DE69306762T2 - Verfahren zur herstellung von werkstoffen aus verbundguss mit einer aluminium-magnesium matrix-legierung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Werkstoff aus Verbundguß und insbesondere auf die Herstellung von solchen Werkstoffen aus Verbundguß, die eine Al-Mg-Matrix und Verstärkungspartikel, wie z.B. Aluminiumoxid, das zu Magnesium reaktiv ist, enthalten.
• Werkstoffe aus Verbundguß werden normalerweise durch Schmelzen einer Matrixiegierung in einem Reaktor und dann Zusetzen von kurzen, diskontinuierlichen Partikeln gebildet. Die Mischung wird kräftig gemischt, um ein Benetzen der Partikel mit der Matrixlegierung zu erreichen; nach einer geeigneten Mischzeit wird die Mischung dann in Formwerkzeuge oder Formen gegossen. Das Mischen wird ausgeführt, während das Einführen von Gas in die Mischung möglichst gering gehalten wird. Die resultierenden Werkstoffe aus Verbundguß enthalten die partikelförmige Verstärkung überall in der Matrix einer Legierungszusammensetzung verteilt.
• Derartige Werkstoffe aus Verbundguß sind in der Herstellung viel weniger teuer als andere Typen von Werkstoffen mit Metallmatrix, wie z.B. solche, die durch pulvermetallurgische Technologie und Infiltrationstechnik hergestellt werden. Verbundwerkstoffe, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, wie es z.B. in den US-Patenten 4 759 995, 4 786 467 und 5 028 392 beschrieben ist, haben es in nur wenigen Jahren nach ihrer Einführung zu großem wirtschaftlichen Erfolg gebracht.
• Wünschenswerterweise haben die Werkstoffe aus Verbundguß vollständig benetzte Partikel, wenig Poren und eine im allgemeinen gleichmäßige Mikrostruktur. Eine vollständige Benetzung ist notwendig, um die volle Festigkeit des Verbundwerkstoffs und andere mechanische Eigenschaften zu verwirklichen. Ebenso wichtig ist die Notwendigkeit, die Bildung von nachteiligen Phasen, die die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der fertiggestellten Werkstoffe aus Verbundguß nachteilig beeinträchtigen können, zu vermeiden.
• Das Vorliegen von Magnesium in der Aluminium- Legierungsmatrix von Werkstoffen aus Verbundguß, die mit Aluminiumoxidpartikeln verstärkt sind, hat ein bedeutendes Problem dargestellt. Magnesium im Bereich von etwa 0,5% oder mehr ist in vielen Aluminiumlegierungen erforderlich, um während der Behandlungen zum Aushärten ihre vollen Festigkeiten zu erzielen. Aluminiumatrixlegierungen mit derart großen Magnesiummengen, in der Größenordnung von 0,5% oder mehr der Matrix, benetzen Aluminiumoxidpartikel ohne weiteres, reagieren aber auch mit den Partikeln unter Produktion der-spröden Spinellphase MgAl&sub2;O&sub4;. Die Bildung der Spinellphase ist der Hauptgrund für eine Reduzierung des Magnesiumgehalts in der Matrixlegierung, welche die Matrixlegierung daran hindert, während der folgenden Behandlungen zum Aushärten ihr volles Festigkeitspotential zu erreichen. Die Menge des Spinells, das gebildet wird, hängt von drei Faktoren ab: dem Magnesiumgehalt in der Matrixlegierung, der Mischungstemperatur und der Mischungszeit. Unter normalen Mischbedingungen, bei denen die Mischtemperatur 680 bis 730ºC beträgt und die Mischzeit 1 bis 2 Stunden ist, wird der Magnesiumgehalt der Legierungsmatrix zum wichtigsten bestimmenden Faktor für die gebildete Spineilmenge. Aluminiummatrixlegierungen mit geringen Magnesiummengen weisen keine übermäßige Spinellbildung auf, benetzen aber auch die Aluminiumoxidpartikel nicht leicht.
• Es gibt eine Reihe von Techniken, die zur Erhöhung des Benetzens oder zur Steuerung der chemischen Wechselwirkungen zwischen der Matrix und den Partikeln angewendet werden können und die in einigen Fällen funktionieren können. Die Partikel können mit speziellen Beschichtungen modifiziert werden; allerdings kann der Beschichtungsvorgang die Kosten für die Partikel und den Verbundwerkstoff merklich erhöhen. Geringe Mengen an reaktiven Gasen können in die Mischkammer eingeleitet werden, allerdings kann das verbesserte Benetzen nur auf Kosten einer erhöhten Porosität des Werkstoffs aus Verbundguß erreicht werden. Ein weiterer Versuch zur Verbesserung der Benetzung besteht in einer Erhöhung der Temperatur, bei der das Mischen erfolgt; allerdings führt eine erhöhte Temperatur auch zu einer Beschleunigung der Produktion von nachteiligen Phasen, wenn solche Phasen thermodynamisch begünstigt sind, kinetisch aber bei niedrigeren Temperaturen in ihrer Bildung verlangsamt sind.
