DE19605398A1 - Herstellen von Verbundwerkstoffen durch Bandgießen bzw. Gießwalzen - Google Patents

Description

Erfindung

Die Erfindung beinhaltet die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit einer Metallmatrix durch Gießwalzen. Zu diesem Zweck können in Abhängigkeit von den zu verarbeitenden Materialien alle Bandgieß- und Gießwalzverfahren, gekennzeichnet durch verschiedene Gestaltung und Anordnung der Kokillen, genutzt werden. Diskontinuierliche oder kontinuierli­ che Verstärkungskomponenten wie zum Beispiel Partikel, Whisker, Kurz-, Lang- und/oder Endlosfasern sowie Gewebe oder Filze werden mit der Metallschmelze in den Schmelzen­ pool überführt. Um eine gleichmäßige Verteilung und ausreichende Kontaktierung der Ver­ stärkungskomponenten mit schmelzflüssigem Metall zu realisieren, können beispielsweise die Strömungsverhältnisse im Pool, elektromagnetische Felder, die Fixierung des Faserab­ standes kontinuierlicher Verstärkungen durch Aufbringen einer begrenzten Matrixmenge bzw. organischem und/oder anorganischem Binder oder Positionierung endloser Verstär­ kungskomponenten im erstarrenden Pool und Beaufschlagen dieser mit einer gewissen Vor­ spannung genutzt werden. Eine entsprechende Prozeßsteuerung garantiert zudem eine aus­ reichende Kontaktierung und somit Benetzung der Verstärkungskomponente mit schmelz­ flüssigem Metall, da auf diese Weise die Ausbildung des flüssigen und teilweise erstarrten Bereiches zwischen den Kokillen geregelt werden kann. Die im Resultat des Bandgießens bzw. Gießwalzens entstandenen Verbundwerkstoffolien werden gewickelt und gelegt oder zugeschnitten und laminiert. Auf diese Weise sind isotrope und/oder anisotrope Verbund­ werkstoffe realisierbar. Durch Endlosfasern verstärkte Folien können nach dem Zuschneiden zu uni- oder multidirektionalen Laminaten angeordnet werden. Die stoffschlüssige Verbin­ dung zwischen den Verbundwerkstoffolien wird durch Heißpressen, Vakuumheißpressen, Heißisostatisches Pressen oder Warmwalzen erzielt. In Abhängigkeit vom Matrixwerkstoff können Haftvermittler appliziert werden.

Beschreibung des Patentes

Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix besitzen auf Grund ihrer gegenüber unverstärkten Metal­ len deutlich verbesserten Eigenschaften ein breites Anwendungspotential. Der serientechni­ sche Einsatz von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen bleibt jedoch bisher auf Einzelfälle wie zum Beispiel der Muldenrandverstärkung von Kolben für LKW-Motoren (G. Essig; S. Mielke; G. Bolschies: Anwendung von faserverstärkten Metallen in Verbrennungsmotoren. Metall 44 (1990) 5 434 ff.) beschränkt.

Eine Ursache für die zögernde großtechnische Applikation von Verbundwerkstoffen mit Me­ tallmatrix stellen anspruchsvolle, oft zu teure Herstellungsverfahren dar. Um die Fertigungs­ kosten für komplett oder partiell verstärkte metallische Bauteile zu reduzieren und zu ratio­ nalisieren, wird die folgende Erfindung vorgestellt.

Die vorliegende Erfindung besteht in einem neuen Herstellungsprozeß für Verbundwerkstof­ fe mit metallischer Matrix oder mit einer Matrix aus metallischem Glas, dem Bandgießen bzw. Gießwalzen. Das Bandgießen bzw. Gießwalzen von unverstärkten metallischen Werk­ stoffen ist ein von Bessemer (H. Bessemer: Über die Herstellung von endlosem Blech aus schmiedbarem Eisen und Stahl direkt aus dem flüssigen Metall. Stahl u. Eisen 11 (1891), 921-926) vorgeschlagenes Verfahren und hat seine Wurzeln in der Stahlindustrie. Besse­ mers Idee bestand darin, eine Verfahrensweise zu entwickeln, die bereits beim Urformen zu einem endabmessungsnahen Halbzeug führt. Auf diesem Weg können nachfolgende Um­ formschritte reduziert werden. Beim Gießwalzen wird flüssiges Metall in eine bewegte, meist gekühlte Kokille gegossen. Diese Kokille kann unterschiedlichster Art, beispielsweise aus umlaufenden Bändern (Hazelett-Verfahren), Blöcken (Hunter-Douglas-Verfahren) oder Wal­ zen (Verfahren nach Bessemer) aufgebaut sein.

