DE3209575C2 - Verfahren zur Herstellung eines mit einer faserverstärkten Einlage versehenen Verbundkörpers sowie Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines mit einer faserverstärkten Einlage versehenen Verbundkörpers sowie Anwendung des Verfahrens

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, bei welchem ein Faserformkörper gebildet wird, indem eine teilweise Diffusionsbindung einer Vielzahl anorganischer Fasern durch Kupferlot bewirkt wird. Der Faserformkörper ist selbsttragend und besitzt eine relativ hohe Dichte in der Größenordnung von 2,0 bis 5,0 g/cm ↑3. Das mechanische Teil wird hergestellt, indem der Faserformkörper durch Hochdruck-Erstarrungsguß mit einem Einbettungsmetall einteilig verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer faserverstärkten Einlage versehenen Verbundkörpers, bei dem die poröse aus anorganischen Fasern bestehende Einlage vorgeformt in eine Gießform eingebracht, eine Metallschmelze in die Gießform eingefüllt und das Ganze unter Hochdruck heißgepreßt wird, sowie die Anwendung diä Veru-irens.
Ein solches Verfahren ist in der Iteren Anmeldung der Anmelderin gemäß der DE-OS .'η 44 272 vorgeschlagen worden. Unter Heißpressen wird dabei ein besonderes Gießverfahren verstanden, bei dem ein hydrostatischer Druck von 500 bis 2000 bar auf die Metallschmelze in eine Gießform ausgeübt und die Metallschmelze unter diesem hohen Druck verfestigt wird. Bei diesem Verfahren können beim Verbinden der Fasern der Einlage mit der Metallschmelze die Fasern über ihre gesamte Ausdehnung ausreichend mit der Metallschmelze durchtränkt werden. Dadurch ist es möglich, ein mechanisches Teil als Verbundkörper mit hoher mechanischer Festigkeit herzustellen. Die Pakkungsdichte der Fasern muß jedoch unter 0,6 g/cmJ sein, denn eine Erhöhung über 0,6 g/cm3 führt zu einer erheblichen Erhöhung des Widerstandes der Fasern gegenüber dem Eindringen der Metallschmelze in den Zwischenraum zwischen den Fasern. Wenn dann der dem Heißpressen eigene hohe Druck aufgebracht wird, brechen die zwischen den Fasern der Einlage verbliebenen Leerstellen bzw. Hohlräume zusammen. Andererseits erreicht eine Einlage mit niedriger Packungsdichte ss keine wesentliche Verstärkung des erreichten Verbundkörpers.
Zur Verbesserung der Bindungshaftung zwischen Kohlefasern und Aluminium einer Aluminiumschmelze ist es bekannt, die Oberflächen der Kohlefasern mit einem dünnen Kupferüberzug zu versehen (DE-OS 2016 734), um dadurch die Gleichförmigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Faseroberflächen zu verbessern. Dann wird mit Nickel plattiert und unter Vakuum Aluminium eingegossen, um den Verbundkörper zu erhalten. Abgesehen von der umständlichen Vorgehensweise wird keine Möglichkeit angegeben, wie die Packungsdichte erhöht werden kann, um die Steifigkeit eines Verbundkörper zu verbessern.
Es ist ferner bekannt (DE-OS 23 14 285). Verstärkungsfasern und Drähte aus dem Schmelzenmaterial miteinander zu verseilen und zu Bündeln zusammenzufassen. Das Bündel wird dann in eine Preßmatrize eingelegt und verschweißt Da keine Metallschmelze unter Druck zugeführt wird, um Hohlräume auszufüllen und die Fasern miteinander zu verbinden, kann keine Anregung gegeben werden, wie bei einem so'"hen Verfahren die Packungsdichte und damit die Steifigkeit des erhaltenen Verbundkörpers erhöht werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten \rt so weiterzubildc-, daß eine höhere Packungsdichte zur Erhöhung der Festigkeit des gebildeten Verbundkörpers erreicht ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die Fasern der Einlage einige sehr dünne Kupfcrdrähte als Lötwerkstoff eingebracht werden nd eine Packungsdichte von 2.0 bis 5,0 g/cm3 erreicht und vor dem Einsetzen in die Gießform durch Erhitzen eine teilweise Diffusionsbindung zwischen den Fasern erzielt wird.
