EP0275426B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Metallteilen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Metallteilen Download PDF

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EP0275426B1
EP0275426B1 EP87117752A EP87117752A EP0275426B1 EP 0275426 B1 EP0275426 B1 EP 0275426B1 EP 87117752 A EP87117752 A EP 87117752A EP 87117752 A EP87117752 A EP 87117752A EP 0275426 B1 EP0275426 B1 EP 0275426B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casting
vacuum
mould cavity
filling chamber
fibre
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP87117752A
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English (en)
French (fr)
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EP0275426A3 (en
EP0275426A2 (de
Inventor
Herbert Dr. Woithe
Josef Dipl.-Ing. Penkava
Gerhard Prof. Dr.-Ing. Habil. Phys. Ibe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vereinigte Aluminium Werke AG
Original Assignee
Vereinigte Aluminium Werke AG
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Publication of EP0275426A2 publication Critical patent/EP0275426A2/de
Publication of EP0275426A3 publication Critical patent/EP0275426A3/de
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Publication of EP0275426B1 publication Critical patent/EP0275426B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/14—Machines with evacuated die cavity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14—Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form

Definitions

  • the invention relates to a fiber-reinforced die-cast part and to a method and a device for its production by vacuum die-casting technology, the metering of the metal being carried out by means of a vacuum via a riser pipe and a suction opening into the filling chamber, and the metal being pressed into the mold cavity by means of an ancillary run of the casting piston .
  • Vacuum die casting technology for horizontal and vertical cold chamber die casting machines is known.
  • the melt is drawn into the filling chamber via a riser pipe by means of a vacuum, which is arranged above the mold cavity in the direction of flow of the molten metal.
  • an apparatus for the production of composite materials which consists of a first receiving chamber for the molten metal and a second receiving chamber for a reinforcing material in the form of a porous, low-density body.
  • air can be drawn off through a line provided in the pressure stamp in order to establish the pressure equilibrium between the upper and lower side of the porous body. Since the vacuum suction process begins at the lower section by 0.1 to 1 second earlier than the vacuum process in the upper section, the molten metal on the stamp part can solidify to a relatively thick layer and thus prevent air suction from below. In this way, the hot molten metal is prevented from abruptly rising and forming bubbles when the size of the negative pressure at the lower portion is slightly smaller than the size of the negative pressure at the upper portion.
  • the object of the present invention is to develop a fiber-reinforced die-cast part and a method and a device for its production, in which the inclusion of gases is avoided and the wetting of the fibers by the inflowing melt is improved. According to the invention, this is done by the features specified in the claims.
  • the arrangement of the vacuum connection between the filling chamber and the mold space in the region of the casting run has the advantage that the vapors of the piston lubricant heated by the liquid metal which is filled or sucked into the filling chamber of the die casting machine are sucked out separately and directly from the filling chamber.
  • the application of the present method is particularly important with regard to volatile alloy components, e.g. Magnesium and its oxides, which are easily formed when the melt overheats and are deposited in the mold cavity.
  • volatile alloy components e.g. Magnesium and its oxides
  • With the present method it is possible to keep the die cavity of the die casting machine free of air and other residual gases and in particular the inner surface of the fiber arrangements used free of any contamination by condensed residues while at the same time maintaining the automatic suction of the molten metal for the shot.
  • the mold cavity 7 which has the suction channel 9 with filter 10, vacuum control valve 11 and the vacuum container 12 and vacuum pump 13 in the region of the casting run 8.
  • Figure 2 shows the filling chamber 1 in cross section with a subsequent pouring run 8, in which the vacuum channel 9 opens.
  • the mold cavity 7a, b is connected to an annular suction 14a, b, c, which provides additional degassing of the fiber molded body before the melt penetrates.
  • FIG. 3 schematically shows a mold cavity 15 which is formed by two mold halves 16a, 16b. At the outer ends of the mold halves 16a, b 2 bores 17a, 17b and 18a, 18b are provided for receiving magnetic bodies 19-22.
