DE2701421C2

DE2701421C2 - Verfahren zum Herstellen faserverstärkter Bauteile

Info

Publication number: DE2701421C2
Application number: DE19772701421
Authority: DE
Inventors: Takeo Tokyo Arai; Keisuke Fujimi Saitama Ban
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1976-01-16
Filing date: 1977-01-14
Publication date: 1982-12-02
Also published as: JPS5292827A; JPS5440209B2; DE2701421A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem solchen bekannten Verfahren (DE-PS 16 21 379) werden mit Tantal überzogene Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit unter erhöhtem Druck mit geschmolzenem Aluminium getränkt und in das Aluminium eingebettet. Hierdurch sollen hochwertige Stoffe für Überschallflugzeuge und Raumfahrzeuge hergestellt werden. Dies Verfahren ist nicht geeignet bzw. dafür vorgesehen, vergleichsweise große faserverstärkte Bauteile in großen Serien kostengünstig herzustellen.

Nach einem anderen Verfahren (Neue Hütte. 18 (1973). 8: S. 461 bis 465) werden Stahldrähte in Aluminium eingebettet. Der Verbund wird dabei durch Drucksinterung hergestellt, da eine Herstellung auf schmel/.flüssigcm Weg als ungünstig angesehen wurde, weil infolge der hohen Temperatur eine starke Reaktion zwischen den beiden Komponenten auftritt, die zur Bildung spröder intermetallischer Phasen führt.

Faserverstärkte Bauteile werden auch im Schleudergußverfahren hergestellt (DE-AS 21 18 848). Dabei liegt eine rotationssymmetrische Faserschicht an der Kokillenwand an und wird mit einem Matrixmetall vergossen. Hierdurch können nur rotationssymmetrische Teile mit aiiL^l<:nliegenden Fasern hergestellt werden. Die Herstellung anders geformter Teile mit darin anders angeordneten Fasern ist auf diese Weise nicht möglich.

Bei einer Kolbenherstellung aus Leichtmetall wird zur Verstärkung besonders beanspruchte Zonen ein Verstärkungseinsatz aus einer Kupferlegierung geschaffen, der durch Eintauchen in flüssiges Aluminium mit einer Deckschicht versehen wird (DE-OS 18 08 843). Der Einsatzkörper wild in eine Gießform eingelegt und mit der Legierung des Kolbens umgössen.

In der älteren Anmeldung DE-OS 26 44 27,' ist schon vorgeschlagen worden, ein faserverstärktes Verbundmatcrial dadurch herzustellen, daß ein Formkörper aus Fasermalei ,il in eine Metallschmelze getaucht wird, die Metallschmelze mit hohem Druck beaufschlagt wird, um den Formkörper zu durchdringen, und der getränkte Formkörper unter anhaltendem Druck zu dem Verbundmaterial verfestigt wird.

Dieses Verfahren ist zur Herstellung großer Bauteile

ϊ nicht besonders geeignet; denn erstens ist eine Hochdruck-Gießvorrichtung großer Abmessungen teuer und verursacht entsprechend hohe Herstellungskosten, und zweitens ist es schwierig, ein Faserbündel || innerhalb einer Gießform genau in der gewünschten

ι» Stellung zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das vergleichsweise große faserverstärkte Bauteile mit optimaler Anordnung der Fasern kostengünstig hergestellt werden können. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird also in einem ersten Verfahrensschritt durch einen Hochdruck-Erstarrungsgießprozeß ein Verbundkörper hergestellt, dei aus einem

-° faserverstärkten Formkörper oder einem Kernbereich sowie einer diesen umgebenden Deckschicht besteht, und in einem zweiten Verfahrensschritt wird an diesem Verbundkörper durch einen Niederdruck-Gießprozeß eine Hüllschicht, welche mit dem Verbundkörper einteilig verbunden wird, indem die Deckschicht des Verbundkörpers in dem zweiten Schritt zum Schmelzen gebracht wird und sich mit der Hüllschichi durch Hineindiffundieren in diese vereinigt. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß im

JO allgemeinen nur ein Teilbereich eines Bauteils mit Fasern verstärkt zu werden braucht, der großen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Dieser Teilbereich ist kleiner als das gesamte Bauteil. Die Fasern können aus Glas, keramischem Material, Kohlenstoff oder Chrom

J^ bestehen, die in Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt eingebettet werden.

