DE3525122A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffes aus metall und kurzfasern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kurzfasern mittels Tränken, bei dem eine Lage von Kurzfasern vorgesehen wird, auf der Kurzfaser-Lage Metallschmelze vorgesehen wird und die Metall­ schmelze unter Druck in die Lage von Kurzfasern eingebracht wird.

Die Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Metall und Kurz­ fasern durch Tränkverfahren wird in dem Buch "Pulvermetallur­ gie, Sinter- und Verbundwerkstoffe" von Prof. Dr.-Ing. habil. Werner Schatt, 1. Auflage, VEB Deutscher Verlag für Grund­ stoffindustrie, Leipzig, S. 198-201, 525-526 grundsätzlich be­ handelt. jedoch ist dort kein Tränkverfahren mit den für die praktische Durchführung notwendigen Maßnahmen so angegeben, daß es mit einfacheren Mitteln vereinfacht durchführbar ist und zu einem Verbundwerkstoff mit verbesserten Eigenschaften führt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich Faser-Metall- Verbundwerkstoffe mit verbesserten Eigenschaften durch leichtere, unkompliziertere Technologie herstellen lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfasern in der Lage in statisti­ scher Verteilung, und in einer Dichte von 1 gr Kurzfaser pro 1-40 cm³ Volumen in einer Form vorgesehen werden, die Metallschmelze flüssig auf die Kurzfaser-Lage aufgegossen wird und kolbenartiger Druck auf die Metallschmelze ausgeübt wird.

Die in der Lage verdichteten Fasern werden mit dem geschmol­ zenen Metall übergossen. Von dem kolbenartigen Druck beauf­ schlagt verdichtet die Schmelze die Fasern weiter und verteilt sie gleichmäßig auf der Unterlage. Dies ist wichtig, weil die Fasern zunächst in statistischer Verteilung sind und daher über die Unterlage hin nicht gleichmäßig verteilt sind. Die Metallschmelze durchdringt erst die verteilte und verdichtete Fasermasse und umhüllt die einzelnen Fasern. Nach dem Erstarren des Metalls befindet sich an der unteren Seite des Produktes eine Schicht mit im Metall kontinuierlich und homogen dispergierten Kurzfasern. Diese Schicht ist für tribo­ logische Zwecke, d. h. für die Reibungs- und Verschleißeigen­ schaften betreffende Zwecke verbessert geeignet.

Die Fasern liegen in der Lage z. B. ungebunden, wenn die Ver­ dichtung plastisch ist. Wenn die Verdichtung der Lage elastisch ist, wird sie durch Steppnähte in der erwünschten verdichteten Gestalt zusammengehalten. Wichtig ist, daß die Metallschmelze ohne Druck nicht in die Lage eindringt. Die obere Grenzlinie der Lage ist auch nach dem Einpressen der Metallschmelze uneben. Die untere Grenzfläche paßt sich beim Pressen der Gestalt des Formgrundes an.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Kurz- Faser-Lage in eine beheizte Form gelegt wird, die nach dem Aufgießen der Schmelze zylinderartig einen beheizten Stempel zur Ausübung des Druckes aufnimmt. Es wird hier ein Preßwerk­ zeug verwendet, das ähnlich wie das Preßwerkzeug arbeitet, das bei einer Kaltkammer-Druckgießmaschine vorgesehen ist, wobei die Form im Querschnitt nicht kreisrund sein muß. Eine altbe­ kannte Technik wird mit Erfolg für die Herstellung von faser­ verstärkten Metall-Verbundwerkstoffen verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich im Prinzip mit allen Metallen durchführen, wobei unter Metall nicht nur reines Metall, sondern auch Metallegierungen zu verstehen sind. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn eine Metall­ schmelze verwendet wird, deren Temperatur gleich oder kleiner 2000 °C ist. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens läßt sich im Hinblick auf diese relativ niedrigen Temperaturen relativ einfach ausbilden und diese Maximaltemperatur ist auch noch für Carbonfasern erträglich.

