SE430700B - Magnesiumlegeringkomposit armerad med kiselkarbidfibrer och sett att framstella denna - Google Patents

Description

aanmáfoza-aa produkter. När magnesiumlegeringar panvänds som smidesmaterial har magnesium hexagonal tätpackad struktur, så att kallbear- betbarheten är dålig i ijämförelse med aluminium och koppar med kubisk kristall. Därför har behovet av magnesium och magnesiumlege- ringar varit knappt tills nyligen. _ Från andra världskriget har hastigheten hos flygplan blivit högre och jetmaskiner snabbt utvecklats, och eftersom magnesium har låg vikt och nackdelen att vara svår att förorsaka att glida vid bearbetning betraktas som en merit idet attdeformationen är ganska svår att åstadkomma vid hög temperatur,har utveckligen av magne- sium som en värmebeständig lätt legering varit betydande och stu- diet av värmebeständiga magnesiumlegeringar har varit omfattande.

Undersökningen har gjorts med avseende på korrosionshärdigheten som är en bristfällighet hos magnesium och nyligen har kvaliteten av basmetallen betydligt förbättrats genom utveckling av ett sätt att Wraffinera magnesium, så att korrosionshärdigheten av magnesium har blivit mycket hög varjämte kristallkornen har gjorts mycket fina genom tillsättning av zirkonium och liknande och det har varit möj- ligt att framställa felfria gjutstycken med en tillförlitlig tryck- beständighet. Vidare har genom tillsättning av sällsynta jordarts- metaller sâsom cerium, Mischmetall, torium osv, värmebeständiga magnesiumlegeringar med mycket utmärkt krypning vid hög temperatur framställts varjämte olika egenskaper hos magnesiumlegeringar har förbättrats betydligt.

Dessutom har man föreslagit att ändra den inneboende hexagonala tätpackade strukturen av magnesium till kubisk kristallstruktur genom tillsats av litium för att öka kallbearbetbarheten.

Hitintills har studiet av det kompositmaterial som består av kiselkarbidfibrer och magnesiumlegering, bedrivits med avseende -på kiselkarbidwhiskers och magnesiumlegering eftersom i praktiken använda kiselkarbidfibrer har varit whiskers. Emellertid har kiselkarbidwhiskers bestående av enbart SiC dålig vätbarhet gentemot magnesiumlegering och längden av nämnda whiskers är ett fåtal mm som mest, så att det är mycket svårt att arrangera dessa whiskers regelbundet, draghållfastheten är svag, elasti- citetsmodulen är låg och kostnaden är hög, varför nämnda whiskers .inte har använts i praktiken.~_ 3201408-5 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att undvika de ovan beskrivna olika nackdelarna hos magnesiumlegeringskompo- sitmaterial armerade med kiselkarbidwhiskers och att åstadkomma magnesiumlegeringskompositmaterial armerade med sammanhängande kiselkarbidfibrer med hög draghållfasthet vid rumstemperatur och hög temperatur och en hög elasticitetsmodul.

Ett annat ändamål är att åstadkomma ett sätt att framställa de ovan beskrivna kompositmaterialen med användning av nya, sammanhängande kiselkarbidfibrer som armeringsfibrer. Det har nu upptäckts att när ett kompositmaterial framställes av de nya kiselkarbidfibrerna med hög hàllfasthet och innehållande åtminstone 0,01 vikt% fritt kol och magnesiumlegering de båda ämnenas ömsesidiga vätbarhet förbättras och ändamålet med före- liggande uppfinning uppnås.

Kiselkarbidfibrerna innehållande åtminstone 0,01 vikt% fritt kol, vilka skall användas för framställningen av komposit- materialen enligt föreliggande uppfinning, framställes på det sätt som beskrivs i den svenska patentansökan 7604699-4.

Anledningen till att kiselkarbidfibrer innehållande åtmins- tone 0,01 vikt% fritt kol används vid framställningen av magnesium- legeringkompositmaterial armerade med kiselkarbidfibrer enligt föreliggande uppfinning är att kiselkarbidfibrer, som innehåller mindre än 0,01 vikt% fritt kol, har dålig vätbarhet gentemot magnesiumlegering, och t o m när kompositmaterialet framställes kan när sådant kompositmaterial utsätts för temperatur och yttre kraft, den ömsesidiga armeringsverkan inte utvecklas på grund av att det förekommer gap mellan fibrerna och metallgrundmassan.

Vid föreliggande uppfinning kan kiselkarbidfibrer innehållan- de l-40 vikt% fritt kol användas.

Tills mängden av fritt kol i kiseikarbiafibrerna är s vikta ökar kompositmaterialets draghàllfasthet och när mängden är 5-20 vikt% minskar draghållfastheten gradvis. När mängden fritt kol överstiger 20 vikt% minskar kompositmaterialets draghåll- fasthet kraftigt.

Elasticitetsmodulen av kompositmaterialet varierar i huvud- sak inte när mängden fritt kol är över 1 vikt%.

Vid användningen av magnesiumlegeringkompositmaterial rea- gerar det fria kolet i kiselkarbidfibrerna med de element, som satts till magnesiumlegeringen, för bildning av karbid av lege- æzn14nses 4 u ringselementet pà kiselkarbidfibrernas yta, varvid man förmod- ligen erhåller kemisk vidhäftning i stället för fysikalisk.

