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Dokumentenidentifikation DE112005003373T5 06.12.2007
Titel Verbundmaterial auf Aluminiumbasis und Verfahren zu dessen Herstellung
Anmelder Honda Motor Co., Ltd., Tokyo, JP
Erfinder Takano, Hiroki, Tochigi, JP;
Shoji, Hiroto, Tochigi, JP;
Idegomori, Takashi, Tochigi, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 112005003373
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, KE, KG, KM, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 26.10.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/JP2005/020059
WO-Veröffentlichungsnummer 2006075431
WO-Veröffentlichungsdatum 20.07.2006
Date of publication of WO application in German translation 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse C22C 1/10(2006.01)A, F, I, 20051026, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C22C 47/04(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   C22C 47/10(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   C22C 49/14(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, bei welchem eine Aluminiumlegierung als Basismaterial verwendet wird und bei welchem das Basismaterial ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials.

Stand der Technik

Ein Verstärkungsmaterial enthaltendes Verbundmaterial wird in einem Metallmaterial als Basismaterial verwendet, um die Eigenschaften des Metallmaterials zu verbessern. Ein Beispiel eines solchen Verbundmaterials ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, dessen Basismaterial Aluminium (Al) ist und dessen Verstärkungsmaterial Aluminiumoxid-(Al2O3)-Partikel sind.

Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis ist ein Verfahren, bei dem es einer Aluminiumlegierung ermöglicht wird, in einen porösen Presskörper einzudringen, wie dies beispielsweise im japanischen Patent Nr. 2998828 offenbart ist.

Gemäß dem in dieser Veröffentlichung offenbarten Herstellungsverfahren wird zuerst ein poröser Presskörper, der aus Aluminiumoxid-(Al2O3)-Partikeln gebildet ist, auf einem Aluminium (Al)-Block angeordnet, Magnesium (Mg) wird benachbart zum Presskörper angeordnet, und diese Komponenten werden auf 900°C erwärmt. Das Erwärmen ruft das Schmelzen des Aluminiumblocks und das Sublimieren des Magnesiums hervor.

Als Nächstes werden die Komponenten in einer Stickstoffgas-(N2)-Atmosphäre aufbewahrt, und das Stickstoffgas reagiert mit dem Magnesium, so dass Magnesiumnitrid (Mg3N2) gebildet wird. Das resultierende Mg3N2 reduziert das Al2O3 auf der Oberfläche des porösen Presskörpers und legt das Aluminium auf der Oberfläche des porösen Presskörpers frei.

Das geschmolzene Aluminium wird veranlasst, in die Zwischenräume im porösen Presskörper einzudringen, und man erhält ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis.

Bei dem Verbundmaterial auf Aluminiumbasis und bei anderen Verbundmaterialien kann das im Metallmaterial enthaltene Verstärkungsmaterial eine chemische Reaktion mit den Elementen im Metallmaterial hervorrufen. Wenn das Verstärkungsmaterial chemisch mit den Elementen im Metallmaterial reagiert, ändert sich die Form bze. Gestalt des Verstärkungsmaterials, und es ist schwierig, die Festigkeit des Verbundmaterials beizubehalten.

Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2001-316785 offenbart als Gegenmaßnahme ein Verfahren zum Erzeugen eines Verbundmaterials umfassend eine Spinellschicht auf der Oberfläche eines Verstärkungsmaterials.

Gemäß dem in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2001-316785 offenbarten Herstellungsverfahren werden Aluminiumboratwhisker (hergestellt durch Shikoku Chemicals Corporation) als Verstärkungsmaterial verwendet, und die Oberfläche des Verstärkungsmaterials wird zuerst mit Magnesium (Mg) abgedeckt.

Als Nächstes wird das Verstärkungsmaterial in einem Vakuum bei 500 bis 1200°C erwärmt bzw. beheizt und das Beheizen wird für 0,5 bis 3 Stunden fortgesetzt.

Es findet eine chemische Reaktion zwischen dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesium statt, was zu einem Verbundmaterial führt, in dem eine Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet ist. Das Ausbilden einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials verhindert, dass das Verstärkungsmaterial, welches im Metallmaterial enthalten ist, eine chemische Reaktion mit den Elementen des Metallmaterials hervorruft. Dabei wird verhindert, dass sich die Form bzw. Gestalt des Verstärkungsmaterials aufgrund der chemischen Reaktion verändert, und die Festigkeit des Verbundmaterials kann beibehalten werden.

Das in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2001-316785 offenbarte Herstellungsverfahren beschreibt ein Verbundmaterial, bei welchem Aluminiumboratwhisker als Verstärkungsmaterial in der oben erwähnten Art und Weise verwendet werden. Aluminiumborat ist als Material bekannt, das einfach einen Spinell bildet.

Beim oben beschriebenen Herstellungsverfahren kann daher eine Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials nicht gebildet werden, falls Aluminiumoxid anstelle von Aluminiumborat verwendet wird als Verstärkungsmaterial. Es wurde daher festgestellt, dass bei einem Verbundmaterial, in welchem Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial verwendet wird, das Verstärkungsmaterial in Kontakt mit den Elementen des Metallmaterials kommt und eine chemische Reaktion hervorruft, und dass es schwierigist, die Eigenschaften des Verbundmaterials beizubehalten.

Bei dem in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2001-316785 offenbarten Herstellungsverfahren kann ferner eine ausreichende Benetzbarkeit zwischen der Aluminiumlegierung und der Spinellschicht nicht möglich sein, wenn die geschmolzene Aluminiumlegierung in das Verstärkungsmaterial eintritt (eindringt).

Daher können sich Fehler (d.h. Hohlräume bzw. Lücken) im Verbundmaterial auf Aluminiumbasis ausbilden, was dazu führt, dass. das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis lokale Sprödigkeiten erlangt bzw. bekommt.

Im Hinblick hierauf besteht ein Bedarf für eine Technik, wodurch die Eigenschaften in einem Verbundmaterial verbessert werden können, bei dem Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial verwendet wird.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis bereit, das eine Aluminiumlegierung als Basismaterial enthält, die ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, wobei das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis eine Spinellschicht, die auf einer Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet ist, und eine Aluminiumnitridschicht, welche auf einer Oberfläche der Spinellschicht ausgebildet ist, umfasst.

Die Verbindung zwischen der Aluminiumlegierung und dem Verstärkungsmaterial wird verbessert, weil die Spinellschicht, die aus dem Verstärkungsmaterial und Magnesiumnitrid (Mg3N2) gebildet ist, der während der Bildung der Spinellschicht gebildete Stickstoff und die geschmolzene Aluminiumlegierung zusammen reagieren, um Aluminiumnitrid zu bilden. Mit anderen Worten, kann die Aluminiumlegierung äußerst gut mit der Oberfläche des Verstärkungsmaterials verbunden werden durch Bildung einer Aluminiumnitridschicht auf der Oberfläche der Spinellschicht.

