STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminiumboratwhisker und
eine Vorform daraus und insbesondere ein Verfahren zur
Herstellung von Aluminiumboratwhiskern und einer Vorform
daraus, die eine umgestaltete Oberfläche auf Basis einer
während der Herstellung der Aluminiumboratwhisker gebildeten
γ-Aluminiumoxidschicht (Gamma-Aluminiumoxid) aufweisen.
Beschreibung des Stands der Technik
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Aluminiumboratwhisker weisen eine üblicherweise mit
Al&sub1;&sub8;B&sub4;O&sub3;&sub3; ausgedrückte Zusammensetzung auf und sind
hinsichtlich Festigkeit, Elastizität, Hitzebeständigkeit und
chemischer Beständigkeit überragend, wodurch ein
überragendes Verstärkungsmaterial für einen Verbundwerkstoff
bereitgestellt werden kann. Dennoch sind Aluminiumboratwhisker zu
sehr geringen Kosten erhältlich, so daß ein durch
Aluminiumboratwhisker verstärkter Verbundwerkstoff auf Aluminiumbasis
zu viel geringeren Kosten erhältlich ist als ein
beispielsweise durch SiC-Whisker verstärkter Verbundwerkstoff.
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Direkt nach der Herstellung weisen die Aluminiumboratwhisker
im allgemeinen eine ihre Oberfläche bedeckende, gleichmäßige
γ-Aluminiumoxidschicht auf, wobei die γ-Aluminiumoxidschicht
entfernt wird, bevor die Whisker als Produkt ausgeliefert
werden, da das γ-Aluminiumoxid thermisch und chemisch
instabil ist. Mit Hinblick darauf wurde in der japanischen
Offenlegungsschrift Nr. 5-139899 vorgeschlagen, die eine
erhalten gebliebene, gleichmäßige γ-Aluminiumoxidschicht
tragenden Aluminiumboratwhisker zu erhitzen, so daß die
γ-Aluminiumoxidschicht in eine Schicht aus α-Aluminiumoxid
(Alpha-Aluminiumoxid) umgewandelt wird, die bei einer hohen
Temperatur stabil ist.
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Allerdings tritt bei einem Verbundwerkstoff mit einer durch
die Aluminiumboratwhisker verstärkten
Aluminiumlegierungsmatrix eine Reaktion
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Al&sub1;&sub8;B&sub4;O&sub3;&sub3; + 4Al = 11γ - Al&sub2;O&sub3; + 4B
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auf, und da B gegenüber Sauerstoff weniger reaktiv als Mg
ist, tritt überdies eine Reaktion
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γ - Al&sub2;O&sub3; + Mg + [O] = MgAl&sub2;O&sub4;
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auf, wodurch entlang der Oberfläche der Whisker eine Schicht
aus einem Spinell (MgAl&sub2;O&sub4;) gebildet wird und sich dadurch
die Menge an Mg in der Matrix verringert, während die
Festigkeit der Whisker abnimmt und sich dadurch die
Festigkeit des Verbundwerkstoffs verschlechtert.
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Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die vorstehend
genannten, durch die Bildung des Spinells hervorgerufenen
Probleme zu beseitigen, eingeschlossen einer Verbesserung
der Zusammensetzung des Matrixmetalls oder einer
Umgestaltung der Oberflächenschicht des Whiskers.
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Jedoch wurde festgestellt, daß selbst bei einer Behandlung
der Aluminiumboratwhisker gemäß dem Verfahren der vorstehend
genannten Veröffentlichung der Spinell weiterhin entlang der
Oberfläche der Whisker gebildet wird, wenn die
Aluminiumboratwhisker während der Herstellung eines
Verbundwerkstoffs, bei dem eine Mg-haltige Aluminiumlegierung durch die
Aluminiumboratwhisker verstärkt wird, an der Luft auf 800-
1200ºC erhitzt werden, was zeigt, daß die die Bildung des
Spinells unterdrückende Wirkung noch nicht ausreichend ist.