Ferner macht sich die Erfindung den Effekt zunutze, daß der Schmelzpunkt des faserverstärkten Kernbereichs höher liegt als der Schmelzpunkt der aus dem gleichen Metall bestehenden Deckschicht, wie unten ausführlicher erläutert.

Das erfindungsgernäße Verfahren hat den Vorteil, daß sich damit relativ große Bauteile mit beliebiger Form herstellen lassen. Denn im ersten Verfahrensschritt wird nur der relativ kleine Verbundkörper hergestellt, die aufwendige Hochdruck-Gießvorrichtung kann also relativ klein sein, und in dem zweiten Verfahrensschritt wird in einem einfacheren und billigeren Niederdruck-Gießprozeß das Volumen des Bauteils auf seine gewünschten, vergleichsweise großen Abmessungen aufgefüllt.

Das erfindungsgemäßc Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß rs wegen der relativ kleinen Gießform im ersten Verfahrensschritt einfacher ist, das mehr oder

" weniger flexible Fasermaterial während des Gießvorgangs an der richtigen Stelle zu halten. Ferner ist es sehr einfach, bei dem zweiten Gießvorgang den starren Verbundkörper trotz relativ großer Abmessungen der Gießform richtig zu positionieren.

Schließlich ist es auch von großem Vorteil, daß durch i ' Nutzung des Effekts unterschiedlicher Schmelzpunkte von Kernbereich und Deckschicht sich eine Vorbehandlung der Oberfläche des Kernbereichs zur Erzielung einer festen Verbindung mit der anschließend aufge-

^b' brachten Hüllschicht erübrigt.

Ausführiingsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.

Bei Vergleich der physikalischen Eigenschaften des

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faserverstärkten Kernbereichs mit den Eigenschaften der keine Fasern enthaltenden Deckschicht ist ein bemerkenswerter Unterschied in der Hitzebeständigkeit und der mechanischen Festigkeit beobachtet worden. Bei Erhitzung des Verbundkörpers wird zunächst die Schmelztemperatur des Einbettungsmetalls erreicht, bei welcher die Deckschicht schmilzt und ihre Form völlig verliert. Bei diesem Schmelzzustand der Deckschicht ist kein Schmelzen des Kernbereichs zu erkennen, er behält vielmehr seine ursprüngliche Form vollständig bei. Bei weiterer kontinuierlicher Erhitzung wird ein Punkt erreicht, bei welchem ein gewisses Maß an Ausdehnung und Erweichen des Einbettungsmetalls auftritt und der Kernbereich als Ganzes weich wird; dabei ist zu beobachten, daß der Kernbereich seine Form nicht völlig verliert.

Die Untersuchung hat zu dem Ergebnis geführt, daß die kritische Temperatur des faserverstärkten Kernbereichs sehr weitgehend der Temperatur des a-Primärkristalls in dem Einbettungsmetall ähnelt. Wählt man als konkretes Beispiel / luminiumlegierungen, zum Beispiel die Aluminiumlegierung AC8B nach japanischer Industrienorm und eine Aluminiumlegierung mit einem hohen Siliziumgehalt von 23%, liegt in beiden Fällen der Schmelzpunkt des Einbettungsmetalls zwischen etwa 550 und 570°C, während die Temperatur der A-Kristalle im Bereich von etwa 600 bis 610°C liegt. Nachfolgend werden diese Schmelzpunkte als der erste bzw. der zweite Schmelzpunkt bezeichnet. Während bei dem ersten Schmelzpunkt wegen des Schmelzens des Metalls die Deckschicht nicht imstande ist, ihre Form beizubehalten, behäl·. der Kernbereich des Verbundkörpers seine ursprüngliche Form weiterhin bei, ohne zu schmelzen, bis der zweite Schriielzberoch erreicht wird. Die Differenz zwischen den beiden Schmelzpunkten beträgt etwa 50 bis 60⁰C. Zwar r. ;htet sich die Erweichungstemperatur des Kernbereichs oder die Temperatur, bei der eine teilweise Elution stattfindet, nach der Art des verwendeten Einbettungsmetalls und der Menge des zur Verstärkung verwendeten Fasermaterials, doch haben verschiedene Versuche gezeigt, daß sie im Bereich von 650 bis 700⁰C liegt, wenn ein Gewichtsanteil von etwa 12 bis 15% kristallisierter Glasfasern verwendet wird.