  • a cylindrical fiber molded body 23 is inserted into the mold cavity 15. This has annular spacers 24, 25 made of ferromagnetic material at the respective end points. It is possible to use the magnetic bodies 19-22 both from normal magnets and in the form of electromagnets.
  • a molded fiber body or a fiber insert is produced from long and / or short fibers by known methods.
  • Al2O3 and the SiC fibers are preferred as fiber material, but other high-strength metal fibers and carbon fibers as well as boron fibers can also be processed.
  • the preferred Al2O3-containing fibers are non-magnetic and are preformed into a firm bond using the known sintering technique.
  • Known silicate-based binders e.g. "LUDOX" from DuPont can be used.
  • the fiber molding is inserted into the mold cavity 7, which is located in the movable and / or fixed mold half 6a, b or 16a, b.
  • the fiber molded body is fixed in the mold either by core parts or preferably by magnets - as shown in FIG. 3, the fibers additionally having to contain ferromagnetic metal parts.
  • the vacuum channel 9 is connected in the area of the casting run 8 between the end of the filling chamber 1 and the mold cavity 7. It can be formed from one line or preferably from a plurality of lines with a thin cross-section.
  • the mold cavity 7 can be evacuated to the exit side via a ring line 14. In the case of preheated fiber molded articles in particular, this ensures that volatile contaminants and gaseous inclusions of the fibers are extracted.
  • melt is drawn from the container 5 into the filling chamber 1 via the riser pipe 4.
  • the final pressure is in the range of 100 mbar - preferably between 95 and 110 mbar.
  • the evacuation time is set in the range of 2-10 seconds via a vacuum valve 11.
  • the pressure piston 2 then shoots the melt into the mold at a speed of 0.3 to 6 m / sec.
  • the mold 6a, b or 16a, b opens, so that the casting can be removed and the release agent can be sprayed on again for the next shot.
  • FIGS. 4 to 6 show 3 fiber-reinforced castings produced in different ways.
  • Fig. 4 shows a casting which was produced by conventional vacuum die casting technology, the vacuum channel being connected at the upper end of the mold cavity behind the fiber insert.
  • FIG 5 shows a fiber-reinforced die-cast part which was produced using a modified vacuum die-casting technique, the vacuum being drawn off in the region of the casting run and at the upper end of the mold cavity behind the fiber insert.
  • FIG. 6 shows a fiber-reinforced die-cast part which was produced by the method according to the invention with a vacuum connection in the region of the casting run.
  • the casting data for all three manufacturing processes are: Alloy: AlSi12CuNiMg according to DIN 1725, sheet 2 Casting temperature: 730 ° C Molding temperature: 200 - 250 ° C Shaped fiber: preheated from Al2O3 to> 650 ° C Casting pressure: varied between 980 and 1020 bar. After removal, the castings were cooled in air and solution-annealed at 500 ° C for one hour. This was followed by quenching in hot water with subsequent aging at 180-250 ° C. for 4 hours.
  • the casting shown in FIG. 4 has micro voids with diameters of 10 to 200 ⁇ m and gas-filled pores which contain residual gases from the atmosphere and vaporous parts of the lubricant.
  • the porosity of this part was more than 1.5%, calculated from the difference between the actual density and the theoretical density.
  • Parts from the manufacturing process described in connection with FIG. 5 have porosities between 0.5 and 1.0%. It can be seen that very many gaseous inclusions are still present, particularly in the fiber inserts.
  • the porosity of a casting produced by the process according to the invention was less than 0.3%.
  • the structure is homogeneous and without defects.
  • FIG. 7 shows a relatively uniform magnesium distribution between the fibers 27, 28, while in FIG. 8 an annular reaction layer 29 around the Al 2 O 3 fibers after a heat treatment of 500 ° C. for 3.5 hours and a subsequent quenching with hot water 30 was created.
