DE3878894T2

DE3878894T2 - Verfahren zur herstellung von vorgeformtem draht aus mit siliciumkarbidfasern verstaerktem aluminium.

Info

Publication number: DE3878894T2
Application number: DE8888311576T
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Imai; Toshikatsu Ishikawa; Katsuya Tokutomi
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1988-03-24
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1993-06-17
Anticipated expiration: 2008-12-08
Also published as: US4877643A; EP0337034B1; EP0337034A1; JPH031437B2; JPH01246486A; DE3878894D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformtem Draht aus mit Siliciumcarbid- Fasern verstärktem Aluminium als Zwischenprodukt eines FRM und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformtem Draht der oben beschriebenen Art, der vor einem Nachlassen der Festigkeit bei hohen Temperaturen geschützt ist. Das Konzept des vorgeformten Drahtes, wie es in der vorliegenden Erfindung definiert ist, schließt gleichermaßen auch vorgeformte Folien/Bleche und vorgeformtes Band ein.
Verbundstoffe, die aus einem Metall wie Aluminium und einem damit getränkten faserförmigen Material wie einer Siliciumcarbid-Faser zusammengesetzt sind, sind bislang vielversprechend und haben Erwartungen geweckt in bezug auf Materialien, die weit verbreitet für Fahrzeuge, Flugzeuge, Raketen, Raumfahrzeuge und dergleichen einsetzbar sind; diese Erwartungen gründen sich auf ihr jeweils dem Metall und dem faserförmigen Material zuzuschreibenden Leistungsverhalten wie Zähigkeit, Leichtigkeit und Biegsamkeit.
Man hat verschiedene Methoden zur Herstellung solcher Metall-Faser-Verbundstoffe vorgeschlagen. Ein Beispiel von ihnen ist ein Verfahren, bei dem feine metallische Teilchen oder ein Metalldampf durch Plasmastrahl-Spritzen, Metallieren oder Vakuumverdampfung gegen ein Faserbündel geblasen werden, um das Metall an den Oberflächen der Fasern zu befestigen, um dadurch einen Metall-Faser-Verbundstoff oder eine Vorstufe desselben zu erzeugen. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß ein Verbundmaterial mit befriedigender Festigkeit und Elastizität nicht erhalten werden kann, da die feinen metallischen Teilchen oder der Metalldampf so geradewegs gegen das Faser-Bündel geblasen wird, daß das Metall nicht gut in das Innere des Faser-Bündels eindringen kann.
Ein anderes vorgeschlagenes Verfahren umfaßt das Eintauchen eines Faser-Bündels in ein Bad eines geschmolzenen Metalls, während das Bad der Metallschmelze durch Ultraschall in Schwingungen gehalten wird, um zu bewirken, daß das geschmolzene Metall in das Innere des Faser-Bündels eindringt. Obgleich in diesem Fall das Faser-Bündel durch die Ultraschall-Schwingungen geöffnet wird, um die im Inneren des Faser-Bündels enthaltene Luft zu vertreiben, so daß ermöglicht wird, daß das Metall gut in das Innere des Faser- Bündels eindringt, werden die Fasern aufgrund der Schwingungen in einem ungeordnet geöffneten Zustand fixiert, so daß Schwierigkeiten dabei auftreten, den resultierenden Metall- Faser-Verbundstoff mit der gewünschten Festigkeit und Elastizität auszustatten.
Ein in der Japanischen Offenlegungsschrift 34 167/1986 offenbartes Verfahren wurde im Hinblick darauf vorgeschlagen, die oben genannten Probleme zu lösen. Dieses Verfahren umfaßt das Ausbreiten und ordnende Ausrichten eines Bündels von Siliciumcarbid-Fasern und das Hindurch führen des Bündels von Siliciumcarbid-Fasern durch eine Schmelze eines Metalls wie Aluminium, während die Schmelze durch Ultraschall in Schwingungen gehalten wird. Dieses Verfahren ist jedoch zu einer Verhinderung der Einbußen an Festigkeit des resultierenden Verbundstoffs bei hohen Temperaturen nicht ausreichend. Wenn nämlich bei der Herstellung eines vorgeformten Drahtes aus mit Siliciumcarbid-Fasern verstärktem Aluminium Fasern mit einer Aluminium-Schmelze längere Zeit bei einer hohen Temperatur imprägniert werden, findet in den Oberflächenschichten der Fasern eine Grenzflächen-Reaktion statt, die deren Güte mindert. Eine gewisse Verbesserung, die der Qualitätsminderung entgegenwirkt, kann zwar durch die Behandlung der Schmelze mit Ultraschall-Schwingungen erreicht werden, um die Zeit des Imprägnierens zum Zweck der Vermeidung einer Qualitätseinbuße abzukürzen. Die Verbesserung ist jedoch noch immer unzureichend. Darüber hinaus können die Festigkeits-Kennwerte des resultierenden Verbundstoffs bei hohen Temperaturen nicht verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf den oben angegebenen Stand der Technik gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformtem Draht aus mit Siliciumcarbid-Fasern verstärktem Aluminium bereitzustellen, der vor einem Nachlassen der Festigkeit bei hohen Temperaturen dadurch geschützt ist, daß man das Aluminium bei niedrigerer Temperatur gut in das Innere zwischen des Fasern eindringen läßt, um eine Imprägnierung ohne Qualitätsminderung der Fasern durchzuführen.
