DE2200239A1

DE2200239A1 - Verfahren zur Herstellung von Metall und Kohlenstoffaeden enthaltenden Verbundstoffen

Info

Publication number: DE2200239A1
Application number: DE19722200239
Authority: DE
Inventors: Denham Albert William; Redfern Brian Alexande William
Original assignee: British Railways Board
Current assignee: British Railways Board
Priority date: 1971-01-06
Filing date: 1972-01-04
Publication date: 1972-07-20
Also published as: AU3760772A; GB1325291A; CH551824A; HU162940B; CA953128A; IT946324B; PL70988B1; AT315523B; FR2121277A5; AU463678B2

Description

British Railways Board, 222 Marylebone Road, London N.W.l

/ England

Verfahren zur Herstellung von Metall und Kohlenstoffäden enthaltenden Verbundstoffen

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Metall und Kohlenfäden enthaltenden Verbundstoffen, wobei die Technik der flüssigen Metalle (Metallschmelztechnik) Anwendung findet und die Kohlenstoffäden in ein Grundmetal!,während es sich in geschmolzenem Zustand befindet, eingebracht werden.

Der Zweck für die Herstellung von Metall und Kohlenstofffaden enthaltenden Verbundstoffen liegt im wesentlichen darin, die mechanischen Eigenschaften des Metalles aufrechtzuerhalten und diese mit der anisotropen verstärkenden Wirkung der Kohlenstoffäden zu kombinieren.

Metall und Kohlenstoffäden enthaltende Verbundstoffe können nur dann ohne große Drücke hergestellt werden, wenn das Metall in flüssigem Zustand die Fäden benetzt. Die meisten technischen Metalle jedoch benetzen Kohlenstoffäden nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hinreichend benetzendes Verfahren (wetting system) anzugeben»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens der eingangs erwähnten Art unter Verwendung der Technik der

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geschmolzenen Metalle dadurch gelöst, daß Kohlenstoffäden mit einer Beschichtung eines Karbids des Titans, Vanadiums, Hafniums, Tantals, Zirkons, Niobiums oder eines anderen, ein Monokarbid bildenden Metalles oder von Chrom verwendet werden.

Das erfindungsgemäße benetzende Verfahren weist mehrere Vorteile auf : Die Kohlenstoffäden werden vollständig in das Grundmetall eingebracht und es v/ird ein Verbundstoff ohne wesentliche Prosität hergestellt.

Die konventionellen Verfahren zum Gießen geschmolzener Metalle können zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbundstoffe verwendet werden. Das erfindungsgernäße Herstellungsverfahren läuft schnell ab. Eine kontinuierliche Herstellung von Metalle und Kohlenstoffäden enthaltenden Verbundstoffen in Form von Bändern bzw. Streifen, die an schließend zu komplizierten geometrischen Formen miteinander vereinigt werden, wird durch die Erfindung ermöglicht.

Eine erfindungsgemäße Beschichtung wirkt bereits selbst in ausreichendem Maße benetzend für gewisse Grundmetalle, wie z.B. Aluminium.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein geringer Zusatz der oben erwähnten karbidbildenden Metalle dem Grundmetall zugesetzt.

Die Beschichtung auf den Kohlenstoffäden und der Zusatz eines der oben erwähnten Metalle zum Grundmaterial hat eine chemische Bindung über die von den Kohlenstoffäden und dem Metall gebildete Zwischen- bzw. Grenzschicht zur Folge. Insbesondere bei Metallen mit niedrigem Schmelz punkt können hohe Wärmespannungen (tempei^ure strength) zugelassen werden, wobei ein Entnetzen verhindert wird, auch falls ein lokales Schmelzen bei anschließendem Warmpressen auftritt.

Die Beschichtung aus Karbid auf den Fäden wild erfindungs-

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gemäß vorzugsweise durch eine Reaktion des das Karbid bildenden Metalles mit dem Kohlenstoff der Fäden erzeugt, indem beispielsweise ein Verfahren zur Ablagerung eines Me tallhalogenid-Dampfes durchgeführt wird.

