DE102004035773A1 - Production of a metal composite body reinforced with long fibers comprises arranging long fibers on the surface of a base body and synchronously embedding in a metal matrix by thermal spraying and joining to the base body - Google Patents

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Abstract

Production of a metal composite body reinforced with long fibers comprises arranging long fibers on the surface of a base body and synchronously embedding in a metal matrix by thermal spraying and joining to the base body. An independent claim is also included for a metal composite body reinforced with long fibers produced by the above process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen langfaserverstärkten Metallverbundkörper gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und geeignete Verwendungen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 10 und 11. Ein derartiges Verfahren, Metallverbundkörper und Verwendung sind bereits aus der DE 43 13 077 A1 bekannt.The invention relates to a method for producing a long-fiber reinforced metal composite body according to the preamble of patent claim 1, a long fiber reinforced metal composite body according to the preamble of claim 9 and suitable uses according to the preambles of claims 10 and 11. Such a method, metal composite body and use are already known from DE 43 13 077 A1 known.

In vielen Anwendungsbereichen, insbesondere für Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren, werden langfaserverstärkte Metallverbundkörper benötigt, um die Bauteilfestigkeiten zu erhöhen und gleichzeitig eine Gewichtsreduktion zu erreichen.In many applications, in particular for cylinder liners of internal combustion engines, become long fiber reinforced Metal composite needed to to increase the component strengths and at the same time to achieve a weight reduction.

In der DE 43 13 077 A1 wird vorgeschlagen, dazu zunächst ein mehrere Faserlagen dickes bandförmiges Gelege aus Langfasern mittels Drahtflammspritzen einseitig mit einer metallischen Matrix zu beschichten und zu einem Band zu verbinden. Danach wird das Band auf einen Grundkörper gestapelt oder gewickelt und durch Heißpressen zu einem Metallverbundkörper verdichtet.In the DE 43 13 077 A1 It is proposed to first a multi-fiber thick band-shaped scrim made of long fibers by wire flame spraying on one side with a metallic matrix to coat and connect to a band. Thereafter, the tape is stacked or wound on a base body and compacted by hot pressing into a metal composite body.

Dieses Verfahren erlaubt eine vollständige Beschichtung der äußeren Fasern des Geleges auf der dem Spritzstrahl zugewandten Seite. Zur abgewandten Seite hin können jedoch, insbesondere bei den hinteren Faserlagen, unvollständige Beschichtungen resultieren. Darüber hinaus stellt die Anbindung des faserverstärkten Bandes an den Grundkörper durch Heißpressen eine Diskontinuität dar, an der bei starker Belastung eine Ablösung auftreten kann. Außerdem sind für diese Anbindung zusätzliche Verfahrenschritte und Vorrichtungen erforderlich, welche die Prozesszeit und die Prozesskosten erhöhen.This Method allows a complete coating the outer fibers the Geleges on the spray jet side facing. To the remote Side can however, especially in the back fiber layers, incomplete coatings result. About that In addition, the connection of the fiber-reinforced band to the base body hot pressing a discontinuity at which a release can occur under heavy load. Besides, they are for this Connection additional Procedural steps and devices required which the process time and increase the process costs.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine gleichmäßigere Beschichtung und verbesserte Anbindung des verstärkten Bereichs an den Grundkörper zu ermöglichen und dabei die Anzahl der Verfahrensschritte zu reduzieren.The Object of the present invention is therefore to provide a more uniform coating and improved connection of the reinforced Area on the body to enable and thereby reduce the number of process steps.

Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren und den Metallverbundkörper sowie geeignete Verwendungen durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 bis 11 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens (Patentansprüche 2 bis 8).The Invention is with respect to the process to be created and the metal composite body as well as suitable Uses represented by the features of claims 1 and 9 to 11. The other claims contain advantageous embodiments and refinements of the method according to the invention (claims 2 to 8).