Besteht die Kokille beispielsweise aus zwei gegenläufig rotierenden Walzen spricht man vom Zweirollen-Gießwalzen. Die gegenseitige Positionierung der Walzen kann horizontal, vertikal oder in einem beliebigen Winkel erfolgen. In den Walzenspalt wird ein definierter Masse­ strom des entsprechenden flüssigen Metalls gegossen oder gezogen. Im Resultat entsteht zwischen den Walzen der sogenannte Schmelzenpool in bestimmter Höhe. Bei Kontakt mit der Walzenoberfläche beginnt das Metall zu erstarren. Die sich auf beiden Walzenoberflä­ chen bildenden und mit der Berührungszeit anwachsenden Schalen aus festem Metall wer­ den im Walzenspalt zusammengepreßt, geringfügig umgeformt und letztlich als Band oder Folie aus dem Walzenspalt herausgepreßt. Die Wärmebilanz des Prozesses wird so gesteu­ ert, daß sich spätestens an der engsten Stelle des Walzenspaltes eine Brücke aus festem Metall zur Aufnahme der Walzkräfte ausbildet. Der gesamte Zweirollen-Gieß- bzw. Walzpro­ zeß unterliegt einer Vielzahl, teilweise untereinander verknüpfter Parameter, die über eine entsprechende Regelung gesteuert werden. Möglichkeiten zu verbesserter Verfahrens- und Prozeßbeherrschung waren bisher Gegenstand einer Vielzahl von Arbeiten, die sich in Veröffentlichungen und Patenten niederschlugen. Neben einer Verbesserung der Wirtschaft­ lichkeit durch teilweises Entfallen von investitions- und/oder energieaufwendigen Umform­ schritten ist es nunmehr möglich, durch Gießwalzen neue, wichtige Werkstoffeigenschaften einzustellen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich daher mit der Fertigung von Verbundwerkstoffen, die eine metallische Matrix oder eine Matrix aus metallischem Glas besitzen, über den Weg des Gießwalzens. Im Resultat dieses neuen kontinuierlichen Verfahrens der Verbundwerkstoff­ herstellung entstehen endlose, verstärkte Bänder oder Folien.

Das flüssige Metall bzw. die geschmolzene Legierung wird auf konventionelle Art und Weise durch Gießwalzen verarbeitet. Die Schmelze gelangt dabei über einen Frei- oder Tauch­ strahl in den Pool. Zusätzlich erfolgt die Einführung einer zweiten oder mehrerer Komponen­ ten in den Schmelzenpool. Diese weiteren Komponenten können beispielsweise Partikel, Kurzfasern, Langfasern, Endlosfasern, Fasergewebe oder Filze sein. Außerdem lassen sich in Abhängigkeit vom geforderten Eigenschaftsprofil des Bauteils, werkstofflich verschiedene Verstärkungskomponenten mit wesentlich anderen Eigenschaften in die Metallmatrix inte­ grieren und gezielt gewünschte Werkstoffeigenschaften einstellen. In diesem Fall werden dem Schmelzenpool Partikelgemische verschiedenster Werkstoffe, Kurzfaser- oder Langfa­ sergemische, Endlosfasern oder Fasergewebe bzw. Filze aus unterschiedlichen Materialien, mit dem Ziel der Fertigung definierter Hybridverbundwerkstoffe zugeführt.

Zur gleichmäßigen Verteilung der Verstärkungskomponente im Verbund tragen bei Partikel- und diskontinuierlicher Faserverstärkung die Strömungsverhältnisse im Schmelzenpool bei. Turbulente Strömungen des flüssigen Metalls, die unter anderem von der Art der Metallzu­ führung (Frei- oder Tauchstrahl) und dem Druck des Metallstrahles, der in den Schmelzen­ pool eintritt, determiniert werden, regen eine intensive Durchmischung der diskontinuierli­ chen Verstärkungskomponenten und der Metallschmelze an. Handelt es sich bei der durch Gießwalzen zu verarbeitenden metallischen Matrix um einen stark sauerstoffaffinen Werk­ stoff (Aluminium, Titan, Magnesium), bietet sich ein Arbeiten unter Schutzgas oder im Vaku­ um an. Auf diese Weise können ungewünschte Oxideinschlüsse, die zu einer drastischen Eigenschaftsverschlechterung des Composites führen, im entstehenden Band bzw. in der entstehenden Folie eingeschränkt oder gänzlich vermieden werden.

Eine gleichbleibende und homogene Verteilung kontinuierlicher Verstärkungskomponenten (wie zum Beispiel Endlosfasern und Gewebe) wird durch eine kontrollierte Fixierung dieser im Schmelzenpool erreicht. Rovings mit Endlosfasern werden zur Verbesserung der Infiltra­ tion der Fasern mit schmelzflüssigem Metall und zur Einstellung einer maximalen Kontaktflä­ che zwischen Faser und Metallschmelze aufgespreizt. Eine Möglichkeit zum Realisieren gleichmäßiger Faserabstände bietet das Fixieren und Positionieren der Fasern mittels Auf­ bringen einer begrenzten Matrixmenge vor dem Bandgießen bzw. Gießwalzen. Dieses loka­ le Metallisieren der Fasern kann beispielsweise durch thermisches Spritzen erfolgen. An­ schließend werden die metallisierten, aufgespreizten Endlosfasern über entsprechende Zu­ führsysteme in den Schmelzenpool eingeleitet und vollständig infiltriert. Eine Fixierung der aufgespreizten Fasern mittels anorganischem oder organischem Binder ist ebenfalls denk­ bar.

