DE3209575A1 - Verfahren zur herstellung eines maschinenteils aus einem faserverstaerkten verbundmaterial, der formkoerper und das maschinenteil - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines maschinenteils aus einem faserverstaerkten verbundmaterial, der formkoerper und das maschinenteilInfo
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Description
Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial,
der Formkörper und das Maschinenbeil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial,
das durch einteiliges Verbinden von anorganischem Fasermaterial mit einer Schmelze in einem Hochdruck-Erstarrungsgiffßproaoß
gebildet wird. Die Erfindung betrifft auch den
Ib Fase rf ο rmkö'rper, der als Verstärkung dient, sowie das resultierende
Maschinenteil.
Der in der Beschreibung verwendete Begriff "Hochdruck-Erstarrungsgießprozeß"
bezieht sich auf einen besonderen Gießprozess, in welchem ein hydrostatischer Druck von 500
bis 2000 kg/cm " auf das geschmolzene Metall in einer Gießform ausgeübt wird und das geschmolzene Metall unter Ausübung
diones hohen hydrostatischen Drucks verfestigt wird. Dieses Gießverfahren läßt es zu, daß beim Verbinden des
Fasermaterials mit der Metallschmelze das Fasermaterial über seine gesamte Ausdehnung ausreichend mit dem geschmolzenen
Meta Ll durchtränkt wird, das die Metallschmelze bildet. Gemäß diesem Gießverfahren ist es daher möglich, ein mechanisches
Teil aus Verbundmaterial mit hoher mechanischer Festigkeit zu erhalten.
Die Erfinder haben bereits ein Verfahren zur Herstellung eines faserverntärk I,en Verbundmaterials vorgeschlagen, bei
welchem ein Faisorformkorper mit einer SchüLtdichte von 0,05
bis 2,0 g/cm , der aus hochelastischen anorganischen Fasern
mit einem Lotmaterial aus einem Silberlotsystem besteht, welches Faserphaoen teilweise durch Diffusion verbindet,
durch das oben beschriebene Hochdruck-Erstarrungsgießverfahren mit der Schmelze verbunden wird. Das lot in der
japanischen Patentanmeldung Wr. 58 471/1977 offenbart. Aufgrund der teilweisen Diffusionsbi ndung zwischen den Faserphasen
durch daa Silber! ο I- beßit;',!", dei· Faserforrnlcorper
selbst während des Gießens eine hohe Stabi litii I, oder tfigentragfähigkeit.
Es ist daher möglich, den gewünschten Abschnitt des mechanischen Teils mit den Fasern angemessen
zu verstärken.
Das Ergebnis intensiver Untersuchung des beschriebenen Verfahrens zeigt, daß das folgende Problem auftritt. Obwohl
das Silberlot ausreichend über die gesamte Ausdehnung des Faserkörpers diffundieren kann, um die Diffusionsbi ndung
der Faserphasen nu bewirken, wenn die Schüttdichte des
Faserformkörpers im Rereich von Ο,ΟΊ bis 2,0 f./cm liegt,,
ist es nicht möglich,ein ausreichendes Eindringen des Silberlots in die gesamte Ausdehnung des Faserformlcörpers
zu erhalten, wenn seine Schüttdichte über die Obergrenze des angegebenen Bereichs erhöht wird, um eine höhere Verstärkungswirkung
durch die Fasern zu erzielen. In diesem Fall ist daher der Faserformkörper instabil, und es ist
nicht möglich, den erforderlichen Abschnitt des mechanischen Teils als Endprodukt angemessen zu verstärken.
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung ninn.q Verfahrens
zur Herstellung eines Masch innnt« i 1 s :hiü einem Verbundmaterial,
welches eine angemesfionn Ka.snrverctärk ung de»
gewünschten Abschnitts des Teils zuläßt, indem eine teilweise Diffusionsbindung der Faserphasen über die gesamte
Ausdehnung des Faserformkörpers sichergestellt wird, selbst
wenn die Schüttdichte des Faserformkörpers zur Erzielung einer höheren Verstärkungswirkung vergrößert wird.
Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein anorganischer Faserformkörper durch partielle Di i'fu.iinnsbinduiig üoiner
Faserphasen durch ein Kupferlotmatcrial gebildet, und der
so f'ebjldote anorganische Paserformkörper wird durch das
Hochdruck-Erstarrungsgießverfahren mit der Schmelze einteilig
verbunden.