• Daher besteht nach wie vor ein Bedarf für eine verbesserte Technik zur Herstellung von Werkstoffen aus Verbundguß aus Aluminium-Magnesium-Legierungen und reaktiven Partikeln, insbesondere Aluminiumoxidpartikeln. Die vorliegende Erfindung deckt diesen Bedarf und liefert darüber hinaus weitere damit zusammenhängende Vorteile.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das zur Herstellung von Werkstoffen aus Verbundguß mit Aluminiumoxid-(oder anderen reaktiven)partikeln in einer Aluminium-Legierungsmatrix, die auch Magnsium enthält, verwendet wird. Mit diesem Verfahren werden Spinellbildung und Magnesiumverlust aufgrund von Spinellbildung stark vermindert. Der Legierung werden keine fremden Elemente zugesetzt, was ein wichtiger Vorteil in solchen Fällen darstellt, wo Zusätze andere Eigenschaften nachteilig beeinträchtigen können oder aus anderen Gründen unannehmbar sind. Das Verfahren wird mit einer herkömmlichen Mischapparatur für Verbundwerkstoffe durchgeführt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen einer ersten Mischung, die eine geschmolzene Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, welche mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthält, und eine Masse aus diskontinuierlichen Verstärkungspartikeln, die in der geschmolzenen Matrixlegierung nicht löslich sind (vorzugsweise Aluminiumoxidpartikel), enthält; und Mischen der ersten Mischung, um die Partikel mit der Matrixlegierung zu benetzen und die Partikel im gesamten Volumen der geschmolzenen Matrixlegierung zu verteilen. Die erste Mischung wird zur Reduzierung des Magnesiumgehaltes der Matrixlegierung auf weniger als 4 Gew.-% Magnesium verdünnt, wobei eine zweite Mischung hergestellt wird; die zweite Mischung wird dann gegossen. Vorzugsweise hat die Matrixlegierung der zweiten Mischung des Verbundwerkstoffs 0,5 bis 3 Gew.-% Magnesium und enthält der Verbundwerkstoff 5 bis 25 Vol.-% Verstärkungspartikel.
• Diese Erfindung basiert auf- zwei -Feststellungen: erstens, daß eine geschmolzene Al-Mg-Legierung mit mindestens 4 Gew.- % Magnesium während des Mischens mit Partikeln, wie z.B. Aluminiumoxid, unter Herstellung einer dünnen Spinellschicht an der Grenzfläche Partikel-Matrix chemisch reagiert; und zweitens, daß, wenn eine geschmolzene Matrixlegierung, die mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthält, mit den Partikeln vermischt wird, so daß die Spinellschicht an der Grenzfläche Partikel-Matrix gebildet wird, und- sie dann auf einen Gehalt von weniger als 4% Magnesium verdünnt wird, die Spinellreaktion an der Grenzfläche in der verdünnten Legierung nicht im wesentlichen Grad fortschreitet. Die Stabilisierung des geschmolzenen Verbundwerkstoffs gegenüber der fortschreitenden Spinellreaktion in der verdünnten Legierung ist wichtig, da ein geringer Bedarf an Verbundwerkstoffen besteht, die Al-Mg-Legierungsmatrices mit mehr als 4 Gew.-% Mg haben. Die Reaktionscharakteristika des Verbundwerkstoffs hängen von dem Weg ab, der benutzt wird, um den Endzustand zu erreichen; und der nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Verbundwerkstoff ist ein einzigartiger Werkstoff, das sich von dem nach anderen Techniken hergestellten unterscheidet.
• So wird beispielsweise ein Verbundwerkstoff Al-2 Gew.-%- Mg/Aluminiumoxid-Partikel, der direkt mit einer Al-2 Gew.-%- Mg-Matrixlegierung gemischt wird, eine schwere Spinellreaktion sowie Magnesiumverlust in der Matrix aufweisen. Ein Verbundwerkstoff derselben Zusammensetzung, das hergestellt wird, indem zunächst eine Matrixlegierung mit mindestens 4 Gew.-% Magnesium hergestellt wird, die Partikel mit der Matrixlegierung benetzt werden und die Mischung dann durch Zusatz von Aluminium verdünnt wird, erfährt nur eine sehr geringe Spinellreaktion und nur geringen Magnesiumverlust in der Matrix.
