DE2137022A1

DE2137022A1 - Faserversttarktes Lagermetall und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2137022A1
Application number: DE19712137022
Authority: DE
Inventors: Kurt Brierley Hill Foreman Frederick Arthur Wolverhampton Barlow John Willenhall Stafford Sachs (Großbritannien)
Original assignee: GKN Group Services Ltd
Current assignee: GKN Group Services Ltd
Priority date: 1970-07-24
Filing date: 1971-07-23
Publication date: 1972-02-10
Also published as: NL7411895A; AU466709B2; JPS5073805A; AU3154771A; BE776686A; IT1059884B; AT312379B; DE2442293A1; ES393607A1; FR2103296A5

Description

"Faserverstärktes Lagermetall und Verfahren zu seiner Herstellung"

Priorität: 24.7.1970, Grossbritannien, Nr. 35932/70 29.7.1970, " Nr. 36652/70 22.9.1970, " Nr. 44972/70

Die Erfindung betrifft ein Lagermetall- bzw. Lagermaterial aus einer mit Fasern verstärkten Metallmatrix und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es sind faserverstärkte Lagermetalle bekannt, die zumindest zu 50 Volumenprozent aus Fasern bestehen. Die Lagerfläche eines Lagerteils aus dem Lagermetall besteht zumindest zur Hauptsache aus den Fasern, während die Metallmatrix ein Bindemittel für die Fasern darstellt.

Aufagbe der Erfindung ist es, ein neues, verbessertes, mit Fasern verstärktes Lagermetall der genannten Art sowie ein neues und bes-

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PATENTANWÄLTE UcZ.; G324C _

• München 23, Clemenistr. W ■ ' ^UK*·

Telefon; 345067

seres Verfahren zur Herstellung dieser Lagermetalle zu schaffen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein faserverstärktes Lagermetall, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Fasern weniger als 50 Volumenprozent des Lagermaterials ausmachen, praktisch vollständig in der Matrix eingebettet und von dieser bedeckt und keine wesentlichen Mengen des Fasermaterials an der Oberfläche eines aus dem Lagermaterial hergestellten Lagerteils vorhanden sind.

Die Fasern machen vorzugsweise 10 bis 25 Volumenprozent des Lager metalls aus. Die Fasern sind vorzugsweise Kohlenstoffasern oder Asbestfasern. Die Fasern können in Form von Flockenmaterial vorliegen, d.h. relativ kurze Fasern darstellen, z.B. als Fasern einer Maximallänge von etwa 12,7 mm. Die Fasern können aber auch relativ lang sein. Beispielsweise sind lange Kohlenstoffasern in Spinnkabeln handelsüblich, bei denen etwa 10 000 Fasern in jedem Kanal vorliegen und die Fasern etwa 10 cm lang sind. Zur Verwendung für die erfindungsgemäßen Zwecke werden Fasern geeigneter Länge vom Spinnkabel abgeschnitten. Die Matrix kann aus Blei, einer Blei-Zinn-Legierung oder aus Silber bestehen. Die Fasern können in einer gewünschten Orientierung angeordnet sein. Das Lagermaterial kann mit einer Hinterfütterung aus Stahlstreifen versehen sein, wobei ein dünnwandiges Lagermaterial gebildet wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Lagermetalls, das dadurch gekennzeichnet ist,

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daß man ein inniges Gemisch aus Verstärkungsfasern und einem Metallsalz einer organischen Säure, das beim Erhitzen unter Bildung des Metalls zersetzt werden kann, unter Bedingungen erhitzt, bei denen das Salz zu feinverteiltem Metall zersetzt wird, und das erhaltene Gemisch unter solchen Temperaturbedingungen komprimiert, daß eine durch die Fasern verstärkte verfestigte Matrix gebildet wird.

Das Erhitzen des Gemisches aus Fasern und Metallsalz wird vorzugsweise in einer reduzierenden oder nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt.

Unter dem Begriff "Metallsalz" wird das Salz eines einzelnen Metalls, aber auch ein Gemisch von Metallsalzen verstanden, wobei im letztgenannten Fall eine Matrix aus einer Legierung erhalten wird.

Das Gemisch aus den zur Verstärkung dienenden Fasern und dem Metallsalz wird vorzugsweise, dadurch erhalten, daß das Metallsalz aus einer Lösung ausgefällt wird, in welcher die Verstärkungsfasern dispergiert.sind.