  • the reaction layer in the example chosen here consists of AlMg spinels of the MgO ⁇ Al2O3 type, which increase the adhesion between the matrix and the fibers by a chemical bond by a factor of 2 to 10, the higher values with a subsequent aging at 200 ° C. for 4 hours were achieved.
  • a fiber-reinforced die-cast part produced by the process described above consists of a matrix made of a hardenable aluminum alloy with at least one addition of reactive elements from the group beryllium, calcium, magnesium, strontium and barium in contents of 0.1 to 5% by weight and fibers Alpha and / or delta alumina. It is advantageous if each fiber is surrounded by a reaction layer of mixed oxides of Al2O3 with the alloying elements of the Al alloy.
  • the reaction layer consists of the spinel MgO ⁇ Al2O3 and advantageously has a thickness of 0.1 to 5 ⁇ m.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that hardenable aluminum alloys can also be used as the matrix material due to the large absence of pores. So far, the high temperatures required during curing have caused the structure to be expanded by gaseous inclusions and micro-cavities in such a way that large cracks and bubbles have formed on the surface.
  • the method according to the invention not only can the embedding of the fibers be improved by means of a reactive intermediate layer, but at the same time the strength of the matrix itself and thus the overall strength of the composite material can be increased.
  • FIGS. 9 to 11 show X-ray radiographs on a 1: 1 scale of fiber-reinforced connecting rods, three different production methods being used analogously to FIGS. 4 to 6.
  • the part in Fig. 9 was manufactured using conventional vacuum die casting technology, the vacuum channel being connected at the upper end of the mold cavity behind the fiber insert. 5, a modified vacuum die-casting process was used, in which the vacuum in the region of the casting run and at the upper end of the mold cavity behind the fiber insert was removed simultaneously.
  • the part in FIG. 11 was produced by the method according to the invention with a vacuum connection in the area of the casting run. The casting data have been explained in more detail in connection with FIGS. 4 to 6.
  • FIG. 9 shows numerous gas pores and voids in the area of the sprue, while only individual pores can be seen in the shaft area. According to FIG. 10, there are still some gas pores and cavities in the area of the connecting rod bearing, while in FIG. 11 this point no longer has any irregularities.
  • the irregularities (blowholes and glass bubbles) in the structure are starting points for cracks, which lead to a weakening of the strength values, in particular the notched impact strength. Comparative studies show that the strength decreases approximately in proportion to the amount of pore volume.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Druckgußteil sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung durch Vakuumdruckgießtechnik, wobei die Dosierung des Metalls mittels Vakuum über ein Steigrohr und eine Ansaugöffnung in die Füllkammer erfolgt und durch Vorfahren des Gießkolbens das Metall über einen Gießlauf in den Formhohlraum hineingedrückt wird.
  • Aus "Moderne Druckgußfertigung" 1971 (Brunnhuber), Seite 57 ff. ist die Vakuumdruckgußtechnik für horizontale und vertikale Kaltkammer-Druckgießmaschinen bekannt. Dabei wird die Schmelze über ein Steigrohr in die Füllkammer mittels eines Vakuums gesaugt, das - in Strömungsrichtung der Metallschmelze - oberhalb des Formhohlraums angeordnet ist.
  • Bei der Anwendung dieses Verfahrens auf die Herstellung von faserverstärkten Druckgußteilen, z. B. nach DE 34 04 092, ergibt sich der Nachteil, daß zusammen mit der Metallschmelze auch die im Schmelzenbehälter und in der Füllkammer vorhanden Gase mit angesaugt werden. Diese Gase müssen bei den herkömmlichen Verfahren durch die Faserlagen hindurchgesaugt werden und erhöhen die Gefahr der Blasenbildung durch im Faserkörper zurückgebliebene Gasreste.