Die Kurzfasern sind aus einem Material, das die Hitze der Metallschmelze zumindest kurzfristig aushält. An sich können die Kurzfasern aus Metall oder Metallegierung bestehen, wobei aber die Möglichkeit zu berücksichtigen ist, daß die aufge­ gossene Metallschmelze ohne weiteres in die Kurzfaser-Lage zwischen die Kurzfasern hineinläuft, ohne daß eine vorherige Verdichtung erfolgt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn nicht­ metallische Kurzfasern verwendet werden. Der Effekt, daß der Druck auf die aufgegossene Schmelze zunächst die Kurz­ faser-Lage verdichtet, bevor die Schmelze in die Lage eindringt, tritt ohne besondere Vorbehandlung der Kurzfasern auf. Nichtmetallische Kurzfasern sind z. B. Aramid-, Polyamid-,Carbon-, Glas- oder keramische Fasern.

Unter Kurzfasern werden hier Fasern verstanden, die äußersten­ falls maximal 100 mm, vorzugsweise maximal 70 mm, insbesondere maximal 50 mm lang sind. In der Regel sind die Fasern maximal 20 mm lang. An sich läßt sich der Zustand der statistischen Verteilung der ungebundenen Fasern besser erreichen, wenn die Kurzfasern nicht allzu lang sind. Die Dicke der Kurzfasern ist gleich oder kleiner 1 mm und ist in der Regel nicht größer als 0,1 mm. Die Kurzfasern sind an sich bekannt.

Die Dichte der Kurzfasern in der gegebenenfalls stabili­ sierten Lage vor dem Aufgießen wird von der Art der Fasern und der Art der Metallschmelze abhängen. Auch im Hinblick auf die nichtmetallischen Kurzfasern ist es im Rahmen der Erfindung besonders zweckmäßig und vorteilhaft, wenn eine Lage mit einer Dichte von 1 gr Kurzfaser pro 10-30 cm³, vorzugsweise pro ca 25 cm³ Volumen verwendet wird. Bei diesen Dichten ist der Effekt ganz deutlich, daß Schmelzen bis maximal 2000°C nicht ohne Druck zwischen die unbehandelten Kurzfasern eindringen.

Die Menge der aufgegossenen Schmelze ist jedenfalls so groß, daß die Lage nach der Druckausübung von der Schmelze ganz durchdrungen ist. Über diese mit Metall ausgefüllte Lage kann sich eine mehr oder weniger dicke Schicht von Metall befinden, in dem keine Kurzfasern eingebettet sind. Die Schmelzflüssig­ keit der Schmelze zum Aufgießen wird z. B. so eingestellt, wie es beim Druckguß üblich ist. Die Höhe des ausgeübten Druckes richtet sich nach der angestrebten Durchdringung der Lage mit Schmelze und liegt z. B. in der Größenordnung der beim Druck­ gießen ausgeübten Drücke. Auch die passende Geschwindigkeit des Drückens bzw. Pressens kann durch Versuche festgestellt werden und z. B. an die Verhältnisse beim Druckgießen angepaßt werden.

Die Kurzfaser-Lage läßt sich an sich mit beliebigen geeigneten Methoden erzeugen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Lage von verdichteten Kurzfasern erzeugt wird, indem Bündel von Kurzfasern mittels Luftströmungen bzw. Luft­ turbulenzen zu einem Wattezustand aufgebauscht werden und diese Kurzfaser-Watte zu der Lage verdichtet und geformt wird. Die Rovings (Faserbündel) werden also verwirbelt, so daß die Kurzfasern in beliebiger, d. h. statistischer Vertei­ lung vorliegen und nicht miteinander verbunden sind. In dem Wattezustand liegt in der Regel eine Dichte von 1 gr Kurz­ faser pro 50-150 cm³ vor. Es liegt beispielsweise eine Dichte von 1 gr Kurzfaser pro 80-120 cm³, vorzugsweise pro ca. 100 cm³ vor. Statt Luft läßt sich auch ein anderes Gas für das Verwirbeln verwenden.