Die Lösung kann eine Lösung des Metallsalzes darstellen, und das Metallsalz kann bei niedriger Temperatur eine geringere Löslichkeit als bei hoher Temperatur besitzen. In diesem Fall kann das Metallsalz aus der Lösung durch Senkung der Temperatur der Lösung zur Ausfällung gebracht werden.

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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Metallsalz aus einer geeigneten Lösung durch Zugabe einer entsprechenden organischen Säure zu der Lösung ausgefällt werden.

Die Lösung kann.z.B. Bleiacetat enthalten und die organische Säure kann Ameisensäure sein.

Beispielsweise kann das Lagermaterial aus einer Matrix aus Blei bestehen, die mit Kohlenstoffasern verstärkt ist. Die Kohlenstoff- w fasern machen 10 Volumenprozent der Masse aus,und die Fasern sind vollständig in die Matrix eingebettet und von dieser bedeckt, so daß das Fasermaterial an keiner Stelle an der Oberfläche des Lagermaterials freiliegt. Wenn das Lagermaterial zu einem Lagerteil verarbeitet wird, besteht somit die Oberfläche des Lagers, die belastet wird, ausschließlich aus dem Matrixmaterial ,und die Fasern stehen praktisch mit keinem Teil in Berührung, das vom Lager getragen wird.

Das Lagermaterial gemäß der Erfindung kann in jeder gewünschten Form eines glatten Lägers vorliegen. Eine Form eines Lagers ist ein dünnwandiges Lager, bei welchem das Lagermaterial mit einer dünnen Hinterfütterung aus Stahl in Form einer halbzylindrischen Halbkapsel oder in Form einer Lagerschale vorliegt.

Die Hinterfütterung liegt' in üblicher Form vor und ist aus stahl hergestellt, der mit einer im Heißtauchverfahren aufgebrachten Zinnbeschiehtung versehen ist.

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Die Masse kann in jeder gewünschten Weise mit dem Hinterfütterungsstreifen verbunden sein.

Z.-B. kann das Lagermaterial zusammen mit dem Hinterfütterungsstreifen in eine Form gebracht und heiß in die gewünschte fertige Form des Lagerteils gepreßt werden, wobei gleichzeitig die Bindung an den Hinterfütterungsstreifen erfolgt.

Vorzugsweise erfolgt die Herstellung eines Lagerteils durch Heißpressen des Lagermaterials auf den Hinterfütterungsstreifen unter Bildung eines flachen Laminats, worauf das Laminat warm zu einer Lagerschalenhälfte oder Hülse gebogen wird.

In dem geschilderten bestimmten Beispiel handelt es sich um ein Lagermaterial aus einer Bleimatrix mit 10 Volumenprozent Kohlenstoffasern, jedoch kann das Lagermaterial etwa 5 bis 50 Volumenprozent, vorzugsweise 10 bis 25 Volumenprozent Fasern aufweisen. Anstelle von Kohlenstoffasern können Asbestfasern verwendet werden, und die Matrix kann aus Siber oder einer Blei-Zinn-Legierung anstelle von Blei allein bestehen.

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Zwar ist bevorzugt, daß die Fasern vollständig in der Matrix eingebettet sind, jedoch kann auch ein zufriedenstellendes Lager erhalten werden, wenn keine wesentlichen Fasermengen an der Oberfläche vorliegen.

Die Fasern im Lagermaterial können aus Flockenfasermaterial oder aus langen Fasern bestehen.

Die Beispiel erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Es wurden Kohlenstoffasern in einen Behälter gebracht, der eine Lösung von Bleiacetat und ein Netzmittel enthielt. Die Menge der Kohlenstoffasern wurde derart ausgewählt, daß im fertigen Lagermetall 10 Volumenprozent Kohlenstoffasern vorlagen.

Es wurde die zweifache stöchiometrische Menge Ameisensäure zu dem Gemisch gegeben. Hierbei wurde Bleiformiat vollständig ausgefällt. Es wurde gefunden, daß zweckmäßigerweise wenigstens ein Äquivalent freier Ameisensäure am Ende der Ausfällung zurück-, bleibt, um eine schnelle und wirksame Ausfällung zu erzielen.

Der Niederschlag aus' Bleiformiat mit darin dispergierten Kohlenstoffasern wurde anschließend filtriert und getrocknet. Dieses Gemisch wurde danach in einer Wasserstoff-

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atmosphäre auf 28o°C erhitzt, wobei sich das Bleiformiat zersetzte und feinverteiltes Blei ergab.

