DE69003545T2 - Centrifugal casting device for the production of composite materials. - Google Patents
Centrifugal casting device for the production of composite materials.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von metallischen oder organischen Verbundwtrkstoffen durch Zentrifugieren, ein Abguß- bzw. Formgußverfahren, bei dem die genannte Vorrichtung elngesetzt wird, die erhaltenen Verbundwerkstoffe und die aus diesen Materialien bestehenden Teile entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 7 und 8.The present invention relates to a device for producing metallic or organic composite materials by centrifugation, a casting or molding process in which the said device is used, the composite materials obtained and the parts made of these materials according to the preambles of claims 1, 7 and 8.
Die Herstellung van metallischen Drehteilen durch Zentrifugieren ist wohlbekannt. Das Verfahren besteht darin, das schmelzflüssige metallische Material in eine Form einzubringen, die einer Drehung unterworfen wird. Dieses Verfahren ist auch auf eine Mischung angewandt worden, die aus einer metallischen Legierung in flüssigem Zustand und einem Verstarkungsmittel, beispielsweise Graphit, einer Keramik usw., besteht, und so Teile aus verstärkter metallischer Legierung erhalten.The manufacture of turned metal parts by centrifugation is well known. The process consists in introducing the molten metal material into a mold which is subjected to rotation. This process has also been applied to a mixture consisting of a metal alloy in liquid state and a reinforcing agent, for example graphite, a ceramic, etc., thus obtaining parts made of reinforced metal alloy.
Jedoch weist diese Verfahren zumindest zwei Nachteile auf. Einerseits ist die Verteilung des Verstarkungsmittels im hergestellten Teil schwer zu steuern. Sie hängt im wesentlichen vom Unterschied in der Dichte zwiscnen dem Matrixmaterial und dem Verstärkungsmittel ab. Je nachdem, wie groß dieser Unterschied ist, ist die Verteilung des Verstärkungsmittels mehr oder weniger homogen.However, this method has at least two disadvantages. On the one hand, the distribution of the reinforcing agent in the manufactured part is difficult to control. It depends essentially on the difference in density between the matrix material and the reinforcing agent. Depending on how large this difference is, the distribution of the reinforcing agent is more or less homogeneous.
Andererseits können bestimmte Produkte, die gute Verstärkungsmittel darstellen würden, nicht ausreichend lange eine stabile Mischung mit dem Material der flüssigen metallischen Matrix bilden: das Verstarkungsmittel sondert sich vom metallischen Matrixmaterial ab, bevor dieses in die Form gespritzt werden kann. Das ist bei den Mischungen aus Kupferlegierungen und Graphitpulver der Fall. Die Benetzbarkeit von Graphit in flüssigen Kupferlegierungen ist sehr gering, auch wenn die Graphitteilchen mit Nickel oder Kupfer umgeben sind. Wenn das Graphitpulver mit einer flüssigen Kupferlegierung gemischt wird, sondert sich das Pulver nach einer sehr kurzen Zeit, weniger als 2 Sekunden, ab. Folglich ist es nicht möglich, die Verteilung des Verstärkungsmittels im Metallteil zu regulieren, wenn eine solche Mischung in eine sich drehende Form gespritzt wird.On the other hand, certain products that would be good reinforcing agents cannot form a stable mixture with the liquid metal matrix material for a sufficiently long time: the reinforcing agent separates from the metal matrix material before the latter can be injected into the mold. This is the case with mixtures of copper alloys and graphite powder. The wettability of graphite in liquid copper alloys is very low, even when the graphite particles are surrounded by nickel or copper. When graphite powder is mixed with a liquid copper alloy, the powder separates after a very short time, less than 2 seconds. Consequently, it is not possible to regulate the distribution of the reinforcing agent in the metal part when such a mixture is injected into a rotating mold.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben daher eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen durch Zentrifugieren entwickelt, welche nicht die oben angeführten Nachteile aufweist.The inventors of the present application have therefore developed a device for producing composite materials by centrifugation which does not have the disadvantages mentioned above.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für die Herstellung von metallischen oder organischen Verbundstoffen durch Formguß.The aim of the present invention is a device for the production of metallic or organic composites by molding.
