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Die
Erfindung beinhaltet ein Verfahren, mit dessen Hilfe metallische
Verbundwerkstoffgussteile mit Preformen aus Langfasern und aus gebundenen Partikeln
hergestellt werden können.
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Die
Fertigung von Gussteilen aus Verbundwerkstoffen mit einer metallischen
Matrix und Langfasern, die den Matrixwerkstoff längs der Belastungslinien verstärken sollen,
scheitert daran, dass in Übereinstimmung
mit der Fertigungstechnologie ein exaktes Fixieren der Langfasern
im Gussstück
nicht gewährleistet
werden kann. Aus diesem Grund kommt es vor, dass man beim Aufschneiden
der Teile, die Langfasern in Gussstückbereichen antrifft, die anstatt
verstärkt
zu werden, eine Schwächung
des Querschnitts erfahren. Deshalb stellt die Fertigung von Verbundwerkstoffteilen
mit Langfasern ein technisch noch ungelöstes Problem dar, obgleich
Fertigungsverfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Langfasern
existieren. Der Versuch, dieses Problem durch eine Fixierung der
Fasern in der Teilungsebene einer Form oder Kokille zu lösen, führt dazu,
dass die Fasern an einem oder mehreren Oberflächenbereichen aus dem Gussteil
herausragen und somit Stellen geschaffen werden, wo die Fasern einem
direkten Einfluss äußerer Medien
zugänglich
sind.
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Diese
Problematik trifft auch für
metallische Verbundwerkstoffgussteile zu, die im Inneren einen aus
gebundenen Partikeln bestehenden Körper enthalten sollen. Auch
hierbei ist die Fixierung dieses Körpers an genau definierten
Stellen nicht möglich, ohne
dass eine Verbindung des Partikeleinsatzes zur äußeren Gussteiloberfläche entsteht.
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Wenn
man die vorhandene Faserverbunderfindungen analysiert, dann kann
man feststellen, dass diese Erfindungen in erster Linie auf die
Erzeugung von Faserverbundwerkstoffen und in viel geringerem Maße auf die
Herstellung von Faserverbundwerkstücken gerichtet sind. Dies gilt
in noch stärkerem
Maße für die Verbundwerkstoffteile
mit Langfasern. Die Ursache liegt in der Nichtbewältigung
der oben aufgeführten
Probleme. Die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen mit metallischer
Matrix lässt
sich generell in zwei Hauptgruppen aufteilen. Zum einen erfolgt
die Verarbeitung über
den pulvermetallurgischen und zum anderen über den schmelzflüssigen Zustand.
Da sich die vorliegende Erfindung auf den schmelzflüssigen Zustand
bezieht, wird zum Stand der Technik vorrangig auf diesen Bereich
eingegangen.
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Generell
kann die metallische Matrix mit Hilfe von Kurzfasern oder Langfasern
verstärkt
werden. Dabei hängt
die Auswahl von den Anforderungen des jeweiligen Einsatzfalls des
Verbundwerkstoffteils ab. Wenn man durch die Einführung der
Fasern eine Erhöhung
der Festigkeit und Dehnung anstrebt, dann sind die Langfasern wesentlich
günstiger.
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So
wird in der
DE 37 88
556 T2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von verstärktem Kompositmaterialguss
beschrieben. Die Zugabe der Teilchen aus nichtmetallischem Material
erfolgt direkt zu dem geschmolzenen Metall unter Vermeidung von Wirbeln
an der Oberfläche
der Schmelze. Problematisch sind die Verteilung der Teilchen und
das Benetzen der Teilchen, ohne dass sich die Teilchen unter dem
Einfluss der Temperatur des geschmolzenen Materials chemisch zersetzen.
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Sowohl
für die
Kurzfasern als auch für
die Langfasern kommt es darauf an, einen innigen Kontakt der metallischen
Matrix mit den Fasern zu erzeugen. Dies kann zum einen durch Überziehen
der Fasern mit Stoffen erfolgen, deren Faser-Überzugsstoff-Reaktionsprodukte
eine hohe Affinität
zum metallischen Matrixwerkstoff aufbauen. Diese Vorgehensweise
nutzt man beim sogenannten SVG-Verfahren, bei dem durch ein selbstgenerierendes
Vakuum in der Magnesiummatrix und der Magnesiumreaktivität die Infiltration
der Schmelze erreicht wird [Guldenberg, S.; Westengen, H.; Tellesboe,
H.; Cast Magnesium based composites; Proceedings of the International
Conference an Light Metals, Amsterdam 1990, S. 855–862].
