DE2210771B2

DE2210771B2 - Verfahren zur Herstellung eines Faser-Verbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE2210771B2
Application number: DE19722210771
Authority: DE
Inventors: John Corjeag Waltham Abbey Essex Cannell; Rodney Seymour Hoddesdon Hertfordshire Leaper; Noel James Lughton Essex Parratt
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1971-03-05
Filing date: 1972-03-06
Publication date: 1980-08-21
Also published as: FR2128634A1; DE2210771A1; DE2210771C3; NL7202949A; GB1359554A; FR2128634B1; JPS5436138B1; CA970527A; AU3967872A; SE391883B; CH547170A; BE780282A; IT952119B; AU464943B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art.

Es wurde bereits die Herstellung von Metallverbundwerkstoffen nach Verfahren entwickelt, bei denen ein bestimmtes Druckprogramm auf eine 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 wird. Verbundwerkstoffe nach diesen Verfahren besitzen die theoretische, für eine Mischung aus den Bestandteilen des Verbundwerkstoffs vorhergesagte Dichte und nach Extrusion gute Festigkeits- und Steifheitswerte im Vergleich mit den unverstärkten Metallmatrixstoffen.

ίο Jedoch sind diese Verbundwerkstoffe wesentlich weniger fest und steif als man vernünftigerweise voraussagen könnte, wegen der Schwierigkeit des Einfahrens hoher Volumenanteile von feuerfesten Fasern und des Bruchs der in den Verbundwerkstoff eingeführten

Fasern, wenn der gegossene Verbundwerkstoffbarren

extrudiert wird, um die Verbundwerkstoffeigenschaften durch Ausrichten einiger verstärkender Fasern in der

Extrusionsrichtung möglichst stark zu verbessern. Aus Broutman/Krock »Modern Composite Mate-

rials«, 1967, S. 412—421 und 436—441 sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Faser-Verbundwerkstoffen bekannt Werden nichtmetallische Fasern eingesetzt, versieht man sie vorzugsweise mit einem Metallüberzug, um die Benetzung durch das Matrixmetall zu verbessern und die Gefahr des Faserbruchs zu verringern, die beim Heißpressen des Verbundwerkstoffs unter dem Matrixmetallschmelzpunkt auftritt. Ein Verfahren sieht vor, Matrixmetallschmelze in ein zusammenhängendes Faserbündel zu infiltrieren und

jo den Werkstoff nach der Metallerstarrung warmzuverformen. Ein anderes Verfahren besteht aus der Infiltration von Metallschmelze in Bündel aus parallelen metallischen Fasern ohne Nachbearbeitung. Nach einem weiteren Verfahren infiltriert man Metallschmel-

r, ze in metallische Fasermatten und walzt den Verbundkörper. Schließlich sieht ein Verfahren vor, abwechselnd Schichten von Blech und Fasern zu verwenden und sie durch Diffusion, d. h. ohne Schmelzen des Metalls, zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzte Verfahren so zu verbessern, daß dor danach hergestellte Faser-Verbundwerkstoff nichtmetallische, insbesondere feuerfeste Verstärkungsfasern bis zu etwa 50 Volumen-

•r, prozent oder mehr enthalten kann und bereits im gegossenen Zustand einen hohen Grad der Faserausrichtung in bestimmten Richtungen aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1

w gelöst.

Ausgestaltungen und eine Abänderung dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Anordnung der Faserlagen vor dem Einwirken des Drucks auf den Forminhalt wird gewählt, um das

ν-, bestimmte Muster der Faserausrichtung im erhaltenen Verbundwerkstoff 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.

