DE2147735A1

DE2147735A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden oder halbzeug aus verbundwerkstoffen mit metallischer matrix und mit verstaerkungseinlagerungen

Info

Publication number: DE2147735A1
Application number: DE19712147735
Authority: DE
Inventors: Sigmar Dipl Ing Janes; Kurt Neumann; Joachim Dipl Chem Dr Nixdorf; Kurt Dipl Ing Stade
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1971-09-24
Filing date: 1971-09-24
Publication date: 1973-03-29
Also published as: DE2147735B2; DE2147735C3

Description

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen oder Halbzeug aus Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix und mit Verstärkungseinlagerungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen oder Gegenständen mit zumindest stellenweise eingelagerten Verstärkungsmaterialien in Form von Drähten, Fäden, Fasern, Bändern oder Folien, wobei die mit Metall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf ein Formteil, beispielsweise auf einen Wickelkörper oder auf eine metallische, mit den beschichteten Verstärkungsmaterialien zu verbindende Unterlage angeordnet werden.
Faser- oder fadenverstärkte Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix sind bekannt und haben in letzter Zeit wegen ihrer besonderen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Zur Herstellung derartiger Werkstoffe werden Verfahren benötigt, durch die in geeigneter Weise eine Einlagerung der Verstärkungsmaterialien erreicht und das entsprechende Halbzeug - beispielsweise in Form von Platten, Rohren und dergleichen - geformt werden kann.
Werden Fäden oder Drähte, also kontinuierliche Materialien, als Verstärkungseinlage verwendet, so geht man in der Regel von den aus der Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffen bekannten Verfahren aus und wickelt kontinuierlich mit Matrixmaterial beschichtete Drähte oder Fäden nach dem sogenannten Filament-Winding-Verfahren zu rotations- oder axialsymmetrischen Formteilen. Die beschichteten Fäden oder Drähte können auch geschnitten und in die Metallmatrix eingelagert werden. In beiden Fällen müssen die Matrixmetalle bzw. die bletallhüllen der Fäden so miteinander verbunden werden, daß sie eine zusammenhängende Matrix ergeben. Für diese Herstellungsstufe sind das Drucksintern, das Warmwalzen und Verdichten, das Strangpressen sowie das Ausgießen eines vorgefertigten Verstärkungsskelettes mit dem Matrix metall bekannt.
Jedes der genannten Verfahren zeigt charakteristische Merkmale, durch die die Grenzen der Anwendbarkeit festgelegt sind Beispielsweise treten durch Einwirkung hoher Temperaturen chemische Reaktionen und Diffusionsprozesse zwischen Einlagerungs- und Natrixmaterial auf, so daß die zu verbindenden Materialien nicht auf die zum Versintern notwendige hohe Temperatur für eine ausreichende Zeitspanne gebracht werden dürfen. Hinzu kommt, daß beim Arbeiten in sauerstoffhaltiger Atmosphäre die Grenzflächen der Metallmatrix mit Oxidhäuten überzogen werden, die eine einwandfreie Versinterung verhindern; wegen apparativer Schwierigkeiten kann der Beschichtungsprozeß oft nicht in sauerstoffreier Atmosphäre - in Inertgas oder im Hochvakuum - durchgeführt werden.
Bei hohen Temperaturen und ausreichender Einwirkungsdauer ergeben sich noch weitere unerwünschte Nebenwirkungen, die die Eigenschaften des fertigen Gegenstandes oder Verbundwerkstoffes ungünstig beeinflussen. Verwendet man bei spielsweise kaitgezogene Stahldrähte als Verstärkungsmaterialien, so wird zusätzlich eine unerwünschte Festigkeitsminderung aufgrund der fortschreitenden, für die Festigkeit der kaltverfestigten Drähte nachteiligen Rekristallisation der Drähte eintreten.