• Der Verbundwerkstoff wird vorzugsweise nach einem Verfahren hergestellt, in dem die Gasmenge in dem Verbundwerkstoff möglichst gering gehalten wird, um eine Grenzflächenbenetzung sowie gute Festigkeitseigenschaften zu begünstigen. Nach diesem Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs die Schritte eines Bereitstellens einer ersten Mischung aus einer geschmolzenen Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, die mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthält, und eine Masse diskontinuierlicher Verstärkungspartikel aus Aluminiumoxid, die in der geschmolzenen Matrixlegierung nicht löslich sind, enthält, und Mischen der ersten Mischung, um die Partikel mit der geschmolzenen Legierung zu benetzen. Das Mischen wird unter Bedingungen durchgeführt, daß die Teilchen im gesamten Volumen der Schmelze verteilt werden; und die Partikel und die Matrixlegierung, die gegeneinander verschoben werden, um ein Benetzen der Partikel durch die Matrix zu begünstigen. Das Mischen erfolgt, während die Einführung eines Gases in die erste Mischung aus Partikeln und geschmolzener Matrixlegierung und auch das Verbleiben eines Gases in dieser möglichst gering gehalten wird. Die erste Mischung wird danach zur Reduzierung des Magnesiumgehaltes der Matrixlegierung auf weniger als 4 Gew.-% Magnesium verdünnt, wobei eine zweite Mischung hergestellt wird, und dann gegossen.
• Die vorliegende. Erfindung stellt einen wichtigen Fortschritt auf dem Gebiet der Werkstoffe aus Verbundguß dar. Solche Werkstoffe, die Aluminium-Magnesium-Matrices und reaktive Partikel enthalten, können ohne Zusatz anderer Elemente zum Unterdrücken der Spinellreaktion hergestellt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen, welche beispielhaft die Prinzipien erläutern, klar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Fig. 1 ist ein Flußdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren;
• Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Magnesiumgehalt der Matrixlegierung einer Al-Mg/15 Vol. -%-Aluminiumoxid-Schmelze als Funktion der Zeit für das direkte Mischungsverfahren zeigt;
• Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Rate des Magnesiumverlustes der Matrixlegierung als Funktion des anfänglichen Magnesiumgehaltes der Matrixlegierung für Legierungen, die nach dem direkten Mischungsverfahren hergestellt werden, zeigt;
• Fig. 4 ist ein Diagramm, das den Magnesiumgehalt der Matrixlegierung einer Al-Mg/15 Vol.-%-Aluminiumoxid-Schmelze als Funktion der Zeit als Vergleich der Materialien, die nach dem direkten Mischungs- und nach dem Verdünnungsverfahren hergestellt sind, zeigt;
• Fig. 5 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Werkstoffes aus Verbundguß aus Al-2 Gew.-%-Mg/15-Vol.-%-Aluminiumoxid, der durch direktes Mischen hergestellt wurde; und
• Fig. 6 ist eine mikroskopische Aufnahme eines Werkstoffes aus Verbundguß aus Al-1,9-Gew.-%-Mg/15-Vol.-%-Aluminiumoxid, der nach dem Verdünnungsverfahren hergestellt wurde.
BESTE MODI ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
• Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte in einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nach dem Verdünnungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt. In Schritt 20 wird eine erste Matrixlegierung bereitgestellt und geschmolzen. Die erste Matrixlegierung ist eine Legierung auf Aluminiumbasis, die mindestens 4 Gew.-% Magnesium und wahlweise andere Elemente, wie z.B. eines oder mehrerer der folgenden Kupfer, Mangan, Silicium, Chrom und Zink enthält. Die anderen Elemente sind typischerweise wegen ihres Effektes auf mechanische oder physikalische Eigenschaften des fertiggestellten Werkstoffs aus Verbundguß vorhanden und gehen nicht in die Betrachtungen über die vorliegende Erfindung ein. Die Mengen der anderen Elemente müssen in Betracht der Verdünnung der Legierung zum Erreichen der Endzusammensetzung eingestellt werden. Die erste Matrixlegierung ist "auf Aluminiumbasis", was bedeutet, daß sie mehr als 50 Gew.-% Aluminium enthält. Geringere Aluminiumgehalte sind in dem vorliegenden Verfahren nicht praktikabel, da nach Verdünnung der Gehalt an Verstärkungspartikeln zu gering wäre, um einen praktischen Wert darzustellen.