Ein Verfahren zum Hervorrufen des Eindringens einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (Schmelze) in das Verstärkungsmaterial wird verwendet, um das Verstärkungsmaterial in der Aluminiumlegierung einzufügen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Aluminiumlegierung in Kontakt mit dem Verstärkungsmaterial kommen und die Aluminiumlegierungskomponenten können mit dem Verstärkungsmaterial reagieren.

Infolge dessen wird verhindert, dass das Verstärkungsmaterial mit den Elementen der Aluminiumlegierung reagiert durch Ausbilden einer gleichförmigen Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials, bevor die geschmolzene Aluminiumlegierung veranlasst wird, in die Zwischenräume im Verstärkungsmaterial einzudringen. Die Eigenschaften eines Verbundmaterials, bei dem Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial verwendet wird, können daher beibehalten werden.

Vorzugsweise umfasst die Spinellschicht eine Zusatzspinellschicht, die im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet wird. Durch Ausbilden einer Zusatzspinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials kann daher die Dicke der gesamten Spinellschicht einfach vergrößert werden, und die Aluminiumlegierung kann besser mit der Oberfläche des Verstärkungsmaterials verbunden werden.

Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis bereit, bei welchem eine Aluminiumlegierung als ein Basismaterial verwendet wird und bei welchem das Basismaterial ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Mischen des Verstärkungsmaterials mit Magnesium zum Bilden eines gemischten Pulvers, Anordnen eines Blocks aus Aluminiumlegierung auf dem gemischten Pulver, Sublimieren des Magnesiums im gemischten Pulver durch Erwärmen des Blocks und des gemischten Pulvers auf die Sublimationstemperatur von Magnesium unter einer Stickstoffatmosphäre, Bilden einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials durch Umsetzung des Aluminiumoxids des Verstärkungsmaterials mit dem Magnesiumnitrid, das aus einer Reaktion zwischen sublimiertem Magnesium und dem Stickstoff erzeugt wird, und Bilden von Aluminiumnitrid auf der Oberfläche der Spinellschicht, während die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Blocks erhöht wird und ein Eindringen von geschmolzener Aluminiumlegierung in das gemischte Pulver hervorgerufen wird, nachdem die Spinellschicht ausgebildet worden ist.

Die Spinellschicht wird an der Oberfläche des Verstärkungsmaterials unter Stickstoffatmosphäre gebildet. Die Verwendung einer Stickstoffatmosphäre ermöglicht es, eine Spinellschicht zufriedenstellend auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials auszubilden, auch wenn Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial verwendet wird.

Da das Verstärkungsmaterial mit Magnesium gemischt wird, um ein gemischtes Pulver zu bilden, ermöglicht es die Sublimation des Magnesiums, dass das sublimierte Magnesium das Verstärkungsmaterial umhüllt. Dieses Magnesium reagiert mit dem Stickstoff, um Magnesiumnitrid zu erzeugen. Entsprechend wird eine große Menge von Magnesiumnitrid um das Verstärkungsmaterial herum erzeugt. Das Magnesiumnitrid reagiert hierbei zufriedenstellend mit dem Aluminiumoxid des Verstärkungsmaterials und es wird eine gleichförmige Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet.

Es ist daher verhindert, dass das Verstärkungsmaterial mit den Elementen der Aluminiumlegierung reagiert durch die Bildung einer gleichförmigen Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials, bevor die geschmolzene Aluminiumlegierung veranlasst wird, in das gemischte Pulver einzudringen. Daher können die Eigenschaften eines Verbundmaterials, bei welchem Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial verwendet wird, beibehalten werden.

Ferner wird eine Aluminiumnitridschicht auf der Oberfläche der Spinellschicht ausgebildet. Aluminiumnitrid weist eine ausgezeichnete Benetzbarkeit auf. Fehler (d.h. Hohlräume bzw. Lücken) können hierdurch im Verbundmaterial auf Aluminiumbasis verhindert werden, und die Aluminiumlegierung kann äußerst gut mit der Oberfläche des Verstärkungsmaterials verbunden werden.

Beim Schritt zum Sublimieren des Magnesiums wird die Temperatur bevorzugt auf die Sublimationstemperatur von Magnesium erhöht und dann bei dieser Sublimationstemperatur gehalten. Das Magnesium sublimiert daher allmählich. Der Oberfläche des Verstärkungsmaterials wird hierdurch ermöglicht, das Magnesium für eine vergleichsweise lange Zeitdauer zu halten bzw. zu speichern, eine gleichförmige Spinellschicht kann auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet werden und die Festigkeit des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis kann zuverlässiger gewährleistet werden.

Vorzugsweise ist ein Schritt zum Ausbilden einer Zusatzspinellschicht im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials enthalten vor dem Schritt des Bildens des gemischten Pulvers.

Das Bilden einer Zusatzspinellschicht im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ermöglicht es, die Dicke der gesamten Spinellschicht einfach zu vergrößern. Die Aluminiumlegierung kann dadurch noch besser mit der Oberfläche des Verstärkungsmaterials verbunden werden. Die Dicke der gesamten Spinellschicht kann kontrolliert werden und ein Verbundmaterial, das den gewünschten Materialeigenschaften entspricht, kann einfach erhalten werden.

Zusätzlich ermöglicht es die zuverlässigere Bildung einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials, bevor die Aluminiumlegierungsschmelze in das Metallpulver eindringt, zuverlässiger zu verhindern, dass das Verstärkungsmaterial mit den Elementen in der Aluminiumlegierung reagiert, und die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis besser bzw. geeigneter beibehalten zu können.

Für das Magnesium ist ein Pulver mit einer Korngröße von 50 bis 500 &mgr;m bevorzugt.

Das Magnesium kann in loser Form oder als ein Bestandteilelement einer Aluminiumlegierung hinzugefügt werden. Das Hinzufügen von Magnesium in loser Form kann allerdings verhindern, dass das Magnesium sublimiert wird und einen Magnesiumrückstand zurücklässt, was die Materialeigenschaften beeinträchtigt. Das Hinzufügen von Magnesium als Komponente einer Aluminiumlegierung erzeugt Unterschiede in der quantitativen Beziehung oder Distanz zwischen dem Verstärkungsmaterial und dem Magnesium in der Aluminiumlegierung und eine gleichförmige Verteilung wird schwierig.

Im Hinblick hierauf wird bei der vorliegenden Erfindung ein Pulver mit einer Korngröße von ungefähr 50 bis 500 &mgr;m für das Magnesium verwendet, wie dies zuvor beschrieben worden ist. Magnesiumpulver mit einer Korngröße von 50 bis 500 &mgr;m weist eine geringe Korngröße auf und sublimiert daher leicht bei Temperaturen, die gleich oder weniger als die Sublimationstemperatur von Magnesium sind, beispielsweise bei 550°C. Insbesondere kann die Sublimationstemperatur von Magnesium bei 550°C gehalten werden.

Wenn die Korngröße des Magnesiums kleiner als 50 &mgr;m ist, reagiert das Magnesiumpulver zu einfach, das Magnesium oxidiert nur aufgrund der Aussetzung in Luft, um Magnesiumoxid zu bilden, und es ist schwierig, das Magnesium in ausreichenden Mengen für die Reaktionen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen bzw. zu liefern.