  • Ferner ist es unter bestimmten Temperaturbedingungen möglich, daß Schmiermitteldämpfe aus der Füllkammer an der Fasereinlage kondensieren, und dadurch die Benetzung durch die nachströmende Metallschmelze verhindert wird. Die Fasern eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs sind dann zwar noch formschlüssig, aber nicht mehr vollständig kraftschlüssig in der Matrix eingebunden. Die erreichbare Festigkeit des Verbundes wird merklich verringert.
  • Aus der DE-A-35 46 148 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen bekannt, die aus einer ersten Aufnahmekammer für das geschmolzene Metall und aus einer zweiten Aufnahmekammer für einen Verstärkungswerkstoff in Form eines porösen Körpers niedriger Dichte besteht. Dabei kann, während das geschmolzene Metall unter Druck gesetzt wird, Luft durch eine im Druckstempel vorgesehene Leitung abgesaugt werden, um das Druckgleichgewicht zwischen der oberen und unteren Seite des porösen Körpers herzustellen. Da der Unterdruckabsaugvorgang am unteren Abschnitt um 0,1 bis 1 sec. eher beginnt als der Unterdruckvorgang im oberen Abschnitt, kann sich das geschmolzene Metall am Druckstempelteil zu einer relativ dicken Schicht stark verfestigen und damit das Luftansaugen von unten verhindern. Auf diese Weise wird verhindert, daß das heiße geschmolzene Metall abrupt hochsteigt und dabei Blasen bildet, wenn die Größe des Unterdruckes am unteren Abschnitt geringfügig kleiner ist als die Größe des Unterdrucks an dem oberen Abschnitt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein faserverstärktes Druckgußteil sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung zu entwickeln, bei dem die Einschließung von Gasen vermieden und die Benetzung der Fasern durch die einströmende Schmelze verbessert wird. Erfindungsgemäß geschieht dies durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale.
  • Der schematische Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens laßt sich wie folgt darstellen:
    • 1. Fremdbefüllung
      • a) Schmelze einfüllen,
      • b) Füllkammer mit vorfahrendem Kolben schließen,
      • c) Dämpfe absaugen,
      • d) Formraum durch vorfahrenden Kolben füllen,
      • e) Vakuum schließen.
    • 2. Selbstansaugung
      • a) Vakuum anlegen,
      • b) Schmelze ansaugen,
      • c) Gießkolben vorfahren,
      • d) Formraum füllen,
      • e) Vakuum schließen.
  • Die Anordnung des Vakuumanschlusses zwischen Füllkammer und Formraum im Bereich des Gießlaufs hat den Vorteil, daß die Dämpfe des vom in die Füllkammer der Druckgießmaschine eingefüllten bzw. angesaugten flüssigen Metalls erhitzten Kolbenschmiermittels separat und direkt aus der Füllkammer abgesaugt werden.
  • Die Dämpfe kommen nicht mehr mit kalten Wänden des Formhohlraums oder der Einlagen in Berührung und können sich nicht an der großen inneren Oberfläche des Faserformkörpers niederschlagen. Eine Kontamination durch alle Bestandteile des Füllkammergases kann vollständig unterbunden werden.
  • Die Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist insbesondere im Hinblick auf leicht flüchtige Legierungsbestandteile wichtig, wie z.B. Magnesium und dessen Oxide, die bei Überhitzung der Schmelze leicht gebildet und in dem Formhohlraum abgeschieden werden. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, den Formhohlraum der Druckgießmaschine frei von Luft und anderen Restgasen und insbesondere die innere Oberfläche der eingesetzten Faseranordnungen frei von jeder Kontamination durch kondensierte Rückstände bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der automatischen Ansaugung der Metallschmelze für den Schuß zu halten.
