DD299524A5 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines verbundwerkstoffes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines ebenen bandfoermigen faserverstaerkten Aluminium-Verbundwerkstoffes. Das Verfahren besteht darin, dasz eine Schichtung, bestehend aus mindestens zwei Baendern aus einem Aluminiumgrundwerkstoff von 50 m bis 1 mm Dicke, einem Aluminiumlot und mindestens einer Lage organischer oder anorganischer Fasern, die in einer Richtung liegen, von zwei mit Bornitrid beschichteten Baendern abgedeckt wird und in der erfindungsgemaeszen Vorrichtung unter Inertgasatmosphaere und bei einer Temperatur von 10 bis 60 K oberhalb der Schmelztemperatur des Aluminiumlotes und mit einer Walze mit einem Druck von 8 bis 12 MPa fuer eine Zeit von 20 s bis 120 s in Richtung der eingelegten Fasern ueberrollt wird. Durch schrittweises Verdichten der Schichtung wird ein bandfoermiger Verbundwerkstoff hergestellt.{bandfoermiger Verbundwerkstoff; faserverstaerkter Aluminium-Verbundwerkstoff; Schichtung; organische und anorganische Fasern; Bornitrid; Inertgasatmosphaere; Aluminiumlot; Schmelztemperatur}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines ebenen bandförmigen faserverstärkten Aluminium-Verbundwerkstoffes.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Festigkeit und Steifigkeit metallischer Werkstoffe kann durch die Einlagerung von anorganischen und organischen Kurz- und Langfasern bedeutend erhöht werden. Sowohl technische als auch wirtschaftliche Gründe haben zur Entwicklung von faserverstärkten Aluminiumwerkstoffen geführt. Bekannt ist ein Verfahren, bei dem Fasern mittels Plasmaspritzens mit Aluminium umhüllt werden und mehrere Lagen dieses porösen Verbundwerkstoffes durch Walzen einer Verdichtung unterzogen werden. Auf diese Weise sind mit Bor- und Kohlenstoffasern verstäi kte Aluminiumbleche von 2 mm Dicke hergestellt worden. Als nachteilig hat sich bei diesem Verfahren herausgestellt, daß die Fasern durch den Kontakt mit den hochtemperierten Aluminiumtröpfchen im Piasmastrahl thermisch und mechanisch sehr stark beansprucht werden, wodurch ihre Festigkeit erheblich herabgemindert wird, und daß beim Nachverdichten Faserbrüche sowie Einschlüsse von Oxidpartikeln im Gefüge des Verbundes nicht zu vermeiden sind. Die auf diese Weise hergestellten Faserverbundwerkstoffe verfügen daher über eine relativ geringe Festigkeit und sind sehr spröde.

Aus DE-PS 2756015 sind eine Verbundstruktur und das Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt, bei dem ein Stapel von abwechselnd einer Aluminiumfolie und einer Fasermatte, die aus Bor-, Siliziumkarbid- oder mit Siliziumkarbid überzogenen Borfasern mit Querfäden aus Aluminium besteht, zwischen zwei beheizten Platten bei einer Temperatur dicht unter der