Brauchbare Ergebnisse bezüglich der Hitzebeständigkeit des Verbundkörpers lassen sich erzielen, wenn dafür Fasern mit einem Durchmesser von 2 bis 10 Mikrometer bei einer Raumdichte von 0.05g/cm^J oder mehr mit einem Gewichtsanteil von 5% oder mehr verwendet werden, wie bei der Herstellung faserverstärkter Verbundkörper allgemein üblich ist.

Zur Verstärkung können Fasern beliebiger Art verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie eine höhere Hitzebeständigkeit haben als das Einbettungsmetall. Wird als Einbettungsmetall zum Beispiel eine Aluminiumlegierung verwendet, kann man Kohlenstoff-Fasern, kristallisierte Glasfasern, keramische Fasern, Chromfasern oder dgl. verwenden, wobei in allen Fällen mehr oder weniger die gleichen Ergebnisse erzielt werden.

Bei der Herstellung eines Bauteils wird der Verbundkörper der oben beschriebenen Art in eine Gieß- oder Preßform eingebracht; dann wird die Deckschicht unter Anwendung des Standgußverfahrens, des Niederdruckgießverfahrens oder des Pulversinterverfahrcns dazu gebracht, zu schmelzen und in die Metallschmelze hinein /M diffundieren; hierbei wird die Differenz /wischen Schmelzpunkten des Kernbereichs und der Deckschicht ausgenutzt, so daß der Verbundkörper einteilig mil der Hüllschicht verbunden wird.

Im folgenden wird die Erfindung durch weitere Beispiele veranschaulicht, auf die sich die Erfindung jedoch nicht beschränkt.

Beispiel 1

Herstellung eines Kolbens von 120 mm Durchmesser
, _M für einen großen Dieselmotor

Ein Formkörper aus Kohlenstoff-Fasern mit einer Fülldichte von 0,3 g/cm^J wurde für den Teil des Kolbens zwischen dem Kolbenboden und dem zweiten Kolbenringsteg verwendet, und bei dem Einbettungsmetall

! "> handelt es sich um die Aluminiumlegierung AC8B nach japanischer Industrienorm. Diese Materialien wurden unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungsgießverfahrens zu einem Verbundkörper verarbeitet. Dabei wurde eine faserfreie Deckschicht aus dem gleichen

-¹" Metall an der unteren Fläche des Verbundkörpers mit einer Dicke von 1 bis 5 mm gebildet. Hierauf wurde der Verbundkörper in eine Metallgießform für das Standgußverfahren eingebracht und darauf eine Schmelze aus der gleichen Aluminiumlegierung bei einer Temperatur

-■> von 780° C gegossen, um den Kolben zu erzeugen.

Bei genauer Untersuchung des auf diese Weise erzeugten Kolbens war bei dem faserverstärkten Abschnitt, der sich zwischen dem Kolbenboden und dem zweiten Kolbenringsieg erstreckte, keinerlei Verände-

'■" rung festzustellen, doch war der faserverstärkte Abschnitt einwandfrei mit der angegossenen Hüllschicht verschmolzen, so daß man für einen großen Dieselmotor einen Kolben von geringem Gewicht erhielt, der in der gewünschten Weise einwandfrei mit

ü dem Fasermaterial verstärkt war.

Bei der Anwendung des Hochdruck-Erstarrungsgießverfahrens ist es außerdem möglich, die nicht mit Fasern verstärkte Schicht unter beliebiger Wahl des Formverfahrens und der Menge der beim Gießen einzufüllenden

•i" Schmelze herzustellen, was sehr vor'eilhaft ist. da hierfür kein besonderer Verfahrensschritt benötigt wird.