w) 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 Verbundwerk-

h^r> Stoffs 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 geschmolzenem 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 geschmolzenem Matrixmetall in einer ausreichenden Zahl von Stellen innerhalb einer Masse von ausgerichteten Verstärkungsfasern vorgesehen werden nuß, um sicherzustellen, daß die Maximalentfernung zwischen 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 Verbundwerkstoff einführbar ist wenn verhältnismäßig dichte Bänder von ausgerichteten und daher dicht gepackten Verstärkungsfasern im wesei./liehen parallel untereinander angeordnet werden und man Durchgangswege zwischen wenigstens einigen dieser Bänder vorsieht, die sich mit geschmolzenem Matrixmetall füllen lassen, um Vorräte mit dem notwendigen Minimalabstand voneinander vorzusehen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich in einer Anzahl von Varianten durchführen, gemäß denen verschiedene Kombinationen von Faserlagen und Metallschmelzenvorräten verwendet werden, und einige typische Verfahrensarten werden anhand der « Zeichnung näher erläutert

Bei einem schematisch in F i g. 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 r> anzulegenden Drucks eingelegt und Bleche oder Folien aus festem Matrixmetall 4 sind zwischen wenigstens einigen der Faserlagen angeordnet, wobei zwischen benachbarten Matrixmetallblechen 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 Ausfuhrungsbeispiel 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 zu 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 nicht schmilzt Der eingeschlossene Stapel aus Faserlageu und Matrixmetallblechen wird dann zwecks Schmelzens des Matrixmetalls erhitzt und die erhaltene eingeschlossene Mischung aus Verstärkungsniaterial und Metallschmelze wird in die Form eingeführt und, wie zuvor ω 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 des Erhitzens und Überführens in die Form dient und es nicht beabsichtigt ist daß der Behälter genügend fest oder geeignet abgedichtet ist, um als deformierbare Membran zum Übertragen von isostatischem Druck auf das im Behälter enthaltene geschmolzene Metall zu wirken. Der Formpreßdruck wird vorteilhaft direkt auf die Mischung 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 Formverschlußstückes ausgerichtet sind, der erhaltene Verbundwerkstoff seine Hauptverstärkung senkrecht zur Richtung des aufgebrachten Drucks haben wird. Dies ist äußerst befriedigend, wenn die Form eine verhältnismäßig breite flache Gestalt aufweist und zur Herstellung von Blech-, Band- oder Streifenverbundwerkstoffstukken bestimmt ist Wenn jedoch ein Verbundwerkstoffteil in der Form einer Stange oder eines Zylinders mit dem bestimmten Muster der Faserausrichtung als Hauptverstärkung in Längsrichtung der Stange oder des Zylinders benötigt wird, sind die vorstehenden Ausführungsbeispiele dazu offenbar weniger geeignet In Weiterbildung der Erfindung werden daher für diesen Fall Faserlagen in der Form parallel zur Annäherungsrichtung des Formverschlußstückes zur Form angeordnet Diese Anordnung kann die Form eines Stapels aus Faserlagen und Matrixmetallblechen bzw. -folien wie nach den vorigen Ausführungsbeispielen mit der Ausnahme aufweisen, daß die Ebene der Faserlagen parallel zur Annäherungsrichtung des Formverschlußstückes liegt wie F i g. 3 zeigt Nach F i g. 4 sieht indessen ein bevorzugter Aufbau insbesondere für die Herstellung von zylindrischen Barren mit sich längs erstreckender Verstärkung vor, daß in einer Form 32 eine Faserlage in der Gestalt eines aufgerollten Bandes 31 aus ausgerichteten Fasern angeordnet wird, wobei die Längsachse der Rolle parallel zur Annäherungsrichtung des Formverschlußstückes 33 liegt Ein oder mehrere Bleche aus Matrixmetall 34 sind innerhalb des aufgerollten Bandes von ausgerichteten Fasern 31 zwischengefügt um nach Erhitzung Vorräte aus geschmolzenem Metall zu bilden, wobei wiederum zwischen benachbarten Vorräten ein Abstand von nicht mehr als dem doppelten Durchdringungsweg 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 wesentlichen parallele Faserlagen bilden, wie der Begriff hier zu verstehen ist obwohl in diesem Fall jede Lage nicht aus einem Faserband mit einer besonderen Begrenzung besteht das sich klar von dem eine parallele Faserlage bildenden Band trennen läßt.

