DE2210771A1

DE2210771A1 - Verfahren zur Herstellung eines Mischwerkstoflfes

Info

Publication number: DE2210771A1
Application number: DE19722210771
Authority: DE
Inventors: John Corjeag Waltham Abbey Essex; Leaper Rodney Seymour Hoddesdon Hertfordshire; Parratt Noel James Lughton Essex; C anneil (Großbritannien)
Original assignee: UK Minister of Technology; UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Minister of Technology; UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1972-03-06
Publication date: 1972-09-28
Also published as: CA970527A; JPS5436138B1; BE780282A; IT952119B; FR2128634B1; AU3967872A; GB1359554A; NL7202949A; DE2210771B2; FR2128634A1; CH547170A; SE391883B; AU464943B2; DE2210771C3

Description

β München ί L, .

293-18.432P(18.433H) 6. 3. 1972

The Secretary of State for Defence in Her
Britannic Majesty⁵s Government of the United
Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SW 1 (Großbritannien)

Verfahren zur Herstellung eines Mischwerk·=

stoffes

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung eines Mischwerkstoffes aus einer Metallmatrix und einem teilchenförmigen Verstärkungsmaterial, insbesondere
festen feuerfesten Materialien in laserform, wie z_o Bo
Whiskern aus Siliziumkarbid und Siliziumnitrid und Fasern
aus Asbest und Kohlenstoff»

Die schwebende britische Patentanmeldung 44612/69 beschreibt die Herstellung von Metallmischwerkstoffen nach
Verfahren, bei denen ein bestimmtes Druckprogramm auf eine

293-(JX3666/08)-Tp-r (8)

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Mischung von geschmolzenem Metall und Verstärkungsmaterialteilchen in einer Form einwirkt, wobei die gewünschten Drücke durch Anordnen von Wärmeabführteilen neben möglichen Leckwegen aus der Form eingehalten werden, so daß die Form tatsächlich selbstdichtend wird₀ Miachwerkstoffe nach diesen Verfahren besitzen die theoretische, für eine Mischung aus den Bestandteilen des Misohwerkstoffs vorhergesagte Dichte und nach Extrusion gute Festigkeita- und Steifheitswerte im Vergleich mit den unverstärkten Metallmatrixstoffen ο Jedoch sind die in der Anmeldung 44612/69 beschriebenen Misohwerkstoffe wesentlich weniger fest und steif, als man vernünftigerweise voraussagen könnte, wegen der Schwierigkeit des Einführens hoher Volumenanteile von feuerfesten Fasern und des Bruohs der in den Misohwerkstoff eingeführten Fasern, wenn der gegossene Mischwerkstoffbarren extrudiert wird, um die Mischwerkstoffeigenschaften durch Ausrichten einiger verstärkender Fasern in der Extrusionsrichtung möglichst stark zu verbessern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fertigung von Metallmischwerkstoffen zu ermöglichen, in denen Füllanteile von feuerfesten Verstärkungsfasern bis zu etwa 50 Volumenprozent vorliegen können und die bereits im gegossenen Zustand einen hohen Grad der Faserausriohtung in bestimmten Richtungen aufweisen,,

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes aus einer Metallmatrix und einer FaserverStärkung mit einem bestimmten Muster der Faserausriohtung mit dem Kennzeichen, daß man in einer Form im wesentlichen parallele Paserlagen,

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deren jede aus einem Band aus im wesentlichen planparallelen Fasern "besteht, und zwischen wenigstens einigen der Faserlagen einen Vorrat von geschmolzenem Matrixmetall vorsieht und daß man auf diesen Forminhalt einen zum Treiben des geschmolzenen Metalls "bis zum Umgeben im wesentlichen aller Fasern ausreichenden Druck einwirken läßto

Die Anordnung der Saserlagen vor dem Einwirken des Drucks auf den Forminhalt wird gewählt, um das "bestimmte Muster der Faserausrichtung im erhaltenen Mischwerkstoff zu erzielen« Die planparallelen Fasern in der Faserlage können unidirektional, in mehr als einer gewählten Richtung oder beliebig innerhalb der Ebene der Lage ausgerichtet sein.

