Verfahren zur Einlagerung von Whiskern in eine metallische Matrix

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einlagerung von Whiskern in eine metallische Matrix zwecks Herstellung von faserverstärkten, auch kompliziert geformten Bau­teilen in einem Arbeitsgang.

[0002] Fadenförmig gewachsene perfekte Kristalle, auch Whisker genannt, erreichen oft die theoretische Zugfestigkeit von σ_max= G/30, wobei G der Schubmodul und δ die Zugfestigkeit darstellen. β -SiC-Whisker mit einem Durch­messer von 0,2 bis 1 µm und einer Länge bis zu 50 µm er­reichen beispielsweise eine Zugfestigkeit von 1300 kp/mm² (13 GPa). Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, der­artige hochfeste Fasern in eine metalische Matrix einzu­lagern, um damit einen hochfesten Verbundwerkstoff herzustellen.

[0003] Die heute bekannten Verfahren zur Inkorporation von Whiskern in eine metallische Matrix sind in der Regel pulvermetallurgische Verfahren. Bei diesen Verfahren wird in einem ersten Schritt eine möglichst homogene Mischung aus Whiskern und einem Metallpulver hergestellt. In einem zweiten Schritt wird diese Mischung zu einem Formkörper verpreßt und gesintert. Das Pressen kann u.a. nach dem Verfahren des Cold Isostatic Pressing (kurz CIP genannt) erfolgen; das Sintern kann durch Normaldrucksintern, Heißpressen oder Heiß-Isostatisches Pressen (kurz HIP genannt) erfolgen.

[0004] Eine Orientierung der Fasern in der Matrix kann nur durch einen nachträglich durchgeführten Umformvorgang, z.B. Ziehen, Walzen oder Strangpressen, erreicht werden.

[0005] Prinzipiell sind bei dem pulvermetallurgischen Verfahren zwei Arten von Faserbeschädigungen zu beobachten:
- mechanische Schädigung durch die genannten Misch-, Preß- und Umformungsverfahren;
- thermochemische Schädigung bei Reaktion der Faser­stoffe mit dem Matrixmaterial bei dem Sinterprozeß, wenn eine solche Reaktion unter den Temperaturbedin­gungen des Heißpressens bzw. heißisostatischen Pressens möglich ist.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch komplizierte Formkörper in einem Arbeitsschritt so her­stellen zu können, daß weder auf mechanischem noch auf thermischem Wege die Gefahr einer fühlbaren Faserschädi­gung gegeben ist.

[0007] Erfindungsgemäß werden dazu entsprechend dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 die einzulagernden Whisker in der Elektrolytlösung suspendiert und Matrixwerkstoff wird auf galvanotechnischem Wege auf einer elektrisch leit­fähigen Unterlage abgeschieden, wobei die Whisker bei der Abscheidung in die Matrix eingebaut werden.

[0008] Die Whisker werden in der Suspension durch Rühren, Ein­blasen von Luft, durch Umpumpen, durch Schwerelosigkeit, durch Einwirkung von Ultraschall und/oder durch Zugabe von Netzmitteln in Schwebe gehalten.

[0009] Durch strömungstechnische Maßnahmen läßt sich eine Orientierung der Whisker in der Matrix erreichen, so daß gezielt eine Anisotropie auch in den mechanischen Eigen­schaften des Bauteils erreicht werden kann.

[0010] Dieses Verfahren eröffnet Möglichkeiten zur Herstellung auch kompliziert geformter Bauteile, wobei die Form des Bauteils durch die Geometrie der Kathode vorgegeben wird.

[0011] Weiterhin eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Mög­lichkeit der Nutzung des Prinzips der Faserverstärkung auch für solche Whisker/Metall-Kombinationen, bei denen unter den thermischen Bedingungen bei pulvermetallur­gischer Herstellung durch chemische Reaktion zwischen den Komponenten eine Faserschädigung und damit Abnahme der Festigkeitseigenschaften resultieren würde.

[0012] Darüber hinaus wird bei der Herstellung von Bauteilen auf diesem Wege auch die mechansiche Faserschädigung weitgehend vermieden.

[0013] Es ist bekannt, daß partikelförmige elektrisch nicht­leitende Materialien, die in einem galvanischen Bad sus­pendiert werden, bei der Abscheidung der Metallschichten miteingebaut werden, wenn sie bestimmte Größen nicht über­schreiten, in der Regel <30 µm. Auch Agglomerate aus diesen Partikeln können - wie sich aus Untersuchungen unter Schwerelosigkeit zur Klärung des Mechanismus dieses Einbaus ergeben hat - nicht eingebaut und umwachsen werden. Insoweit war es aus den o.a. bekannten Tatsachen nicht abzuleiten, daß sich Faserstoffe einbauen lassen. Diese weisen zwar Durchmesser auf, die denen der einge­lagerten Partikel vergleichbar sind, jedoch Längenab­messungen, die nach bisherigen Erfahrungen mit Partikeln einen Einbau nicht ermöglichen.

[0014] Anders als SiC-Partikel, die eingelagert in Nickel­schichten für Verschleißschutzzwecke Anwendung finden, lassen sich SiC-Whisker (offenbar bedingt durch unter­schiedliches Verhalten hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit) ohne weitere Behandlung in Nickelschichten nur unvollkommen einlagern. Hier kann der Einbau durch Aufbringen von sehr dünnen elektrisch isolierenden Schichten aus z.B. TiO₂ oder SiO₂ wesentlich begünstigt werden.