In Fällen, in denen die Korngröße des Magnesiums 500 &mgr;m überschreitet, kann Magnesium, das nicht sublimieren kann, im Verbundmaterial zurückbleiben, ähnlich zu dem Fall von Magnesium in loser Form.

Magnesiumpulver mit einer Korngröße von 50 bis 500 &mgr;m wird daher bei der vorliegenden Erfindung verwendet. Das Magnesiumpulver kann daher zufriedenstellend sublimiert werden bei der gewünschten Sublimationstemperatur (550°C) und es kann eine gleichförmige Spinellschicht ausgebildet werden.

Kurzbeschreibung der Figuren

1 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;

3A und 3B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Mischens des Verstärkungsmaterials mit Magnesiumpulver beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;

4A bis 4C sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Bildens einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials beim Herstellungsverfahren eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform zeigen;

5A und 5B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel zeigen, in dem die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Aluminiumlegierungsblocks erhöht wird beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform;

6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei welchem eine geschmolzene Aluminiumlegierung in Zwischenräume in einem porösen Presskörper eindringt bei dem Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform;

7 ist eine Querschnittsansicht, welche ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

8 ist eine vergrößerte Ansicht einer Fotografie des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform;

9 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;

10A und 10B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Bildens einer Zusatzspinellschicht im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform zeigen;

11A und 11B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Mischens von Magnesiumpulver zeigen, das das Verstärkungsmaterial aufweist, dessen Oberfläche mit einer Zusatzspinellschicht beschichtet ist beim Verfahren zum Erzeugen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform;

12A und 12B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Sublimierens des Magnesiumpulvers beim Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform zeigen;

13A bis 13C sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel des Bildens einer Spinellschicht auf der Oberfläche der Zusatzspinellschicht beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform zeigen;

14A und 14B sind schematische Ansichten, welche ein Beispiel zeigen, bei dem die geschmolzene Aluminiumlegierung dazu veranlasst wird, in die Zwischenräume in einem porösen Presskörper einzudringen beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform;

15A bis 15E sind schematische Ansichten eines Testbeispiels gemäß einem Vergleichsbeispiel eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis, und Testproben gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4; und

16 ist ein Graph, welcher die Biegefestigkeit der in den 15A bis 15E dargestellten Testproben zeigt.

Bester Ausführungsmodus der Erfindung

Gewisse bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt einen Aspekt des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10 weist eine Aluminiumlegierung 11 als ein Basismaterial auf, und das Basismaterial enthält ein Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist. Eine Spinellschicht 13 ist auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet, und eine Aluminiumnitridschicht 15 ist auf der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13 ausgebildet.

Kugelförmige Aluminiumoxid-(Al2O3)-Partikel sind als Beispiel des Verstärkungsmaterials 12 dargestellt, aber die Form des Verstärkungsmaterials 12 ist nicht auf Kugeln beschränkt und kann beliebig festgelegt sein. Beispielsweise können die gleichen Wirkungen erhalten werden, wenn Aluminiumoxidfasern verwendet werden anstelle von Aluminiumoxidpartikeln.

Die Spinellschicht 13 wird gebildet aus einem Oxid (MgAl2O4), das durch eine Reaktion zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und Magnesiumnitrid (Mg3N2) erzeugt wird. Die Spinellschicht 13 ist vorzugsweise mit einer gleichförmigen Dicke t1 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 ausgebildet.

Die Aluminiumnitridschicht 14 wird gebildet, wenn die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 in die Zwischenräume des Verstärkungsmaterials 12 eindringt und Stickstoff (N2) mit den Aluminium (Al)-Komponenten in der Aluminiumlegierung 11 reagiert. Das Aluminiumnitrid weist eine ausgezeichnete Benetzbarkeit auf.

Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 10 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 26 beschrieben.

2, Schritt (nachfolgend mit ST abgekürzt) 10: Das Verstärkungsmaterial wird mit Magnesium (Mg)-Pulver gemischt, um einen porösen Presskörper (gemischtes Pulver) zu bilden.

ST11: Ein Block bzw. Barren aus Aluminiumlegierung wird auf dem porösen Presskörper platziert bzw. angeordnet.

ST12: Der Block und der poröse Presskörper werden auf die Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers unter Stickstoffatmosphäre erwärmt und das Magnesiumpulver im porösen Presskörper wird sublimiert.

ST13: Das sublimierte Magnesiumpulver reagiert mit dem Stickstoff (N2), um Magnesiumnitrid (Mg3N2) zu erzeugen. Dieses Magnesiumnitrid reagiert mit dem Verstärkungsmaterial Aluminiumoxid (Al2O3), um auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials eine Spinellschicht zu bilden.

ST14: Nachdem die Spinellschicht gebildet ist, wird die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Blocks erhöht, und die geschmolzene Aluminiumlegierung (Aluminiumlegierungsschmelze) wird veranlasst, in den porösen Presskörper einzudringen, wobei Aluminiumnitrid auf der Oberfläche der Spinellschicht gebildet wird.

Das in der 1 dargestellte Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10 wird durch die oben beschriebenen Schritte erhalten.

ST10–ST14 werden nachfolgend im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die 3A6.

3A und 3B zeigen ein Beispiel des Mischens von Magnesiumpulver mit dem Verstärkungsmaterial, wie dies in ST10 der 2 beschrieben ist.

Ein Deckel 21 auf einem Mischbehälter 20 wird entfernt, um eine Öffnung (nicht dargestellt) im Mischbehälter 20 zu öffnen, wie dies in 3A dargestellt ist. Das Verstärkungsmaterial (Aluminiumoxidpartikel) 12 und Magnesium-(Mg)-Pulver 15 als Magnesium werden in den Mischbehälter 20 durch diese Öffnung eingeführt. Das Magnesiumpulver 15 weist eine Korngröße von 50 bis 500 &mgr;m auf.

Die Öffnung im Mischbehälter 20 wird mit dem Deckel verschlossen, und der Mischbehälter 20 wird an eine Rührvorrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Mischbehälter 20 wird in der Rührvorrichtung gehalten und gedreht, wie dies durch den Pfeil A dargestellt ist, wodurch das Verstärkungsmaterial 12 und das Magnesiumpulver 15 gemischt werden.

Nach dem Mischen werden das Verstärkungsmaterial 12 und das Magnesiumpulver 15 aus dem Mischbehälter 20 entfernt.

In 3B wird ein poröser Presskörper (gemischtes Pulver) 16 erhalten aus dem entnommenen Verstärkungsmaterial 12 und Magnesiumpulver 15. In diesem porösen Presskörper 16 haftet das Magnesiumpulver 15 im Wesentlichen gleichförmig an der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12.

4A4C zeigen ein Beispiel des Bildens einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform, wobei 4A(a) ein spezielles Beispiel von ST11 und ST12 in 2 darstellt, und die 4B und 4C ein spezielles Beispiel von ST13 in 2 darstellen.

