DE69206630T2

DE69206630T2 - Gegossene Verbundmaterial aus Al-Mg-Sr-Matrix mit Aluminiumoxidverstärkung.

Info

Publication number: DE69206630T2
Application number: DE69206630T
Authority: DE
Inventors: Christopher Gabryel; Iljoon Jin; David Lloyd; Alan Mcleod; Michael Skibo
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2012-10-16
Also published as: WO1993008311A1; DE69206630D1; EP0608299A1; JP3375958B2; AU2760392A; ATE131212T1; EP0608299B1; JPH07500148A

Description

Technisches Feld

Diese Erfindung bezieht sich auf gegossene Verbundmaterialien, und insbesonders auf die Herstellung solcher Verbundmaterialien mit verstärkenden Aluminiumoxidteilchen und einer Aluminiumlegierungsmatrix in der die Matrix gut an die Verstärkung benetzt ist, aber nicht reagiert, um weitgreifende schädliche Phasen zu bilden.

Technischer Hintergrund

Gegossene Verbundmaterialien werden normalerweise durch Schmelzen einer Matrixlegierung in einem Reaktor und dann durch Zugeben von Teilchen gebildet. Die Mischung wird gut gemischt, um Benetzen der Matrixlegierung an die Teilchen zu ermutigen, und die Mischung wird nach einer geeigneten Mischzeit in Formen oder Schalen gegossen. Die Mischung wird durchgeführt, während die Einführung von Gas in die Mischung klein gehalten wird. In den sich ergebenden Verbundmaterialien ist die Feststoffteilchenverstärkung durch eine Matrix einer Legierungszusammensetzung verteilt.
Solche gegossenen Verbundmaterialien lassen sich viel billiger als andere Arten von Metallmatrix-Verbundmaterialien herstellen, wie solche, die durch Pulvermetallurgietechnologie und Infiltriertechnologie hergestellt werden. Aus dem Gießereiannäherungsverfahren hergestellte Verbundmaterialien, wie sie in US Patenten 4759995, 4786467, und 5028392 beschrieben werden, hatten schon einige Jahre nach ihrer erstmaligen Einführung einen wirtschaftlichen Erfolg.
Die gegossenen Verbundmaterialien haben wünschenswerterweise vollständig benetzte Teilchen, wenige Leerräume, und eine im allgemeinen gleichförmige Mikrostruktur. Vollständige Benetzung ist notwendig, um die ganze Verbundstärke und andere mechanische Eigenschaften zu verwirklichen. Genauso wichtig ist das Bedürfnis, die Bildung von schädlichen Phasen zu vermeiden, die sich auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des gefertigten gegossenen Verbundmaterials nachteilig auswirken können.
Die Gegenwart von Magnesium in der Aluminiumlegierungsmatrix der gegossenen, mit Aluminiumoxidfeststoffteilchen verstärkten Verbundmaterialien hat ein bedeutendes Problem mit sich gebracht. In vielen Aluminiumlegierungen ist Magnesium in der Größenordnung von 1/2 Prozent oder darüber vorhanden, um während Alterungsbehandlungen ihre vollen Stärken zu erreichen. Aluminiummatrixlegierungen mit solchen hohen Mengen von Magnesium in der Größenordnung von 1/2 Prozent der Matrix oder darüber benetzen Aluminiumoxidfeststoffteilchen gut, aber sie können auch mit den Feststoffteilchen reagieren, um die brüchige Spinellphase MgAl&sub2;O&sub4; herzustellen. Die Menge des gebildeten Spinells hängt von drei Faktoren ab: dem Magnesiumgehalt der Legierung, der Mischungstemperatur, und der Mischungszeit. Der Magnesiumgehalt der Legierungsmatrix wird bei normalen Mischungszuständen, in denen die Mischungstemperatur 680-730ºC und die Mischungszeit 1-2 Stunden ist, der hauptsächliche bestimmende Faktor der gebildeten Spinellmenge. Aluminiummatrixlegierungen mit kleinen Magnesiummengen zeigen keine weitgreifende Spinellbildung; aber sie benetzen die Aluminiumoxidfeststoffteilchen auch nicht leicht.
In GB-A-2081353 wird ein faserverstärktes Metallverbundmaterial beschrieben, das ein Aluminium- oder Magnesiummatrixmetall einschließt, das wenigstens ein Element enthält, das von der Gruppe ausgewählt wird, die aus Metallen besteht, die zu den vierten und höheren Perioden der Gruppe (IA) in der Periodentafel gehören (Kalium, Cäsium, Rubidium, Francium), und zur fünften und höheren Perioden der Gruppe (IIA) in der Periodentabelle (Strontium, Barium, Radium) und Wismuth und Indium, zusammen mit Aluminiumoxidfasern. Es ist aber keine Beschreibung einer Matrix vorhanden, die aus einer Aluminiumlegierung besteht, die Magnesium enthält, und folglich kann keine Spinellbildung stattfinden.
Es gibt eine Anzahl von Techniken, die angewandt werden können, um Benetzung zu verbessern oder chemische Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den Teilchen zu steuern, die unter einigen Umständen erfolgreich sein können. Die Teilchen können mit besonderen Beschichtungen modifiziert sein, aber der Beschichtungsbetrieb kann die Kosten der Teilchen und des Verbundmaterials bedeutend erhöhen. Kleine Mengen von reaktiven Gasen können in die Mischungskammer eingeführt werden, aber die verbesserte Benetzung kann nur auf Kosten erhöhter Porosität in dem gegossenen Verbundmaterial erreicht werden. Ein Annäherungsverfahren, um die Benetzung zu verbessern, besteht darin, die Temperatur, bei der die Mischung durchgeführt wird, zu erhöhen, aber erhöhte Temperatur ergibt auch Beschleunigung der Herstellung von schädlichen Phasen, wo solche Phasen thermodynamisch begünstigt werden, die sich aber bei tieferen Temperaturen kinetisch langsam bilden.
Daher besteht ein kontinuierliches Bedürfnis nach einer verbesserten Technik zur Herstellung von gegossenen Verbundinaterialien von Aluminium-Magnesiumlegierungen und Aluminiumoxidteilchen. Die vorliegende Erfindung kommt diesem Bedürfnis nach und liefert weiterhin damit verwandte Vorteile.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Zusammensetzung, die bei der Herstellung von gegossenen Vebundmaterialien mit Aluminiumoxidfeststoffteilchen in einer Alumiumlegierungsmatrix, die auch Magnesium enthält, benutzt werden. Die Technik fordert die Zugabe einer gesteuerten kleinen Menge eines weiteren Legierungselements zur geschmolzenen Matrixlegierung, und kann daher mit bestehenden Verarbeitungsverfahren betrieben werden. Aluminiumlegierungen, die bis zu 3 Prozent Magnesium enthalten, die keine reaktive Spinellphase enthalten, können durch dieses Annäherungsverfahren hergestellt werden. Die Unterdrückung der Spinellbildung lädt mehr Magnesium über, das an den Alterungshärtungsreaktionen teilnimmt, wenn Magnesiumzugaben während der Mischung nicht gemacht werden, was zu wesentlich verbesserten mechanischen Eigenschaften für die gealterten Verbundmaterialien führt.
Ein Verbundmaterial umfasst in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Mischung von 5 bis 35 Volumenprozent verstärkende Aluminiumoxidteilchen und von 95 bis 65 Volumenprozent einer Matrixlegierung. Die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium beruhende Legierung, die von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium und eine ausreichende Menge Strontium enthält, um Spinellbildung in der Matrix auf einen gewünschten Stand zu verringern, vorzugsweise von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Strontium. Die Strontiummenge, die zugegeben werden muß, hängt von dem Grad der gewünschten Verringerung der Spinellbildung ab.
