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 2–6
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 3A–6.
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.
4A–4C 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 7–14A 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 9–14B.
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 10A–14B.
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.
13A–13C 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.
15A–15E zeigen
eine Testprobe des Verbundmaterials auf Aluminiumbasis, wobei 15A
ein Vergleichsbeispiel und 15B–15E
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.