Ein weiteres Ziel der Vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen durch Formguß, durchgeführt mit Hilfe der Vorrichtung.Another object of the present invention is a method for producing composite materials by molding, carried out with the aid of the device.
Ein weiteres Ziel davon sind die erhaltenen Verbundwerkstoffe.Another goal is the resulting composite materials.
Schließlich besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in den aus Verbundwerkstoff hergestellten Teilen.Finally, another object of the present invention is the parts made of composite material.
Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung zur Herstellung von, eine metallische oder organische Matrix und zumindest ein Verstärkungselement beinhaltenden, Verbundwerkstoffen durch Formguß eine Form (5), die eine Drehachse (6) aufweist und mit Einrichtungen ausgestattet ist, die ihr eine Drehung um ihre Achse rmöglichen, sowie mit einer Zufuhrvorrichtung (7) für flüssiges acrixmaterial und mit einer Zufuhrvorrichtung (8) für ein Verstärkungselement. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8) in die Abflußzone (10) der Vorrichtung (7) mündet. Eine Zufuhrvorrichtung kann ein Einlauf, eine Gießrinne, ein Zuleitungsrohr, ein Trichter, ein Auslauf oder eine andere äquivalente Einrichtung sein.According to the invention, the device for producing composite materials containing a metallic or organic matrix and at least one reinforcing element by molding comprises a mold (5) having an axis of rotation (6) and equipped with devices that allow it to rotate about its axis, as well as a feed device (7) for liquid acrylic material and a feed device (8) for a reinforcing element. It is characterized in that the device (8) opens into the discharge zone (10) of the device (7). A feed device can be an inlet, a pouring trough, a feed pipe, a funnel, an outlet or another equivalent device.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Drehachse der Form schräg sein. Die Zufuhrvorrichtung verläuft nicht notwendigerweise parallel zur Drehachse der Form oder koaxial. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, daß die Zufuhrvorrichtung für ein Verstärkungselement in eine Zone nahe dem Ende der Abflußzone der Zufuhrvorrichtung für Matrixmaterial mündet, sodaß eine Mischzone in unmittelbarer Nähe des Eingangs der Form geschaffen wird.In the device according to the invention, the axis of rotation of the mold can be oblique. The feed device does not necessarily run parallel to the axis of rotation of the mold or coaxially. However, it is essential that the feed device for a reinforcing element opens into a zone close to the end of the discharge zone of the feed device for matrix material, so that a mixing zone is created in the immediate vicinity of the entrance to the mold.
Die Drehachse (6) der Form kann horizontal oder annähernd horizontal verlaufen. Die Vorrichtung (8) mündet dann vorzugsweise vertikal in die Abflußzone (10) der Vorrichtung (7).The rotation axis (6) of the mold can be horizontal or almost horizontal. The device (8) then preferably opens vertically into the Drainage zone (10) of the device (7).
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform verläuft die Drehachse (6) der Form vertikal oder beinahe vertikal. Die Vorrichtung (8) weist dann vorzugsweise eine rohrförmige Abflußzone auf, deren Ende in die Abflußzone (10) der Vorrichtung (7) mündet, wobei die Abflußströme in den Abflußzonen der beiden Zufuhrvorrichtungen im wesentlichen parallel verlaufen. ihn diesem Fall kann das Ende der Abflußzone (10) zur vertikalen Wand der Form hin gebogen sein.In another preferred embodiment, the axis of rotation (6) of the mold runs vertically or almost vertically. The device (8) then preferably has a tubular discharge zone, the end of which opens into the discharge zone (10) of the device (7), the discharge streams in the discharge zones of the two feed devices running essentially parallel. In this case, the end of the discharge zone (10) can be bent towards the vertical wall of the mold.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die eine metallische oder organische Matrix und Verstärkungselemente beinhalten, besteht darin, das Matrixmaterial in flüssigem Zustand und zumindest ein Verstärkungsmittel mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine sich drehende Form zu gießen. Bei der Durchführung eines solchen Verfahrens werden das metallische oder organische atrixmaterial und das/die Verstärkungsmittel getrennt zum Eingang der Form geführt, aber die Aufnahme des Verstärkungselements in das Matrixmaterial erfolgt unmittelbar, bevor das Matrixmaterial in die Form gespritzt wird.The method according to the invention for producing composite materials comprising a metallic or organic matrix and reinforcing elements consists in pouring the matrix material in liquid state and at least one reinforcing agent into a rotating mold using the device according to the invention. When carrying out such a method, the metallic or organic matrix material and the reinforcing agent(s) are fed separately to the inlet of the mold, but the reinforcing element is incorporated into the matrix material immediately before the matrix material is injected into the mold.
