-Matrixmetall infiltriert werden soll.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der genannte selbsttragende Körper wenigstens ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer teilchenförmigen Mischung von Aluminiumoxid und Glasfritte und wenigstens einem Überzug aus kolloidalem Graphit.