含硼陶瓷-铝金属复合材料和形成该复合材料的方法技术

一种通过混合含硼陶瓷与由铝或铝合金组成的金属粉末而形成的含硼陶瓷－铝金属复合材料，将混合物成形为多孔预成型品，使预成型品与铝或铝合金组成的熔融温度低于所述金属粉末的浸润金属接触，并加热到足以熔融浸润金属但不足以熔融金属粉末的温度，使得浸润金属浸润多孔预成型品并形成复合材料。形成的复合材料用于车辆部件。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请要求2001年8月29日提交的美国临时申请系列号No.60/315,883的利益。本专利技术涉及含硼陶瓷-铝金属复合材料。特别地，本专利技术涉及碳化硼-铝复合材料。由于比铝金属更低的密度和更高的硬度，铝-碳化硼(ABC)复合材料对于如计算机硬盘的组件有利。形成铝-碳化硼复合材料的复杂形状的一种最需要的方法是采用铝浸润碳化硼预成型品。浸润方法导致几何形状和尺寸与多孔预成型品基本相同的密集ABC复合材料。令人遗憾地，由于铝金属含有氧化铝层，必须在高温(即，大于1000℃)下进行浸润。因此，浸润要求使用自支撑的预成型品。这排除了在预成型品中使用大量的铝。这是因为由于铝在预成型品中的熔融以及与碳化硼的烧结和反应，引起孔与浸润金属隔绝，使得预成型品塌陷和不完全浸润。因此，浸润的ABC复合材料限于高碳化硼浓度(即，至少40vol％)。一般考虑自支撑多孔粒状体的下限是40％微粒和平衡孔。其它技术已经用于形成具有高铝浓度的ABC复合材料，如固态烧结和低于铝熔融温度的高压技术。然而，在铝熔融温度以下的温度烧结具有的缺点是烧结收缩，导致昂贵的加工并因此而仅使简单的成形物经济可行。相似地，高压技术，如挤出铝和碳化硼，昂贵并限于可以制备的成形物。此外，由于铝在这些技术中不熔融，与铝熔融并与碳化硼反应时相比，在碳化硼之间的结合大大变弱。因此，由这些技术形成具有小于最优性能的复合材料。此外，已经在熔融铝中铸塑碳化硼，但由于碳化硼与熔融铝快速反应并分解成硼金属、碳和水溶性碳化铝，碳化铝首先由保护性金属如银包覆。这些技术具有的缺点是如果在铸塑之前没有进行涂敷碳化硼的附加昂贵步骤，就不能控制降低强度的有害相(例如，Al4C3)。此保护性层排除碳化硼与铝界面结合(反应)以制备如更强的复合材料。因此，需要提供材料和方法以克服现有技术的一个或多个问题，例如上述那些之一的。本专利技术的第一方面是一种形成含硼陶瓷-铝金属复合材料的方法，该方法包括(a)混合含硼陶瓷与由铝或铝合金组成的金属粉末，其中含硼陶瓷与铝在铝的熔融温度以上反应，(b)将步骤(a)的混合物成形为多孔预成型品，(c)使多孔预成型品与铝或铝合金组成的浸润金属接触，该浸润金属的熔融温度低于金属粉末，和(d)将多孔预成型品和浸润金属加热到足以熔融浸润金属但不足以熔融金属粉末的温度，使得浸润金属浸润多孔预成型品并形成基本密集的含硼陶瓷-铝金属复合材料。令人惊奇地，该方法能够在纯铝的熔融温度(即，660℃)以下使用浸润方法生产例如基本密集接近于净形状碳化硼-铝金属的复合材料。“基本密集”表示主体是理论密度的至少95％。此外，由于低浸润温度，使得在碳化硼和铝之间反应相的产生以受控方式进行，从而该方法允许例如在碳化硼和铝之间的改进结合。这依次允许生产高铝浓度的新颖碳化硼-铝主体，由于更低熔融温度铝与碳化硼的受控反应，该主体具有改进的结合。本专利技术的第二方面是一种含硼陶瓷-铝金属复合材料，该复合材料的密度至少为理论密度的95％并由如下物质组成至少60vol％的铝金属或其合金，和含硼陶瓷以及分散在铝金属或其合金中的至少一种含硼陶瓷与铝的反应产物。本专利技术的第三方面是一种含硼陶瓷-铝金属复合材料，该复合材料的密度至少为理论密度的95％并由如下物质组成至少30vol％的铝金属或其合金，和含硼金属以及分散在铝金属或其合金中的至少一种含硼陶瓷与铝的反应产物，条件是在复合材料中最多存在痕量的Al4C3。陶瓷-金属复合材料可加以运用得益于其性能，如低密度和比铝金属更高的硬度。组件的例子包括硬驱动组件(例如，E-块、悬挂臂、盘、轴承、执行器、夹具、转轴、基板和托架罩)；刹车组件(例如，刹车垫、转筒、转子、托架和活塞)；航天组件(例如，卫星镜、外壳、控制棒、推进器和扇叶片)；活塞发动机组件(例如，汽门、排气和进气岐管、凸轮随动件、阀弹簧、燃料注射喷嘴、活塞、凸轮轴和汽缸衬垫)和其它结构或娱乐组件(例如，自行车架、机器人臂、深海浮标、棒球棒、高尔夫球棒、网球拍和箭)。