Die Verbundmaterialien werden durch Mischen einer geschmolzenen Mischung der angegebenen Zusammensetzung hergestellt, um die Matrixlegierung an die Teilchen zu benetzen, und die Teilchen durch das Volumen der Schmelze zu verteilen, während die Einführung von Gas in die geschmolzene Mischung und Zurückhaltung von Gas darin kleingehalten wird, und dann durch Gießen der Verbundmischung.
Die Verringerung der Spinellphasenbildung durch Zugabe von Strontium zu Aluminium-Magnesiummatrixlegierungen hat eine unerwartete und wichtige vorteilhafte Auswirkung durch Erhöhung der Anzahl von Aluminiumoxidarten, die zur Verstärkung geeignet sind. Bei Abwesenheit von Strontium hat nur calciniertes Aluminiumoxid irgendeinen Widerstandsgrad gegenüber Spinellbildung in einer Aluminiumlegierungsmatrix mit 0,15-3 Prozent Magnesium. Die Unterdrückung der Spinellbildung durch Zugabe einer ausreichenden Menge Strontium gestattet, daß zusätzlich zu calciniertem Aluminiumoxid andere Aluminiumoxidarten benutzt werden können, einschließlich geschmolzenes Aluminiumoxid, sprühgetrocknetes Aluminiumoxid, tafelförmiges Aluminiumoxid, und gesintertes Aluminiumoxid. Diese anderen Aluminiumoxidarten konnten in der Aluminium- Magnesiummatrix bisher nicht ohne grobe Schwierigkeit bei der Mischung des Aluminiumoxids in die geschmolzene Matrixlegierung benutzt werden.
In dem konventionellen Verbundmaterial mit Aluminiumoxidverstärkung und einer Aluminium- Magnesiumlegierungsmatrix erhöht die Bildung einer Spinellphase das Oberflächengebiet der Verstärkungsteilchen, und erhöht daher die Zähflüssigkeit der Matrixlegierung in dem geschmolzenen Zustand. Es ergibt sich davon, dar die minimale Gröpe und die maximale Menge von Aluminiumoxid, die in dem Verbundmaterial benutzt werden können, begrenzt sind. Zum Beispiel hat das kleinste Aluminiumfeststoffteilchen, das bei Volumenprozent Aluminiumfeststoffteilchen benutzt werden kann, wo sich Spinell bildet, eine Minimalbemessung von ungefähr 19-22 Mikrometer. Die Unterdrückung der Spinellbildung nach der vorliegenden Erfindung gestattet eine Verringerung der Minimalbemessung der Teilchen auf ungefähr 9-13 Mikrometer. Bei Volumenprozent Aluminiumoxidfeststoffteilchen, hat das kleinste Aluminiumoxidfeststoffteilchen, das in dem konventionellen Annäherungsverfahren benutzt werden kann, eine Minimalbemessung von ungefähr 9-10 Mikrometern. Die Unterdrückung der Spinellbildung nach der vorliegenden Erfindung verringert die Minimalbemessung der Teilchen auf ungefähr 6 Mikrometer. In einem anderen Beispiel ist der praktische maximale Volumenbruchteil der Aluminiumoxidfeststoffteilchenverstärkung, der in die Matrix gemischt werden kann, ungefähr 25 Volumenprozent, wo sich Spinell bildet, erhöht sich aber über 25 Volumenprozent und bis auf 35 Volumenprozent, wo Spinellbildung unterdrückt wird.
Daher wird, wenn das vorliegende Annäherungsverfahren benutzt wird, die Spinellbildung durch die Strontiumzugabe unterdrückt, so dar die Zähflüssigkeit der Matrix relativ klein bleibt. Daher können kleinere Teilchen und größere Volumenbruchteile von Teilchen benutzt werden.
Andererseits kann die Gegenwart von Strontium Natrium von dem Aluminiumoxid in die geschmolzene Matrix freigeben. Aluminiumoxid hat normalerweise eine geringe darin enthaltene Natriummenge, typischerweise in der Größenordnung von 0,2-0,6 Gewichtsprozent. Untersuchungen zeigen, dar das Aluminiumoxid normalerweise wenigstens zwei Phasen hat, eine Alphaphase mit wenig Natrium, und eine Betaphase, die bis zu 9 Gewichtsprozent Natrium einschließen kann. Die Al-Mg-Sr-Legierung der Erfindung kann Natrium von der Aluminiumoxidverstärkung in die Matrix durch einem Mechanismus abgeben, der sich auf Ionenaustausch beziehen kann. Das aufgelöste Natrium kann zu Heißaufspaltung, Aderchen, und andere Fehlern in dem Endprodukt führen. Es wird daher sehr bevorzugt, ein Aluminiumoxid mit wenig Natrium für die Verstärkung zu benutzen, das weniger als ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Natrium hat. Natrium wird von einem solchen Aluminiumoxid mit wenig Natrium in die Matrix aufgelöst, aber die aufgelöste Menge ist so klein, daß sie keine bedeutende Einwirkung auf die Eigenschaften des Endprodukts hat. Aluminiumoxid mit einem höheren Natriumgehalt ergibt einen zu hohen Natriumgehalt der Endmetallmatrix. Diese Forderung kann andererseits festgesetzt werden, indem man fordert, daß das Aluminiumoxid einen ausreichend kleinen Bruchteil der Betaphase hat, so dar der gesamte Natriumgehalt des Aluminiumoxids geringer als ungefähr 0,2 Gewichtsprozent ist.
Das Verbundmaterial der Erfindung hat eine auf Aluminium beruhende Matrix, die Magnesium enthält, das zur Fällungshärtung benötigt wird. Die Matrix ist gut an die Aluminiumoxidfeststoffteilchen benetzt, aber die Herstellung der Spinellphase wird verringert oder ganz unterdrückt, sogar wenn der Magnesiumgehalt in der Größenordnung von bis zu 3 Gewichtsprozent liegt. Die sich ergebenden Verbundmaterialien haben verbesserte mechanische Eigenschaften wegen der höheren Magnesiummenge, die in der Matrix zurückbehalten wird, um an der Alterungshärtung teilzunehmen. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der folgenden genaueren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen klar werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gesehen werden, die die Prinzipien der Erfindung durch ein Beispiel darstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Mikrograph eines Verbundmaterials mit 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen in einer AA-6061 Aluminiummatrix, ohne zugegebenes Strontium;
Figur 2 ist ein Mikrograph eines Verbundmaterials mit 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen in einer 6061- Aluminiummatrix, mit einer Zugabe von 0,1 Gewichtsprozent Strontium;
Figur 3 ist ein Mikrograph eines Verbundmaterials mit 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen in einer 6061- Aluminiummatrix, mit einer Zugabe von 0,5 Gewichtsprozent Strontium;
Figur 4 ist ein Graph der Verringerung der Spinellbildung als Funktion des Strontiumgehalts in einer 6061-Legierung, die 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen enthält;
Figur 5 ist ein Graph der Nachgiebigkeitsstärke als Funktion der Alterungszeit für Verbundmaterialien mit 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen in einer 6061-Aluminiummatrix, ohne Strontiumzugabe, und mit einer Zugabe von 0,6 Gewichtsprozent Strontium; und
Figur 6 ist ein Graph des Magnesiumgehalts der Matrix als Funktion der Mischungszeit für Verbundmaterialien mit 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen in einer 6061- Aluminiummatrix, und verschiedenen Strontiumzugaben.

