DE3834205A1

DE3834205A1 - Verbundkoerper und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE3834205A1
Application number: DE3834205A
Authority: DE
Inventors: Adrian Aurel Vlad
Original assignee: Barry Wright Corp
Current assignee: Hutchinson Aerospace and Industry Inc
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1989-06-15
Also published as: GB8828131D0; JPH01190441A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbundkörper und insbe sondere auf Metall/Elastomer- und Metall/Elastomer/Me tall-Verbundkörper und auf ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Verbundkörpern.

Es gibt eine Anzahl bekannter Verfahren, um Metallkörper mit nicht-metallischen Körpern zu verbinden.

Die US-PS 43 38 380 beschreibt ein Verfahren zur Festle gung von Keramik an Metallen. Der zusammengesetzte be schriebene Schichtenkörper besteht aus einer Keramik schicht, einer dreidimensionalen flexiblen elastischen metallischen Zwischenfläche, die elastisch ist, einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweist und eine geringe Dichte besitzt und an der Keramikschicht festgelegt ist. Ein Metallkörper ist an dem metallischen Aufbau mit nied rigem Modul festgelegt.

Die US-PS 40 75 364 beschreibt einen Keramik-Metall-Ver bundkörper, der eine innere Keramikschicht, eine äußere Metallschicht und eine Zwischenschicht aus einem Metall mit niedrigem Modul, niedriger Dichte und hohem Schmelz punkt aufweist. Die Keramikschicht ist am Aufbau mit niedrigem Modul direkt oder über einen dazwischengefügten Keramik-Metall-Verbundkörper verbunden, wobei die äußere Metallschicht an der Zwischenschicht mit niedrigem Modul angelötet ist.

Ein weiteres Beispiel zeigt die US-PS 40 55 451, die ein Verfahren zur Herstellung eines Keramik/Metall- oder Keramik/Keramik-Verbundkörpers beschreibt. Ein poröser Oberflächenbereich wird im Keramikmaterial erzeugt, indem eine granulare Substanz auf dem Keramikmaterial aufgesin tert wird. In diesen porösen Bereich wird dann Metall in filtriert, welches eine feste mechanische Verbindung mit dem Keramikmaterial herstellt.

Die US-PS 26 00 220 beschreibt einen Schichtenaufbau, der in Kombination folgende Schichten umfaßt: eine im wesent lichen flache, relativ großflächige Lage aus dichtem Me tall, eine Lage aus hochporösem Metall, welche durch Sinterung von Metallpulver hergestellt ist, und eine an liegende Schicht aus einem Phenolformaldehydkondensa tionsprodukt, die die poröse Metallschicht abdeckt und mit Teilen in die Poren der porösen Metallschicht ein dringt und eine mechanische Verankerung des Phenolform aldehydkondensationsprodukts an den dichten Metallflächen gewährleistet.

Derartige bekannte Methoden und Vorrichtungen sind zu friedenstellend für jene Zwecke, für die sie geschaffen wurden. Es besteht aber immer noch ein großer Bedarf an Verbundkörpern, bei denen ein hartes Material bzw. ein Metall mit einem relativ weichen Material, beispielsweise einem Elastomermaterial oder einem Gummimaterial, verbun den werden muß oder wo ein Schichtenkörper aus diesen Ma terialien hergestellt werden soll. Der Stand der Technik gibt hierfür flache Verbindungsoberflächen zwischen Me tall und Elastomer an, die durch chemische Mittel mitein ander verklebt wurden, jedoch haben sich diese Verbindungen nicht immer als voll befriedigend erwiesen, weil eine Lösung der Schichten unter Spannungsbelastungen erfolgen kann, und man nimmt an, daß dies die Folge einer ungleichmäßigen Lastübertragung vom Elastomer nach dem Metall ist.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Metall/Elastomer-Schichtenkörper zu schaffen, der einen verbesserten Widerstand gegenüber einer Lösung der Schichten aufweist, wenn er Spannungen und Scherkräften ausgesetzt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Me tall/Elastomer- und Metall/Elastomer/Metall-Schichtenauf bau zu schaffen, bei welchem die Beanspruchungen und Spannungen über einen größeren Übergangsbereich verteilt werden, wodurch die Belastungen auf die Bindung des Elastomerkörpers vermindert werden und die Lebensdauer des Schichtenkörpers maximiert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Ver fahren zur Herstellung eines Metall/Elastomer-Verbundkör pers zu schaffen.

Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.