Vid den ovan beskrivna reaktionen av det fria kolet med ett element som satts till en magnesiumlegering diffunderar kol från den inre delen av kiselkarbidfibrerna innehållande det fria kolet till ytan och reagerar med ett element, som satts till en magnesiumlegering, varjämte vidare ett element, som satts till en magnesiumlegering, diffunderar in i den inre delen av kiselkarbidfibrerna och reagerar med det fria kolet, så att vätbarheten av kiselkarbidfibrerna och ett element, som satts till en magnesiumlegering, blir mycket god. Reaktionen av det fria kolet med ett element, som satts till en magnesiumlegering, är mycket snabb, men däffusionshastigheten, med vilken det fria kolet diffunderar fràm^den inre delen av kiselkarbidfibrerna, och diffusionshastigheten med vilken ett element, som satts till en magnesiumlegering, diffunderar in i den inre delen av kiselkarbidfibrerna är låg, att den smälta metallen och kiselkarbidfibrerna innehållande varför det l allmänhet är lämpligt det fria_kolet kontaktas och reageras i mer än 10 min.

Emellertid när kompositmaterial, som framställt med använd- ning av kiselkarbidfibrer innehållande en stor mängd fritt kol, används vid en relativt hög temperatur under en längd tidsperiod reagerar det fria kolet i kiselkarbidfibrerna med metallelementet i metallgrundmassan, vilket är anpassat att bilda en karbid, för bildning av en karbid, varigenom kiselkarbidfibrernas mekaniska styrka inte enbart minskas utan även sammansättningen och den mekaniska styrkan av själva grundmassan varierar gradvis, isyn- nerhet ökar sprödheten.

Särskilt när kiselkarbidfibrer innehållande mer än 5 viktå fritt kol används framträder denna tendens, och när mängden fritt kol är över 20 vixcæ blir den skadliga effekten ev karbid- bildningsreaktionen betydande, varjämte kompositmaterialets draghållfasthet minskar. Det är på grund av den bildade karbidens härdande verkan som elasticitetsmodulen inte varierar, t o m om mängden fritt kol i kiselkarbidfibrerna varierar. ' Följaktligen är det vid kiselkarbidfibrer innehållande en stor mängd fritt kol nödvändigt att hämma karbidbildningsreak- tionen under upprätthållande av vätbarheten. När kiselkarbidfib- rernas yta täckes med en metall eller keramiska material med a2o14os-5 måttlig bindningsförmåga till fibrerna kan de täckta fibrerna förstärka magnesiumlegeringsgrundmassan och kan hindra förändringen av grundmassans fysikaliska och kemiska egenskaper, vilket åstad- kommes genom diffusionen av det fria kolet in i den ovan beskrivna grundmassan, varvid kompositmaterialen i vilka egenskaperna inte väsentligt försämras, även om kompositmaterialet används under en lång tidsperiod vid en hög temperatur.

De kiselkarbidfibrer, som skall_användas vid föreliggande upp- finning, framställes genom spinning av organiska kiselföreningar med hög molekylvikt och bränning av de spunna fibrerna för att erhålla sammanhängande kiselkarbidfibrer, men under framställnings- ningsförloppet, om steget att bortskaffa kol utelämnas eller reg- leras, kan de sammanhängande kiselkarbidfibrerna innehållande mindre än ca 40 % fritt kol erhållas.

I det följande kommer ett sätt att framställa kiselkarbidfib- rerna och dessas egenskaper att beskrivas.

Kiselkarbidfibrerna innehållande 0,01-40 vikt% fritt kol, vilka skall användas vid föreliggande uppfinning, kan framställas från följande organiska kiselföreningar (1)-(10). (1) Föreningar med enbart Si-C-bindning. (2) Föreningar med Si-H-bindning och Si-C-bindning. (3) Föreningar med Si-Hal-bindning. (4) Föreningar med Si-N-bindning. (5) Föreningar med Si-Okrbindníng (R: alkyl- eller arylgrupp). (6) Föreningar med Si-OH-bindning. (7) Föreningar med Si-Si-bindning. (8) Föreningar med Si-0-Si-bindning; (9) Estrar av organiska kiselföreningar, och (10) Peroxider av organiska kiselföreningar. Åtminstone en av de organiska kiselföreningarna tillhörande de ovan beskrivna grupperna (l)-(10) utsättes för polykondensations- reaktion med användning av åtminstone ett av bestrålning, värmning och tillsättning av polykondensationskatalysator för bildning av organiska kiselföreningar med hög molekylvikt, vilka har kisel och kol som huvudskelettkomponenter. Exempelvis framställes förening- arna med följande molekylstrukturer. åfi-"áïfißfüâ-S' (a) -%i-f%)n-%i-o- . | (b) -s1-o-(?>n-o- | t (C) -§i-(§)n- (d) De föreningar som har de ovan beskrivna skelettkomponen- terna (a)-§c) som åtninstone en delstruktur i linjära, ring- och tredimensionella strukturer eller en blandning av föreningarna med de ovan beskrivna skelettkomponen- terna (a)-(c).

Föreningarna med de ovan beskrivna molekylstrukturerna är exem- pelvis följande.

CH3 I CH3 ' '(a) -Si-(C)n'5i'Q' CH3 H3 n=l, poly(silmetylensiloxan), n=2, poly(silety1ensiloxan), n=6, poly(silfenylensiloxan), CH3 (b) -ïi-o-(c)n~o- I CH3 n=l, poly(metylenoxisiloxan), ¿2, poly(etylenoxisiloxan), an=6, poly(fenylenoxisiloxan); n=l2, polyIdifenylenoxisiloxanà CH3 (C) -Si-(C)n CH3 n=l, polysilmetylen, n=2, polysiletylen, 9201408-s (d) De föreningar, som har de ovan beskrivna skelettkompo- nenterna som åtminstone en delstruktur i linjära, ring- och tredimensionella strukturer, eller blandningar av föreningarna med de ovan beskrivna skelettkomponenterna (ä)-(C)» De ovan beskrivna organiska kiselföreningarna med hög molekyl- vikt spinnes och de spunna fibrerna värmes först under oxiderande atmosfär och brännes sedan vid en hög temperatur under åtminstone en atmosfär av vakuum, inert gas, CO-gas och vätgas för bildning av kiselkarbidfibrer med en mycket hög hållfasthet och en hög elas- ticitetsmodul.

