DE1942170B2 - Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen hohlen Metallkörpers - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines rotationssymmetrischen hohlen Metallkörpers

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DE1942170B2
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Description

bewegung ist mittels eines Sperriemens begrenzbar, der nahe seinem einen Ende einen Längsschlitz 22 imfweist, Eine Flijgelschraube 23 durchsetzt den Längsschlitz 22. Eine zentrische Bohrung 24 des Spanndorns 10 dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten Antriebswelle.
Beim Herstellen eines Metallkörper* wird der Spanndorn 10 mit in geringem Maß auseinandergeklappten Halbzylindern 12, 14 verwendet, wobei der Riemen und die angezogene nagelschraube 23 ein weiteres Auseinanderklappen verhindern.
Zu Beginn der Herstellung eines hohlen Metallkörpers wird der Spanndorn einschichtig auf seiner gesamten zylindrischen Mantelfläche mit einer Metallfolie so umhüllt, daß diese glatt und gleichmäßig anliegt. Um Faltenwerfung während der Herstellung zu verhindern, besteht die Folie vorzugsweise aus einem Material, das in bezug auf ihr Wärmeverhalten dem Spanndorn entspricht, also zumindest annähernd denselben Ausdehnungskoeffizienten hat. Die Metallfolie verbessert nach Fertigstellung des Metallkörpers dessen Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaften, insbesondere dessen Zähigkeit. Wie noch .läher erläutert wird, wird die Metallfolie während des Herstellungsverfahrens mit den übrigen Schichten des Metallkörpers homogen verbunden.
Auf die Metallfolie wird eine Faser in schraubenförmigen Windungen aufgewickelt, die eng aneinander anliegen können und jedenfalls regelmäßig beabstandet sind. Dies kann erfolgen, indem die Faser kontinuierlich von einer Vorratsrolle abgezogen und unter einer Vorspannung mittels einer geeigneten Führungsvorrichtung auf den sich drehenden Dorn geleitet wird.
Nach der Fertigstellung einer Wickellage wird die Faser abgerissen und am Spanndorn befestigt, und der Sperriemen wird freigesetzt. Der Spanndorn wird hierauf in eine Plasma-Spritzkammer 26 (F i g. 2) gebracht, wo das Auftragen von Matrixmetall mittels eines "lasinabrenners 28 in einer Argon-Atmosphäre erfolgen kann. Vor dem Spritzen werden Spanndorn, Metallfolie und gewickelte Faser auf eine genügend hohe Temperatur vorgewärmt, um bei dem folgenden Plasmaspritzen die Bindung des Matrixmetalls an die Metallfolie und an die Faser zu erleichtern. In der Spritzkammer 26 erfolgt dann eine weitere Erhitzung durch infrarote Bestrahlung und durch den Plasmalichtbogen. Wird ais Metallfolie eine Folie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet, so erreicht man bei einer Temperatur von 204 bis 316 3C eine gute Bindung, während bei Temperaturen unterhalb 930C keine Bindung mehr erzielt wird. Der dem Plasmabrenner 28 gegenüberstehende Spanndorn wird während des Spritzens gedreht, um eine gleichmäßige Schicht von Matrixmeiall zu erreichen. Veränderliche Größen, die den Plasmastrahl beeinflussen, sind die dem Lichtbogen zugeführte Leistung, die räumliche Stellung und Größe der Lichtbogenclcktrodcn und die Zusammensetzung und die Strömungsgeschwindigkeit der Plasmagase. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde mit einem Lichtbogenstrom von 400 bis 500 A, einer Lichtbogenspannung von 30 bis 35 V und einer Zufuhr von Argon von 3,96 bis 4,53 m3/h (unter Normalbedingungen) gearbeitet. Außer durch diese veränderliche Größen wird die durch das aufgespritzte Matrixmetall erh-.ltene Unterlage beeinflußt durch die Zuführgeschwindigkeit des Matrixmetallpulvers zum Lichtbogen des Plasmabrenners, die Lage der Zufuhröffnung für das Metallpulver bezüglich des Plasmas, die Größenverteilung der Metallpulverteilchen, die Entfernung des Plasmalichtbogens von der Unterlage, die Beschaffenheit der Aimosphäre an der Atislußöffnung des Plasmabrenners und in der Umgebung der Unterlage sowie die Temperatur der Unterlage. Bei dem genannten Ausführungsbetspiel wurde bei einer mäßigen Zufuhr, nämlich bei 1.36 kg/h, gearbeitet. Weiter wurde gefunden, daß vorteilhaft die Zufuhröffnung für das Metallpulver in der Ionisierungszone
ίο des Lichtbogens liegt, sphärische·: Metallpulver mit einem Teilchendurchmesser bis zu 64 μηι verwendet wird, die Entfernung des Lichtbogens von der Unterlage 10,6 bis 12,7 cm beträgt, die Unterlagetemperatur zwischen 204 und 316=C liegt und die Relativgeschwindigkeit des Plasma-Lichtbogens in bezug auf die Unterlage parallel zu deren Achse 5.08 bis 20,32 cm/s beträgt.