Das Verfahren ist auf Fase-η ink Polygonquerschnitt und einem mittleren Durchmesser von 30 um sowie auf zentral angeordnete Kupferdrähte mit einem Durchmesser von etwa 200 μπι anwendbar. Ferner sind Fasern aus Metall bzw. Kohlenstoff verwendbar.
Die teilweise Diffusionsbindung zwischen den Fasern durch den Kupfcr-Lotwerkstoff wird im folgenden erläutert.
Viele gleichgerichteie Fasern werden zusammen mit den dünnen Kupferdrähten als Lotwerkstoff in eine hitzebeständige Form wie beispielsweise ein Quarzglasrohr, derart eingebracht daß die Packungsdichte innerhalb des erwähnten Bereiches liegt. Die Form wird dann in einen Heizofen gelegt der zweckmäßig unter einer reduzierenden oder Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum gehalten ist Dann werden die gleichgerichteten Fasern und die Kupferdräht<* zusammen mit der Form auf hohe Temperatur erhitzt so daß die Fasern aufgrund von Kapillarwirkung von dem geschmolzenen Kupfer- Lotwerkstoff durchdringen werden. Die Packungsdichte der so gebildeten Einlage entspricht der Packungsdichte der Fasern bei deren Einbringen in die Form.
Bei der Herstellung einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor als Anwendungsfall wird beispielsweise die Packungsdichte bei der stangenförmigen Einlage zur Verstärkung des Stangenabschnitts der Schubstange vorzugsweise unter dem Gesichtspunkt der Formbarkeit der Stabilität und der Affinität zur Metallschmelze zwischen 2,0 und 5,0 g/cmJ gewählt. Der Kupfer-Lotwerkstoff kann dann die Fasern selbst bei so hoher Packungsdichte gleichförmig durchdringen, so daß die teilweise Diffusionsbindung über den gesamten Bereich der Einlage bewirkt wird. Bei einer Packungsdichte unter 2,0 g/m3 ist die Anzahl der Fasern zu klein, als daß winzige Spalte gebildet werden, die die Kapillarwirkung erreichen. Bei einer Packungsdichte über 5,0 g/cmJ ist die Affinität der Einlage gegenüber der Metallschmelze zu schlecht
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 im Längsschnitt eine Schubstange für einen Verbrennungsmotor, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist,
F i g. 2 den Schnitt U-II in F i g. 1,
F i g. 3 eine perspektivische Ansicht, die das Stadium des Einbringens gleichgerichteter Fasern zusammen mit den Kupferdrähten als Lötwerkstoff in eine Form darstellt,
Fig.4 eine mikroskopische Ansicht einer faserverstärkten Einlage,
F i g. 5 eine mikroskopische Ansicht des Stangenabschnitts einer Schubstange im Schnitt in 540facher Vergrößerung,
F i g. f· eine mikroskopische Ansicht des Stangenabschnitts einer Schubstange im Schnitt in I400facher Vergrößerung
Die nachfolgende Beschreibung erläutert l '·=· Anwendung der Erfindung auf die Herste'i'j^g p:ner c ~":ubstange nach den F i g. 1 und 2 für einer. Verbrennungsmotor.
F ί g. 3 zeigt ein Bündel von Fasern / das in eine Form P eingebracht wird, die aus einei 7'Jarzrohr besteht. Das ..-K/indel besteht 8-js vielen Fasern / aus rc,- eiern ^ ahi. von denen „ede einen Polygonquer- !»/■■■■ mit einem mittleren Durchmesser von etwa 30 μπι hat Drei Kupferdrähte Cu von denen jeder einen Durchmes: ;.·. vcn etwa 200 ·■: <i aufweist, sind zer tral im Faserbündel angeordnet
Die Form Γ w»rd dann in einen Heizofen gebracht der unter einer Atmosphäre eines reduzierenden Gases, wie z.B. Wasserstoffgas, gehalten ist Die Form P, mittels der das Faserbündel eine Packungsdichte von 2,65 g/cm3 erhielt und die Kupferdrähte Cu wurden zur Bildung einer stangenförmigen Verbundkörper-Einlage 10 min lang auf einer Temperatur von etwa 1200° C erhitzt und dann in dem Ofen abgekühlt
Die Struktur dieser Verbundkörper-Einlage F wurde unter dem Mikroskop bei Ii Ofacher Vergrößerung (yergL F i g. 4) untersucht