Es wurde gefunden, daß die oben erwähnte Aufgabe der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst werden kann, daß ein Bündel von Siliciumcarbid-Fasern in einer Schmelze einer eutektischen Legierung aus Aluminium und 5,0 bis 7,0 Gew.-% diesem zugesetzten Nickel behandelt wird, die bei einer speziellen Temperatur gehalten wird, und daß eine derartige Behandlung nicht nur die Durchführung der Imprägnierung der Faser mit einer Legierung bei niedriger Temperatur, was dazu dient, eine Qualitätseinbuße der Fasern zu unterdrücken, sondern auch, infolge eines engen Temperaturbereichs der Erstarrung der Legierung, die Unterdrückung innerer Defekte von dadurch hergestellten Vorformlingen ermöglicht, um dadurch einen hohen Wert der Festigkeit des Vorformlings bei hohen Temperaturen zu erzielen.
Dementsprechend macht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von vorgeformtem Draht, vorgeformten Folien/Blechen und vorgeformtem Band aus mit Siliciumcarbid- Fasern verstärktem Aluminium verfügbar, das das Ausbreiten und ordnende Ausrichten eines Bündels von Siliciumcarbid- Fasern und das kontinuierliche Eintauchen des Faser-Bündels während einer Zeitspanne von 60 Sekunden oder weniger in eine Schmelze umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schmelze eine eutektische Legierung aus Aluminium und 5,0 bis 7,0 Gew.-% diesem zugesetzten Nickel umfaßt und daß die Schmelze bei oder unterhalb der Liquidus-Temperatur des Schmelzpunkts derselben plus 50 ºC gehalten wird, um das Faser-Bündel mit der Legierung zu imprägnieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Imprägnierung des Faser-Bündels mit der Legierung unter Ultraschall- Vibration der Schmelze durchgeführt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein schematisches Prozeß-Diagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines vorgeformten Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Zugfestigkeit und Temperatur in den Beispielen 1 und 2 und dem Vergleichsbeispiel.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 1 wird ein von einer Abwickeleinheit 1 geliefertes Bündel von Siliciumcarbid-Fasern 2 mittels einer Faser- Bündel-Arrangiereinheit ausgebreitet und ordnend ausgerichtet und über Führungswalzen 3a und 3b in ein Bad 5 für eine Legierungsschmelze eingeführt, das mit einer aus Aluminium und 5,0 bis 7,0 Gew.-% diesem zugesetzten Nickel aufgebauten geschmolzenen eutektischen Legierung 4 gefüllt ist, um das Faserbündel mit der eutektischen Legierung zu imprägnieren.
Es ist wünschenswert, daß die geschmolzene Legierung 4 den durch eine Ultraschall-Vibrator-Einheit 6 erzeugten Schwingungen ausgesetzt wird. Die Ultraschall-Vibration ist dahingehend wirksam, daß sie das Eindringen der eutektischen Schmelze in das Bündel der Siliciumcarbid-Fasern fördert.
Es ist notwendig, die Temperatur des Bades 5 für die Legierungsschmelze bei oder unterhalb der Liquidus-Temperatur des Schmelzpunkts der eutektischen Legierung plus 50 ºC zu halten. Es ist erforderlich, daß die Zeitdauer des Eintauchens des Bündels der Siliciumcarbid-Fasern 2 in das Bad 60 s beträgt oder kürzer ist. Wenn die Bad-Temperatur der Legierungsschmelze 4 die Liquidus-Temperatur des Schmelzpunkts plus 50 ºC übersteigt und/oder wenn die Dauer des Eintauchens des Bündels der Siliciumcarbid-Fasern 2 60 s übersteigt, schreitet die Grenzflächen-Reaktion der Oberflächenschichten der Fasern in drastischem Maße fort, so daß die Fasern in nachteiliger Weise verschlechtert werden.
Bei dem auf diese Weise in einem geordneten Zustand mit der eutektischen Legierung imprägnierten Faser-Bündel 2 dringt die eutektische Legierung gut in die Zwischenräume zwischen den Fasern ein, was dazu führt, daß in dem Bündel nur wenig Leerräume vorhanden sind, wobei die Legierung eine Legierungs-Phase bildet, die aus faserigen eutektischen Phasen von 0,01 bis 1,0 um oder lamellaren eutektischen Phasen aufgebaut ist.
Das Bündel der Siliciumcarbid-Fasern 2 wird dann über Führungswalzen 3c und 3d und durch einen Spalt 7 oder eine Düse kontinuierlich in eine gewünschte Gestalt gezogen, während überschüssige Legierung abgequetscht wird, wodurch ein durch Fasern und eine eutektische Phase verstärkter vorgeformter Draht mit einem vorher festgelegten Faser-Gehalt pro Volumen gebildet wird, der dann, beispielsweise, um eine Aufwickeleinheit 8 gewickelt wird. Wenngleich in der vorliegenden Beschreibung ein vorgeformter Draht beschrieben ist, schließt das Konzept des vorgeformten Drahtes, wie es in der vorliegenden Erfindung definiert ist, gleichermaßen auch vorgeformte Folien/Bleche und vorgeformtes Band ein, wie oben beschrieben ist.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung dahingehend wirksam, daß Fasern mit einer eutektischen Aluminium-Legierung selbst bei niedriger Temperatur ohne Verschlechterung der Fasern imprägniert werden können, wodurch ein vorgeformter Draht aus mit Siliciumcarbid-Fasern verstärktem Aluminium gebildet wird, der selbst bei hohen Temperaturen keine Einbußen seiner Festigkeit erleidet und infolge eines engen Temperaturbereichs für die Erstarrung der Legierung keine inneren Defekte aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr auf der Grundlage von Beispielen und einem Vergleichsbeispiel speziell erläutert.