Es ist daher notwendig, zur Vermeidung oder zumindest Verringerung der unerwünschten temperaturabhängigen Reaktionen die Arbeitstemperatur auf etwa den halben Wert der Schmelztemperatur des Matrixmetalles zu begrenzen und mit entsprechend hohen Drücken die Versinterung des Matrixmaterials zu erzielen. Dabei muß - beispielsweise mit Hilfe von Druckwalzen - stets eine Verformung der Matrixschichten erreicht werden, damit die Oxidhäute aufreißen und dadurch eine Verbindung der oxidfreien Schichten erfolgen kann. Die Anwendung solcher Druckverfahren ist jedoch nicht möglich, wenn Fasern, Fäden, Drähte u.a. aus empfindlichen Materialien, wie Kohlenstoff, Bor, aus manchen Oxiden oder aus intermetallischen Verbindungen, wenig duktilen Metallen und Legierungen usw in die metallische Matrix eingelagert werden sollen.
Es hat sich nun herausgestellt, daß die geschilderten Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren vermieden werden, wenn gemäß der Erfindung das Matrixmetall nach Art des Widerstandsschweißens durch direkten Stromdurchgang kurzzeitig bis zum Aufschmelzen an den gegenseitigen Berührungsstellen erhitzt wird. Überraschenderweise treten nämlich bei dem Widerstandsschweißen trotz der hohen Temperaturen nicht die zu erwartenden unerwünschten Reaktionen auf, weil vermutlich die hohen Temperaturen, die zum Schmelzen des Matrixmaterials führen, im wesentlichen auf die Grenzflächen zwischen den Metallen der beschichteten Verstärkungsmaterialien örtlich begrenzt bleiben. Diese Grenzflächen bieten nämlich dem Schweißstrom den höchsten Widerstand, so daß sich gerade dort - solange diese Grenzflächen noch nicht verschweißt sind - die höchsten Temperaturen ausbilden Während bei Verwendung empfindlicher Einlagerungsmaterialien die Elektroden nur mit geringem Druck angreifen dürfen, kann es gemäß einer Ausführungsart der Erfindung bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit eingelagerten Stahldrähten u.ä, von Vorteil sein, auf die zu verbindenden Materialien während des Verschweißens einen verdichtenden Druck auszuüben. Dies kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer als Elektroden ausgebildeter Walzenpaare geschehen.
Um das Entstehen eines Lichtbogens zu verhindern oder diesen zum Abreißen zu bringen, kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung der Schweißstrom impulsweise angelegt werden, wobei der Vorschub bzw. die Relativbewegung zwischen den zu verbindenden Materialien und den Elektroden jeweils nur bei abgeschaltetem Strom herbeigeführt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, mehrere Lagen des mit dem Matrixmetall beschichteten Verstärkungsmaterials gleichzeitig auf einen metallischen Grundkörper, beispielsweise auf ein Rohr, aufzuschweißen.
In manchen Fällen ist es günstig, die Elektroden, insbesondere wenn diese als Druckwalzen ausgebildet sind, zusätzlich zu beheizen.
Um zu einer wirtschaftlichen Arbeitsweise zu gelangen, kann man mit einer Vielzahl von Elektroden oder Elektrodenpaaren gleichzeitig arbeiten. Ferner ist es möglich, die Oberfläche des Verbundwerkstoffes zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung durch einen Gasstrom oder durch Flüssigkeitsverdunstung zu kühlen.
Sind die Elektroden in Form eines Walzenpaares ausgeführt, ist es zweckmäßig, diese Walzen aus einem nichtlegierbaren Material, z.B. aus Kohle, Graphit, sehr hochschmelzenden Metallen, z.B. Wolfram, herzustellen. Bei Verwendung von Kupferwalzen muß eine ausreichende Kühlung der Walzenoberfläche gewährleistet sein. Außerdem ist es in manchen Fällen zweckmäßig, die Walzenoberfläche zu riffeln oder abwechselnd aus isolierenden und elektrisch leitenden Bereichen zusammenzusetzen, um eine Art Naht effekt (vergleichbar mit den einzelnen Stichen einer Nähmaschine für Textilien) zu bewirkr##.
Schließlich können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Verbundwerkstoffe mit nur aus Metall bestehenden Folien oder dünnen Blechen verbunden werden. Außerdem können solche Folien oder Bleche als Zwischenschichten in den Verbundwerkstoff eingelagert werden.