Mit dieser Vorgangsweise ist es möglich, in eine Matrix Verstärkungsmittel aufzunehmen, die in Form von Teilchen oder kurzen Fasern vorliegen, deren Benetzbarkeit im Matrixmaterial sehr gering ist. Die Zone, in der das Mischen durchgeführt wird, ist sehr eingeschränkt, aber die Wirbelströmungen, die durch das Eintreffen eines Stroms von Verstärkungselementen im Strom des Abflusses des Matrixmaterials erzeugt werden, ermöglichen die Bildung einer hervorragenden Mischung zwischen dem Matrixmaterial und den Verstärkungselementen Darüber hinaus befindet sich diese Zone unmittelbar vor dem Einspritzen des Materials in die Form. Folglich ist der Zeitraum, der zwischen dem Moment, in dem das Verstärkungsmittel mit dem Matrixmaterial gemischt wird und der Verfestigung des Materials in der Form verstreicht, ausreichend kurz, damit das Verstärkungselement sich nicht vom Matrixmaterial lösen kann.This procedure makes it possible to incorporate into a matrix reinforcing agents in the form of particles or short fibers whose wettability in the matrix material is very low. The zone in which the mixing is carried out is very limited, but the vortex flows generated by the arrival of a stream of reinforcing elements in the flow of the matrix material outflow allow the formation of an excellent mixture between the matrix material and the reinforcing elements. In addition, this zone is located immediately before the injection of the material into the mold. Consequently, the time elapsed between the moment the reinforcing agent is mixed with the matrix material and the solidification of the material in the mold is sufficiently short to prevent the reinforcing element from detaching from the matrix material.
Durch Anpassung der verschiedenen Parameter des Gießvorganges können entweder Materialstücke, die verstärkte Drehzonen aufweisen, oder Materialstücke, die durchgeheno verstärkt sind, erhalten werden. Letztere können mit Hilfe herkömmlicher Zentrifugier-Formgußvorrichtungen nicht erhalten werden, wenn das Verstärkungselemenz keine ausreichende Benetzbarkeit aufweist oder seine Dichte sich von jener der Matrix wesentlich unterscheidet.By adjusting the various parameters of the casting process, either pieces of material with reinforced rotation zones or The latter cannot be obtained by means of conventional centrifugal molding devices if the reinforcing element does not have sufficient wettability or if its density differs significantly from that of the matrix.
Beispielsweise kann die Dauer des Gießvorgangs des Matrixmaterials und die Dauer des Gießvorgangs des Verstärkungselements gewählt werden.For example, the duration of the casting process of the matrix material and the duration of the casting process of the reinforcing element can be selected.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Zugabe des Verstärkungsmittels bezogen auf den Beginn des Eingießens des Matrixmaterials verzögert werden, wenn nur das Innere des Teils verstärkt werden soll. So kann verhindert werden, daß ein Teil der Verstärkungselemente an der Außenseite oer Teile festgehalten wird, ein Festhalten, zu dem die Tendenz aufgrund der so gut wie sofort erfolgenden Verfestigung der Außenhautzone besteht.In a variant of the process according to the invention, the addition of the reinforcing agent can be delayed with respect to the start of the pouring of the matrix material if only the interior of the part is to be reinforced. This makes it possible to prevent some of the reinforcing elements from being held on the outside of the part, a holding which there is a tendency to do due to the almost immediate solidification of the outer skin zone.
Indem man das Eingießen des Verstärkungselements bezogen auf den Beginn des Eingießens des Matrixmaterials ausreichend verzögert, wird näher der Bohrung eine verstärkte Drehzone erhalten.By sufficiently delaying the pouring of the reinforcing element relative to the start of the pouring of the matrix material, a reinforced rotation zone is obtained closer to the bore.