Beispiel 1

Eine Schmelze einer eutektischen Legierung aus Aluminium mit 5,7 Gew.-% Nickel wurde auf 670 ºC gehalten, 30 ºC oberhalb ihres Schmelzpunkts. Ein Faser-Bündel aus 250 Siliciumcarbid-Monofilamenten mit einem Durchmesser von 13 um wurde in einer Ordnung ausgerichtet, geöffnet und 10 s kontinuierlich in die Schmelze getaucht, um das Bündel mit der eutektischen Aluminium-Legierung zu imprägnieren, um dadurch einen vorgeformten Draht von 0,3 mm herzustellen. Fig. 2 zeigt die Zugfestigkeit dieses Drahtes bei verschiedenen Temperaturen.

Beispiel 2

Ein vorgeformter Draht wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Abänderung, daß das kontinuierliche Eintauchen des Faser-Bündels der Siliciumcarbid-Monofilamente 1 s unter Ultraschall- Vibration mit einer Resonanzfrequenz von 20 kHz durchgeführt wurde. Fig. 2 zeigt ebenfalls die Zugfestigkeit dieses Drahtes bei verschiedenen Temperaturen.

Vergleichsbeispiel

Ein vorgeformter Draht wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 hergestellt, jedoch mit der Abänderung, daß reines Aluminium als Schmelze bei einer Temperatur von 690 ºC, 30 ºC oberhalb des Schmelzpunkts desselben, gehalten wurde. Fig. 2 zeigt ebenfalls die Zugfestigkeit dieses Drahtes bei verschiedenen Temperaturen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, zeigt der vorgeformte Draht des Vergleichsbeispiels bei 450 ºC eine Zugfestigkeit, die eine Abnahme auf etwa 90 % derjenigen bei gewöhnlichen Temperturen darstellt, während die Zugfestigkeiten der vorgeformten Drähte der Beispiele 1 und 2 sich jeweils bei Werten hielten, die im wesentlichen gleich denjenigen bei gewöhnlichen Temperaturen waren.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von vorgeformtem Draht, vorgeformten Folien/Blechen und vorgeformtem Band aus mit Siliciumcarbid-Fasern verstärktem Aluminium, umfassend das Ausbreiten und ordnende Ausrichten eines Bündels von Siliciumcarbid-Fasern und das kontinuierliche Eintauchen des Faser-Bündels während einer Zeitspanne von 60 Sekunden oder weniger in eine Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze eine eutektische Legierung aus Aluminium und 5,0 bis 7,0 Gew.-% diesem zugesetzten Nickel umfaßt und daß die Schmelze bei oder unterhalb der Liquidus-Temperatur des Schmelzpunkts derselben plus 50 ºC gehalten wird, um das Faser- Bündel mit der Legierung zu imprägnieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Imprägnierung des Faser-Bündels mit der Legierung unter Ultraschall- Vibration der Schmelze durchgeführt wird.