4) Beispiel 2

Herstellung eines Zylinderkopfes für einen
wassergekühlten Vierzylinder-Viertaktmotor

Unter Verwendung eines Formkörpers aus kristalli-Ίο sierten Glasfasern mit einer Fülldichte von 0,6g/cm^! und der gleichen Aluminiumlegierung AC8B wie im Beispiel 1 als Einbettungsmctall wurde ein Verbundkörper für den Zylinderkopf unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungsgießverfahrens hergestellt, wo-Vi bei die Wandflächen der Verbrennungsräume und die Dichtungsfläche zusammenhängend ausgebildet und zwei oder vier solche zusammenhängende Gebilde hintereinandergeschaltet waren. Die mittlere Dicke des Kernbereichs betrug 6 mm und diejenige der Decken schicht 3 mm.

Der so erhaltene Verbundkörper wurde dann in eine Mefallgicßform für einen Niederdruckguß eingebracht und darauf eine Aluminiumlegierung des Typs AC2U nach japanischer Industrienorm gegossen, um einen hi Zylinderkopf mit einem Wasscrkühlmantel von komplizierter Form zu erzeugen, bei dem die Verbrennungsräume und die Dichtungsflächc mit Fasermaterial hinreichend verstärkt werden.

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Beispiel j

Herstellung eines Zylinders für einen
luftgekühlten Zweitaktmotor

Unter Verwendung eines Formkörpars üus Kohlen- ■ stoff-Fasern mit einer Fülldichte von 0,4 g/cm³ und der gleicher, Aluminiumlegierung AC8B wie Lai dciTi Beispiel 1 als Einbettungsmetall wurde unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungsgießverfahrens ein Verbundkörper mit einer mittleren Wandstärke von in 5 mm im faserverstärkten Teil hergestellt. Dabei wurde «idf der Außenfläche des Zylinderkörpers eine faserfreie Deckschicht mit einer Dicke von 3 mm gebildet. Dann wurde der Verbundkörper in eine Metallgießform für einen Niederdruckguü eingebracht und auf den Körper r, eine Schmelze der Aluminiumlegierung AC2B, wie im Beispiel 2 verwendet, gegossen; auf diese Weise wurde ein Zylinder für einen luftgekühlten Zweitaktmotor mit

fi

Kühlrippen um:¹ verschiedenen anderen Abschnitten hergestellt, bei dem der Laufhuchsenteil mit dem Fasermaterial hinrc't"snti verstärk', wa"

Da erfindungsgemäß, wie eben beschrieben, der Verbundkörper mit einer Hüllschichi unter Nutzung der Differenz in den Schmelzpunkten des Kernbereichs des Verbundkörper und der Deckschicht an der Oberfläche des Verbundkörpers verschmolzen wird, ist es möglich, ein Einbettungsmetall durch Angießen der gleichen Art von Metall zu umhüllen, was bisher als schwierig angesehen worden ist; außerdem kann der Verbundkörper fest mit einem Abschnitt des betreffenden Bauteils verbunden werden, ohne daß irgendeine komplizierte Oberflächenbehandlung durchgeführt zu werden braucht. Hierbei ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten durch Abblättern, Aufschwimmen oder dgl. bei dem faserverstärkten Teil, und zwar selbst dann nicht, wenn das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Claims

Pateniansprüche: 27 Ol 421

1. Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Bauteile, insbesondere von Kolben und Zylindern von Brennkraftmaschinen, wobei durch einen Verbundgießprozeß mit anschließender Erstarrung des Einbettungsmetalles unter erhöhtem Druck ein faserverstärkter Formkörper hergestellt wird, d a durch gekennzeichnet, daß der in einem ersten Verfahrensschritt hergestellte Formkörper an vorbestimmter Stelle in eine Gießform eingelegt und in einem zweiten Verfahrensschritt durch einen Niederdruck-Gießprozeß eine Metallschmelze mit einer Temperatur, die oberhalb des Schmelzpunktes der Deckschicht, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Kernbereiches des Formkörpers liegt, an diesen angegossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Formkörpers Kohlenstoff-Fasern, Glasfasern, keramische Fasern oder Chromfasern in Aluminium oder eine Aluminiumlegierung mit uoh:m Siliziurngehalt eingebettet werden.