Im übrigen ist es vorzuziehen, daß das Eingießen des Verstärkungselements vor oder spätestens gleichzeitig mit dem Eingießen des Matrixmaterials endet, um das Vorhandensein freier Verstärkungselemente in der Bohrung des erhaltenen Verbundwerkstoffstücks zu vermeiden.Furthermore, it is preferable that the casting of the reinforcing element ends before or at the latest at the same time as the casting of the matrix material in order to avoid the presence of free reinforcing elements in the bore of the composite piece obtained.
Außerdem kann durch die Temperaturwahl der Verstärkungselementgehalt der zu verstärkenden Zonen beeinflußt werden. So führt eine geringere Temperatur der Form, das heißt eine größere Erkaltungsgeschwindigkeit, zu einer rascheren Verfestigung in der Nähe der Wand der Form, wodurch die Gefahren einer Trennung zwischen den Verstärkungselementen und dem Matrixmaterial im Fall von Verstärkungselementen mit geringer Benetzbarkeit im Material der Matrix verringert werden.In addition, the choice of temperature can influence the reinforcing element content of the zones to be reinforced. For example, a lower mold temperature, i.e. a faster cooling rate, leads to faster solidification near the mold wall, thereby reducing the risk of separation between the reinforcing elements and the matrix material in the case of reinforcing elements with low wettability in the matrix material.
Im übrigen spielt die Temperatur des Matrixmaterials einerseits eine Rolle für die Verfestigungsgeschwindigkeit und andererseits dafür, wie einfach die Aufnahme der Verstärkungselemente in diese Matrix ist.Furthermore, the temperature of the matrix material plays a role on the one hand for the solidification rate and on the other hand for how easily the reinforcing elements can be incorporated into this matrix.
Die Temperatur der Verstärkungselemente kann ebenfalls eine Rolle dabei soielen, wie einfach die Aufnahme dieser Verstärkungselemente in die Matrix ist.The temperature of the reinforcing elements can also play a role in how easily these reinforcing elements are incorporated into the matrix.
Ein weiterer Faktor, der die Verteilung des Verstärkungselements beeinflußt, ist der Unterschied zwischen der Dichte des Matrixmaterials und jener des Verstärkungselements. Je höher die Dichte des Verstärkungselements gegenüber jener des Matrixmaterials ist, desto mehr hat dieses Element die Tendenz, sich an der Peripher des Teils anzuordnen. Im umgekehrten Fall liegt das Verstärkungselement um die Bohrung in einer höheren Konzentration vor.Another factor that influences the distribution of the reinforcing element is the difference between the density of the matrix material and that of the reinforcing element. The higher the density of the reinforcing element compared to that of the matrix material, the more this element tends to be located at the periphery of the part. In the opposite case, the reinforcing element is present in a higher concentration around the hole.
Außerdem verstärkt eine höhere Rotationsgeschwindigkeit der Form die Wirkung der anderen Faktoren.In addition, a higher rotation speed of the mold increases the effect of the other factors.
Der Typ und die Dicke der Innenauskleidung der Form spielen eine wichtige Rolle für die Verfestigungsgeschwindigkeit des Teils. So bewirkt eine isolierende und dicke Innenauskleidung der Form eine langsame Verfestigung des Teils, wodurch die Verstärkung an seiner Peripherie erleichtert wird (das wird im Fall von Verstärkungselementen eingesetzt, deren Dichte größe als jene der Matrix ist).The type and thickness of the inner lining of the mold play an important role in the solidification rate of the part. For example, an insulating and thick inner lining of the mold causes a slow solidification of the part, thus facilitating the reinforcement at its periphery (this is used in the case of reinforcing elements whose density is greater than that of the matrix).