Die Erfindung überwindet die Probleme, die man beim Schaffen eines bestimmten Musters orientierter ■Verstärkungsfasern in einer Form und beim Hineintreiben einer Charge aus geschmolzenem Matrixmetall zwischen die Fasern zur Erzielung eines Mischwerkstoffs antrifft. Die Probleme bestanden vor allem darin, daß das geschmolzene Matrixmetall nur eine gewisse Entfernung in eine Masse von ausgerichteten Verstärkungsfasern eindringen konnte, bevor es erstarrte, und ein fortgesetzter Druck nachher nur dazu führte, die nicht getränkten Fasern zu beschädigen und zu brechen, und weiter darin, daß die vorrückende Charge aus gesohmolzenem Matrixmetall dazu neigte, die ausgerichteten Fasern eng zusammenzupressen, so daß es für das Metall äußerst schwierig war, noch weiter einzudringen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Vorrat an gesohmolzenem Matrixmetall in einer ausreichenden Zahl von Stellen innerhalb einer Masse

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von ausgerichteten Verstärkungsfasern vorgesehen werden muß, um sicherzustellen, daß die Maximalentfernung zwisohen benachbarten Vorratsräumen das Doppelte der Entfernung, die das geschmolzene Metall vor der Erstarrung bei den bestimmten angewendeten Temperaturen und Drücken vordringen kann, nicht übersteigt. Zusätzlich wurde für gut befunden, daß das Maximalvolumen der Fasern am ehesten in den Mischwerkstoff einführbar ist, wenn verhältnismäßig diohte Bänder von ausgerichteten und daher dicht gepackten Veretärkungefasern im wesentlichen parallel untereinander angeordnet werden und man Durchgangswege zwisohen wenigstens einigen dieser Bänder vorsieht, die sioh mit geschmolzenem Matrixmetall füllen lassen, um Vorräte mit dem notwendigen Minimalabstand voneinander vorzusehen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sioh in einer Anzahl von Varianten durchführen, gemäß denen verschiedene Kombinationen von Faserlagen und Metallsohmelzenvorräten verwendet werden, und einige typlsohe Verfahrensarten werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Bei einem sohematisoh in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Stapel von parallelen ebenen Faserlagen 1 in eine Form 2 im wesentlichen senkrecht zur Richtung des an die Form mittels eines Kolbens 3 anzulegenden Drucks eingelegt, und Bleche oder Folien aus festem Matrixmetall 4 sind zwisohen wenigstens einigen der Faserlagen angeordnet, wobei zwischen benachbarten Matrixmetallbleohen ein Abstand von nicht mehr als der doppelten Entfernung vorgesehen ist, die das Matrixmetall Im geschmolzenen Zustand vor seiner Erstarrung unter den gewählten Temperatur- und Druckbedingungen durchdringen kann. Bei diesem Ausführungs-

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beispiel wird der Stapel von Faserlagen und Matrixmetallblechen in der Form erhitzt, bis das Matrixmetall geschmolzen ist, und man läßt dann Druck über den Kolben 3 auf den Stapel einwirken, um die Verstärkungsfasern vollständig au durchtränken. Bei einer Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 wird der Stapel von Faserlagen 11 und Matrixmetallblechen 14 außerhalb der Form vorbereitet und zur leichteren Handhabung innerhalb eines dünnwandigen Behälters 15 aus einem Material eingeschlossen, das bei der Temperatur, auf die das Matrixmetall zu erhitzen ist, nioht schmilzt» Der eingeschlossene Stapel aus Faserlagen und Matrixmetallbleohen wird dann gweoks Sohmelzens des Matrixmetalls erhitzt, und die erhaltene eingeschlossene Mischung aus Verstärkungsmaterial und Metallschmelze wird in die Form eingeführt und, wie zuvor beschrieben, dem Druck unterworfen. Es ist wesentlich festzustellen, daß der dünnwandige Behälter 15 nur zum Verhindern eines Austritts von geschmolzenem Metall aus dem Stapel während de3 Erhitzens und Überführens in die Form dient und es nioht beabsichtigt ist, daß der Behälter genügend fest oder geeignet abgedichtet ist, um als deformierbare Membran zum Übertragen von isostatisohem Druck auf das im Behälter enthaltene geschmolzene Metall zu wirken. Der Formpreßdruok wird vorteilhaft direkt auf die Mlsohung von Faserlagen und geschmolzenem Metall in der Form ausgeübt«,

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist festzustellen, daß, da die Faserlagen in der Form senkrecht zur Richtung der Annäherung des Formverschlußstüokes ausgeriohtet sind, der erhaltene Misohwerkstoff seine Hauptverstärkung senkrecht zur Richtung des aufgebrachten Drucks haben wird. Dies ist äußerst befriedigend, wenn die Form eine ver-