Das Gemisch aus Kohlenstoffasern und feinverteiltem Blei wurde in eine Preßform gebracht und unter Druck verformt. Das Pressen wurde bei einer Temperatur von 25O⁰C und einem Druck von 15/7 kg/mm durchgeführt. Es wurde gefunden, daß das Pressen vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von 7,85 bis 31*85 kg/mm und bei einer Temperatur im Berei ch von 220 bis 280°C durchgeführt wird, so daß die Preßtemperatur bis auf etwa 300⁰C erhöht werden kann. Je höher die Preßtemperatur liegt, desto niedriger ist der erforderliche Preßdruck. !

Eine Probe des nach diesem Beispiel hergestellten Materials wurde einem Stempel-Seherversuch unterworfen.

Dieser Versuch dient zur Prüfung der Streckgrenze des Materials, das einer Scherbelastung unterworfen ist. Der Versuch wird mit einem Hounsfield-Tensometer durchgeführt. Hierbei wird ein Stahlstempel durch eine Scheibe aus dem Material gedrückt und die Maximalbelastung (p) gemessen. Die Stempel-Scherfestigkeit (S) wird nach der Formel -

S »« ——
TT dt

errechnet, wobei t die Dicke der Scheibe in mm und d der Durchmesser des Stempels in mm ist.

Eine Scheibe aus dem nach dem Beispiel hergestellten Material wurde mit einer Scheibe aus gewöhnlichem Blei in Form von Walzblech

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verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I wiedergegeben. Die Stempel-Scherfestigkeitswerte sind die Mittelwerte von IO Versuchen für ;}edes Material.

Tabelle I

Material

theoretische Stempel-Scherfestig-Dichte keit (N/mnr)

Blei für chemische Zwecke (Walzblech)

Blei + 10 Vol.-Ji kurze Kohlenstoffasern

100

13,2

Beispiel 2

Kohlenstoffasern wurden in einen Behälter eingetragen, der eine 100°C heiße gesättigte Lösung von Bleiformiat enthielt. Die Bleiformiatlösung wurde in üblicher Weise hergestellt. Die Menge der Kohlenstoffasern wurde derart ausgewählt, daß im fertigen Lagermetall 10 Volumprozent Kohlenstoffasern vorlagen. Die Lösung wurde danach auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, wobei das Bleiformiat ausgefällt wurde.

Die weitere Verarbeitung erfolgte gemäß Beispiel 1.

Gegebenenfalls können in .den genannten Verfahren anstelle von Kohlenstoffasern Fadenkristalle von Siliciumkarbid, Siliciumnitrid, Bor, Bornitrid, Siliciumdioxidfasern, Asbestfasern und andere geeignete Verstärkungsfasern bzw. Fadenkristalle verwendet werden.

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Die Matrix kann auch aus anderen Metallen, wie Kobalt, Kupfer, Eisen, Zink, Nickel, Wismut, Cadmium, Silber oder Gold oder deren ' Legierungen, bestehen.

Wejin die Masse ein Lagermetall darstellt, können Kohlenstofffasern oder Asbestfasern in einer Matrix aus Blei oder Silber verwendet werden.

Die Metalle können aus den entsprechenden Forrniaten, Oxalaten oder Tartraten hergestellt werden. Im Fall von Silber besteht bei der Verwendung bestimmter Salze mit organischen Säuren Explosionsgefahr. In diesem Fall sind das Lactat und das Ta.i-lra.t bevorzugt, während im Fall von Zink auch das Lactat verwendet werden kann.

Es wurde gefunden, daß bestimmte der genannten Metalle, wenn sie aus bestimmten Verbindungen hergestellt worden sind, pyrophor sind, was z.B. bei Blei der Fall ist, wenn es aus Bleitartrat herge-' stellt wird und bei Kobalt, wenn es aus Kobaltoxalat hergestellt wird. In derartigen Fällen ist es erforderlich, angemessene Vorsichtsmaßregeln zu treffen, was dadurch geschehen kann, daß das Pressen in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, z.B. in einer Argonatmosphäre. ' '

Das Lagermaterial kann auch nach anderen als den beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Z.B. kann im Fall einer Matrix aus einer Legierung aus Blei und Zinn eine Bleimatrix zuerst nach dem obengenannten Verfahren hergestellt werden^ die anschließend galvanisch mit Zinn unter Bildung der Legierung überzogen wird» Gegebenenfalls kann zusätzlich eine Metalldiffusion durchgeführt werden.