Einer der wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß sie es ermöglicht, nach Belieben lokal eines oder mehrere Merkmale eines Teils aus Matrixmaterial verstärken, der eine Drehachsensymmetrie aufweist. Dazu reicht es aus, das oder die geeignete(n) Verstärkungselement(e) mit dem gewünschten Merkmal und die Durchführungsbedingungen für das Verfahren zu wählen, welche die Verstärkung der gewünschten Zone zulassen können.One of the main advantages of the device according to the invention is that it makes it possible to locally reinforce, as desired, one or more features of a part made of matrix material having a symmetry of the axis of rotation. To do this, it is sufficient to choose the appropriate reinforcing element(s) with the desired feature and the conditions for carrying out the process which can allow the reinforcement of the desired zone.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es auch, zwei Zonen desselben Teils mit Hilfe unterschiedlicher Verstärkungselemente zu verstärken. Wenn ihre Dichte sehr ähnlich ist, wird zunächst das Verstärkungselement für die äußere Zone des Teils eingespritzt. Wenn das Verstärkungselement der äußeren Zone eine Dichte aufweist, die deutlich über jener der inneren Zone liegt, können die beiden Verstärkungelemente vor ihrer Aufnahme im Matrixmaterial in flüssigem Zustand gemischt werden. Beim Gießen durch Zentrifugieren führt das Dekantieren der Verstärkungselemente zur erwünschten Verteilung im Inneren des Teils. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Temperaturen so zu wählen, daß die Verfestigung ausreichend langsam erfolgt, damit sich die schwersten Elemente an der Außenseite anordnen können.The device according to the invention also makes it possible to reinforce two zones of the same part using different reinforcing elements. If their density is very similar, the reinforcing element for the outer zone of the part is injected first. If the reinforcing element of the outer zone has a density that is significantly higher than that of the inner zone, the two reinforcing elements can be matrix material in liquid state. In the case of centrifugal casting, decanting the reinforcing elements leads to the desired distribution inside the part. In this case, it is advisable to choose the temperatures so that solidification takes place slowly enough to allow the heaviest elements to arrange themselves on the outside.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für so gut wie alle Metallegierungen eingesetzt werden, von denen die Legierungen auf Kupferbasis (beispielsweise Bronze, Kupfer-Aluminium, Messing) und die Aluminiumlegierungen genannt seien.The device according to the invention can be used for virtually all metal alloys, among which copper-based alloys (for example bronze, copper-aluminium, brass) and aluminium alloys may be mentioned.
Sie kann auch für organische Materialien verwendet werden, wie beispielsweise für Teile aus PVC, aus Epoxyharz, aus Polyester oder aus Methacrylat, die mit Siliziumkarbonatteilchen beaufschlagt sind, um ihnen an der Peripherie hohe Abnutzungsbeständigkeitseigenschaften zu verleihen.It can also be used for organic materials, such as PVC, epoxy, polyester or methacrylate parts coated with silicon carbonate particles to give them high wear resistance properties at the periphery.
Die Verstärkungselemente können als Teilchen oder kurze Fasern vorliegen. Beispielsweise können Graphit-, Siliziumkarbon-, Chromkarbonteilchen eingesetzt werden. Um die Benetzbarkeit der Teilchen oder der kurzen Fasern aus Graphit zu verbessern, wenn sie zum Verstärken von Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen bestimmt sind, ist es vorteilhaft, sie beispielsweise mit einer Nickel- oder Kupferschicht zu umgeben, deren Dicke zwischen 1 und 50 um variieren kann.The reinforcing elements can be in the form of particles or short fibers. For example, graphite, silicon carbon, chromium carbon particles can be used. To improve the wettability of the particles or short fibers of graphite when they are intended for reinforcing copper alloys and aluminum alloys, it is advantageous to surround them, for example, with a nickel or copper layer, the thickness of which can vary between 1 and 50 μm.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und auf die nachstehenden Beispiele beschrieben, die zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung bestimmt sind.The present invention will be described with reference to the accompanying drawings and to the following examples which are intended to be illustrative and not limiting.
In den Zeichnungen stellen die Figuren 1, 2 und 3 jeweils eine axiale Schnittansicht eines Drehteils aus Verbundwerkstoff dar.In the drawings, Figures 1, 2 and 3 each show an axial sectional view of a turned part made of composite material.
Die Figuren 4 und 5 stellen jeweils schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dar.Figures 4 and 5 each schematically show a device according to the invention.
