DE102012011264A1

DE102012011264A1 - Metallgussverbundbauteil

Info

Publication number: DE102012011264A1
Application number: DE201210011264
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kaina Steffen; Prof. Dr.-Ing. Kieback Bernd; Dr.-Ing. Stephani Günter; Dr.-Ing. Böhm Robert; Chokri Cherif; Dipl.-Ing. Kowtsch Cornelia
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-12

Abstract

Die Erfindung betrifft Metallgussverbundbauteile, bei denen eine textile Faserverstärkung im Metall eingebettet ist. daher Aufgabe der Erfindung ist es, Metallgussbauteile als Verbundbauteil mit in das Metallgussbauteil lokal definiert eingebetteten textilen Faserverstärkungen zur Verfügung zu stellen, die einfach, kostengünstig und in nahezu beliebigen geometrischen Formen hergestellt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Metallgussverbundbauteil ist eine textile Faserverstärkung im Metall eingebettet und die textile Faserverstärkung ist dabei aus Fasern, Fäden und/oder Faserbündeln und metallischen Drähten gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft Metallgussverbundbauteile, bei denen eine textile Faserverstärkung im Metall eingebettet ist. Viele Metallbauteile werden als Gussbauteile hergestellt, wobei aus Produktivitätsgründen häufig das Metalldruckgussgießen wegen der kurzen Taktzeiten eingesetzt wird. Außerdem kann dieses Gießverfahren automatisiert durchgeführt werden.
Aus anderen Bereichen sind Verbundbauteile bekannt, bei denen ein textiles Gebilde in einem Matrixwerkstoff eingesetzt wird, um die Festigkeit, Bruchzähigkeit und Steifigkeit solcher als Faserverbundbauteile bezeichneten Bauteile, bei gleichzeitig reduzierter Masse erhöhen zu können. Üblicherweise werden dabei Faserverstärkungen eingesetzt, die mit Fasern aus Kohlenstoff, Glas, polymeren Fasern oder keramischen Fasern gebildet sind.
Bei Metallgussbauteilen sind solche Verbünde bisher nicht eingesetzt worden, da es nicht gelungen ist, textile Faserverstärkungen lokal definiert in den Gussbauteilen anzuordnen und dort so in das Metall einzubetten. Dies ist erforderlich, um eine definierte verbesserte Festigkeit solcher Bauteile erreichen zu können. Durch die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls in den Formwerkzeugen oder Formen verändern die textilen Faserverstärkungen ihre Position oder sie werden von der Schmelze verdrängt, so dass der gewünschte Effekt bisher nicht erreicht werden konnte.
Eine Fixierung textiler Faserverstärkungen innerhalb der Formwerkzeuge konnte bisher nicht in sinnvoller Form realisiert werden, da in Formwerkzeuge integrierbare Fixierelemente, mit denen Faserverstärkungen geklemmt oder eingespannt werden können, lediglich einfachste Geometrien gestatten und den Herstellungsaufwand erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Metallgussbauteile als Verbundbauteil mit in das Metallgussbauteil lokal definiert eingebetteten textilen Faserverstärkungen zur Verfügung zu stellen, die einfach, kostengünstig und in nahezu beliebigen geometrischen Formen hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Metallgussverbundbauteil, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Metallgussverbundbauteil ist eine textile Faserverstärkung im Metall eingebettet und die textile Faserverstärkung ist aus Fasern, Fäden und/oder Faserbündeln und metallischen Drähten gebildet.
Dadurch kann eine Stabilisierung der textilen Faserverstärkung während des Gießprozesses in der gewünschten Position auf einfache Art und Weise erreicht werden. Dies ist überraschenderweise auch beim Metalldruckgießen der Fall.
Werden plastisch verformbare metallische Drähte eingesetzt, besteht die Möglichkeit, eine bei der Erfindung einsetzbare Faserverstärkung dreidimensional und dauerhaft in eine Form zu bringen, bevor diese mit eingegossen wird und sie kann diese dreidimensionale Form im fertig hergestellten Metallgussverbundbauteil auch beibehalten.
Die textile Faserverstärkung kann mit Kohlenstofffasern, Glasfasern, polymeren Fasern, Mineralfasern oder keramischen Fasern gebildet sein, wobei Kohlenstofffasern bevorzugt sind. Dabei können einzelne Fasern aber auch mit Fasern gebildete Fäden oder Faserbündel eingesetzt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Metallgussverbundbauteil können mehrere textile Faserverstärkungen vorhanden sein.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Fasern, Fäden, Faserbündel und metallischen Drähte der textilen Faserverstärkung mit einer Metallbeschichtungversehen sind, die eine Schichtdicke im Bereich 0,1 μm bis 10 μm aufweisen kann. Diese metallische Beschichtung kann mit an sich bekannten Beschichtungsverfahren, wie z. B. durch Tauchbeschichten, galvanisch, chemisch, Spritz- oder auch Druckverfahren an der Oberfläche der Fasern, Fäden oder Faserbündel und Drähte ausgebildet werden. Der Auftrag der metallischen Beschichtung kann vor oder auch nach der Herstellung der textilen Faserverstärkung, also bei vorheriger Beschichtung unmittelbar auf die Oberfläche der Fasern, Fäden oder Faserbündel und Drähte und bei nachfolgender Beschichtung auf die Oberfläche der die textile Faserverstärkung bildenden Fasern, Fäden oder Faserbündel und metallischen Drähte erfolgen.