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In der JP-A-5117098 ist die Herstellung eines
Aluminiumboratwhiskers offenbart, der in einem Gasgemisch aus
Kohlenwasserstoffgas und Ammoniakgas erhitzt wird, damit sich an
der Oberfläche des Whiskers eine Nitridschicht ausbildet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung haben
verschiedene experimentelle Forschungen durchgeführt, um das
Leistungsvermögen der Aluminiumboratwhisker weiter zu
verbessern, und sie fanden, daß die Spinellbildung entlang
der Oberfläche der Aluminiumboratwhisker während der
Herstellung eines Verbundwerkstoffs, bei dem eine Matrix aus
einer Mg-haltigen Aluminiumlegierung durch
Aluminiumboratwhisker verstärkt wird, entschieden unterdrückt werden kann,
falls die eine Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid
tragenden Aluminiumboratwhisker vorab in einer besonderen
Gasatmosphäre auf eine Temperatur in einem bestimmten
Bereich erhitzt werden.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
auf den aus den Ergebnissen der experimentellen Forschungen
gewonnenen Erkenntnissen beruhend ein Verfahren zur
Herstellung von Aluminiumboratwhiskern bereitzustellen, durch das
ein Verbundwerkstoff mit einer höheren Festigkeit als zuvor
bereitgestellt werden kann, indem die Spinellbildung entlang
der Oberfläche der Whisker entschieden unterdrückt wird.
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Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe durch
ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumboratwhiskern mit
einer umgestalteten Oberfläche gelöst, das den Schritt des
derartigen Erhitzens von eine Oberflächenschicht aus
γ-Aluminiumoxid aufweisenden Aluminiumboratwhiskern in einer
Atmosphäre aus Ammoniakgas umfaßt, daß entlang der
Oberfläche der Whisker eine Schicht aus einer Aluminium-
Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung und Aluminiumoxid
ausgebildet wird. Die Atmosphäre kann nach Wunsch einen
Kohlenwasserstoff enthalten.
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Die Ausbildung der Schicht aus der Aluminium-Stickstoff-
Sauerstoff-Verbindung und Aluminiumoxid entlang der
Ober
fläche der Whisker kann unter der Bedingung erfolgen, daß
die eine Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid aufweisenden
Whisker in einer Vorform angeordnet werden und die Vorform
in einer Atmosphäre aus Ammoniakgas oder aus Ammoniakgas und
einem Kohlenwasserstoffgas derart erhitzt wird, daß entlang
der Oberfläche der zur Bereitstellung der Vorform
angeordneten Whisker eine Schicht aus einer Aluminium-Stickstoff-
Sauerstoff-Verbindung und Aluminiumoxid ausgebildet wird.
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Erfindungsgemäß bildet sich aufgrund der eine
Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid aufweisenden
Aluminiumboratwhisker, die in einer Atmosphäre aus Ammoniakgas oder aus
Ammoniakgas und einem Kohlenwasserstoffgas auf eine
verhältnismäßig hohe Temperatur wie 1000-1500ºC erhitzt werden,
entlang der Oberfläche der Whisker eine Schicht aus einer
Aluminium-Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung und einem
Aluminiumoxid, die sehr stabil gegenüber einer Reaktion mit
Mg ist, so daß die Spinellbildung entschieden vermieden
wird, wenn die auf diese Weise behandelten Whisker mit einem
Mg-haltigen Matrixmetall aus einer Aluminiumlegierung
gemischt werden, das zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs
daraus bei einer hohen Temperatur geschmolzen ist.
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Obwohl die Struktur der Schicht aus der Aluminium-
Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung und Aluminiumoxid
(nachstehend als "ALO-Schicht" bezeichnet) nicht sehr klar ist,
wird für das Material angenommen, daß es ein
Reaktionsprodukt aus Al&sub2;O&sub3; und N ist, das laut der
Röntgenbeugungsanalyse ein Signal mit höchster Intensität bei einem Abstand
zwischen Kristallgitterebenen von annähernd 2,73 (2,71-
2,75), ein Signal mit der zweit- oder dritthöchsten
Intensität bei einem Abstandswert von annähernd 2,44 (2,42-
2,46) und ein Signal mit der dritt- oder zweithöchsten
Intensität bei einem Abstandswert von ungefähr 2,83 (2,81-
2,85) zeigt und das eine zu θ-Al&sub2;O&sub3; ähnliche Phase aufweist.