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Langfasern an der Oberfläche eines Grundkörpers angeordnet werden, wobei die Langfasern mittels thermischen Spritzen in eine metallische Matrix eingebettet und mit einander sowie mit dem Grundkörper verbunden werden, wobei die Anordnung der Fasern und deren Einbettung in die metallische Matrix synchron erfolgen.The Task is relative the method to be created for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to the invention thereby solved, that long fibers on the surface of a basic body be arranged, wherein the long fibers by means of thermal spraying embedded in a metallic matrix and with each other as well as with the main body connected, the arrangement of the fibers and their embedding done synchronously in the metallic matrix.

Durch die synchrone Anordnung und Einbettung der Langfasern erlaubt eine wesentlich gleichmäßigere Einbettung der Fasern in die metallische Matrix und das direkte thermische Spritzen auf die vor dem Grundkörper angeordneten Langfasern verbessert die Anbindung an den Grundkörper gegenüber dem bekannten Verfahren gemäß der DE 43 13 077 A1 .The synchronous arrangement and embedding of the long fibers allows a much more uniform embedding of the fibers in the metallic matrix and the direct thermal spraying on the long fibers arranged in front of the base body improves the connection to the base body in comparison with the known method according to FIG DE 43 13 077 A1 ,

Ein besonders geeignetes thermisches Spritzverfahren ist das Lichtbogendrahtspritzen aufgrund seiner hohen Abscheidungsraten. Noch besser geeignet sind LDS-Hybridverfahren mit einem zusätzlichen Flammstrahl oder Laser-unterstützt, da die zusätzliche Energieeinbringung die Spritzschichten homogenisiert. Die Verbindung zwischen Werkstückmaterial und Spritzschicht beruht nach der Behandlung unter Umständen auf einer chemischen Bindung, die durch Diffusionsprozesse zwischen Spritzschicht und Grundkörper initiiert wird. Damit verbessern sich die Hafteigenschaften und somit die Dauerfestigkeit des Metallverbundkörpers.One Particularly suitable thermal spraying method is the arc wire spraying due to its high deposition rates. Even better suited LDS hybrid process with an additional flame jet or laser-assisted since the extra Energy input homogenizes the sprayed layers. The connection between workpiece material and sprayed layer may be due to treatment after treatment a chemical bond created by diffusion processes between Sprayed coating and body is initiated. This improves the adhesive properties and thus the fatigue strength of the metal composite body.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Lage Fasern in einer zur Oberfläche des zu verstärkenden Bereichs des Grundkörpers parallelen Ebene angeordnet und eingebettet und dann der Vorgang für mindestens eine weitere Lage Fasern wiederholt. Diese Vorgehensweise bedingt eine besonders gleichmäßige Einbettung und Anbindung.In an advantageous embodiment the method according to the invention will be first a layer of fibers in one to the surface of the to be reinforced Area of the main body arranged and embedded parallel level and then the process for at least another layer of fibers repeated. This procedure requires a particularly uniform embedding and connection.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anordnung der Langfasern während des Einbettens durch umwickeln des Grundkörpers, vorzugsweise mit Fasern, Faserbündeln, Geweben oder Gelegen, Netzen oder Profilen.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention the arrangement of the long fibers takes place during embedding wrapping the body, preferably with fibers, fiber bundles, Tissues or loops, nets or profiles.

Durch Umwickeln können die Langfasern besonders präzise positioniert werden. Durch die synchrone Einbettung werden die Fasern sofort fixiert und dann vollständig eingebettet.By Can wrap around the long fibers very precise be positioned. The synchronous embedding makes the fibers fixed immediately and then completely embedded.

Je nach Anwendungsbereich des Metallverbundkörpers sind Fasern, Faserbündeln, Gewebe oder Gelege, Netze oder Profile vorteilhafter.ever According to application of the metal composite body are fibers, fiber bundles, fabric or Clutches, nets or profiles more advantageous.