Die besten Weisen zur Durchführung der Erfindung

Ein Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundmaterials schließt in Übereinstimmung mit der Erfindung ein, eine Mischung mit einer Zusammensetzung von 5 bis 35 Volumenprozent von verstärkenden Aluminiumoxidteilchen zu liefern, und von 95 bis 65 Volumenprozent einer geschmolzenen Matrixlegierung. Die Matrixlegierung ist eine auf Aluminium beruhende Legierung, die von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium enthält, und von 0,1 bis 2 Gewichtsprozent Strontium. Diese Zusammensetzung wird gemischt, um die Matrixlegierung an die Teilchen zu benetzen, und um die Teilchen durch das Volumen der geschmolzenen Matrix zu verteilen, während die Einführung von Gas in die Mischung und die Zurückhaltung von Gas in ihr klein gehalten wird. Die Mischung wird in eine Endgestalt gegossen, oder sie wird in eine halb beendete Gestalt zur weiteren Verarbeitung gegossen.
Die verstärkenden Teilchen werden hauptsächlich aus "Aluminiumoxid" in irgendeiner seiner verschiedenen Formen und Morphologien gebildet, wobei es auch Aluminiumoxid oder Al&sub2;O&sub3; genannt wird. Die Teilchen haben in einem typischen Beispiel einen Durchmesser von 5-10 Mikrometer mit einem Aspektverhältnis von 1-5, aber solche Parameter sind als Beispiele gedacht, und sollen die Erfindung nicht einsdhränken. Die Teilchen können auch andere Komponenten einschliessen, wie andere Oxide in Verunreinigungsmengen oder als beabsichtigte Zugaben. Die vorliegende Erfindung wird benötigt, da das Aluminiumoxid der Teilchen bei erhöhten Temperaturen chemisch mit in der Matrixlegierung vorhandenem Magnesium reagiert, um die Spinellphase MgAl&sub2;O&sub4; zu bilden, und sie ist daher nützlich, wenn die Teilchen genügend Aluminiumoxid enthalten, um eine wesentliche Spinellreaktion herzustellen.
Das Aluminiumoxid hat vorzugsweise einen Natriumgehalt (normalerweise als Natriumoxid vorhanden), der geringer als ungefähr 0,2 Gewichtsprozent ist. Wenn das Verbundmaterial hergestellt wird, dann wird die geschmolzene Matrixlegierung mit dem Aluminiumoxidverstärkungsfeststoffteilchen unter Hochscherbedingungen gebildet. Natrium kann von den Feststoffteilchen in die Matrix freigegeben werden, was zu einem aufgelösten Natriumgehalt in der Matrix führt. Das mit Magnesium vorhandene Natrium kann zu Heißbrüchigkeit führen, was sich auf die Gießbarkeit und Heißbearbeitung einwirkt. Nachdem das Verbundmaterial abgekühlt und die Matrix verfestigt ist, kann das aufgelöste Natrium Aufspaltung, Aderchen und andere Defekte verursachen, die die mechanischen Eigenschaften des Verbundmaterials verringern. Wenn das Natrium auf weniger als ungefähr 0,2 Prozent verringert ist, dann wird der Einfluß von aufgelöstem Natrium vernachlässigbar, und er kann geduldet werden.
Aluminiumoxid kann durch eine Verschiedenheit von Herstellungsverfahren hergestellt werden. Man sah durch Erfahrung, daß nur calciniertes Aluminiumoxid einen geringen Widerstand gegen Spinellbildung in Aluminium- Magnesiumlegierungsmatrizen herstellt, die durch die konventionellen Annäherungsverfahren hergestellt wurden. Diese Einschränkung der Auswahl der Aluminiumoxidart verringert die Fähigkeit des Legierungsgestalters, ein Aluminiumoxid auszuwählen, das dazu geeignet ist, um bestimmten Forderungen nachzukommen. Die Unterdrückung der Spinellbildung nach der vorliegenden Erfindung, bei welcher Strontium zugegeben wird, gestattet, daß eine Verschiedenheit verschiedener Arten von Aluminiumoxiden erfolgreich ohne Spinellbildung benutzt werden kann. Daher können andere Alumniumdioxidarten wie geschmolzenes Aluminiumoxid, sprühgetrocknete Aluminiumoxidfeststoffteilchen, tafelförmiges Aluminiumoxid, und gesintertes Aluminiumoxid benutzt werden.
Die bei dem vorliegenden Annäherungsverfahren benutzten Aluminiumoxidfeststoffteilchen, bei denen kein Spinell gebildet wird, um das wirksame Oberflächengebiet der Feststoffteilchen zu erhöhen, kann eine Minimalgröße haben, die geringer ist, als diejenige, die bei der Benutzung des Annäherungsverfahrens des Standes der Technik möglich ist, bei der Spinell gebildet wird. In einem konventionellen Verbundmaterial mit Aluminiumoxidteilchen in einer Aluminium- Magnesiumlegierungsmatrix müssen die Teilchen aus zwei Gründen größer als ungefähr 19-22 Mikrometer für 20 Volumenprozent Feststoffteilchen sein, und größer als ungefähr 9-10 Mikrometer für 10 Volumenprozent Feststoffteilchen. Kleinere Teilchen werden während der Spinellbildung zum größten Teil fortreagiert, und geschmolzene Mischungen, die kleinere Teilchen enthalten, werden zu zähflüssig, um richtig gemischt zu werden, wegen dem erhöhten Oberflächengebiet der Spinellreagierten Teilchen. Mit der Unterdrückung der Spinellbildung durch Strontiumzugabe können die Aluminiumoxidteilchen so klein wie ungefähr 9-13 Mikrometer in ihrer Minimalbemessung für 20 Volumenprozent Aluminiumoxidverstärkung gemacht werden, und 6 Mikrometer für 10 Volumenprozent Aluminiumoxidverstärkung, ohne sich aufzulösen, oder die Zähflüssigkeit auf einen nicht akzeptierbaren hohen Wert zu erhöhen.