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Enthält die Atmosphäre außer dem Ammoniakgas zudem ein
Kohlenwasserstoffgas, bewirkt das Kohlenwasserstoffgas eine
Beschleunigung der Nitrierreaktion, indem der infolge der
Reduktion des Ammoniakgases erzeugte Dampf entfernt wird.
Laut den Ergebnissen der von den Erfindern durchgeführten
experimentellen Forschungen ist es wünschenswert, daß das
Volumenverhältnis von Ammoniakgas zu Kohlenwasserstoffgas
200 : 1-2 : 1 beträgt.
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Des weiteren ist laut den Ergebnissen der von den Erfindern
durchgeführten experimentellen Forschungen, obgleich die
ALO-Schicht die Spinellbildung entlang der Oberfläche von
Aluminiumboratwhiskern bei jeder Dicke wirksam unterdrückt,
die Wirkung erst dann deutlich wahrnehmbar, wenn die
Durchschnittsdicke der ALO-Schicht nicht weniger als 10 nm
beträgt, und wird insbesondere dann deutlich erkennbar, wenn
deren Durchschnittsdicke nicht weniger als 20 nm beträgt.
Wenn die Durchschnittsdicke der ALO-Schicht jedoch 250 nm
und insbesondere 300 nm übersteigt, nimmt die Wirkung der
ALO-Schicht bezüglich der Unterdrückung der Spinellbildung
nicht mehr wesentlich zu, während sich andererseits zusammen
mit einem erheblichen Anstieg der Herstellungskosten die
Qualität der Whisker selbst verschlechtert. Daher sollte die
ALO-Schicht erfindungsgemäß vorzugsweise so gebildet werden,
daß sie eine Durchschnittsdicke von 10-300 nm und
insbesondere von 20-250 nm aufweist.
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Die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren entlang der
Oberfläche von Aluminiumboratwhiskern ausgebildete
ALO-Schicht enthält manchmal sehr feine Partikel aus
α-Aluminiumoxid, die darin als Verbundstoff verteilt sind.
Die eine derartige Zusammensetzung aufweisende ALO-Schicht
unterdrückt die Spinellbildung ebenfalls entschieden. Auch
die ALO-Schicht dieser Art sollte auf die gleiche Weise wie
die kein derartiges sehr feines α-Aluminiumoxid enthaltende
ALO-Schicht vorzugsweise so ausgebildet werden, daß sie eine
Durchschnittsdicke von 10-300 nm und insbesondere von 20-
250 nm aufweist.
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Des weiteren weisen die entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Aluminiumboratwhisker manchmal eine
hauptsächlich aus AlN bestehende, auf der Außenseite der
entlang der Oberfläche der Whisker ausgebildeten ALO-Schicht
ausgebildete Schicht auf. Auch die eine derartige
Außenschicht aufweisende ALO-Schicht unterdrückt die
Spinellbildung. Bei einem derartigen mehrlagigen Aufbau sollte die
hauptsächlich aus AlN bestehende Schicht vorzugsweise keine
Durchschnittsdicke von mehr als 100 nm und vorzugsweise von
mehr als 50 nm aufweisen.
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Erfindungsgemäß können die Aluminiumboratwhisker zur
Herstellung eines whiskerverstärkten Verbundwerkstoffs
verwendet werden, wobei die im Verlauf der
Whiskerherstellung gebildete Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid ohne
entfernt zu werden beibehalten bleibt, und daher sind zu
geringeren Kosten als über das Verfahren, bei dem die
γ-Aluminiumoxidschicht entfernt und danach entlang der
Oberfläche der Whisker eine AlN-Schicht ausgebildet wird,
Aluminiumboratwhisker mit hohem Leistungsvermögen verfügbar,
die keine Spinellbildung aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine Darstellung einer gemäß dem Verfahren zur
Herstellung von Aluminiumboratwhiskern angefertigten Vorform.
bzw. einer erfindungsgemäßen Vorform daraus;
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Fig. 2 eine Darstellung eines Vorgangs, bei dem die in Fig.