Als anorganische Fasern werden vorzugsweise Fasern mit hoher
Elastizität verwendet, beispielsweise Metallfasern, die
F?i;iern mi;i ro;: bfrei um fStahl nrafaanen, odnr nichtmetallische
Kn ;icrn, die Kohle.ns hof f-Faaern umfassen.
Di ο partielle Diffusionsbindung zwischen den Faserphasen
durch das Kupferlot wird nachfolgend erläutert.
Eine Vielzahl gleichgerichteter Fasern wird zusammen mit einem Kupferlotmaterial wie zum Beispiel einem Kupferdraht
in eine hitzebeständige Formgebungsform, wie beispielsweise oin Quarzglasrohr,derart eingebracht, daß die Schüttdichte
in einem vorbestimmten Bereich liegt. Dann wird diese Formgebungsform in einen Heizofen gelegt, welcher unter
einc-r Reduzi erga;-.- oder Schutzgasatmosphäer oder unter
Vakuum gehai ton wird. Dann werden die gleichgerichteten
Fasern und der Kupfordraht zusammen mit der l'Ormgebungsform
auf eine hohe Temperatur erhitzt, so daß die Fasern durch
Kfippillarwirkung von dem geschmolzenen Kupfer durchdrungen
werden. In diesem Fall ist die Schüttdichte des so gebildeton Faserformkörpers im wesentlichen gleich der Schüttdächte
der Fasern, die beim Einbringen der Fasern in die Formgebungsform erhalten wurde.
Bei der Herstellung einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor wird beispielsweise die Schüttdichte des stangenförmigon
Faserformkörpers zur Verstärkung des Stangenabschnitts
der Schubstange vorzugsweise so gewählt, daß er zwischen 2,5 und r>,0 g/cm' liegt, was unter dem Gesichtspunkt der
Formbarkeit, der Stabilität und der Affinität zur der
Schmelze wünschenswert ist. Das Kupferlot kann die Faserphasen selbst bei einer so hohen Schüttdichte gleichförmig
durchdringen, so daß en möglich ist, eine partielle
Diffusionsbindung über den gesamten Bereicn des Formkörpf-rn
zu bewirken. Eine Schüttdichte von weniger als 2,0 g/cm ist nicht erstrebenswert, da in diesem Fall die Fa:;ermenge
so klein ist, daß keine winzigen Spalte zur Erzeugung einer Kappillarwirkung gebildet werden können. Eine Schüttdichte
■3
über 5,0 g/cm ist nicht erstrebenswert, da eine se hohe
Schüttdichte die Affinität des Faserformkörpern zur fchmelze
verschlechtert.
Die Erfindung beabsichtigt auch die Bildung des Fa»erformkörpers
hoher Schüttdichte oder Fülldichte, der zur Verstärkung in dem ICinbettungsmetall des Maschinenteil s ausgelegt
ist und eine Vielzahl von anorganischen Fasern umfaßt, die teilweise mittels Kupferlot durch Diffusion verbunden
sind.
Ferner wird erfindungsgemäß das Maschinenteil geschaffen, welches das Einbettungsmetall mit dem darin integrierten
Faserform-Verstärkungskörper umfaßt, der aus einer Vielzahl anorganischer Fasern besteht, die wenigstens I.eilw-M;ie
mittels Kupferlot durch Diffusion verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nach Pol-rand anhand
der Zeichnungen beschrieben. Es zoigt: 25
Figur 1 einen Längs-schnitt einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor, die nach dem erfindungsg«-
mäßen Verfahren hergestellt ist;
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Figur
1;
Figur 3 eine perspektivische Ansic?it, die das Stadium
der Einfügung gleichgerichteter Fasern zusammen
mit Kupferlot in eine Formgebungsform darstellt;
Figur U eine mikroskopische Ansicht, die-; einen Faserformkörper
widergibt;
Figur 5 eine mikroskopische Ansicht des Stangenab-
Schnitts einer Schubstange im Schnitt mit
54-0-facher Vergrößerung; und Figur· 6 eine mikroskopische Ansicht des Stangenab-Schnitts
einer Schubstange im Schnitt in
14-00-facher Vergrößerung.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Anwendung der
Erfindung auf die Herstellung einer Schubstange für einen Verbrennungsmotor.
