DE2644272A1

DE2644272A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von mit fasern verstaerkten erzeugnissen

Info

Publication number: DE2644272A1
Application number: DE19762644272
Authority: DE
Inventors: Takeo Arai; Keisuke Ban; Noriaki Miyake; Tatsuo Sakakibara; Nagano Ueda
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Art Metal Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Art Metal Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1975-09-30
Filing date: 1976-09-30
Publication date: 1977-04-14
Also published as: US4506721A; JPS5312446B2; JPS5260222A; DE2644272C2; IT1066182B; FR2326259A1; GB1567328A; FR2326259B1

Description

Verfahren und Vorrichtung zinn Herstellen von mit Pasern verstärkten Erzeugnissen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gießform zum Herstellen eines mit Fasern verstärkten zusammengesetzten Materials.

Zu den bis jetzt bekannten Verfahren zum Herstellen von mit Fasern verstärkten zusammengesetzten Materialien, die eine Matrix aus Metall aufweisen, gehören z.B. das Autoklavverfahren, das Sinterverfahren, das Heißpreßverfahren und andere Verfahren. Das Autoklavverfahren, das es ermöglicht, einen aus Fasermaterial bestehenden Körper herzustellen und diesen Körper unter Druck mit einer im geschmolzenen Zustand befindlichen Legierung zu imprägnieren, bietet den Vorteil, daß die Fasern nur in einem geringen Ausmaß beschädigt werden. Jedoch ist dieses Verfahren in seiner Anwendung kompliziert, und da es erforderlich ist, ein Druckgefäß zu benutzen» ergeben sich Beschränkungen bezüglich des anwendbaren Drucks, was zur Folge hat, daß es bei der Herstellung eines solchen zusammengesetzten Körpers schwierig ist, dafür zu sorgen, daß die Matrix in der gewünschten Weise verstärkt wird, daß der Körper die gewünschte Form erhält, und daß ein solcher zusammengesetzter Körper zu einem Bestandteil eines Konstruk-

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tionsteils wird, wie es z„B. erforderlich ist, wenn der Boden eines Kolbens für einen Kraftfahrzeugmotor verstärkt werden soll.

Beim Sinterverfahren verwendet man ebenso wie beim Heißpreßverfahren dagegen in erster Linie pulverförmige Metalle und Metallegierungen zur Herstellung der Matrix. Daher ist es bei diesen Verfahren erforderlich, das Pulver und das Fasermaterial zu mischen, um einen Körper mit der gewünschten Zusammensetzung zu erhalten, und auf das Materialgemisch muß ein Druck aufgebracht werden, bis die Masse keine Hohlräume mehr aufweist; hierbei besteht die Gefahr, daß Fasern zerrissen werden, und daß keine ausreichende Verstärkungswirkung der Fasern erzielt wird. Ferner ist es bei diesen Verfahren schwierig, das Materialgemisch in die gewünschte Form zu bringen oder es als Bestandteil eines Konstruktionsteils zu verwenden.

Im Hinblick auf die genannten Nachteile der bekannten Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, im Wege der Massenfertigung und mit geringem Kostenaufwand ein zusammengesetztes Material herzustellen, bei dem eine hervorragende Verstärkungswirkung erzielt wird, das es ermöglicht, die verschiedenen Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich bei den geschilderten bekannten Verfahren ergeben, bei dem sich aus einem zusammengesetzten Material Körper mit der gewünschten Form herstellen lassen, bei dem ein Teil eines Konstruktionsteils aus einem zusammengesetzten Material hergestellt werden kann, und bei dem sich die Matrix leicht verstärken läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Verfahren geschaffen worden, bei dem anorganische Fasern in eine beliebige Form gebracht werden, und bei dem ein Matrixmaterial, z.B. Gußeisen, Kupfer, Aluminium, Magnesium oder eine Legierung dieser Metalle unter Anwendung eines Hochdruck-Erstarrungs-

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und -Gießverfahrens in den geformten Körper aus anorganischen Fasern eingebracht wird, so daß man den gewünschten zusammengesetzten Körper erhalte

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Einwirkungsdauer eines aufgebrachten Drucks und dem Druck der Schmelze bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines zusammengesetzten Körpers;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Fülldichte des aus Fasern geformten Körpers und dem Verdichtungsverhältnis;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Fülldichte des aus Fasern geformten Körpers und dem Füllungsverhältnis bei dem fertigen zusammengesetzten Material;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und der Biegefestigkeit eines erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Körpers bzw. derjenigen eines Körpers aus einem Vergleichsmaterial;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und der Härte des erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Materials bzw. derjenigen eines Vergleichsmaterials;

Figo 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Gleitgeschwindigkeit und dem Abriebkoeffizienten eines

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erfindungsgemäß hergestellten zusammengesetzten Materials bzw. demjenigen eines Vergleichsmaterials;

Fig. 7 einen axialen Schnitt einer Ausführungsform einer Gießform zur Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druck und der Zeit bei dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Erstarrungs- und -Gießverfahren, wobei die Schaulinie X für ein zusammengesetztes Material nach der Erfindung und die Schaulinie Y für ein Vergleichsmaterial gilt.