Diese Ergebnisse können über dem Bereich der interessierenden Aluminiumoxidgehalte von ungefähr 5 bis ungefähr 35 Volumenprozent Alumniumoxid wie folgt interpoliert und extrapoliert werden. Für konventionelle Legierungen, bei denen Spinell sich an der Grenzfläche Teilchen/Matrix bildet, wird die Minimalgröße der Aluminiumoxidteilchen ungefähr durch das Verhältnis S&sub1; = KVa beschrieben, worin S&sub1; die gestattete Minimalgröße der Alumniumoxidteilchen in Mikrometer ist, Va die Menge von Aluminiumoxidfeststoffteilchen in der Mischung in Volumenprozent ist; und K eine Eichkonstante ungefähr gleich 1 ist. Für das Annäherungsverfahren der vorliegenden Erfindung, S&sub2; = 1/2KVa + 1, worin S&sub2; die gestattete Minimalgröße der Aluminiumoxidteilchen in Mikrometer ist, wo Spinellbildung unterdrückt wird.
Die verstärkenden Teilchen sind in einer Menge von ungefähr 5 bis ungefähr 35 Volumenprozent der Mischung vorhanden. (Die andere Komponente, die Matrix, ist daher in einer Menge von ungefähr 95 bis ungefähr 65 Volumenprozent der Mischung vorhanden.) Wenn weniger als ungefähr 5 Volumenprozent Teilchen vorhanden sind, dann wird durch ihre Anwesentheit kein technischer Wert verwirklicht, und die Herstellung eines Verbundmaterials wird weder technisch noch wirtschaftlich gerechtfertigt. Wenn mehr als ungefähr 35 Volumenprozent Teilchen vorhanden sind, dann ist die Verbundmischung zu zähflüssig und kann nicht richtig gemischt werden. Die Teilchen sin freifließend und können in die Matrix gemischt werden, im Unterschied zu kontinuierlichen Teilchen, die nicht so gemischt werden können.
Bei einem konventionellen Verbundmaterial mit Aluminiumoxidteilchen in einer Aluminium-Magnesiummatrix kann der Teilchenvolumenbruchteil nicht ungefähr 25 Prozent überschreiten, oder die Zähflüssigkeit der geschmolzenen Mischung ist zu hoch, um richtige Mischung zu gestatten. Wenn größere Volumenbruchteile vorhanden sind, dann verursacht die Spinellreaktion eine bedeutende Erhöhung des Oberflächengebiets der Teilchen, und daher der Zähflüsigkeit der geschmolzenen Mischung von Teilchen und der Matrixlegierung. Die Unterdrückung von Spinellbildung durch Zugabe einer ausreichenden Strontiummenge ergibt, dar das Oberflächengebiet der Teilchen während der Mischung konstant bleibt, und keine wesentliche Erhöhung der Zähflüssigkeit. Daher kann der Aluminiumoxidgehalt mit dem vorliegenden Annäherungsverfahren eine Höhe von ungefähr 35 Volumenprozent haben, und immer noch eine ausreichend geringe Zähflüssigkeit haben, um Mischen und Benetzen der Matrixlegierung an die Teilchen zu gestatten.
Die Matrix ist eine auf Aluminium beruhende Legierung. Sie enthält von ungefähr 0,15 bis ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium. Magnesium in diesem Bereich ist eine absolute Forderung der vorliegenden Erfindung. Ansonsten bildet sich Spinell nicht in einer ausreichenden Menge, um störend zu sein, und es besteht kein Bedürfnis nach Strontiumzugabe. Wenn weniger als ungefähr 0,15 Gewichtsprozent Magnesium vorhanden ist, dann spielt Magnesium keine wesentliche Rolle bei der Stärkung der Verbundmatrix, und, in jedem Fall ist eine unbedeutende Menge Spinellbildung vorhanden, so dar kein Problem offensichtlich ist. Wenn mehr als ungefähr 3 Gewichtsprozent Magnesium vorhanden ist, dann besteht ein hoher Grad von Spinellkernbildung, was ein akzeptierbares dichtes, feinkörniges, rißfreies Reaktionsprodukt ergibt.
In der Matrix muß eine ausreichende Menge Strontium vorhanden sein, um die Spinellphase auf einen gewünschten Stand zu verringern. Die Zugabe kann ausreichen, um die Bildung von Spinell teilweise oder ganz zu unterdrücken. Für praktische Zwecke ist "ganze Unterdrückung" als 95 Prozent Unterdrückung der Spinellbildung definiert worden. Vier Grundfaktoren sind identifiziert worden, die einen bestimmenden Einfluß auf die Auswahl des gestatteten Umfangs von Strontium, das dem gegossenen Verbundmaterial mit Aluminiumoxidteilchen in einer auf Aluminium beruhenden Matrix zugegeben wird. Diese Faktoren schliessen den Magnesiumgehalt der Matrixlegierung ein, die Temperatur der Legierung während des Mischens und des Gießens, die gesamte Mischungs- und Kontaktzeit zwischen der Matrixlegierung und den Feststoffteilchen, und den gewünschten Grad der Spinellunterdrückung. Es ist keine Theorie entwickelt worden, die alle diese Faktoren integriert, es sind aber einige Richtlinien für Bedingungen von kommerziellem Interesse identifiziert worden.