Liquldustemperatur des Grundwerkstoffes zusammengepreßt wird. Bei gerlnrj?ügigem Überschreiten der Solltemperatur besteht die Gefahr des Aufschmelzens und Wegfließene des Grundmaterials, beim Unterschreiten erfolgt eine ungenügende 8indung mit den Fasern. In jedem Fall kommt es bei druckempfindlichen Fasern, wie z. B. aus Kohlenstoff, zu Faserbrüchen, die die Festigkeit des Verbundwerkstoffes wesentlich herabsetzen. Außerdem bleibt die Anwendung dieses Verfahrens auf Verbünde in kleinen Dimensionen beschränkt, weil die derartige Herstellung größerer Abmessungen eine hohe Preßkraft erfordert und die notwendige gleichmäßige Druckverteilung kaum befriedigend erreicht werden kann. Die DE-PS 3000171 beschreibt einen faserverstärkten Verbundwerkstoff und das Verfahren zu seiner Herstellung. Danach wird ein Schichtaufbau von mit AISi-Lot plattierten Al-Blechen mit einer dazwischenliegenden und an das Lot anliegenden Faserlage durch Pressen oder Walzen bei einer Temperatur, bei der Im wesentlichen nur das Lot aufschmilzt, zu einem Verbundwerkstoff gefügt. Um die thermische Stabilität dieses Verbundwerkstoffes zu gewährleisten, ist anschließend eine zeit- und kostenaufwendige Langzeitglühbehandlung erforderlich, bei der das Silizium aus dem die Fasern umhüllenden Lot in das Aluminium diffundiert. Nachteilig an diesem Verfahren ist weiterhin, daß die Faserlage nur in die Lotschicht eingebettet wird und daß sich nur Fasern mit einem relativ großen Durchmesser verarbeiten lassen. Aus DE-PS 3033725 ist weiterhin bekannt, daß der vorgenannte Prozeß, der prinzipiell die gleichen Nachteile aufweist, auch in einem Walzverfahren realisiert werden kann, wobei die Schichtung von lotplattiertem Aluminium und Faserlagen vor dem Walzen separat auf eine Temperatur oberhalb der Lotschmelztemperatur vorgeheizt wird und die Fasern durch Walzdruck auch in die Metallagen eingebettet werden. Das Walzen erfolgt auf bekannten Walzwerken, woraus sich die wesentlichsten Nachteile für dieses Verfahren ergeben. Sie bestehen vor allem im separaten Vorwärmen der Schichtung auf eine Temperatur, die oberhalb der Verarbeitungstemperatur liegen muß, und dem nachfolgenden Umformen in Kälteren Walzen. Die Walzen müssen gekühlt werden, um zu gewährleisten, daß das Lot nach dem Umformen erstarrt ist. Nachteilig ist weiterhin, daß der Grundwerkstoff eine bestimmte Mlndestd'-ite haben muß, die oberhalb 1 mm liegt. Bei Verwendung dünnerer Grundkörper ist die Wärmeableitung aus der Zone der Schichtung, in der die Verbundherstellung vonstatten geht, durch die kalten Walzen so groß, daß eine fehlerfreie Bindung der Fasern weder mit dem Lot noch mit dem Grundwerkstoff möglich ist. Durch die bevorzugte Einbettung de.r Fasern in den Lotwerkstoff ist weiterhin bedingt, daß besonoers bt i dünnen Verbunden der Faservolumenanteil und der damit zu erreichende Verstärkungseffekt im Verbund mit abnehmender Dicke immer geringer wird und daß es auf diese Weise überhaupt nicht möglich ist, Verbundwerkstoffe mit Dicken < 1-2mm herzustellen. Weitere Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß durch die beim Walzvorgang eintretende Längung des Walzgutes vor allem in den äußeren Schichten der Faserlagen Brüche eintreten, was dem Verfahrenüziel, einer erhöhten Festigkeit, entgegenwirkt. Mit diesem Verfahren können nur SiC-Fasern und keine Kohlenstoffasern verarbeitet werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziol der Erfindung ist die Herstellung eines bandförmigen faserverstärkten Aluminum-Verbundwerkstoffes von geringer Dicke mit hoher Festigkeit für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen.