Bei dem erfindungsgemäßen Hochdruck-Erstarrungs- bzw. -Aushärtungs- und -Gießverfahren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Metallschmelze, aus der eine Matrix erzeugt werden soll, im Zeitpunkt des Gießens veranlaßt wird, zu erstarren, während auf die Schmelze ein hoher Druck von etwa 50 bis etwa 2000 kg/cm wirkt, so daß sich die Erstarrungstemperatur der Schmelze entsprechend erhöht, und daß es infolge dieser unter Druck erfolgenden Erstarrung möglich ist, ein kompaktes Gußerzeugnis zu erhalten.

In Fig. 1, wo die Beziehung zwischen dem Druck der Schmelze und der Einwirkungsdauer des Drucks beim Einbringen der Schmelze in einen Formkörper aus Fasermaterial unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt ist, bezeichnet die ausgezogene Kurve 1 einen Fall, in dem der aus Fasermaterial geformte Körper einen Rauminhalt von 38,5 cnr und eine Fülldichte von 0,3 g/cnr hat, in dem die Matrix aus der Aluminiumlegierung AC8B nach japanischer Industrienorm besteht, und in dem die beiden Materialien bei einer Gießtemperatur von 780⁰C verarbeitet werden. Im Vergleich hierzu bezeichnet die gestrichelte Kurve 2 einen Fall, in dem kein aus Fasermaterial geformter Körper vorhanden ist. Auf der

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Zeitachse sind in Fig. 1 eine Füllperiode A, eine Periode B zum Aufbringen des Drucks bei der Erzeugung des zusammengesetzten Körpers, eine Periode C für die Aushärtung unter Druck und eine Periode D für die endgültige Erstarrung aufgetragen.

Die Kurve 1 in Fig. 1 läßt erkennen, daß der statische Druck, der auf die Schmelze beim Zusammendrücken des geformten Körpers aus Fasermaterial und beim Eindringen der Schmelze in den Faserkörper während der Periode A im Vergleich zu der Kurve 2 relativ langsam ansteigt, so daß die Schmelze im völlig geschmolzenen Zustand in den Faserkörper eindringen kann. Im Hinblick hierauf wird der statische Druck während der Periode B schnell zur Wirkung gebracht, woraufhin während der Periode C eine Erstarrung unter der Einwirkung des Drucks erfolgt; schließlich wird die Erstarrung während der Periode D innerhalb einer kurzen Zeit zu Ende geführt. Auf diese Weise läßt sich eine sehr gute Vereinigung der Fasern des geformten Körpers mit der Matrix herbeiführen, so daß man das gewünschte zusammengesetzte Material erhält. Da die Materialien unter hohem Druck vereinigt werden, um eine rasche Erstarrung zu bewirken, wird eine innige Berührung zwischen der Matrix und den Verstärkungsfasern herbeigeführt, so daß das fertige zusammengesetzte Material sehr kompakt ist und die Matrix gleichzeitig durch die Fasern in hohem Maße verstärkt wird ο

Fig. 2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Fülldichte von Formkörpern aus Fasern entsprechend den Proben 3 bis 6 nach der folgenden Tabelle und dem Verdichtungsverhältnis.

Anfängliche Abmessungen der 70 mm Durchmesser, 10 mm Formkörper aus Fasern dick

Matrix . Aluminiumlegierung (Sorte

AC8B nach jap.Industrienorm)

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Statischer Druck	Tabelle	2000 kg/cm²
Gießtemperatur	780⁰C

Probe Zusammensetzung des Faser-

Nr. Formkörpers aus Fasermaterial durchmesser

(3) Kristallisierte Glasfasern ^

Kohlenstoff-Fasern mit Über- V Mikron" zug oder Diffusionsschicht 1 aus Kupfer oder Nickel J

(4) Kristallisierte Glasfasern "| 5-10 Kohlenstoff-Fasern J Mikron Keramische Fasern 3 Mikron

(5) Chromfasern 3-5

Mikron

(6) Asbestfasern 5-10

Mikron

Die graphische Darstellung in Fig. 3 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Fülldichte der geformten Faserkörper 3 bis 6 nach der vorstehenden Tabelle und dem Füllungsverhältnis der fertigen zusammengesetzten Körper.