Daher ist die Kombination der richtigen Mengen von Magnesium und Strontium in der Aluminiummatrix zusammen mit einer Verstärkung, die reagiert, um Spinell zu bilden, ein notwendiger Teil des vorliegenden Annäherungsverfahren.
Das Verbundmaterial wird in einer typischen Situation durch Mischen bei einer Temperatur von ungefähr 730ºC hergestellt. Kontaktzeiten können von einer relativ kurzen Zeit von 45 Minuten zu einer erweiterten Zeit von ungefähr 120 Minuten schwanken, die sowohl aktives Mischen als auch eine Haltedauer vor der Vervollständigung der Verfestigung einschließen können. Es ist beobachtet worden, dar der Strontiumgehalt, der für eine Mischungstemperatur von 730ºC und eine Kontaktzeit von 45 Minuten benötigt wird, um eine Unterdrückung der Spinellbildung von 75 Prozent zu erreichen, die in der Größenordnung von 0,1 mal des Gewichtsprozents von Magnesium in der Matrixlegierung ist. Unter denselben Bedingungen ist der Strontiumgehalt, der benötigt wird, um eine Unterdrückung von 95 Prozent zu erreichen, (d.h., sprichwörtlich ganze Unterdrückung) in der Größenordnung von 0,4 mal des Gewichtsprozents von Magnesium in der Matrixlegierung. Für eine Mischungstemperatur von 730ºC und 120 Minuten Kontaktzeit ist der Strontiumgehalt, der benötigt wird, um eine Unterdrückung der Spinellbildung von 95 Prozent zu erreichen, in der Größenordnung von 0,6 mal des Gewichtsprozents von Magnesium in der Matrixlegierung.
Beruhend auf diesen Beobachtungen und auf der Kenntnis von Aluminiumlegierungsschmelzpraktiken sind einige allgemeine Schlüsse gezogen worden. Zunächst wird der höhere Grad der Unterdrückung von Spinellbildung (95 Prozent, oder ganze Unterdrückung) vorgezogen, da er von dem vorliegenden Annäherungsverfahren erreicht werden kann. Zweitens zeigen die Ergebnisse für kurze Mischungszeiten und einem minimalen Magnesiumgehalt der Matrix von 0,15 Prozent, dar die Strontiumzugabe so gering wie ungefähr 0,06 Prozent für 45 Minuten Mischungszeit oder 0,09 Prozent für 120 Minuten Mischungszeit sein kann. Die Anmelderin hat, beruhend auf dieser Analyse, einen minimalen Strontiumgehalt von ungefähr 0,1 als bevorzugt ausgewählt, und um einen kleinen Spielraum für die Möglichkeit zu liefern, daß in kommerzieller Gießereipraxis noch längere Haltezeiten stattfinden können. Drittens sollte der Strontiumgehalt der Matrix bei langen Mischungszeiten und einem maximalen Magnesiumgehalt von ungefähr 3 Gewichtsprozent ungefähr 1,8 Gewichtsprozent sein, um eine Unterdrückung der Spinellbildung von 95 Prozent zu erreichen. Die Anmelderin hat, beruhend auf diesen Ergebnissen, einen maximalen Strontiumgehalt bei dieser Magnesiumhöhe von ungefähr 2 Prozent ausgewählt, um einen kleinen Spielraum gegenüber der Möglichkeit zu liefern, dar in der tatsächlichen Gießereipraxis noch längere Haltezeiten stattfinden können.
Die Matrix kann auch andere Elemente enthalten, die normalerweise in Aluminiumlegierungen gefunden werden, die Magnesium enthalten. Solche Elemente schließen Kupfer, Nickel, Chrom, Eisen und Mangan ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Die Gegenwart von Strontium verringert den Magnesiumverlust von der Matrix, der durch die Spinellbildung verursacht wird, er hat aber scheinbar keinen bedeutenden Einfluß auf diese anderen Elemente.
Die Mischung von verstärkenden Teilchen und geschmolzener Matrixlegierung kann in irgendeiner betreibbaren Weise gebildet werden. Die Matrixlegierung wird vorzugsweise geschmolzen, und Magnesium (falls es noch nicht vorhanden ist) und Strontium werden zugegeben und in die Schmelze gerührt. Die verstärkenden Aluminiumoxidteilchen werden zur Schmelze zugegeben und durch Hochscherrühren eingebaut.
Die Mischung wird vorzugsweise nach dem in U.S. Patenten 4759995, 4786467, oder 5028392 beschriebenen Verfahren gemischt, um die Matrixlegierung an das Feststoffteilchenmaterial zu benetzen.
Das Mischen wird vorzugsweise ohne Wirbel in der Schmelze und in einem Vakuum oder einer statischen Stickstoffatmosphäre durchgeführt, gefolgt von Evakuierung. Die Wichtigkeit von minimalen Wirbeln in der Schmelze wird im Verhältnis zu Figur 1 von U.S. Patent 4786467. Die Benutzung eines Vakuums wird in U.S. Patenten 4759995 und 4786467 beschrieben. Die Minimalhaltung von Gas bei Benutzung einer Stickstoffatmosphäre während des Mischens, gefolgt von Evakuierung, wird in U.S. Patent 5028392 beschrieben. Die Mischung wird in einem typischen Beispiel 90-135 Minuten in einem Vakuum gemischt.