In Abhängigkeit von dem Grundmetall und dem verwendeten zugesetzten Metall liegt das zugesetzte Metall entweder in fester Lösung im Grundmetall oder als intermetallische Verbindung mit dem Grundmetall vor. Bei einer festen Lö sung ist es vorteilhaft, daß mindestens 0,05 Gewichtsprozent zugesetztes Metall in der festen Lösung vorliegt. Falls eine intermetallische Verbindung gebildet wird, ist es vorteilhaft, wenn die Schmelze, in die die beschichteten Kohlenstoffäden eingebracht werden, auf einer Temperatur von über 700° C gehalten wird.

Es ist weiterhin vorteilhaft, daß die Beschichtung zusam menhängend ausgebildet ist und daß die Schichtdecke nicht mehr als 500 Angström beträgt.

In bisher durchgeführten Untersuchungen erwies sich Titan als das geeignetste Metall sowohl für die Karbidschicht auf den Fohlenstoffäden als auch als Zusatzmetall für das Grundnetall.

Grundnetalle, auf die die Erfindung anwendbar ist, sind z.B. Zinn-Blei-Legierung für das Gebiet der Gleitlager - i\'ie noch beschrieben wird - oder Kupfer, Aluminium und Magnesium für das Gebiet räumlicher Gegenstände (structural artifacts).

Weitere Merlanale und Vorteile der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, in denen Titan als das das auf den Kohlenstoffäden Iiarbid bildende Metall sowie als Zusatzmetall für das Grundmetall verwendet wird.

Eine Karbidbeschichtung bzw. Karbidschicht auf den Kohlenstoffäden wird mittels einer Reaktion von Titan mit dem Kohlenstoff der Kohlenstoffäden erzeugt und zwar mittels Abscheideverfahren für Titan-Jodiddampf,

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Diese Reaktion kann folgendermaßen dargestellt werden : TiI₀ + r TiIu + Ti C.

Damit dieses Verfahren abläuft, (wobei G die Änderung der Gibb'sehen freien Energie bedeutet) muß sein :

AG = Δ G + ZiG

Reaktion Bildung von TiI^ Bildung von TiC

Bildung von TiI₂ <O

In dem Temperaturbereich von 700 bis 1000° C ist Λ G₁₇ ~ , _Ί positiv, jedoch ist Δ G T>_ea]_i^±_on negativ, sodaß Titan auf dem Kohlenstoff in spezifischer Weise unter Bildung von Titankarbid niedergeschlagen wird.

Die Schicht haftet fest auf dem Kohlenstoffaden und ist gleichmäßig verteilt. Die Partikelgröße beträgt 100 bis 500 Angstrom; die Schichtdicke kann in der gleichen Grössenordnung gehalten werden. Die Beschichtung ist spröde und weniger zerreißfest (weaker) als der Kohlenstoffadenj wenn jedoch die Dicke unterhalb 500 Angström gehalten wird, kann diese verminderte Festigkeit in Kauf genommen werden.

Die Kohlenstoffäden werden beschichtet, indem durch einen Reaktionsofen ein oder zwei Wergbündel gleichzeitig in eine Argonatmosphäre geführt werden, wobei jeweils ein Wergbündel aus beispielsweise 10.000 Fäden besteht.

Der Reaktionsraum wird durch Flüssigkeitsfallen auf jeder Seite isoliert bzw. abgeschirmtj sie halten die Reaktionsteilnehmer, nämlich Titan und Jodid in und Sauerstoff ausserhalb des Reaktionsraumes. Die Fäden werden durch ent sprechende Vorrichtungen am Ein- und Auslaß des Reaktionsofens geführt, sodaß ein Entweichen des Jodids aus dem Reaktionsofen unterbunden ist.

Bei einer Arbeitstemperatur von 950° C mit einem Titan/Jod-Verhältnis von 5 : 1 wird Titanjodid gebildet und reagiert mit dem Kohlenstoff in der oben beschriebenen Weisej die

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Bildungsgeschwindigkeit der Schicht und folglich die Ge schwindigkeit, mit der die Beschickungen (Mergbündel) durch die Reaktionskammer geführt werden, beträgt 8 m (25 feet) pro Stunde.