  • Für bestimmte Anwendungsfälle - insbesondere für großvolumige Teile - ist es vorteilhaft, die Fasereinlage etwa auf Gießtemperatur vorzuheizen. Bei diesen Temperaturen können Restverunreinigungen auf den Fasern verdampfen und in den Formhohlraum gelangen. Dieses wird erfindungsgemäß durch einen weiteren zusätzlichen Absaugkanal verhindert, der ringförmig um den Formhohlraum im Bereich der Faserlage gelegt ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1 =
    Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Druckgießmaschine
    Fig. 2 =
    Querschnitt entlang AA gem. Fig. 1
    Fig. 3 =
    Längsschnitt durch einen Formhohlraum mit magnetischen Haltekörpern.
    Fig. 4-6 =
    Querschnitt durch 3 verschieden hergestellte faserverstärkte Gußteile
    Fig. 7 u. 8 =
    Querschliffe durch zwei faserverstärkte Druckgußteile
    Fig. 9 - 11 =
    Röntgendurchstrahlungsbilder von drei faserverstärkten Pleuelstangen
  • In Figur 1 ist die Füllkammer mit 1, der Druckkolben mit 2, der Gießzylinder mit 3, das Steigrohr mit 4 und der Schmelzenbehälter mit 5 bezeichnet.
  • Zwischen den Formhälften 6a, 6b befindet sich der Formhohlraum 7, der im Bereich des Gießlaufs 8 den Absaugkanal 9 mit Filter 10, Vakuumsteuerventil 11 und den Vakuumbehälter 12 und Vakuumpumpe 13 aufweist.
  • Figur 2 zeigt die Füllkammer 1 im Querschnitt mit daran anschließendem Gießlauf 8, in den der Vakuumkanal 9 mündet. Der Formhohlraum 7a, b ist an eine ringförmige Absaugung 14a, b, c angeschlossen, die für eine zusätzliche Entgasung des Faserformkörpers vor Eindringen der Schmelze sorgt.
  • Figur 3 zeigt schematisch einen Formhohlraum 15, der durch zwei Formhälten 16a, 16b gebildet wird. An den äußeren Enden der Formhälften 16a, b sind jeweils 2 Bohrungen 17a, 17b und 18a, 18b zur Aufnahme von magnetischen Körpern 19 - 22 vorgesehen.
  • In den Formhohlraum 15 ist ein zylindrischer Faserformkörper 23 eingelegt. Dieser weist an den jeweiligen Endpunkten ringförmige Abstandshalter 24, 25 aus ferromagnetischem Werkstoff auf. Es ist möglich, die magnetischen Körper 19 - 22 sowohl aus normalen Magneten als auch in Form von Elektromagneten einzusetzen.
  • Anhand der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen soll nun das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden. Die dabei gewählten Voraussetzungen sind als bevorzugte Ausführungsbeispiele aus einer Reihe von vielen Anwendungsmöglichkeiten ausgewählt worden.
  • Zunächst wird ein Faserformkörper bzw. eine Fasereinlage aus Lang- und/oder Kurzfasern nach bekannten Verfahren hergestellt.
  • Als Fasermaterial kommen in bevorzugter Weise Al₂O₃ sowie die SiC-Fasern in Betracht, es lassen sich aber auch andere hochfeste Metallfasern und Kohlenstoffasern sowie Borfasern verarbeiten. Die bevorzugten Al₂O₃-haltigen Fasern sind unmagnetisch und werden nach der bekannten Sintertechnik zu einem festen Verbund vorgeformt. Dabei können bekannte Bindemittel auf Silikatbasis, z.B. "LUDOX" der Fa. DuPont eingesetzt werden.
  • Der Faserformkörper wird ggf. nach einer Vorheizung in den Formhohlraum 7 eingelegt, der sich in der beweglichen und/oder feststehenden Formhälfte 6a, b bzw. 16a, b befindet. Der Faserformkörper wird dabei entweder durch Kernteile oder vorzugsweise durch Magnete - wie in Fig. 3 gezeigt - in der Form fixiert, wobei die Fasern zusätzlich ferromagnetische Metallteile enthalten müssen.