Figur 3 7i<iigt oin Faserbündel, das in eine Formgebungsform
P oi ngebrncht wird, die au;; einem Quarzrohr besteht. Das
Faserbündel besteht aus einer Vielzahl von Fasern f aus rostfreiem Stahl, von denen jede einen vieleckigen Querschnitt
mit ο i. Mom mittleren Durchmesser von otwa 30 ρ hat,
wobei drei Kupferdrähte W Lm Zentrum des Bündels angeordnet
sind, von denen jeder einen Durchmesser von etwa 0,2 mm aufweist. Die Formgebungsform D wird dann einen Heizofen gelegt,
welcher unter einer Atmosphäre von reduzierendem Gas, wie zum Beispiel Wasserstoffgas gehalten wird. Die Formgebungsform
P, welche das Faserbündel und Kupferdrähte W enthielt, wurde 10 Minuten lang auf eine Temperatur von etwa
1Γ.Ό0 C erhitzt und dann in dem Ofen abgekühlt, um einen
stangenfürmigoii Fasorformkörper F zu bilden.
D]R Struktur dieses Faserformkörpors wurde unter dem Mikroskop
bei 110-fnche>r Vergrößerung untersucht und ist in Figur
/+ fv/ΐθΐ gl.. 1 η 1'1IgUr A ">ind die vorstehenden Abschnitte Pt
um jedo Faser herum und die schwarzen Flecke S das Kupfer.
Es ist zu erkennen, daß das Kupfer das Bündel der Fasern
gleichförmig von dem Kernabschnitt (untere Seite in Figur 4-) zu dem Umfangsabschnitt (obere Seite in Figur 4-) des
Faserbündels durchdringt, um eine teilweise Diffusionsbindung von Faserphasen über die gesamte Ausdehnung des Faserformkörpers
zu erzielen. Das bedeutet, daß der so gebildete Faserformkörpor nine hohe Eigentragföhigkait oder Stabilität
9
besitzt. Seine Schüttdichte betrug 2,65 g/cm .
besitzt. Seine Schüttdichte betrug 2,65 g/cm .
Der so gebildete Faserformkörper wurde dann in einen dem
Stangenabschnitt einarSchubstange für einen Verbrennungsmotor
entsprochenden Hohlraumabschnitt in einor Gießform
zur Bildung der Schubstange eingebracht. Dann wurde das vorerwähnte
Hochdruck-Erstarrungsgießen unter Verwendung einer Aluminiumlegierung (JIS AC8B) als Schmelzenlegierung durchgeführt,
um eine Schubstange C zu erhalten, deren Stangenabschnitt R durch die Fasern verstärkt ist, wi e in den
Figuren 1 und 2 gezeigt.
Der S"tangenabschnitt R der Schubstange C wurde unter rechtem Winkel zu seiner Achse geschnitten und die Schnittfläehe
wurde unber dem Mikroskop bei 540-facher und 1/,00-facher Verfrößerung untersucht; die Ergebnisse sind in den
Figuren 5 und 6 gezeigt. In Figur 5 ist zu erkennen, daß die Fasern f aus rostfreiem Stahl, die vieleckige Querschnitte
aufweisen, mit der Schmelze M mit hoher Affinität gut verbunden sind. In Figur 6 sind die Flecken T im wesentlichen
dreieckiger Gestalt, die zwischen benachbarten Fasern gelegen sind, das mit schwarzer Aluminiumlegierung
verbundene Kupfer. Dies beweist, daß die Fasern f,,, f„, fo,
die bei dem linken unteren Abschnitt, dem rechten unteren Abschnitt und dem rechten oberen Abschnitt erscheinen,
wegen des Vorhandenseins dieser Kupferphasen in Dreiecksform
selbst nach dem Gießen teilweise verbunden oder gebondet werden.
Wie beschrieben, werden erfindungsgemäß Faserphasen mittels
eines Kupferlotes teilweise durch Diffusion verbunden, so daß die teilweise Diffusionsbindung gleichförmig über die
gesamte Ausdehnung des Faserkörpers gemacht werden kann, selbst wenn er eine hohe Fülldichte besitzt. Es ist daher
möglich, einen Faserformkörper mit guter Stabilität oder Selbsttragfähigkeit nicht nur dann -/,n erhalten, wenn die
Fasern gleichgerichtet angeordnet sind, sondern auch, wenn
1 dio Käsern zweidimensional oder ungeordnet angeordnet sind.
