DE2059179B2

DE2059179B2 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Formkörpers sowie Anwendung des Verfahrens zur Herstellung spezieller Formkörper

Info

Publication number: DE2059179B2
Application number: DE19702059179
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ing.(Grad.) Schneider; Dieter Dipl.-Ing. 7530 Pforzheim Stoeckel
Original assignee: FA G RAU 7530 PFORZHEIM
Current assignee: FA G RAU 7530 PFORZHEIM
Priority date: 1970-12-02
Filing date: 1970-12-02
Publication date: 1979-05-10
Also published as: CH538317A; GB1369048A; FR2116467B1; FR2116467A1; DE2059179C3; JPS5555210U; DE2059179A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Damit ist auf einen Stand der Technik Bezug genommen, wie er sich aus der GB 11 93 493 ergibt

Als Faserwerkstoff werden in der Technik Kombinationen von Glas-, Keramik-, Polymerfasern oder metallischen Fasern eingebettet in eine metallische oder nichtmetallische Matrix bezeichnet Derartige faserverstärkte Werkstoffe auf metallischer und nichtmetallischer Grundlage sind in weitem Umfang gebräuchlich und weisen gegenüber den bekannten Werkstoffen günstigere physikalische und chemische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften hängen von einer Mehrzahl von Einflußfaktoren ab, insbesondere von den Eigenschaften des Matrix- bzw. Fasermaterials, vom Flächenanteil der Fasern am Gesamtquerschnitt sowie von der Faseranordnung, -verteilung und -verbindung. Optimale Eigenschaften lassen sich bei faserverstärkten Formkörpern im allgemeinen nur durch eine spezielle Orientierung und Verteilung der Fasern im Matrixmaterial

ίο erreichen.

Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung eines metallischen faserverstärkten Fonnkörpers gehen davon aus, daß die vorgefertigten Fasern durch Schmelzprozesse, pulvermetallurgische Methoden oder Drucksinkern zwischen kompaktem Material mit Matrixmetall umgeben werden. Bei außerdem bekannten Verfahren werden vorgefertigte Fasern durch Behandeln in einem Schmelzbad, einem Schlicker, einem Elektrolysebad oder durch Besprühen, Vakuumbedampfen bzw. durch andere Abscheidungsverfahren mit Matrixmaterial umgeben. Anschließend wird durch Stapeln und Pressen der so vorgefertigten Fasern der Verbundwerkstoff mit gleichmäßiger Verteilung der Fasern hergestellt Bekannt sind femer Herstellungsverfahren, bei denen die vorgefertigten Fasern oder Faserbruchstücke zunächst ungerichtet in das Matrixmaterial eingegeben und anschließend bei Umformungsverfahren ausgerichtet werden.
In der GB-PS 11 93 493 wird ein Herstellungsverfah-

xi ren für einen hochkorrosionsbeständigen faserverstärkten Formkörper angegeben. Dieses Verfahren geht von massiven Kernstäben mit einem metallenen hülsenförmigen Oberzug aus, der beispielsweise durch Plasma-Jet-Spritzen erzeugt werden kann. Die ummantelten Kernstücke werden dann in einem Bündel zusammengefaßt und zu Zwischenmaterial oder in der Form des endgültigen Formkörpers durch Strangpressen verformt Dabei bilden die Hülsenwerkstoffe eine wabenartige Struktur, in die das Kernmaterial eingelegt ist

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen faserverstärkten Formkörper aus metallisch ummanteltem Kemmaterial herzustellen, bei dem eine gewünschte gleichmäßige Faserverteilung im Materialquerschnitt sowie hinsichtlich der einzelnen Faserabmessungen erzielt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung wird dadurch erreicht, daß die spanlose Verformung durch Kaltziehen erfolgt, wobei das ummantelte Kemmaterial aus einzelnen Rohren besteht in die die Kerne eingebracht

% sind.