Da erfindungsgemäß die Verbindung der Grenzflächen des Matrixmetalls durch Widerstandsschweißen und nicht durch Pressung der zu verbindenden Materialien erreicht wird, kann der Strom auch über übliche Schweißelektroden zugeführt werden, so daß Gegenstande beliebiger Gestaltung herstellbar sind.
Außerdem ist es möglich, Werkstücke, beispielsweise Maschinenteile, durch Aufschweißen von ein oder mehreren Verstärkungslagen nur an den hochbelasteten Stellen zu verstärken.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsarten der Erfindung sowie aus der beigefügten weitgehend schematisierten Abbildung hervor, welche die grundsätzliche Anordnung der Elektroden und der zu verbindenden Materialien bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes zeigt.
Zwischen den stabförmigen Elektroden 1 und 2 befindet sich ein bereits verdichteter Teil 3 eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Verbundwerkstoffes sowie einige neue Lagen 4, die durch Widerstands erwärmung und Schmelzen des Matrixmetalls untereinander sowie mit dem Untergrund, hier dem bereits verdichteten Teil 3, verschmolzen werden.
Die zur Verschweißung notwendige Energie wird, wie symbolisch angedeutetist, von einer Spannungsquelle U geliefert, wobei die Erwärmung an den Stellen des größen elektrischen Widerstandes am höchsten ist. Es hat sich gezeigt, daß im vorliegenden Fall die höchsten Widerstände durch die obergangswiderstände zwischen den unverdichteten Lagen 4 und an der Grenzfläche zwischen den Lagen 3 und 4 auftreten, so daß gerade dort das Schmelzen und damit Verschweißen der Grenzflächen einsetzt.
Anstelle der Elektroden 1 und 2 kann - wie hier nicht dargestellt ist - mit Hilfe eines oder mehrerer Walzenpaare ein die zu verbindenden Materialien verdichtender Druck zusätzlich ausgeübt werden. Dies ist zur Beschleunigung des Schweißvorganges angebracht, wenn gegen Druck relativ unempfindliche Einlagerungsmaterialien, wie Drähte aus Stahl, Wolfram, Beryllium oder aus Superlegierungen verwendet werden sollen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Gegenständen oder Halbzeug aus Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix und mit zumindest stellenweise eingelagerten Verstärkungsmaterialien in Form von Drähten, Fäden, Fasern, Bändern oder Folien, wobei die mit Metall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf ein Formteil angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall nach Art des Widerstandsschweißens durch direkten Stromdurchgang kurzzeitig bis zum Aufschmelzen an den gegenseitigen Berührungsstellen erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Materialien während des Erhitzens einem verdichtenden Druck ausgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck mit Hilfe eines oder mehrerer als Elektroden (1,2) ausgebildeter Walzenpaare auf die zu verbindenden Materialien ausgeübt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom impulsweise angelegt und einer Relativ-Bewegung zwischen den zu verbindenden Materialien (3,4) und den Elektroden (1,2) nur bei abgeschaltetem Strom herbeigeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Materialien aus mindestens einer Lage der mit Metall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf einem metallischen Grundkörper bestehen

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundkörper ein Rohr vorgesehen ist, auf das die beschichteten Verstärkungsmaterialien vor oder während des Verschweißens aufgewickelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode zusätzlich beheizt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmaterialien Drähte aus Stahl, Wolfram, Beryllium oder Superlegierungen verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungsmaterialien Fäden oder Fasern aus Kohlenstoff, Bor oder aus keramischen Werkstoffen verwendet werden, wobei zur Verdichtung der zu verbindenden Materialien vor oder während des Verschweissens höchstens ein sehr geringer Druck ausgeübt wird.

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