1 gezeigte Vorform in einer besonderen Atmosphäre erhitzt
wird;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines
entlang seiner Oberfläche eine ALO-Schicht aufweisenden
Aluminiumboratwhiskers;
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Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Vorgangs, bei dem
die Aluminiumboratwhisker auseinandergenommen werden;
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Fig. 5 einen Längsschnitt eines Behälters und einer darin
eingeführten Vorform aus den Aluminiumboratwhiskern;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung des Vorgangs, bei dem
mittels einer Hochdruckgießvorrichtung mit der in Fig. 5
gezeigten Vorform aus den Aluminiumboratwhiskern ein
Verbundwerkstoff geformt wird;
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Fig. 7 eine TEM-Fotografie des Metallgefüges an der Grenze
zwischen den Aluminiumboratwhiskern und dem Matrixmetall bei
dem gemäß der ersten Ausführungsform hergestellten
Verbundwerkstoff; und
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Fig. 8 eine TEM-Fotografie des Metallgefüges an der Grenze
zwischen den Aluminiumboratwhiskern und dem Matrixmetall bei
dem gemäß Vergleichsbeispiel 1-2 hergestellten
Verbundwerkstoff.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend wird die vorliegende Erfindung ausführlicher
anhand von einigen bevorzugten Ausführungsformen unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
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Als erstes wurden, wie in Fig. 1 gezeigt ist,
Aluminiumboratwhisker 10 mit 0,5-1 um Durchmesser und 10-30 um
Länge, die von Shikoku Chemical Industries Co., Ltd.
hergestellt wurden, so angeordnet, daß eine 40 g schwere und
100 · 100 · 15 mm große rechtwinklige parallelepipedförmige
Vorform 12 mit zufälligen Orientierungen bereitgestellt
wurde, ohne daß die Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid
bewußt entfernt wurde. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wurde die
Vorform 12 dann in einer Atmosphäre aus Ammoniakgas 14 für 3
Stunden auf 1300ºC erhitzt.
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Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt des
Aluminiumboratwhiskers 10, bei dem sich infolge der vorstehend
genannten Behandlung entlang seiner Oberfläche eine 0,1 um
dicke ALO-Schicht 16 gebildet hat. 10A ist ein Teil, der im
wesentlichen aus lediglich Aluminiumborat besteht. Die
Grenze zwischen der ALO-Schicht 16 und dem im wesentlichen
aus Aluminiumborat bestehenden Abschnitt ist in Wirklichkeit
nicht so scharf, wie in der Figur dargestellt ist.
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Dann wurden die von der ALO-Schicht bedeckten
Aluminiumboratwhisker, wie in Fig. 4 gezeigt ist, in ein Bad aus
destilliertem Wasser 18 gegeben und unter Rühren des
destillierten Wassers und der Whisker durch einen Propeller 20 in
ausreichendem Maße auseinandergenommen, wobei die Whisker
danach durch ein Formgebungswerkzeug in eine
dreidimensionale, 100 · 38 · 16 mm große Vorform geformt wurden und die
Vorform dann zusammen mit dem Formgebungswerkzeug in einen
Kühlschrank gesetzt wurde, um solange bei -50ºC gehalten zu
werden, bis das in der Vorform enthaltene Wasser vollständig
gefroren war.
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Dann wurde die Vorform aus dem Formgebungswerkzeug entfernt,
wobei die Vorform 26 dann, wie in Fig. 5 gezeigt ist, in
einen Behälter 24 aus rostfreiem Stahl (JIS SUS304) mit
einem Innenvolumen von 38 · 16 mm im Querschnitt und 140 mm
Länge eingeführt wurde, der daran angeformt einen
Gewichtsabschnitt 22 aufwies. Dann wurde die Vorform zusammen mit
dem Behälter derart erhitzt, daß die Vorform vollständig
getrocknet wurde. Die auf diese Weise angefertigte Vorform
wies die Aluminiumboratwhisker mit den entlang deren
Oberfläche gebildeten ALO-Schichten zufällig orientiert mit
einem Volumenanteil von 30% auf.