Gemäß Fig. 2 werden die geformten Faserkörper von geringer Fülldichte einem höheren Verdichtungsdruck ausgesetzt als die Formkörper mit hoher Fülldichte, doch ergeben sich gemäß Fig. 3 aus der unterschiedlichen Fülldichte nur geringe Unterschiede bezüglich des Füllungsverhältnisses der fertigen zusammengesetzten Körper. Infolgedessen ergeben sich Unterschiede nur bezüglich der anfänglichen Abmessungen der geformten Faserkörper von unterschiedlicher Fülldichte, der Menge der in die Faserkörper eindringenden Schmelze und der Hublänge der Vorrichtung zum Aufbringen des Preßdrucks, so daß sich diese Unterschiede bei der Herstellung der zusammengesetzten Körper nur wenig auswirken_o Außerdem ergeben sich selbst bei der Verwendung von Fasern großer Länge keinerlei

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Schwierigkeiten bezüglich des Eindringens der Schmelze in die Formkörper aus Fasermaterial, denn die Schmelze beginnt beim Eindringen in die Formkörper sofort zu erstarren, so daß die Fasern beim Aufbringen des Drucks weder verformt werden noch beschädigt werden, während das Erzeugnis erstart. Damit das erzeugte zusammengesetzte Material eine ausreichende Festigkeit erhält, und damit sich die Fasern bei der Herstellung der Formkörper hinreichend verwirren, sowie mit Rücksicht darauf, daß sich bezüglich der Faserlänge keinerlei Beschränkungen ergeben, werden gemäß der Erfindung als Verstärkungsmaterial vorzugsweise Fasern von großer Länge verwendet.

Wenn die gemäß Fig. 2 und 3 verwendeten Fasern unter Einschluß von sog. Whiskern eine Überzugsschicht aus Metallen wie Kupfer, Nickel, Silber usw. tragen, oder wenn sie eine Diffusionsschicht aus solchen Metallen aufweisen, tritt zwischen den Überzugsschichten und der Matrix die Erscheinung der festen Lösung bzw. zwischen der Diffusionsschicht und der Matrix eine Diffusion auf, was zur Folge hat, daß sich die Benetzbarkeit des Formkörpers aus Fasern gegenüber der Matrix verbessert, so daß man mit einem niedrigeren Verdichtungsdruck auskommt. Daher ist es möglich, zusammengesetzte Erzeugnisse unter Verwendung von Formkörpern mit hoher Fülldichte herzustellen.

Die maßgebende Bedingung für die Erzeugung des zusammengesetzten Materials unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gegeben, daß sich der Widerstand vergrößert, den der Form-körper aus Fasermaterial dem Eindringen der Schmelze entgegensetzt, bevor alle Hohlräume des Formkörpers gefüllt sind, so daß der statische Druck der Schmelze zuzunehmen beginnt. Hierbei spielen die Fülldichte des Formkörpers aus Fasermaterial und die Netzfähigkeit des Fasermaterials gegenüber der Matrix eine ausschlaggebende Rolle. Die Obergrenze der Fülldichte liegt bei etwa 0,6 g/cnr. Ferner üben der Schmelzpunkt der Matrix, das Wärmeaufnahmevermögen,

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der Erstarrungsbereich, die Erstarrungstemperatur und außerdem das Wärmeaufnahmevermögen und die Wärmeleitfähigkeit des Formkörpers keinen geringen Einfluß auf das zusammengesetzte Material aus.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich bezüglich der Matrix keinerlei Einschränkungen ergeben, denn die Schmelze läßt sich im vollständig geschmolzenen Zustand zum Eindringen in den Formkörper aus Fasermaterial bringen, woraufhin die Schmelze schnell erstarrt. Als Beispiel wird im folgenden auf die Verwendung einer Aluminiumlegierung näher eingegangen. Bei den bis jetzt bekannten Verfahren ist es schwierig, ein zusammengesetztes Material unter Verwendung von Stoffen zu erzeugen, die anfänglich eine große Anzahl harter Kristalle bilden, wie es z.B. bei einer übermäßig viel Silizium enthaltenden eutektischen Legierung mit einem Siliziumgehalt von 2.3% der Fall ist. Im Gegensatz hierzu läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne weiteres auch bei einem solchen Material anwenden, um das gewünschte zusammengesetzte Material zu erzeugen, ohne daß irgendwelche Schwierigkeiten bezüglich des Einführens der Metallegierung in den Formkörper aus Fasermaterial auftreten, und ohne daß eine Beschädigung von Fasern zu befürchten ist, die sich bei den bekannten Verfahren nur schwer vermeiden läßt. Außerdem ist es möglich, bei der Herstellung des Formkörpers die Fasern zweidimensional zu orientieren bzw. auszurichten und diese Orientierung auch bei dem fertigen zusammengesetzten Material aufrechtzuerhalten, so daß sich eine erhebliche Verbesserung der Biegefestigkeit des Materials ergibt,,