Das Vorwärmen der Unterlage und das anschließende Plasmaspritzen bewirken, daß miteinander ver-
schmelzende Partikeln des Matrixmetalls die Fasern umgeben und an ihnen haften. Gleichzeitig dehnt sich durch die Erwärmung dai A-taterial des Spanndorns aus. was zur Folge hat, daß sic'i bei annähernd gleichbleibender äußerer Gestalt des Spanndorns die HaIbzylinder 12, 14 entgegen der Federkraft schließen. Das Nachgeben der Federn des sich durch Wärmeeinfluß ausdehnenden Spanndorns beschränkt die Veränderung der Zugspannung, denen die Faser andernfalls unterworfen wäre, auf ein Mindestmaß. Wenn das Plasmaspritzen beendet ist. werden die Unterlage und der Spanndorn auf Zimmertemperatur abgekühlt, und während dieser Abkühlung erfolgt eine entgegengesetzte Ausgleichsbewegung des Spanndorns: der sich dann zusammenziehende Spanndorn wüd durch die Federkraft mechanisch ausgedehnt. Durch entsprechende Bemessung der Federkraft wird erreicht, daß die auf Grund der Wärmebewegungen auf die Faser der Unterlage ausgeübte Zugkraft während der gesamten Herstellung eine Dehnung der Faser von höchstens 0,3",', bewirkt.
Nach der Abkühlung wird die erhaltene einschichtige Unterlage vorzugsweise ccschmirgclt oder kalandriert, um eine glatte und ebene Wicklungsfläche zu schaffen. Auf diese einschichtige Unterlage wird dann eine weitere Schicht aufgebracht, indem wieder wie zuvor eine Fa;er schraubenförmig aufgewickelt und sodann auf diese vorgewärmte Unterlage das Matrixmetall aufgespritzt wird. Dies erfolgt abwechselnd, bis eine gewünschte Gesamt-Schichtdickc erreicht ist.
" Um üie Dichte des Matrixmetalls in dem erhaltenen Rohlim; und dessen Festigkeit zu erhöhen, unterwirf: man danach d;n mehrschichtigen, die Metallfolie umfassenden Körper nach Entfernung des Spanndorns einer Heißpressung. Die Hciß-prcssung kann in einer
Inertgasatmosphäre erfolgen. FaHs der Hohlkörper zu einer Platte wciierverarbcilct werden soll, kann beim Abnehmen von dem Spanndorn der Hohlkörper gegenüber e:ncr Mantcllinic des Spanndorns schräg gcschnitten werden. Der Rohling wird dann zwischen Stahlplitten oder Preßformen gelegt und zwischen diesen bei vorgegebenem Druck und vorgegebener Temperatur gepreßt.