Förhållandetmellan kisel och kol, som förekommer i de ovan beskrivna organiska kiselföreningarna med hög molekylvikt (a)-(d), vilka är utgângsmaterialet för de ovan beskrivna sammanhängande kiselkarbidfibrerna, är två kiselatomer per åtminstone fem kolatomer, så att,när de organiska kiselföreningarna med hög molekylvikt spin- nes och de spunna fibrerna brännas många kolatomer binds när sido- kedjan av föreningarna med hög molekylvikt förflyktigas, såsom kor- väten eller organiska kiselföreningar, men 0,01-40 vikt% kol kvar- stannar som fritt kol i kiselkarbidfibrerna.

Om halten av fritt kol i kiselkarbidfibrerna är mindre än 0,01 vikt% är mängden av fritt kol, som diffunderar från inre delen av kiselkarbidfibrerna in i metallgrundmassan och reagerar med grund- massemetallen, alltför låg, så att draghâllfastheten av de lätta metallkompositmaterialen, förstärkta med kiselkarbidfibrerna, inte förbättras. Kiselkarbidfibrer framställda från de organiska kisel- föreningarna med hög molekylvikt kan inte innehålla mer än 40 vikt% fritt kol. Följaktligen måste halten av fritt kol, som förekommer i de kiselkarbidfibrer som skall användas för framställningen av de lätta metallkompositmaterialen, armerade med kiselkarbidfibrerna, vara 0,01-40 vikt%.

Draghållfastheten och elasticitetmodulen av kiselkarbidfibrerna, som skall användas vid föreliggande uppfinning, anges i följande tabell, och kiselkarbidfibrer med sådan hög draghållfasthet är tidigare okända. eaanèos-s g ß TABELL Draghållfasthet 300 - 600 kp/mmz Specifik styrka ca 4,0 x 107 cm Elasticitetsmodul ca 20 - 40 t/mmz ' Specifik elasticitetsmodul ca l,l0 x 109 cmf E Elasticitetsmodulen av kiselkarbidfibrerna enligt föreliggande uppfinning är i huvudsak samma som den av kolfibrer, som har den högsta elasticitetsmodulen bland för närvarande kända fibrer.

Magnesium enbart används_knappast som industri- och konstruk- tionsmaterial och används enbart som magnesiumlegeringar, men när ett kompositmaterial framställes från en magnesiumlegering och kiselkarbidfibrerna reagerar det fria kolet i kiselkarbidfibrerna med en metall som förekommer i den magnesiumlegering som är anpas- sad att bilda en karbid, t ex Al, Mn, Zr, Si, Ca, Y och övriga säll- synta jordartsmetaller, Th osv, till bildning av karbider. I detta fall, när en mängd av den bildade karbiden är liten, har den bildade karbiden ingen större inverkan på metallgrundmassans mekaniska egenskaper, men när nämnda mängd blir stor,avtar de mekaniska egenskaperna, isynnerhet segheten av metallgrundmassan, varjämte det bildade_kompositmaterialet blir sprätt. Isynnerhet vid kompositmaterialen bestående av en värmebeständig magnesiumlegering och kiselkarbidfibrerna, som innehåller mer än 5 % fritt kol, under kompositmaterialens användning vid en hög temperatur, fortskrider bildningsreaktionen av de ovan beskrivna karbiderna, och när dylika kompositmaterial används under en lång tidsperiod blir komposit- materialen efter hand spröda.

T o m om zink eller beryllium förekommer i magnesiumlegeringen förhindrar inte dessa element bildningen av karbiden med det fria kolet i kiselkarbidfibrerna, varför det inte är nödvändigt att ta hänsyn till inflytandet av dessa metaller.

När kompositmaterialen framställes med användning av kisel- karbidfibrerna, som innehåller det fria kolet i en mängd över den nödvändiga mängden för förbättring av kiselkarbidfibrernas vätbar- het till grundmassan, överdrages ytorna.avsådana kiselkarbidfibrer med en metall eller keramiska material för att förhindra reaktionen mellan det fria kolet i kiselkarbidfibrerna och grundmassemetallen, som överstiger den nödvändiga graden, och för att bibehålla de inne- 8201408-5 boende egenskaperna av metallgrundmassan och armera metallgrund- massan med de sammanhängande kiselkarbidfibrerna, varefter mag- nesiumlegeringgrundmassan armeras med de överdragna kiselkarbid- fibrerna till bildning av ett kompositmaterial.

