DE2118848B2 - ROTATIONAL SYMMETRIC, HOLLOW COMPOSITE BODY AND PROCESS FOR ITS PRODUCTION - Google Patents

ROTATIONAL SYMMETRIC, HOLLOW COMPOSITE BODY AND PROCESS FOR ITS PRODUCTION

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DE2118848B2 DE19712118848 DE2118848A DE2118848B2 DE 2118848 B2 DE2118848 B2 DE 2118848B2 DE 19712118848 DE19712118848 DE 19712118848 DE 2118848 A DE2118848 A DE 2118848A DE 2118848 B2 DE2118848 B2 DE 2118848B2
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Description

Dichte im von der Fliehkraft besonders belasteten äußeren Teil des Rotationskörpers vorliegt: dieses ist dadurch erreicht, daß ein Verbundwerkstoff, wie er bereits oben genannt ist. die äußere Schicht bildet.Density is present in the outer part of the body of revolution that is particularly stressed by the centrifugal force: this is achieved in that a composite material like him is already mentioned above. forms the outer layer.

Diesem äußeren Teil des Verbundkörper ist ein zweiter, innerer Teil fugenlos eingebracht, der aus reinem Metall besteht und somit erheblich höhere axiale Zugspannungen aufnehmen kann als die Schicht aus Verbundmaterial, deren Fasern im wesentlichen in tangentialer Richtung verlaufen müssen. Hierbei nehmen bei hoher Drehzahl die Fasern die Zcntrifugallast der inneren Schicht auf. die sich hierbei eng an die äußere anlegt und dadurch bei Biegeschwingungen die äußere Schicht stützt. Bei axialen Zugspannungen stützt die irnere Schicht die äußere und verhindert deren Dehnung über die Schadensgrenze hinaus, wobei durch das enge Anliegen der beiden Schkhlen eine sichere Verbindung zwischen ihnen .vwährleistet :--t.To this outer part of the composite body, a second, inner part is seamlessly incorporated, which consists of pure metal and can thus absorb considerably higher axial tensile stresses than the layer of composite material, the fibers of which must run essentially in a tangential direction. At high speed, the fibers absorb the centrifugal load of the inner layer. which is in close contact with the outer layer and thus supports the outer layer in the event of flexural vibrations. In the case of axial tensile stresses, the inner layer supports the outer layer and prevents it from stretching beyond the damage limit, whereby the close fit of the two cavities ensures a secure connection between them : --t.

Um aber auch be. niedrigen Drehzahlen ein Verschieben der inneren Schicht gegenüber der äußeren 7u \ erhindern, empfiehlt es sich. zwischen beiden Schichten eine radiale Vorspannung \orzjsehen. d. h. die äußere Schicht auf die inner aufzuschrumpfen. Da man sich hierzu gewöhnlich thermischer Verfahren bedient. Ment die Erfindung weiterhin vor. fur die innere Schicht ein Metall zu verwenden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich groß oder größer ist als der des Matnxmetalls der äußeren Schicht. Kommt es nämlich bei dem Ineina.iderbringen der beiden hohlzvlindrischen Schichten zu einem Wärmeausgleich, dann wird sich beim Abkühlen die innere Schicht nicht weniger verkürzen als die äußere. es wird also von vornherein ein schädliches axiales Vorspannen der äußeren Schicht verhindert. Ein Nachlassen der radialen Vorspannung wird hierbei auch bei geringer Drehzahl durch die au·· der Fliehkraft resultierende Andruckkraft ausgeglichen.But to also be. low speeds a shift the inner layer versus the outer 7u \ alleviate, it is advisable. between the two Layers show a radial prestress. d. H. Shrink the outer layer onto the inner. Since this is usually done using thermal processes served. Ment continued the invention. for the inner layer to use a metal whose coefficient of thermal expansion is equal to or greater is than that of the matnxmetals of the outer layer. If it comes to bringing the two hollow-cylindrical layers to a heat balance, then when it cools down the inner Shorten the layer no less than the outer one. so it becomes a harmful axial from the start Pre-tensioning the outer layer prevented. A decrease in the radial preload is achieved here even at low speed due to the centrifugal force resulting pressure force balanced.