Mit einer metallischen Beschichtung kann die stoffliche Anbindung der Fasern, Fäden oder Faserbündel und metallischen Drähte an das die Metallmatrix bildende Metall während des Gießprozesses verbessert werden. Die metallische Beschichtung auf der Oberfläche der metallischen Drähte und Fasern, Fäden oder Faserbündel der textilen Faserverstärkung kann mit Kupfer, Nickel, Zink, Silber oder einem Metall, das eine chemische und/oder metallphysikalische Reaktion mit dem die Metallmatrix bildenden Metall eingehen kann, erfolgen. Mit dem Metall der metallischen Beschichtung kann eine Legierungsbildung mit dem geschmolzenen Metall, das für das Metallgussbauteil eingesetzt wird, erfolgen. Damit können aber auch beispielsweise intermetallische Phasen gebildet werden.
Eine textile Faserverstärkung kann als ein Gewebe, Gewirk, Geflecht oder Gestrick ausgebildet sein, in der die jeweiligen Fasern, Fäden oder Faserbündel und die metallischen Drähte miteinander verbunden sind.
Die Fasern oder Fäden können eine Feinheit im Bereich 50 TEX bis 10000 TEX aufweisen.
So besteht die Möglichkeit, dass die metallischen Drähte in Kett- und/oder Schussrichtung in der textilen Faserverstärkung mit den Fasern, Fäden oder Faserbündeln eingewebt oder eingearbeitet sind.
Metallische Drähte können in Kett- und/oder Schussrichtung eine Zellgröße von 1 × 1 mm bis 100 × 100 mm. Die Zellen können dabei quadratisch, aber auch rechteckig innerhalb der oben angegebenen Bemessung ausgebildet sein.
Die bei der Erfindung einsetzbaren metallischen Drähte können beispielsweise aus Eisen, Stahl, dem Metall, das die metallische Matrix des Druckgussverbundbauteils, Aluminium, Kupfer, Titan oder einer Legierung davon gebildet sein. Sie können einen Außendurchmesser im Bereich 0,025 mm bis 3 mm aufweisen.
Metallische Drähte können auch Schlaufen bilden, mit denen eine verbesserte lokal definierte Fixierung einer Faserverstärkung innerhalb der Formwerkzeuge erreicht werden kann. Die Schlaufen können beispielsweise mit speziellen Webverfahren ausgebildet werden. Für die Fixierung in einem Formwerkzeug können Schlaufen so dimensioniert sein, dass sie sich beim Schließen des Formwerkzeugs verformen und dadurch eine elastische Klemmverbindung in dem geschlossenen Formwerkzeug an deren Innenwand erreicht werden kann.
Die Anzahl der metallischen Drähte sollte in Bezug zur Anzahl der Fasern, Fäden oder Faserbündel der textilen Faserverstärkung im Bereich 1% bis 50% liegen.
Bei einem Gewebe kann beispielsweise ein metallischer Draht jeweils neben einer Faser, einem Faden oder einem Fadenbündel, bevorzugt ein metallischer Draht zwischen mindestens vier nebeneinander angeordneten Fasern in der gleichen Achsausrichtung vorgesehen werden.
Mit der Erfindung gelingt es textile Faserverstärkungen in Metallgussbauteilen definiert anzuordnen und in das jeweilige Metall einzubetten. Dabei können die mechanischen Beanspruchungen und die Bauteilgeometrie gezielt berücksichtigt werden und die Eigenmasse des Metallgussbauteils bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit minimiert zumindest jedoch deutlich reduziert werden. Der für die Herstellung zusätzlich erforderliche Aufwand hält sich in vertretbaren Grenzen. Die Erfindung kann bei den verschiedensten Metallen und Metalllegierungen eingesetzt werden. Die Fasern, Fäden oder Faserbündel mit denen eine textile Faserverstärkung gebildet ist, werden während des Gießprozesses nicht bzw. nur unwesentlich beeinträchtigt, was auch auf die empfindlichen Kohlenstofffasern zutrifft.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft an einem konkreten Ausführungsbeispiel weiter erläutert werden.
Bei der Herstellung eines Metallgussverbundbauteils aus der Magnesiumlegierung AZ91 mittels Metalldruckgießens, bei dem bei einem Gehäuseteil lokal mit textilen Faserverstärkung in Bereichen, die für die Verschraubung des Gehäuses vorgesehen sind, im Metall eingebettet werden sollen, werden textile Faserverstärkungen in entsprechende Kavitäten eines Druckgussformwerkzeuges eingebracht. Die Kavitäten haben eine Dicke von 2 mm.
Die textilen Faserverstärkungen sind mit Kohlenstofffasern mit der Bezeichnung 12K 800 TEX sowie metallischen Drähten aus Stahl, mit einem Außendurchmesser von 0,6 mm, die miteinander verwebt sind, gebildet. Die aus Kett- und Schussfäden gebildete Grundstruktur der textilen Faserverstärkung weist metallische Drähte in Leinwandbindung auf. In den Zellen sind in Kettrichtung verlaufend Kohlenstofffasern in Atlasbindung mit jeweils vier Fasern pro Zelle eingewebt. Dabei sind die jeweils vier Kohlenstofffasern pro Zelle gleichbindend.
Auf das Gewebe wird galvanisch eine ca. 1 μm dicke Kupferschicht aufgetragen, mit der die Kohlenstofffasern und die metallischen Drähte an der Oberfläche beschichtet sind.
Das Gewebe als textile Faserverstärkung kann in die gewünschte dreidimensionale Form verformt und in das Druckgusswerkzeug im Bereich, der dafür vorgesehenen Kavitäten eingebracht werden. Die Verformung kann durch einfaches Tiefziehen erfolgen.
In das so vorbereitete Formwerkzeug wird die geschmolzene Magnesiumlegierung bei einer Temperatur der Schmelze von 640°C und mit einem Druck von 20 MPa in das Formwerkzeug eingebracht. Dabei füllt sich das Formwerkzeug mit der Magnesiumlegierung und die darin enthaltenen textilen Faserverstärkungen werden im Metall an den vorgesehenen Positionen eingebettet.
Bis auf die angegebene Temperatur und den Druck kann das Verfahren auch mit anderen Metallen oder Metalllegierungen oder anderen Faserwerkstoffen durchgeführt werden.