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Beim
PRIMEXTM-Prozess erfolgt die Metallinfiltration
ebenfalls drucklos, indem das geschmolzene Aluminium in einer Stickstoffatmosphäre bei Atmosphärendruck
in die Fasern eindringt [Burke, J. T., Aghajanian, M. K., Rocazella
M. A.; Microstructures and Properties of Discontinuous Metal Matrix
Composites Formed by a Unique Low Cost Pressureless Infiltration
Technique; 34th International SAMPE Symposium
(1989) 2440 (SAMPE, Covina, CA)].
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Insbesondere
bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit Kurzfasern wird das
Einrühren der
Kurzfaserpartikel in die metallische Schmelze als eine Methode angesehen
[Amaro, A., Yamamoto, D., Garcia, C., Atlantenco, C., Beltran, I.,
Gonzales, C., Sanchez, A.; Modification and Refinement Treatment in
Cast Al-Si/SiC Particle Composites Cast Metal Matrix Composites
Proceedings of the 2nd International Conferenz; Oktober 1993 University
of Alabama S. 152–165],
mit deren Hilfe der enge Kontakt zwischen metallischer Matrix und
Faserpartikel hergestellt werden soll. Der wesentliche Nachteil bei
dieser Methode besteht darin, dass bei mehr als 30 Volumenprozenten
an Partikeln die Fließfähigkeit
der Schmelze so weit absinkt, dass ein Vergießen in einen Formhohlraum nicht
mehr gewährleistet
werden kann. Außerdem
sind die Verbundwerkstoffteile mit Kurzfasern nicht geeignet, erhöhte Zugbeanspruchungen aufzunehmen.
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Die
Infiltration der Fasern kann aber auch durch einen hohen Druck,
nach dem sogenannten Pressgießen
(Squezze-Casting) erfolgen [Mortensen, A., Jin, I.; Squeeze-Casting; International
Material Review 37 (1992) S. 101–128]. Dies ist die verbreitetste
Herstellungsmethode für
faserverstärkte Verbundwerkstoffe.
In eine metallische Form werden die Fasern eingelegt und anschließend mit
der Schmelze übergossen.
Während
der Erstarrung wird danach mit Hilfe eines Pressstempels ein Druck
auf das erstarrende Metall ausgeübt,
wodurch das Metall in die Fasern eingedrückt wird. Die Infiltration
der Schmelze in die Faser kann auch mit Hilfe des Schleudergießens vorgenommen
werden [Mahallawy, N. A., Taha, M. A., ElKarbotly, A. K., Yousef, A.
F., Reif, W.; Centrifucal Casting of Al-12Si-2Mg/Al2O3 Particulate
MMC; Cast Metal Matrix Composites Proceedings of the 2nd International Conferenz;
Oktober 1993 University of Alabama S. 204–21].
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Die
Herstellung von Teilen aus Verbundwerkstoffen beschränkt sich
in erster Linie auf die Anwendung von Kurzfasern, die in die Schmelze
eingerührt werden,
die anschließend
vergossen wird [Lane, C., Lennox, M.; Economics of Machining Cast
MMC Brake Rotors; Cast Metal Matrix Composites Proceedings of the
2nd International Conferenz; Oktober 1993 University of Alabama
S. 253–262].
Auch die von DURALCAN [DURALCAN Technical documents: Composite casting
guidelines 10505 San Diego USA] hergestellten Zylinderköpfe weisen
in bestimmten Bereichen Kurzfaserverstärkungen auf.
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In
[Nolte, M., Neussl, E., Sahm, P. R.; Design Oppportunities Yielded
by Investment Cast Long Fiber reinforced Metals; Cast Metal Matrix
Composites Proceedings of the 2nd International Conferenz; Oktober
1993 University of Alabama S. 247–2521 wird ein Verfahren beschrieben,
bei dem die Langfasern mit Hilfe eines Wachsüberzuges miteinander verbunden
werden. Die Gussteilherstellung erfolgte anschließend mit
Hilfe des Wachsausschmelzverfahrens. Aber auch in diesem Fall wird
keine genaue Fixierung der Lage der Fasern erreicht.