Gemäß der Erfindung ist ein Metall/Elastomer- und Metall/Elastomer/Metall-Verbundkörper vorgesehen und außerdem ein Verfahren zur Herstellung desselben. Aus Gründen der Vereinfachung der Diskussion wird der Metall/Elastomer/Metall-Schichtenaufbau, der primär er wünscht ist, beschrieben, es ist jedoch klar, daß auch Metall/Elastomer-Verbundkörper durch die Erfindung herge stellt werden können.

Demgemäß umfaßt ein Metall/Elastomer/Metall-Verbundkörper nach der Erfindung zwei äußere relativ dicke blockartige Metallplatten mit inneren und äußeren Oberflächen und eine Schicht aus flexiblen Metallmaschen ist jeweils auf der inneren Oberfläche der Metallkörper fixiert und er streckt sich im wesentlichen über die gleiche Fläche wie diese, wobei eine Zwischenschicht aus einem elastomeren Material die metallischen Maschenschichten bedeckt und sich über diese erstreckt und eine mechanische Verriege lungsverbindung zwischen dem Elastomerkörper und den Me tallmaschenschichten und den inneren Oberflächen der Me tallplattenkörper hergestellt ist.

Um die Verbundkörper gemäß der Erfindung herzustellen, werden die Metallplatten, wo sie mit dem Elastomermate rial in Verbindung kommen, durch und durch gereinigt, und dann wird die ebenfalls durchgehend gereinigte Metall maschenschicht, die aus einer Vielzahl von Drahtschleifen besteht, über die gesamte Oberfläche der Metallplatte durch metallische Verbindung, beispielsweise Verlötung, verbunden. Zwei Metallplatten mit den gegeneinander wei senden Metallmaschenschichten werden dann in einer Form angebracht und die Form wird mit geeignetem Elastomer material gefüllt, um eine relativ dicke Zwischenschicht zu bilden, die in die Metallmaschenschichten eindringt und sich mit diesen verkrallt. Es hat sich gezeigt, daß Metall/Elastomer- und Metall/Elastomer/Metall-Verbundkörper, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, einen weitge hend verbesserten Widerstand gegen eine Schichtenlösung oder eine Lösung der Verbindung aufweisen, da Elastomer körper und Metallmaschenschichten zusammen flexibel sind und sich zusammen ausbiegen, wenn eine Belastung auf den Verbundkörper ausgeübt wird.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Metall/Elastomer/Metall-Verbundkörpers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1,

Fig. 3 in größerem Maßstab den Schnitt gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Teilschnitt gemäß Fig. 3, der weitere Einzelheiten der Befestigung der Metall maschenschicht und die Verankerung des Elasto mermaterials in den Schleifen des Maschenmate rials veranschaulicht,

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Metall/Elastomer- Verbundkörpers gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnung Be zug genommen. Hier ist ein Ausführungsbeispiel eines Me tall/Elastomer/Metall-Verbundkörpers gemäß der Erfindung insgesamt mit dem Bezugszeichen (10) bezeichnet. Er be steht aus zwei äußeren, relativ dicken blockartigen Me tallplatten (12 und 14), die innere und äußere Oberflä chen (16, 18 bzw. 20, 22) aufweisen. An der inneren Ober fläche (16) der Metallplatte (12) ist mit gleicher Flä chenausdehnung wie die Oberfläche (16) eine Schicht aus flexiblen Metallmaschen (24) aufgebracht, die vorzugswei se aus flexiblem Metalldraht hergestellt ist, der so ge formt ist, daß mehrere schleifenartige Körper (26) ent stehen. Die Metallmaschenschicht (24) ist an der inneren Oberfläche (16) durch Verlötung der Berührungspunkte zwi schen der Oberfläche (16) und den benachbarten Abschnit ten der schleifenartigen Drähte (26) verbunden. In glei cher Weise ist eine Schicht (24 a) aus flexiblen Metall maschen mit schleifenartigen Drähten (26 a) an der inneren Oberfläche (20) der Metallplatte (14) festgelegt.