In den Figuren 1 bis 3 bezeichnet (1) die Drehachse des Teils, (2) bezeichnet den Teil, (3) den verstärkten Abschnitt, (4) bezeichnet die Bohrung des Teils.In Figures 1 to 3, (1) indicates the axis of rotation of the part, (2) indicates the part, (3) the reinforced section, (4) indicates the Drilling the part.
Figur 4 stellt eine Form (5) dar, die sich um eine vertikale Achse (6) drent. Das Matrixmaterial wird mit Hilfe eines Auslaufs (7) in die Form eingebracht, der bei (9) in die Form eindringt. Die Verstärkungselemente werden mit Hilfe eines Auslaufs (8) eingebracht. Dieser Auslauf (8) mündet in die Zone (10) des Endabschnitts des Auslaufs (7), sodaß die Mischung des Matrixmaterials und des Verstärkungselements unmittelbar vor dem Einbringen in die Form erfolgen kann.Figure 4 shows a mold (5) rotating around a vertical axis (6). The matrix material is introduced into the mold by means of a spout (7) which enters the mold at (9). The reinforcing elements are introduced by means of a spout (8). This spout (8) opens into the zone (10) of the end section of the spout (7), so that the mixing of the matrix material and the reinforcing element can take place immediately before they are introduced into the mold.
Wenn die Mischung in flüssigem Zustand in die Form (5) eingebracht wird, die mit einer Drehbewegung um die Achse (6) bewegt wird, fällt sie auf den Boden der Form, und die durch die Drehung der Form hervorgerufenen Zentrifugalkräfte verteilen sie über die vertikalen Wände der Form. Um die Anordnung des Materials auf den Wänden der Form zu erleichtern, kann es vorzuziehen sein, einen Auslauf (7) zu verwenden, dessen Endabschnitt sich im Inneren der Form (und nicht am Eingang der Form) befindet und gebogen ist, damit der Materialstrom gegen die Wand der Form hin gelenkt wird. Wenn die Verstärkungselemente in der Zone (10) im Matrixmaterial aufgenommen werden, reichen die Wirbelströmungen, die sich in dieser Zone (10) bilden, aus, um eine hervorragende Mischung zwischen dem Matrixmaterial und den Verstärkungselementen zu bilden.When the mixture is introduced in liquid state into the mould (5), which is moved with a rotary movement around the axis (6), it falls to the bottom of the mould and the centrifugal forces caused by the rotation of the mould distribute it over the vertical walls of the mould. In order to facilitate the deposition of the material on the walls of the mould, it may be preferable to use a spout (7) whose end section is located inside the mould (and not at the entrance to the mould) and is curved so that the flow of material is directed towards the wall of the mould. When the reinforcing elements are received in the matrix material in the zone (10), the vortex flows that form in this zone (10) are sufficient to create an excellent mixture between the matrix material and the reinforcing elements.
Figur 5 stellt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar. In dieser Figur sind die Elemente, die jenen von Figur 4 entsprechen, mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Bei dieser Ausführungsform dreht sich die Form um eine horizontale Achse. Beim Einbringen des Matrixmaterials (oder der Mischung aus Matrixmaterial und Verstärkungselement) fällt dieses auf die Wand der Form, auf der es durch die Zentrifugalkräfte verteilt wird.Figure 5 represents a variant of the device according to the invention. In this figure, the elements corresponding to those in Figure 4 are provided with the same reference numbers. In this embodiment, the mold rotates around a horizontal axis. When the matrix material (or the mixture of matrix material and reinforcing element) is introduced, it falls onto the wall of the mold, where it is distributed by centrifugal forces.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung auf keine dieser Ausführungsformen beschränkt ist.It goes without saying that the invention is not limited to any of these embodiments.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft für die Herstellung von metallischen oder organischen Teilen mit Drehachsensymmetrie eingesetzt, die Drehzonen beinhalten, in denen bestimmte Eigenschaften verstärkt sind.The method according to the invention is advantageously used for the production of metallic or organic parts with rotational axis symmetry, which contain rotation zones in which certain properties are enhanced.