Bei Anwendung dieses Verfahrens läßt sich ein faserverstärkter Formkörper mit einer Vielzahl eingebetteter, gerichteter Fasern herstellen, welcher in den bestimmungsgemäßen Einlagerungszonen bzw. im ganzen Querschnitt annähernd gleichen Faserabstand und gleichen Faserdurchmesser aufweist

in der DE-OS 20 15 560 ist bei einem Verfahren zur Herstellung von Metallfäden bzw. zum Formen eines Seiles aus diesen Metallfäden angegeben, das umman-

bo telte Kemmaterial in einem Drahtbündel durch Kaltziehen und Wärmebehandlung zu einer im wesentlichen monolitischen Matrix zu formen, wobei eingebettete Drähte gleichzeitig auf einen fadenförmigen Durchmesser verjüngt werden. Dabei wird kein faserverstärkter Formkörper angestrebt, sondern die eingebetteten Fasern sollen eine gewisse Bewegbarkeit im Sinne eines Seiles aufweisen, bzw. als Zwischenprodukte zur Herstellung ejnes verflochtenen Seiles aus der

Matrix herausgelöst werden. Es findet sich kein Hinweis, daß durch das Kaltziehen besondere Wirkungen hinsichtlich einer gleichmäßigen Paserverteilung bzw. Querschnittausbildung erreicht werden können.

Zu dem vergleichbaren Stande der Technik gehört ferner die DE-PS 6 29310, in der die Herstellung von Draht beschrieben wird. Die ältere Patentschrift erwähnt bei der Herstellung von Drähten mit Präzisionsabmes£ungen und gleichmäßigem Querschnitt die Einbettung der einen genauen Querschnitt aufweisenden Stäbe oder Drähte in ein rohrartiges Umschlußglied bzw. die Einbettung in ein Stahlrohr unter Verwendung von Hartlot-, Schlaglot-, Bronzepulver oder dgL als Matrixmaterial. Aus dein Inhalt der Patentschrift ist aber nicht zu entnehmen, wie bei der Herstellung eines faserverstärkten Formkörper? eine nach Faserabstand und Faserdurchmesser gleichmäßige Verteilung der mit dem Matrixmaterial fest verbundenen Fasern durch Kaltziehen erreicht werden könnte.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann darin bestehen, daß das ummantelte Kernmateriai vor dem Ziehen schraubenförmig verwunden wirci Außerdem kann es zweckmäßig sein, das Verhältnis der Rohrwainddicke zum Kerndurchmesser > 1 zu wählen.

Das beschriebene Verfahren kann vorteilhaft mit einem Matrixmaterial aus Silber und einem Kernmaterial aus an seiner Oberfläche verkupfertem austenitischen Chrom-Nickel-Stahl ausgeführt werden.

Bei einem Herstellungsvorgang nach der Erfindung werden Manteldrähte gebündelt und anschließend unter Querschnittsverringerung durch Ziehen spanlos verformt Das Bündel der Manteldrähte kann ferner vorteilhaft als zusätzliche äußere Ummantelung mit einer dünnen Schicht aus Matrixmaterial in fester Phase, z. B. in Form eines Rohres umgeben werden. Dieser Rohling wird dann durch Ziehen verdichtet Dabei erfolgt einerseits eine metallische Verbindung der Mantelwerkstoffe untereinander sowie mit der zusätzlichen äußeren Ummantelung und gleichzeitig eine Querschnittsverringerung des gesamten Formkörpers und damit auch des eingelegten Kernmaterials. Diese Verformung wird gegebenenfalls mehrfach durchgeführt und so lange fortgesetzt, bis der gewünschte Faserquerschnitt erreicht ist In manchen Fällen kann eine ZwischenglQhung zur Erweichung des Kernmaterials und/oder zur Verschweißung des Matrixmaterials durch Diffusion durchgeführt werden. Der Volumenanteil der Fasern läßt sich bereits bei der Auswahl der Manteldrähte festlegen und kann in weiten Grenzen verändert werden.

Es erscheint ferner zweckmäßig, bei Verwendung einer äußeren Ummantelung aus Matrixmaterial diese Ummantelung derart zu gestalten, daß eine vorgegebene Verteilung der Fasern, beispielsweise eine Häufung in einem ringförmigen Randbereich mit faserfreier äußerer Zone, erreicht wird.

Eine weitere gegebenenfalls zweckmäßige Anwendung des Verfahrens kann darin bestehen, daß in dem Formkörper ein metallischer homogener Kern gebildet wird.