Claims

Metallgussverbundbauteil, bei dem eine textile Faserverstärkung im Metall eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Faserverstärkung aus Fasern, Fäden und/oder Faserbündeln und metallischen Drähten gebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Faserverstärkung mit Kohlenstofffasern, Glasfasern, polymeren Fasern, Mineralfasern oder keramischen Fasern gebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern und metallischen Drähte der textilen Faserverstärkung mit einer Metallbeschichtung versehen sind.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Faserverstärkung als ein Gewebe, Gewirk, Geflecht oder Gestrick ausgebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Drähte in Kett- und/oder Schussrichtung in der textilen Faserverstärkung mit den Fasern, Fäden oder Faserbündeln eingearbeitet sind.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Drähte aus Eisen, Stahl, Aluminium, Kupfer, Titan, dem Metall, das die metallische Matrix des Druckgussverbundbauteils bildet, oder einer Legierung davon gebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung auf der Oberfläche der metallischen Drähte und Fasern der textilen Faserverstärkung mit Kupfer, Nickel, Zink, Silber oder einem Metall, das eine chemische und/oder metallphysikalische Reaktion mit dem die Metallmatrix bildenden Metall eingehen kann, gebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Drähte Schlaufen bilden.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der metallischen Drähte in Bezug zur Anzahl der Fasern, Fäden oder Faserbündel der textilen Faserverstärkung im Bereich 1% bis 50% liegt.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Drähte mit einem Außendurchmesser im Bereich 0,025 mm bis 3 mm eingesetzt sind.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die textile Faserverstärkung mit Fäden einer Feinheit im Bereich 50 TEX bis 10000 TEX gebildet ist.
Metallgussverbundbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Drähte eine Zellgröße in Kett- und/oder Schussrichtung im Bereich 1 × 1 mm bis 100 × 100 mm aufweisen.