  • Nach dem Schließen der Formhälften 6a, b bzw. 16a, b wird die Füllkammer 1 und der Formhohlraum 7 durch den Vakuumkanal 9 evakuiert. Der Vakuumkanal 9 ist im Bereich des Gießlaufes 8 zwischen dem Ende der Füllkammer 1 und dem Formhohlraum 7 angebunden. Er kann aus einer Leitung oder auch vorzugsweise aus mehreren Leitungen dünnen Querschnitts gebildet werden.
  • Zusätzlich kann der Formhohlraum 7 zur Ausgangsseite hin über eine Ringleitung 14 evakuiert werden. Diese sorgt insbesondere bei vorgeheizten Faserformkörpern für eine Absaugung flüchtiger Verunreinigungen und gasförmiger Einschlüsse der Fasern.
  • Gleichzeitig wird über das Steigrohr 4 Schmelze aus dem Behälter 5 in die Füllkammer 1 angesaugt. Der Enddruck liegt im Bereich von 100 mbar - vorzugsweise zwischen 95 und 110 mbar - .
  • Je nach Art der Legierung und der Gießtemperatur wird die Evakuierungszeit über ein Vakuumventil 11 im Bereich von 2-10 Sekunden eingestellt. Danach schießt der Druckkolben 2 die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 0,3 bis 6 m/sek in die Form.
  • Nach einer Erstarrungszeit von 8 bis 60 Sekunden öffnet sich die Form 6a, b bzw. 16a, b, so daß das Gußstück entnommen und das Trennmittel erneut für den nächsten Schuß aufgesprüht werden kann.
  • In den Figuren 4 bis 6 sind 3 auf verschiedene Weise hergestellte faserverstärkte Gußteile dargestellt. Fig. 4 zeigt ein Gußteil, das nach herkömmlicher Vakuumdruckgießtechnik hergestellt wurde, wobei der Vakuumkanal am oberen Ende des Formhohlraums hinter der Fasereinlage angebunden wurde.
  • Fig. 5 zeigt ein faserverstärktes Druckgußteil, das nach einer modifizierten Vakuumdruckgußtechnik hergestellt wurde, wobei das Vakuum im Bereich des Gießlaufs und am oberen Ende des Formhohlraums hinter der Fasereinlage abgezogen wurde.
  • Fig. 6 zeigt ein faserverstärktes Druckgußteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Vakuumanbindung im Bereich des Gießlaufs hergestellt wurde.
  • Die Gießdaten für alle drei Herstellungsverfahren lauten:
    Legierung: AlSi12CuNiMg nach DIN 1725, Blatt 2
    Gießtemperatur: 730 °C
    Formtemperatur: 200 - 250 °C
    Faserformkörper: aus Al₂O₃ auf > 650 °C vorgewärmt
    Gießdruck: variierte zwischen 980 und 1020 bar.
    Nach dem Herausnehmen wurden die Gußteile an Luft abgekühlt und bei Temperaturen von 500 °C eine Stunde lang lösungsgeglüht. Danach erfolgte ein Abschrecken in heißem Wasser mit einer anschließenden Warmauslagerung bei 180 - 250 °C für 4 Stunden.
  • Das in Fig. 4 dargestellte Gußteil weist Mikrolunker mit Durchmessern von 10 bis 200 µm sowie gasgefüllte Poren auf, die Restgase aus der Atmosphäre sowie dampfförmige Anteile des Schmiermittels enthalten. Die Porosität betrug bei diesem Teil mehr als 1,5 %, berechnet aus der Differenz zwischen tatsächlicher Dichte und theoretisch vorhandener Dichte.
  • Teile aus dem im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen Herstellungsverfahren weisen Porositäten zwischen 0,5 und 1,0 % auf. Es ist erkennbar, daß insbesondere in den Fasereinlagen noch sehr viele gasförmige Einschlüsse vorhanden sind.
  • Die Porosität eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußteils lag unter 0,3 %. Das Gefüge ist homogen und ohne Störstellen.