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nältniamäßig breite flache Gestalt aufweist und zur Herstellung von Blech-, Band- oder Streifenmisohwerkstoffstükken bestimmt isto Wenn jedoch ein Misohwerkstoffteil in der Form einer Stange oder eines Zylinders mit dem bestimmten Muster der Faserausriohtung als Hauptverstärkung in Längsriohtung der Stange oder des Zylinders benötigt wird, sind die vorstehenden Ausführungsbeispiele dazu offenbar weniger geeignet. In Weiterbildung der Erfindung werden daher für diesen Fall Paserlagen in der Form parallel zur Annäherungsriohtung des Pormverschlußstüokes zur Form angeordnet. Diese Anordnung kann die Form eines Stapele aus Faserlagen und Matrixmetallbleohen bzw. -folien wie naoh den vorigen Aueführungsbeispielen mit der Ausnahme aufweisen, daß die Ebene der Faserlagen parallel zur Annäherungerichtung des Formversohlußstüokes liegt, wie Fig. 3 zeigt. Naoh Fig. 4 sieht indessen ein bevorzugter Aufbau insbesondere für die Herstellung von zylindrischen Barren mit eioh längs erstrekkender Verstärkung vor, daß in einer Form 32 eine Faserlage in der Gestalt eines aufgerollten Bandes 31 aus ausgerichteten Fasern angeordnet wird, wobei die Längsaohse der Rolle parallel zur Annäherungsrichtung des Formversohlußstüokes 33 liegt. Ein oder mehrere Bleche aus Matrixmetall 34 sind geeignet innerhalb des aufgerollten Bandes von ausgerichteten Fasern 31 zwischengefügt, um nach Erhitzung Vorräte aus geschmolzenem Metall zu bilden, wobei wiederum zwisohen benachbarten Vorräten ein Abstand von nioht mehr als dem doppelten Durohdringungsweg des geschmolzenen Metalls vor dessen Erstarren unter dem gewünschten angelegten Druck vorgesehen ist. Es sei bemerkt, daß die derart aufgerollten Bänder von ausgerichteten Fasern im w*e«ntlioh*n parallel· Fase rlagen bilden, wie der Begriff hier zu verstehen ist, ob-

2O3H0/O66·

wohl in diesem Pail jede Lage nicht aus einem Faserband mit einer "besonderen Begrenzung "besteht, das sich klar von dem eine parallele Faserlage bildenden Band trennen läßt.

Naoh den "bisherigen Ausführungsbeispielen wurden die Vorräte von geschmolzenem Metall geeignet innerhalb des Musters von ausgerichteten Verstärkungsfasern angebracht, indem man zuerst das Matrixmetall in Blechform, d₀ h. in fester Phase einführte„ Es ist offenbar hinsichtlich Einfachheit des Verfahrens, Verringerung der Verfahrensschritte und wirksamer Arbeitsweise attraktiv, das geschmolzene Metall direkt an die Vorratsstellen innerhalb des ausgerichteten Fasermusters zu führen und es so dahin zu bringen, von wo die Durchdringung der Fasern erfolgen kann. Es ist klar, daß eine solche Verfahrensweise wohl unter den Fehlern des Fasermassen/Metallsohmelzen-Einführsystems leiden kann, die gerade durch die Erfindung überwunden werden sollten, doch wurde in Weiterbildung und unter Auffindung eines wesentlichen zusätzlichen Merkmals der Erfindung festgestellt, daß erfolgreich Misohwerkstoffe auch unter Verwirklichung dieses Grundgedankens herstellbar sind, wenn gesichert wird, daß während der Druokeinwirkung auf eine Mischung von geschmolzenem Metall und ausgerichteten Faser-, lagen das geschmolzene Metall Wege zwischen den Faserlagen zur Verfügung hat, so daß es zu den erforderlichen Vorratsräumen fließen und von dort die benachbarten Faserlagen durchdringen kann. Ee ist wesentlich, einen Weg für das gesohmolzene Metall zwischen den Faserlagen vorzusehen, der nicht beim Beginn der Druokeinwirkung blockiert wird. Dies wird ohne weiteres erreicht, wenn die ausgerichteten Faserlagen parallel zur Annäherungsriohtung des Formversohlußstüokes entsprechend Fig. 3 und 4- angeordnet sind,

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da das sioh nähernde Formversohlußstück ohne weiteres geschmolzenes Metall längs der Wege zwischen den Faserlagen treibt, die günstigerweise hochkant angeordnet sind. Dagegen gehören zu den Nachteilen, die sich aus dieser Anordnung der Faserlagen ergeben, die Tatsachen, daß die Faserlagen durch den einwirkenden Formdruck gekrümmt und verzerrt werden und nur eine geringe nützliche Zusammenpressung der Faserlagen auftritt, so daß der Faservolumenanteil im erhaltenen Mischwerkstoff nicht so hoch wie gewünscht istc Nach einem anderen weiterbildenden Merkmal der Erfindung lassen sich sehr befriedigende Mischwerkstoffe herstellen, indem man geschmolzenes Metall auf im wesentlichen parallele Faserlagen gießt, die in einer Form quer zur Annäherungsrlohtung des Formversohlußstüokes angeordnet sind, vorausgesetzt, daß wenigstens ein Weg für das geschmolzene Metall zum Einfließen zwischen den Lagen und der Seite der Form ohne vorheriges Durchdringen der Faserlagen vorgesehen ist, wodurch eine Einfassung aus gesohmolzenem Metall in der Form gebildet wird, von wo es direkt zwischen die Faserlagen zu den gewünsohten Vorrateräumen zwischen den Lagen strömen und von da aus die Fasern umgeben kann. So verteilt der Formdruck zuerst das geschmolzene Metall innerhalb der Faserlagen und verfestigt dann sowohl Fasern als auch Metall, um Mischwerkstoffe mit hohen Faaeranteilen zu ergeben, die über 50 Volumenprozent betragen können. Ein typisches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 erläutert, die eine Zufuhr von flüssigem Metall 41 zeigt, das aus einem Tiegel 42 auf einen Stapel von parallelen Faserlagen 43 gegossen wird, die in einer Form 44 quer zur Annäherungsriohtung des (nicht dargestellten) Formversohlußkolbens angeordnet sind. Wege 45 sind zwisohen den