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Dann wurde die Vorform 26 für eine Stunde bei 600ºC
vorgeheizt, wobei die Vorform danach, wie in Fig. 6 gezeigt ist,
zusammen mit dem Behälter 24 auf den Boden einer Gußform 30
einer Hochdruckgießvorrichtung 28 gesetzt wurde, woraufhin
eine geschmolzene Aluminiumlegierung (JIS 2024) mit einer
Temperatur von 800ºC in die Gußform eingegossen wurde und
die geschmolzene Aluminiumlegierung dann von einem
Druckkolben 34 mit einem Druck von annähernd 1000 kgf/cm²
zusammengepreßt wurde, wobei der Druck bis zur vollständigen
Erstarrung der Metallschmelze aufrechterhalten wurde. Danach
wurde der erstarrte Körper mittels eines Auswerferstifts 36
aus der Gußform 30 ausgebracht, und aus dem aus der durch
die Aluminiumboratwhisker mit der ALO-Oberflächenschicht
verstärkten Aluminiumlegierung gebildeten Verbundwerkstoff
wurde mittels einer maschinellen Bearbeitung ein Block
gefertigt und der Block aus dem Verbundwerkstoff einer
Wärmebehandlung T6 unterzogen.
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Zu Vergleichszwecken wurden von Shikoku Chemical Industries
Co., Ltd. hergestellte Aluminiumboratwhisker mit 0,5-1 um
Durchmesser und 10-30 um Länge, die wie ein gewerblich
erhältliches Produkt durch Entfernen der Oberflächenschicht
aus γ-Aluminiumoxid präpariert worden waren, auf die gleiche
Weise und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1
verarbeitet, wodurch entlang der Oberfläche der Whisker eine
AlN-Schicht gebildet wurde, was Vergleichsbeispiel 1-1
ergab, und wobei unter Verwendung dieser Whisker auf die
gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen wie bei
Ausführungsform 1 ein Verbundwerkstoff hergestellt wurde.
Der auf diese Weise erhaltene Verbundwerkstoff wurde
ebenfalls der Wärmebehandlung T6 unterzogen.
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Des weiteren wurden zum Vergleich auch zwei weitere Muster
auf die gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen wie
bei Ausführungsform 1 angefertigt, indem
Aluminiumboratwhisker verwendet wurden, deren Oberflächenschicht aus
γ-Aluminiumoxid ohne entfernt zu werden beibehalten wurde,
was Vergleichsbeispiel 1-2 ergab, oder indem
Aluminiumboratwhisker verwendet wurden, von denen die Oberflächenschicht
aus γ-Aluminiumoxid entfernt wurde, so daß sie einem
gewerblich erhältlichen Produkt entsprachen, was
Vergleichsbeispiel 1-3 ergab, wobei die auf diese Weise hergestellten
Verbundwerkstoffe ebenfalls der Wärmebehandlung T6
unter
zogen wurden.
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Aus den Blöcken der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden
Biegeprobekörper hergestellt und die jeweiligen Probekörper
mittels des Dreipunktbiegeversuchs mit einem Abstand von
40 mm zwischen den Auflagepunkten und bei einer Temperatur
von 180ºC geprüft. Die Versuchsergebnisse sind nachstehend
in der Tabelle 1 gezeigt. Aus Tabelle 1 ist zu erkennen, daß
die Festigkeit des Verbundwerkstoffs durch Ausbildung der
ALO-Schicht entlang der Oberfläche der Aluminiumboratwhisker
in hohem Maße verbessert wird. Zur Kenntnisnahme sei
angemerkt, daß die Ursache, warum sich die Festigkeit des
Vergleichsbeispiels 1-1 auf dem gleichen Niveau wie die der
Vergleichsbeispiele 1-2 und 1-3 befindet, in einer durch die
Bildung einer zu dicken AlN-Schicht hervorgerufenen
Schädigung der Whisker selbst gesehen wird.