I synnerhet om ett kompositmaterial, som framställts med an- vändning av kiselkarbidfibrerna innehållande 5-40 vikt% fritt kol, används vid en hög temperatur försämras de mekaniska egenskaperna av kompositmaterialet på grund av karbidbildningsreaktionen, men när nämnda kiselkarbidfibrer är överdragna med en metall eller keramiska material och ett kompositmaterial framställes med använd- ning av sådana överdragna fibrer som armeringsfibrerna, t o m om ett dylikt kompositmaterial används vid en hög temperatur under lång tidsperiod, kan de inneboende egenskaperna av metallgrund- massan bibehållas och de olika utmärkta fysikaliska och kemiska egenskaperna av de ovan beskrivna sammanhängande kiselkarbidfibrerna till fullo utvecklas. Överdragningen av de ovan beskrivna kiselkarbidfibrerna med en metall, legering eller keramiskt material kan åstadkommas på följande sju sätt: (1) kemisk ångavsättning, (2) flamsmältsprutöver- dragning, (3) sprutöverdragning, (4) ångöverdragning, (5) elektro- plätering, (6) pulverbränning, (7) icke-elektrodplätering. (1) Kemisk ângavsättning: Gas av metallförening ensam eller tillsammans med vätgas, syr- gas, C0-gas, kolvätegas eller annan gas nedbrytes termiskt vid 500-2700°C för bildning av det ovan beskrivna metallöverdraget på fiberytan. Vid exempelvis volframklorid och vätgas bildas ett vol- frammetallöverdrag från ca SOOOC. När zirkoniumjodidgas nedbrytes termiskt vid 1300-l800°C bildas ett zirkoniummetallöverdrag. När en blandgas av platinakloridgas och CO-gas nedbrytes termiskt bil- das ett platinaöverdrag. (2) Flamsmältsprutöverdragning: En metall, legering eller keramiskt material smältes med en flamma av hög temperatur, och den smälta metallen, legeringen eller keramiska materialet sprutas på kiselkarbidfiberytan till bildning av en överdragsfilm. Som nämnda flamma kan syre-acetylengasflamma och en plasmastrâlflamma användas. 10 laao1408-5 (3) Sprutöverdragning: I Argonplasma bildas genom en högfrekvensutströmning under argon- atmosfär, och nämnda plasma bombarderar ett mål av metall, legering *eller keramiskt material för att förânga metallen, legeringen eller det keramiska materialet till bildning av överdraget på kiselkarbid- fiberytan( (4) vakuumângöverdragning: _ En metall, legering eller keramiskt material värmes och för- ângas under vakuum till bildning av överdraget på kiselkarbidfiber- ytan. (5) Elektroplätering: En elektrolyt innehållande en metalljon utsätts för elektrolys 'med användning av kiselkarbidfibrerna som en katod för att plätera metallöverdraget på kiselkarbidfibrerna. (6) Pulverbränning: Finfördelat pulver av en metall, legering eller keramiskt mate- rial beredes och pulvret suspenderas i ett lösningsmedel, varefter kiselkarbidfibrerna nedsänkes i suspensionen för att avsätta pulvret på fibrerna. Därefter förångas lösningsmedlet och värmes till bild- ning av metallöverdraget på kiselkarbidfibrerna. (7) Icke-elektrodplätering: lkiselkarbidfiberytan pläteras med en metall utan användning av elektrisk energi genom användning av ett kemiskt utbyte av ömse- sidiga metaller och en reduktionsfunktion. Pläteringsbadet, som -skall användas vid denna plätering, består av ett metallsalt, ett reducerande medel och en buffertlösning.

Bland keramiska överdrag kan ett oxidöverdrag åstadkommas på sex av de ovan beskrivna sätten, exklusive (5), Förutom på de ovan beskrivna sex sätten är det möjligt att bilda 'en oxidfilm genom värmning av kiselkarbidfibrerna eller kiselkarbid- fibrerna, som är överdragna med en metall eller legering, vid hög temperatur. Oxidöverdraget kan bildas genom värmning av dylika fibrer vid 500-2500°C i 0,1-50 h under oxiderande atmosfär. Vid en temperatur under 500°C är oxidationstemperaturen låg och oxidöver- draget bildas inte fullständigt, medan vid en temperatur över 2500°C nedbrytningen och förångningen av kiselkarbid fortskrider i hög grad, varför värmningstemperaturen måste vara 500-2500°C.

Värmningstiden under oxiderande atmosfär är nödvändigtvis 30 h vid så låg temperatur som 500°C, medan vid en så hög temperatur som 2500°C ett bra resultat kan uppnås inom 0,2 h. Som oxiderande atmos- ll 8291408-5 fär för värmningen är luft den mest ekonomiska, och oxidöverdraget kan bildas t o m med användning av en blandgas av ozon och luft.

Om den ovan beskrivna värmningen genomföres under åtminstone en atmosfär av kvävgas, ammoniakgas och en blandgas av ammoniak och väte kan en metallnitrid bildas, och värmningstemperaturen i detta fail är företrädesvis soo-2soo°c.

Om kiselkarbidfiberytan är överdragen med en metall eller legering är vätbarheten av den ovan beskrivna metallen eller legeringen till magnesiumgrundmassan mycket god, eftersom kontakt- vinkeln av de ömsesidiga metallerna är mindre än 900 och är liten. Följaktligen förbättrar överdragningen av kiselkarbidfiber- ytan med en metall eller legering vätbarheten av magnesiumlegering- grundmassa till kiselkarbidfibrerna och är vidare effektiv för att förhindra bildningsreaktionen av karbider av de element, som förekommer i metallgrundmassan och som är anpassade att bilda karbider, så att egenskaperna av magnesiumlegeringskomposit- material, framställda på detta sätt, är betydligt förbättrade.

När metallelementen av B, Mn, Mo, Al, W, Si, Cr, Ca, Ce, V, U, Th, Nb, Ta, Ti, Zr och Hf bland de överdragna metallerna och legeringarna värmes tillsammans med det fria kolet bildas stabila karbider. Följaktligen omvandlas det ovan beskrivna metallöverdraget helt eller delvis till karbidöverdraget genom värmning när kompositmaterialet bildas, och karbidöverdraget förhindrar diffusionen av det fria kolet från innerdelen av kiselkarbidfibrerna och reaktionen av det fria kolet med metall- elementet i magnesiumlegering för att bilda karbiden.

De fördelaktiga metallerna, som skall användas för överdragning av kiselkarbidfibrerna, är förutom de ovan beskrivna metallerna med förmåga att bilda karbiderna, Be, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Pt, Au och Pb och legeringar av åtminstone två metallelement av de ovan beskrivna metallelementen. w De fördelaktiga keramiska material, som skall användas för överdragning av kiselkarbidfibrerna, inkluderar Mg0, Al203, SiO2, Ti02 och ZnO som oxid och AlN, Mg3N2, Si3N4, TiN och ZrN som nitrid och TiC, ZrC och WC som karbid.