Wie erwähnt, läßt sich die Erfindung nicht nur anwenden, um ein Bauteil zu erzeugen, bei dem alle Teile der Matrix große Fasermengen enthalten, die zu einem vorher hergestellten Formkörper gehören, sondern es ist auch möglich, ein Bauteil herzustellen, bei dem der Formkörper aus Fasermaterial nur einen gewünschten Teil des Bauteils einnimmt, so daß der betreffende

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Teil aus einem zusammengesetzten Material besteht; hieraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für die Erfindung. Weiterhin ermöglicht es die Erfindung, eine Beeinträchtigung der Festigkeit und Härte des Materials bei hoher Temperatur zu verhindern, die Gleiteigenschaften zu verbessern, den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu verkleinern und die Wärmeleitfähigkeit sowie den elektrischen Widerstand zu beeinflussen.

Die Erfindung wird durch die nachstehend behandelten Beispiele weiter veranschaulicht, auf die sich die Erfindung jedoch nicht beschränkt.

Beispiel I

(Verstärkung des Bodens eines Kolbens für eine Brennkraftmaschine)

Formkörper aus Fasermaterial:

Verwendete Fasern: Kristallisierte Glasfasern Faserdurchmesser: 2 bis 12 Mikrometer Faserlänge: maximal 170 mm Abmessungen des

Formkörpers: 70 mm Durchmesser, 10 mm dick

Fülldichte: 0,3 g/cm³

Ein den vorstehenden Angaben entsprechender Formkörper wird in eine Form zum Herstellen eines Kolbens von 70 mm Durchmesser für einen Viertaktmotor eingelegte Als zu verstärkendes Matrixmaterial wird die Legierung "Lo-Ex" (Sorte AC8B nach japanischer Industrienorm) verwendet. Der Gießvorgang wird bei einer Gießtemperatur von 780⁰C und einem Druck von 1800 kg/cm unter Einhaltung einer Haltezeit von 2 min durchgeführty so daß der gewünschte Kolben entsteht. Im Verlauf dieses Gießvorgangs wird der genannte Formkörper im oberen Teil des Kolbenbodens von dem Matrixmaterial ausgefüllte

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Diesem zusammengesetzten Teil des Kolbenbodens wurde ein Probestück X entnommen, um das FUllungsverhältnis des Fasermaterials zu ermitteln. Es zeigte sich, daß das Füllungsverhältnis 15 Gew.-% bezogen auf die Matrix betrug, und daß das Material einen Wärmedehnungskoeffizienten von 15 bis 13 χ 10 hatte.

Fig. 4, 5 und 6 veranschaulichen die Ergebnisse der Prüfung der Oberflächenfestigkeit bzw. der Biegefestigkeit des Probestücks X, der Prüfung der Abnahme der Härte unter der 50-stündigen Einwirkung der angegebenen Temperaturen sowie der Prüfung der Gleiteigenschaften des Materials₀ In Fig. 4, 5 und gelten die Kurven Y für entsprechende Prüfungen, die zum Vergleich an dem AC8B-Material durchgeführt wurden, das einer Wärmebehandlung entsprechend der Güteklasse T6 unterzogen worden war.

Aus diesen graphischen Darstellungen ist ersichtlich, daß das Probestück X aus dem erfindungsgemäß hergestellten Material der Vergleichsprobe Y bezüglich seiner Biegefestigkeit, seiner Härte und seiner Gleiteigenschaften überlegen ist.

Wurde der Grenzbereich zwischen dem zusammengesetzten Material und der keine Fasern enthaltenden Matrix des Kolbens mittels eines Brenners erhitzt, wurde nur der aus der Legierung "Lo-Ex" bestehende Teil vollständig zum Schmelzen gebracht, wahrend der aus dem zusammengesetzten Material bestehende Teil seine ursprüngliche Form vollständig beibehielt, was eine Verbesserung der Hitzebeständigkeit des zusammengesetzten Teils anzeigt.