Bei diesen Teilen mit Drehachsensymmetrie kann es sich um solche handeln, die an sich einsetzbar sind (Lager, Ringe usw.). Diese Teile können auch ein Material darstellen, in dem Teile ausgeschnitten sind, bei denen es sich nicht um "Drehteile" handelt. So ist die Herstellung von Stäben, von Schienen möglich, die eine verstärkte Zone aufweisen.These parts with symmetry of the axis of rotation can be those that are usable in themselves (bearings, rings, etc.). These parts can also be made of a material in which parts are cut out that are not "turned parts". This makes it possible to produce bars, rails that have a reinforced zone.
Eine besonders interessante Anwendung ist die Herstellung von lokal selbstschmierenden Lagern. Die metallische Matrix derartiger Lager besteht aus einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung. Das eingesetzte Verstärkungselement ist Graphit in Form von Teilchen mit einer mittleren Abmessung von 5 bis 500 um, möglicherweise mit einer Nickel- oder einer Kupferschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 bis 10 um bedeckt. Die Herstellung eines selbstschmierenden Lagers kann mit Hilfe einer Vorrichtung durchgeführt werden, wie sie in Figur 4 oder 5 dargestellt ist. Das Volumen des beschichteten oder nichtbeschichteten Graphitpulvers ist abhängig von der Dicke und der Graphitkonzentration der im Lager erwünschten selbstschmierenden Zone. Das Eingießen des Graphitpulvers erfolgt durch den Auslauf 8, das Eingießen des Matrixmaterials durch den Auslauf 7. Um das Festhalten der Graphitteilchen an der Außenseite des Teils durch die so 9ut wie sofort erfolgende Verfestigung der Zone der Außenhaut zu vermeiden, trifft das Pulver einen kurzen Moment nach dem Beginn des Eingießens des Matrixmaterials in der Zone (10) der Pulver/Legierung-Mischung ein. Es ist wünschenswert, daß das Eingießen des Pulvers vor oder spätestens gleichzeitig mit dem ingießen des Matrixmaterials endet, um zu verhindern, daß freies Pulver in der Bohrung vorhanden ist. Aufgrund des Unterschieds in der Dichte zwischen dem Matrixmaterial und dem Pulver dekantiert dieses sofort ins Innere des Teils, wobei dieses Dekantieren durch die Zentrifugalbeschleunigung im Inneren des zentrifugierten Teils wesentlich verstärkt wird ( γ = 20 bis 200 g). Um zu verhindern, daß das Pulver nicht durch die Bohrung aus dem Teil geschleudert wird (insbesondere im Fall der Matrix auf Kupferbasis), ist es notwendig, die Form stark anzufeuchten, um die Erstarrungsfront sehr rasch in das Innere des Teils fortschreiten zu lassen, was es ihr ermöglicht, die Teilchen einzuholen und sie im verfestigten Matrixmaterial einzuschließen.A particularly interesting application is the manufacture of locally self-lubricating bearings. The metallic matrix of such bearings consists of a copper alloy or an aluminium alloy. The reinforcing element used is graphite in the form of particles with an average dimension of 5 to 500 µm, possibly covered with a nickel or copper layer with a thickness of the order of 1 to 10 µm. The manufacture of a self-lubricating bearing can be carried out using a device such as that shown in Figure 4 or 5. The volume of coated or uncoated graphite powder depends on the thickness and the graphite concentration of the self-lubricating zone desired in the bearing. The graphite powder is poured in through the outlet 8 and the matrix material through the outlet 7. In order to avoid the graphite particles sticking to the outside of the part due to the almost instantaneous solidification of the outer skin zone, the powder arrives in the zone (10) of the powder/alloy mixture a short time after the start of the pouring of the matrix material. It is desirable that the pouring of the powder ends before or at the latest at the same time as the pouring of the matrix material in order to prevent free powder from being present in the bore. Due to the difference in density between the matrix material and the powder, the latter immediately decants into the inside of the part, this decanting being significantly increased by the centrifugal acceleration inside the centrifuged part (γ = 20 to 200 g). To prevent the powder from being thrown out of the part through the hole (especially in the case of the copper-based matrix), it is necessary to moisten the mold strongly in order to allow the solidification front to advance very quickly into the interior of the part, allowing it to catch up with the particles and enclose them in the solidified matrix material.