Die Mischung wird nach dem vervollständigten Mischen gegossen. Sie kann in Formen oder Blockformen, oder kontinuierlich gegossen werden. Es kann irgendein Gußverfahren benutzt werden, solange das Verfahren das Verbundmaterial abkühlt, so dar die Matrix sich mit einer gegossenen Mikrostruktur verfestigt.
Eine Anzahl von verschiedenen Legierungssystemen wurde hergestellt und getestet, um die Benutzung von Strontium zu verfizieren, um Spinellbildung zu unterdrücken. Das Verbundmaterial enthielt in jedem Fall eine Verstärkung von 15 Volumenprozent Aluminiumoxidfeststoffteilchen, und 85 Volumenprozent der Matrixlegierung. Die Matrixlegierungen waren eine 6061-Legierung (Nominalzusammensetzung 0,6 Gewichtsprozent Si, 0,25 Gewichtsprozent Cu, 1,2 Gewichtsprozent Mg, 0,20 Gewichtsprozent Cr, Rest Aluminium), die 0, 0,1, 0,2, 0,5, 0,6 oder 1,0 Gewichtsprozent Sr enthält; eine 7005-Legierung (Nominalzusammensetzung 1,4 Gewichtsprozent Magnesium, 4,5 Gewichtsprozent Zink, 0,45 Gewichtsprozent Mangan, 0,13 Gewichtsprozent Chrom, 0,04 Gewichtsprozent Titan, Rest Aluminium), die 0, 0,5 oder 1,0 Gewichtsprozent Strontium enthält; und eine 2024-Legierung (Nominalzusammensetzung 4,5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,6 Gewichtsprozent Mangan, 1,5 Gewichtsprozent Magnesium, Rest Aluminium), die 1,0 Gewichtsprozent Sr enthält.
Die Verbundmaterialien wurden durch Schmelzen der Nominallegierungszusammensetzung bei einer Temperatur von ungefähr 730ºC, und dann durch Zugeben der geeigneten Menge von Strontium in Gestalt einer Aluminium-10 Gewichtsprozent Strontiumhauptlegierung hergestellt. (Während des Mischungsbetriebs wurde keine Magnesiumzugabe gemacht, um freies Magnesium zu ersetzen, das ansonsten an die Spinellbildung verlorengehen würde.) Das Aluminiumoxidpulver wurde der Schmelze zugegeben, und der Reaktorbehälter wurde abgedichtet, und auf ein Vakuum von ungefähr 1 Torr oder weniger gepumpt. Die Mischung wurde unter Benutzung eines Lauf rads, das an der Oberfläche der Schmelze keinen Wirbel herstellte, mit einer Rührungsgeschwindigkeit von ungefähr 1200 rpm gemischt. Die Mischung wurde für 120 Minuten fortgeführt, sie wurde aber periodisch angehalten, um Proben der Schmelze für die chemische Analyse zu entnehmen. Das gemischte Verbundmaterial wurde in 57mm runde Blockformen gegossen und verfestigt.
Figuren 1-3 stellen Mikrostrukturen einer der untersuchten Legierungen dar, eine modifizierte 6061-Legierung mit 0 Gewichtsprozent Sr (Figur 1), 0,1 Gewichtsprozent Sr (Figur 2), und 0,5 Gewichtsprozent Sr (Figur 3). Die Spinellphase MgAl&sub2;O&sub4; ist in dem Verbund ohne Strontium, Figur 1, als kleine Kristalle vorhanden, die scheinbar an den Oberflächen von Aluminiumoxidteilchen haften. Es ist nur eine sehr kleine Menge von Spinellphase, die für die meisten Anwendungen als akzeptierbar beurteilt wird, in dem Verbundmaterial mit 0,1 Gewichtsprozent Strontium sichtbar, Figur 2. In dem Verbundmaterial mit 0,5 Gewichtsprozent Strontium ist im wesentlichen keine Spinellphase sichtbar. Die Gegenwart von Strontium in einer Menge von wenigstens ungefähr 0,1 Gewichtsprozent der Matrixlegierung reicht aus, um Spinellbildung auf eine akzeptierbare Höhe zu unterdrücken. Für andere untersuchte Legierungen wurden ähnliche Ergebnisse beobachtet.
Figur 4 stellt die Ergebnisse einer Auswertung des Spinellgehalts in Proben dar, die von verschiedenen Schmelzen nach einer Mischungsdauer von 45 Minuten entfernt wurden. Eine 75-prozentige Verringerung des Spinells verglichen mit Material ohne Strontiumzugabe wird als ausreichend angesehen. Diese Verringerung des Spinellgehalts wird bei solchen Legierungen erreicht, die 0,4 Prozent oder mehr Strontium enthalten. Diese Ergebnisse demonstrieren, daß die Menge des zugegebenen Strontiums eingestellt werden kann, um Spinellbildung um irgendeine gewünschte Menge zu verringern, von einer geringfügigen Verringerung bis zu einer im wesentlichen ganze Unterdrückung.
Die mechanischen Eigenschaften von einigen der gegossenen Verbundmaterialien wurden nach Mischung von einer Zeitdauer von Minuten untersucht. Insbesonders wurden Dehnungstestuntersuchungen an der 6061-Legierung durchgeführt, die 0 und 0,6 Gewichtsprozent Strontium enthält. Für diese Tests wurden gegossenen Verbundmaterialien zu einem Stab extrudiert, und als Dehnungstestproben maschinell hergestellt. Die Proben wurden mit einer Lösung bei 530ºC für eine Stunde wärmebehandelt, und mit Wasser abgeschreckt. Die Proben wurden bei einer Temperatur von 175ºC für verschiedene Zeitdauern von 0 bis 24 Stunden gealtert, und auf Nachgiebigkeit und Endstärke dehnungsgetestet.