A1S Material dient für die innere Schicht eines der Metalle, wie es als Matrix der äußeren Schicht dieni. Hierdurch, insbesondere aber bei Verwendung des gleichen Materials für Martix und innere Schicht, ergibt sich der Vorteil, daß insbesondere durch thermische Behandlung eine innige Verbindung /wischen äußerer und innerer Schicht hergestellt wird, wodurch Ablosungserscheinungen verhindert werden.A 1 S material is used for the inner layer of one of the metals as it serves as the matrix of the outer layer. This, but especially when using the same material for the matrix and inner layer, has the advantage that an intimate connection / between the outer and inner layer is created, in particular through thermal treatment, which prevents any signs of detachment.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der erfindungsgemäße Verbundkörper durch Schleudergießen hergestellt, wobei das zu vergießende Metall mit Hilfe eines rotierenden oder feststehenden. in der Achse einer rotierenden Kokille liegenden Gießvorrichtung auf die an der Kokilleninnenwand liegenden endlosen Fasern. Stapelfasern oder Fasermatten gegossen wird und wobei anschließend auch die mit dem Matrixmeiall getränkte faserverstärkte Schicht eine zweite Schicht aus einem Metall aufgegossen wird, das einen gleich großen oder größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Matrixmetall besitzt, indem die Rotation der Kokille so lange aufrechterhalten wird, bis sich das Metall der inneren Schicht verfestigt hat. Es ermöglicht dieses Verfahren, die Fasern in der Gußtrommel in optimaler Weise anzuordnen und dann anschließend das Matrixmetall lunkerfrei und mit gleichmäßiger Schichtdicke auf die Fasern aufzutragen.In a further embodiment of the invention, the composite body according to the invention is through Centrifugal casting is made, with the metal to be cast using a rotating or stationary. Lying in the axis of a rotating mold casting device on the inside wall of the mold lying endless fibers. Staple fibers or fiber mats is poured and then the fiber-reinforced layer impregnated with the matrix metal is also a second layer made of a metal is poured, which has an equal or greater coefficient of thermal expansion than that Matrix metal possesses by the rotation of the mold is maintained until the metal of the inner layer has solidified. It makes this possible Method of arranging the fibers in the casting drum in an optimal way and then subsequently that Apply matrix metal to the fibers without voids and with an even layer thickness.

Während das Metall der inneren Schicht aufgetragen wird, ist das Matrixmetall bereits so weit erstarrt, daß es zwar noch die Bildung einer Diffusionszone zwischen den beiden Schichten gestattet, aber dem Druck der erkaltenden und sich verkürzenden inneren "schicht standhält, so daß sich in axialer Richtung in der äußeren Schicht eine hohe Druckspannung, in der inneren Schicht eine hohe Zugspannung ausbildet. Die Größenordnung dieser Spannung ist von Gkßacschwindigkeit. Art der Schmelzen. Material der Kokillenwand und von deren Dicke abhängig und über diese genannten Einflußgroßen derart beherrschbar, daß eine so große Vorspannung, gewählt werden kann, die bei Transversalauslenkungen des fertiger, Gußkörpers in der äußeren Schicht um Druck-Schwellspannungen, in der inneren Schicht nur Zug-Schwellspannungen aufkommen läßt. Es ist hiermit nicht nur das Erreichen schädlicher Zugspannung in der äußeren Schicht \ erhindert, es entfällt darüber hinaus die besonders schnell zu Dauorschäden führende Wechselbcanspruchung. in beiden Schichten. Um radiale Vorspanningen in günstiger Richtung zu erhalten, wird die schnelle Rotation der Kokille bis zum endgültigen Erkalten der inneren Schicht weitergeführt, wobei diese Schicht in Kraftrichtung verfestigt, also radial nach außen plastisch verformt und gegen die äußere Schicht gepreßt wird, so daß nach dem Erkalten in radialer Richtung ein Spannungszustand geschaffen wird, wie er sich sonst erst bei höherer Drehzahl des kragen Gußkörpers einstellen würde. Hier werden nicht nur Ablösungserscheinungen verhindert, die bei z.B. Torsionsschwingungen auftreten würden, sondern auch Einstülpungen bei transversalen Ablenkungen des langsam umlaufenden GuCkörpers und Umwandeln aller auftretenden radialen Wechselspannungen.While the metal of the inner layer is being applied, the matrix metal has already solidified to the point that that it still allows the formation of a diffusion zone between the two layers, but that Pressure of the cooling and shortening inner "layer withstands, so that in the axial direction high compressive stress in the outer layer and high tensile stress in the inner layer. The order of magnitude of this tension is speed. Type of melting. material the mold wall and its thickness depends and can be controlled using these influencing variables in such a way that such a large preload is selected can be that in the case of transverse deflections of the finished, cast body in the outer layer Pressure surge tensions, in the inner layer only allows tension threshold voltages to arise. This is not just about achieving harmful tensile stress in the outer layer \ reduced, it is omitted In addition, alternate claims, which can quickly lead to permanent damage. in both Layers. To get radial preloads in a favorable direction, the rapid rotation of the Mold continued until the inner layer has finally cooled, this layer in the direction of force solidified, i.e. plastically deformed radially outwards and pressed against the outer layer, so that after cooling in the radial direction a state of tension is created, as it would otherwise only at a higher speed of the collar cast body would hire. This not only prevents the detachment phenomena caused by e.g. torsional vibrations would occur, but also invaginations in the case of transverse deflections of the slow rotating GuCkörpers and converting all occurring radial alternating voltages.

