DE102006005252B4 - Formbauteil aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung - Google Patents

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Abstract

Formbauteil zur Erzeugung von aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen bestehenden Gegenständen, aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit (in Masse-%) Ni 32,5 bis 33,5% Co > 3,5 bis < 4,5% Al 0,001 bis 0,05 Mn > 0,04 bis 0,1% Si > 0,03 bis 0,1% Nb 0,001 bis 0,1% C 0,005 bis max. 0,009% Mo max. 0,05% Cr max. 0,05% S max. 0,003% N max. 0,004% Ti max. 0,01% Cu max. 0,05% P max. 0,005% Mg max. 0,005% Ca max. 0,003% Zr max. 0,05% O 0,005% Fe Rest,
wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20–200°C einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1,3 × 10–6/K aufweist und das Formbauteil als Frästeil aus warmgeformtem oder gegossenem Material herausgearbeitet und anschließend geglüht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Formbauteil zur Erzeugung von aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen bestehenden Gegenständen, aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung.
  • In zunehmendem Maße werden Bauteile auch für sicherheitsrelevante Produkte, wie im Flugzeugbau, aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen (CFK) hergestellt. Für die Produktion derartiger Bauteile werden Werkzeuge (Formen) benötigt, in denen das viskose Harz-Kohlefaser-Gelege bei einer Temperatur von ca. 180°C ausgehärtet wird. Beim sog. RTM (Resin Transfer Molding) – Verfahren werden Kohlefasertextilien in die Form eingelegt, die Form evakuiert und anschließend das Harz in die Form injiziert. Nach dem Aushärten bei ca. 180°C wird das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen. Als Werkstoffe kommen für diese Formen entweder C-Stähle oder eine Legierung mit geringem Ausdehnungskoeffizient (Eisen mit 36% Nickel, Ni36) zum Einsatz, die typischerweise einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 1,6 und 2,5 × 10–6 K–1 hat.
  • Der Einsatz dieser RTM-Formen ist mit Schwierigkeiten und einem erheblichen Aufwand verbunden, da sich nach dem Aushärten das Bauteil schwer aus der Form wieder zu lösen ist und zusätzlich das Bauteil aufwändigen Nacharbeiten unterzogen werden muss, damit es den Ansprüchen an seine Funktion gerecht werden kann.
  • Die US 4,853,298 offenbart eine thermisch stabile Super-Invar-Legierung mit 32 bis 33,2% Nickel, 2,5 bis 5,5% Kobalt, 0,4 bis 0,8% Mangan, bis zu 0,25% Silizium, max. 0,02% Kohlenstoff sowie Eisen als Rest. Im Temperaturbereich von –55 bis +90°C soll ein Wärmeausdehnungskoeffizient bis zu 0,7 × 10–6/K erreicht werden. Anwendungsfälle dieser Legierung werden im Bereich der Präzisionsoptik gesehen.
  • Der DE 102 63 032 A1 ist eine Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung für Schattenmasken zu entnehmen, die folgende chemische Zusammensetzung aufweist: 32,5 bis 34,5% Nickel, 3,0 bis 5,0% Kobalt, 0,2 bis 0,5% Molybdän, 0,02 bis 0,06% Kohlenstoff, max. 0,1% Chrom, max. 0,05% Mangan, max. 0,05% Silizium, max. 0,03% Aluminium, Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, für Formen eine Legierung bereitzustellen, mit der die genannten Schwierigkeiten einfach überwunden werden können.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Formbauteil zur Erzeugung von aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen bestehenden Gegenständen, aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit (in Masse-%)
    Ni 32,5 bis 33,5%
    Co > 3,5 bis < 4,5%
    Al 0,001 bis 0,05%
    Mn > 0,04 bis 0,1%
    Si > 0,03 bis 0,1%
    Nb 0,001 bis 0,1%
    C 0,005 bis max. 0,009%
    Mo max. 0,05%
    Cr max. 0,05%
    S max. 0,003%
    N max. 0,004%
    Ti max. 0,01%
    Cu max. 0,05%
    P max. 0,005%
    Mg max. 0,005%
    Ca max. 0,003%
    Zr max. 0,05%
    O 0,005%
    Fe Rest,
    wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20–200°C einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1,3 × 10–6/K aufweist und das Formbauteil als Frästeil aus warmgeformtem oder gegossenem Material herausgearbeitet und anschließend geglüht wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Ein bevorzugter Anwendungsfall für die Legierung wird im Flugzeugbau gesehen, wobei die Legierung als Formbauteil, insbesondere zur Erzeugung von CFK-Beschlägen mit der RTM-Technologie, eingesetzt werden kann. Andere Flugzeugbauteile, die ebenso in CFK-Leichtbauweise ausgeführt werden, können mit Bauteilen aus der vorgeschlagenen Legierung ebenfalls erzeugt werden.
  • Gegenüber bisher zum Einsatz gelangenden Legierungen auf Basis von Ni 36 können Bauteile aus Formen dieser Legierung leicht entnommen werden, da die thermische Schrumpfung der Form nach dem Aushärtungsvorgang geringer ist. Durch eine geeignete Konstruktion der Form kann das Bauteil so entnommen werden, dass es seiner Funktion ohne Nacharbeiten gerecht wird.
  • Durch die einfachere Entnahme des Bauteils aus der Form wird außerdem die Lebensdauer der Form erhöht, da keine scharfkantigen Werkzeuge zum Einsatz kommen müssen, um das Bauteil aus der Form zu lösen
  • In der Tabelle 1 sind beispielhafte chemische Zusammensetzungen für erfindungsgemäße Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen (E3, E4, E5, E6) im Vergleich zu weiteren untersuchten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen (T1, U1) aufgelistet.
    Element (%) E3 E4 E5 E6
    C 0,002 0,008 0,002 0,036
    S 0,0006 0,0015 0,0004 0,0011
    N 0,001 0,001 0,001
    Cr 0,01 < 0,01 < 0,01 0,01
    Ni 32,75 32,80 32,80 32,55
    Mn < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01
    Si < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01
    Mo 0,02 0,01 0,01 0,05
    Ti < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01
    Cu < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01
    P 0,002 0,002 0,002 0,002
    Al 0,001 0,005 0,005 0,014
    Mg 0,0003 0,0003 0,0002 0,0003
    Ca 0,0006 0,0006 0,0007 < 0,001
    Co 3,38 3,9 4,45 4,9
    Fe Rest Rest Rest Rest
    Element (%) Ti U1
    C 0,004 0,002
    S 0,0008 0,0025
    N 0,001
    Cr 0,01 0,02
    Ni 35,50 34,20
    Mn 0,03 < 0,01
    Si 0,04 0,11
    Mo 0,09
    Ti < 0,01 < 0,01
    Cu 0,05 0,01
    P 0,002 0,003
    Al 0,011 0,010
    Mg 0,0006 0,0005
    Ca 0,0002 0,0003
    Co 1,44 2,3
    Fe Rest Rest
  • Die Legierungen E3 sowie E6 erreichen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 1,5 -< 2,0 × 10–6/K im Temperaturbereich von 20–200°C.
  • Die Legierungen E4 und E5 erzielen einen noch niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten von etwa 1,3 × 10–6/K im Temperaturbereich von 20 und 200°C, so dass mit den Legierungen E4 und E5 eine Kombination von gesteigerter Festigkeit bei gleichzeitig niedriger Wärmeausdehnung erreicht wurde.
  • Vorteilhafterweise werden aus der Legierung hergestellte Formen als Frästeile aus warmgeformtem (geschmiedetem oder gewalztem) oder gegossenem Massivmaterial herausgearbeitet und anschließend geglüht.

Claims (4)

  1. Formbauteil zur Erzeugung von aus Kohlefaser verstärkten Kunststoffen bestehenden Gegenständen, aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit (in Masse-%) Ni 32,5 bis 33,5% Co > 3,5 bis < 4,5% Al 0,001 bis 0,05 Mn > 0,04 bis 0,1% Si > 0,03 bis 0,1% Nb 0,001 bis 0,1% C 0,005 bis max. 0,009% Mo max. 0,05% Cr max. 0,05% S max. 0,003% N max. 0,004% Ti max. 0,01% Cu max. 0,05% P max. 0,005% Mg max. 0,005% Ca max. 0,003% Zr max. 0,05% O 0,005% Fe Rest,
    wobei die Legierung im Temperaturbereich von 20–200°C einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten < 1,3 × 10–6/K aufweist und das Formbauteil als Frästeil aus warmgeformtem oder gegossenem Material herausgearbeitet und anschließend geglüht wird.
  2. Formbauteil nach Anspruch 1, das als Schmiedeteil vorliegt.
  3. Formbauteil nach Anspruch 1, das als Gussbauteil vorliegt.
  4. Formbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, einsetzbar als Bauteil zur Erzeugung von Gegenständen im Flugzeugbau.
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