Nach den bisherigen Ausführungsbeispielen wurden die Vorräte von geschmolzenem Metall innerhalb des Musters von ausgerichteten Verstärkungsfasern angebracht indem man zuerst das Matrixmetall in Blechform, d.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 ausgerichteien Fasermusters zu führen und es so dahin zu bringen, von wo die Durchdringung der Fasern erfolgen kann. Es ist klar, daß eine solche Verfahrensweise unter den Fehlern des 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 Mischwerkstoffe auch unter Verwirklichung dieses Grundgedankens erfolgreich herstellbar sind, wenn gesichert wird, daß während der Druckeinwirkung auf

eine Mischung von geschmolzenem Metall und ausgerichteten Faserlagen 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. Es ist wesentlich, einen Weg für das geschmolzene Metall zwischen den Faserlagen vorzusehen, der nicht beim Beginn der Druckeinwirkung blockiert wird. Dies wird ohne weiteres erreicht, wenn die ausgerichteten Faserlagen parallel zur Annäherungsrichtung des Formverschlußstückes entsprechend Fig.3 und 4 angeordnet sind, da das sich nähernde Formverschlußstück 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 Faseriagen auftritt, so daß der Faservolumenanteil im erhaltenen Verbundwerkstoff nicht so hoch wie gewünscht ist. Nach einer Abänderung der Erfindung lassen sich sehr befriedigende Verbundwerkstoffe herstellen, indem man geschmolzenes Metall auf im wesentlichen parallele Faserlagen gießt, die in einer Form quer zur Annäherungsrichtung des Forrnverschlußstückes 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 geschmolzenem Metall in der Form gebildet wird, von wo es direkt zwischen die Faserlagen zu den gewünschten Vorratsräumen 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 Faseranteilen zu ergeben, die über 50 Volumenprozent betragen können. Ein typisches Ausführungsbeispiel ist in F i g. 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 Annäherungsrichtung des (nicht dargestellten) Formverschlußkolbens angeordnet sind. Wege 45 sind zwischen den Faserlagen und den Formseiten vorgesehen, und das geschmolzene Metall wird durch den Kolbendruck längs dieser Wege und von da zu den Vorratsräumen, wie z. B. 46, zwischen den Faserlagen getrieben. Die Mindestmengen von geschmolzenem Metall, die zum völligen Durchdringen einer parallelen Faserlage in dieser Weise erforderlich sind, lassen sich ohne weiteres unter Bezugnahme auf F i g. 6 errechnen, wo Fig.6a einen Stapel von Faserlagen vor dem Zusammendrücken zeigt, die sich quer zur Form über eine Breite A erstrecken und ein Einfassungsvolumen für geschmolzenes Metall über eine Breite von C zwischen den Faserlagen und der Formseite freilassen. Wenn der Formverschlußkolben die beiden Bestandteile mit einem Kompressionsverhältnis von D/B (s. Fi g. 6a und 6b) zusammendrückt, läßt sich zeigen, daß der erforderliche Einfassungsvolumenanteil

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abzüglich des Verhältnisses des von den Fasern im Mischwerkstoff eingenommenen Volumenanteils zun Gesamtvolumen in der Form vor der Kompression seil sollte. Als praktische Anleitung sollte daher, da de letztere Begriff gewöhnlich klein ist, der erforderlich« Einfassungsvolumenanteil zwischen den Faserlagen um der Formseite angenähert dem zum vollen Verfestiger des Mischwerkstoffes benötigten Kompressionsverhält nis gleich sein.

Verschiedene Abänderungen der Verfahren gemäl der Erfindung leuchten ohne weiteres ein. Zum Beispie läßt sich der Faservolumenanteil der Mischwerkstoffe die mit Faserlagen parallel zur Annäherungsrichtunj des Formverschlußstückes (wie anhand von Fig.« beschrieben) hergestellt werden, durch Erzeugen eine vorverfestigten Pfropfes von ausgerichteten Faseriagei und Eingießen von geschmolzenem Metall auf diesel Pfropf verbessern. Praktisch läßt sich eine beträchtlich! Vorverfestigung der Faserlagen vornehmen, ohne dal dadurch das Durchdringen des geschmolzenen Metall zu den Vorratsstellen verhindert wird. F i g. 7 erläuter eine typische Anordnung eines vorverfestigten rechtek kigen Pfropfes 50 in einer Form 51 zur Aufnahme eine Charge aus geschmolzenem Metall 52 von einem Tiege 53 vor der Einwirkung des Formdruckes.