Es ist bei Anwendung des genannten Verfahrens vorteilhaft, in die Gußtrommel vor dem Gießen ein mit Faserwerkstoff belegtes und aus Matrixmaterial bestehendes Gerüst einzubringen. Hierdurch können die Fasern in dem späteren Spannungsverlauf entsprechenden Mustern angeordnet und während des Anfahreiis der Gußtrommel in ihrer Stellung festgehalten werden, bis Fliehkraft und flüssiges Matrixmaterial ein Verrutschen der Fasern verhindern: das Traggerüst wird dann mit dem Matrixmaterial homogen verschmolzen.When using the method mentioned, it is advantageous to insert it into the casting drum before casting to introduce a framework covered with fiber material and consisting of matrix material. This allows the fibers arranged in the later stress curve corresponding patterns and during the Start up the casting drum and hold it in place until centrifugal force and liquid matrix material Prevent the fibers from slipping: the supporting structure then becomes homogeneous with the matrix material merged.

Claims (2)

sen Anforderungen ein faserverstärkter Werkstoff Patentansprüche: entspricht, bei dem Wolfram. Beryllium. Bor. Kohlenstoff oder Siliziumkarbid als Faserwerkstoff Ver-sen requirements a fiber-reinforced material patent claims: corresponds to the tungsten. Beryllium. Boron, carbon or silicon carbide as fiber material 1. Rotationssymmetrischer, hohler Verbund- wendung findet, während als Matrix Metalle auf Nikkörper. bestehend aus zwei ebenfalls rotations- 5 kel-. Kobalt-. Titan- oder Aluminiumbasis dienen symmetrischen, ineinander angeordneten fugenlos (VDI-Zeitsehrift 112. 1970. 20. S. 1390 bis 1392).
ineinander übergehenden Schichten, ge kenn- Da ein derartiger faserverstärkter Werkstoff seine zeichnet diTrch die Kombination" folgender hohe Festigkeit nur bei Zugbelastung in Faserrich-Merkmale: tung beibehält, bei Druckbelastung in Faserrichtung1. Rotationally symmetrical, hollow composite is used, while metals on Nik bodies are used as a matrix. consisting of two also rotational 5 kel. Cobalt-. Titanium or aluminum bases serve symmetrical, seamlessly arranged one inside the other (VDI-Zeitsehrift 112, 1970. 20. S. 1390 to 1392).
Because such a fiber-reinforced material is characterized by the combination of "the following high strength only when subjected to tensile stress in the fiber direction, it maintains the following layers χ rv · cuii. L ■ ι- j 10 aber nur etwa die Festiokeitswerte seines Matrixma-χ rvcuii. L ■ ι- j 10 but only about the festival values of its matrix measure a) Die innere Schicht besteht im wesentlichen . . ,,--7I1: \ u, r- ■ ,a) The inner layer consists essentially. . ,, - 7I 1 : \ u, r- ■, ..,.■, , , iena s und bei Zugbelastung senkrecht zur Faserrich-..,. ■,,, iena s and with tensile load perpendicular to the fiber direction aus Nietal, insbesondere aus Legierungen - einmaf diese erreicht, war ein derartigerfrom rivet, especially from alloys - once achieved this was such a thing umbis's " faserverstärkter Werkstoff bisher nicht geeignet. d,eumbis's "fiber-reinforced material not yet suitable. d, e , ,·' .. λ' c L- ι, u ι ■ τ- in einem mit sehr hoher Drehzahl umlaufenden,, · '.. λ' c L- ι, u ι ■ τ- in a rotating at a very high speed b) die äußere Schicht besteht aus einem Faser- ,,,,.. , . „■ . ,b) the outer layer consists of a fiber ,,,, ..,. "■. , , ,, . , , ... ., n l5 Höh korper entstehenden W ech^lspannungen