在形成含硼陶瓷-铝金属(BCAM)复合材料中，将含硼陶瓷与铝或其合金混合。含硼陶瓷与铝在铝的熔融温度以上反应。合适的含硼陶瓷包括例如碳化硼、碳化硼铝(例如，Al4BC、Al3B48C2和AlB24C4)和金属硼化物(TiB2、AlB2、AlB12、SiB6、SiB4、和ZrB)及其混合物。优选地，含硼陶瓷是碳化硼或二硼化钛。最优选地，含硼陶瓷是碳化硼。含硼陶瓷可以为适于形成多孔预成型品的任何形态(例如，微粒、晶须或纤维)、任何尺寸和尺寸分布，可以浸润该预成型品。一般情况下，含硼陶瓷由0.1-150微米的微粒组成。优选地，粒子为至少0.2和更优选至少0.5微米到至多100微米和更优选至多50微米。铝或铝合金的金属粉末可以是任何合适的合金，只要粉末不在足以浸润浸润金属的温度下熔融。由于金属粉末和浸润金属由铝组成，它们一般在浸润时至少部分形成铝的合金。优选地，它们在浸润时会形成均质铝合金。金属粉末也可以为适于形成多孔预成型品的任何形态、尺寸和尺寸分布。选择的特定金属粉末依赖于所需的最终BCAM微结构。例如，当碳化硼的平均粒度大于或等于金属粉末的尺寸时，典型地生产出具有更均匀结构的BCAM复合材料。然而，平均粒度大于碳化硼的金属粉末一般形成具有特色的双峰微结构的BCAM复合材料。相信这由熔融铝池的形成引起，该熔融铝池的形成倾向于导致大的二元和三元AIBC相的生长。一般情况下，相对于碳化硼粒子的金属粒子越大，在浸润和反应完成之后反应产物陶瓷颗粒越大。最后，几种金属粉末尺寸的混合物一般情况下产生更大和更小的、在原来位置形成的反应相的独特网络。一般情况下，金属粉末的粒度为1微米-500微米。优选地，金属粉末的粒度是至少10微米，更优选至少15微米和最优选至少25微米到至多300微米，更优选至多150微米和最优选至多约100微米。金属粉末的数量应当是足以允许浸润金属浸润和形成基本密集复合材料的数量。金属粉末的数量一般情况下是混合物中固体至少10vol％到至多99vol％(例如，固体不包括在室温下为固体的有机物，例如“蜡”，在浸润之前基本除去该有机物)。优选地，金属粉末的数量是至少15％，更优选至少20％和最优选至少25％到优选至多40％，更优选至多80％和最优选至多70％。金属粉末可以是铝或其合金，只要熔融温度足够高于浸润金属以允许基本密集复合材料的形成。合适的铝合金包括本领域已知的那些，如由如下文献描述的那些Eschbach’s Handbook of EngineeringFundamentals的16.80-16.98，第4版，Ed.B.D.Tapley，John Wiley & Sons，Inc.NY，1990。合金的具体例子包括铝合金，该铝合金包含Cu、Mg、Si、Mn、Cr和Zn的一种或多种。示例铝合金包括Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Mn-Mg和Al-Cu-Mg-Cr-Zn。铝合金的具体例子包括6061合金、7075合金和1350合金，每种购自Aluminum Company of America，匹兹堡，宾夕法尼亚。混合方法可以是任何合适的方法，如本领域已知的那些。合适方法的例子包括球磨、磨耗研磨、螺条混合、垂直螺杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成含硼陶瓷－铝金属复合材料的方法，包括：　　　　（ａ）混合含硼陶瓷与由铝或铝合金组成的金属粉末，其中含硼陶瓷与铝在铝的熔融温度以上反应，　　　　（ｂ）将步骤（ａ）的混合物成形为多孔预成型品，　　　　（ｃ）使多孔预成型品与铝或铝合金组成的浸润金属接触，该浸润金属的熔融温度低于金属粉末，和　　　　（ｄ）将多孔预成型品和浸润金属加热到足以熔融浸润金属但不足以熔融金属粉末的温度，使得浸润金属浸润多孔预成型品和形成基本密集的含硼陶瓷－铝金属复合材料。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：AJ皮茨克，UV德希穆克，NM欣克尔，TL艾伦，
申请(专利权)人：陶氏环球技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]