Verschiedene Versuche wurden durchgeführt, um die Tauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zu überprüfen. Bei diesen Versuchen wurde ein Spanndorn K) aus Aluminium von 15,25 cm Breite und 50,80 cm Durchmesser verwendet. Zwischen dessen beide Halbzylindcr 12, 14 waren zwei Federn einge-
schultet, die jeweils cine Federkonstante von I6kp/m aufwiesen. Der Spcrrienicn konnte mittels der Flügelmutter 23 so eingestellt werden, daß er das Auseinandcrklappen der I hubzylinder 12, 14 auf eine maximale Spallbreitc \on 0.64cm begrenzte. Während als Matrixmetall stets Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wurde, wurden bei verschiedenen Versuchen lasern aus Bor. aus mit Siliziumkarbid beschichtetem Bor und aus Siliziumkarbid verwendet. Materialien für laser. Matrixmetall und Metallfolie. die sich als für die Herstellung geeignet erwiesen, sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle I
Faser
Material Hör Durchmesser lilasti/ilafi-
modul		 Pinvli Schnitt
linie Reiß
festigkeit
Hör mit 2.5 bis
3,8 μηι SiC-
Heschichtung
SiC 		10' kpcnr HV kp-cnv
99 bis 1.87 bis 29,9
104 μηι
99 bis
104 um
08 bis		 4.22
3.87 bis
4.22		 35.2
29.9
35.2
19.3
S4 um 28.1
Metallpulver
Material
Gestalt
Technisch reines Alumi- sphärisch
nium
Aluminiumlegierung i.0"„ zerstäubt
Mg, 0.5",, Si. Rest Al
Aluminiunileaierune 4.5"0 zerstäubt
Cu. Rest ΑΪ
Metallfolie
Material
Behandlung
Handelsübliche legierte
Aluminiumfolie
celiiht
besonders gute Eigenschaften des hergestellten Metallkörper wurden erzielt, wenn als Metallpulver die Aluminiumlegierung mit 1,0% Mg. 0,5",, Si, Rest Al. als Faser diejenige mit SiC-Bcschichtung und als Metallfolie die handelsübliche legierte Aluminiumfolie mit einer Dicke von 25 μιη verwendet wurden. Auch bei der Verwendung von Fasern aus Siliziumkarbid und Bor ergaben sich gute Ergebnisse.
Fs wurden weiter Versuche mit verschiedenen Ab-Wandlungen der Heißpressimg an Rohlingen durchgeführt, die aus den vorgenannten Materialien hergestellt waren. Dabei wurde festgestellt, daß bei einer I leilipressung bei einer Temperatur von 500 C und einem Druck von 281 kp'cm- während einer Preßzeit von 1 h ein Körper von maximaler Dichte, Festigkeit und Dehnbarkeit erzielt wurde. Höhere Temperaturen bedingen niedrigere Drücke, z. B. 70.3 kp'cnv bei 600 C. Bei der Verwendung von Fasern aus technisch reinem Bor tritt jedoch bei 560 C eine bedeutende Verschlechtcrung der Eigenschaften der Faser ein. was allerdings nicht der Fall i>t bei Borfasern mit Siliziumkarbid-Beschichtung. Borfasern, die aus einem bei 560 C gepreßten Probekörper mit verdünnter Salzsäure entfernt wurden, zeigten eine Schwächung der durchschnittlichen Reißfestigkeit von 33.7 auf 9.14 \ HV kp'cm2. und der Probekörper zeigte eine entsprechend verringerte Festigkeit. Niedrigere Temperaturen können andererseits zu einer ungenügenden Verdichtung des Matrixmetal'i führen, die nur durch sehr hohe Drücke ausgeglichen werden kann. So wurde beim Heißpressen eines Probekörpers mit Fasern aus Bor und Aluminium als Matrixmctall bei einer Temperatur von 400 C und einem Druck von 70.3 kp cm:
keine vollständige Verdichtung erreicht, und das Mainxmctall blieb etwas brüchig. Eine Hcißpressting bei
bis44am 703 kp'cm'- führte jedoch zu völliger Verdichtung.
Insbesondere bei der Herstellung größerer Körper ist
bis 64 μΐη es also wichtig, im Hinblick auf einen möglichst ce-
ringen Preßdruck die Heißpressung bei der höchsten
bis 64 am 4° Temperatur durchzuführen, die im Hinblick auf die
gewünschten mechanischen Eigenschaften der laser
noch zulässig ist.
Drei ;*iif Grund des erfindungsgemäßen. Verfahrens in verschiedener Weise hergestellte Probekövyvr Nr. i,
Nr. 2 und Nr. 3 wurden hinsichtlich ihrer mechanisehen Eigenschaften untersucht. Pie I ntersr.chungs-
bis 75 am ergebnisse sind in Tabelle 11 /usammengcstei!;.