Beispiel II

Es wurde ein Formkörper aus Fasermaterial mit einer Fülldichte von 0,3 g/cm zum Verstärken einer Matrix aus der Legierung "Lo-Ex" im Bereich des Bodens, des die Kolbenringe aufnehmen-

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den Teils und des Mantels eines Kolbens für einen Viertaktmotor unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet. Die Form hatte im Bereich des Kolbenbodens, des die Kolbenringe aufnehmenden Teils und des Kolbenmantels entsprechend der Bohrung des MotorZylinders einen Innendurchmesser von 55,5 mm. Im vorliegenden Fall wurde bei der Wahl der ursprünglichen Abmessungen des Formkörpers aus Fasermaterial das Verdichtungsverhältnis auf der Basis einer Schätzung berücksichtigt, und der Formkörper erhielt im Verlauf des Gießvorgangs seine endgültige Gestalt durch einen Stanz- bzw. Preßvorgang.

Der zusammengesetzte Teil des nach dem Beispiel II hergestellten Kolbens weist ähnliche physikalische Eigenschaften auf wie das gemäß dem Beispiel I hergestellte Erzeugnis. Außerdem zeigt es sich, daß dieser Teil im Bereich der Kolbenringnuten sehr verschleißfest ist, daß der Kolbenmantel eine geringe Wärmedehnung hat, und daß eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Fressen vorhanden ist. Diese Aufrechterhaltung der mechanischen Festigkeit bei hoher Temperatur, die Verbesserung der Gleiteigenschaften und die Herabsetzung der Wärmedehnung führen bei dem erfindungsgemäß hergestellten Kolben dazu, daß sich ein Durchblasen der Verbrennungsgase im Bereich des Kolbenbodens und das Entstehen von Reibstellen im Bereich des Kolbenmantels vermeiden läßt.

Weiterhin macht es keinerlei Schwierigkeiten, den Formkörper aus Fasermaterial sogar mit Silumin bzw. der Legierung AC4A nach japanischer Industrinorm zu füllen und eine übereutektische Siliziumlegierung zur Herstellung des zusammengesetzten Körpers zu verwenden, wobei ähnliche physikalische Eigenschaften erzielt werden.

Ferner ist es möglich, nach Bedarf andere Werte der Fülldichte vorzusehen und Fasern von anderer Art zu verwenden, um bei einem bestimmten zusammengesetzten Abschnitt eines Bauteils eine bestimmte mechanische Festigkeit oder bestimmte Gleit-

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eigenschaften zu erzielen; beispielsweise kann man einen Formkörper aus kristallisiertem Glas mit einer Fülldichte von 0,4 g/cm verwenden, um den Boden und die Kolbenringzone eines Kolbens zu verstärken; auch ist es möglich, einen Formkörper aus Kohlenstoff-Fasern mit einer Fülldichte von °»3 g/cnr in den Mantel eines Kolbens einzulagern, um die Gleiteigenschaften des Kolbens gegenüber dem Zylinder zu verbessern. Auch in diesen Fällen lassen sich gute Ergebnisse erzielen.

Beispiel III

Verstärkung eines Teils einer Pleuelstange für eine Brennkraftmaschine

Eine Pleuelstange aus der Legierung AC4A nach japanischer Industrienorm mit einem Durchmesser von 36 mm am dickeren Ende und einem Durchmesser von 18 mm am dünneren Ende sowie einer Länge von 120 mm wurde in ihrem mittleren Teil durch Einlagern eines Formkörpers aus Fasermaterial verstärkt, der eine quaderförmige Gestalt und Abmessungen von 80 χ 8 χ 10 mm hatte, wobei die Fülldichte des erfindungogemäß verwendeten Faserkörpers 0,4 g/cnr betrug. Die Prüfung der so hergestellten zusammengesetzten Pleuelstange zeigte, daß eine Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Starrheit eingetreten war.

Beispiel IV

Verstärkung und Verbesserung der Gleiteigenschaften einer Zylinderlaufbuchse

In den inneren Teil einer Zylinderlaufbuchse für eine Brennkraftmaschine mit einer Bohrung von 30 mm Durchmesser, die aus der Legierung AC8B nach japanischer Industrienorm hergestellt wurde, wurde ein zylindrischer Formkörper aus Fasermaterial mit einem Außendurchmesser von 45 mm, einem Innendurchmesser von 30 mm, einer Länge von 80 mm und einer Füll-

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dichte von 0,5 g/cm in der erfindungsgemäßen Weise eingelagert, um eine zusammengesetzte Laufbuchse herzustellen.