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Faserlagen und den Formseiten vorgesehen, und das geschmolzene Metall wird duroh den Kolbendruck längs dieser Wage und von da zu den Vorratsräumen wie Z₀ B₀ 46 zwischen den laserlagen getrieben« Die Mindestmengen von gesolimolzenem Metall, die zum völligen Durchdringen einer parallelen Faserlage in dieser Weise erforderlich sind, lassen sich ohne weiteres unter Bezugnahme auf fig. β errsehnan, wo lig. 6a einen Stapel von Faserlagen vor dem Zusammendrücken zeigt» die sich quer zur Form über eine Breite A eratusoken und ein Einfassungsvolumen für geschmolzenes Metall Über ein© Breite von O zwischen den Faserlagen und der lormseite freilassen. Wenn der Formverschlußkolben die beiden Bestandteile mit einem Kompressionsverhältnis von D/3 (s₀ fig. 6a und 6b) zusammendrückt, läßt sich zeigen, daß der erfor» derliche Einfassungsvolumenanteil (τ·~Τ"7?) ⁼ Έ abzüglich des Verhältnisses des von den Fasern im Mi schwe risst off eingenommenen Volumenanteils zum Gesamtvolumen in der Form vor der Kompression sein sollte« Als praktische Anleitung sollte daher, da der letztere Begriff gewöhnlich klein ist, der erforderliche Einfassungsvolumenanteil zwischen den Faserlagen und der Formseite angenähert dem zum vollen Verfestigen des Mischwerkstoffes benötigten Kompressionsverhältnis gleich sein.

Verschiedene Abänderungen der Verfahren gemäß der Erfindung leuchten ohne weiteres ein. Zum Beispiel läßt sich der Faservolumenanteil der Misohwerkstoffe, die mit Faserlagen parallel zur Annäherungsrichtung des Formversohlußstüokes (wie anhand von Figo 4 beschrieben) hergestellt werden, durch Erzeugen eines vorverfestigten Pfropfes von ausgeriohteten Faeerlagen und Eingießen, von geeohmoleenen Metall auf diesen Pfropf verbessern. Praktisch läßt sich eine

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beträchtliche Vorverfestigung der Faserlagen vornehmen, ohne daß dadurch das Durchdringen des geschmolzenen Metalls zu den Vorratsstellen verhindert wird₀ FIg₀ 7 erläutert eine typische Anordnung eines vorverfestigten rechteckigen Pfropfes 50 in einer Form 51 zur Aufnahme einer Charge aus geschmolzenem Metall 52 von einem Tiegel 53 vor der Einwirkung des Pormdruckes»

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 veranschaulicht, wo parallele Faserlagen in der Gestalt eines aufgerollten Bandes 70 von Fasern an einem Formverschlußkolben 71 angebracht sind und in in einer Form 73 enthaltenes geschmolzenes Metall 72 eingeführt werden.

Nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gemäß Fig. wird ein Stapel von ringförmigen Faserlagen vorgesehen, um einen Zylinder 80 zu bilden, in dem der axiale Raum 81 als Einfassungsvolumen für das geschmolzene Matrixmetall dient, das aus dem Tiegel 82 in die Form gegossen wird. Druok von einem (nioht dargestellten) Formversohlußstüok treibt das gesohmolzene Metall seitlioh zwisohen die ringförmigen Faserlagen und von da um die Fasern in jeder Lage. Per erhaltene Misohwerkstoff hat einen Kern aus Matrixmetall, der sich ohne weiteres ausbohren läßt, um einen hohlen Misohwerkstoffzylinder zu erhalten, der sioh su «inem Misohwerkstoff rohr extrudieren läßt. Es ist günstig, daß hierbei ei ne übermäßig hohe Werkzeugabnutzung vermieden wird, da die verschleißenden feuerfesten Fasern das Rohrwerkzeug nicht zu berühren brauohen.