• Die erste Matrixlegierung muß mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthalten. Wenn der Magnesiumgehalt niedriger ist, gibt es eine starke Spinellreaktion während des anfänglichen Mischens. Wenn der Magnesiumgehalt höher ist, ist die Reaktion unter Bildung einer kontinuierlichen Schutzschicht noch wirksamer. Für den Magnesiumgehalt gibt es keine technische Obergrenze, außer der, die dadurch auferlegt ist, daß der Aluminiumgehalt größer als 50 Gew.-% sein muß und daß andere Elemente in der Schmelze vorliegen. In der Praxis gibt es allerdings eine wichtige Obergrenze, die durch die Wirkung der nachfolgenden Verdünnung auf die Partikelvolumenfraktion auferlegt wird. Der Magnesiumgehalt der ersten Matrixlegierung kann nicht so hoch sein, daß nach Verdünnung auf den Gehalt der endgültigen oder zweiten Matrixlegierung die Volumenfraktion der Partikel weniger als das technische Minimum von 5 Vol.-% ist. Daher ist es im allgemeinen bevorzugt, daß die erste Matrixlegierung zwischen 4 und 7% Magnesium enthält.
• In einem erläuternden Beispiel einer praktischen Anwendung des vorliegenden Verfahrens wird ein Verbundwerkstoff, der eine Al-4-Gew.-%-Mg-Matrix und 30-Vol.-%-Oxid-Partikel als Verstärkung enthält, gemischt. Nach dem Mischen wird ausreichend Aluminium zugesetzt, um die Matrix auf Aluminiumbasis auf 3 Gew.-% Mg zu verdünnen; der resultierende Verbundwerkstoff hat einen Gehalt einer Aluminiumoxidpartikel-Verstärkung von 24,3 Vol.-%. Wenn die Matrix durch Zusatz von Aluminium auf 1 Gew.-% Mg verdünnt wird, hat der resultierende Verbundwerkstoff entsprechend einen Gehalt an Aluminiumoxidpartikel-Verstärkung von 9,7%. Sowohl diese Gehalte an Verstärkung wie auch die Verbundwerkstoffe sind von praktischem Wert. Ein Vergleich, beginnend mit einer Matrixlegierung auf Magnesiumbasis, wie sie im US-Patent 4 943 413 vorgeschlagen wird, zeigt sich, daß der endgültige Aluminiumoxidgehalt zu niedrig ist, um einen praktischen Wert darzustellen. Wenn ein Ausgangsmaterial auf Magnesiumbasis, das eine Matrix aus 68 Gew.-% Mg, 32 Gew.-% Al hat, mit 40 Vol.-% Aluminiumoxidpartikel als Verstärkung durch Zusatz von ausreichend Aluminium auf einen Magnesiumgehalt von 3 Gew.-% verdünnt wird, hat der resultierende Verbundwerkstoff einen Aluminiumoxidgehalt von nur 3,8 Vol.-%. Für den Fall, daß dasselbe Ausgangsmaterial auf einen Magnesiumgehalt von 1 Gew.-% verdünnt wird, hat der resultierende Verbundwerkstoff einen Aluminiumoxidgehalt von nur 1,3 Vol.-%. Diese Gehalte an Verstärkungsmittel sind zu niedrig, um einen praktischen Wert darzustellen.
• Die Matrixlegierung wird auf eine Mischtemperatur von 680 bis 730ºC erwärmt und vorzugsweise im Vakuum entgast. In Schritt 22 wird Partikelmaterial unter die Oberfläche der Schmelze oder auf die Oberfläche der Schmelze gegeben. Das Partikelmaterial kann auf einmal oder nach und nach während des Mischens zugesetzt werden. Das Partikelmaterial löst sich in der ersten Matrixlegierung nicht auf. Vorzugsweise erfolgt keine Auflösung, eine geringe Menge ist allerdings erlaubt. Außerdem haben die Verstärkungspartikel eine Zusammensetzung, daß sie mit Magnesium unter Bildung einer Magnesium-enthaltenden Phase, wie z.B. der Spinellphase (MgAl&sub2;O&sub4;), an der Partikel-Matrix-Grenzfläche chemisch reagieren. (Chemische Reaktion wird von einer Auflösung, wo keine Reaktion abläuft, unterschieden.)