Tabelle II
Teilchengroße
11
Zahl der Schichten Abstand der Faserwindungen Lichtbogenleistung
Plasma-Gas
Vorvvärmteraperatur HeiSpressung Faseranteil im Volumen Elastizitätsmodul
Maximale Reißfestigkeit
Nr. l
Bor
11 157 μιη
14 kVA
4.25 m3/h Argon 204 C
703 kp/ctna 52%
2,21 · 10« kp/cm* 11,34 · 10s kp/cna*
Nr. 2 Fasermateml
Bor mit 2.5 his
3.5 μιη StC-Be-
schichtung
Nr 3
Silisiumkarbul
157 am 14 kV A
4,25 m3/h Argon 260X
2Sl kp/cma
1,9? · 10* kp/ern*
11,41-10* kp/cm*
127 16
4.Sl m*ä
232
um
kVA
h Argon
31
4,SS
Der in der Tabelle II angegebene Abstand der Faserwindungen gilt nicht nur für die Faserwindungen derselben Lage einer schraubenförmig aufgewundenen Faser untereinander, sondern auch für den gleich großen Abstand zwischen den Faserwindungen einer Schicht und derjenigen der darüberliegenden Schicht.
Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den angegebenen Beispielen sind selbstver-
ständlich möglich. So kann das Plasmaspritzen aucl in Luft ausgeführt werden, um die Durchführung de Verfahrens zu vereinfachen. Um in diesem Fall ein gute Bindung zwischen einzelnen Aluminiumschichter S die nacheinander an der Luft gespritzt werden, zu be günstigen, ist es empfehlenswert, die Oberfläche de jeweiligen Unterschichten mit feinem Aluminiumoxid pulver mittels eines Strahlgebläses zu bestrahlen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

PatPntnnsnriinhp. dsm Metallkörper bildenden Teilchen und damit eine ratentanspruene. ^.^ Bruchfest|gkeJtt Dies gilt insbesondere für die
1. Verfahren zum Herstellen eines zumindest an- der Metallfolie benachbarte Innenseite des hohlen nähernd rotationssymmetrischen hohlen Metall- Metallkörpers, die im Gebrauch oder bei der Weiterkörpers auf einem von einer Metallfolie umhüllten 5 verarbeitung zu einem flachliegenden Band gerade den Spanndorn durch Plasmaspritzen, dadurch stärksten Beanspruchungen ausgesetzt ist. Da bei dem gekennzeichnet, daß auf die den Spann- Verfahren auch keine zusätzliche Verstärkung des dorn umhüllende Metallfolie abwechselnd bis zum Metallkörpers erfolgt, weist der hergestellte hohle Erreichen der gewünschten Schichtdicke eine Faser Metallkörper für viele Anwendungsfälle ungenügende schraubenförmig mit regelmäßig beabstandeten io Festigkeitseigenschaften auf.
Windungen aufgewickelt und sodann auf die vor- Weiter ist es bekannt (USA.-Patentschrift 2 903 787),
gewärmte Unterlage das Matrixmetall aufgespritzt beim Herstellen von Metallbändern auf sich drehenden
wird und daß schließlich der die Metallfolie um- Trommeln auf eine über die Trommeln geleitete textile
fassende Körper nach Entfernung des Doms einer Unterlage abwechselnd bis zum Erreichen der ge-Heißpressung unterworfen wird. 15 wünschten Schichtdichte kurze, wirre metallische
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Fasern aufzubringen und sodann auf die Unterlage im zeichnet, daß eine Faser aus Bor, Siliziumkarbid Plasmaspritzverfahren Metall aufzuspritzen. Das auf- oder mit Siliziumkarbid beschichtetem Bor ver- gespritzte Metall verbindet hierbei die Fasern zu einem wendet wird. porösen Gerüst geringer Festigkeit.
3. Verfahren iuxh Anspruch 1 oder 2, dadurch 20 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Vergekennzeichnet, daß als Matrixmetall Aluminium fahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird. daß der hergestellte Metallkörper eine erhöhte Festig-
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- keit aufweist.