  • Fig. 7 und 8 zeigen Querschnitte durch ein mit und ohne Wärmebehandlung hergestelltes Gußteil. Es handelt sich um energiedispersive Röntgenaufnahmen zur Magnesiumverteilung bei einer AlSi12CuNiMg-Legierung mit einem Vergrößerungsfaktor von 3600.
  • Man erkennt in Fig. 7 eine relativ gleichmäßige Magnesiumverteilung zwischen den Fasern 27, 28, während in Fig. 8 nach einer Wärmebehandlung von 500 °C für 3,5 Stunden und einer anschließenden Abschreckung mit heißem Wasser eine ringförmige Reaktionsschicht 29 um die Al₂O₃- Fasern 30 entstanden ist.
  • Die Reaktionsschicht besteht im vorliegend gewählten Beispiel aus AlMg-Spinellen vom Typ MgO × Al₂O₃, die die Haftung zwischen der Matrix und den Fasern durch chemische Bindung um einen Faktor 2 bis 10 verstärken, wobei die höheren Werte mit einer anschließenden Warmauslagerung bei 200 °C für 4 Stunden erzielt wurden.
  • Weitere Versuche haben gezeigt, daß Gußteile mit einer ringförmigen Reaktionsschicht zwischen Fasern und Matrix ca. 90 % und mehr der maximal erzielbaren Verbundfestigkeit erreichen. Die theoretische Verbundfestigkeit wird dabei ermittelt aus den Festigkeitswerten der Fasern und des Matrixwerkstoffes im Verhältnis zu ihrem jeweiligen Volumenanteil.
  • Ohne die erfindungsgemäße Reaktionsschicht lassen sich nur ca. 50 % der theoretisch möglichen Verbundfestigkeit erreichen. Dieses liegt daran, daß durch Adhäsionskräfte nur ein Teil der Zugspannungen zwischen Fasern und Matrix übertragen werden können. Ein nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestelltes faserverstärktes Druckgußteil besteht aus einer Matrix aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung mit mindestens einem Zusatz an reaktionsfähigen Elementen der Gruppe Beryllium, Kalzium, Magnesium, Strontium und Barium in Gehalten von 0,1 bis 5 Gew.-% und Fasern aus Alpha- und/oder Delta-Aluminiumoxid. Es ist vorteilhaft, wenn jede Faser von einer Reaktionsschicht aus Mischoxiden des Al₂O₃ mit den Legierungselementen der Al-Legierung umgeben ist. Vorzugsweise besteht die Reaktionsschicht aus dem Spinell MgO × Al₂O₃ und weist vorteilhafterweise eine Dicke von 0,1 bis 5 µm auf.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß durch die große Porenfreiheit auch aushärtbare Aluminiumlegierungen als Matrixwerkstoff verwendet werden können. Bisher wurden durch die bei der Aushärtung erforderlichen hohen Temperaturen die Gefüge durch gasförmige Einschlüsse und Mikrolunker derart gedehnt, daß große Risse und Blasen auf der Oberfläche entstanden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher nicht nur die Einbettung der Fasern mittels einer reaktionsfähigen Zwischenschicht verbessert, sondern gleichzeitig die Festigkeit der Matrix an sich und damit die Gesamtfestigkeit des Verbundwerkstoffs erhöht werden.
  • Die Fig. 9 bis 11 zeigen Aufnahmen der Röntgendurchstrahlung im Maßstab 1:1 von faserverstärkten Pleueln, wobei analog zu den Figuren 4 bis 6 drei verschiedene Herstellungsverfahren verwendet wurden. Das Teil in Fig. 9 wurde nach herkömmlicher Vakuumdruckgießtechnik hergestellt, wobei der Vakuumkanal am oberen Ende des Formhohlraums hinter der Fasereinlage angebunden war. Beim Teil nach Fig. 5 wurde ein modifiziertes Vakuumdruckgießverfahren angewendet, bei dem das Vakuum im Bereich des Gießlaufs und am oberen Ende des Formhohlraums hinter der Fasereinlage gleichzeitig abgezogen wurde. Das Teil in Fig. 11 wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Vakuumanbindung im Bereich des Gießlaufs hergestellt. Die Gießdaten sind im Zusammenhang mit den Figuren 4 bis 6 näher erläutert worden.