• Das wirtschaftlich wichtigste der Partikelverstärkungsmaterialien ist Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) in irgendeiner seiner vielen Formen, aber auch andere Materialien, wie z.B. Verbindungen verschiedener Zusammensetzungen, die Aluminiumoxid enthalten, sind in dem vorliegenden Verfahren ebenfalls verwendbar. Die Partikel können auch Verunreinigungen, wie z.B. andere Oxide in kleineren Mengen enthalten. Der Bedarf für die vorliegende Erfindung rührt daher, daß einige Partikel-Typen, wie z.B. Aluminiumoxid bei erhöhter Temperatur mit dem in der Matrixlegierung vorliegenden Magnesium unter Bildung einer Spinellphase reagieren können; und sie ist daher, wo immer die Partikel eine ausreichende Menge Aluminiumoxid zur Herstellung einer wesentlichen Spinellreaktion enthalten, anwendbar. In einem typischen Fall haben die Partikel 5 bis 20 Mikrometer (µm) Durchmesser und ein Formverhältnis von 1 bis 5; allerdings sollen diese Parameter nur Beispiele sein und die Erfindung nicht beschränken. Die zugesetzte Menge des Partikelmaterials wird durch die geforderte Volumenfraktion der Partikel in dem fertigen Produkt aus Verbundguß und dem Verdünnungsgrad zur Erreichung des Magnesiumgehalts des Endproduktes bestimmt. Die Menge der Partikel in der ersten Mischung sollte ausreichend sein, um mindestens etwa 5 Vol.-% Partikel in der Mischung nach der Verdünnung bereitzustellen. Geringere Mengen der Partikel unterhalb dieser Mindestvolumenfraktion sind bei der Verbesserung der Eigenschaften des Verbundwerkstoffs nicht wirksam und rechtfertigen die Kosten zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs nicht. Wünschenswerterweise beträgt die Menge der Partikel in dem fertigen Produkt des Werkstoffs aus Verbundguß zwischen 5 und 25 Vol.-%.
• In Schritt 24 werden die Partikel und die erste Matrixlegierung miteinander vermischt, um die Partikel mit der Matrixlegierung zu benetzen. In dem bevorzugten Chargen- Mischverfahren wird das Mischen unter Vakuum und mit einem Schnellrührer hoher Scherung, der keinen Wirbel in der Mischung erzeugt, durchgeführt. Das Vermischen wird über einen ausreichend langen Zeitraum, typischerweise 30 bis 60 Minuten, durchgeführt, um ein Benetzen der Partikel mit der ersten Mischungslegierung zu erreichen und um die Bildung einer dünnen Schutzschicht an der Partikel-Matrix- Grenzfläche zu sichern. Derartige Mischtechniken und die dazugehörige Apparatur sind auf dem Fachgebiet bekannt und beispielsweise in den US-Patenten 4 759 995, 4 786 467 und 5 028 392 beschrieben.
• Das Resultat des Verfahrens in diesem Punkt ist eine Verbundwerkstoffschmelze, die eine erste Matrixschmelze mit mindestens 4 Gew.-% Magnesium, welche Partikel, wie z.B. Aluminiumoxidpartikel, benetzt. Die vorangehende Diskussion hat das bevorzugte Verfahren zur Herstellung dieser ersten Mischung offenbart, diese kann aber nach irgendeiner anderen durchführbaren Technik hergestellt werden. An diesem Punkt kann die erste Mischung in den folgenden Schritten eingesetzt werden, ohne daß sie in eine feste Form gegossen wird. Alternativ kann die erste Mischung in eine feste Form gegossen werden und dann entweder gelagert oder an einen anderen Ort zur Verdünnung versandt werden.
• In Schritt 26 wird die erste Mischung in Bezug auf Magnesium verdünnt, um den Magnesiumgehalt der Matrixlegierung auf weniger als 4 Gew.-% Magnesium unter Herstellung einer zweiten Mischung zu reduzieren. Die Verdünnung wird vorzugsweise durch Zusetzen von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die kein oder wenig Magnesium enthält, zu der Mischung durchgeführt. Die verdünnende Legierung sollte keine unbenetzten Partikel enthalten, da sie nicht mehr benetzt würden und sie würden aufgrund der fortschreitenden Spinellbildung in der verdünnten Legierung eine Verminderung erleiden. Die Verdünnung reduziert den Prozentgehalt an Magnesium in der geschmolzenen Matrixlegierung wie auch den Prozentgehalt der Konzentration anderer Elemente und die Volumenfraktion der Partikel in der Mischung. Aus diesem Grund müssen die anfänglichen Konzentrationen in der ersten Mischung mit dem Verdünnungsmaterial im Hintergrund so ausgewählt werden, daß die zweite Mischung die gewünschte Endzusammensetzung hat.