zeichnet, daß als Metallfolie eine Folie aus Alu- Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem
minium oder einer Aluminiumlegierung verwendet 25 Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
wird. daß auf die den Spanndorn umhüllende Metallfolie
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, abwechselnd bis zum Erreichen der gewünschten dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage jeweils Schichtdicke eine Faser schraubenförmig mit regelauf 204 bis 316" C vorgewärmt wird, mäßig beabstandeten Windungen aufgewickelt und
6. Verfahren r 1Ch einem der Ansprüche 1 bis 4, 30 sodann auf die vorgewärmte Unterlage dab Matrixdadurch gekennzeichnet, daß die Heißpressung bei metall aufgespritzt wird und daß schließlich der die einer Temperatur von 5CO0C < /id unter einem Metallfolie" umfassende Körper nach Entfernung des Druck von 281 kp/cm- wäl.rend ■"uner Preßdauer Dorns einer Heißpressung unterworfen wird.
von 1 h vorgenommen wird. Durch die jeweilige Vorwärmung der Unterlage
7. Verfahren nach einem der vorangehenden An- 35 wird eine sehr gute mechanische Verbindung zwischen sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus zwei Unterlage und aufgespritztem Matrixmetall erhalten. Halbzylindern bestehender Spanndorn verwendet Dies gilt bereits bei der ersten gebildeten Schicht, da wird, dessen Halbzylinder unter Federkraft an den die ursprünglich den Spanndorn umhüllende Metall-Innenumfang der Unterlage angedrückt werden, folie mit dieser Schicht verbunden wird, so daß bei und daß die Federkraft so groß bemessen wird, 40 einer Arbeitstemperatur gearbeitet werden kann, die daß die bei Wärmebewegungen des Spanndorns lediglich im Hinblick darauf gewählt wird, daß eine und der Unterlage auf die Faser ausgeübte Zug- gute mechanische Verbindung zustande kommt. Die kraft eine Dehnung der Faser von höchstens 0,3 "0 schraubenförmig mit regelmäßig beabstandeten Winbewirkt. duneen aufgewickelten Fasern weisen im Gegensatz zu
45 kurzen, wirren Fasern praktisch keine Enden auf, an
denen der Kraftfluß von der Faser in das Malrixmetall
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum übergeleitet werden muß. Durch die anschließende
Herstellen eines zumindest annähernd rotationssym- Heißpressung wird eine bedeutende Verbesserung der
metrischen hohlen Metallkörper* auf einem von einer Festickeitseigenschaften des Rohlings erzielt. Bei dem
Metallfolie umhüllten Spanndorn durch Plasma- 50 Pr^ßvorgang werden die parallel zueinander und senk-
»pritzcn. recht zur Druckrichtung liegenden Fasern nicht auf
Ein derartiges Verfahren ist bekannt (USA.-Patent- Zug oder Druck in Längsrichtung beansprucht und
Schrift 3 112 539). Hierbei wird das im Plasma zumin- daher nicht zerstört.
tlest teilweise verflüssigte Metallpulver auf die den Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeich-
Rpanndorn umhüllende Metallfolie aufgespritzt und 55 nungen näher erläutert, in denen eine Vorrichtung /ur
bildet dabei den hohlen Metallkörper, der danach von Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
dem Spanndorn abgenommen wird, wobei die Metall- dargestellt 'st. Es zeigt
folie auf dem Spanndorn verbleibt. Um eine meehani- Fig. 1 die stirnscitigc Ansicht eines bei dem Versehe Verbindung zwischen Metallfolie und Metall- fahren \ erwendeten Spanndorns,
körper zu vermeiden, muß die Metallfolie bei Beginn 60 F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine den Spanndes Spritzvorganges eine relativ niedrige Temperatur dorn gemäß F i g. 1 enthaltende Plasma-Spritzkammer. aufweisen, und auch die Plasmatemperaturen dürfen In Fig. 1 is* ein hohler, zylinderförmiger Spannnicht allzu hoch sein, damit die ersten auf die Metall- dorn 10 dargestellt, der aus zwei Halbzylindern 12, 14 folie gelangenden, zumindest teilweise geschmolzenen besteht. Die Halbzylinder 12, 14 sind an ihrer einen Meiallpartikel nicht auf der Metallfolie festbacken, 65 Längsseite mittels eines Scharnieres klappbar ancinsondern beim Auftreffen erstarren. Aus den so ge- ander befestigt. Zwei nahe ihrer gegenüberliegenden gebenen niedrigen Arbeitstemperaturen ergibt sich Längsseite zwischen ihnen gehaltene Federn belasten eine nur geringe mechanische Bindung zwischen den sie im Sinne eines Auseinanderklappens. Die Klapp-
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