In 4A wird der poröse Presskörper 16 auf der Bodenfläche 27a eines Tiegels 27 in einem Atmosphärenofen 26 platziert, welcher eine Herstellungsvorrichtung 25 für das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis bildet, und ein Block bzw. Barren 17 aus Aluminiumlegierung wird auf dem porösen Presskörper 16 platziert.

Um die Luft aus dem Atmosphärenofen 26 zu entfernen, wird eine Vakuumabsaugung mittels einer Vakuumpumpe 29 angewendet, und die Vakuumpumpe 29 wird angehalten, wenn ein vorbestimmtes Vakuum erreicht ist. Dann wird Argongas (Ar) in den Atmosphärenofen 26 zugeführt. Im Atmosphärenofen 26 wird eine Argongasatmosphäre gebildet, und es wird verhindert, dass der Aluminiumlegierungsblock 17 und das Magnesiumpulver 15 oxidieren.

Als Nächstes wird Stickstoffgas (N2) 32 dem Atmosphärenofen 26 zugeführt, wie dies durch den Pfeil B dargestellt ist. Gleichzeitig wird der Druck im Atmosphärenofen 26 erhöht (z.B. Atmosphärendruck + ungefähr 0,5 kg/cm2), und die Atmosphäre im Atmosphärenofen 26 wird durch Stickstoffgas 32 ersetzt.

Als Nächstes wird der Atmosphärenofen 26 mittels einer Heizspule 34 erwärmt bzw. erhitzt, wodurch der poröse Presskörper 16 und der Aluminiumlegierungsblock 17 auf die Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers 15 (z.B. ungefähr 550°C) erwärmt bzw. erhitzt werden. Die Temperatur im Atmosphärenofen 26 wird mit einem Temperatursensor 35 abgegriffen, und die Temperatur im Atmosphärenofen 26 wird bei der Sublimationstemperatur (z.B. ungefähr 550°C) gehalten durch eine Steuer-/Regeleinrichtung 36 auf Grundlage eines Sensorsignals vom Temperatursensor 35.

Die Sublimationszeit des Magnesiumpulvers 15 beträgt ungefähr 3 Stunden.

In 4B reagiert das sublimierte Magnesium 38 mit dem Stickstoffgas 32, um Magnesiumnitrid (Mg3N2) 41 zu erzeugen.

Das resultierende Magnesiumnitrid (Mg3N2) 41 reagiert wie folgt mit dem Aluminiumoxid (Al2O3) im Verstärkungsmaterial 12, das den porösen Presskörper 16 bildet. 3Al2O3 + Mg3N2 + 3[O] → 3MgAl2O4 + N2

In 4C reagiert das Magnesiumnitrid (Mg3N2) 41 mit dem Aluminiumoxid im Verstärkungsmaterial 12, wodurch eine Spinell-(MgAl2O4)-Schicht 13 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet wird.

Wie oben beschrieben, wird die Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers 15 beibehalten (z.B. ungefähr 550°C), wodurch das Magnesiumpulver 15 allmählich sublimiert wird. Dem Magnesiumpulver 15 wird daher ermöglicht, auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 für eine vergleichsweise lange Zeitdauer zu verbleiben, und es wird eine gleichförmige Spinellschicht 13 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet.

Es werden nun die Gründe für das Bilden der Spinell-(MgAl2O4)-Schicht 13 auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 beschrieben.

Das Verstärkungsmaterial 12 wird mit dem Magnesiumpulver 15 gemischt, um den porösen Presskörper 16 zu bilden, wie dies in 2B dargestellt ist. Wenn das Magnesiumpulver 15 sublimiert, umhüllt das sublimierte Magnesium 38 das Verstärkungsmaterial 12 entsprechend, wie dies in 4B dargestellt ist. Dieses Magnesium 38 reagiert mit dem Stickstoff 32, um Magnesiumnitrid 41 zu erzeugen.

Große Mengen von Magnesiumnitrid 41 werden dabei um das Verstärkungsmaterial 12 herum erzeugt, wie dies in 4B dargestellt ist. Das Magnesiumnitrid 41 wird dabei veranlasst, mit dem Aluminiumoxid im Verstärkungsmaterial 12 zu reagieren, um die Spinellschicht 13 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 zu bilden.

5A und 5B zeigen ein Beispiel, bei dem die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Aluminiumlegierungsblocks erhöht wird beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform. 5A zeigt ein spezielles Beispiel von ST13 in 2, und 5B zeigt ein spezielles Beispiel von ST14 in 2.

Im porösen Presskörper 16 ist das Magnesiumpulver 15 im Wesentlichen gleichförmig über die Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 angeordnet, wie dies in 3B dargestellt ist. Entsprechend wird die Spinellschicht 13 gleichförmig über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 ausgebildet, wie dies in 5A dargestellt ist.

Nachdem die gleichförmige Spinellschicht 13 über die Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 ausgebildet worden ist, wird in 5B die Temperatur auf den Schmelzpunkt (850°C) des Aluminiumlegierungsblocks 17 erhöht. Der Aluminiumlegierungsblock 17 schmilzt, und die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 (s. 1) dringt in den porösen Presskörper 16 ein, wie dies durch den Pfeil C dargestellt ist.

Da die Schmelze in den porösen Presskörper 16 eindringt, wie dies durch den Pfeil C dargestellt ist, nachdem die Spinellschicht 13 gleichförmig über der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 ausgebildet worden ist, wird verhindert, dass das Verstärkungsmaterial 12 mit den Elementen der Aluminiumlegierung 11 reagiert.

6 zeigt ein Beispiel, bei dem das Material des Aluminiumlegierungsblocks in die Zwischenräume im porösen Presskörper eindringt beim Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der ersten Ausführungsform zeigt und stellt ST14 der 2 im Detail dar.

Die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 (s. 1) dringt in die Zwischenräume 16a des porösen Presskörpers 16 ein, wie dies durch den Pfeil D dargestellt ist.

Die Aluminium-(Al)-Komponenten in der geschmolzenen Aluminiumlegierung 11 reagieren mit dem Stickstoff (N2). Eine Aluminiumnitrid-(AlN)-Schicht 14 wird durch diese Reaktion auf der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13 gebildet.

Aluminiumnitrid weist eine ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit auf. Entsprechend füllt die geschmolzene Aluminiumlegierung die Zwischenräume 16a im porösen Presskörper 16 zufriedenstellend aus. Man erhält dadurch das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10, das in 1 dargestellt ist.

Das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10 weist unter erneuter Bezugnahme auf 1 ein Verstärkungsmaterial 12, eine Spinellschicht 13, die aus Magnesiumnitrid 41 (s. 4B) gebildet ist, und eine Aluminiumnitridschicht 14, die durch eine Reaktion zwischen dem während der Bildung der Spinellschicht 13 erzeugten Stickstoff und der geschmolzenen Aluminiumlegierung 11 gebildet wird, auf.

Entsprechend ist die Verbindung zwischen der Aluminiumlegierung 11 und dem Verstärkungsmaterial 12 verbessert, und ein Basismaterial, d.h. die Aluminiumlegierung 11, kann äußerst gut mit der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 verbunden werden.

