DE3000171A1 - Faserverstaerkter verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Faserverstaerkter verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

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DE3000171A1 DE19803000171 DE3000171A DE3000171A1 DE 3000171 A1 DE3000171 A1 DE 3000171A1 DE 19803000171 DE19803000171 DE 19803000171 DE 3000171 A DE3000171 A DE 3000171A DE 3000171 A1 DE3000171 A1 DE 3000171A1
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Description

AKTIENGESELLSCHAFT. : : τ
Faserverstärkter Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen faserverstärkten Verbundwerkstoff, bestehend aus mindestens zwei Metallagen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und zwischengelagerten Fasern, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Verbundwerkstoffs.
Faserverstärkte dünne Bänder bzw. Bleche aus Aluminiumlegierungen mit bis zu 50 Vol-% Borfasern, die teils mit SiC beschichtet sind, werden bereits nach der Methode des Plasmaspritzens hergestellt. Hierbei wird die auf eine Trommel gewickelte Faserlage durch eine mittels Plasmaspritzen aufgetragene Aluminiumschicht auf der unter den Fasern liegenden Aluminiumfolie fixiert. Diese Spritzschichten sind sehr porös und müssen daher z.B. durch Warmwalzen oder Heißpressen nachverdichtet werden. Außerdem werden die Fasern durch die bis 2000 C heißen Aluminiumtröpfchen im Plasmastrahl thermisch und mechanisch sehr stark beansprucht. Dies kann zu Schädigungen der Fasern und des Verbundes bereits im Herstellungsstadium führen. Die hergestellten Bä~der haben zudem eine begrenzte endliche Länge, die durch den Trommelumfang vorgegeben ist. Außerdem arbeitet diese Methode diskontinuierlich und erfordert hohe Investitionskosten.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen faserverstärkten Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu
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seiner Herstellung zu entwickelns das die erwähnten Nachteile nicht aufweist. Das zu entwickelnde Verfahren soll keine thermische und mechanische Schädigung der Fasern verursachen, sich grundsätzlich in den Arbeitsablauf eines Halbzeugwerkes einfügen und zu einem kontinuierlichen Verfahren ausbauen lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Metallagen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ein-oder beidseitig mit einem Aluminiumlot plattiert sind. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs wird vorgeschlagen, daß die Fasern schichtweise zwischen die mit einer Plattierschicht versehenen Metallagen gelegt werden und die Metallagen durch Heißpressen oder Heißwalzen miteinander verbunden werden, wobei das Aluminiumlot aufgeschmolzen wird.
Es ist besonders vorteilhaft, als Plattierschicht eine AlSi-Legierung mit 5 bis 12%Silicium zu verwenden. Dabei gelingt eine nahezu vollständige Verschweißung der Metallagen, wobei besonders die nahe-eutektischen AlSi-Legierungen mit 10-12% Si von Vorteil sind. Die Grenzschicht zwischen der Metallage und der Lotplattierung ist praktisch oxidfrei.
Die Plattierschichtdicke beträgt vorzugsweise 3 bis 10 % der Metallage. Dabei umhüllt das flüssige Lot beim Heißpressen die Fasern und verhindert so einen weiteren Luftzutritt und damit erneut die Oxidation der Metalloberflächen.
Grundsätzlich können alle keramische, anorganische oder metallische Fasern oder Kohlefasern mit deutlicher Verstärkungswirkung und hinreichender thermischer und chemischer Beständigkeit für den erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundwerkstoff eingesetzt werden. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, als Fasern SiC-Fasern, Bor-Fasern mit oder ohne SiC-Beschichtung zu verwenden. Bei Verwendung dieser Fasern
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liegt nach der Abkühlung eine vollständige metallurgische Verbindung der Metallagen und eine vollständige Einbettung und Haftung der Fasern innerhalb des Verbundwerkstoffs vor. In den Randzonen zwischen Metallage und Fasern läßt sich auch nach dem Einschmelzen am Schliffbild oder durch analytische Untersuchung das ursprüngliche Vorhandensein einer Plattierschicht durch unterschiedliche Konzentrationsverteilung feststellen.
Es ist besonders vorteilhaft, den Verbundwerkstoff mit mehreren Faserlagen zu verstärken, die abwechselnd mit ein- oder beidseitig lotplattierten Metallagen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen bedeckt sind. Die Faserlagen bzw. Fasergewebe oder Fasermatten können aus Lang- oder Kurzfasern bestehen und mit paralleler Faseranordnung oder unter anderen Winkeln angeordnet sein. Die parallele Anordnung hat aber hinsichtlich der Festigkeit und Biegebeanspruchung Vorteile.
Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit ist es vorteilhaft, daß der aus mehreren Schichten bestehende Verbundwerkstoff in der Mitte aus einem unverstärkten Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Der unverstärkte Kern besitzt bevorzugt eine Dicke von etwa 30 % der Gesamtdicke des Verbundwerkstoffs.
Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs erweist es sich als besonders vorteilhaft, das Heißpressen paralleler Faserlagen, Fasergewebe oder Fasermatten zwischen den Metallagen bei Temperaturen von maximal 65O0C durchzuführen. Darüber hinausgehende Temperaturen bringen die Gefahr des Anschmelzens der Metallagen mit sich. Als Mindesttemperatur hat sich bei zahlreichen Untersuchungen eine Verarbeitungstemperatur von 45O0C ergeben. Unterhalb dieser Temperatur ist die Plastizität des Werkstoffs zu gering, um eine aus-
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reichende Haftung und Umformung der einzelnen Lagen miteinander zu erreichen. Bei den bevorzugt zum Einsatz gelangenden AlSi-Loten ist es besonders vorteilhaft, einen Temperaturbereich von 590 bis 62O0C anzuwendens da hier die Bleche einerseits ausreichend plastisch, andererseits die thermische und mechanische Beanspruchung der Fasern während der Verarbeitung begrenzt sind.
Das Heißpressen geschieht bevorzugterweise bei Preßdrucken unter 50 bar. In zahlreichen Versuchen hat sich herausgestellt., daß bei großflächigen Teilen eine bessere Haftung dadurch erzielt wird, daß mit diesen relativ geringen Preßdrucken von unter 50 bar gearbeitet wird und anschließend eine Nachverdichtung durch Warm- oder Kaltwalzen erfolgt.
Gemäß einem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung wird der Verbundwerkstoff vor der Warmbehandlung oberhalb des Lotschmelzpunktes einer Glühbehandlung unterzogen. Dabei soll das Hauptzusatzlegierungselement des Lotes,beispielsweise SiIicium,durch Diffusion besser verteilt werden, so daß ein homogener Verbundwerkstoff mit besseren Verarbeitungseigenschaften entsteht. Die Glühtemperaturen liegen vorzugsweise 10 bis 50° unterhalb des Lotschmelzpunktes, damit eine ausreichende Sicherheit gegen das unbeabsichtigte Aufschmelzen des Lotes gegeben ist.
Das Heißpressen kann im Vakuum, unter Schutzgas oder auch an Luft erfolgen. Beim Heißpressen unter Luft müssen die Bleche vorher durch chemisches Abbeizen von zu starker Oxidbedeckung befreit werden. Durch die' plastische Verformung beim Einpressen des Aluminiums zwischen die Fasern findet eine etwa 50 %ige Vergrößerung der Metalloberfläche statt, so daß die neuen oxidfreien Oberflächenbereiche miteinander verschweißen und fest an den Fasern haften. Für die restlichen 50 % der Oberfläche der Aluminiumbleche tritt die Wirkung
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der Lotplattierschicht ein, so daß sich insgesamt eine 100 %ige Haftung zwischen den Blechen und den eingelagerten Fasern ergibt.
Eine Verbesserung der Warmverarbeitbarkeit des erfindungsgemäß hergestellten Verbundwerkstoffs läßt sich durch eine Glühbehandlung erreichen. Dabei wird der nach dem Heißpressen nicht ausgepreßte Rest der Lotbeschichtung durch Diffusion eliminiert. Die Homogenisierung soll unterhalb des Lot-Schmelzpunktes so lange durchgeführt werden, bis die überschüssigen Legierungsbestandteile der Lotschicht in die Metallagen abgewandert sind. Bei einem AlSi-Lot würde dies bedeuten, daß überschüssige SiIiciumbestandteiIe wegdiffundieren, so daß an keiner Stelle des Verbundes eine zu starke Schmelzpunkterniedrigung des Aluminiums durch das Silicium feststellbar ist.
Ein so behandelter Verbundwerkstoff kann bei seiner späteren Anwendung erneut wärmebehandelt werden, zum Beispiel bei Warmverformung, beim Hartlöten oder Schweißen, ohne daß in dem faserverstärkten Verbundwerkstoff selbst eine schmelzflüssige Phase auftritt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 einen erfindungsgemäß zusammengesetzten Werkstoff vor der Verbindung durch Heißpressen oder Heißwalzen
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff nach
dem Heißpressen oder Heißwalzen
Figur 3 einen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff nach einer anschließenden Glühung
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Figur 4 ein Diagramm über zwei Temperaturdifferenzmessungen .
In Fig.1 ist ein dreilagig faserverstärkter Verbundwerkstoff dargestellt. Er besteht aus Bodenblech 1 und Deckblech 2, die jeweils 0,3 mm dick sind und aus dem Werkstoff AlMnI bestehen. Beide Bleche sind einseitig plattiert mit ca.10% eines AlSi12-Lotes. Zwei Zwischenbleche 3,4 bestehen ebenfalls aus AlMnI und sind beidseitig mit einem AlSiI2-Lot plattiert. Die Dicken der aufplattierten Lote 59 69 7, 8, 9, 10 sind gleich und betragen etwa 10 .% der Blechdicke.