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Für das allseitige
Umhüllen
von aus gebundenen Partikeln bestehenden Körpern wurden noch keine Lösungen vorgestellt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verfahren anzubieten, mit dessen
Hilfe Preformen aus Langfasern und aus gebundenen Partikeln in Verbundwerkstoffen
allseitig vom Metall umschlossen sind und sich nach der Erstarrung
an den exakt vorgegebenen Stellen genau längs der Kraftlinien des beanspruchten
Gussteils befinden.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass zunächst
ausgehend von der rechentechnischen Ermittlung der Beanspruchungen
des Gussteils die Belastungslinien ermittelt werden. Anschließend wird
ein Polystyrolschaummodell mit der Geometrie des zu fertigenden
Gussteils hergestellt. Die Fertigung des Polystyrolschaummodells
erfolgt zweckmäßigerweise
so, dass im Bereich der Belastungslinien eine Teilung vorhanden
ist. In diese Teilungsebene werden im weiteren Prozess der Teilefertigung
die Langfasern in Übereinstimmung
mit dem Lastlinienbild so eingelegt, dass sie nach dem Zusammenkleben
der Polystyrolmodellteile vollständig vom
Schaumstoff eingeschlossen sind. Auf diese Weise erhalten die Langfasern
eine exakte Fixierung genau in den Gussteilpartien, die durch sie
verstärkt werden
sollen. Anschließend
wird das Schaumstoffmodell in Übereinstimmung
mit dem Vollformprozess zunächst
mit einer feuerfesten Schlichte überzogen, mit
Quarzsand umhüllt
und danach die so entstandene Vollform mit flüssigem Metall gefüllt. Die
einströmende
Schmelze zersetzt aufgrund der eingebrachten Wärmeenergie das Polystyrolschaummodell,
wobei das Fortschreiten der Schmelze schichtweise vonstatten geht.
Die beim Zersetzen des Schaumstoff freigelegten Fasern werden von
der Schmelze umspült
und aufgrund der sich augenblicklich bildenden Randsschale festgehalten.
Da die Schmelze sich schichtweise vorwärts bewegt, bleibt die Fixierung der
Fasern im Polystyrolschaummodell ebenfalls erhalten. Mit dem Fortschreiten
der Schmelze wird nach und nach das gesamte Modell zersetzt und
die Langfasern allseitig vom Metall umgeben und in der vorher festgelegten
Position fixiert. Auf diese Weise verändern die Langfasern ihre Lage
nicht und dienen bei der späteren
Beanspruchung des Gussteils tatsächlich
als Verstärkungskomponenten
und zwar genau in den Gussteilpartien, wo die Unterstützung gefordert
wird.
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Dieser
Verfahrensweg wird auch bei der Herstellung von Verbundwerkstoffgussteilen
mit allseitig vom Metall umschlossenen Körpern aus gebundenen Partikeln
eingehalten. Wie oben bei den Langfasern geschildert, wird auch
dieser Körper
in ein Polystyrolschaummodell eingelegt. Mit diesem Modell wird
mit Hilfe von Sand eine Vollform gefertigt, die mit dem flüssigen Metall
gefüllt
wird. Beim Füllen
zersetzt sich das Schaum stoffmodell schichtweise und gibt den Körper frei.
Dieser wird aber noch durch das nichtzersetzte Schaumstoffmodell
fixiert. Die Schmelze erstarrt auf der Partikelkörperoberfläche und fixiert somit den bereits
freigelegten Bereich. Mit dem Fortschreiten der Schmelze erfolgt
die Zersetzung des gesamten Schaumstoffmodells. Die Schmelze nimmt
dabei den freiwerdenden Hohlraum ein. Auf diese Weise wird der aus
gebundenen Partikeln bestehende Körper allseitig vom Metall umschlossen.
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Wenn
auch die Formfüllung
prinzipiell mit allen Gießverfahren
möglich
ist, liefert das Niederdruckgießverfahren
mit gesteuerter Formfüllung,
d. h. der Zufuhr der Schmelze in Übereinstimmung mit dem zu vergasenden
Modellvolumen, die beste Voraussetzung zur Realisierung dieser Technologie
zur Herstellung von Verbundwerkstoffgussteilen. Um die Haftung der
Verbundfasern in der metallischen Matrix zu erhöhen, existieren nach dem Stand
der Technik zwei Verfahren. Einerseits können die Fasern mit geeigneten Überzügen versehen
werden, die beim Zufließen
der Schmelze mit dem flüssigen
Metall reagieren und somit stabile Verbindungen zur metallischen
Matrix aufbauen. Andererseits können
die Fasern durch das Anlegen eines hohen Drucks vom flüssigen Metall
infiltriert werden, wodurch ebenfalls eine feste Bindung entsteht.
Auch für
diesen Fall bereitet die exakte Fixierung der Fasern in den Gussteilpartien
längs der
entsprechenden Belastungslinien große Schwierigkeiten.
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Erfindungsgemäß lassen
sich diese Schwierigkeiten dadurch beseitigen, dass zunächst, wie
im herkömmlichen
Verfahren eine aus Fasern und Matrixmetall bestehende Preform erzeugt
wird, in der durch das Anlegen eines hohen Drucks die Infiltration des
Metalls in die Fasern vonstatten gegangen ist. In Übereinstimmung
mit der erfindungsgemäßen Beschreibung
wird nunmehr die metallische Preform so in das Polystyrolschaummodell
eingelegt, dass die Fasern exakt in Richtung der Belastungslinien
angeordnet sind. Die einströmende
Schmelze muss in diesem Falls nicht nur dass Polystyrolschaummodell zersetzen,
sondern auch die metallische Preform oberflächlich aufschmelzen, um eine
feste Verbindung zwischen dem Gussteilgrundkörper und der Preform zu schaffen.
