DE2147735B2 - Verfahren zur Herstellung von Gegenständen oder Halbzeug aus Verbundwerkstoffen mit metallischer Matrix und mit Verstärkungseinlagerungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Verbundwerkstoffen mit zumindest stellenweise eingelagerten Verstärkungsmaterialien in Form von Drähten, Fäden, Fasern, Bändern oder Folien aus Kohlenstoff, Bor, keramischen Werkstoffen, Stahl, Wolfram oder Superlegierungen, wobei die mit Matrixmetall 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 Formteiien. Die beschichteten Fäden oder Drähte können auch geschnitten und in die Metallmatrix eingelagert werden. In beiden Fällen müssen die Matrixmetalle bzw. die Metallhülsen 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 Matrixmetall bekannt

In der DE-OS 19 50408, der eine Anmeldung vom 7.10.1969 zugrunde liegt wird die Herstellung von Faserverbundwerkstoff^ mit metallischer Matrix beschrieben. Auch hier sind die Fasern z.T. schon mit Matrixmetall überzogen oder die Matrixanteile werden in Form von Schichten zwischen die Fasern eingelegt Das Verdichten zum eigentlichen Verbundwerkstoff erfolgt durch Verformung der Matrixanteile bei hoher Temperatur und hohem Druck (Heißpressen oder Drucksintern). Als hochfeste verstärkende Fasern werden Kohlenstoff oder Bor bzw. Borverbindungen angegeben. Bei der Matrix werden solche Legierungen angewendet (z. B. auf der Basis von Eisen-Nickel), die sehr geringe Ausdehnungskoeffizienten haben.

In den Technischen Mitteilungen, 51, vom April 1978, S. 189 bis 192, beschreibt P. F a b e r das Versintern von Metallfasern zu einer Faserplatte hoher Porosität im Hinblick auf die Verwirklichung des leichten Akkumulators. Beim Versintern der ohne Matrixanteile verpreßten Fasern wird elektrische Widerstandserhitzung verwendet, wobei es an den Kreuzungs- und Berührungspunkten der Fasern zum Aufglühen und zum Versinterr. kommt. Das gleiche Verfahren ist in der DE-AS 12 06 705 vom 9.12.1965 beschrieben, wobei der Versinterungsprozeß durch Stromimpulse bewirkt wird.

Jedes der genannten Verfahren zeigt charakteristisehe Merkmale, durch die die Grenzen der Anwendbarkeit festgelegt sind. Beispielsweise treten durch Einwirkung hoher Temperaturen chemische Reaktionen und Diffusionsprozesse zwischen Einlagerungs- und Matrixmaterial 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 sauerstofffreier Atmosphäre — in Inertgas oder im Hochvakuum — durchgeführt werden.

Bei hohen Temperaturen und ausreichender Einwirkungsdauer ergeben sich noch weitere unerwünschte Nebenwirkungen, die die Eigenschaften ungünstig beeinflussen. Verwendet man beispielsweise kaltgezogene 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 iviatrixmetaiies zu begrenzen und mit entsprechend

hohen Drücken die Veresterung 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. ä. aus empfindlichen Materialien, wie Kohlenstoff, Bor, aus manchen Oxiden oder aus intermetallischen Verbindungen, wenig duktilen Metallen und Legierungen, in die metallische Matrix eingelagert werden sollen.

Der Erfindung war daher die Aufgabe gestellt, diese Nachteile bei der Herstellung solcher Verbundwerkstoffe zu vermeiden.

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 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.

Bei Verwendung empfindlicher Einlagerungsmaterialien dürfen die Elektroden nur mit geringem Druck angreifen, besonders bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen mit eingelagerten Stahldrähten kann es von Vorteil sein, auf die zu verbindenden Materialien während des Verschweißens einen solchen Druck auszuüben, beispielsweise mittels eines oder mehrerer als Elektroden ausgebildeter Walzenpaare.

Um das Entstehen eines Lichtbogens zu verhindern oder diesen zum Abreißen zu bringen, kann der Schweißstrom bekanntermaßen impulsweise angelegt werden, wobei der Vorschub unter den Elektroden jeweils nur bei abgeschaltetem Strom erfolgt.

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 oder einem hochschmelzenden Metali, wie Wolfram, herzustellen. Bei Verwendung von Kupferwalzen muß eine

ίο ausreichende Kühlung der Walzenoberfläche gewährleistet sein. Außerdem ist es in manchen Fällen zweckmäßig, die Wa'zenoberfläche zu riffeln oder abwechselnd aus isolierenden und elektrisch leitenden Bereichen zusammenzusetzen, um eine Art Nahteffekt (vergleichbar mit den einzelnen Stichen einer Nähmaschine für Textilien) zu bewirken. 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 Gegenstände 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

J5 sowie aus der 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 Widerstandserwärmung 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 angedeutet ist, von einer Spannungsquelle LJ geliefert, wobei die Erwärmung an den Stellen des

so größten elektrischen Widerstandes am höchsten ist. Es hat sich gezeigt, daß im vorliegenden Fall die höchsten Widerstände durch die Übergangswiderstände 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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 aus Kohlenstoff, Bor, keramischen Werkstoffen, Stahl, Wolfram, oder Superlegierungen, die eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit als die metallische Matrix besitzen, wobei die mit Matrixmetall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf ein Formteil angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall nach Art des Widerstandschweißens durch direkten Stromdurchgang kurzfristig bis zum Aufschmelzen Jn den gegenseitigen Berührungsstellen erhitzt wird, während die eingelagerten Verstärkungsmaterialien keine wesentliche Erhitzung erfahren, wobei ein solcher Druck angewendet wird, daß eine Schädigung der eingelagerten Verstärkungsmaterialien unterbleibt

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

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Elektrode zusätzlich beheizt wird.

4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 auf zu verbindende Materialien, die aus mindestens einer Lage der mit Matrixmetall beschichteten Verstärkungsmaterialien auf einem metallischen Grundkörper bestehen.

5. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 auf zu verbindende Materialien, für die als Grundkörper ein Rohr verwendet wird, auf das die beschichteten Verstärkungsmaterialien vor oder während des Verschweißens aufgewickelt werden.