Besonders vorteilhaft werden als Langfasern metallische, keramische oder organische Langfasern, vorzugsweise Borfasern oder Kevlarfasern, verwendet. Damit kann nahezu jedem Anforderungsprofil entsprochen werden. Als Matrixwerkstoff ist prinzipiell jedes verspritzbare Material geeignet, insbesondere aber metallische Materialien wie Messing oder Bronze oder auch FeC0,9, die gute tribologische Eigenschaften und Festigkeit aufweisen.As long fibers, metallic, ceramic or organic long fibers are particularly advantageous fibers, preferably boron fibers or Kevlar fibers. Thus, almost every requirement profile can be met. In principle, any sprayable material is suitable as the matrix material, but in particular metallic materials such as brass or bronze or also FeC 0.9 , which have good tribological properties and strength.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anordnung der Langfasern derart, dass sie im wesentlichen entsprechend der zu erwartenden mechanischen Belastung des Metallverbundkörpers ausgerichtet werden, wobei die Erwartung anhand empirischer Versuche oder mittels Simulation ermittelt wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention the arrangement of the long fibers is such that they are substantially aligned according to the expected mechanical load of the metal composite body the expectation based on empirical experiments or by means of Simulation is determined.

Dabei wird unter mechanischer Belastung im wesentlichen die Zugbelastung angesehen und die Ausrichtung der Fasern erfolgt derart, dass ihre Hauptachsen entlang der maximalen Zugbelastung ausgerichtet werden.there under mechanical stress is essentially the tensile load viewed and the orientation of the fibers is such that their major axes be aligned along the maximum tensile load.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als metallische Matrix mindestens zwei Komponenten derart aufgebracht, dass sich ein Gradient der Konzentration und/oder der Porosität ausbildet.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention be as metallic matrix at least two components such applied, that a gradient of concentration and / or the porosity formed.

Durch einen solchen Gradienten kann gut auf verschiedene Anforderungen unterschiedlicher Zonen der faserverstärkten Bereiche reagiert werden. Beispielsweise kann die Volumenphase duktil gestaltet werden und der Außenbereich sehr hart, woraus eine gute Panzerung resultiert. Vorteilhaft hierbei ist ein stetiger Gradient ohne Diskontinuitäten, die eine schlechte Anbindung bedingen würden.By Such a gradient may work well on different requirements different zones of the fiber reinforced areas are reacted. For example, the volume phase can be designed ductile and the outdoor area very hard, resulting in a good armor. Advantageous here is a steady gradient without discontinuities, which is a bad connection would require.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, den Grundkörper vor dem Anordnen und Einbetten der Fasern erosiv vorzubehandeln, vorzugsweise durch Rauhdrehen, Korundstrahlen oder Wasserstrahlen.Advantageous it is also, the main body before erosively pretreating the placement and embedding of the fibers, preferably by roughening, corundum blasting or water jets.

Durch eine solche Vorbehandlung entsteht eine vergleichsweise raue Oberfläche, mit der die thermische Spritzschicht eine mechanische Verklammerung ausbilden kann, die eine gute Anbindung gewährleistet.By Such pretreatment creates a comparatively rough surface, with the thermal spray layer mechanical interlocking can train, which ensures a good connection.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, dass abschließend eine metallische Deckschicht thermisch aufgespritzt und erosiv nachbearbeitet wird.Advantageous it is also that final a metallic cover layer thermally sprayed on and erosive post-processed becomes.

Die metallische Deckschicht kann besondere Eigenschaften aufweisen, insbesondere erhöhte Verschleißbeständigkeit oder Wärmedämmung oder -leitung. Wesentlich ist ein kontinuierlicher Übergang der verschiedenen Schichten ineinander, um eine gute Anbindung zu gewährleisten.The metallic cover layer can have special properties especially increased wear resistance or thermal insulation or -management. What is essential is a continuous transition of the various layers into each other to ensure a good connection.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden langfaserverstärkten Metallverbundkörpers erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass er nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, wobei die metallische Matrix mindestens zwei Komponenten enthält und einen Gradienten der Konzentration und/oder der Porosität aufweist. Daraus resultiert die gewünschte gleichmäßigere Beschichtung und verbesserte Anbindung des verstärkten Bereichs an den Grundkörper.The Task is relative according to the invention to be created long fiber reinforced metal composite body solved, that he according to the inventive method is produced, wherein the metallic matrix contains at least two components and a Gradient of concentration and / or porosity. This results in the desired more uniform coating and improved connection of the reinforced area to the base body.