Darlegung dec Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen es möglich ist, faserverstärkte Aluminium-Verbundwerkstoffe bis in den Foliendickenbereich mit einem hohen Anteil an dehnungsarmen Fasern herzustellen, ohne daß es zu einer festigkeitsmindernden Anzahl von Faserbrüchen kommt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen mindestens zwei mit AISi-Lot plattierte Bänder aus Aluminium von ΒΟμιη bis 1 mm Dicke eine Schicht von mindestens einer Lage organischer oder anorganischer Fasern, die in einer Richtung liegen, so angeordnet wird, daß die Faserlage immer mindestens an einer Lotschicht anliegt und daß diese so gebildete Schichtung zwischen zwei Metallbändern, die an der der Schichtung zugewandten Seite mit Bornitrid bestrichen sind, in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur von 10 bis 6OK oberhalb der Schmelztemperatur des AISi-Lotes mit einem Druck von 8 bis 12 MPa für eine Zeit von 20 β bis 120s von einer Walze in Richtung der eingelegten Fasern auf einer ebenen metallischen Grundplatte mehrfach überrollt wird und die Schichtung danach um das 0,9fache der Länge dieses überrollten Abschnittes vorwärtsgerückt wird. Die Fasern können Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 8 pm sein. Werden mehr als zwei mit AISi-Lot plattierte Aluminiumbänder verwendet, so können im Inneren der Schichtung ein- oder beidseitig plattierte Bänder verwendet werden. Das Lot kann getrennt als Folie zwischon das Aluminium und die Fasern gelegt werden oder auch als Oberflächenschicht auf den Fasern vorhanden sein. Die in der Bandrichtung angeordneten Fasern können als Einzelfasern, Faserbündel, Gelege oder Gewebe voi liegen.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung benutzt, die aus einer beh jizbaren und mit Inertgas beaufschlagbaren Kammer besteht, in der eine metallische ebene Grundplatte angeordnet ist, über der sich eine von Seitenstegen und Spurrollen geführte Walze befindet, die mittels eines mit Marsestücken belastbaren Lagerbügels und einer an sich bekannten Antriebsvorrichtung auf der Grundplatte abrollbar ist. An den Endstellungen sind die Seitenstege mit Anschrägungen und Rastkerben für die Walzenachse versehen, wodurch die Walze von der Grundplatte abhebbar ist, um damit den Bandvorschub zu ermöglichen. Für das Ein- und Herausführen der bandförmigen Schichtung in die Kammer und aus dieser heraus sind beiderseits schlitzförmige öffnungen vorhanden, in die zwei Metallbänder aus einem hitze- und zunderbeständigen Werkstoff mit einem Schmelzpunkt, der mindestens 300 K über der Arbeitstemperatnr liegt, mit der dazwischen befindlichen Schichtung mittels an sich bekannter Haspeln und Rollen geführt werden. Die Metallbänder können endlos sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein bandförmiger faserverstärkter Aluminium-Verbundwerkstoff von 0,1 mm bis 1 mm Dicke mit einer Zugfestigkeit von 450 MPa bei Temperaturen bis zu 300⁰C hergestellt werden. Durch das gleichzeitige Aufbringen der Arbeitstemperatur und eines mehrmaligen Überrollens durch die Walze über die Metallbänder wird die Schichtung allmählich In den Verbundwerkstoff überführt. Dabei kommt es zunächst zu

einer imprägnierenden Umhüllung der Fasern mit dem Lotwerkstoff. Im Verlauf der Verarbeitung des in der Vorrichtung befindlichen Bandabschnittes kommt es zur Diffusion des Siliziums aus dem Lot in das Aluminium, wodurch dessen Schmelzpunkt herabgesetzt wird und die Fasern in das Aluminium eingebracht werden können. Vorteilhaft gestaltet sich das Verfahren dadurch, daß das Erwärmen und Fugen der Schichtbestandteile in einem Arbeitsgang durchgeführt werden und somit keine Abkühlung des Werkstoffs auftreten kann. Damit sind die Voraussetzungen dafür gegeben, daß der Grundwerkstoff in Foliendicke eingesetzt und der Faservolumenanteil dadurch erhöht werden kann, daß die Fasern bis annähernd an die Oberflächen des feigen Erzeugnisses verteilt werden.