När tjockleken av filmen, som överdragits på de ovan beskrivna kiselkarbidfibrerna, är mindre än lOO Å är den överdragna filmen alltför tunn och verkan att förhindra diffusionen av det fria kolet svag, medan vid över 2000 Å verkan att förhindra diffusionen av det fria kolet inte skiljer sig från det fall där tjockleken är högst 12 82-*201408-5 2000 A, varför en så stor tjocklek inte är nödvändig. Följaktligen är tjockleken av filmen för att överdra kiselkarbidfibrerna inne- häiienae o,1-4oivikt% av det fria kolet företrädesvis ioo-zooo A.

Kompositmaterialen bestående av kiselkarbidfibrerna och mag-_ i nesiumlegering kan framställas på följande sätt för framställning av vanliga metallkompositmaterial armerade med fibrer, såsom (1) diffusionsbindning, (2) vätskeinfiltrering, (3) smältsprutning, (4) elektrolytisk utfällning, (5) varmsträngsprutning och varmvalsning, :(6) kemisk ângavsättning, och '(7) kallpressning och sintring. (1) Diffusionsbindning: Kiselkarbidfibrerna och grundmassemetalltrâdarna arrangeras alternerande i en riktning, övre ytan och bottenytan av stapeln av kiselkarbidfíbrer och metalltrâdar överdrages med tunna filmer av grundmassemetallen eller överdrages enbart bottenytan med den ovan beskrivna tunna filmen och överytan med grundmassemetallpulver blandade med ett organiskt bindemedel för att bilda kompositskikt, vilka skikt lamineras i ett fåtal steg,och det bildade laminatet värmes därefter under tryck för att bilda ett kompositmaterial be- stående av kiselkarbidfibrerna och grundmassemetallen. Som nämnda organiska bindemedel kan de ämnen, som förångas före värmning till en temperatur, vid vilken grundmassemetallen och det fria kolet i kiselkarbidfibrerna reagerar och bildar karbiden, lämpligen användas, t ex stärkelse, CNC, paraffin, harts, ammoniumklorid, mineralolja, polyvinylalkohol, polystyren, organiska polymerer osv.

Alternativt arrangeras och staplas kiselkarbidfibrerna, över- 'dragna med grundmassemetallpulver blandade med ett organiskt binde- medel, och pressas det bildade laminatet under värmning för att bilae ett kempeeitmeteriei. (2) Vätskeinfiltrering: Utrymmena mellan de arrangerade kiselkarbidfibrerna fylles med smält magnesiumlegering. I detta fall, eftersom vätbarheten av kíselkarbidfibrerna, överdragna med metallen, till grundmasse- metallen är god kan utrymmena mellan de arrangerade fibrerna noggrant fyllas med grundmassemetallen. 13 azm 4os-s (3) Smältsprutning: Ytorna av de arrangerade kiselkarbidfibrerna överdrages med grundmassemetallen genom en plasmasmältsprutning eller en gassmält- sprutning för att bilda ett konformat kompositmaterial. Det kon- formade kompositmaterialet används direkt eller staplas de konfor- made kompositmaterialen, och det bildade materialet utsätts för den ovan beskrivna diffusionsbindningen (1) för att bilda ett kompo- sitmaterial. (4) Elektrolytisk utfällning: Grundmassemetallen avsättes på elektrolytisk väg på ytorna av fibrerna för att bilda ett kompositmaterial, och det är vidare möjligt att arrangera och stapla de bildade kompositmaterialen, och det bildade laminatet utsättes för den ovan beskrivna diffusions- bindningen. (5) Varmsträngsprutning och varmvalsning: Kiselkarbidfibrerna arrangeras i en riktning och de arrange- rade kiselkarbidfibrerna anordnas mellan grundmassemetallfolier i ett Stapelförhållande och föres sedan genom värmda valsar för att binda fibrerna och grundmassemetallen, varvid ett kompositmaterial bildas. (6) Kemisk ângavsättning: Kiselkarbidfibrerna satsas i en värmeugn och exempelvis en blandgas av aluminiumklorid och vätgas införes i ugnen, varvid alu- miniumklorid nedbrytes termiskt för att avsätta aluminiummetall på ytorna av kiselkarbidfibrerna och bilda ett kompositmaterial. Dess- utom kan fibrerna med avsatt metall arrangeras och staplas och det bildade laminatet utsättas för den ovan beskrivna diffusionsbind- ningen (1). (7) Kallpressning och sintring: Utrymmena mellan de arrangerade fibrerna fylles med grundmasse- metallpulver och samlingen formas under tryck, varefter det bil- dade formstycket värmes och sintras med eller utan tryck för att bilda ett kompositmaterial. ' Om kompositmaterialen framställes med användning av de kisel- karbidfibrer, som är överdragna med metallen eller keramiska mate- rialet, kan de ovan beskrivna sju sätten (l)-(7) användas.

Dragbrottgränsen (Oc) av kompositmaterialet som framställts från kiselkarbidfibrerna och metallgrundmassan representeras av följande formel (2). aan 1i4oses 14 ' + oMVM --- (2) Dragbrottgräns av kompositmaterialet.

G O ll G Q 0 Ha < u n p" Dragbrottgräns av SiC-fibrer.

Dragbrottgräns av metallgrundmassan.

Vol% av SiC-fibrer.

VM : Vol% av metallgrundmassan.