[0015] Es stellte sich heraus, daß auf diese Weise bis zu 30 Vol.-% an Whiskern feindispers in galvanisch abgeschie­denen Formkörpern eingelagert werden können. Dabei wird eine gute Bindung der schonend eingelagerten Whisker in der metallischen Matrix erreicht, was zu sehr guten mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes führt. Auch lassen sich auf diese Weise, wie schon gesagt, ther­misch empfindliche Whiskermaterialien unter Beibehaltung ihrer guten mechanischen Eigenschaften in Matrixmetalle mit höheren Schmelztemperaturen einlagern. Ein entschei­dender Vorteil dieses Verfahrens gegenüber dem pulver­metallurgischen Verfahren besteht darin, daß man durch eine gezielte Elektrolytführung die faserförmigen Whisker ausrichten kann, so daß sie strömungsorientiert auf die Kathode auftreffen und haften und dann von dem abge­schiedenen Matrixmetall eingebaut werden. Darüber hinaus lassen sich Schwachstellen in dem Verbundwerkstoff, die bei konventioneller Herstellung durch Oxidanreicherung an den Korngrenzen auftreten können, vermeiden.

[0016] Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich auf einfache Weise somit galvanoplastisch Formkörper mit schonend und orientiert eingelagerten Whiskern her­stellen.

[0017] Solche Formkörper, deren Metallmatrix aus Nickelbasis­legierungen besteht, sind für den Einsatz bei höheren Temperaturen, z.B. in Turbinen oder Abgasladern von Verbrennungsmotoren, geeignet.

[0018] Die mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten des erfindungs­gemäßen Verfahrens sollen durch die angeführten Anwen­dungsbeispiele nicht eingeschränkt werden.

[0019] Im folgenden sollen die Einzelheiten an Hand von Bei­spielen näher erläutert werden.

Beispiel 1:

[0020] In einem Elektrolyt der Zusammensetzung

300 g Nickelsulfat
37 g Nickelchlorid
20 g Borsäure

wurden 100 g/l SiC-Whisker suspendiert und bei einer Stromdichte von 3 A/dm² ein 500 µm dickes Formteil abge­schieden. Eine Analyse der Schicht ergab einen Whisker­anteil von 12,4 Vol.-%.

Beispiel 2:

[0021] Aus einem nach Beispiel 1 abgeschieden Formkörper wurden die Whisker durch chemisches Auflösen der Nickelmatrix wieder zurückgewonnen. Die so isolierten Whisker wurden mit dem Whiskerausgangsmaterial verglichen. Das Ergebnis der Untersuchung ergab, daß das Längen­verteilungsspektrum der eingelagerten Whisker und das der Ausgangswhisker völlig gleich war; bedingt durch den Einlagerungsprozeß konnten keine Whiskerbrüche oder sonstige Schäden beobachtet werden.

Beispiel 3:

[0022] In einem Kobalt-Whisker-Suspensionselektrolyt wurde mittels einer Pumpe und einer Schlitzdüse eine zylinderförmige rotierende Kathode gezielt angeströmt und ein 1 mm dicker Formkörper abgeschieden. Die raster­elektronenmikroskopische Untersuchung des sukzessiv aufgelösten Formkörpers ergab, daß etwa 40 % der eingelagerten Whisker in Strömungsrichtung bzw. etwa in Strömungsrichtung orientiert in die Kobaltmatrix eingelagert waren.

Ansprüche

1. Verfahren zur Einlagerung von Whiskern in eine metallische Matrix,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Whisker in einem Elektrolyten suspendiert werden und bei der galvanoplastischen Abscheidung von Formkörpern zusammen mit dem Matrixmetall der­gestalt abgeschieden werden, daß die Whisker in der metallischen Matrix feindispers eingelagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Elektrolyt/Whisker-Suspensionen mit Whisker-­Konzentrationen im Bereich von etwa 3 bis 8 Volumen­prozent verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Suspension der Whisker in dem Elektrolyt während der Elektrolyse durch Einblasen von Luft, mit Hilfe von Ultraschall durch Umpumpen, mechanisches Rühren, durch Schwerelosigkeit und/oder durch Zusatz von Netzmitteln gewährleistet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch Ausrichtung eines parallelen hydrodynamischen Strömungsfelds im Suspensionselektrolyt die Whisker in Strömungsrichtung ausgerichtet eingelagert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß etwa 3 - 30 Volumenprozent an Whiskern in die metallische Matrix eingelagert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Whiskern mit hoher elektrischer Leitfähigkeit diese vor dem Suspendieren mit einem dünnen Überzug aus einem elektrisch isolierenden Material, wie bei­spielsweise TiO₂, SiO₂ usw., überzogen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als metallische Matrix Nickel, Kupfer, Kobalt, Chrom, Zink, Kadmium, Silber, Blei und/oder galva­nisch abscheidbare Legierungen, wie Messing, verwendet werden und als Whisker solche aus Karbiden, Oxiden, Nitriden, wie z.B. Siliziumkarbid SiC oder Siliziumnitrid Si₃N₄, eingelagert werden.