Die Bänder au· la wesentlichen planparmllelen Fasern,

die zur Bildung der im wesentlichen parallelen Faserlagen

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gemäß der Erfindung benötigt werden, lassen sich, geeignet mittels Extrusion einer Dispersion von Pasern in einer viskosen Flüssigkeit duroh eine ausrichtende Düse auf eine relativ dazu bewegte permeable Oberfläche erzeugen, wie ausführlich in den schwebenden britischen Patentanmeldungen 44 612/69 und 14 210/67 bzw_o der letzterer entsprechenden deutschen Patentanmeldung P 17 60 073.6 beschrieben ist. In dieser Weise hergestellte Bänder aus planparallelen fasern haben einen hohen Grad von Ausrichtung, und so gut ausgerichtete Bänder fördern weitgehend das Erhalten hoher Volumenanteile von Pasern in den erfindungsgemäß hergestellten Misohwerkstoffen.

Die FaserverStärkungsmaterialien, die sich beim Verfahren gemäß der Erfindung verwenden lassen, sind hauptsächlich solche feuerfeste Materialien, von denen man im Mischwerkstoff verbesserte Eigenschaften im Vergleich mit dem Matrixmetall allein erwarten kann, und umfassen Kohlenstoff- und Borfasern in Stapelfaser- oder halbkontinuierlicher Form, Glas, Kieselsäure, feste Metalldrähte und Asbestfasern und Whisker aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxyd. Obwohl die Vorteile der Erfindung am meisten auf dem Gebiet der mechanisch festen und feuerfesten Faserverstärkung in Erscheinung treten, bietet die Erfindung auch einen schnellen und günstigen Weg zur Herstellung von Misohwerkstoffen mit weniger aufwendigem Fase mate rial.

Nach einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man das Matrixmetall auch in festem Zustand als Teilohen vorsehen, die zwischen den Paserlagen verteilt werden und die Vorratsstellen einnehmen. Das teil-

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chenförmige Matrixmetall kann dann in situ an den Vorratsstellen entweder vor oder auch nach dem Einbringen des Matrixmetalle s und der Faserlagen in die Form erhitzt werden. Am geeignetsten wird das teilchenförmige Matrixmetall innerhalb einiger oder aller planparalleler Faserlagen während der Herstellung dieser Lagen verteilt. Teilchenförmiges Metall läßt sich ohne weiteres innerhalb der viskosen Dispersionsmedien verteilen, die nach den in der GB-PS 1 249 291 beschriebenen Verfahren verwendet werden, um eine Faserlage mit regelmäßig innerhalb der Lage verteilten Teilchen aus einem gewünschten Matrixmetall zu erzielen. Allgemein soll die Teilchengröße der Matrixmetallteilchen groß im Vergleich zum Durchmesser der Fasern sein, die die Faserlage bilden, und zwar normalerweise eine Durchschnittsteilchengröße von 60 Mikron übersteigen. Die maximale Durchschnittsteilchengröße sollte jedoch nicht den Abstand übertreffen, der benachbarte parallele Faserlagen trennt. Die Gestalt der Matrixmetallteilohen ist möglichst gleichmäßig und stetig, so daß die Fasern in der Faserlage die geringste Störung erfahren und ohne weiteres eine Umhüllung um die Teilchen bilden können. Besonders geeignet sind im wesentlichen kugelförmige Teilchen, wie z. B. solche aus zerstäubtem Aluminium.

Das Matrixmetall' der Mischwerkstoffe kann irgendein Metall sein, das nicht mit den ausgewählten Verstärkungsfasern während der erfindungsgemäßen Verfahrenssohritte in einem Ausmaß reagiert, bei dem der Wert der zu erhaltenden Verstärkung neutralisiert wird. Typische Matrixmetalle sind Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel, Blei und Zinn sowie Legierungen, die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten.

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Das bevorzugte Druekprogramm, das zur Erzeugung der Mischwerkstoffe gemäß der Erfindung aus bestimmten Kombinationen von Yerstärkungsfasern und Matrisaetall erforderlich ist, muß allgemein in jedem Fall durch Yersueh bestimmt werden, wobei die Grundsätze von Nutzen sind, die vollständiger in der schwebenden SB-Patentanmeldung 44 312/69 beschrieben sind«, Ähnlich ist der lyp der zur Erzeugung der Mischwerkstoffe nach dem erfindungsgemäß beschriebenen Yarfahren zu verwendenden form zweckmäßig der im Zusammenhang mit den Zeichnungen der SB-Patentanmeldung 44 612/69 beschriebene.

Es sollen einige Ausführungsbeispiele zur Herstellung von Mischwerkstoffen gemäß der Erfindung beschrieben werden.