Zusätzlich ist durch Ausbilden einer gleichförmigen Spinellschicht 13 auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12, bevor die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 in die Zwischenräume 16a (s. 6) des porösen Presskörpers 16 eindringt verhindert, dass das Verstärkungsmaterial 12 mit den Elementen in der Aluminiumlegierung 11 reagiert. Daher können die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 10, bei dem Aluminiumoxid als Verstärkungsmaterial 12 verwendet wird, beibehalten werden.

Ferner wird eine Aluminiumnitridschicht 14 auf der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13 gebildet. Aluminiumnitrid weist eine ausgezeichnete Benetzbarkeit auf. Dementsprechend kann eine ausreichende Benetzbarkeit zwischen der Aluminiumlegierung 11 und der Aluminiumnitridschicht 14 gewährleistet werden, wenn die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 in die Zwischenräume des Verstärkungsmaterials 12 eindringt. Es wird verhindert, dass Fehler (d.h. Hohlräume bzw. Lücken) gebildet werden im Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10, die Aluminiumlegierung 11 kann äußerst gut mit dem Verstärkungsmaterial 12 verbunden werden, und die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 10 können verbessert werden.

Als Nächstes wird das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis der zweiten Ausführungsform sowie dessen Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf die 714A beschrieben. Beim Verbundmaterial auf Aluminiumbasis der zweiten Ausführungsform werden Materialien und Komponenten, die identisch oder ähnlich sind zu denjenigen des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 10 der ersten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht beschrieben.

Zuerst wird das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis der zweiten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 7 und 8 beschrieben.

Ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 50 weist eine Aluminiumlegierung 11 als ein Basismaterial auf, und das Basismaterial enthält ein Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, wobei eine Zusatzspinellschicht 51 auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 ausgebildet ist, eine Spinellschicht 13 auf der Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 ausgebildet ist, und eine Aluminiumnitridschicht 14 auf der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13 ausgebildet ist.

Ähnlich zur Spinellschicht 13 ist die Zusatzspinellschicht 51 aus einem Oxid (MgAl2O4) hergestellt, die durch eine Reaktion zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und Magnesiumnitrid (Mg3N2) erzeugt wird. Die Zusatzspinellschicht 51 ist vorzugsweise mit einer gleichförmigen Dicke t2 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet.

Als Nächstes wird das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 50 der zweiten Ausführungsform beschrieben unter Bezugnahme auf die 914B. 9 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.

ST20: Eine Zusatzspinellschicht wird im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials gebildet.

ST21: Das Verstärkungsmaterial mit der im Voraus gebildeten Zusatzspinellschicht wird mit Magnesium-(Mg)-Pulver gemischt, um einen porösen Presskörper (gemischtes Pulver) zu bilden.

ST22: Ein Block bzw. Barren der Aluminiumlegierung wird oben auf den porösen Presskörper platziert.

ST23: Der Block und der poröse Presskörper werden unter Stickstoffatmosphäre auf die Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers erwärmt, und das Magnesiumpulver im porösen Presskörper wird sublimiert.

ST24: Das sublimierte Magnesiumpulver reagiert mit dem Stickstoff (N2), um Magnesiumnitrid (Mg3N2) zu erzeugen. Dieses Magnesiumnitrid reagiert mit dem Aluminiumoxid (Al2O3) im Verstärkungsmaterial, um eine Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials zu bilden.

ST25: Nachdem die Spinellschicht gebildet ist, wird die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Blocks erhöht, und die geschmolzene Aluminiumlegierung dringt in den porösen Presskörper ein, wobei Aluminiumnitrid an der Oberfläche der Spinellschicht gebildet wird.

Man erhält hierdurch das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 50, das in 7 dargestellt ist.

ST20 bis ST24 werden nun im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die 10A14B.

Die 10A und 10B zeigen ein Beispiel des Bildens einer Zusatzspinellschicht im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials, und stellen ST20 der 9 im Detail dar.

In 10A wird das Verstärkungsmaterial 12 mit Magnesiumhydroxid (Mg (OH)2) 52 gemischt. Das Magnesiumhydroxid 52 wird dabei im Wesentlichen gleichförmig über die Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 angeordnet.

In 10B werden die Materialien für 5 Stunden bei der Reaktionstemperatur (1000–1500°C) der Spinellschicht unter einer normalen Atmosphäre, einer inerten Atmosphäre oder einem Vakuum beheizt.

Das Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) 52 reagiert mit dem Aluminiumoxid (Al2O3) im Verstärkungsmaterial 12. Eine vorausgehende Spinell-(MgAl2O4)-Schicht 51 wird durch Reaktion in einer gleichförmigen Dicke t2 über die gesamte Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet.

11A und 11B zeigen ein Beispiel des Mischens des Verstärkungsmaterials mit Magnesiumpulver und stellen einen Teil von ST21 von 9 dar.

In 11A wird eine gleichförmige Zusatzspinellschicht 51 auf der gesamten Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet.

In 11B wird ein Deckel 21 auf einem Mischbehälter 20 entfernt, um eine Öffnung (nicht gezeigt) im Mischbehälter 20 zu öffnen. Das Magnesium(Mg)-Pulver 15 und das mit der Zusatzspinellschicht 51 bereitgestellte Verstärkungsmaterial (Aluminiumoxidpartikel) 12 werden in den Mischbehälter 20 durch die Öffnung eingeführt.

Die Öffnung im Mischbehälter 20 wird durch den Deckel 21 verschlossen, und der Mischbehälter 20 wird an eine Rührvorrichtung (nicht gezeigt) angeschlossen. Der Mischbehälter 20 wird gedreht, wie dies durch den Pfeil E dargestellt ist, wodurch das Magnesium-(Mg)-Pulver 15 und das mit der Zusatzspinellschicht 51 bereitgestellte Verstärkungsmaterial (Aluminiumoxidpartikel) 12 gemischt werden.

Das Magnesiumpulver 15 und das mit der Zusatzspinellschicht 51 versehene Verstärkungsmaterial 12 werden dann aus dem Mischbehälter 20 entnommen.

12A und 12B zeigen ein Beispiel eines sublimierenden Magnesiumpulvers, wobei 12A einen Teil von ST21 von 9 im Detail zeigt, und 12B zeigt ST22 und ST23 im Detail.

In 12A werden entnommenes Verstärkungsmaterial 12 und Magnesiumpulver 15 als eine pulverisierte Substanz gebildet, um einen porösen Körper (gemischtes Pulver) 54 zu erhalten. Im porösen Presskörper 54 ist das Magnesiumpulver 15 im Wesentlichen gleichförmig über die Oberfläche 51A der Zusatzspinellschicht 51 angeordnet.

In 12B wird der poröse Presskörper 54 auf der Bodenfläche 27a eines Tiegels 27 in einem Atmosphärenofen 26 angeordnet, der die Herstellungsvorrichtung 25 für das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis bildet, und ein Aluminiumlegierungsblock bzw. -barren 17 wird auf den porösen Presskörper 54 platziert.