• In Schritt 28 wird das zugesetzte Verdünnungsmaterial in die erste Mischung eingemischt, um eine vollständige Dispersion in der Schmelze zu erreichen. Dieses Mischen kann ein relativ mäßiges, kurzes Vermischen sein, da der Zweck desselben lediglich die Erzeugung einer einheitlichen Schmelze und nicht das Benetzen der Partikel mit der geschmolzenen Matrixlegierung ist. Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verdünnungstechnik, während sie einen wünschenswerten Effekt auf die Spinellbildung ausübt, die Benetzung der Partikel mit der geschmolzenen Matrixlegierung, die vor einer Verdünnung erreicht worden war, nicht beeinträchtigt. Wenn gewünscht, kann ein Hoch-Schermischen durchgeführt werden, es ist allerdings nicht notwendig, wenn das Benetzen in der ersten Mischung erzielt worden ist.
• In Schritt 30 wird die zweite Mischung nach Verdünnung und Vermischen in eine feste Form gegossen. Es kann irgendeine Gießtechnik angewendet werden, einschließlich beispielsweise Ingot, Massel, DC oder kontinuierliches Gießen. Der Werkstoff aus Verbundguß ist zur Verwendung bereit.
• Es wurden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, um das Vorliegen der Verdünnungsverfahren zur Herstellung von Werkstoffen aus Verbundguß zu erläutern und um das Verdünnungsverfahren mit dem Verfahren des Standes der Technik zur Herstellung eines Werkstoffs aus Verbundguß direkt mit der endgültigen Matrixzusammensetzung zu vergleichen.
• In dem ersten Untersuchungssatz wurde eine Reihe von Verbundwerkstoffen durch das direkte Mischungsverfahren bei 720ºC im Vakuum mit Al-Mg-Legierungsmatrices und 15 Vol.-% Aluminiumoxidpartikeln hergestellt. Die Magnesiummenge in der anfänglichen Schmelze wurde von 1,24 Gew.-% bis 7, Gew.-% verändert. Nach 45-minütigem und 90-minütigem Mischen wurden Proben entnommen und hinsichtlich des Magnesiumgehaltes der Matrix untersucht; die Resultate sind in Tabelle I angegeben, wobei alle Magnesiumgehalte in Gew.- %, bezogen auf die Matrix, angegeben sind. TABELLE I
• Fig. 2 stellt die Resultate graphisch dar, wobei die Daten für die anfängliche Konzentration von 7,0% Mg weggelassen wurden, um eine Ausdehnung der Skala für die anderen Resultate zu ermöglichen. Sowohl aus Fig. 2 wie auch aus Tabelle I wird klar, daß der Magnesiumverlust schneller bei Legierungen mit niedrigem Magnesiumgehalt ist als bei Legierungen mit höherem Magnesiumgehalt. Fig. 3 stellt die Rate des Magnesiumverlustes als Funktion des anfänglichen Magnesiumgehaltes graphisch dar, was eine ansteigende Rate des Magnesiumverlustes für anfängliche Magnesiumgehalte von bis zu etwa 3% Magnesium und eine absteigende Rate oberhalb dieses Wertes erläutert. Oberhalb eines anfänglichen Magnesiumgehaltes von etwa 4% nähert sich die Rate Null. Der Bereich eines anfänglichen Magnesiumgehaltes zwischen etwa 3 und etwa 4 Gew.-% ist daher ein Übergangsbereich zwischen einem großen Magnesiumverlust bei niedrigeren Werten und einem Magnesiumverlust von nahe Null bei höheren Werten. Der Ausdruck "etwa 4%", der hier verwendet wird, soll die kritische Magnesiumkonzentration wiedergeben, oberhalb welcher der Magnesiumverlust durch Spinellbildung nahe Null ist. Es wurden andere Untersuchungen, ähnlich den oben beschriebenen, durchgeführt, um die Verlustrate für Magnesuim bei 705ºC und 740ºC zu bestimmen, und entsprechende Ergebnisse erhalten.
• Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß der Verlust von Magnesium aus der Matrix in erster Linie von der Bildung einer Spinellphase aufgrund einer Reaktion von Magnesium in der Matrixlegierung mit Aluminium und Sauerstoff in den Aluminiumoxidpartikeln herrührt. Einiges Magnesium kann durch Verdampfung verlorengehen, allerdings ist diese Menge relativ gering. Somit geben die Daten von Fig. 3 auch an, daß unter etwa 4 Gew.-% Magnesium hauptsächlich Spinellbildung auftritt, und daß oberhalb etwa 4 Gew.-% Magnesium eine Spinellbildung stark vermindert ist.
