DE2419725A1

DE2419725A1 - Leichtmetall/glas-verbundwerkstoffe

Info

Publication number: DE2419725A1
Application number: DE2419725A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl Phys Dr Coenen
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1974-04-24
Filing date: 1974-04-24
Publication date: 1975-10-30
Also published as: DE2419725C3; DE2419725B2

Description

Leichtmetall/Glas-Verbundwerkstoffe Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe aus Leichtmetallen mit Verbundkomponenten aus Gläsern, die in diese Leichtmetalle in Form von Fasern zur Verstärkung oder in Form von Hohlkugeln oder Schaumglas zur Verringerung des Raumgewichtes eingebaut werden können.
Es ist bekannt, Leichtmetalle zur Verbesserung ihrer Warmfestigkeit mit Fasern von hoher Eigenfestigkeit und hohem E-Modul, wie SiC-Whiskern und Borfasern, zu verstärken. Die außerordentlich hohen Herstellungskosten solcher Verstärkur.gsfasern unterbinden jedoch eine verbreitete Anwendung dieser Verbundwerkstoffe.
Wesentlich preisgünstiger lassen sich Glasfasern herstellen, die jedoch wegen ihrer üblicherweise hohen Gehalte an SiO2, B203 und anderen Oxiden von den Leichtmetallen bei den hohen Einarbeitungstemperaturen (500 - 7000 C) durch chemische Reduktion angegriffen werden. Durch den Angriff werden die solche Oxide enthaltenden Gläser soweit geschwächt, daß die daraus bestehenden Fasern keine verstärkende Wirkung mehr aufweisen.
Es ist bereits versucht worden, den Angriff von Glasfasern üblicher Zusammensetzung, vor allem Quarzglasfasern, dadurch zu verringern, daß z.B. dem Aluminium ein hoher Prozentsatz Silicium zulegiert wurde. Dadurch wurden aber die Eigenschaften des Leichtmetalls in unerwünschter Weise verändert.
Versuche, den Angriff durch einen Schutzüberzug auf der Faser zu verhindern, sind zwar gemacht worden, haben aber bisher nicht zu befriedigenden Ergebnissen geführt, da offenbar das Eindiffundieren des geschmolzenen Leichtmetalls durch solche ueberzüge nicht ganz vermieden werden kann.
Gläser üblicher Zusammensetzung haben außerdem den Nachteil, daß ein irreversibler, hoher Festigkeitsverlust bei der Temperatur der Einarbeitung in die Leichtmetalle auftritt.
Schließlich haben sie den Nachteil, daß ihr Elastizitätsmodul kleiner oder nur wenig.höher als der der Leichtmetall-Legierungen ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung sind Leichtmetall/Glas-Verbunawerkstoffe mit Gläsern als Verbundkomponenten, die aufgrund ihrer Zusammensetzung von den üblichen Legierungsbestandteilen der Leichtmetalle, vorwiegend Aluminium und Magnesium, nicht nachteilig beeinflußt werden.
Ein-weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Verstärkungskomponenten in Form von Fasern, Hohlfasern, Hohlkugeln oder andern Teilen aus solchen Gläsern.
Ein anderes Ziel der Erfindung sind Verstärkungskomponenten aus resistenten und temperaturverträglichen Gläsern, die einen Elastizitätsmodul haben, der wesentlich höher als der von Aluminium (~7,2 x 101O N/m2) ist.
Diese Ziele werden erfindungsgemäß erreicht mit Glaszusammensetzungen aus Oxiden der Elemente Al, Li, Be, Mg, Ca, Sr, Sc, Y, La, Ce, Gd, Th; bedingt auch Ba und Zr.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert: Beispiel 1 In einer Versuchsanlage wurde ein Glas der Zusammensetzung (Gewichtsprozente) 47,0 Al203 + 39,0 CaO + 12,5 BaO + 1,5 ZrO2 in einem Platintiegel aufgeschmolzen und dadurch zu Fasern verarbeitet, daß das Glas nach oben auf einer sich schnell drehenden Trommel aufgewickelt wurde. Die Fasern waren quasi endlos. Der Durchmesser schwankte zwischen 10 und 50 /um.