Die Watte von Kurzfasern läßt sich z. B. auch durch Verwirbeln mit Wasser und anschließendes Trocknen herstellen. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedenfalls, wenn die Kurz­ fasern als Watte oder als Lage mit einem Pulver durchmischt werden. Es kann das Pulver z. B. auf die Lage gestreut werden. Das Pulver wird z. B. beim Verwirbeln der Kurzfaser zugegeben oder auf die Watte gestreut und durch Schütteln der Watte in diese gebracht und auf die einzelnen Kurzfasern verteilt. Das Pulver wird so ausgesucht, daß es die Eigenschaften des fertigen Erzeugnisses, insbesondere die tribologischen Eigen­ schaften verbessert, und besteht z. B. aus Kunststoffen wie PFTE, Polyacrylester oder Polyesterimid, aus Metall oder Metallegierung oder aus Sulfiden wie Molybdänsulfit, aus Sul­ faten, Karbiden, Phosphiden, keramischen Pulvern wie Oxiden oder Silikaten. Wie bei der Sintermetallurgie lassen sich durch geeignete Pulver unterschiedliche Eigenschaftsträger in die Verbundwerkstoffe einbringen.

Die Erfindung erfaßt auch das nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellte Erzeugnis. Der erfindungsgemäße Verbund­ werkstoff ist primär für tribologische Beanspruchungen ge­ eignet, d. h. ein Gleit-, Kontakt- und Reibungswerkstoff, der z. B. niedrige, gegebenenfalls auch konstante Reibungszahl, Verschleißfestigkeit, große Wärmeleitfähigkeit, ausreichende statische und dynamische Festigkeit und Belastbarkeit auf­ weisen soll. Der Verbundwerkstoff weist Isotriopie der Eigen­ schaften auf und verlangt in der der Regel keine Vorbehand­ lung, z. B. galvanische Vernickelung der Fasern. Eine Porosität wie beim Sintern ist nicht vorhanden und der Druck ist zwar relativ hoch, beschädigt jedoch die Fasern nicht. Im erfin­ dungsgemäßen Verbundwerkstoff liegt der volumenmäßige und ge­ wichtsmäßige Anteil an Kurzfasern etwa in der Größenordnung wie bei Graphit-Metall-Verbundwerkstoffen.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielhaft näher er­ läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Herstellung von Kurz­ faser-Watte,

Fig. 2 schematisch eine Vorrichtung zum Zusammenbringen von Metallschmelze und Kurzfaser und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen mit der Vorrichtung gemäß Fig. 2 hergestellten Verbundwerkstoff.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt ein trichterförmiges Gefäß 1, in dem unten eine enge Düse 2 von 1,5- 2 mm vorgesehen ist, durch die gerade nach oben ein dünner, jedoch kräftiger Luftstrahl von 5 atü geblasen wird. Der Luftstrahl verteilt sich zum oberen Ende des Gefäßes 1, wo es durch ein abnehm­ bares Gitter 3 abgeschlossen ist. In das Gefäß werden Bündel, sogenannte kurze Rovings von Kurzfasern gegeben. Der Luft­ strahl reißt die Bündel auseinander und verteilt die Kurzfasern, bis sich in dem Gefäß ein aufgebauschtes, luftiges Gebilde, d. h. Watte befindet.

Es ist auch möglich, ein zylindrisches Gefäß vorzusehen, in dem sich unten ein Propeller befindet, der die Fasern von Rovings verwirbelt. In ein solches Gefäß werden z. B. 4 gr Aramidfasern in Form von Rovings gegeben, wobei die Fasern 12 mm lang sind. Während des Aufbauschens wird 1 gr PTFE (Poly­ tetrafluorethylen) in Form eines Pulvers zugemischt, das von oben her eingestreut wird. Es entsteht eine Watte von 1 gr Fasern auf 100 cm³, wobei die Fasern mit dem Pulver beschich­ tet sind.