au:zu-, ,,. ,, ...., n l5 alternating stresses arising from the height of the body werkstotf. insbesondere aus Wolfram-, Be- h Werkstotf. h, in particular from tungsten, aeration rvllium-. Stahl-. Bor-, Kohlenstoff- oder SiIi- ^hmen.rvllium-. Stole-. Boron, carbon or silicon. , ,j,. ι- ι · ι ι τ- ii Zu einem sehne 1 rotierenden Hohlkörper mu- cn,, j ,. ι- ι · ι ι τ- ii to a tendon 1 rotating hollow body mu- cn -/lümkarbidUisern. die ak eewickelte Endlos- ,. ,- ■ · , η- ι. ι Κ j-- / lümkarbidUisern. the ak eevelelte endless,. , - ■ ·, η- ι. ι Κ j- , c, ... .- , ,- ., die Fasern in tan^entialer Richtung verlaufen, um die, c , ... .-,, -., the fibers run in the tan ^ ential direction, around the tasern. als Stapellasern oecr als Pasermatten _.. , , -, , . , ~ ,■ , -7 taser. as staple lasers oecr as fiber mats _ ..,, -,,. , ~ , ■, - 7 , . , u ■ i- r- · ι aus der Fliehkraft resultierenden taneentialen Zu·;-,. , u ■ i- r- · ι taneentialen Zu ·; - resulting from the centrifugal force ansieordnet sind, wobei die Furien /wischen , , . , ~, , ,.are arranged, with the furies / wipe,,. , ~,,, . , ~ · , r- . ~- , 20 Spannungen aufzunehmen, es wirken daher alle aus, ~ ·, R-. ~ - to absorb 20 voltages, so they all have an effect den einzelnen Fasern mit einem der unter _r ~ ,' . , ■ , c the individual fibers with one of the below _r ~, '. , ■, c la) «nannten Metalle vergossen sind. Transversalschwingungen resultierenden Spannungenla) «are cast. Tensions resulting from transverse vibrations c» de/Wärmeausdehnungskoeffizient des rei- Sinkricht ™m Jase k ncr!a":; h:erxon ^ dcn ?ruck-c »de / coefficient of thermal expansion of the rei- Sinkricht ™ m J ase k ncr! a ":; h: erxon ^ dcn ? ruck - r. r, >ΐ,>·,π ι~ ■ „ „ . r, „ ς -hi ^, , , ,ι^,-i, spannunccn dadurch zu beaeanen. dab uie hadernr. r,>ΐ,> ·, π ι ~ ■ "". r , „ς -hi ^,,,, ι ^, - i, tension thereby beaeanen. you are struggling nen »letalls der inneren Schicht ist bleich ' - , - .~Nothing of the inner layer is pale -, -. ~ ,, , ..p , . , \. , ■ ~ η dicht aufeinanderliesen und sich eeeenseitie stutzen,,,, ..p,. , \. , ■ ~ η lie close to each other and cut each other nrob ouer aroßer ak der des Matrixmeialls ^. ' , ~ ■ . , " - x, ,nrob ouer aroßer ak der des Matrixmeialls ^. ', ~ ■. , "- x,, -. f ",-ι, ο ,ei- u. 25 Die Druckspannurie wird also vom Mainxmaten.il-. f ", -ι, ο, ei- u. 2 5 The pressure tension is therefore from Mainxmaten.il der faserverstärkten äußeren Schicht. , _K .- .. . . , ,.the fiber reinforced outer layer. , _ K .- ... . ,,. und vom Faserwerkstott aufgenommen. Anders hegtand taken up by the fiber factory. Cherishes differently 2. Verfahren zur Herstellung eines rotation·^- der Fall bei Zugspannungen: Hier wird der feste symmetrischen Verbundkörper nach Anspruch 1 Verband der Fasern auseinandergedehnt, so daß die durch Schleudergießen, wobei das zu vergießende Spannuns nur noch vom zwischen den Fasern beMetall mit HiIu eines rotierenden oder festste- 30 findlichen Matrixmaterial aufgenommen werden henden. in der Ach^e einer rotierenden Kokille kann, da die Fasern selbst spannungsfrei bleiben, liegenden Gießvorrichtung auf die an der Kokil- Man muli also entweder auf die Fasern völlig verleninnenwand liegenden endlosen Fasern. Stapel- ziehten, das Fasernmaterial durch achsparallele Kettfasern oder Fasermatten «egossen wird und wo- fäden belasten oder Dauerbrüche in K'uf nehmen,