Es wurde festgestellt, daß diese Verstärkung bei der Laufbuchse zu einer hervorragenden Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Fressen führte, und daß die Laufbuchse mit Laufbuchsen aus einer übereutektisehen Siliziumlegierung sowie mit hartverchromten Laufbüchsen vergleichbar war.

Beispiel V

Erfindungsgemäße Verstärkung eines Lagers mit Stützmetall

In ein Lager aus der Legierung AC4A nach japanischer Industrienorm wurde in der erfindungsgemäßen Weise ein Formkörper aus Kohlenstoff-Fasern mit einer Faserlänge von 6 bis 10 mm und einer Fülldichte von 0,2 g/cm eingelagert. Das so hergestellte zusammengesetzte Material wurde in innige Verbindung mit einer mit Kupfer plattierten Stählplatte von 1,5 mm Dicke gebracht. Aus diesem Laminat wurde durch Bearbeitung eine Platte mit einer Dicke von 2,0 mm hergestellt, die dann bezüglich ihrer Gleiteigenschaften und ihrer Dauerfestigkeit untersucht wurde. Es zeigte sich, daß das zusammengesetzte Material Aluminiumblech bekannter Art bezüglich seiner Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb, Fressen und Ermüdung überlegen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es ferner, die Festigkeit der Fußabschnitte von Zahnradzähnen zu steigern, wodurch sich die Abnutzung der Zahnflanken verringert, und man kann bei Getriebegehäusen aus Leichtmetall einer Verlagerung der Getriebewellen bei der Erwärmung auf die Betriebstemperatur entgegenwirken, indem man erfindungsgemäß Formkörper aus für die Wandteile des Gehäuses zwischen den Wellen aus Fasermaterial zur Verringerung der Wärmedehnung verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß man in einem hinreichenden Ausmaß eine Schmelze in einen aus Fasermaterial hergestellten Formkörper eindringen läßt,

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der eine bestimmte Fülldichte oder Porosität besitzt, wobei im Anfangsstadium ein hoher statischer Druck aufgebracht wird, und wobei der auf die Schmelze wirkende Druck mit einer Verzögerung gesteigert wird, so daß sich die Erstarrung der Schmelze verzögert, wobei der Formkörper in einem gewissen Ausmaß zusammengedrückt wird, worauf die endgültige Erstarrung der Schmelze unter dem hohen statischen Druck erfolgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein ausreichendes Eindringen der Schmelze in den Formkörper aus Fasermaterial bis zu einem bestimmten Wert der Fülldichte des Formkörpers erreichen, doch wenn die Fülldichte des Formkörpers einen zu hohen Wert erreicht, nimmt der dem Eindringen der Schmelze entgegengesetzte Widerstand zu, was zur Folge hat, daß sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Drucks gegenüber der Schmelze schnell steigert, bevor die Schmelze in alle Teile des Formkörpers eingedrungen ist; wenn dies geschieht, ergeben sich Schwierigkeiten daraus, daß die Schmelze zu erstarren beginnt. Wenn das Verhältnis zwischen dem Rauminhalt des Formkörpers aus Fasermaterial und dem Rauminhalt der Hohlform einen hohen Wert hat, besteht außerdem die Gefahr, daß die Schmelze beim Aufbringen des Drucks überläuft, da ihrem Eintreten in die Form ein höherer Widerstand entgegengesetzt wird. Daher ist es erforderlich, die Hublänge der Form zu vergrößern, um die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Drucks im Anfangasfcadium des Gießvorgangs zu verringern.

Im Hinblick auf diese Schwierigkeiten, und um ein vollständiges Eindringen der Schmelze auch dann zu gewährleisten, wenn der Formkörper aus Fasermaterial eine hohe Dichte hat, wird gemäß der Erfindung so vorgegangen, daß man den Faserkörper oder einen gesinterten Körper und die geschmolzene Legierung in eine Gießform bringt, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des auf die Schmelze aufgebrachten Drucks während des Anfangsstadiums so geregelt wird, daß man ein zusammengesetztes Erzeugnis mit den gewünschten Eigenschaften erhält»