Um die Luft aus dem Atmosphärenofen 26 zu entfernen, wird eine Vakuumabsaugung mittels einer Vakuumpumpe 29 angewendet, und die Vakuumpumpe 29 wird angehalten, wenn ein vorbestimmtes Vakuum erreicht ist. Dann wird Argongas (Ar) in den Atmosphärenofen 26 zugeführt. Das Ergebnis ist eine Argongasatmosphäre innerhalb des Atmosphärenofens 26, und es ist verhindert, dass der Aluminiumlegierungsblock 17 und das Magnesiumpulver 15 oxidieren.

Als Nächstes wird dem Atmosphärenofen 26 Stickstoffgas (N2) 32 zugeführt, wie dies durch den Pfeil F dargestellt ist. Gleichzeitig wird der Druck innerhalb des Atmosphärenofens 26 erhöht (z.B. Atmosphärendruck + ungefähr 0,5 kg/cm2), und die Atmosphäre im Atmosphärenofen 26 wird durch das Stickstoffgas 32 ersetzt.

Als Nächstes wird der Atmosphärenofen 26 mit einer Heizspule 34 erhitzt, wodurch der poröse Presskörper 54 und der Aluminiumlegierungsblock 17 auf die Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers 15 (z.B. ungefähr 550°C) erhitzt werden. Die Temperatur im Atmosphärenofen wird mittels eines Temperatursensors 35 abgegriffen, und die Temperatur im Atmosphärenofen 26 wird durch eine Steuer-/Regeleinheit 36 auf Basis eines Sensorsignals vom Temperatursensor 35 bei der Sublimationstemperatur (z.B. ungefähr 550°C) gehalten.

13A13C zeigen ein Beispiel des Bildens einer Spinellschicht auf den Oberflächen der Zusatzspinellschicht, und stellen ST24 von 9 im Detail dar.

In 13A reagiert das sublimierte Magnesium 38 mit dem Stickstoffgas 32, um Magnesiumnitrid (Mg3N2) 41 zu erzeugen. Das resultierende Magnesiumnitrid (Mg3N2) 41 reagiert mit den Aluminiumoxid-(Al2O3)-Komponenten in der vorausgehenden bzw. vorbereiteten Spinell-(MgAl2O4)-Schicht 51 wie folgt. 3Al2O3 + Mg3N2 + 3[O] → 3MgAl2O4 + N2

In 13B reagiert das Magnesiumnitrid 41 mit den Aluminiumoxidkomponenten in der Zusatzspinellschicht 51, wodurch eine Spinell (MgAl2O4)-Schicht 13 über die gesamte Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 gebildet wird.

Wie oben beschrieben, wird das Magnesiumpulver 15 allmählich sublimiert durch Beibehalten der Sublimationstemperatur des Magnesiumpulvers 15 (z.B. ungefähr 550°C). Dem Magnesiumpulver 15 wird daher ermöglicht, an der Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 für eine vergleichsweise lange Zeitdauer zu verbleiben, und eine gleichförmige Spinellschicht 13 über die gesamte Oberflächen 51a auszubilden, wie dies in 13C dargestellt ist.

Die Gründe für das Bilden einer Spinell-(MgAl2O4)-Schicht auf der Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 werden nun beschrieben.

Das mit der Zusatzspinellschicht 51 versehene Verstärkungsmaterial 12 wird mit dem Magnesiumpulver 15 gemischt, um den porösen Presskörper 54 zu bilden, wie dies in 12A dargestellt ist. Wenn das Magnesiumpulver 15 sublimiert, umhüllt das sublimierte Magnesium 38 die Zusatzspinellschicht 51, wie dies in 13A dargestellt ist. Das Magnesium 38 reagiert mit dem Stickstoff 32, um Magnesiumnitrid 41 zu erzeugen. Große Mengen von Magnesiumnitrid 41 werden um die Zusatzspinellschicht 51 erzeugt, wie dies in 13A dargestellt ist. Das Magnesiumnitrid 41 reagiert mit den Aluminiumoxidkomponenten in der Zusatzspinellschicht 51, um eine Spinellschicht 13 über die gesamte Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 zu bilden.

Eine gleichförmige Spinellschicht 13 wird über die gesamte Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 gebildet, wie dies in 13C dargestellt ist.

14A und 14B zeigen ein Beispiel, bei welchem das Material des Aluminiumlegierungsblocks in die Zwischenräume im porösen Presskörper eindringt, und stellen ST25 in 9 im Detail dar.

Nachdem die gleichförmige Spinellschicht 13 auf der Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 gebildet worden ist, werden in 14 die Materialien auf den Schmelzpunkt (850°C) des Aluminiumlegierungsblocks erhitzt. Der Aluminiumlegierungsblock 17 schmilzt, und die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 (s. 7) dringt in den porösen Presskörper 54 ein, wie dies durch den Pfeil G dargestellt ist. Es ist daher verhindert, dass das Verstärkungsmaterial 12 mit den Elementen in der Aluminiumlegierung 11 reagiert.

In 14B dringt die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 (s. 7) in die Zwischenräume 54a des porösen Presskörpers 54 ein, wie dies durch den Pfeil H dargestellt ist. Die Aluminium-(Al)-Komponenten der geschmolzenen Aluminiumlegierung 11 reagieren mit dem Stickstoff (N2). Eine Aluminiumnitrid-(AlN)-Schicht 14 wird durch die Reaktion an der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13 gebildet.

Aluminiumnitrid weist eine ausgezeichnete Benetzungsfähigkeit auf. Dementsprechend füllt die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 die Zwischenräume 54a des porösen Presskörpers 54 zufriedenstellend aus, und man erhält das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 50, das in 7 dargestellt ist.

Beim Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 50 reagiert unter erneuter Bezugnahme auf die 7 und 8 das Magnesiumnitrid 41 (s. 13A) mit den Aluminiumoxidkomponenten in der Zusatzspinellschicht 51, um eine Spinellschicht 13 auf der Oberfläche 51a der Zusatzspinellschicht 51 zu bilden. Die Zusatzspinellschicht 51 und die Spinellschicht 13 können dementsprechend auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 gebildet werden, und die Dicke der Spinellschichten 51, 13 kann erhöht werden auf (t2 + t1), wie dies in 13B dargestellt ist. Die Aluminiumlegierung 11 als ein Basismaterial kann daher noch zufriedenstellender mit der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 verbunden werden.

Es kann daher noch besser und zuverlässiger verhindert werden, dass das Verstärkungsmaterial 12 mit den Elementen in der Aluminiumlegierung 11 reagiert. Dies wird erreicht durch weiteres Vergrößern der Dicke (t2 + t1) der Spinellschichten 51, 13, bevor die geschmolzene Aluminiumlegierung 11 in die Zwischenräume 54a des porösen Presskörpers 54 eindringen.

Daher können die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 50 noch besser bzw. geeigneter beibehalten werden.

Ferner ermöglicht das Bilden einer Zusatzspinellschicht 51 im Voraus das Kontrollieren der Dicke der Spinellschichten 51, 13 und das einfache Erhalten eines Verbundmaterials, das den gewünschten Materialeigenschaften entspricht.