Weiterhin bietet sich zur Realisierung paralleler Faserausrichtung und Gewebepositionierung die Möglichkeit, Endlosfasern bzw. Fasergewebe während der Anlaufphase des Bandgieß­ bzw. Gießwalzprozesses im erstarrenden Teil des Schmelzenpools zu fixieren und mit einer definierten Spannung zu belasten.

Nachfolgende Verarbeitungsschritte resultieren durch Wickeln Legen oder Laminieren der Verbundfolien in geometrisch stabilen Bauteilen oder partiell verstärkten Strukturen. Dabei werden die verstärkten Metallbänder bzw. Metallfolien beispielsweise durch Heißpressen, Vakuumheißpressen, heißisostatisches Pressen oder Warmwalzen stoffschlüssig unterein­ ander und wenn erforderlich mit dem Substratwerkstoff verbunden. In Abhängigkeit von der Art des applizierten Matrixwerkstoffes kann es auch sinnvoll sein, die zu verbindenden MMC-Folien mit einem Haftvermittler zu beschichten. Aufgabe des Haftvermittlers ist das Erzielen ausreichender und gleichmäßiger Haftung zwischen den MMC-Folien sowie zwi­ schen den Folien und dem Substratwerkstoff. Für die Beschichtung mit Haftvermittler sind unter anderem Verfahren wie das Thermische Spritzen oder Walzplattieren denkbar.

Hierbei ist hervorzuheben, daß Verbundfolien mit anisotropen Eigenschaften eine Orientie­ rung der Verstärkungskomponenten in Richtung der Hauptbeanspruchungen des Werkstof­ fes gewährleisten.

Claims (9)

1. Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix in Form von Flachprodukten (Bänder und Folien), die kontinuierliche oder diskontinuierliche Verstärkungskomponenten enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Bandgießen bzw. Gießwalzen gefertigt werden.

2. Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus metallischem Glas in Form von Flachprodukten (Bändern und Folien), die kontinuierliche oder diskontinuierliche Verstärkungskomponen­ ten enthalten dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Bandgießen bzw. Gießwalzen gefertigt werden.

3. Verbundwerkstoffe nach den Ansprüchen 1 und 2 sind dadurch gekennzeich­ net, daß die Matrix diskontinuierliche Verstärkungskomponenten, wie zum Beispiel ver­ schieden geformte Partikel, Whisker, Kurz- und/oder Langfasern des gleichen Werkstof­ fes enthält.

4. Verbundwerkstoffe nach den Ansprüchen 1 und 2 sind dadurch gekennzeich­ net, daß die Matrix kontinuierliche Verstärkungskomponenten wie zum Beispiel Endlosfa­ sern und/oder Gewebe des gleichen Werkstoffes enthält.

5. Verbundwerkstoffe mit Metallmatrix oder mit einer Matrix aus metallischem Glas nach den Ansprüchen 1 und 2, sind dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungs­ komponenten aus einem Gemisch verschiedenster Werkstoffe besteht mit dem Ziel, Hy­ bridverbunde zu fertigen.

6. Die Verstärkungskomponenten des durch Bandgießen bzw. Gießwalzen hergestellten Verbundwerkstoffes nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie oberflächenbehandelt und/oder beschichtet sein können.

7. Verbundwerkstoffe mit einer gleichmäßigen Verteilung der Verstärkungskomponenten in der Matrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverhältnisse im Schmelzenpool gesteuert und elektromagnetische Felder angewendet werden, Ab­ standshalter in Form lokaler Brücken des Matrixmaterials und/oder organischer bzw. an­ organischer Binder appliziert und/oder eine Fixierung von endlosen Verstärkungskompo­ nenten während der Anlaufphase des Bandgießens bzw. Gießwalzens im Schmelzenpool realisiert werden.

8. Bandgegossene bzw. gießgewalzte Verbundfolien oder -bänder nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie gewickelt oder gelegt und anschließend stoffschlüssig verbunden werden, um kompakte vollständig verstärkte Strukturen bzw. lokale Verstärkungen an hoch beanspruchten Positionen zu realisieren.

9. Bandgegossene bzw. gießgewalzte Verbundfolien- oder -bänder nach Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, dadurch gekenn zeichnet, daß sie zugeschnitten, die ani­ sotropen Verbundwerkstoffolien entsprechend der Beanspruchungsrichtung gelegt und stoffschlüssig verbunden werden.