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Zu den Materialien, aus denen sich Formkörper der beschriebenen Art aus Fasern herstellen lassen, gehören Fasern aus Metall, kristallisierte Glasfasern, Fasern aus Kohlenstoff, keramischen Materialien, Chrom und anderen anorganischen Materialien. Gesinterte Formkörper können aus Aluminium, Kupfer und anderen Metallen hergestellt werden, ferner aus Aluminiumoxid, Kohlenstoff und Silizium. Die als Matrix verwendeten Legierungen können Kupfer, Aluminium, Magnesium, Zinn und dgl. enthalten.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform einer Gießform zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Gießverfahrens, bei dem eine Erstarrung unter hohem Druck herbeigeführt wird. Gemäß Fig. 7 ist eine Form 1 vorhanden, über der ein zum Aufbringen von Druck dienender Stempel 2 angeordnet ist, der gleitend geführt 1st; im unteren Teil der Form 1 ist gegenüber dem oberen Stempel 2 ein unterer Stempel 4 gleitend geführt, der den Boden des Hohlraums 3 der Form bildet. Der untere Stempel 4 ist durch eine Stange 7 mit einem Kolben 6 einer hydraulischen Dämpfungseinrichtung 5 verbunden, die sich an den unteren Teil der Form 1 aus Metall anschließt. Die Dämpfungseinrichtung 5 enthält Öl, das über eine Drossel 8 zu einem Ölsumpf 9 entweichen kann. Zum Zuführen von Öl von einem Ölbehälter 10 aus zu der Dämpfungseinrichtung dienen eine Pumpe 11, ein Akkumulator 12 und ein Rückschlagventil 13. Gemäß Fig. 7 dient die Bodenfläche 14 der Form 1 als Anschlag für den unteren Stempel 4.

Gemäß der Erfindung wird zuerst ein Formkörper aus Fasermaterial in der Hohlform 3 angeordnet; dann wird eine Schmelze aus der zu verwendenden Legierung auf den Formkörper gegossen, und hierauf wird auf die Schmelze ein hoher statischer Druck dadurch aufgebracht, daß der Stempel 2 nach unten bewegt wird; hierbei ermöglicht es die hydraulische Dämpfungseinrichtung 5 dem unteren Stempel 4, sich nach unten zu bewegen, so daß im Anfangsstadium des Aufbringens des Drucks

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die Fortpflanzung des Drucks in der Schmelze verzögert wird; auf diese Weise wird erreicht, daß die Schmelze in alle Teile des Formkörpers aus Fasermaterial eindringt. Daher wird ein vorzeitiges Erstarren der Schmelze vermieden, bis der Stempel 2 zur Anlage an dem unteren Stempel 4 und letzterer zur Anlage an der Anschlagfläche 14 der Form kommt. Die vollständige Erstarrung der Schmelze ist erreicht, sobald die Stempel 2 und ihre unterste Stellung erreichen und eine gewisse Zeitspanne verstrichen ist.

Fig. 8 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem aufgebrachten Druck und der Zeit während des Ablaufs der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte; die Kurve X veranschaulicht das erfindungsgemäße Gießverfahren, bei dem die Schmelze unter hohem Druck zum Erstarren gebracht wird; die Kurve Y gilt für das bis jetzt gebräuchliche bekannte Verfahren. In Fig. 8 bezeichnen die auf der Zeitachse abgetragenen Abschnitte A, B und C bezüglich des bekannten Hochdruckgießverfahrens eine Periode, während welcher ein Druck aufgebracht wird, bzw. eine Periode, während welcher eine teilweise Erstarrung erfolgt, bzw. eine Periode, während welcher sich die endgültige Erstarrung vollzieht.

Gemäß Fig. 8 ermöglicht es das Hochdruckgießverfahren nach der Erfindung, den Beginn des Aufbringens von Druck gegenüber der Periode A in Richtung auf die Periode B der teilweisen Erstarrung und die Periode C der endgültigen Erstarrung in einem erheblichen Ausmaß zu verzögern, was durch die Dämpfungseinrichtung 5 nach Fig. 7 ermöglicht wird. Durch entsprechendes Einstellen der hydraulischen Dämpfungseinrichtung 5, des Öffnungsgrades der Drossel 8, der Hublänge des oberen Stempels gegenüber der Anschlagfläche des unteren Stempels 4 usw. ist es somit unschwer möglich, eine Druckkurve zu erreichen, die gemäß Fig. 8 in dem Bereich zwischen den Kurven X und Xa liegt.

Als Puffereinrichtung kann eine Feder verwendet werden. Eine solche Puffereinrichtung kann auf der dem Druckstempel benachbarten Seite der Form angeordnet sein. Ferner kann es zweck-

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mäßig sein, vor dem Gießvorgang den Formkörper aus Fasermaterial zu entlüften, um den Sauerstoff zu entfernen, oder die vorhandene Luft durch ein inertes Gas zu ersetzen, um eine Oxidation der Schmelze zu vermeiden. Diese Maßnahme erweist sich dann als besonders wirksam, wenn als Matrix eine geschmolzene Magnesiumlegierung verwendet wird, denn in diesem Fall ist eine erhebliche Oxidation zu erwarten, wenn die Schmelze in die Poren des Formkörpers aus Fasermaterial eindringt.