Ähnlich zum Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 10 der ersten Ausführungsform, das in 1 dargestellt ist, ermöglicht das Bilden einer Aluminiumnitridschicht 14 auf der Oberfläche 13a der Spinellschicht 13, das Auftreten von Fehlern (d.h. Hohlräumen bzw. Lücken) im Verbundmaterial auf Aluminiumbasis 50 zu verhindern. Die Aluminiumlegierung 11 kann daher äußerst gut mit dem Verstärkungsmaterial 12 verbunden werden, und die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis 50 können verbessert werden.

Als Nächstes werden die Eigenschaften (im Speziellen Biegefestigkeit) der Verbundmaterialien auf Aluminiumbasis 10, 50 der Ausführungsformen 1 und 2 beschrieben.

15A15E zeigen eine Testprobe des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis, wobei 15A ein Vergleichsbeispiel und 15B15E Ausführungsformen 1–4 darstellen.

Das Vergleichsbeispiel in 15A ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, bei dem ein Verstärkungsmaterial 12 in einer Aluminiumlegierung 11 enthalten ist in einem Zustand, in dem keine Spinellschicht auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet ist, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist. Alternativ kann ein Material, in welchem Magnesium als eine elementare Komponente in der Aluminiumlegierung 11 enthalten ist, dazu veranlasst werden, in die Spalten im Verstärkungsmaterial 12 einzudringen, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, wobei ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis erzeugt wird, in dem [das Verstärkungsmaterial] in der Aluminiumlegierung 11 in einem Zustand enthalten ist, in dem keine gleichförmige Spinellschicht auf dem Verstärkungsmaterial 12 gebildet ist, die aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist.

Im Vergleichsbeispiel ist die Spinellschicht entweder nicht ausgebildet oder in einer nicht gleichförmigen Weise ausgebildet.

Bei einem Material, bei dem eine Spinellschicht nicht in gleichförmiger Weise ausgebildet ist, weisen einige Bereiche der Spinellschicht unzureichende Dicken auf. Der Radius R des Verstärkungsmaterials 12 beträgt 3 &mgr;m.

Ausführungsform 1, welche in 15B dargestellt ist, ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, bei dem eine gleichförmige Spinellschicht 13 auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet ist, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, eine Aluminiumnitridschicht 14 ist auf der Spinellschicht 13 ausgebildet und das Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, ist in der Aluminiumlegierung 11 enthalten.

Ausführungsform 2, welche in 15C dargestellt ist, ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, wobei eine gleichförmige Zusatzspinellschicht 51 und eine Spinellschicht 13 auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet sind, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, eine Aluminiumnitridschicht 14 ist auf der Spinellschicht 13 ausgebildet und das Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, ist in der Aluminiumlegierung 11 enthalten. Der Radius R des Verstärkungsmaterials 12 beträgt 3 &mgr;m, und die Dicke t2 der Zusatzspinellschicht 51 beträgt 25 nm. Das Volumenverhältnis zwischen der Zusatzspinellschicht 51 und dem Verstärkungsmaterial 12 mit Radius R (3 &mgr;m) beträgt 5 vol%.

Ausführungsform 3, die in 15D dargestellt ist, ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, wobei eine gleichförmige Zusatzspinellschicht 51 und eine Spinellschicht 13 auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet sind, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, eine Aluminiumnitridschicht 14 ist auf der Spinellschicht 13 ausgebildet und das Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, ist in der Aluminiumlegierung 11 enthalten. Der Radius R des Verstärkungsmaterials 12 beträgt 3 &mgr;m, und die Dicke t2 der Zusatzspinellschicht 51 beträgt 52 nm. Das Volumenverhältnis zwischen der Zusatzspinellschicht 51 und dem Verstärkungsmaterial 12 mit Radius R (3 &mgr;m) beträgt 10 vol%.

Ausführungsform 4, die in 15E dargestellt ist, ist ein Verbundmaterial auf Aluminiumbasis, wobei ein gleichförmige Zusatzspinellschicht 51 und eine Spinellschicht 13 auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet sind, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, eine Aluminiumnitridschicht 14 ist auf der Spinellschicht 13 ausgebildet, und das Verstärkungsmaterial 12, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, ist in der Aluminiumlegierung 11 enthalten. Der Radius R des Verstärkungsmaterials 12 beträgt 3 &mgr;m, und die Dicke t2 der Zusatzspinellschicht 51 beträgt 168 nm. Das Volumenverhältnis zwischen der Zusatzspinellschicht 51 und dem Verstärkungsmaterial 12 mit Radius R (3 &mgr;m) beträgt 30 vol%.

Die Testproben im Vergleichsbeispiel und in den Ausführungsformen 1–4 werden in Biegetests gebogen, um die Last und Durchbiegung der Testproben zu messen, und um die Biegefestigkeit &sgr; zu bestimmen.

Die Biegefestigkeit &sgr; wurde bestimmt unter Verwendung der folgenden mathematischen Formel. &sgr; = M/Z

In der Formel ist M das Biegemoment und Z ist das Widerstandsmoment.

Zusätzlich wurde der Elastizitätsmodul E für die Testproben des Vergleichsbeispiels und der Ausführungsform 1–4 bestimmt. Der Elastizitätsmodul E wurde bestimmt unter Verwendung der folgenden mathematischen Formel. E = (P × L)/(&lgr; × A)

In der Formel ist P die axiale Last, die auf eine Testprobe angewendet wird, L ist die ursprüngliche Länge der Testprobe, &lgr; ist die Streckung oder Komprimierung der Testprobe, und A ist die Querschnittsfläche in Querrichtung der Testprobe.

Die Testergebnisse der Testproben sind im Graph in 16 dargestellt. In diesem Graph ist die Biegefestigkeit &sgr; (MPa) auf der Vertikalachse gezeichnet und der Elastizitätsmodul E (GPa) ist auf der Horizontalachse gezeichnet.

Im Graph in 16 ist das Vergleichsbeispiel durch x dargestellt, Ausführungsform 1 ist durch O dargestellt, Ausführungsform 2 ist durch * dargestellt, Ausführungsform 3 ist durch &Dgr; dargestellt und Ausführungsform 4 ist durch ☐ dargestellt.

Im Vergleichsbeispiel wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 220 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 92 (Gpa) auf.

In Ausführungsform 1 wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 330 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 98 (Gpa) auf.

In Ausführungsform 2 wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 350 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 118 (Gpa) auf.

In Ausführungsform 3 wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 370 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 114 (Gpa) auf.

In Ausführungsform 4 wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 400 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 112 (Gpa) auf.

Im Vergleichsbeispiel wies die Biegefestigkeit &sgr; einen Durchschnitt von 220 (MPa) auf und der Elastizitätsmodul E wies einen Durchschnitt von 92 (Gpa) auf, aber in den Ausführungsformen 1–4 betrug die Biegefestigkeit &sgr; 220 (MPa) oder mehr und der Elastizitätsmodul E betrug 92 (GPa) oder mehr.

Es ist daher ersichtlich, dass das Ausbilden einer Spinellschicht 13 oder 51 und einer Aluminiumnitridschicht 14 auf der Oberfläche 12a des Verstärkungsmaterials 12 es ermöglicht, die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis zu verbessern.