Q H13 Som framgår av formeln (2) ovan blir dragbrottgränsen av kompo- sitmaterialet högre med ökning av vol-andelen av kiselkarbidfibrerna ei kompositmaterialet. Följaktligen kräver framställningen av kompo- sitmaterial med en högre dragbrottgräns ökning av vol-andelen av de tillsatta kiselkarbidfibrerna. Emellertid när mängden av kisel- karbidfibrerna är större än 70 vol% är mängden av metallgrundmassan alltför liten, så att det är omöjligt att helt fylla utrymmena mel- lan kiselkarbidfibrerna med metallgrundmassan och följaktligen omöj- -ligt att utveckla dragbrottgränsen, som anges av formeln (2) i det bildade kompositmaterialet. När mängden av fibrerna blir mindre minskar dragbrottgränsen av kompositmaterialet, så att minst 20 vol% av kiselkarbidfibrerna bör tillsättas för att erhålla de praktiskt användbara kompositmaterialen. Vid framställningen av det lätta metallkompositmaterialet, armerat med kiselkarbidfibrerna enligt föreliggande uppfinning, måste den mängd kiselkarbidfibrer, som skall tillsättas, vara 20-70 vol%. 7 Elasticitetsmodulen (Ec) av kompositmaterialet representeras av följande formel (3).

W Il' <2 + VmEm ... (3) Elasticitetsmodul av kompositmaterialet : Elasticitetsmodul av Sic-fibrer. b! O »fn n.

P1 uph : Elasticitetsmodul av metallgrundmassan.

Vol% av SiC-fibrer.

Vol% av metallgrundmassan. a< H14 ab! som framgår av formeln ovan blir elasticitetsmodulen av komposit- materialet större med ökning av den mängd kiselkarbidfibrer, som skall sättas till metallgrundmassan. Emellertid när fiberandelen gblir alltför hög blir segheten av kompositmaterialen dålig, så att kompositmaterialen blir spröda och brister i tillförlitlighet. 8201408-5 EXEMPEL l 'Detta exempel beskriver ett sätt att framställa kontinuerliga kiselkarbidfibrer, som skall användas vid uppfinningen.

Dimetyldiklorsilan och natrium reagerades för att bilda poly- dimetylsilan. 250 g polydimetylsilan satsades i en autoklav med en kapacitet av 1 1, och luft i autoklaven ersattes med argongas varefter reaktionen genomfördes vid 470°C i 14 h. Efter fullständig reaktion uttömdes den bildade polykarbosilanen som n-hexanlösning.

Denna n~hexanlösning filtrerades för att bortskaffa föroreningar varefter n-hexanen förångades under reducerat tryck. Aterstoden värmdes därefter i ett oljebad vid 280°C under vakuum i 2 h för att åstadkomma koncentrering. Polykarbosilan erhölls i ett utbyte av 40 %, baserat på dimetyldiklorsilan. Den bildade polykarbosilanens talmedelvärdesmolekylvikt var 1700. Med användning av en vanlig spinningsapparat värmdes och smältes polykarbosilanen vid 330°C under argonatmosfär för att bilda en spinningssmälta, och spinnings- _ smältan spanns med en spinningshastighet av 200 m/min för att er- hålla polykarbosilanfibrer. Fibrerna värmdes genom att öka tempera- turen från 20 till l90°C i luft i 6 h, och denna temperatur hölls i 1 h för att genomföra en icke smältande behandling. De så behand- lade fibrerna värmdes till l300°C med en temperaturökningshastighet av l0O°C/h under ett vakuum av l x 10-3 mmflg, och denna temperatur hölls i 1 h för att bilda SiC-fibrer. De bildade SiC-fibrerna hade en genomsnittlig diameter av 10 um, en genomsnittlig dragbrottgräns av 350 kp/mmz, en genomsnittlig elasticitetsmodul av 23xlO3 kp/mmz och en specifik vikt av 2,70 g/cm3.

EXEMPEL 2 Magnesiumlegering bestående av 10 vikt% aluminium, 0,5 vikt% mangan och resten magnesium värmdes och smältes i en kammare under argonatmosfär vid lO50°C. Ett knippe av kiselkarbidfibrerna, vardera med en diameter av 10 Fm och innehållande 4 vikt% fritt kol, satsades parallellarrangerade i ett magnesiumoxidrör, vars båda ändar var öppna, och ena änden av röret förslöts och den andra anslöts till ett vakuumsystem. Röret avgasades under värmning och infördes i kammaren under argonatmosfär och förslutningen avlägsnades. Den öpp- na änden av detta magnesiumoxidrör nedsänktes i den ovan beskrivna smälta magnesiumlegeringen och den andra änden utsattes för vakuum.

Den smälta magnesiumlegeringen drogs upp in i magnesiumoxidröret och fyllde utrymmena mellan kiselkarbidfibrerna, och det smälta 8QD1408- S_- 16 tillståndet av magnesiumlegeringen upprätthölls i 30 min för att erhålla ett med kiselkarbidfibrerna armerat magnesiumlegeringkompo- sitmaterial. Det erhållna kompositmaterialet innehöll 25 vol% av fibrerna och hade en dragbrottgräns av 73 kp/mmz. Denna dragbrott- gräns var ungefär 4 ggr så hög som den av magnesiumlegering utan kiselkarbidfibrer. Av detta resultat framgår att kiselkarbidfib~ rernas armeringsverkan utvecklas fullständigt, att det fria ko- let i kiselkarbidfibrerna reagerar med aluminium i magnesiumlege- ringen och att vätbarheten av fibrerna till metallgrundmassan är god.