  • Man erkennt in Fig. 9 zahlreiche Gasporen und Lunker im Bereich des Angusses, während im Schaftbereich nur einzelne Poren erkennbar sind. Nach Fig. 10 sind im Bereich des Pleuellagers noch einige Gasporen und Lunker vorhanden, während in Fig. 11 diese Stelle keinerlei Unregelmäßigkeiten mehr aufweist. Die Unregelmäßigkeiten (Lunker und Glasblasen) im Gefüge sind Ansatzpunkte für Rißbildungen, die zu einer Schwächung der Festigkeitswerte insbesondere der Kerbschlagzähigkeit führen. Vergleichende Untersuchungen zeigen, daß die Festigkeit etwa proportional zur Menge des Porenvolumens abnimmt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Aluminiumdruckgußteile mittels Vakuumdruckgießtechnik in einer horizontalen Kaltkammer-Druckgießmaschine, bestehend aus einer Füllkammer (1) mit Druckkolben (2) und mindestens einem Formhohlraum (7), der mit der Füllkammer (1) über einen Gießlauf (8) verbunden ist, wobei vor bzw. während der Formfüllung ein Vakuum in der Füllkammer und dem Formhohlraum (7) aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum im Bereich des Gießlaufs (8) einen geringeren Gasdruck aufweist als im Innern des Formhohlraums (7) und einen geringeren Gasdruck als im Innern der Füllkammer (1).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor Eintritt der Schmelze in den Gießlauf (8) der Druck am Vakuumanschluß des Gießlaufs (8) 50 bis 100 mbar und im Formhohlraum (7) 100 bis 150 mbar beträgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das faserverstärkte Druckgußteil zur Ausbildung einer Reaktionsschicht (29) zwischen den Fasern (27, 28) und der Matrix nach Beendigung der Evakuierung auf eine Temperatur von 450 bis 550 °C für 0,5 bis 5 Stunden erhitzt und anschließend mit heißem Wasser abgeschreckt wird.
  4. Faserverstärktes Druckgußteil, bestehend aus einer Matrix aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung und Fasern aus Alpha- und/oder Delta-Aluminiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix einen Zusatz an reaktionsfähigen Elementen der Gruppe Beryllium, Kalzium, Magnesium, Strontium und Barium in Gehalten von 0,1 bis 5 Gew-% aufweist und die Fasern mit einer Reaktionsschicht in einer Dicke von 0,1 bis 5 µm umgeben sind.
  5. Druckgußteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser (27, 28) von einer Reaktionsschicht 29 aus Mischoxiden des Al₂O₃ mit den Legierungselementen der Aluminiumlegierung umgeben ist.
  6. Druckgußteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsschicht (29) aus Spinell MgO × Al₂O₃ besteht.
  7. Vorrichtung von faserverstärkten Metallgußstücken mittels Vakuumdruckgießen, bestehend aus einer Füllkammer (1) mit einem Druckkolben (2) in Formhälften (6a, b) dem Formhohlraum (7), dem Gießlauf (8) und einem Vakuumkanal (9), dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuumkanal (9) im Bereich des Gießlaufs (8) zwischen Füllkammer (1) und Formhohlraum (7) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindung des Vakuumkanals (9) in dem Bereich des Gießlaufs erfolgt, welcher der Füllkammer (1) am nächsten liegt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Vakuumkanal (9) weitere Vakuumkanäle (14a, b, c) im Eingangsbereich des Formhohlraumes (7) angeordnet sind.
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