Im Vergleichsbeispiel traten Ungleichmäßigkeiten bei der Biegefestigkeit &sgr; und dem Elastizitätsmodul E auf, wie dies aus dem Graph ersichtlich ist, und die Gründe hierfür sind folgende.

Im Vergleichsbeispiel war entweder die Spinellschicht nicht auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet, das aus Aluminiumoxidpartikeln gebildet ist, oder die Spinellschicht hatte Bereiche mit unzureichender Dicke.

Muster, bei denen eine Spinellschicht nicht gebildet worden ist, konnten einfach beschädigt werden, und es ist wahrscheinlich, dass sich Schäden von Bereichen unzureichender Dicke bei Mustern, in denen die Dicke der Spinellschicht unzureichend war, verbreiten bzw. vermehren.

Daher wird angenommen, dass die Festigkeit des Verbundmaterials nicht gleichmäßig ist.

Die Biegefestigkeit &sgr; und der Elastizitätsmodul E in den Ausführungsformen 2–4 waren größer als in Ausführungsform 1. Es ist klar, dass die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis verbessert werden können durch Bereitstellen des Verstärkungsmaterials 12 mit einer Zusatzspinellschicht 51, wodurch die Dicke der gesamten Spinellschicht auf (t1 + t2) vergrößert wird.

Ferner ist es aus den Ausführungsformen 2 bis 4 ersichtlich, dass die Eigenschaften des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis verbessert werden können durch Vergrößern der Dicke t2 der Zusatzspinellschicht 51 und durch Vergrößern der Dicke (t1 + t2) der gesamten Spinellschicht.

Das Volumenverhältnis der Zusatzspinellschicht 51 bezogen auf das Verstärkungsmaterial 12 beträgt vorzugsweise 5 vol% oder mehr und 30 vol% oder weniger.

Dies liegt daran, da es schwierig ist, einen adäquaten Effekt zu erhalten in einem Falle, in welchem das Volumenverhältnis der Zusatzspinellschicht 51 weniger als 5 vol% beträgt, auch wenn die Zusatzspinellschicht 51 ausgebildet ist.

Dies kommt auch daher, weil das Erhöhen des Volumenverhältnisses der Zusatzspinellschicht 51 über 30 vol% zuviel verbrauchte Zeit hervorruft zum Bilden der Zusatzspinellschicht 51 und die Produktivität behindert.

In der ersten und der zweiten Ausführungsform wurden Beispiele beschrieben, in denen poröse Presskörper 16, 54 verwendet wurden als gemischtes Pulver, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Option alleine beschränkt, und die gleichen Effekte können erreicht werden, wenn ein Pulver, das durch Mischen des Verstärkungsmaterials 12 und des Magnesiumpulvers 15 erhalten wird, nur im Tiegel 27 platziert wird ohne Modifikation.

In der zweiten Ausführungsform wurde ein Verfahren verwendet, bei dem Magnesiumhydroxid 52 auf dem Verstärkungsmaterial 12 angeordnet worden ist, und einer Hitzebehandlung für 5 h bei der Reaktionstemperatur (1000–1500°C) der Spinellschicht unterworfen war, um eine Zusatzspinellschicht 51 auf dem Verstärkungsmaterial 12 auszubilden. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf diese Option alleine beschränkt, und anstelle von Magnesiumhydroxid 52 kann Magnesium verwendet werden, wie bei der ersten Ausführungsform.

In der zweiten Ausführungsform wurde ferner ein Beispiel beschrieben, bei dem eine Zusatzspinellschicht 51 und eine Spinellschicht 13 separat als zwei Schichten auf dem Verstärkungsmaterial 12 ausgebildet worden sind, um die Dicke der Spinellschicht zu vergrößern, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Option alleine beschränkt, und die Dicke der Spinellschicht kann vergrößert werden durch Erhöhen der Dauer von ST13 in 2 der ersten Ausführungsform oder durch Erhöhen der Menge von zugeführtem Magnesiumpulver 15.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung bei einem Verbundmaterial auf Aluminiumbasis angewendet werden, bei dem eine Aluminiumlegierung als ein Basismaterial verwendet wird, und bei dem das Basismaterial ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, und auf ein Verfahren zur Herstellung des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis.

Zusammenfassung

Verbundmaterial (10) auf Aluminiumbasis mit einer Aluminiumlegierung (11) als Basismaterial und darin enthalten ein Verstärkungsmaterial (12), das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, wobei auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials eine Spinellschicht (13) ausgebildet ist, und eine Aluminiumnitridschicht (14), die eine ausgezeichnete Bentzungsfähigkeit aufweist, auf der Oberfläche der Spinellschicht ausgebildet ist.


Anspruch[de]
Verbundmaterial auf Aluminiumbasis mit einer Aluminiumlegierung als Basismaterial, die ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, wobei das Verbundmaterial auf Aluminiumbasis umfasst:

eine Spinellschicht, die auf einer Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet ist; und

eine Aluminiumnitridschicht, die auf einer Oberfläche der Spinellschicht ausgebildet ist.
Verbundmaterial auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, wobei die Spinellschicht eine Zusatzspinellschicht aufweist, die im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials ausgebildet ist. Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis mit einer Aluminiumlegierung als Basismaterial, die ein Verstärkungsmaterial enthält, das aus Aluminiumoxidpartikeln oder Aluminiumoxidfasern gebildet ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Mischen des Verstärkungsmaterials mit Magnesium zum Bilden eines gemischten Pulvers;

Anordnen eines Blocks aus Aluminiumlegierung auf dem gemischten Pulver;

Sublimieren des Magnesiums im gemsichten Pulver durch Erwärmen des Blocks und des gemischten Pulvers auf die Sublimationstemperatur von Magnesium unter einer Stickstoffatmosphäre;

Bilden einer Spinellschicht auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials durch Umsetzung des Aluminiumoxids des Verstärkungsmaterials mit dem Magnesiumnitrid, das aus einer Reaktion zwischen sublimiertem Magnesium und dem Stickstoff erzeugt wird; und

Bilden von Aluminiumnitrid auf der Oberfläche der Spinellschicht während die Temperatur auf den Schmelzpunkt des Blocks erhöht wird und

ein Eindringen von geschmolzener Aluminiumlegierung in das gemischte Pulver hervorgerufen wird, nachdem die Spinellschicht ausgebildet worden ist.
Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis nach Anspruch 3, wobei die Sublimationstemperatur von Magnesium beibehalten wird im Anschluss an das Erwärmen auf Sublimationstemperatur im Schritt des Sublimierens des Magnesiums. Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Schritt des Bildens einer Zusatzspinellschicht im Voraus auf der Oberfläche des Verstärkungsmaterials vor dem Schritt des Bildens des gemischten Pulvers. Verfahren zum Herstellen eines Verbundmaterials auf Aluminiumbasis nach Anspruch 3, wobei das Magnesium ein Pulver mit einer Korngröße von 50 bis 500 &mgr;m ist.






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