Die gemäß dem Vorhergehenden erzeugte Watte wird im Rahmen des vorliegenden Versuches von Hand zusammengedrückt bzw. ver­ dichtet und so geformt, daß sie in etwa in eine Form 4 der Vorrichtung gemäß Fig. 2 paßt. Dabei erfolgt eine Verdichtung auf ein Viertel des Volumens, d. h. auf ca. 1 gr Kurzfaser pro 25 cm³ und die Fasern bilden jetzt eine Lage 5, deren Außen­ fläche am Boden und an der Seitenwand nicht durchgehend an­ liegen und auch nach oben hin nicht plan ist. Es mag auch sein, daß die Lage an der einen Stelle etwas stärker zusammengedrückt ist als an der anderen Stelle. Auch wenn man das Verdichten und Formen nicht von Hand, sondern maschinell durchführt, werden die erwähnten Unebenheiten und Dichte­ inhomogenitäten in einem gewissen Umfang vorhanden sein.

Die Form 4 der Preßwerkzeuges gemäß Fig. 2 ist im Querschnitt rund, hat einen Durchmesser von 70 mm und weist eine auf 370 °C beheizte Grundplatte 6 auf. Der Form 4 ist ein auf- und abbewegbarer Stempel 7 zugeordnet, der ebenfalls auf 370 °C beheizt ist. Die Lage 5 wird mit Zimmertemperatur in die Form gelegt und mit 220 gr einer auf 420 °C erhitzten Schmelze einer eutektischen Zn/Al/Cu-Legierung übergossen, deren Schmelzpunkt 380 °C beträgt. Die Schmelze des Metalles wird also erheblich über den Schmelzpunkt erhitzt, um ausreichende Dünnflüssigkeit zu gewährleisten. Die Metallschmelze 8 befindet sich zunächst auf der Lage 5, ohne in diese erheblich einzudringen, und drückt die Lage 5 aufgrund ihres Gewichtes etwas zusammen.

Der Stempel 7 wird jetzt von oben gegen die Schmelze 8 gefahren und übt auf diese gleichmäßig verteilt einen in kurzer Zeit aufgebauten Druck von 1000 bar aus. Bisher weniger verdichtete Bereiche der Lage 5 werden also stärker verdichtet als bisher stärker verdichtete Bereiche. Die Lage 5 wird in der Dicke auf ca. 2,5 mm verringert und gleichmäßig gegen den Boden gedrückt. Es entsteht ein Preßling in Form einer Scheibe von 70 mm Durchmesser und 8 mm Dicke. Der Preßling und vorher die Lage liegt auf einer in der Wandung befindlichen Boden­ platte 11. Die Form weist unten, z. B. zwischen Bodenplatte und Wandung, Undichtigkeiten auf, durch die beim Drücken Luft entweichen kann.

Die Preßling-Scheibe, die bei dem hier zur Rede stehenden Versuch angefallen ist, ist im Schnitt schematisch in Fig. 3 gezeigt. Es hat sich unten der eigentliche Verbundwerkstoff 9 gebildet, bei dem Kurzfasern in einer Metallmatrix eingebet­ tet sind. Über dem Verbundwerkstoff 9 befindet sich eine Schicht 10 aus überschüssigem Metall.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kurzfasern mittels Tränken, bei dem eine Lage von Kurz­ fasern vorgesehen wird, auf der Kurzfaser-Lage Metallschmelze vorgesehen wird und die Metallschmelze unter Druck in die Lage von Kurzfasern eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfasern in der Lage in statistischer Verteilung und in einer Dichte von 1 gr Kurzfaser pro 1-40 cm³ Volumen in einer Form vorgesehen werden, die Metallschmelze flüssig auf die Kurzfaser-Lage aufgegossen wird und kolbenartiger Druck auf die Metallschmelze ausgeübt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfaser-Lage in eine beheizte Form gelegt wird, die nach dem Aufgießen der Schmelze zylinderartig einen beheizten Stempel zur Ausübung des Druckes aufnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschmelze verwendet wird, deren Temperatur gleich oder kleiner 2000 °C ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß nichtmetallische Kurzfasern verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lage mit einer Dichte von 1 gr Kurzfaser pro 10-30 cm³, vorzugsweise pro ca. 25 cm³ Volumen verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage von verdichteten Kurzfasern erzeugt wird, indem Bündel von Kurzfasern mittels Luftströmungen bzw. Luftturbulenzen zu einem Wattezustand aufgebauscht werden und diese Kurzfaser-Watte zu der Lage verdichtet und geformt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzfasern als Watte oder als Lage mit einem Pulver durchmischt werden.