Eine Zwischenschicht (28) aus einem dreidimensionalen flexiblen elastischen Elastomer mit niedrigem Modul ist an den inneren Oberflächen (16 und 20) der Metallplatten (12 und 14) festgelegt und an den Oberflächen (30 und 30 a) der flexiblen Metallmaschenschichten (24 und 24 a) verkrallt. Es hat sich gezeigt, daß die befestigten flexiblen Metallmaschenschichten, wenn sie von dem ela stomeren Material durchsetzt werden, ein ausgezeichnetes Mittel bilden, um Elastomer- und Metallkörper miteinander zu verbinden. Diese Verbindung ist flexibel, aber in der Lage, auch bei extremen Auslenkbeanspruchungen intakt zu bleiben, weil Elastomer- und Metallmaschenschicht so zu sammenwirken können, daß die Auslenkkräfte und Beanspru chungen über eine breitere Übergangsfläche verteilt wer den, und zwar infolge der größeren Festigkeit und Steifigkeit, die durch Elastomer- und Drahtmaschenschicht im Bereich der Bindungslinien zwischen Metall und Elasto mer erreicht werden.

Ein Verfahren zur Herstellung des Verbundkörpers gemäß Fig. 1 bis 4 besteht darin, die Metallplatten (12 und 14) zur Vorbereitung für das Hartlötverfahren zu behandeln. Die Metallplatten werden eingehend gereinigt, und zwar entweder mechanisch, beispielsweise durch Drahtbürsten, oder chemisch, beispielsweise durch Eintauchen in eine Trichloräthylenflüssigkeit und dann durch Eintauchen in eine Alkalilösung, worauf ein Spülen in Wasser erfolgt, oder es können andere bekannte Reingungsverfahren ange wandt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Die flexible Drahtmaschenschicht wird in gleicher Weise gereinigt. Die flexiblen Drahtmaschenschichten (24 und 24 a) werden dann an der jeweiligen inneren Oberfläche der Metallplatten beispielsweise durch Hartverlöten festgelegt, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Wenn beispielsweise die Metall platten und die flexiblen Metallmaschenschichten aus Eisenmetallen oder anderen hochschmelzenden Legierungen bestehen, kann eine Kupferverlötung vorgenommen werden, wobei Kupfer als Füllstoff benutzt wird, und die Verlö tung kann in einem Ofen bei ungefähr 1093°C (2000°F) unter einem Schutzgas erfolgen. Die Verlötung bildet einen Verbindungspunkt (32), der am besten aus Fig. 4 er sichtlich ist, zwischen benachbarten Abschnitten von Me tallmaschenschicht und innerer Oberfläche der Metallplat ten, die wie ersichtlich vom Füllmaterial berührt wer den. Die Platten (12 und 14) sind mit ihren flexiblen Me tallmaschenschichten (24 und 24 a) daran verlötet und wer den dann in eine Form eingelegt, wobei die flexiblen Metallmaschenoberflächen im Abstand zueinander gegenüber stehen. Dann wird die Form mit einem Elastomer gefüllt und auf eine Temperatur und einen Druck gebracht, die ausreichend sind, um den Elastomeren unter dem ausge übten Druck in den Raum zwischen die Metallplatten strö men zu lassen und in die Zwischenräume in die Metall maschenschichten einzudringen, worauf der Elastomerkörper abgekühlt wird, so daß eine flexible Verbindungsober fläche (28) zwischen den beiden Metallplatten (12 und 14) und ihren zugeordneten Metallmaschenschichten (24 und 24 a) entsteht. Es können die verschiedensten Elastomere benutzt werden einschließlich natürlichem und syntheti schem Gummi. Geeignete synthetische Gummi sind Silicon gummi, Neopren und Butylgummi. Es ist klar, daß Druck, Temperatur und Zeit der Behandlung je nach der Type des Elastomermaterials unterschiedlich sein können.

Im folgenden wird ein Beispiel der Herstellung eines Ver bundkörpers gemäß der Erfindung beschrieben, jedoch ist dieses nicht beschränkend, sondern nur als Beispiel auf zufassen.

Beispiel

Bei diesem Beispiel werden zwei äußere Metallplatten aus 15-5 PH rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 10 mm, einer Länge von 10 cm und einer Breite von 76 mm benutzt. Die flexible Metalldrahtmaschenschicht bestand aus einer ge wirkten Schicht aus metallischen Fasern aus "Inconel X", wodurch eine große Zahl von Lötpunkten gebildet wird. Das Material hatte eine Dichte von 0,297 lb/in³. Nach der Reinigung wurde eine flexible Metallmaschenschicht mit einer Dicke zwischen 5 mm und 6,4 mm an der inneren Ober fläche der Metallplatten durch Verlötung festgelegt. Die Verlötung wurde unter Benutzung eines AWS-BAG-1-Metalls als Füllstoff bei einer Temperatur zwischen 618°C und 760°C (1145°F bis 1400°F) unter nicht-oxidierenden Be dingungen durchgeführt.