Geeignete Verwendungen eines solchen Metallverbundkörpers ergeben sich in Verbrennungsmotoren, insbesondere in Kurbelwellenlagern oder Zylinderwandungen. Weitere Anwendungsgebiete sind Panzerungen, welche eine harte metallische Deckschicht und eine duktile Matrix mit Faserverstärkung aufweisen.suitable Uses of such a metal composite arise in internal combustion engines, especially in crankshaft bearings or cylinder walls. Further Areas of application are armor, which is a hard metallic cover layer and having a ductile matrix with fiber reinforcement.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Verfahren und Metallverbundkörper näher erläutert:
Der beispielhafte herzustellende Metallverbundkörper ist die Laufbuchse eines Kurbelwellenlagers eines Verbrennungsmotors. Zunächst wird hierzu ein ringförmiger Grundkörper aus Al und Fe Legierung mittels Hochdruck-Wasserstrahlen aufgeraut. Danach wird er mittels Flammstahl-unterstütztem Lichtbogendrahtspritzen mit CuZn31Si1 oder CuSn6Ag1 thermisch beschichtet, wobei aufgrund der Aufrauung einerseits eine mechanische Verklammerung erreicht wird und außerdem durch die zusätzliche Energieeinbringung eine chemische Verbindung zwischen Werkstückmaterial und Spritzschichtmaterial initiiert wird.The method according to the invention and metal composite bodies will be explained in more detail below with reference to an embodiment.
The exemplary metal composite body to be produced is the bushing of a crankshaft bearing of an internal combustion engine. First, an annular base made of Al and Fe alloy is roughened by means of high-pressure water jets. Thereafter, it is thermally coated with CuZn 31 Si 1 or CuSn 6 Ag 1 by means of flame steel-assisted arc wire spraying, with mechanical interlocking being achieved on the one hand due to the roughening and, moreover, a chemical bond being initiated between the workpiece material and the sprayed layer material as a result of the additional energy input.

Synchron zur thermischen Beschichtung wird der Grundkörper mit Kevlar-Langfasern umwickelt, die vollständig von der metallischen Matrix eingebettet werden. Die Umwicklung erfolgt in 2 bis 10, hier beispielhaft in 5 übereinander liegenden Lagen, wobei die Fasern jeweils zur darunter liegenden Faser versetzt angeordnet werden.Synchronous For thermal coating of the main body with Kevlar long fibers wrapped completely be embedded by the metallic matrix. The wrapping takes place in 2 to 10, here by way of example in 5 superimposed layers, wherein the fibers each arranged offset to the underlying fiber become.

Abschließend wird eine metallische Deckschicht über die faserverstärkte Zone thermisch aufgespritzt und mittels Feindrehen spanend nachbearbeitet.Finally, it will a metallic cover layer over the fiber reinforced Thermal sprayed zone and reworked by means of fine turning.

Die fertige Laufbuchse wird in das Kurbelwellenlager eingegossen.The finished bushing is poured into the crankshaft bearing.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die Herstellung eines Kurbelwellenlagers eines Verbrennungsmotors in der Automobilindustrie.The inventive method proves in the embodiment of the examples described above are particularly suitable for the preparation a crankshaft bearing of an internal combustion engine in the automotive industry.

Insbesondere können so erhebliche Vorteile bezüglich der Gleichmäßigkeit der Beschichtung und der Anbindung des verstärkten Bereichs an den Grundkörper erreicht werden sowie die Prozesszeit reduziert werden.In particular, such significant benefits be achieved with respect to the uniformity of the coating and the connection of the reinforced area to the body and the process time can be reduced.

Die Erfindung ist nicht nur auf das zuvor geschilderte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.The Invention is not limited to the previously described embodiment limited, but rather transferable to others.