• In dem erfindungsgemäßen Verdünnungsverfahren wird das primäre Mischen in einer Legierung erreicht, die mindestens etwa 4 Gew.-% Magnesium enthält, um die Vorteile dieser Unterdrückung einer bei erhöhter Temperatur fortschreitende Spinellbildung zu erzielen. Es wird geglaubt, daß die Unterdrückung einer fortschreitenden Spinellbildung aus einer bevorzugten in situ-Bildung einer kontinuierlichen Schutzschicht an der Oberfläche der Partikel resultiert. Es wird angenommen, daß die Schutzschicht aus äußerst feinen Spinellkristalliten (10-100 nm) besteht. Wenn diese Schicht einmal an der Oberfläche des Aluminiumoxidpartikels gebildet ist, ist ein weiteres Fortschreiten der Spinellbildungsreaktion unterdrückt. Allerdings ist die Durchführbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht von irgendeinem Mechanismus abhängig und ist durch das Verständnis des Mechanismus nicht eingeschränkt.
• Es wurde eine zweite Reihe von Tests durchgeführt, um die Wirkung einer Verdünnung einer ersten Mischung, die eine Al- Mg-Matrixlegierung mit einem Magnesiumgehalt von über 4 Gew.-% und Aluminiumoxidpartikel enthält, zu beurteilen. In der vorstehend beschriebenen Art und Weise wurde eine erste Mischung hergestellt, die eine Al-4,7-Gew.-%-Mg-Matrix und 20 Vol.-% Aluminiumoxidpartikel enthielt. Durch den Zusatz von handelsüblichem reinen Aluminium wurden Proben dieser Legierung auf verschiedene Magnesiumgehalte verdünnt. Die verdünnten Schmelzen wurden 120 Minuten lang kontinuierlich gerührt, und nach 60 Minuten und nach 20 Minuten wurden Proben zur Bestimmung des Magnesiumgehaltes der Schmelze entnommen. In Tabelle II sind die Resultate dargestellt, wobei die festgestellte Magnesiumrnenge in Gew.-%, bezogen auf die zweite Matrixlegierung, angegeben ist. TABELLE II
• Die Resultate sind in Fig. 4 zusammen mit einer der Kurven aus Fig. 2 zum Vergleich graphisch dargestellt. Die durch das Verdünnungsverfahren gebildeten Verbundwerkstoffschmelzen erfuhren eine sehr geringe Verminderung des Magnesiumgehaltes der Matrix während dem Aussetzen einer Nachverdünnung. Im Gegensatz dazu erfuhr die nach dem direkten Mischungsverfahren hergestellte Verbundwerkstoffschmelze in demselben Zeitraum einen großen Magnesiumverlust.
• Aus diesen Resultaten wird geschlossen, daß der Stabilisierungsmechanismus, der bei Magnesiumgehalten über 4 Gew.-% wirksam war, nach einer Verdünnung der Verbundwerkstoffschmelze auf Magnesiumgehalte von weniger als 4 Gew.-% beibehalten wird. Das Beibehalten des Stabilisierungseffektes nach der Verdünnung ist bedeutend. Während der Effekt bei Magnesiumgehalten von über 4% eine gewisse Anwendung findet, haben die meisten Magnesiumenthaltenden Legierungen auf Aluminiumbasis Magnesiumgehalte in der Größenordnung von 0,5 bis 3%. Das Verdünnungsverfahren gestattet die Herstellung von Werkstoffen aus Verbundguß dieser Magnesiumgehalte bei gleichzeitiger Verhinderung der schädigenden Spinellbildung.
• Die Beibehaltung der Stabilisierung ist auch wichtig, da Magnesium-enthaltende Verbundwerkstoffschmelzen für lange Zeiträume bei der Gießternperatur gehalten werden können. Bei wirtschaftlichen Gießvorgängen ist es manchmal notwendig, eine Schmelze für einige Stunden bei der Gießtemperatur zu halten. Eine Inertgas-Druckdecke schützt gegen Oxidation der Schmelze, aber die Spinellbildungsreaktion läuft in Schmelzen, die durch das direkte Schmelzverfahren hergestellt wurden, ungeachtet des Schutzes gegen Oberflächenoxidation ab. Das vorliegende Verdünnungsverfahren unterdrückt die Spinellreaktion in verdünnten Legierungen, so daß sie über einen längeren Zeitraum bei der Gießtemperatur gehalten werden können.