Wie vorstehend erläutert, ist es gemäß der Erfindung möglich, die Schmelze selbst dann hinreichend tief in den Formkörper aus Fasermaterial eindringen zu lassen, wenn es sich um einen Formkörper von hoher Dichte handelt, denn es ist möglich, die Metallschmelze dadurch im geschmolzenen Zustand zu halten, daß man die Fortpflanzung des auf die Schmelze aufgebrachten Drucks während des Anfangsstadiums verzögert. Durch entsprechendes Einstellen der Dämpfungseinrichtung ist es ferner gemäß der Erfindung möglich, ein Überlaufen der Schmelze aus der Form zu verhindern. Weiterhin ist es gemäß der Erfindung möglich, jede beliebige Schmelze einer Legierung sogar in gesinterte Körper von relativ geringer mechanischer Festigkeit eindringen zu lassen, so da0 man die gewünschten zusammengesetzten Körper erhält, ohne daß eine Schädigung des gesinterten Gefüges eintritt; somit ist es nicht erforderlich, die bis jetzt gebräuchlichen komplizierten bekannten Verfahren, z.B. das Autoklawerfahren oder andere Verfahren, anzuwenden, und die Erfindung ermöglicht auch die Herstellung zusammengesetzter Körper unter Verwendung keramischer Materialien.

Ansprüche;

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Le e rs e i te

Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen eines mit Fasern verstärkten zusammengesetzten Materials, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Metallen oder Metallegierungen bestehende Matrix im geschmolzenen Zustand veranlaßt wird, in einen Formkörper aus anorganischem Fasermaterial oder einen gesinterten Körper von beliebiger Gestalt einzudringen, und daß zu diesem Zweck ein Hochdruckgießverfahren angewendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem anorganischen Fasermaterial mindestens ein Material gehört, das aus der Gruppe gewählt ist, die Fasern aus Metall, kristallisiertem Glas, Kohlenstoff, keramischen Materialien und Chrom umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Körper aus mindestens einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, zu der Aluminium, Kupfer, Aluminiumoxid, Kohlenstoff und keramische Materialien vom Silikatyp gehören.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus mindestens einem Material besteht, das aus der Gruppe gewählt ist, zu der Gußeisen, Kupfer, Aluminium, Magnesium, Zinn, Zink und deren Legierungen gehören.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus anorganischen Fasern eine Fülldichte von 0,6 g/cnr oder darunter aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzung des auf das in den Formkörper aus anorganischen Fasern bzw. den gesinterten Körper eindringenden geschmolzenen Matrixmaterials aufgebrachten Drucks so geregelt

wird, daß das Aufbringen des hohen statischen Drucks entsprechend dem genannten Hochdruckgießverfahren während des Anfangsstadiums verzögert wird.

7. Gießform zum Erzeugen eines mit Fasern verstärkten zusammengesetzten Materials, gekennzeichnet durch eine hohle Form (1) aus Metall zum Aufnehmen eines Formkörpers aus anorganischen Fasern oder eines gesinterten Formkörpers sowie eines geschmolzenen Matrixmaterials, einen im Hohlraum (3) der Form aus Metall gleitend geführten Stempel (2) zum Aufbringen eines Drucks sowie eine Dämpfungseinrichtung (5), die es ermöglicht, nach Bedarf eine geregelte Verzögerung der Fortpflanzung des auf das geschmolzene Matrixmaterial aufgebrachten Drucks während des Anfangsstadiums des Aufbringens des Drucks durch den Stempel herbeizuführen.

8. Gießform nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum (3) der Form (1) aus Metall gegenüber dem Stempel (2) zum Aufbringen von Druck ein zweiter Stempel (4) gleitend geführt ist, daß mit dem zweiten Stempel eine sich von einem hydraulischen Zylinder (5) aus erstreckende Kolbenstange (7) verbunden ist, daß ein innerer Teil des hydraulischen Zylinders über eine Drossel (8) in Verbindung mit einem Ölsumpf

(9) steht, und daß der innere Teil des hydraulischen Zylinders außerdem über ein Rückschlagventil (13) an eine Quelle

(10) für ein hydraulisches Druckmittel angeschlossen ist.

Der Patentanwalt:

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