Beispiel 1

Ein Stapel von ausgerichteten Faserlagen mit Zwischenfügung von Lagen aus Aluminiumlegierungsfolie (2,5 $ Ou, 1»5 # Mg, 1 5^ Hi, 1,1 J* Fe, 0,06 <f> Ti, 0,2 # Si, Best Al mit einem Schmelzpunkt von 630 °0) wurde aus Bändern von ausgerichteten Siliziumkarbidwhiskern (mit einem Seitenverhältnis zwischen 5:1 und 50 : 1), die nach dem in der GB-Patentanmeldung 44 612/69 beschriebenen Verfahren erzeugt wurden, gebildet« Sie Whiskerlagen hatten ein Gewicht je Flächeneinheit von 0,1 g/cm und die Aluminiumfolie eine Dicke von 0,6 mm. Der Stapel bestand aus je einer Lage von Whiskern oben und am Boden des Stapels mit dazwischen eingeschlossenen parallelen abwechselnden Schichten aus je sechs benachbarten Lagen von Fasern und einer aus der Le-

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gierung. Der Stapel wurde in dieser Weise bis zu einer Gesamtdicke Ton 1,52 om aufgebaut, in reiner Aluminiumfolie (Schmelzpunkt 667 ⁰C) eingeschlossen und auf 660 ⁰O erhitzt. Der erhitzte Stapel wurde schnell in eine Form des im Zusammenhang mit den Fig» 1 bis 3 der Zeichnung der sohwebenden GB-Patentanmeldung 43 298/70 beschriebenen Typs überführt, wobei die Ebene der Lagen senkrecht zur Annäherungarichtung des Formverschlußkolbens lag. Man ließ ein Einkapselungsdruckprοgramm von etwa 35 kg/om für etwa 0,2 Sekunden mit anschließend von 141 kg/om auf 472 kg/cm anwachsendem Druck einwirken, um den Stapel auf etwa 0,15 cm Höhe zu verringern« Der erhaltene Mischwerkstoff enthielt 16 Volumenprozent Whisker, war im wesentlichen porenfrei und von theoretischer Dichte und hatte eine Zugfestig- keit von 66 kg/mm im Vergleich mit einem Wert von 31,5 kg/

ρ
mm für eine entsprechend reine Aluminiumlegierungsprobe im

GuQzustand„ Beispiel 2

Ein Stapel von ausgerichteten Faserlagen wurde aus Filzen von Siliziumkarbidwhiskern (mit einem Durohschnittsseitenverbältnis von 50 : 1 und nach Herstellung gemäß dem in der schwebenden GB-Patentanmeldung 44 612/69 besohriebenen Verfahren) gebildet, wobei jeder Filz Abmessungen von 6 cm . 4 cm und ein Gewicht je Einheitefläche von 0,1 g/cm aufwies. Die Filze wurden mit ihren Aueriohtungsaohsen parallel gestapelt, der Stapel wurde bis au einer Höhe von

2.4 cm aufgebaut und in einer Form der Abmessungen 5»5 em °

6.5 cm angeordnet, ao daß ein Einfasaungsvolumen von angenähert 36 χ 2,4 om unbesetzt an den Seiten der Form in der

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in Fig. 6 erläuterten Weise freigelassen wurde.

Die Form und der Inhalt wurden auf 340 ⁰C erhitzt _o 20 cm einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (mit 6 % Cu, 0,33 # Mg, max. 0,1 £ Ni, 0,13 % Pe, 0,13 f Ti, 0,2 <fo Si, 0,25 # Mn, Rest Al) wurden nach Überhitzung auf 830 ⁰C in das Einfassungsvolumen zwischen dem Stapel aus Faserlagen und der Formseite gegossen, und die Formversohlußplatte wurde schnell betätigt, um die Mischung aus Fasern und Metall nach dem Einkapselungsdruckprogramm entsprechend Beispiel 1 zu komprimierenο Das Kompressionsverhältnis war etwa 1:3, und die Höhe des erhaltenen Mischwerkstoffstüokes betrug 0,7 cm. Das geschmolzene Metall hatte leicht die Faserlagen vom Einfassungsvolumen her durchdrungen und völlig alle die Lagen bildenden Fasern durch Eindringen von den Vorratsräumen zwisohen jeder Lage eingekapselt. Das erhaltene Mischwerkstoffstück hatte die theoretische Dichte von 2,83 g/cm entsprechend einer Aluminiumlegierung (Dichte 2,74 g/om⁵) mit 21 Volumenprozent Siliziumkarbidwhiskern«,

Das Mischwerkstoffstück wurde zu Prüflingen geschnitten, und die Zugfestigkeit des Mischwerkstoffes wurde in der Riohtung der Verstärkungsfaserausriohtung, senkrecht zu dieser Richtung und in einer Zwisohenrichtung gemessen. Die höchste Zugfestigkeit wurde, wie erwartet, in der Faserausriohtungsriohtung gefunden und hatte den beträchtlich hohen Wert von 94,5 kg/mm . Die Zugfestigkeit sank fortlaufend mit steigendem Winkel zur Ausriohtungsrichtung, doch sogar in der schwächsten Riohtung, d. h_o senkrecht zur Ausriohtungsrichtung, wies sie den hohen Wert von 44 bis 47,2 kg/mm auf. Die Größe der Verbesserung mit diesem verhältnismäßig niedrigen Faservolumen ist offenbar angesichts der Zug-