Fig.4 zeigt vorstehende Abschnitte Ca um jede Faser /herum sowie schwarze Fiecke Cu, die das auf den Fasern /gleichmäßig verteilt«; Kupfer des Leiwerksioffes zeigen. Es ist zu erkennen, daß das Kupfer Cu das Bündel der -asern / von dem Kernabschnitt (unten in Fig.4) zum Umfangsabschniti (oben in Fig.4) des Bündels gleichförmig durchdringt um so eine teilweise Diffusionsbindung zwischen den Fasern / über die gesamte Ausdehnung der Verbundkörper-Einlage F zu erzielen. Das bedeutet JaB die so gebildete Verbundkorper-Einlage F eine hohe Eigentragfähigkeit bzw. Stabilität besitzt
Die so gebildete Verbundkörper-Einlage F wurde dann in einen dem Stangenabschnitt R einer Schubstan- => ge C für einen Verbrennungsmotor entsprechenden Hohlraumabschnitt einer Gießform zur Bildung der Schubstange C eingebracht Dann wurde das vorerwähnte Heißpreßverfahren unter Verwendung einer Aluminiumlegierung (JIS AC8 B) als Metallschmelze M
■<> durchgeführt, um die fertige Schubstange Czu erhalten, deren Siangenaoschnitt R durch die Fasrrn / der Verbundkörper-Einlage F verstärkt ist, wie das η den F i g. 1 und 2 dargestellt ist
Der Stangenabschnitt R dieser Schubstange C wurde
." unter rechtem Winkel zu seiner Achse geschnitten (Schnitt 11-11) und die Schnittfläche wurde unter dem Mikroskop bei 540facher und 1400facher Vergrößerung untersucht Die Ergebnisse sind in F i g. 5 bzw. r ι g. 6 gezeigt Gemäß Fig.6 sind die Fasfrn /aus rostfreiem Stahl, die Polygonquerschnitt besitzen, iiit der Metallschmelze M mit hoher Affinität gut vcifiunden. Fi g. 6 zeigt Flecken mit im wesentlichen dreieckiger Gestalt zwischen benachbarten Fasern /1, /2, /3, die Kupfer Cu gebildet sind. Dies zeigt daß die Fasern /1, /2, /3, wegen dieser Kupfer-Lotwerkstoffe in Dreiecksform auch noch nach dem Heißpressen teilweise verbunden sind.
Wie erläutert, werden Fasern /einer Einlage Fmitteis eines Kupfer-Lotwerkstoffs Cu teilweise diffusionsver-
«> bunden, daß die teilweise Diffusionsbindung über die gesamte Ausdehnung der Einlage F selbst bei hoher Pachingsdichte gleichförmig wird. Es ist daher möglich, frier. Verbundkörper guter Stabilität bzw. Eigentragfähigkeit nicht nur dann zu erhalten, wenn die Fasern /
i> gleichgerirSr;■» angeordnet sind sondern auch dann, wenn die l· ■' --n zweidimensional bzw. ungeordnet angeordnet ,md. Di diese hohe Stabilität der faserverstärkten Einlage 6 selbst während des Heißpressens aufrechterh iten wird, kann ein beliebiger Abschnitt
eines Maschinenteiis als Endprodukt angemessen nach Wunsch verstärkt werden, d. h. es kann ein Maschinenteil mit hoher mechanischer Festigkeit als mit einer faserverstärkten Einlage versehener Verbandkörper hergestellt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 32
1. Verfahren zur Herstellung eines mit einer faserverstärkten Einlage versehenen Verbundkörpers, bei dem die poröse aus anorganischen Fasern bestehende Einlage vorgeformt in eine Gießform eingebracht, eine Metallschmelze in die Gießform eingefüllt und das Ganze unter Hochdruck heißgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Fasern der Einlage einige sehr dünne Kupferdrähte als Lotwerkstoff eingebracht werden und eine Packungsdichte von 2,0 bis 5,0 g/cmJ erreicht und vor dem Einsetzen in die Gießform durch Erhitzen eine teilweise Diffusionsbindung zwischen den Fasern erzielt wird. 1 j
2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Fasern rrit Polygonquerschnitt und einem nuiuSrsn L*rdrCuni€5S5r YOu 3Q jiui SOwic aiii ZcfitCäl angeordnete Kupferdrähte mit einem Durchmesser von etwa 200 >··η. jo
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf Fasern aus Metall bzw. Kohlenstoff.
DE3209575A 1981-03-20 1982-03-16 Verfahren zur Herstellung eines mit einer faserverstärkten Einlage versehenen Verbundkörpers sowie Anwendung des Verfahrens Expired DE3209575C2 (de)

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