Zwischen den Plattierschichten 5, 6, 7, 8, 9, 10 befinden sich drei Gewebeschichten aus SiC-Fasern 11 mit jeweils 100 pm Dicke.
Aus den entfetteten und blankgebeizten Blechen und den entfetteten Fasergewebelagen wurde das Verbundblech wie in Fig.1
geschichtet und in die bereits auf 6000C vorgeheizte Preßform eingelegt. Die Form wurde mit einem Preßdruck von ca.28 N/mm auf die Probe geschlossen. Nach etwa 15 see. wurde die Heizung und nach Absinken der Temperatur auf etwa 500 C auch der Druck abgeschaltet.
Das Gefüge dieser Probe zeigt Fig.2 in einem metallographischen Querschliff. Man erkennt die gute Verschweißung der Bleche 12 und die vollständige Umhüllung der Fasern 13. Zwischen den Fasern befinden sich noch kleine Bereiche erstarrten Al-Si-Eutektikums aus Resten der Lotschicht 14. Diese Reste von Eutektikum lassen sich z.B. durch eine Diffusionsglühung der Probe bei 5000C und einer Glühzeit von 4 h eliminieren, da hierbei das überschüssige Si aus den Lotresten in das umgebende Blech hineindiffundiert. Fig.3 zeigt den QuerschViff "nach der Glühung. Die Bereiche des Resteutektikums zwischen den Fasern 16 sind verschwunden. Stattdessen hat
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sich eine Zone homogenen Gefliges 15 gebildet, die nur noch schwache Anreicherungen restlichen Siliciums enthält.
Dieser Vorgang läßt sich mit Hilfe der Differential-Thermo-Analyse (DTA) auch quantitativ nachweisen. Bei linearem Aufheizen eines Verbundwerkstoffes, hergestellt wie bei Fig.2 erläutert, zeigt sich in dem Temperaturdifferenz-Verlauf gegen eine mitaufgeheizte Vergleichsprobe aus Reinaluminium ein kleiner Ausschlag bei etwa 573 C, der dem Aufschmelzen der Reste der eutektischen Al-Si-Lotlegierung entspricht.
Dieses ist in Fig.4 dargestellt, wobei der Temperaturverlauf über die Aufheizzeit als gepunktete Linie 17 angegeben ist. Bei etwa 6420C beginnt das Aufschmelzen der AlMn-Legierung der Bleche mit großem Ausschlag in der ΔΤ-Kurve.
Die Kurve 19 zeigt einen Verbundwerkstoff nach der Diffusionsglühung bei 4 h und 5000C (bgl. Fig.3). Sie weist den Ausschlag bei 5730C nicht mehr auf, d.h. es treten nach dieser Wärmebehandlung keine frühen Anschmelzungen vor dem Aufschmelzen der Bleche mehr auf. Das Material kann nach einer solchen Glühung wieder hartgelötet oder anderweitig warmbearbeitet werden.
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Claims (15)

VEREINIGTE ALUMINIUM-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT ." Patentansprüche
1. Faserverstärkter Verbundwerkstoffs bestehend aus wenigstens zwei Metallagen und zwischengelagerten Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallagen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ein- oder beidseitig mit einem Aluminiumlot plattiert sind.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das Aluminium!ot aus einer Al Si-Legierung mit 5 bis 12 % Si besteht.
3. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumlot benetzungsfördernde Zusätze grenzflächenaktiver Metalle enthält.
4. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet;, daß die Plattierschichtdicke 3 bis 10 % der Metallage beträgt.
5. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasern SiC-Fasern, Bor-Fasern mit oder ohne SiC-Beschichtung verwendet werden.
6. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet9 daß der Verbundwerkstoff aus einem oder mehreren Blechen mit dazwischenliegenden Faserlagen aufgebaut ist, die in Form von Fasergewebe oder als Fasermatte im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
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7. Verbundwerkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus mehreren Schichten bestehende Verbundwerkstoff in der Mitte aus einem unverstärkten Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
8. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern schichtweise zwischen die mit einer Plattierschicht versehenen Metallagen gelegt werden und die Metallagen durch Heißpressen oder Heißwalzen miteinander verbunden werden, wobei das Aluminiumlot aufgeschmolzen wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpressen oder Heißwalzen bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Metallagen erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpressen oder Heißwalzen im Temperaturbereich zwischen 450 und 65O0C erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da-
durch gekennzeichnet, daß das Heißpressen oder Heißwalzen in einem Temperaturbereich von 590 bis 62O0C erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heißpressen bei Preßdrucken unter 50 bar geschieht.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff bei Temperaturen unterhalb des Lotschmelzpunktes durch Nachwalzen nachverdichtet wird.
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14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet9 daß der Verbundwerkstoff vor einer Warmbehandlung oberhalb des Lotschmelzpunktes einer GVühbehandl ung unterzogen wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühbehandlung bei Temperaturen von 10 bis 5O0C unterhalb des Lotschmelzpunktes bei einer Glühzeit von 2 bis 12 Stunden stattfindet.
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