Tabelle 1
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Hinsichtlich der Verbundwerkstoffe, die durch die gemäß
Ausführungsform 1 und Vergleichsbeispiel 1-2 behandelten
Aluminiumboratwhisker verstärkt waren, wurde mittels der
TEM-Methode die Grenzfläche zwischen dem Matrixmetall und
den Whiskern betrachtet und mittels der
Röntgenbeugungsanalyse untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung dieser
Verbundwerkstoffe mittels der TEM-Methode sind jeweils in
den Fig. 7 und 8 gezeigt.
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Wie aus Fig. 7 zu erkennen ist, ist bei dem Verbundwerkstoff
gemäß Beispiel 1 entlang der Oberfläche des Whiskers eine
ALO-Schicht mit einer Dicke von etwa 150 nm vorhanden. Die
ALO-Schicht wurde qualitativ analysiert, und es wurde dabei
kein Signal für Mg nachgewiesen. Anhand der
Röntgenbeugungsanalyse wurde bestätigt, daß die ALO-Schicht eine zu θ-Al&sub2;O&sub3;
ähnliche Phase und α-Al&sub2;O&sub3; enthält. Des weiteren war entlang
der Oberfläche der ALO-Schicht eine weitere Schicht mit
einer Dicke von etwa 50 nm vorhanden. Diese
Oberflächenschicht wurde qualitativ analysiert, und es wurden dabei
Signale für Al, Mg und 0 nachgewiesen. Jedoch wurde mittels
der Röntgenbeugungsanalyse kein Spinell nachgewiesen,
wenngleich ein Signal für AlN nachgewiesen wurde. Da die
gleiche Oberflächenschicht erscheint, wenn das Matrixmetall
reines Aluminium ist, wird diese Oberflächenschicht als eine
AlN-Schicht angesehen.
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Dagegen ist bei dem Verbundwerkstoff gemäß
Vergleichsbeispiel 1-2, wie in Fig. 8 gezeigt ist, entlang der Grenze
zwischen dem Whisker und der Aluminiumlegierungsmatrix eine
Reaktionsschicht mit einer Dicke von etwa 150-200 nm
vorhanden. Infolge einer qualitativen Analyse dieser
Reaktionsschicht wurden Signale für Al, Mg und O nachgewiesen
und wurde anhand der Röntgenbeugungsanalyse bestätigt, daß
die Reaktionsschicht eine Spinellschicht ist.
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Es wurde bestätigt, daß die gleichen Ergebnisse erzielbar
sind, wenn bei der vorstehenden Ausführungsform die
Ammoniakgasatmosphäre durch eine Mischung aus Ammoniakgas
und einem Kohlenwasserstoffgas (Volumenverhältnis 20 : 1)
ersetzt wird.
Ausführungsform 2
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Von Shikoku Chemical Industries Co., Ltd. hergestellte
Aluminiumboratwhisker mit 0,5-1 um Durchmesser und 10-
30 um Länge, deren Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid
ohne entfernt zu werden beibehalten wurde, wurden zu einer
100 · 38 · 16 mm großen Vorform angeordnet, welche die Whisker
in zufälligen Orientierungen mit einem Volumenanteil von 25%
enthielt, wobei die Vorform aus den Whiskern in einer
Mischatmosphäre aus Ammoniakgas und einem Kohlenwasserstoffgas
(Volumenverhältnis 20 : 1) für eine Stunde auf 1400ºC erhitzt
wurde.
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Zu Vergleichszwecken wurden von Shikoku Chemical Industries
Co., Ltd. hergestellte Aluminiumboratwhisker mit 0,5-1 um
Durchmesser und 10-30 um Länge, deren Oberflächenschicht
aus γ-Aluminiumoxid ohne entfernt zu werden beibehalten
wurde, zu einer 100 · 38 · 16 mm großen Vorform angeordnet,
welche die Whisker in zufälligen Orientierungen mit einem
Volumenanteil von 25% enthielt, wobei die Vorform an
natürlicher Umgebungsluft für eine Stunde auf 1400ºC erhitzt
wurde, was Vergleichsbeispiel 2 ergab.