So ist zum Beispiel denkbar, den faserverstärkten Metallverbundkörper für verstärkte Ventilführungen und Ventilschäfte von Verbrennungsmotoren einzusetzen oder auch für Karosserieverstärkungen, insbesondere auch für Panzerungen.So For example, it is conceivable to use the fiber-reinforced metal composite body for reinforced valve guides and valve stems use of internal combustion engines or for body reinforcements, in particular also for Armor.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers, wobei Langfasern an der Oberfläche eines Grundkörpers angeordnet werden, wobei die Langfasern mittels thermischen Spritzen in eine metallische Matrix eingebettet und mit einander sowie mit dem Grundkörper verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass Anordnung der Fasern und deren Einbettung in die metallische Matrix synchron erfolgen.A method for producing a long fiber reinforced metal composite body, wherein long fibers are arranged on the surface of a base body, wherein the long fibers are embedded by thermal spraying in a metallic matrix and connected to each other and to the base body, characterized in that arrangement of the fibers and their embedding in the metallic matrix done synchronously. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die synchrone Anordnung und Einbettung derart erfolgen, dass zunächst eine Lage Fasern in einer zur Oberfläche des zu verstärkenden Bereichs des Grundkörpers parallelen Ebene angeordnet und eingebettet wird und dann der Vorgang für mindestens eine weitere Lage Fasern wiederholt wird.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to Claim 1, characterized that the synchronous arrangement and embedding done in such a way that first a layer of fibers in one to the surface of the to be strengthened Area of the main body arranged and embedded parallel level and then the process for at least another layer of fibers is repeated. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Langfasern während des Einbettens durch umwickeln des Grundkörpers, vorzugsweise mit Fasern, Faserbündeln, Geweben oder Gelegen, Gittern oder Profilen, erfolgt.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to Claim 1 or 2, characterized in that the arrangement of the long fibers while embedding by wrapping the body, preferably with fibers, fiber bundles, fabrics or Occasions, grids or profiles. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Langfasern metallische, keramische oder organische Langfasern, vorzugsweise Borfasern oder Kevlarfasern, verwendet werden.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to one of the claims 1 to 3, characterized in that as long fibers metallic, ceramic or organic long fibers, preferably boron fibers or Kevlar fibers, used. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Langfasern derart erfolgt, dass sie im wesentlichen entsprechend der zu erwartenden mechanischen Belastung des Metallverbundkörpers ausgerichtet werden, wobei die Erwartung anhand empirischer Versuche oder mittels Simulation ermittelt wird.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to one of the claims 1 to 4, characterized that the arrangement of long fibers such that they are substantially in accordance with the expected be aligned mechanical stress of the metal composite body, in which the expectation based on empirical experiments or by simulation is determined. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Matrix mindestens zwei Komponenten derart aufgebracht werden, dass sich ein Gradient der Konzentration und/oder der Porosität ausbildet.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to one of the claims 1 to 5, characterized in that as the metallic matrix at least two components are applied so that a gradient of Concentration and / or porosity forms. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper vor dem Anordnen und Einbetten der Fasern erosiv vorbehandelt wird, vorzugsweise durch Rauhdrehen oder Wasserstrahlen.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to one of the claims 1 to 6, characterized in that the basic body prior to arranging and embedding the fibers are erosion pretreated, preferably by roughening or water jets. Verfahren zur Herstellung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass abschließend eine metallische Deckschicht thermisch aufgespritzt und erosiv nachbearbeitet wird.Process for producing a long-fiber-reinforced metal composite according to one of the claims 1 to 7, characterized in that finally a metallic cover layer thermally sprayed on and erosively reworked. Langfaserverstärkter Metallverbundkörper hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die metallische Matrix mindestens zwei Komponenten enthält und einen Gradienten der Konzentration und/oder der Porosität aufweist.Long fiber reinforced Metal composite body produced according to one of the preceding claims, wherein the metallic Matrix contains at least two components and a gradient of Concentration and / or porosity. Verwendung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach Anspruch 9 in Kurbelwellenlagern oder Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren.Use of a long fiber reinforced metal composite body after Claim 9 in crankshaft bearings or cylinder walls of internal combustion engines. Verwendung eines langfaserverstärkten Metallverbundkörpers nach Anspruch 9 als Panzerung, welche eine harte metallische Deckschicht und eine duktile Matrix mit Faserverstärkung aufweist.Use of a long fiber reinforced metal composite body after Claim 9 as armor, which is a hard metallic cover layer and having a ductile matrix with fiber reinforcement.
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