Ähnliche Betrachtungen .anhand der thermodynamisehen Da ten zeigen, daß das Verfahren auch für andere Karbide bildende Metalle, insbesondere Chrom, Niobium, Zirkon,Molybdän unter Verwendung der Jodide und anderer Halogene anwendbar ist. Titan jedoch erzeugt die am meisten festhaftend und zusammenhängende Karbidschicht; das Jodidverfahren erlaubt ein höheres Maß an Steuerung der Dicke der Beschichtung.

Die auf diese Weise mit Titankarbid beschichteten Fäden werden in ein Grundmetall unter Verwendung der konventionellen Techniken für das Gießen von geschmolzenen Metal len eingebracht, wobei ein kleiner Zusatz von Titan dem Grundmetall zuvor zugefügt wurde. Die Anwesenheit des Titankarbidüberzuges und des zugesetzten Titanmetalls si chert eine zufriedenstellende benetzende Zwischenschicht zwischen den Kohlenstoff ä.-clen und dem Grundmetall.

Hauptsächlich zwei Möglichkeiten existieren, um sicherzustellen, daß das Titan in die Schmelze eines Grundmetalles geht, das selbst eine Legierung sein kann. Es kann in einer festen Lösung vorliegen und deshalb beim Schmelz punkt der Legierung frei werden. Kupferverbindungen er geben ein derartiges System, wenn ein Mindestgehalt an Titan von 0,5 Gewichtsprozent vorhanden ist. In alternativer Abwandlung kann das Titan in gewi ssen Grenzen als feste Lösung in einer Metallegierung vorliegen, wobei die chemischen thermodynamisehen Eigenschaften die Bildung einer intermetallischen Verbindung begünstigen können. Wenn eine derartige Verbindung schmilzt, kann die Löslichkeitjder intermetallischen Verbindung (und folglich auch der Anteil an Titan) im flüssigen Metall sehr gering sein, sodaß folglich Temperaturen über dem Schmelzpunkt der Grundlegierung auftreten können, bevor ein Benetzen stattfindet. Beispielswelse bildet das Legierungssystem Zinn-Blei,,

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ii, U y) y ti U f Ο ί ti 4

das die Basis von Weißmetallegierungen für Lager i&, - wenn es mit 0,5 Gewichtsprozent Titan legiert wird eine Zinn-Titan-haltige intermetallische Verbindung, die keine merkliche Löslichkeit in der Schmelze bis etwa 800° C aufweist. Um einen Verbundstoff mit dieser Legierung zu bilden, wird die Schmelze über diese Temperatur erhitzt, bevor die beschichteten Kohlenstoffäden eingebracht werden.

Die Zerreißfestigkeit von Verbundstoffen, die in der oben beschriebenen Weise hergestellt werden, unterscheiden sich vorteilhaft im Vergleich zu denen, die in alternativer Weise hergestellt wurden. Die Eigenschaften von Bruchflächen von Kupfer, Zinn-Blei und Aluminium-enthaitenden Verbundstoffen zeigen kein Aus- bzw. Durchbrechen der Fäden, was bedeutet, daß eine gute Bindung zwischen den Kohlenstoffäden und den Grundmetallen vorhanden ist.

Eine Anwendung eines in der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Weise hergestellten Verbundstoffes wird nun an hand eines Gleitlagers anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt :

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Lagers, Fig. 2 einen Querschnitt des Lagers, und Fig. 3 einen Längsschnitt.

Das Lager besteht aus einem Körper 1 und weist eine Einlage 2 auf. Die Einlage 2 besteht aus einer Zinn-Blei-Legierung und einen Verbundstoff mit Kohlenstoffäden, der auf einen Legierungsblock aus Zinn und Blei aufgeklebt bzw.

ist.

plattiertY^Zur Herstellung der Einlage 2 werden mit 3 bezeichnete, mit Titankarbid in der oben beschriebenen Weise beschichtete Kohlenstoffäden in eine Gießform aus Si liziumdioxid gebracht, in deren Aushalsung die Grundmetalllegierung für den Verbundstoff eingebracht ist,mit einer Zusammensetzung von 8 Gewichtsprozent Zinn, 05 Gewichtsprozent Titan, Rest Blei. Die Legierung wird in der Aushalsung mittels Hochfrequenz geschmolzen, bis i-,ie völlig in die zylindrische Form, die die beschichteten Kohlen -