Da diese hohe Stabilität des Faserformkorpers selbst während des Iiochdruck-Erstarrungsgi eßens aufrechterhalten werden
kann, ist es möglich, den gewünschten Abschnitt des Maschi-
5 nentoils als Endprodukt angemessen zu verstärken.
Es ist erfindungsgernäß also möglich, ein Maschinenteil mit
hoher mechanischer Festigkeit aus faservertärktem Verbundmaterial herzustellen.
10
Der Patentanwalt 15 j
Leerseite
Claims (18)
1. Verfahren zur Herstellung eines Maschinenteils aus einem faserverstärkten Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Faserformkörper gebildet wird, indem eine partielle Diffusionsbindung einer Vielzahl anorganischer
Fasern durch Kupferlot bewirkt wird, urri daß ein mechanisches
Teil aus faserverstärktem Verbundmaterial gebildet wird, indem der Faserformkörper durch Hochdruckerstarrun^ mit
einer Schmelze einteilig verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Faserformkörper gebildet wird, indem die anorganischen
Fasern zusammen mit dem Kupferlot in vorbestimmter Schüttdichte in eine hitzebeständige Formgebungsform eingebracht
werden und die Formgebungsform erhitzt wird, um zu bewirken, daß das Kupferlot die feinen Zwischenräume zwischen benachbarten
Fasern durch Kappillurwirkung durchdringt;.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet;, daß
die Formgebungsform eine Atmosphäre aufweist, die aus einem Reduziergas, einem Schutzgas oder aus Vakuum besteht.
4-. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schüttdichte des Faserformkörpers zwischen 2,0 und 5,0 g/em3 liegt.
ri. V up I'm Ii mn nnoli Ληορpiic.li 1 odor 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die anorganischen Pasern Metallfasern sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfasern aus rostfreiem Stahl bestehen.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern nichtmetallische Fasern
si nd .
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die nichtmetallischen Fasern Kohlenstoff-Fasern sind.
9. Vorl'.'iliren nach Anaprnoh 1 orinr 2, dadurch gekennzeich»
Ib net, daß das Kupferlot aus Kupferdrähten besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Fasern in einem Bündel befinden und einen vieleckigen
Querschnitt mit einem mittleren Durchmesser.von
etwa 30 gm aufweisen, und daß das Kupferlot die Form von
Kupferdrähten hat, die zentral in dem Bündel angeordnet
sind und einen Durchmesser von etwas 0,2 mm aufweisen.
Kupferdrähten hat, die zentral in dem Bündel angeordnet
sind und einen Durchmesser von etwas 0,2 mm aufweisen.
11. Selbsttragender Faserformkörper, der zur Bildung einer
Verstärkung in einem Einbettungsmetall unter Hochdruckerstarrung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der
Faserformkörper eine Vielzahl anorganischer Fasern umfaßt, die wenigstens teilweise mittels Kupferlot durch Diffusion verbunden sind.
Faserformkörper eine Vielzahl anorganischer Fasern umfaßt, die wenigstens teilweise mittels Kupferlot durch Diffusion verbunden sind.
12. Faserformkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß seine Schüttdichte zwischen 2,0 und 5,0 g/cm
liegt.
liegt.
13. Faserformkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganischen Fasern Metallfasern sind, die
Fasern aus rostfreiem Stahl umfassen.
Fasern aus rostfreiem Stahl umfassen.
14·· Faserformkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die anorganischen Fasern nichtmetallische Fasern sind, die Kohlenstoff-Fasern umfassen.
15. Maschinenteil, bestehend aus einem Einbe ttung;;metall
und einem in dieses integrierten Faserform-Verstärkungskörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserform-Verstärkungskörper
eine Vielzahl anorganischer Fasern umfaßt, die wenigstens teilweise mittels Kupferlot durch Diffusion
verbunden sind.
16. Maschinenteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Faserform-Versbärkungskörper in dass Ei nbet l.ungsmetall
durch Hochdruckerstarrungsguß eingebaut ist.
17. Maschinenteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schüttdichte des Faserform-Verstärkungskörpers zwischen 2,0 und 5,0 g/cm liegt.
18. Maschinenteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Schubstange für einen Verbrennungsmotor ist, welche einen Stangenabschnitt aufweist, in welchem dor Verstärkungskörper
angeordnet ist.
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- 1984-07-10 US US06/616,609 patent/US4572271A/en not_active Expired - Lifetime
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