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Dann wurden die Oberflächenschichten der
Aluminiumboratwhisker gemäß Ausführungsform 2 und Vergleichsbeispiel 2
mittels der Röntgenbeugungsanalyse untersucht. Die
Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 2 gezeigt. In diesem
Zusammenhang war, obgleich nicht in Tabelle 2 gezeigt, bei
Ausführungsform 2 die Signalhöhe der ALO-Schicht höher als
diejenigen von α-Al&sub2;O&sub3; und AlN, und bei Vergleichsbeispiel 2
war das Verhältnis der Signalhöhe von α-Al&sub2;O&sub3; zu denjenigen
von Al&sub1;&sub8;B&sub4;O&sub3;&sub3; und α-Al&sub2;O&sub3; höher als bei Ausführungsform 2.
Tabelle 2
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Mit Ausnahme dessen, daß das Matrixmetall eine bei 750ºC
eingegossene Aluminiumlegierung
(Al-4 Gew.-% Cu- 3 Gew.-% Mg) war,
wurden auf die gleiche Weise und unter den gleichen
Bedingungen wie bei Ausführungsform 1 Verbundwerkstoffe
hergestellt, indem die jeweiligen Whisker verwendet und der
Wärmebehandlung T6 unterzogen wurden, woraufhin die
Oberflächenschichten der jeweiligen Verbundwerkstoffe mittels
der Röntgenbeugungsanalyse untersucht wurden. Des weiteren
wurden aus den jeweiligen Verbundwerkstoffen
Biegeprobekörper hergestellt und mittels des Dreipunktbiegeversuchs
auf die gleiche Weise wie bei Ausführungsform 1 sowohl bei
Raumtemperatur als auch bei 180ºC geprüft. Die Ergebnisse
der Röntgenbeugungsanalyse sind vorstehend in der Tabelle 2
gezeigt, und die Ergebnisse des Biegeversuchs sind
nachstehend in der Tabelle 3 gezeigt.
Tabelle 3
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Aus Tabelle 2 ist zu erkennen, daß bei Vergleichsbeispiel 2,
bei dem entlang der Oberfläche der Whisker keine ALO-Schicht
gebildet wurde, sich entlang der Oberfläche der das
Verbundmaterial bildenden Whisker ein Spinell gebildet hat,
wohingegen bei Ausführungsform 2, bei der entlang der Oberfläche
der Whisker eine ALO-Schicht gebildet wurde, entlang der
Oberfläche der das Verbundmaterial bildenden Whisker kein
Spinell gebildet wurde.
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Des weiteren ist aus Tabelle 3 zu erkennen, daß sogar bei
einer Matrix aus einer Aluminiumlegierung, die eine von der
Aluminiumlegierung gemäß Ausführungsform 1 unterschiedliche
Zusammensetzung aufweist, die Festigkeit des
Verbundwerkstoffs und insbesondere dessen Hitzebeständigkeit stark
verbessert werden kann, indem entlang der Oberfläche der
Aluminiumboratwhisker eine ALO-Schicht gebildet wird.
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Es wurde bestätigt, daß die gleichen Ergebnisse erzielbar
sind, wenn bei der vorstehenden Ausführungsform die
Atmosphäre mit der Mischung aus Ammoniakgas und einem
Kohlenwasserstoffgas durch eine Ammoniakgasatmosphäre
ersetzt wird.
Ausführungsform 3
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Mit Ausnahme dessen, daß das Matrixmetall eine bei 700ºC
eingegossene Magnesiumlegierung (JIS AZ91) war, wurden unter
Verwendung der gleichen auf die gleiche Weise und unter den
gleichen Bedingungen wie bei der vorstehend genannten
Ausführungsform 2 und dem Vergleichsbeispiel 2 behandelten
Aluminiumboratwhisker auf die gleiche Weise und unter den
gleichen Bedingungen wie bei der vorstehend genannten
Ausführungsform 1 Verbundwerkstoffe hergestellt. Die
jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden dann der Wärmebehandlung T6
unterzogen. Aus den jeweiligen Verbundwerkstoffen wurden
Biegeprobekörper angefertigt und auf die gleich Weise und
unter den gleichen Bedingungen wie bei Ausführungsform 1
gemäß dem Dreipunktbiegeversuch geprüft.