• Die Fig. 5 und 6 zeigen die Mikrostrukturen von Verbundwerkstoffen, die durch das Verfahren des direkten Mischens (Fig. 5) und des Verdünnens (Fig. 6) hergestellt wurden und dann 60 Minuten lang vor einem Gießen bei Gießtemperatur gehalten wurden. (Die Mikrostrukturen sind in Königswasser geätzt, welches die Aluminium-Legierungsmatrix, nicht aber das Aluminiumoxid oder das Spinell angreift. Die Mikroaufnahmen stellen daher die Natur der Partikeloberfläche dar, die in Kontakt mit der Matrixlegierung ist.) Die Materialien haben vergleichbare anfängliche Magnesiumgehalte von etwa 25. Der durch direktes Mischen hergestellte Verbundwerkstoff hat eine wesentliche Spinellmenge in der Mikrostruktur, während der durch das Verdünnungsverfahren hergestellte Verbundwerkstoff nur eine feine Kristallitschutzschicht hat. Damit ist der nach dem Verdünnungsverfahren hergestellte Werkstoff einzigartig und nicht mit dem durch das direkte Verfahren hergestellte Material vergleichbar. Die Vermeidung einer fortschreitenden Spinellbildung hat zwei wichtige vorteilhafte Effekte: Verbesserung der Mikrostruktur und Verbesserung der Eigenschaften durch Eliminierung einer Spinellbildung und Eliminierung des Magnesiumverlustes aus der Matrix, welcher wiederum die Festigkeit begrenzt, die durch eine spätere Hitzebehandlung in der Matrix erreicht werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs, das die folgenden Schritte umfaßt:

- Bereitstellen einer ersten Mischung, die eine geschmolzene Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, die mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthält, und eine Masse aus diskontinuierjichen Verstärkungspartikeln, die in der geschmolzenen Matrixlegierung nicht löslich sind, und eine Zusammensetzung haben, welche zur Bildung einer Spinellphase an der Partikel-Matrix-Grenzfläche fähig ist, enthält, wobei die Matrixlegierung die Partikel benetzt;

- Verdünnen der ersten Mischung, um den Magnesiumgehalt der Matrixlegierung unter Herstellung einer zweiten Mischung auf weniger als 4 Gew.-% Magnesium zu reduzieren; und

- Gießen der zweiten Mischung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Matrixlegierung die Partikel benetzt, indem die geschmolzene Matrixlegierung auf Aluminiumbasis, die mindestens 4 Gew.-% Magnesium enthält, und die Masse aus diskontinuierlichen Verstärkungspartikeln, die in der geschmolzenen Matrixlegierung nicht löslich sind, gemischt werden, bis die Matrixlegierung die Partikel benetzt, und die Partikel überall im Volumen der geschmolzenen Legierung verteilt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die zweite Mischung mindestens 5 Vol.-% Partikel enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die zweite Mischung 5 bis 25 Vol.-% Partikel enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 2, in dem der Magnesiumgehalt der ersten Mischung der Matrixlegierung 4 bis 7 Gew.-% Magnesium ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, in dem der Magnesiumgehalt der zweiten Mischung der Matrixlegierung 0,5 bis 3 Gew.-% Magnesium ist.

74 Verfahren nach Anspruch 2, in dem während des Schrittes des Vermischens ein Vakuum an die erste Mischung angelegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, in dem der Schritt des Verdünnens durch Zusetzen von Aluminium zu der ersten Mischung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Verstärkungspartikel aus einem Material sind, das mit Magnesium chemisch reagiert.

10. Verfahren nach Anspruch 2, in dem die Verstärkungspartikel Aluminiumoxid enthalten.

11. Verfahren nach Anspruch 2, das nach dem Schritt des Mischens der ersten Mischung und vor dem Schritt des Verdünnens der erste Mischung die zusätzlichen Schritte (a) Gießen der ersten Mischung und danach (b) erneutes Schmelzen der ersten Mischung umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 2, in dem das Mischen nach jedem Schritt unter Scheren der Partikel und der Matrixlegierung durchgeführt wird, um ein Benetzen zu fördern, während die Einleitung von Gas in das Material, das vermischt wird, möglichst gering gehalten wird, und während die Retention von irgendwelchem Gas in dem Material, das vermischt wird, möglichst gering gehalten wird.