Die Metallplatten und die zugeordneten daran festgelegten flexiblen Metallmaschenschichten wurden dann in einer Form angeordnet und die Form wurde mit einem Elastomer material angefüllt, welches aus einem Siliconelastomer bestand. Die Temperatur wurde auf 163°C (325°F) einge stellt und der Druck auf 200 bar (2900 psi), um eine Ver krallung zwischen dem Elastomermaterial und der Maschen schicht herzustellen. Ein Verbundkörper, der nach dem eben beschriebenen Beispiel hergestellt wurde, zeigte verbesserte Qualitäten in bezug auf Härte, Scherauslen kung, Biegung und Zugfestigkeit.

In Fig. 5 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei der Verbundkörper einen Me tall/Elastomer-Aufbau hat. Wie in der Zeichnung darge stellt, umfaßt der Verbundkörper eine Metallplatte (34), eine Metallmaschenschicht (36), die an der Metallplatte (34) festgelegt ist, und eine elastomere Schicht, die an der Metallmaschenschicht (36) und der inneren Oberfläche (40) der Metallplatte (34) festgelegt ist. Ein solcher Verbundkörper mit einer einzigen Metallplatte kann in der gleichen Weise wie oben in Verbindung mit dem Doppelplat tenschichtkörper hergestellt werden.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit speziellen Ausfüh rungsbeispielen beschrieben. Es können jedoch andere Ab wandlungen getroffen werden. Beispielsweise könnten die Metallplatten aus verschiedenen üblichen Metallen und Le gierungen hergestellt werden, beispielsweise aus Stahl, Titan und Aluminium. Es hat sich gezeigt, daß die bevor zugte Dicke der Metallmaschenschichten etwa 20% der Ge samtdicke des Elastomermaterials beträgt, wenn eine ein zige Metallplatte benutzt wird, und ungefähr 40% (20% auf jeder Seite), wenn der Doppelmetallplattenverbundkör per benutzt wird. Dickere oder dünnere Schichten können benutzt werden, um die Federsteife des Verbundkörpers einzustellen, da eine Vergrößerung der Metallmaschen schichten die Steifheit des Verbundkörpers erhöht. Da die Metallmaschenschicht vorzugsweise aus gewirkten Metall fasergeweben besteht, die die meisten Berührungspunkte mit den Metallplatten ergeben, können andere Maschen schichten benutzt werden, um an den Platten festgelegt zu werden.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht in der Anwen dung relativ dicker Komponenten, indem ein Verfahren zur mechanischen Verbindung relativ dicker Blockmetallkörper benutzt wird, um relativ dicke Blöcke aus relativ weichem flexiblem Material zu verbinden, wodurch es möglich wird, Verbundkörper herzustellen, die eine hohe Widerstands fähigkeit gegenüber einer Lösung der Schichten zeigen, wenn sie Biegekräften und anderen Beanspruchungen und Scherkräften unterworfen werden, was bei bekannten Ver fahren nicht oder nur unzulänglich erreichbar war.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, es ist jedoch klar, daß Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll die Erfindung nur als interpretierendes Beispiel ange sehen werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Metall/Elastomer- Verbundkörpers, welches die folgenden Stufen um faßt: es wird eine Metallplatte mit einer inneren und einer äußeren Oberfläche vorgesehen; es wird eine Schicht aus flexiblem Metallmaschenmaterial vorgesehen, deren Flächenerstreckung im wesentli chen gleich ist der inneren Oberfläche der Metall platte;
es wird die Schicht aus flexiblem Metallmaschen material auf die innere Oberfläche der Metall platte geklebt, und
es wird eine Schicht aus einem Elastomermaterial auf der Metallmaschenschicht abgelagert und die innere Oberfläche der Platte wird auf eine genügend hohe Temperatur und einen genügend hohen Druck gebracht, bis ein Teil der Elastomerschicht in die Metallmaschenschicht eindringt und eine Verbindung mit der inneren Oberfläche der Platte herstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Elasto mermaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus natürlichen und synthetischen Elastomeren besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Metall platte aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Me tallen, Legierungen und Stählen besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die flexible metallische Maschenschicht aus einem Metallgeflecht besteht, das aus flachen Fäden gebildet ist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Metall/Elastomer/Me tall-Verbundkörpers, welches die folgenden Schritte aufweist:
es werden zwei Metallplatten mit inneren und äußeren Oberflächen vorgesehen;
es werden zwei flexible Metallmaschenkörper vorgese hen, deren Flächenerstreckung im wesentlichen gleich ist mit den inneren Oberflächen der Metallplatten;
es wird ein flexibler Metallmaschenkörper an der inneren Oberfläche jeder Metallplatte angebracht; und
es werden die flexiblen Metallmaschenkörper mitein ander dadurch befestigt, daß ein elastomerer Körper dazwischengefügt wird, der eine genügende Temperatur aufweist und unter einem solchen Druck steht, daß er in die Metallmaschenkörper eindringen kann und die Metallplatten mit Abstand zueinander flexibel mit einander verbindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die flexiblen Metallmaschenkörper an der inneren Oberfläche der Metallplatten durch Verlötung festgelegt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Elasto mermaterial an den Metallmaschenkörpern angeformt wird.