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel ist ii F i g. 8 veranschaulicht, wo parallele Faserlagen in de Gestalt eines aufgerollten Bandes 70 von Fasern ai einem Formverschlußkolben 71 angebracht sind und ii in einer Form 73 enthaltenes geschmolzenes Metall 7: eingeführt werden.

Nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gemäl Fig.9 wird ein Stapel von ringförmigen Faseriagei vorgesehen, um einen Zylinder 80 zu bilden, in dem de; axiale Raum 81 als Einfassungsvolumen für da: geschmolzene Matrixmetall dient, das aus dem Tiegel 8; in die Form gegossen wird. Druck von einem (nich dargestellten) Formverschlußstück treibt das geschmol zene Metall seitlich zwischen die ringförmigen Faseria gen und von da um die Fasern in jeder Lage. De erhaltene Verbundwerkstoff hat einen Kern au: Matrixmetall, der sich ohne weiteres ausbohren läßt, un einen hohlen Verbundwerkstoffzylinder zu erhalten, de sich zu einen Verbundwerkstoffrohr extrudieren läßt. E ist günstig, daß hierbei eine übermäßig hohe Werkzeug abnutzung vermieden wird, da die verschleißende) feuerfesten Fasern das Rohrwerkzeug nicht zu berührei brauchen.

Die Bänder aus im wesentlichen planparallelei Fasern, die zur Bildung der im wesentlichen parallele) Faserlagen gemäß der Erfindung benötigt werder lassen sich geeignet mittels Extrusion einer Dispersioi von Fasern in einer viskosen Flüssigkeit durch eini ausrichtende Düse auf eine relativ dazu bewegt« permeable Oberfläche erzeugen, wie z. B. ausführlich ii der DE-OS 17 60 073 beschrieben ist In dieser Weist hergestellte Bänder aus planparallelen Fasern habei einen hohen Grad von Ausrichtung, und so gu ausgerichtete Bänder fördern weitgehend das Erhaltet hoher Volumenanteile von Fasern in den erfindungsge maß hergestellten Verbundwerkstoffen.

Die nichtmetallischen Faserverstärkungsmaterialien die sich beim Verfahren gemäß der Erfinduni verwenden lassen, sind hauptsächlich solche feuerfest« Materialien, von denen man im Verbundwerkstof verbesserte Eigenschaften im Vergleich mit den Matrixmetall allein erwarten kann, und umfassei Kohlenstoff- und Borfasern in Stapelfaser- ode halbkontinuierlicher Form, Glas, Kieselsäure um

Asbestfasern und Whisker aus Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid. 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 Verbundwerkstoffen mit weniger aufwendigem Fasermaterial.

Nach einem anderen alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man das Matrixmetall auch in festem Zustand als Teilchen vorsehen, die zwischen den Faserlagen verteilt werden und die Vorratsstellen einnehmen. Das teilchenförmige Matrixmetall kann dann in situ an den Vorratsstellen entweder vor oder auch nach dem Einbringen des Matrixmetalles 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 12 49291 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 μπι übersteigen. Die maximale Durchschnittsteilchengröße sollte jedoch nicht den Abstand übertreffen, der benachbarte parallele Faserlagen trennt. Die Gestalt der Matrixmetallteilchen 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 Verbundwerkstoffe kann irgendein Metall sein, das nicht mit den ausgewählten Verstärkungsfasern während der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte 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.

Das bevorzugte Druckpmgramm, das zur Erzeugung der Verbundwerkstoffe gemäß der Erfindung aus bestimmten Kombinationen von Verstärkungsfasernund Matrixmetall erforderlich ist, muß allgemein durch Versuch bestimmt werden.

