DE3740424A1

DE3740424A1 - Verfahren zur herstellung von faserverbundwerkstoffen

Info

Publication number: DE3740424A1
Application number: DE19873740424
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr Ing Schrader; Klaus Dr Ing Buehler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1987-11-28
Filing date: 1987-11-28
Publication date: 1989-06-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen, bei dem kontinuierliche metallische Fasern mit einer metallischen Schmelze getränkt werden, bei dem Faserschädigungen auftreten können.

Durch den Einsatz der Verbundtechnologie ist es mög lich, Werkstoffe mit neuen Eigenschaften oder mit solchen Eigenschaften verfügbar zu machen, die mit den klassischen homogenen Werkstoffen nicht realisierbar sind. Die Faserverbundwerkstoffe stellen innerhalb der Verbundwerkstoffe insofern einen Sonderfall dar, als mindestens eine der beteiligten Komponenten in der Form meist streng ausgerichteter kontinuierlicher oder Langfaser vorliegt. Diese Art der Verwendung trägt der Tatsache Rechnung, daß höchste Festigkeiten gängiger Werkstoffe häufig nur in draht- oder faserförmiger Geometrie zu erhalten sind. Zur technischen Nutzung dieser Eigenschaft ist es daher erforderlich, das Fasermaterial mit Hilfe einer Bindephase zu einem Halbzeug oder einem Formteil zu kompaktieren.

Neben anderen metallischen Werkstoffen zeigt auch das insbesondere für militärische Einsatzzwecke interessan te Schwermetall Wolfram eine besonders ausgeprägte Abhängigkeit oder Festigkeit von Draht- oder Faser durchmesser, wobei Variationen zwischen etwa 1000 MPa bei einem Durchmesser oberhalb 10 mm und etwa 5000 MPa bei Durchmessern unterhalb 0,01 mm zu verzeichnen sind.

Zur Herstellung von Faserverbundwerkstoffen aus metal lischen Komponenten ist unter anderem das eingangs genannte Verfahren bekannt. Die metallische Bindephase wird dabei in flüssiger Form in eine fixiertes und in einem Tiegel befindliches Faserbündel eingebracht. Nach dem Tränken und dem anschließenden Erstarren steht dann ein Rohteil zur Verfügung.

Aufgrund der vergleichsweise hohen Tränktemperaturen, die sich aus den Schmelztemperaturen der als Matrix material gebräulichen Werkstoffe ergeben, kann durch das Tränken eine Faserschädigung in Form einer Ver sprödung des Fasermaterials mit daraus resultierenden verminderten Festigkeitseigenschaften des gesamten Werkstoffverbundes resultieren. Der Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes auf Wolframbasis mit besonders hoher Festigkeit sind darüber hinaus auch noch dadurch Grenzen gesetzt, daß sehr dünne Fasern mit Durchmessern unterhalb 0,5 mm kaum zu wirtschaftlich vertretbaren Bedingungen erhältlich sind, so daß eine theoretisch mögliche Nutzung des Festigkeitspotentials dieser dünnen Drähte bzw. Fasern in der Praxis zumeist unter bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der ein gangs genannten Art so zu verbessern, daß mit ihm die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen auf der Basis metallischer Komponenten möglich ist, die eine deutlich gesteigerte Festigkeit aufweisen, und daß dieses Verfahren zugleich einen besonders wirtschaftlichen Herstellungsprozeß für solche Werkstoffe ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie vorsieht, daß bei einem derartigen Verfahren der Werkstoffverbund nach dem Erstarren der Matrix einem Umformvorgang unterzogen wird. Durch diesen Umformprozeß, der in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Umformgrad von wenigstens 40% erfolgt, wird die durch den Tränkvorgang hervorgerufene Versprödung und die daraus resultierende Festigkeits minderung der Fasern rückgängig gemacht. Der Umformvor gang kann dabei in mehreren Verformungsschritten erfolgen, zwischen denen jeweils eine Wärmebehandlung vorgesehen werden kann.

Indem darüber hinaus in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Umformgrad auf über 90% gesteigert wird, ist es weiterhin möglich, inner halb des Werkstoffverbundes eine Reduktion des Durch messers des eingesetzten Drahtes bzw. Fasermaterials, unter Beibehaltung des kreisförmigen Querschnitts, herbeizuführen und dadurch eine weitere, überproportio nale Steigerung der Festigkeit des Fasermaterials zu erreichen.

In Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß der Erfindung besonders geeignete Umformverfahren sind das Feinschmieden, das Fließpressen sowie Walzen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der getränkte Werk stoffverbund vor dem Umformen in eine Hülse aus einem ebenfalls metallischen Material eingebracht wird, wobei der Hülsenwerkstoff vorzugsweise so gewählt wird, daß die Differenz in den Fließspannungen des Werkstoffver bundes und des Hülsenmaterials möglichst gering ist. Um eine thermische Schädigung des Fasermaterials auszu schließen, sollten ferner die gewählten Umformtempera turen möglichst niedrig liegen und dabei vorzugsweise 500°C nicht überschreiten.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Herstellung von Faserverbundwerkstoffe auf Wolframbasis beschränkt ist, besteht in der bevorzugten Ausführungs form der Erfindung das Fasermaterial aus Wolfram bzw. aus Thoriumoxid-dotiertem Wolfram, Wolfram-Rhenium oder einem sogenannten Wolfram-Schwermetall, wobei das Fasermaterial vorzugsweise in Drahtform mit Durch messern zwischen 0,5 und 2 mm verwendet wird. Bevorzug te Matrixwerkstoffe sind dabei Kupfer, Nickel, abge reichertes Uran oder deren Legierungen mit Schmelzpunk ten zwischen 700 und 1200°C.

Abschließend soll die Erfindung anhand eines Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei wird ein Faserbündel aus wolframhaltigen Drähten, die in diesem Fall einen Durchmesser von etwa 2 mm aufweisen, in einem Tiegel fixiert und mit einer metallischen Schmelze getränkt. Als Tränklegierung dient im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels eine Kupfer- Berylliumlegierung. Nach dem Erstarren des Rohteils wird dieses mit einer Hülse aus hochfestem Stahl, in diesem Fall dem Werkstoff X 41CrMoV51, umgeben und anschließend einem Umformprozeß unterzogen, der aus mehreren Verformungsschritten besteht und der zu einem Gesamt-Umformgrad von über 90% führt. Die Verformung wird in diesem Fall mittels Fließpressen aufgebracht, wobei zwischen den einzelnen Umformschritten Wärmebe handlungen vorgenommen werden. Die Umformtemperaturen werden unter 500°C gehalten.

Nachdem, bei Erreichen eines Umformgrades von etwa 40%, zunächst eine durch den Tränkvorgang möglicher weise hervorgerufene Festigkeitsminderung und Faser schädigung aufgehoben wurde, ergibt sich durch die nachfolgende weitergehende Verformung auf über 90% eine Reduktion des Faserdurchmessers unter gleichzeiti ger Beibehaltung des kreisförmigen Querschnitts auf weniger als 0,5 mm. Daraus resultiert eine zusätzliche überproportionale Steigerung der Festigkeit der Fasern. Darüber hinaus liegt durch die Wahl der Kupfer-Beryl liumlegierung als Tränkmaterial die Matrix in einem durch eine Wärmebehandlung erzeugten ausgehärteten Zustand vor, wodurch sich eine weitere Festigkeitser höhung des Faserverbundwerkstoffes ergibt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Faserverbundwerk stoffen, bei dem kontinuierliche metallische Fasern mit einer metallischen Schmelze getränkt werden, bei dem Faserschädigungen auftreten können, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund nach dem Erstarren der Matrix einem Umformvorgang unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformgrad wenigstens 40% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umformtemperatur unterhalb 500°C liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung in mehreren Verformungsschritten erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Verformungsschritten Wärmebehandlungen durchgeführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umformgrad mehr als 90% beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoffverbund vor dem Umformvorgang in eine Hülse eingebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse aus einem hochfesten Stahl besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung mittels Fließ pressen durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung mittels Fein schmieden erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformung mittels Walzen erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fasermaterial auf Wolframbasis verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Fasermaterial Wolfram, Thoriumoxid-dotier tes Wolfram oder Wolfram-Rhenium verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß als Matrixwerkstoff Kupfer, Nickel, abgereichertes Uran oder eine Legierung dieser Werkstoffe mit einer Schmelztemperatur zwischen 700 und 1200°C verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix in einem durch eine Wärmebehandlung erzeugten ausgehärteten Zustand vorliegt.