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■stoffäden enthält, geflossen ist und einen Verbundstoff bildet, d.h. einen Streifen aus Grundmetall, in dem die Fäden eingebracht sind. Um eine optimale Verteilung sicherzustellen, wird die Gießform gerüttelt. Der gegos sene Verbundstoff enthält 10 Volumprozent Kohlenstoff fäden und wird anschließend in eine· Form gebracht, und durch Schmelzen auf den Block einer Zinn-Blei-Legierung unter Bildung eines Teststückes plattiert, sodaß die Kohlenstoffäden in der Nähe der Oberfläche des Lagers konzentriert sind und sich in Längsrichtung der Oberfläche bzw. Gleitfläche des Lagers erstrecken.

Ein Lager mit einer erfindungsgemäßen Einlage 2 wurde im Vergleich mit einem Lager aus einer Weißmetallegierung getestet und gab folgende Resultate auf einer Standard-Amsler-Prüfvorrichtung :

Gewichts- "Scar width"

verlust: (X 0,001 ins)

(mg)

'■'eißmetall (Sn 12 %, )

Sb Yi) %, Cu 7 foy ) 2J,0 71,0

Rest Pb) )

Einlage 2 12,0 47,0

Die Erfindung umfaßt auch alle nach diesem Verfahren herstellbaren Gegenstände, z.B. Verbundstoffe in Bandform und dergl. sowie alle Teil- und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

- Ansprüche -

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Claims

Ansprüche

1.) Verfahren zur Herstellung von Metall und Kohlenstofffaden enthaltenden Verbundmaterialien mittels der Metallschmelztechnik, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlen stoffäden in ein Grundmetall eingebracht werden, während es sich in flüssigem Zustand befindet, und daß die Koh lenstoffäden mit einer Beschichtung eines Karbides von Titan, Vanadium, Hafnium, Tantal, Zirkon, Niobium oder eines anderen ein Monokarbid bildenden Metalles oder -von Chromkarbid versehen werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung kontinuierlich ist und die Dicke nicht über 500 Angström liegt.

5.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung als erster Schritt durch eine Reaktion des Metalles mit dem Kohlenstoff der Fäden durchgeführt wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mittels eines Abscheideverfahrens eines Metall-Halogendampfes erfolgt.

5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß ein Anteil mindestens eines der karbidbildenden Metalle dem Grundmetall zusätzlich zugefügt wird. _:

6.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Grundmetall zugesetzte Metall das gleiche ist wie dasjenige, das die Karbidschicht auf den Kohlenstoffäden bildet.

7.) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zugesetzte Metall in fester Lösung in dem Grundmetall vorliegt und zwar mit einem Mindestanteil von 0,05 Gewichtsprozent.

8.) Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall Kupfer oder eine Kupferverbindung ist und daß das zugesetzte Metall Titan ist.

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9.) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zugesetzte Metall eine intermetallische Ver bindung mit dem Grundmetall bildet, und daß die Schmelze, in die die Kohlenstoffäden eingebracht werden, auf einer genügend hohen Temperatur gehalten wird, sodaß das züge setzte Metall von der intermetallischen Verbindung freigesetzt wird.

10.) Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 und 9> da durch gekennzeichnet, daß das Grundmetall eine Zinn-Blei-Legierung und das zugesetzte Metall Titan ist.

11.) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß das Grundmetall Aluminium und das zugesetzte Me tall Titan ist.

12.) Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß das Grundmetall Magnesium und das zugesetzte Me tall Titan ist.

13.) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial in Form eines Bandes hergestellt wird.

14.) Gegenstand,hergestellt durch Warmpressen eines Ver bundmaterials in Streifenform nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis IJ, auf ein Metallsubstrat zur Verbindung des Streifens mit dem Metallsubstrat, indem ein gegenseiti ges Schmelzen an der Zwischenschicht erfolgt.

15·) Gegenstand, hergestellt nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er als Gleitlager mit einer Gleitfläche ausgebildet ist und ein bandförmiges Verbundmaterial die Gleitfläche bildet.

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