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Auch im Pall der Verwendung langer Kohlenstoffasern kann das Lagerraaterial durch galvanisches Aufbringen der Matrix, z.B. von Blei, auf lange Kohlenstoffasern, die auf einem Kathodenrahmen des Elektrolytbades im wesentlichen parallel und im Abstand zu einander angeordnet sind, und anschließendes Verfestigen in der genannten Weise hergestellt werden. In diesem Fall kann eine Orientierung der Fasern dadurch erreicht werden, daß die beschichteten Fasern in geeigneter Weise in der verfestigten Form in der gewünschten Orientierung aufgeschichtet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Faserverstärktes Lagermetall, dadurch gekennzeichnet , daß die Fasern weniger als 50 Volumenprozent des Lagermaterials ausmachen, praktisch vollständig in der Matrix eingebettet und von dieser bedeckt und keine wesentlichen Mengen des Fasermaterials an der Oberfläche eines aus dem Lagermaterial hergestellten Lagerteils vorhanden sind.

2. Lagermetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern 10 bis 25 Volumenprozent des Lagermaterials ausmachen.

5. Lagermetall nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Kohlenstoffasern sind.

4. Lagermetall nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern Asbestfasern sind.

5. Lagermetall nach einem der Ansprüche-1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in Form von Flockenmaterial vorliegen.

6. Lagermetall nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus relativ langen Kohlenstofffasern bestehen.

7. Lagermetall nach einem der Ansprüche 1 bis 6» dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Blei_s einer Blei-Zinn-Legierung oder aus Silber besteht.

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8. Lagermetall nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in einer gewünschten Orientierung angeordnet sind.

9. Verfahren zur Herstellung des faserverstärkten Lagermetalls nach Anspruch 1-bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man ein inniges Gemisch aus Verstarkungsfasern und einem Metallsalz einer organischen Säure, das beim Erhitzen unter Bildung des Metalls zersetzt werden kann, unter Bedingungen erhitzt, bei denen das Salz zu

■ feinverteiltem Metall zersetzt wird, und das erhaltene Gemisch unter solchen Temperaturbedingungen komprimiert, daß eine durch die Pasern verstärkte verfestigte Matrix erhalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch g_t dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen des Gemisches aus Pasern und dem Metallsalz in einer reduzierenden oder nicht-oxidierenden Atmosphäre durchführt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch von Metallsalzen verwendet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis H, dadurch gekenn-

zeichnet, daß man das Gemisch aus den Pasern und dem Metallsalz durch Ausfällen des Metallsalzes aus einer Lösung, in welcher die Pasern dispergiert sind, herstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lösung eines Metallsalzes verwendet, das eine Löslichkeit besitzt, die bei niedriger Temperatur geringer als bei höherer Temperatur ist, und das Metallsalz aus der Lösung durch Senkung der Temperatur der Lösung ausfällt.

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Ik. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallsalz aus der Lösung durch Zugabe einer entsprechenden organischen Säure ausfällt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9· bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pasern Kohlenstoffasern, Asbestfasern, spitze Kristalle aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxidfasern, SiIiciumnitridfasern, Borfasern oder Bornitridfasern verwendet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix aus Blei, Kobalt, Kupfer, Zink, Silber, Gold, Nickel, Wismut oder Cadmium oder-aus deren Legierungen herstellt.

17· Verfahren nach Anspruch 9 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß man als Pasern Kohlenstoffasern oder Asbestfasern verwendet und die Matrix aus Blei oder Silber herstellt«,

18. Verfahren nach Anspruch 9 bis 15* dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix aus einer Blei-Zinn-Legierung durch galvanisches Aufbringen von Zinn auf eine nach Anspruch 10 bis l6 hergestellte Bietmatrix herstellt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metallsals einer organischen Säure ein Formiat* Oxalat oder Tartrat verwendet»

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnetp daß man als Metallsalz einer organischen Säure Silberlactat, Silbertartrat oder Zinklactat verwendet.

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21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15.» dadurch gekennzeichnet, daß man die Matrix aus Blei herstellt, das Gemisch aus Fasern^vund dem Bleisalz einer organischen Säure auf eine Temperatur von 200 bis 280°C erhitzt und bei einer Temperatur in diesem

ο Bereich und einem Druck von 7*85 bis 31*5 kg/mm verpreßt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß man das feinverteilte, durch Zersetzung des Metallsalzes der organischen Säure hergestellte Metall, sofern es pyrophor ist, bei der Bildung des Gemisches unter nicht-oxidierenden Bedingungen verarbeitet.

23- Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch in einer Inertgasatmosphäre verarbeitet.

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