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Dabei wurde festgestellt, daß der Verbundwerkstoff, der
unter Verwendung der Whisker gemäß der Ausführungsform
hergestellt wurde, eine hohe Festigkeit wie 400 MPa zeigt,
wohingegen der Verbundwerkstoff, der unter Verwendung der
Whisker gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt wurde, eine
geringe Festigkeit wie 250 MPa zeigt. Es wurde daher
festgestellt, daß sogar bei einer Matrix aus einer
Magnesiumlegierung die Festigkeit des Verbundwerkstoffs stark verbessert
werden kann, indem entlang der Oberfläche der
Aluminiumboratwhisker eine ALO-Schicht gebildet wird.
Experimente zur Bestätigung
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Von Shikoku Chemical Industries Co., Ltd. hergestellte
Aluminiumboratwhisker mit 0,5-2 um Durchmesser und 10-
40 um Länge, deren Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid
ohne entfernt zu werden beibehalten wurde, wurden so
angeordnet, daß eine größere Auswahl an eine Form von
100 · 38 · 16 mm aufweisenden Vorformen erzeugt wurde, welche
die Whisker in zufälligen Orientierungen mit einem
Volumenanteil von 25-50% enthielten, wobei diese Vorformen
jeweils unter verschiedenen Bedingungen behandelt wurden,
nämlich unter alternativ zusammengestellten Atmosphären, die
aus Ammoniakgas, einer Mischung aus Ammoniakgas und einem
Kohlenwasserstoffgas in einem Volumenverhältnis von 20 : 1,
der natürlichen Umgebungsluft, Stickstoff und Wasserstoff
gewählt wurden, und einer Heiztemperatur im Bereich von
900-1600ºC, wobei jede Vorform für 3 Stunden erhitzt
wurde.
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Mit Ausnahme dessen, daß das Matrixmetall eine bei 850ºC
eingegossene, aus 97 Gew.-% Al und 3 Gew.-% Mg bestehende
Aluminiumlegierung war, wurden unter Verwendung der
jeweiligen derart unterschiedlich behandelten Whisker auf die
gleiche Weise und unter den gleichen Bedingungen wie bei
Ausführungsform 1 Verbundwerkstoffe hergestellt. Die
Grenzflächen zwischen den Whiskern und dem Matrixmetall der
jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden mittels der
Röntgenbeugungsanalyse untersucht, um das Auftreten der Spinell
bildenden Reaktion zu überprüfen. Dabei wurde bestätigt, daß
die Bildung der ALO-Schicht entlang der Oberfläche der
Aluminiumboratwhisker nur dann erzielbar ist, wenn die die
Oberflächenschicht aus γ-Aluminiumoxid tragenden
Aluminiumboratwhisker in einer Atmosphäre aus Ammoniakgas oder einer
Mischung aus Ammoniakgas und einem Kohlenwasserstoffgas
erhitzt werden, diese aber nicht in natürlicher
Umgebungsluft, Stickstoff und Wasserstoff erzielbar ist. Des weiteren
wurde festgestellt, daß wenn die Atmosphäre eine Mischung
aus Ammoniakgas und einem Kohlenwasserstoffgas ist, sich
zusammen mit ALO oder ALO und α-Al&sub2;O&sub3; auch AlN entlang der
Oberfläche der Whisker bildet.
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Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von
mehreren besonderen Ausführungsformen ausführlich
beschrie
ben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß die
Erfindung nicht auf diese besonderen Ausführungsformen
eingeschränkt ist und innerhalb des Bereichs der Erfindung,
wie er in den beigefügten Patentansprüchen beansprucht ist,
verschiedene andere Ausführungsformen möglich sind.