bei anschließend auf die mit dem Matrixmetall 35 Zu; Herstellung rotationssymmetrischer Verbund getränkte faserverstärkte Schicht eine /weite körper ist es bekannt. Glas-Stapelfasern. Giasmatten Schicht aus einem Metall aufgegossen wird, das oder Glasgewebe in eine rotierende Schleuderform einen gieich großen oder größeren Wärmeaus- einzubringen und auf diesen Fasenverkstoff im dcinuniiskoeffizienten als das Matrixmetall be- Schleudergußverfahren einen flüssigen Kunststoff sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation 4= aufzubringen (Becker. Schmitz. Weber: der Kokille so lange aufrechterhalten wird, bis »Das Schleudergießen von Kunststoffen . C. Hansasich das Metall der inneren Schicht verfestigt hat. Verlag. München I95R. S. 58 bis 71).2. Process for producing a rotation · ^ - the case with tensile stresses: Here the solid symmetrical composite body according to claim 1 association of fibers is stretched apart, so that the by centrifugal casting, the stress to be cast only from between the fibers beMetall mit HiIu one rotating or fixed matrix material are included. in Oh ^ e a rotating mold, since the fibers themselves subject to stress, the casting apparatus lying on the ingot mold on the one muli ie either on the fibers completely Verl inner wall lying endless fibers. Staple-drawn, the fiber material is poured through axially parallel warp fibers or fiber mats and loads the threads or causes fatigue breaks in K'uf,
at then on with the matrix metal 35 to; It is known to produce a rotationally symmetrical composite of an impregnated fiber-reinforced layer a / wide body. Glass staple fibers. A layer of a metal is poured onto the glass mat or glass fabric in a rotating centrifugal mold to bring in an equal or greater heat output and to apply a liquid plastic to this fiber material in the dcinunis coefficient as the matrix metal. Becker, Schmitz, Weber: the mold is maintained until "The centrifugal casting of plastics. C. Hansasich has solidified the metal of the inner layer. Verlag. Munich I95R. Pp. 58 to 71). Aufgabe der Erfindung ist es. einen rotationssym-It is the object of the invention. a rotationally symmetrical metrischen Hohlkörper zu finden, dessen Material ei-to find metric hollow bodies, the material of which Λ5 ncrscits einen möglichst hohen Quotienten der Zugfestigkeit zur Dichte aufweist, der andererseits axia-Λ5 ncrscits as high a quotient of tensile strength as possible to the density, which on the other hand axially Die Erfind ng bezieht sich auf einen rotationssym- len Zugspannungen, wie sie aus Transver. alschwinmetrischen, hohlen Verbundkörper, bestehend aus gungen resultieren, gewachsen ist.
zwei ebenfalls rotationssymmetrischen, ineinander Zur l.ösune der Aufgabe wird erfindungsgemäß angeordneten fugenlos ineinander übergehenden 50 die Kombination folgender Merkmale vor^eschlaaen: Schichten und ein Verfahren zu seiner Herstellung a) Die inncrc Sch-cht bestcht im wesentlichen^au.sThe invention relates to a rotationally symmetrical tensile stress, as it is from Transver. alschwinmetrischen, hollow composite body, consisting of gung resulting, has grown.