Die so hergestellten Teile weisen, wie es das Schema von Figur 1 zeigt, einen starken Graphitanteil in der Bohrung auf, was diese selbstschmierend macht.The parts thus produced have, as shown in the diagram in Figure 1, a high graphite content in the bore, which makes it self-lubricating.
Es wurden Versuche unter den gleichen Bedingujigen wie oben aber mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durchgeführt, um Drehteile herzustellen, die eine mit Graphitteilchen verstärkte Matrix aus Kupfer oder Kupferlegierung enthalten. Das Matrixmaterial und das Verstärkungselement wurden gemischt, dann über einen einzigen Auslauf in die sich drehende Form eingebracht. So wurde ein Formteil erhalten, der an seiner Oberfläche freie Graphitpulverteilchen beeinhaltete. Folglich hat sich die Mischung aus Matrixmaterial und Verstärkungselement beim Einspritzen in die Form getrennt.Tests were carried out under the same conditions as above but using state-of-the-art equipment to produce turned parts containing a matrix of copper or copper alloy reinforced with graphite particles. The matrix material and the reinforcing element were mixed, then introduced into the rotating mold via a single outlet. A molded part was thus obtained which contained free graphite powder particles on its surface. Consequently, the mixture of matrix material and reinforcing element separated when injected into the mold.
Wenn es sich um Teile mit Bronzematrix (beispielsweise Typ UE 12) handelt, spielt das Vorhandensein von Porositäten im Inneren der Graphit beinhaltenden Zone die Rolle einer Schmier- und Staubtasche, die von der Beschickungsperiode herrührt. Tatsächlich können sich während dieser Periode Graphit- und Bronzeteilchen vom Teil losreißen und setzen sich dann in diesen Porositäten ab, was jegliche Abnutzung durch Abrieb des Gegenstücks verhindert. Hingegen kann dieses Vorhandensein von Porositäten verringert werden, indem dem beschichteten Graphitpulver Aluminium-, Phosphor-, Kupferphosphid-, Zink- oder Kalziumpulver zugegeben wird. Der sehr geringe Prozentsatz ist von der Anzahl an Porositäten abhängig, die iie Einsatzart des Lagers zuläßt. Das Zugeben dieses Pulvers zum geschichteten Graphitpulver erfolgt sehr sorgfältig, um jegliche Heterogenität der Zusammensetzung zu vermeiden.In the case of bronze matrix parts (type UE 12, for example), the presence of porosities inside the graphite-containing zone acts as a pocket of lubrication and dust resulting from the loading period. In fact, during this period, graphite and bronze particles can break away from the part and then settle in these porosities, preventing any wear due to abrasion of the counterpart. On the other hand, this presence of porosities can be reduced by adding aluminium, phosphorus, copper phosphide, zinc or calcium powder to the coated graphite powder. The very low percentage depends on the number of porosities that the type of use of the bearing allows. The addition of this powder to the coated graphite powder is carried out very carefully to avoid any heterogeneity in the composition.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Drehteile zu erhalten, deren Länge zwischen 2 und 7000 mm und deren Außendurchmesser zwischen 30 und 7000 mm variieren kann.The method according to the invention makes it possible to obtain turned parts whose length can vary between 2 and 7000 mm and whose external diameter can vary between 30 and 7000 mm.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Herstellung von Teilen mit verstärkter organischer Matrix eingesetzt werden. So können Teile hergestellt werden, deren Peripherie beispielsweise durch Siliziumkarbon(SiC)-Teilchen verstärkt sein kann, um sie besonders widerstandsfähig gegen Abrieb zu machen, oder aber auch durch Graphitteilchen, um die Außenseite selbstschmierend zu machen.The method according to the invention can also be used for the production of parts with a reinforced organic matrix. In this way, parts can be produced whose periphery can be reinforced, for example, with silicon carbon (SiC) particles to make them particularly resistant to abrasion, or with graphite particles to make the outside self-lubricating.
Ebenso können andere Arten von Paaren aus organischem Material und Verstärkungselementen gebildet werden, wenn es möglich ist, in der Mischungszone (10) die Mischung zwischen Matrix und Verstärkungselementen zu bewirken.Likewise, other types of pairs of organic material and reinforcing elements can be formed if it is possible to effect the mixing between matrix and reinforcing elements in the mixing zone (10).
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