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

Beispiel 1

Ein Stapel von ausgerichteten Faserlagen mit Zwischenfügung von Lagen aus Aluminiumlegierungsfolie (2^% Cu, 1,5% Mg, 1% Ni, 1,1% Fe, 0,06% Ti, 0,2% Si, Rest Al mit einem Schmelzpunkt von 630⁰C) wurde aus Bändern von ausgerichteten Siliziumkarbidwhiskern (mit einem Seitenverhältnis zwischen 5:1 und 50:1), gebildet Die Whiskerlagen hatten ein Gewicht je Flächeneinheit von 0,1 g/cm² und die Aluminiumfolie eine Dicke von 0,6 nun. 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 Legierung. Der Stapel wurde in dieser Weise bis zu einer Gesamtdicke von 1,52 cm aufgebaut, in reiner Aluminiumfolie (Schmelzpunkt 667° C) eingeschlossen und auf 660⁰C erhitzt. Der erhitzte Stapel wurde schnell in eine Form überführt, wobei die Ebene der Lagen senkrecht zur Annäherungsrichtung des Formverschlußkolbens lag. Man ließ ein Einkapselungsdruckprogramm von etwa 35 bar für etwa 0,2 Sekunden mit anschließend von 141 auf 472 bar anwachsendem

ίο Druck einwirken, um den Stapel auf etwa 0,15 cm Höhe zu verringern. Der erhaltene Verbundwerkstoff enthielt 16 Volumenprozent Whisker, war im wesentlichen porenfrei und von theoretischer Dichte und hatte eine Zugfestigkeit von 660 N/mm² im Vergleich mit einem Wert von 315 N/mm² für eine entsprechend reine Aluminiumlegierungsprobe im Gußzustand.

Beispiel 2

Ein Stapel von ausgerichteten Faserlagen wurde aus Filzen von Siliziumkarbidwhiskern (mit einem Durchschnittsseitenverhältnis von 50 :1) gebildet, wobei jeder Filz Abmessungen von 6 cm · 4 cm und ein Gewicht je Einheitsfläche von 0,1 g/cm² aufwies. Die Filze wurden mit ihren Ausrichtungsachsen parallel gestapelt, der Stapel wurde bis zu einer Höhe von 2,4 cm aufgebaut und in einer Form der Abmessungen 5,5 cm · 6,5 cm angeordnet, so daß ein Einfassungsvolumen von

angenähert 36 χ 2,4 cm unbesetzt an den Seiten der Form in der in Fig.6 erläuterten Weise freigelassen wurde.

Die Form und der Inhalt wurden auf 340° C erhitzt 20 cm³ einer geschmolzenen Aluminiumlegierung (mit

6% Cu, 033% Mg, max. 0,1% Ni, 0,13% Fe, 0,13% Ti, 0,2% Si, 0,25% Mn, Rest Al) wurden nach Überhitzung auf 830° C in das Einfassungsvolumen zwischen dem Stapel aus Faserlagen und der Formseite gegossen, und die Formverschlußplatte wurde schnell betätigt, um die Mischung aus Fasern und Metall nach dem Einkapselungsdruckprogramm entsprechend Beispiel 1 zu komprimieren. Das Kompressionsverhältnis war etwa 1 :3, und die Höhe des erhaltenen Mischwerkstoffstükkes 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 zwischen jeder Lage eingekapselt Das erhaltene Verbundwerkstoffstück hatte die theoretische Dichte von 233 g/cm³ entsprechend einer Aluminiumlegierung (Dichte 2,74 g/ cm³) mit 21 Volumenprozent Siliziumkarbidwhiskern.

Das Verbundwerkstoffstück wurde zu Proben geschnitten, und die Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes wurde in der Richtung der Verstärkungsfaserausrichtung, senkrecht zu dieser Richtung und in einer Zwischenrichtung gemessen. Die höchste Zugfestigkeit wurde, wie erwartet, in der Faserrichtung gefunden und hatte den beträchtlich hohen Wert von 945 N/mm². Die Zugfestigkeit sank fortlaufend mit steigendem Winkel zur Faserrichtung, doch sogar in der schwächsten Richtung, d. h. senkrecht zur Faserrichtung, wies sie den hohen Wert von 440 bis 472 N/mm² auf. Die Größe der Verbesserung mit diesem verhältnismäßig niedrigen Faservolumen ist offenbar angesichts der Zugfestigkeit einer Vergleichsprobe aus der verwendeten Aluminiumlegierung ohne Verstärkung, die nur eine Fließgrenze von 189 N/mm² und eine Zugfestigkeit von 236 bis 283 N/mm² aufwies.