8. Metall/Elastomer-Verbundkörper, welcher folgende Teile umfaßt:
eine Metallplatte mit einer inneren und einer äuße ren Oberfläche; eine Schicht aus flexiblem metalli schem Maschenmaterial mit einer Flächenerstreckung, die im wesentlichen gleich mit der Flächenerstrec kung der inneren Oberfläche der Metallplatte; die Schicht aus flexiblem Metallmaschenmaterial ist an der inneren Oberfläche der Metallplatte festgelegt; und
eine gegenüberliegende Lage aus elastomerem Material bedeckt im wesentlichen die metallische Maschen schicht und die innere Oberfläche der Platte und dringt mit einem Teil in das Metallmaschenmaterial ein und ist darin festgekrallt, so daß die Elasto merschicht bei der Biegung des Verbundkörpers in der gegenüberliegenden Lage verbleibt.

9. Metall/Elastomer-Verbundkörper nach Anspruch 8, bei welchem die Schicht aus flexiblem Metallmaschenmate rial ein Metallfadengewirk aus metallischen Fäden aufweist.

10. Metall/Elastomer-Verbundkörper nach Anspruch 8, bei welchem die Schicht aus flexiblem Metallmaschenmate rial eine Vielzahl miteinander verbundener Metall fadenschlingen aufweist.

11. Metall/Elastomer-Verbundkörper nach Anspruch 8, bei welchem die Dicke der Schicht aus flexiblem Metall maschenmaterial, in die das elastomere Material ein gedrungen ist, etwa 20% der Gesamtdicke der gegen überliegenden Elastomerschicht beträgt.

12. Metall/Elastomer-Verbundkörper nach Anspruch 8, bei welchem die Schicht aus flexiblem Metallmaschenmate rial an der inneren Oberfläche der Metallplatte an gelötet ist.

13. Verbundkörper, welcher folgende Teile umfaßt:
zwei äußere Metallplatten mit inneren und äußeren Oberflächen;
jeweils eine Schicht aus flexiblen Metallmaschen, die an den inneren Oberflächen der Metallplatten be festigt sind und eine Flächenerstreckung etwa gleich diesen Platten haben; und
eine Mittelschicht aus elastomerem Material, die die beiden flexiblen Metallmaschenkörper bedeckt und ab schnittsweise im wesentlichen durch diese hindurch dringt, wodurch die Metallplatten und die zugeordne ten flexiblen Maschenkörper gegenüberliegend flexi bel miteinander verbunden bleiben.

14. Verbundkörper nach Anspruch 13, bei welchem die Dicke der Metallmaschenschichten, die von dem ela stomeren Material durchdrungen sind, etwa 40% der Gesamtdicke der dazwischenliegenden elastomeren Schicht beträgt.

15. Metall/Elastomer/Metall-Verbundkörper, der folgende Teile umfaßt:
zwei äußere Metallplatten mit inneren und äußeren Oberflächen;
zwei flexible Metallmaschenkörper, die je eine Viel zahl von schleifenartigen flexiblen Metallfäden be sitzen, welche eine Schicht bilden, die eine im we sentlichen gleiche Flächenerstreckung wie die inne ren Oberflächen der Metallplatten haben und die erste und zweite Oberflächen besitzen, wobei die er ste Oberfläche eines jeden Metallmaschenkörpers an der inneren Oberfläche der Metallplatte durch metal lische Bindung verbunden ist, wobei ein flexibler Zwischenkörper aus elastomerem Material die zweiten Oberflächen der flexiblen Metallmaschenkörper be deckt und teilweise in die schleifenartige flexible Metallfaserschicht eingreift, um eine mechanische Verbindung dazwischen zu schaffen, so daß die äuße ren Metallplatten flexibel im gegenseitigen Abstand zueinander gehalten werden.