Figur 5 berichtet Ergebnisse der Alterungstests, die die 0,2- prozentige Nachgiebigkeitsstärke als Funktion der Alterungszeit zeigt. Die Proben, die kein Strontium enthalten, zeigten nur eine geringe Alterungsreaktion, während die Proben, die 0,6 Gewichtsprozent Strontium enthalten, eine starke Alterungsreaktion zeigten. In den Proben ohne Strontium wird der größte Teil des Magnesiums reagiert, um während der Mischung zu bilden, und ist daher nicht verfügbar, um stärkende Niederschläge zu bilden. Andererseits bilden die Proben, die mehr als ungefähr 0,4 Gewichtsprozent Strontium enthalten, nicht eine Spinellphase (wie in Figur 3 gezeigt), was den größten Teil des Magnesiums verfügbar beläßt, um stärkende Niederschläge während der Alterung zu bilden.
Figur 6 stellt weitere Unterstützung dieses Verständnisses des Einflusses von Strontiumzugaben auf gegossene Aluminium- (plus Magnesium) Legierung-Aluminiumoxidverstärkungsverbundmaterialien dar. Proben der 6061-Legierungsmischung, die 15 Volumenprozent Aluminiumoxidteilchen hat und verschiedene Strontiummengen enthält, wurden nach den angezeigten Zeiten abgenommen, und die Matrix wurde chemisch auf Magnesiumgehalt analysiert. Die Schmelze, die kein Strontium enthält, zeigte eine kontinuierliche schnell Verringerung des Magnesiumgehalts, von ungefähr anfänglich 1,2 Prozent bis zu ungefähr 0,2 Prozent nach 120 Minuten. Die Schmelzen, die 0,1 und 0,2 Gewichtsprozent Strontium enthalten, zeigten eine viel langsamere Verringerung des Magnesiumgehalts.
Die Matrix, die 0,6 Gewichtsprozent Strontium enthält, zeigte eine kleine Verringerung des Magnesiumgehalts von ungefähr 1,2 Prozent bis ungefähr 1,0 Prozent. Da die 6061-Legierung häufig geschmolzen wird, um ungefähr 1,0 Gewichtsprozent Magnesium zu haben, is es klar, daß Lieferung von 1,2 Prozent Magnesium anfänglich eine akzeptierbare Magnesiumhöhe von 1,0 Prozent nach dem Mischen ergibt. Um den Einfluß des Magnesiumverlusts an die Mischungsumgebung unter Vakuum zu bewerten, wurde eine Probe der Matrix 6061-Legierung allein (keine Aluminiumoxidteilchen vorhanden) für 135 Minuten gemischt, und es wurde gefunden, daß es ein Verlust des Magnesiumgehalts bis zu ungefähr 1,05 Gewichtsprozent durchmacht (die gestrichelte Linie, die mit "nur Vakuum" bezeichnet ist). Figur 6 zeigt, daß fast der ganze Magnesiumverlust in der Legierung mit 0,6 Gewichtsprozent Strontium wegen Verdampfung statt wegen Spinellbildung stattfand, eine Folgerung, die von Figur 3 unterstützt wird. Figur 6 stimmt auch mit der Folgerung überein, daß der größte Teil des Magnesiumverlusts von der Matrix ohne Strontium wegen Bildung der Spinellphase statt wegen Verdampfung stattfindet.
Man wird zu schätzen wissen, daß diese Ergebnisse in Untersuchungen ehalten wurden, in denen der Schmelze kein Magnesium zugegeben wurde, um dasjenige zu ersetzen, das in einigen der Legierungen an die Spinellbildung verlorenging. In den kommerziellen Praktiken kann man für den Magnesiumverlust an die Spinellbildung durch Magnesiumzugaben während der Mischung kompensieren, aber das Bedürfnis nach solchen Zugaben macht den Schmelzprozeß des Verbundmaterials komplizierter und unberechenbar. Daher ist die Abwesenheit eines Bedürfnisses, für Magnesiumverlust an die Spinellreaktion zu kompensieren, ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung (da Strontium diesen Einfluß unterdrückt), und die zugeordnete Verringerung der Kompliziertheit des Schmelzbetriebs.
Daher haben kleine Mengen Strontium einen überraschend vorteilhaften Einfluß, wenn sie in einer Verbundlegierung aus Alurniniumoxidteilchen in einer Matrix vorhanden sind, die 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium enthält. Das Stromtium verringert oder unterdrückt die Bildung einer Spinellphase, die sich ansonsten bildet und die Matrix an verfügbarem Magnesium verarmt. Wenn genug Strontium vorhanden ist, dann wird die Spinellbildung unterdrückt, fast das ganze Magnesium ist zur Alterungshärtungsreaktion verfügbar, und das Verbundmaterial zeigt eine ausgezeichnete Härtungreaktion und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften. Diese Verbesserungen sind nicht auf Benetzungseinflüsse bezogen, da die Matrixlegierungen, die kein Strontium enthalten, ganz an die Teilchen benetzt sein können. Stattdessen ergeben sie sich von der beobachteten Verringerung der Spinellbildung, wenn Aluminiumoxidverstärkung in einer auf Aluminium beruhenden Matrixlegierung vorhanden ist, die Magnesium enthält.