Die Herstellung ist nicht auf zylindrische Körper

beschränkt, sondern es können nach dem angegebenen Verfahren auch rechteckige Formkörper, sowie sonstige Querschnittsformen erzielt werden.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll am Beispiel eines speziellen faserverstärkten Formkörpers näher erläutert werden. Dabei besteht das Matrixmaterial aus Reinsilber, in das als Faserwerlcstoff austenitischer Chrom-Nickel-Stahl eingelagert wird. Ausgangsmaterial der Manteldrähte bildet ein Silberrohr von 10 mm Außendurchmesser und 3,4 mm Wandstärke, dessen innere Oberfläche durch geeignete bekannte Maßnahmen gereinigt wird. In das Silberrohr wird ein Rundkern von 3 mm Durchmesser aus verkupfertem Edelstahl eingebracht Der Volumenanis teil des Edelstahls beträgt etwa 10% des Silbermatrixmaterials. Das Ausgangsmaterial der Manteldrähte wird durch anschließende Querschnittsvermindcrung, z. B. in 10 Ziehvorgängen, auf einen Außendurchinesser von etwa 1 mm gebracht Die Manteldrähte von kreisförmigern Querschnitt und etwa 1 mm Divihschnitt werden gebündelt und in ein dünnwandige? Siiberrohr 5 χ 0,2 mm eingesteckt, welches die zusätzliche äußere Ummantelung bilden solL Dieser Rohling wird in 25 Ziehvorgängen derart verformt, daß schließlich unter Bildung der Fasern ein drahtförmiger Formkörper entsteht, bei dem in das Matrixmaterial Stahlfasern mit einem Durchmesser in der Größenordnung von einigen μΐη eingelagert sind. Dabei wird durch die Bündelung und das Kaltziehverfahren eine nahezu ideale gleichmä-

jo ßige Verteilung der Fasern im Matrixmaterial erreicht Ein solcher Formkörper kann zur Erzielung noch geringeren Faserdurchmessers gegebenenfalls mehrfach in der oben beschriebenen Weise als Bündelbestandteil angeordnet und erneut verformt werden.

In der Zeichnung sind Querschnitte von Formkörpern aus Faserwerlcstoff dargestellt Es zeigen

Fig. 1, 3, 5, 7 und 9 einen Querschnitt durch aus Manteldrähten zusammengesetzte Rohlinge vo;· der Verformung,

Fig.2, 4, 6, 8 und 10 einen Querschnitt durch die

endgültig gestalteten Formkörper gemäß der Erfindung.

In F i g. 1 erkennt man in vergrößerter Darstellung

ein als zusätzliche Ummantelung dienendes Rohr 1 aus

Matrixmaterial, in dessen Innenraum eine Mehrzahl von

Manteldrähten 2 eingelegt ist Der Kern 3 dieser Manteldrähte 2 besteht aus Fasermaterial, während der Mantel 4 das Matrixmaterial enthält

Nach der gemeinsamen Ziehverformung ergibt sich gemäß F i g. 2 ein homogener Formkörper aus Matrixmaterial, in dem die Fasern in Parallellage eingebettet sind.

Die weiteren Fig.3 bis 10 zeigen andere geometrische Anordnungen, wobei in den Fig.5, 6 sowie 9, 10 jeweils Kerne 5 des Fonnkörpers aus Matrixmaterial

,-. oder auch aus anderen gegebenenfalls «och dem Anwendungszweck vorteilhafter. Werkstoffen (z.B. hoher elektrischer Leitfähigkeit) vorhanden sind. Bei den streifenförmif en Formkörpern nach Fi g. 8 und 10 sind die eingebetteten Fasern schichtförmig verteilt

wobei F i g. IC eine Zweischichtenanordnung darstellt

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Hersteilung eines faserverstärkten Formkörpers aus metallisch ummanteltem Kemmaterial, das durch gemeinsame spanlose Verformung unter Bildung einer homogenen Matrix mit einer Vielzahl gerichtet eingebetteter Fasern bis zur Ausbildung' einer festen Verbindung zwischen Fasern und Hüllmatenal verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die spanlose Verformung durch Kaltziehen erfolgt, wobei das ummantelte Kemmaterial aus einzelnen Rohren besteht, in die die Kerne eingebracht sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ummantelte Kemmaterial vor dem Ziehen schraubenförmig verwunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Rohrwanddicke zum Kerndurchmesser > 1 ist

4. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial Silber und das Kemmaterial an seiner Oberfläche verkupferter austenitischer Chrom-Nikkel-Stahl ist

5. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Ummantelung aus Matrixmaterial vorgesehen ist

6. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, däd die äußere Ummantelung derart gestaltet ist, daß eine vorgegeber? Faserverteilung erreicht wird.

7. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Formkörper ein metallischer homogener Kern angeordnet ist

8. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein streifenförmiger Formkörper erzeugt wird, welcher die eingebetteten Fasern in schichtförmiger Verteilung enthalt

9. Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verwendung eines metallisch homogenen Kerns in Verbindung mit einer äußeren Ummantelung aus Matrixmaterial ein streifenförmiger Formkörper gebildet wird, welcher Faserschichten aufweist