EXEIVLPEL 3 Magnesiumlegering bestående av 93,4 vikt% magnesium, 0,6 vikt% izirkoniu, 2,0 vikt% yttrium och 4,0 vikt% zink värmdes och smältes igen kammare under argonatmosfär vid 800°C. Ett knippe av kiselkar- bidfibrerna, vardera med en diameter av l5 Pm och innehållande 6 vikt% fritt kol, satsades parallellarrangerade i ett magnesium- rör, vars båda ändar var öppna, och på samma sätt som i exempel 2 fylldes utrymmena mellan kiselkarbidfibrerna med den smälta magne- siumlegeringen, och det smälta tillståndet av magnesiumlegering upp- rätthölls i l h för att erhålla ett med kiselkarbidfibrerna armerat magnesiumlegeringkompositmaterial. Det erhållna kompositmaterialet innehöll 32 vol% av kiselkarbidfibrerna och hade en dragbrottgräns av 87 kp/mmz. Kompositeffekten av fibrerna och metallen var uppen- bar och det fria kolet i fibrerna reagerar med de tillsatta elemen- ten i legeringen för att förbättra vätbarheten av fibrerna till legeringen, varjämte egenskapen som kompositmaterial utvecklas.

EXEMPEL 4 Kiselkarbidfibrerna innehållande 5 vikt% fritt kol staplades parallellt, och utrymmena mellan kiselkarbidfibrerna_fylldes med magnesiumlegeringspulver bestående av l,0 vikt% mangan, 0,1 vikt% kalcium, 0,25 vikt% kisel, 0,03 vikt% koppar, 0,008 vikt% nickel, 0,20 vikt% av annat element och 98,412 vikt% magnesium för att bilda ett formstycke med dimensionerna 20 nmlx 50 nmnx nmn Detta formstycke utsattes för varmpressning under ett tryck av 0,5 ton/cmz under argonatmosfär vid 550°C i 4 h för att erhålla ett med kiselkarbid- fibrerna armerat magnesiumlegeringkompositmaterial. Det erhållna kompositmaterialet innehöll 30 vol% av fibrerna och hade en drag- brottgräns av 30 kp/mmz. Denna dragbrottgräns är ungefär 2 ggr ” É 8201408-s så hög som den av magnesiumlegeringen utan fibrer, så att komposit- effekten är uppenbar. Detta visar att det fria kolet i fibrerna reagerar med de tillsatta elementen i magnesiumlegeringen för att förbättra vätbarheten av fibrerna till legeringen.

Ezmnvm. 5 _ Ett vävt tyg bestående av kiselkarbidfibrer, vardera med en diameter av 10 Pm och innehållande 10 vikt% fritt kol, skars till skivor med en diameter av 100 mm. De bildade skivorna arrangerades med en delning av 0,02 mm, och sådana arrangerade skivor infördes i en kammare under argonatmosfär. Magnesiumlegering bestående av 9,5 vikt% aluminium, 0,5 vikt% mangan, 2,1 vikt% zink, 0,2 vikt% kisel, 0,1 vikt% koppar, 0,05 vikt% nickel, 0,25 vikt% av övriga element och 87,3 vikt% magnesium satsades i kammaren under argon- atmosfär och smâltes genom värmning vid 80000, och den smälta legeringen hälldes på de ovan beskrivna arrangerade tygerna av vävda fibrer. Det smälta tillståndet av magnesiumlegeringen upprätt- hölls i 30 min för att erhålla ett med kiselkarbidfibrerna armerat magnesiumlegeringkompositmaterial. Det erhållna kompositmateri- alet innehöll 25 vol% av kiselkarbidfibrerna och hade en drag- brottgräns av 65 kp/mmz. Denna dragbrottgräns var ungefär 3 ggr så hög som den av magnesiumlegering utan fibrer. Detta visar att det fria kolet reagerar med de tillsatta elementen i legeringen för att förbättra vätbarheten av fibrerna till legeringen. simmar. 6 i Magnesiumlegeringkompositmaterial framställdes från 60 vol% magnesiumlegering bestående av 3,0 vikt% aluminium, 1 vikt% mangan, 1,3 vikt% zink och resten magnesium och 40 vol% av kiselkarbidfib- rer innehållande 15 vikt% fritt kol. Kiselkarbidfibrerna (diameter 20 Pm) överdrogs med nickel, koppar eller 13 % järn-kromlegering till en tjocklek av ungefär 800 A genom vakuumångöverdragning.

Kiselkarbidfibrerna med en diameter av 20 um värmdes vid 110000 i luft i 1 h för att erhålla med kiseloxid_överdragna kisel- karbidfibrer.