Claims

1. Verbundmaterial, das eine Mischung von 5 bis 35 Volumenprozent verstärkende Aluminiumoxidteilchen umfasst, und von 95 bis 65 Volumenprozent einer Matrixlegierung, wobei die Matrixlegierung eine auf Aluminium beruhende Legierung ist, die von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium und eine ausreichende Menge Strontium enthält, um Spinellbildung in dem Verbundmaterial zu verringern.

2. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem der Strontiumgehalt höher als ungefähr 0,1 Gewichtsprozent der Matrix ist.

3. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem der Strontiumgehalt höher als ungefähr 0,4 Gewichtsprozent der Matrix ist.

4. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die Matrix eine gegossene Mikrostruktur hat.

5. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die verstärkenden Aluminiumoxidteilchen weniger als ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Natrium enthalten.

6. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die verstärkenden Aluminiumoxidteilchen von der Gruppe ausgewählt werden, die aus geschmolzenem Aluminiumoxid, sprühgetrocknetem Aluminiumoxid, tafelförmigem Aluminiumoxid, und gesintertem Aluminiumoxid besteht.

7. Verbundmaterial nach Anspruch 1, in dem die Minimalbemessung der verstärkenden Aluminiumoxidteilchen in dem Bereich von ungefähr S&sub2; bis ungefähr S&sub1; liegt, worin S&sub1; und S&sub2; jeweils durch S&sub1; = KVa und S&sub2; = 1/2KVa+1 gegeben sind, und S&sub1; und S&sub2; in Mikrometer gemessen werden, Va die Menge der vorliegenden Aluminiumoxidfeststoffteilchen in Volumenprozent des Verbundmaterials ist, und K eine Konstante ungefähr gleich 1 ist.

8. Verbundmaterial, das eine Mischung von 5 bis 35 Volumenprozent verstärkende Aluminiumoxidteilchen umfasst, und von 95 bis 65 Volumenprozent einer Matrixlegierung, wobei die Matrixlegierung eine auf Aluminium beruhende Legierung ist, die von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium und von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2 Gewichtsprozent Strontium enthält.

9. Verfahren zur Herstellung eines gegossenen Verbundmaterials, das die folgenden Schritte umfasst:

es wird eine Mischung mit einer Zusammensetzung von 5 bis 35 Volumenprozent verstärkende Aluminiumoxidteilchen geliefert, und von 95 bis 65 Volumenprozent einer geschmolzenen Matrixlegierung, wobei die Matrixlegierung eine auf Aluminium beruhende Legierung ist, die von 0,15 bis 3 Gewichtsprozent Magnesium und eine ausreichende Menge Strontium enthält, um Spinellbildung in dem Verbundmaterial zu verringern;

die Mischung wird gemischt, um die Matrixlegierung an die Teilchen zu benetzen, und die Teilchen durch das Volumen der geschmolzenen Matrix zu verteilen; die Mischung wird gegossen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, in dem der Stromtiumgehalt höher als ungefähr 0,1 Gewichtsprozent der Matrix ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, in dem der Stromtiumgehalt höher als ungefähr 0,4 Gewichtsprozent der Matrix ist.

12. Verfahren nach Anspruch 9, in dem der Stromtiumgehalt von ungefähr 0,1 bis ungefähr 2 Gewichtsprozent der Matrix ist.

13. Verfahren nach Anspruch 9, in dem der Mischungsschritt stattfindet, während die Einführung von Gas in die Mischung und das Halten von Gas in ihr kleingehalten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 9, in dem ein Vakuum während des Mischungsschrittes auf die Mischung angewandt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 9, in dem eine statische Stickstoffatmosphäre während des Mischungsschrittes auf die Mischung angewandt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 9, in dem die verstärkenden Aluminiumoxidteilchen weniger als ungefähr 0,2 Gewichtsprozent Natrium enthalten.

17. Verfahren nach Anspruch 9, in dem die verstärkenden Aluminiumoxidteilchen von der Gruppe ausgewählt werden, die aus geschmolzenem Aluminium, sprühgetrocknetem Aluminium, tafelförmigem Aluminium, und gesintertem Aluminium besteht.

18. Verfahren nach Anspruch 9, in dem die Minimalbemessungder verstärkenden Aluminiumteilchen in dem Bereich von ungefähr S&sub2; bis ungefähr S&sub1; liegt, worin S&sub1; und S&sub2; jeweils durch S&sub1; = KVa und S&sub2; = 1/2KVa+1 gegeben sind, und S&sub1; und S&sub2; in Mikrometer gemessen werden, Va die Menge der vorliegenden Aluminiumoxidfeststoffteilchen in Volumenprozent des Verbundmaterials ist, und K eine Konstante ungefähr gleich 1 ist.

19. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Volumenbruchteil der verstärkenden Aluminiumoxidteilchen von ungefähr 5 bis ungefähr 35 Volumenprozent ist.

20. Gegossenes Verbundmaterial, das durch das Verfahren nach Anspruch 9 hergestellt wird.