Beispiel 3

Ausgerichtete Faserbänder (mit 80% zerstäubtem Aluminiumpulver entsprechend 0,15 mm Teilchendurchmesser und 20% Siliziumkarbid-Whiskern mit einem Durchschnittsseitenverhältnis von 50 :1) wurden nach dem in der GB-PS 12 49 231 beschriebenen Verfahren hergestellt. Die ausgerichteten Bänder wurden geschnitten, um gut in die schematisch in F i g. 10 dargestellte Form zu passen.

Nach F i g. 10 sind horizontal ausgerichtete Bänder 90 als Stapel aus teilchenförmiges Aluminium enthaltenden Faserlagen innerhalb der Formwände 91 eingeschlossen. Das Formverschlußstück 92 ist vorgesehen, um ein

10

Einkapselungsdruckprogramm durchzuführen, nachdem der Stapel zwecks Schmelzens der Aluminiumteilchen auf 710° C vorerhitzt wurde, und wird in die Form eingeführt. Der erhaltene Verbundwerkstoff war im wesentlichen porenfrei und hatte die theoretische Dichte.

Fig. 10a erläutert eine Bruchstückansicht eines typischen Teils eines Stapels von ausgerichteten Faserlagen, wo Matrixmetallteilchen 93 in einer Faserlage 94 verteilt gezeigt sind. Die Lage 94 befindet sich zwischen ähnlichen Nachbarlagen 95 und 96, in denen die Faserrichtung planparallel, jedoch senkrecht zur Faserrichtung der Lage 94 ist.

3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Faser-Verbundwerkstoffes aus einer Metallmatrix und nichtmetallischen Fasern mit einem bestimmten Muster der Faserausrichtung, bei dem man in einer Form Metallschmelze und Verstärkungsfasern ohne Metallüberzug anordnet und auf diesen Forminhalt Druck zum Umhüllen der Fasern mit Metallschmelze einwirken läßt, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fasern in der Form als eine Mehrzahl von aus wenigstens einem Band im wesentlichen planparalleler Fasern gebildeten Faserlagen angeordnet werden und

daß so viel Matrixmetall zwischen wenigstens einigen der Faserlagen vorgesehen wird,
daß der Abstand zwischen benachbarten Matrixschichten innerhalb der doppelten Entfernung liegt, die die Matrixmetallschmelze vor Erstarrung unter den einwirkenden Temperatur- und Druckbedingungen vordringen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen zu einer aus einem Band von ausgerichteten Fasern gebildeten Rolle gewickelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Folien aus Matrixmetall innerhalb der aus dem Band von ausgerichteten Fasern gebildeten Rolle eingewickelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmetall in Form von Pulverteilchen, vorzugsweise kugelförmiger Gestalt mit einer Durchschnittsteilchengröße von wenigstens 60 μηι, gleichmäßig in jeder Faserlage verteilt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen in Gestalt eines aufgerollten Bandes aus Fasern in die Form gedrückt werden, die Matrixmetallschmelze enthält.

6. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das auf oberhalb des Schmelzpunkts überhitzte Matrixmetall auf die im wesentlichen parallelen, in der Form quer zur Druckeinwirkungsrichtung angeordneten Faserlagen gegossen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Stapel von ringförmigen Faserlagen in der Form mit einem axialen Einfassungsvolumen in der Mitte des Stapels die Matrixschmelze in das Einfassungsvolumen gegossen wird und die Faserlagen und die Metallschmelze zum Treiben der Metallschmelze zwischen die ringförmigen Faserlagen und von da um die Fasern in jeder Lage gepreßt werden.