Ytorna av dessa fibrer överdrogs med en blandning av pulver av den ovan beskrivna magnesiumlegeringen (95 vikt%) och paraffin (5 vikt%) till en genomsnittlig tjocklek av 12 Pm, och de så be- handlade fibrerna arrangerades och staplades i en form med dimen- sionerna 20x50x30 mm och hölls under ett tryck av 200 kp/mmz vid 18 i sem ans-as 480°C i argonatmosfär i 1 h för att erhålla magnesiumlegeringskom- positmaterial. Dragbrottgränserna och elasticitetsmodulerna av _kompositmaterialen anges i tabell l. f TABELL 1- överdragsmaterial Nickel Koppar 13 % järnkrom S102 nšaghrahtgfshs, xp/mhz 95 99, av ' es zlasticicecsmodul, _ y y- e y 3103 hp/mm* 16 is 11 * 'is rariahghihg, s - 1,5 1,2 1,6 1,8 fVid magnesiumlegeringen är dragbrottgränsen 22 kp/mmz och elas- ticitetsmddülen 4,6xl03 kp/mmz, och i jämförelse med dessa värden var, såsom framgår av tabell 1 ovan, dragbrottgränsen och e1astici~ tetsmodulen av magnesiumlegeringkompositmaterial enligt föreliggande uppfinning mycket högre. T o m om magnesiumlegeringkompositmateri- elen hölls vid 480°C i 50 h minskade inte egenskaperna.a Magnesiumlegeringkompositmaterial, armerade med sammanhängande a kiselkarbidfibrer erhållna enligt föreliggande uppfinning, har mycket hög dragbrottgräns och hög elasticitetsmodul, så att kompositmaterialen kan användas som följande olika material. (a) Material för apparater för framställning av syntetiska fibrer: e bobin,-separator, pumpdelar, kula, muff mekanisk tätning, ventil, munstycke, omrörare, reaktionskärl, rör, värmeväxlare osv. (b) -Material för apparater för synteskemiz. kolvpump, muff, mekanisk tätning, separator, reaktarventil, reducerventil, säte, värmeväxlare, centrifugalmaskin, kärl för låg temperatur osv. g ' ,(c) Mekaniska industrimaterial: l" värmeväxlare, dysa för pulverpressning, ultraljudmaskin, heningsmaskin, sâgmaskindelar, kam, kulkvarndelar, kameradelar, vakuumpump, kollektor, lager, verktyg, klockdelar, maskinfunda- ment osv. _ l ka) Materiai för hushåll och k°ntpr= bord, olika hyllor, stolar, olika skåp osv. 19 8201408-5 (e) Material för konstruktion av maskin: borrmaskin, stenkross, Caterpillar, sandpump, grävmaskin osv. (f) Brandskyddsmaterial: sprinkler, stege osv. (g) Marina (kosmiska) material: värmeväxlare, antenner, bojar på vatten, tankar osv. (h) Bildelar: motor, förgreningsrör, överföringsorgan för differential- växel, axelhus, pumphus, ventilhus, kopplingshus, hus för trans- mission, växellåda, svänghjulhus, cylinderblock, cylinderhuvud, kolv, drivskiva, pumphus, fläkthus, däckform, roterande motor, konstruktionsmaterial, kroppsmaterial osv. (i) Material för apparater för framställning av mat: dekanterapparat, ventil, reaktor, mekanisk tätning, sepa- rator osv. (j) Sportartiklar: spik, golfartiklar, tennisracket, fiskredskap, bergsbestig- ningsartiklar, skidartiklar, badmintonracket, bollar osv. (k) Fartygs- och flygmaskinsmaterial: motor, konstruktionsmaterial, yttervägg, skruv, bäryta i vatten osv. (1) Elektriska material: transmissionskabel, kondensator, chassi, antenner, stereo- foniska delar, poler osv. (m) Arkitekturmaterial: fönsterbåge, konstruktionsmaterial osv. (n) Jordbruksmaskiner, fiskeredskap, atomredskap, kärnfusions- material, solvärmeutnyttjande material, medicinska instrument, cykelmaterial, ventil, ventilsäte, ring, stav, skiva, foder, sand- transportpumpdelar, maskindelar för behandling av stoft, dysa och munstycke för strängsprutning eller formsprutning av plaster, reflek- tionsspeglar osv.

Claims (10)

20 8i201 4118-51 PÄTENTKRAV

1. Magnesiumlegeringkompositmaterial, k ä n n e t e C k n a t därav, att det är armerat med sammanhängande kiselkarbidfibrer, vilka erhållits genom värmning av 20-80 vol% magnesiumlegeringgrund- massa och 80-20 vol% av sammanhängande kiselkarbidfibrer innehål- lande 0,01-40 vikt% fritt kol vid en temperatur, som smälter mag- nesiumlegeringen. J S

2. Magnesiumlegeringskompositmaterial enligt kravet l, k ä n - n e t e c k n a t därav, att magnesiumlegeringen består av magnesium och åtminstone en av aluminium, mangan, zirkonium, kalcium, kisel och yttrium.

3. 73. Sätt att framställa magnesiumlegeringkompositmaterial, arme- .ratàned sammanhängande kiseikarbiafibrer enligt kravet S1, k ä n - n e t e c k n a t därav, att 80-20 vol% av de sammanhängande kisel- karbidfibrerna innehållande 0,0l-40 vikt% fritt kol förenas med 20-80 vol% smält magnesiumlegeringgrundmassa för att bringa det fria kolet i kiselkarbidfibrerna att reagera med de metallelement, som är närvarande i magnesiumlegeringen och som lätt bildar kar- bider, för att bilda karbider av dessa metaller och göra vätbarheten av kiselkarbidfibrerna till metallgrundmassan hög.

4. Sätt enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att metallelementet i magnesiumlegeringen, vilket lätt bildar karbi- den med det fria kolet, är aluminium, mangan, zirkonium, kisel, kalcium eller yttrium.

5. Sätt enligt kravet 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att kiselkarbidfibrerna innehållande 0,01-40 vikt% fritt kol först över- drages med metall och/eller keramiskt material, varefter de över- dragna fibrerna förenas med 20-80 vol% av smält magnesiumlegering.

6. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k-n a t därav, att överdragsmetallen är B, Mn, Mo, Al, W, Si, Cr, Ca, Ce, V, U, Th, Nb, Ta, Ti, Zr eller Hf. S

7. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att överdragsmetallen är Be, Mg, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ge, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Pt, Au, Pb eller en legering bestående av åtminstone två av dessa metallelement. 'B.

8. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att det keramiska materialet är Mg0, Al203, Ti02, ZnO, AlN, Mg2N2, Si3N4, TiN, ZrN, Tic, ZrC eller WC. - d N 8201408-5

9. Sätt enligt kravet 5, k ä' n n e t e c k n a t därav, att överdragningen med metall eller keramiskt material göres till en tjocklek av 100-2000 Å.

10. Sätt enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a t därav, att överdragningen åstadkommas genom kemisk ångavsättning, flamsmält- sprutöverdragning, sprutöverdragning, vakuumàngöverdragning, elek- troplätering, pulverbränning eller icke-elektrodplätering.