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festigkeit einer Vergleichsprobe aus der verwendeten Aluminiumlegierung ohne Verstärkung, die nur eine Fließgrenze von 18,9 kg/mm und eine Zugfestigkeit von 23,6 bis 28,3 kg/mm aufwies,,

Beispiel 3

Ausgerichtete Faserbänder (mit 80 Gewichtsprozent zerstäubtem Aluminiumpulver entsprechend 0,15 mm Siebmasohenweite und 20 $> Siliziumkarbid-Whiskern mit einem Durohsohnittsseitenverhältnis von 50 : 1) wurden nach dem in der GB-PS 1 249 231 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die ausgerichteten Bänder wurden geschnitten, um gut in die schematisch in Fig. 10 dargestellte Form zu passen.

Nach Figo 10 sind horizontal ausgerichtete Bänder als Stapel aus teilchenförmiges Aluminium enthaltenden Faserlagen innerhalb der Formwände 91 eingeschlossen. Das Formversohlußstüok 92 ist vorgesehen, um das Einkapselungsdruckprogramm durchzuführen, das in den Einzelheiten in der GB-Patentanmeldung 44 312/69 (entsprechend der US-Patentanmeldung Serial-Nr. 70 455) beschrieben ist, nachdem der Stapel zweoks Sohmelzens der Aluminiumteilchen auf 710 ⁰C vorerhitzt wurde, und wird in die Form eingeführt. Der erhaltene Misohwerkstoff war im wesentlichen porenfrei und hatte die theoretische Dichte.

Fig. 10a erläutert eine Bruchstüokansicht eines typischen Teile eines Stapels von ausgerichteten Faeerlagen,

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wo Matrixmetallteilchen 93 in einer Faserlage 94 verteilt gezeigt sind. Die Lage 94 befindet sich zwischen ähnlichen Nachbarlagen 95 und 96, in denen die Ausrichtungsrichtung planparallel, jedoch senkrecht zur Ausrichtungsrichtung der Lage 94 ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes aus einer Metallmatrix und einer Faserverstärkung mit einem bestimmten Muster der Faserausrichtung, dadurch g e k β η η zeichnet , daß man in einer Form (z. B„ 2) im wesentlichen parallele Faserlagen (z_o B₀ 1), deren jede aus einem Band aus im wesentlichen planparallelen Fasern besteht, und zwischen wenigstens einigen der Faserlagen einen Vorrat von geschmolzenem Matrixmetall (z. B. 4) vorsieht und daß man auf diesen Forminhalt einen zum Treiben des gesohmolzenen Metalls bis zum Umgeben im wesentlichen aller Fasern ausreichenden Druck einwirken läßt«

2. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die planparallelen Fasern in irgendeiner Faserlage

(z. B. 1) unidirektional ausgerichtet sind.

3. Verfahren naoh Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planparallelen Fasern in irgendeiner Faserlage

(z. B. 1) in mehr als einer gewählten Richtung ausgeriohtet sind.

4. Verfahren naoh Anspruoh 1, daduroh gekennzeichnet, daß die planparallelen Fasern in irgendeiner Faserlage

(z. B. 1) beliebig ausgerichtet sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daduroh gekennzeichnet, daß ausreichende Matrizmetallvorräte (z. B. 46) zwischen den Faserlagen (z. B. 43) vorgesehen sind, so

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daß der Abstand zwischen "benachbarten Vorräten innerhall) der doppelten Entfernung liegt, die das geschmolzene Matrixmetall vor Erstarrung unter den einwirkenden Temperatur- und Druckbedingungen zurücklegen kann_o

60 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixmetallvorräte (z_o B. 4) in situ durch Schmelzen von festem Matrixmetall gebildet werden, das vorher zwischen wenigstens einigen der Faserlagen (z. B. 1) angeordnet wurde.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Matrixmetall (z_o B. H) zur Bildung der Matrixmetallvorräte geschmolzen wird, bevor die Faserlagen (z. B. 11) und das geschmolzene Matrixmetall in die Form eingeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Matrixmetall (z. B. 4) innerhalb der Form (z. B. 2) geschmolzen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Matrixmetall (z. B. 4) in Form von Blechen bzw. Folien aus Matrixmetall vorgesehen wird, die man zwischen und parallel zu den Faserlagen (z. B«, 1) einfügt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Matrixmetall in Form von Matrixmetallteilchen (93) vorgesehen wird, die im wesentlichen gleichmäßig in jeder Faserlage (z. B. 94) verteilt sind.

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixmetallteilchen (93) gleichmäßige Teilchen mit stetigen Konturen, vorzugsweise kugelförmige Teilchen sind.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, daduroh gekennzeichnet, daß die Durchschnittsteilchengröße wenigstens 60 Mikron beträgt„

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Faserlagen (z„ B. 1) in der Form (z. B₀ 2) senkreoht zur Annäherungeriohtung des Formverschlußstüokes (z. B. 3) angeordnet werden.

H. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, daduroh gekennzeichnet, daß die parallelen Faserlagen (z. B. 31) in der Form (z. B. 32) parallel zur Annäherungsriohtung des Formversohlußstückes (z. B. 33) angeordnet werden.

15. Verfahren nach Anspruoh H, daduroh gekennzeichnet, daß die parallelen Faserlagen durch eine aus einem Band (31) von ausgerichteten Fasern gebildete Holle dargestellt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, daduroh gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Folien aus festem Matrixmetall (34) innerhalb der aus dem Band (31) von ausgerichteten Fasern gebildeten Rolle eingelegt sind.

17. Verfahren naoh einem der Ansprüche 1 bis 5, daduroh gekennzeichnet, daß das geschmolzene Matrixmetall in Form von Vorräten (46) vorgesehen wird, indem man das geeohmol-

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zene Metall (41) unter dem auf den Forminhalt wirkenden Druck längs wenigstens eines Weges (45) zwischen die Faserlagen (43) treibt«,

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise auf merklich oberhalb des Schmelzpunkts überhitzte geschmolzene Matrixmetall (41) auf die im wesentlichen parallelen, in der Form (44) quer zur Druckeinwirkungsrichtung angeordneten Faserlagen (43) gegossen wird, wobei der wenigstens eine Weg (45) für das geschmolzene Metall zum Fließen zwischen die Faserlagen zwischen diesen und der Seite der Form vorgesehen ist, ohne daß es zunächst durch die Faserlagen tritt, wodurch ein Einfassungsvolumen aus geschmolzenem Metall in der Form gebildet wird, von wo es direkt zu den gewünschten Vorratsstellen (46) zwischen den Faserlagen strömen kann.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfassungsvolumen in der Form (44) für das geschmolzene Matrixmetall (41) einen Bruchteil des Gesamtvolumens der Form vor der Kompression darstellt, der angenähert gleich dem zum völligen Verfestigen der Faserlagen (43) und des geschmolzenen Metalls zu einem Misohwerkstoff anzuwendenden KompreBBionsverhältnis (D/B) ist.

20. Verfahren naoh einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen (z. B. 50) parallel zur Richtung des auf die Form (z. B. 51) einwirkenden Drucks angeordnet sind und die Faserlagen vorvgrfestigt werden, um ihre Packungsdichte zu verbessern, ohne daß die MetallvorratBhohlräume zwischen den Faserlagen völlig geschlossen werden.

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21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» 14» 15» 17 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Faserlagen (70) in Gestalt eines aufgerollten Bandes aus Fasern in die Form (73) gedrückt werden, die bereits geschmolzenes Matrixmetall (72) enthält»

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19» daduroh gekennzeichnet, daß ein Zylinder aus Misohwerkstoff erzeugt wird, indem man einen Stapel von ringförmigen Faserlagen (80) in der Form unter Schaffung eines axialen Einfassungsvolumens (81) in der Mitte des Stapels bildet, das gesohmolzene Matrixmetall (aus dem Tiegel 82) in das Einfassungsvolumen gießt und diö Faserlagen und das gesohmolzene Metall zwischen die ringförmigen Faserlagen und von da um die Fasern in jeder Lage eindringt.

23. Verfahren nach einem der Anaprüohe 1 bis 22, daduroh gekennzeichnet, daß jede parallele Faserlage (z. B. 1 oder 94) duroh Extrusion einer Dispersion von Fasern in einer viskosen Flüssigkeit duroh eine ausrichtende Düse auf eine relativ dazu bewegte permeable Oberfläche bzw. entsprechend der Beschreibung der GB-PS 1 249 291 oder der GB-Patentanmeldung 44 612/69 hergestellt wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23» daduroh gekennzeichnet, daß das Verfahren mit einer Form ausgeführt wird, wie sie im Zusammenhang mit den Zeichnungen der US-Patentanmeldung Serial Number 70 455 oder der GB-Patentanmeldung 44 612/69 beschrieben ist.

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25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 24» dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Form (z_o B₀ 2) angewendete Druckprogramm zur Herstellung des Mischwerkstoffes Anspruch 1 oder Anspruch 13 der US-Patentanmeldung Serial dumber 70 455 entspricht«

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Pasern Kohlenstoff- oder Borfasern in halbkontinuierlicher oder Stapelfaserform, Glas, Kieselsäure, feste Metalldrähte, Asbest oder Siliziumkarbid-, Siliziumnitrid- oder Aluminiumoxydwhisker sind.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall Aluminium, Magnesium, Titan, Kupfer, Nickel, Blei oder Zinn oder eine wenigstens eines dieser Metalle enthaltende Legierung ist.

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