Der E-Modul des Ausgangsglases betrug 11 x 1010 N/m2, die Einfriertemperatur Tg = 7300 C, die Zugfestigkeit der Faser für 10 µm # # 0,25 x 1010 N/m2.
Zur Herstellung von Verbundwerkstoffen wurden die Fasern beim Durchlaufen durch eine Leichtmetallschmelze mit der Legierung überzogen und sofort'zu einem Strang zusammengefaßt.
Beispiel 2 Eine Schmelze des Glases nach Beispiel 1 wurde durch einen Bodenauslauf eines Tiegels in einem feinen Strahl abgelassen und von'einem Luftstrahl zu Faserstücken von einigen Dezimetern Länge verblasen. Der Durchmesser der Fasern schwankte je nach Versuchsbedingungen zwischen 2 und 50 um. Die Festigkeit betrug nach einstündiger Behandlung bei 500° C noch 60 %, bis 7000 C noch 35 % des Ausgangswertes. Die Anfangsfestigkeit für 10 /um war r ~ 0,30 x 1010 N/m2.
Die Faserstücke wurden nach an sich bekannten Verfahren auf einheitliche Länge gebracht und nach dem Glyzerin-Verfahren ausgerichtet, worauf sie mit einer flüssigen Leichtmetall-Legierung getränkt wurden.
Beispiel 3 Aus dem Glas nach Beispiel 1 wurden für die Verträglichkeitsmessung Stäbe von einigen Millimeter Durchmesser gezogen. Ein Stab wurde 2 Stunden lang in eine mit Flußmittel überschichtete Aluminiumschmelze bei 8500 C getaucht. Der Glasstab blieb klar.
Beispiel 4 Aus einem Glas mit der Zusammensetzung (Gew.-) 45 Al203 + 29 BaO + 22 Ca0 + 2,2 MgO + 1,8 Li20 wurden Faserstücke von 60 mm Länge gezogen und in ein Quarzglasröhrchen eingebracht, das anschließend mit geschmolzenem Aluminium auf die gleiche Länge gefüllt wurde. Die Biegefestigkeit stieg mit 5 % Fasern auf etwa das Doppelte, mit 10 % auf das Zwei- bis Dreifache des Wertes für unverstärktes Aluminium.
Beispiel 5 Aus einem Glasrohr von 12 mm äußerem Durchmesser und 1,5 mm Wanddicke wurden für Versuche Hohlkugeln von etwa 20 mm Durchmesser von Mund geblasen. Die Kugeln wurden in eine Form geschüttet, so daß der Boden gerade bedeckt war. Auf die Kugelschicht wurde flüssiges Aluminium tropfen gelassen. So wurde schichtweise ein Verbundkörper der Abmessungen 6 x 12 x 20 cm3 aufgebaut. Die Raumdichte betrug 1,70 g/cm³.

Claims

P atentansprüche

0 Verbundwerkstoffe aus Leichtmetallen bzw. deren Legierungen und anorganischen, nichtmetallischen Zuschlagstoffen als Verstärkungskomponenten, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskomponenten aus Gläsern bestehen, die im wesentlichen kein SiO2 enthalten.
2. Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, aus Aluminium oder seinen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskomponenten aus Gläsern der Oxide Li20, BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, Al203, Sc203, Y203, La20, CeO, Gd203, Zr02, ThO2 insgesamt oder teilweise bestehen.
3. Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, aus Aluminium oder seinen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungskomponenten Fasern aus Gläsern gemäß Anspruch 2 sind.
4. Verbundwerkstoffe nach Anspruch 1, aus Aluminium oder seinen Legierungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Verringerung des Raumgewichtes Hohlkugeln oder Schaumglas aus Gläsern nach Anspruch 2 eingebettet enthalten.