Durch die Verwendung der Metallbänder zum Abdecken der Schichtung und die Verwendung einer ebenen Grundplatten der Vorrichtung wird trotz des A'ifbringens einer linlenförmigen Druckbelastung durch die Walze eine schädigende Relativbewegung in der Struktur der Schichtung vermieden, so daß im Verfahrensablauf keine oder nur minimale Faserbrüche auftreten können und eine zuverlässige Bindung zwischen den Bestandteilen des Verbundwerkstoffes herbeigeführt wird. Durch die äußerst schonende und auf den Verbund im wesentlichen flächenhafte Druckeinwirkung können auch Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 8 pm eingebracht werden. Die Verwendung von Bornitrid auf den Metallbändern hat die Aufgabe eines Trennmittels und führt gleichzeitig zu einer guten Oberfläche des fertigen Verbundwerkstoffes. Die Vorrichtung ermöglicht das abschnittsweise Verdichten der zugeführten Schichtung zu einem Verbundwerkstoff, ohne daß damit die Herstellung eines langen Bandes beeinträchtigt wird. Das Auftreten von Absätzen mit ihrer Bruchgefährdung für die Fasern wird dadurch vermieden, daß die Intervalle des Weiterrückens kleiner ausgeführt werden als die Länge des überrollten Abschnittes, so daß die nacheinander verarbeiteten Abschnitte nahtlos ineinander üborgehen. Das Verfahren ist besonders geeignet für die Herstellung dünner Bänder von < 1 mm Dicke bis in den Folier.dickenbereich, die eine hohe Festigkeit aufweisen müssen. Es ist aber auch anwendbar für dickere Verbünde, die dann durch das Aufeinanderbringen erfindungsgemäß hergestellter dünner Verbundwerkstoffe oder durch eine aus mehr als einer Schichtkombination bestehende Schichtung hergestellt werden.

Ausführungsbeispiele

1. Beispiel

Eine bandförmige Schichtung wird gebildet aus zwei bandförmigen 40mm breiten Aluminiumlagen von 0,05mm Dicke, die einseitig 0,005mm dick mit AISi 12-Lot plattiert sind. Zwischen diese beiden Folien werden zwei, zusammen ca. 0,03mm dicke Lagen aus beschichteten Kohlenstoffasern, jeweils an dem Lot anliegend angeordnet. Zwischen die beiden Faserlagen wird ein Folienband aus AISi-Lot gleicher Breite und einer Dicke von 0,02 mm eingebracht. Diese bandförmige Schichtung wird beidseitig mit je einem mit Bornitrid beschichteten Band von 0,2 mm Dicke aus einem hitze- und zunderbeständigen Stahl abgedeckt und in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Temperatur von 600 bis 62O⁰C in Inertgas und mit einem Druck von 10MPa durch mehrmaliges Überrollen mit einer Walze auf einer Grundplatte von 150mm Länge während einer Zeit von 30s zu dem Verbundwerkstoff von 100 pm Dicke zusammengefügt. Nach Abschluß dieses Vorganges wird das Band um das 0,9fache der zusammengefügten Länge in der Vorrichtung vorgeschoben und der Vorgang mit dem neuen Teil der Schichtung wiederholt. Dieser Verbundwerkstoff hat eine Zugfestigkeit von 450MPa noch bei einer Temperatur von 300⁰C.

2. Beispiel

Nachstehend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Zeichnungen zeigen: Fig. 1: die Vorrichtung im Längsschnitt in Richtung des durchlaufenden Bandes Fig.2: den Schnitt A-A in Figur 1 Fig. 3: die in der Vorrichtung zu bearbeitende Schichtung im stark vergrößerten Maßstab.

Die gemäß Figur 3 gebildete Schichtung besteht aus dem Aluminiumgrundwerkstoff 1, dem Lot 1' und den Faserlagen 2. Ober- und unterhalb der Schichtung befindet sich ein hitze- und '.underbeständiges Metallband 3. Zum Einführen in die beheizbare und mit Inertgas beaufschlagbare Kammer 5 dienen das Führungswalzenpaar 4 und die Eintrittsöffnung 16. In der Kammer 5 befinden sich eine metallische ebene Grundplatte Bund darüber eine Walze 7, die mit den Spurrollen 8 in Seitenstegen 9 geführt ist, welche beiderseitig Anschrägungen 10 aufweisen, mittels derer die Walze 7 durch Auflaufen der Spurrollen 8 von der Grundplatte 6 abgehoben und in den Rastkerben 11 in Ruhestellung gebracht werden kann. Die Walze 7 wird durch einen Lagerbügel 14 und einen nicht dargestellten Schubkurbelantrieb hin· und herbeweglich und wird belastet durch ein Massestück 12. Der Auflagedruck setzt sich zusammen aus der Masse der Walze 7, der Spurrollen 8, des Lagerbügels 14, der Achse 15 und dem Massestück 12.