two likewise rotationally symmetrical, one inside the other. In order to solve the problem, according to the invention, the combination of the following features is proposed: Layers and a method for their production a) The inner layer is essentially impressive Rotationssv mmetr.schc. hohle, sehr schnell anlau- Meta„ insbesondcrc aus Lc»icruneen auf Nik-Rotationssv mmetr.schc. hollow, very fast starting meta " especially from L c» icruneen on Nik- fende Maschinenteile, w.c z.B. die Schleudertrom- kel-. Titan-, Kobalt-oder Aluminiumbasis,fending machine parts, e.g. the centrifugal drum. Titanium, cobalt or aluminum base, mein von Gaszentrifugenanlagen, untcrhcaen ver- , ( _. .. . _. . . . , , . r.mine from gas centrifuge systems, untcrhcaen ver, ( _. ... _....,,. r . schicdenartieen Beanspruchungen. Zunächst ercibt 55 b) ".c äußere Schicht besteht aus einem Paser-schicdenartieen stresses. First of all, 55 b) ".c outer layer consists of a fiber sich auf Grund der hohen Fliehkraft in der VVa;idunC werkstof insbesondere aus Wolfram- Beryl-due to the high centrifugal force in the VVa; idun C material in particular made of tungsten beryl des Maschinenteils eine hohe Zugspannung die tan"- Γ^^1"· Jor-· Kohlcnsl- f ^e, S.l.z.um-of the machine part a high tensile stress tan "- Γ ^^ 1 " · J or - · Kohlcnsl - f ^ e, Slzum- cential in der Rotationsebene auftritt. Die^se im we- karbidfasern, die als gewickelte Endlosfasern,cential occurs in the plane of rotation. These in the we-carbide fibers, which as wound continuous fibers, sentlichen statische SpannunK wird von weiteren os- als Stapelfasern oder als Fasermatten angeord-sentlichen static Spannun K is angeord- further os- as staple fibers or as fiber mats zillierenden Spannungen überlaecrt, die aus Biege- 60 net s'nd- wobci die Fu§en mischen den c.nzel-zillierenden voltages überlaecrt consisting of bending 60 net s' nd - wobci the Fu § en mix the c.nzel- schwingungcn längs der Achse des Körpers folgen. "f ^asern nllt einem der unler (a) Branntenvibrations follow along the axis of the body. "F ^ asern nllt one of the unler ( a ) distillers Die resultierenden oszillierenden Spannungen erge- Metalle vergossen sind.The resulting oscillating stresses er- metals are cast. bcn Wechselbeanspruchungen, die zu alsbaldigcm c> Der Wärmeausdehnungskoeffizient des reinenbcn alternating stresses that lead to soon cm c > The coefficient of thermal expansion of the pure Dauerbruch führen. " ^ Metalls der inneren Schicht ist gleich groß oderCause fatigue failure. "^ Metal of the inner layer is equal to or Wenn die auftretenden Fliehkräfte sehr hoch wer- 65 größer als der des MatrixmetaHs der faserver-If the centrifugal forces that occur are very high than that of the matrix metal of the fiber-reinforced den, muß der Quotient der Zugfestigkeit zur Dichte stä-ktcn äußeren Schicht.The quotient of the tensile strength to the density must strengthen the outer layer. im Material des Maschinenteils einen möglichst ho- Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß einin the material of the machine part as high as possible. The advantages of the invention are that a hen Wort .innehmen. Hierbei ist es bekannt, daß die- besonders hoher Quotient der Zugfestigkeit zur take a word. It is known that the particularly high quotient of the tensile strength to
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Legal Events

Date Code Title Description
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
E77 Valid patent as to the heymanns-index 1977
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NUERNBERG AG, 8000

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