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Die
Erfindung soll im folgenden Ausführungsbeispiel
anhand der Verfahrensschritte beim Niederdruckvollformgießverfahren
näher erläutert werden.
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Zunächst werden
ausgehend von der rechentechnischen Ermittlung der Beanspruchungen des
Gussteils 1 die Belastungslinien 2 ermittelt (Bild 1).
Danach wird ein Po lystyrolschaummodell bestehend aus zwei Modellhälften mit
der Geometrie des zu fertigenden Gussteils (Bild 2; 4)
hergestellt. Die hergestellte Polystyrolmodellhälften (Bild 2; 1)
besitzen im Bereich der Belastungslinien (Bild 1; 2) eine Teilungsebene.
In diese Teilungsebene werden im weiteren Prozess der Teilefertigung
die schon mit Metall infiltrierten Langfaserpreform (Bild 2; 2)
in Übereinstimmung
mit dem Lastlinienbild (Bild 1; 2) so eingelegt, dass die
aus Langfasern bestehende metallische Preform (Bild 2; 2)
nach dem Zusammenkleben der Polystyrolmodellhälften (Bild 2; 1)
vollständig vom
Schaumstoff (Bild 2; 3) eingeschlossen ist. Da die mechanischen
Eigenschaften der metallischen Verbundwerkstoffen vom Volumenanteil
und von der Art der Langfasern abhängig sind, wird zweckmäßigerweise
die aus Langfasern bestehende metallische Preform (Bild 2; 2)
mit einer Faserart und einem Volumenanteil in Übereinstimmung mit dem Lastlinienbild
(Bild 1; 2) hergestellt. Nach dem Einlegen der Preform
und dem Verkleben der Schaummodellhälften (Bild 2; 1)
wird das mit der Metallpreform (Bild 2; 2) erzeugte Polystyrolschaummodell
(Bild 2; 3) in einem Formbehälter 1 (Bild 3) mit
binderlosem Quarzsandsand 2 (Bild 3) umhüllt und
zum Abgießen
auf die Niederdruckvollformgießeinrichtung
(Bild 3) gesetzt. Die Niederdruckvollformgießeinrichtung (Bild 3) besteht
aus einem den Tiegelraum 3 umschließenden Ofengefäß 4 und
einem abgedichteten Formbehälter 1.
Im Formbehälter 1 befindet
sich das mit Preform 15 hergestellte Polystyrolschaummodell 5,
das mit Hilfe von Vibration in binderfreiem Sand 2 eingebettet
wurde. Es weist die Gestalt des zu erzeugenden Gussteils (Bild 2; 4)
auf. Das Gießsystem 6 ist mit
dem Steigrohr 7 der Niederdruckvollformgießeinrichtung
durch die Verbindungsöffnung 8 verbunden. Durch
das Öffnen
des Ventils 9 strömt
ein Druckmedium (Druckluft, Schutzgas) über das Eingangsrohr 10 aus
dem Druckmediumreservoir 11 in den Tiegelraum 3.
In diesem befindet sich der Schmelztiegel 12 mit der Schmelze 13,
die durch Heizelemente 14 in flüssigem Zustand gehalten wird.
Das Steigrohr 7 der Niederdruckvollformgießeinrichtung
taucht in das flüssige
Metall ein. Das in den Tiegelraum 3 einströmende Druckmedium
bewirkt eine Erhöhung
des Druckes, der auf den Badspiegel der Schmelze wirkt. Infolgedessen
steigt die Schmelze durch das Steigrohr 7 zum Schaumstoffmodell 5.
Dieses zersetzt sich durch die Gießwärme, und die Schmelze nimmt den
Platz des Schaumstoffmodells ein. Während des gesamten Gießvorgangs
wird die Form mit Druck beaufschlagt, um die Gießgase abzusaugen und die Form
zu stabilisieren. Nach einer erstarrungstechnologisch vorgegebenen
Zeit wird das Ventil 9 umgeschaltet. Dadurch sinkt der
Druck im Tiegelraum 3, wodurch die Ursache für das Verbleiben
der Schmelze 13 im Steigrohr 7 entfällt. Das
noch nicht erstarrte Metall strömt
aus dem Bereich der Verbindungsöffnung 8 in
den Schmelztiegel 12 zurück. Im Formbehälter 1 verbleibt
das schon im festen Zustand befindliche Verbundgussstück (Bild
2; 4) mit Langfaserverstärkungen 15, welches
nach dem Abnehmen des Formbehälters 1 von
der Niederdruckvollformgießeinrichtung
(Bild 3) aus ihm entnommen werden kann.