Durch die Austrittsöffnung 17 verläßt der Verbundwerkstoff mittels des Transportwalzenpaars 13 die Kammer 5. Die Vorrichtung arbeitet, indem die Schichtung zusammen mit den Metallbändern 3, die auch endlos sein können, über das Führungsrollenpaar 4 und die Eir.trittsöffnung 16 über die Grundplatte β durch die Austrittsöffnung 17 und durch das Transportwalzenpaar 13 geführt wird. Danach wird die Walze 7 aus der Rastkerbe 11 und über die Anschrägung 10 auf die Schichtung und das obere Metallband 3 abgesenkt und mehrfach darauf hin- und hergerollt. Nach Fertigstellung des Verbundwerkstoffes wird die Walze 7 über eine Anschrägung 10 in eine Rastkerbe 11 angehoben. Nach dem Vorrücken des Bandes um das 0,9fache der überrollten Länge der zum Verbundwerkstoff zusammengefügten Schichtung wird dieser Vorgang jeweils wiederholt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Aluminium, Aluminiumlot und Fasern durch Druck und Wärme, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen mindestens zwei mit AiSi-Lot plattierte Bänder aus Aluminium von 50 pm bis 1mm Dicke eine Schicht von mindestens einer Lage organischer oder anorganischer Fasern, die in einer Richtung liegen, so angeordnet wird, daß die Faserlage immer mindestens an einer Lotschicht anliegt und daß diese so gebildete Schichtung zwischen zwei Metallbändern, die an der der Schichtung zugewandten Seite mit Bornitrid bestrichen sind, in inerter Atmosphäre bei einer Temperatur von 10 bis 60 K oberhalb der Schmelztemperatur des AISi-Lotes mit einem Druck von 8 bis 12 MPa für eine Zeit von 20s bis 120 s von einer Walze in Richtung der eingelegten Fasern auf einer ebenen metallischen Grundplatte mehrfach überrollt wird und die Schichtung danach um das 0,9fache der Länge dieses überrollten Abschnittes vorwärts gerückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Fasern aus Kohlenstoff bestehen und einen Durchmesser von 5 bis 8 pm aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei Anordnung von mehr als zwe^f mit AISi-Lot plattierten Aluminiumbändern im Innern der Schichtung ein- oder beidseitig plattierte Bänder verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das AISi-Lot getrennt in Form von Folien zwischen das Aluminium und die Fasern gelegt wird oder als Oberflächenschicht auf die Fasern aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Fasern in der Bandrichtung als Einzelfasern, Faserbündel, Gelege oder Gewebe eingelegt werden.

6. Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes, gekennzeichnet dadurch, daß in einer beheizbaren und mit Inertgas beaufschlagbaren Kammer (5) eine metallische ebene Grundplatte {6} angeordnet ist, über der sich eine von Seitenstegen (9) und Spurrollen (8) geführte Walze (7) befindet, die mittels eines mit Massestücken (12) belastbaren Lagerbügels (14) und einer an sich bekannten Antriebsvorrichtung auf der Grundplatte (6) abrollbar ist und in den Endstellungen durch Anschrägungen (10) und Rastkerben (11) für die Walzenachse (15) in den Seitenstegen (9) von der Grundplatte (6) abhebbar ist, und daß für das Ein- und Herausführen der bandförmigen Schichtung in die Kammer (5) und aus dieser heraus beiderseits schlitzförmige Öffnungen (16,17) vorhanden sind, in die zwei Metallbänder (3) aus einem hitze- und zunderbeständigen Werkstoff mit einem Schmelzpunkt, der mindestens 300 K über der Arbeitstemperatur liegt, mit der dazwischen befindlichen Schichtung mittels an sich bekannter Haspeln und Rollen (4,13) geführt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Metallbänder (3) endlos sind.