DE10261116B4 - Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents
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Abstract
Verbundwerkstoff
umfassend
eine erste Verbundwerkstoffschicht (1), die eine Metallmatrix (40) und wenigstens eine anorganische Faserlage (30) umfaßt, und
eine zweite Verbundwerkstoffschicht (2), die die Metallmatrix (40) und anorganische hohle Partikel (20) umfaßt,
wobei die erste Verbundwerkstoffschicht (1) und die zweite Verbundwerkstoffschicht (2) einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden und die anorganischen Faserlagen (30) und die anorganischen hohlen Partikel (20) nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2) gemischt vorliegen.
eine erste Verbundwerkstoffschicht (1), die eine Metallmatrix (40) und wenigstens eine anorganische Faserlage (30) umfaßt, und
eine zweite Verbundwerkstoffschicht (2), die die Metallmatrix (40) und anorganische hohle Partikel (20) umfaßt,
wobei die erste Verbundwerkstoffschicht (1) und die zweite Verbundwerkstoffschicht (2) einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden und die anorganischen Faserlagen (30) und die anorganischen hohlen Partikel (20) nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2) gemischt vorliegen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix, die anorganische Faserlagen, beispielsweise aus einem Stoff oder einem Filz, und anorganische hohle Partikel umfaßt.
- Solche herkömmlichen Verbundwerkstoffe weisen in einer Matrix unregelmäßig verteilt anorganische Füller, beispielsweise anorganische Fasern oder anorganische hohle Partikel, auf, um die mechanische Festigkeit der Werkstoffe zu verbessern oder das Gewicht zu verringern. Die JP-Patentoffenlegungsschriften S48-22327A und S55-22182A beschreiben beispielsweise Verbundwerkstoffe, bei denen hohle glasartige Shirasu Ballons in einer Metallmatrix, beispielsweise Aluminium, unregelmäßig verteilt sind. Die JP-Patentoffenlegungsschrift Nr. 110-29831A (Patent Abstracts of Japan) beschreibt einen Verbundwerkstoff, der hohle keramische Partikel, anorganische Fasern und keramische Partikel in einer Metallmatrix aufweist. Die JP62070532A (Patent Abstracts of Japan) beschreibt einen nicht brechenden Werkstoff, der aus drei Verbundwerkstoffschichten besteht, wobei jede Schicht eine Kupfermatrix und Fasern umfasst und sich die Schichten durch Fasern unterschiedlicher Abmessungen unterscheiden. Diese werden in einer Form angeordnet und dort unter Druck mit dem Matrixmetall übergossen.
- Im allgemeinen werden diese Verbundwerkstoffe durch Anordnen eines anorganischen Füllers in einer Gießform und Einfüllen eines geschmolzenen Metalls in die Gießform, während sie mit Druck beaufschlagt wird, hergestellt. Wenn aber der Un terschied des spezifischen Gewichts des anorganischen Füllers und des Metalls groß ist, schwimmt der anorganische Füller in dem geschmolzenen Metall auf und der anorganische Füller sondert sich leicht in dem Verbundwerkstoff zu einer Seite ab. Bei dem Verbundwerkstoff, der die anorganischen hohlen Partikel und die anorganischen Faser als anorganischen Füller enthält, wird, da das spezifische Gewicht auch zwischen diesen wirksam ist, die angestrebte gleichmäßige Verteilung nicht erreicht, d.h. verschlechtert. Aufgrund der Absonderung des anorganischen Füllers variiert die mechanische Festigkeit im Verbundwerkstoff. Diese ungleichmäßige Verteilung ist ein großes Problem bei der Erzielung der gewünschten gleichmäßigen mechanischen Festigkeit des Verbundwerkstoffs.
- In der
DE 35 25 122 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus Metall und Kurzfasern beschrieben, wobei auf eine mit Metall ausgefüllte Faserlage eine reine Metallschicht gegossen wird. - Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Verbundwerkstoff bereitzustellen, bei dem die mechanische Festigkeit möglichst wenig variiert, d.h. eine möglichst gleichmäßige Verteilung des anorganischen Füllers erzielt wird, und der eine möglichst große mechanische Festigkeit im Vergleich zu Verbundwerkstoffen gemäß dem Stand der Technik aufweist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes vorzusehen.
- Gelöst wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Verbundwerkstoff umfassend
eine erste Verbundwerkstoffschicht, die eine Metallmatrix und wenigstens eine anorganische Faserlage umfaßt, und
eine zweite Verbundwerkstoffschicht, die die Metallmatrix und anorganische hohle Partikel umfaßt,
wobei die erste Verbundwerkstoffschicht und die zweite Verbundwerkstoffschicht einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden und die anorganischen Faserlagen und die anorganischen hohlen Partikel nahe einem Grenzbe reich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht gemischt vorliegen. - Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Lage, die aus einem Metall, das die Metallmatrix bildet, besteht, einstückig mit der ersten Verbundwerkstoffschicht oder der zweiten Verbundwerkstoffschicht ausgebildet ist.
- Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der gleichen Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs vor, das folgende Schritte umfasst
Anordnen der anorganischen hohlen Partikel und wenigstens einer anorganischen Faserlage in einer Gießform derart, dass die anorganischen Faserlagen und die anorganischen hohlen Partikel nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht gemischt vorliegen, Eingießen eines geschmolzenen Metalls in die Gießform, in der die anorganischen Fasern und die anorganischen Faserlagen aufgenommen sind, unter Beaufschlagung mit einem Druck und
Abkühlen des geschmolzenen Metalls. - Ferner sieht die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs vor, das die folgenden Schritte umfaßt
Eingießen eines geschmolzenen Metalls in eine Gießform bis zu einer vorbestimmten Höhe,
Anordnen anorganischer hohler Partikel und wenigstens einer anorganischen Faserlage übereinander auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in der Gießform derart, dass die anorganischen Faserlagen und die anorganischen hohlen Partikel nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht gemischt vorliegen,
weiteres Eingießen von geschmolzenem Metall in die Gießform unter Beaufschlagung mit Druck und
Abkühlen des geschmolzenen Metalls. - Die Erfindung ermöglicht, Verbundwerkstoffe mit einer gleichmäßigeren mechanischen Festigkeit, die aus einer günstigeren Verteilung des anorganischen Füllers resultiert, wobei eine deutlich höhere mechanische Festigkeit im Vergleich mit bekannten Verbundwerkstoffen erzielt wird. Darüber hinaus ist dies mit einem einfachen Verfahren zu erreichen.
- Drei Ausführungsformen für einen erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff und Verfahren zur Herstellung desselben sind anhand der beigefügten Zeichnungen nachfolgend näher erläutert.
- Von den Zeichnungen ist
-
1 ein Schnitt, der die erste Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt. -
2 eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der Gießvorrichtung darstellt, die zur Herstellung des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung geeignet ist. -
3 ein Schnitt, der die zweite Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt; und -
4 ein Schnitt, der die dritte Ausführungsform des Verbundwerkstoffs gemäß der Erfindung darstellt. - Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
- (Erste Ausführungsform)
- Der Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung ist, wie im Schnitt in
1 gezeigt, derart ausgebildet, daß eine erste Verbundwerkstoffschicht1 und eine zweite Verbund werkstoffschicht2 in der Metallmatrix derart vorgesehen sind, daß sie einen einzigen Körper darstellen, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht Gewebe oder Filz aus einer anorganischen Faser und die zweite Verbundwerkstoffschicht anorganische hohle Partikel aufweist. Es existiert kein deutlich abgegrenzter Grenzbereich (der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist) zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht und der zweiten Verbundwerkstoffschicht. Nahe dem Grenzbereich sind anorganische Faserlagen, anorganische hohle Partikel und Metall gemischt vorhanden. - Die anorganischen Fasern sind nicht besonders auf eine oder bestimmte Arten begrenzt. Es können solche anorganischen Fasern verwendet werden, die üblicherweise zum Mischen mit Metallen verwendet wurden. Verschiedene Arten von Keramikfasern, beispielsweise Aluminiumoxidfasern, Aluminiumoxidsiliciumdioxidfasern, Mullitfasern, Siliciumcarbidfasern, Siliciumnitridfasern, Aluminiumboridfasern, Kaliumtitanitfasern, Kohlenstofffasern oder Steinfasern können abhängig vom Verwendungszweck des Verbundwerkstoffs eingesetzt werden. Als Lagen können Stoffstücke oder Filzstücke verwendet werden. Ferner können diese Arten von Lagen alleine oder in Kombination verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Stoffstück als anorganische Faserlage
30 verwendet. - Auch die anorganischen hohlen Partikel sind nicht auf eine spezifische Art begrenzt, sondern es können solche, die üblicherweise zum Mischen mit Metallen verwendet wurden, verwendet werden. Beispielsweise können Aluminiumoxid, Silicium, hohle Partikel, die aus Mullit gebildet sind, oder Shirasu Ballons abhängig von dem Verwendungs- oder Gebrauchszweck verwendet werden.
- Auch das Metall ist nicht auf eine spezifische Art beschränkt, sondern Aluminium oder Legierungen, die auf Aluminium basieren, Kupfer oder Legierungen, die auf Kupfer basieren, können abhängig vom Verwendungs- oder Gebrauchszweck ausgewählt werden.
- Zur Herstellung der ersten Verbundwerkstoffschicht wird beispielsweise eine Gießvorrichtung
10 , die in2 gezeigt ist, verwendet. Die Gießvorrichtung10 besteht aus den folgenden Hauptelementen, nämlich einer Gießform11 , einem Schmelztiegel12 und einer Heizvorrichtung13 zum Erwärmen der Gießform11 und des Schmelztiegels12 . Bei der Herstellung werden zunächst die anorganischen hohlen Partikel20 in einer vorbestimmten Menge in die Gießform11 gegeben, auf die die anorganischen Faserlagen30 mit einer vorbestimmten Dicke gelegt werden. Die Dicke der anorganischen Faserlagen30 und die Menge der anorganischen hohlen Partikel20 werden in Relation zur Menge des geschmolzenen Metalls40 festgelegt, wobei die gewünschte Verringerung des Gewichts des Verbundwerkstoffs oder die gewünschte mechanische Festigkeit berücksichtigt werden. - Der Schmelztiegel
12 wird nun auf der Gießform11 angeordnet und ein Metallklumpen, der die Matrix bilden soll, wird in den Schmelztiegel12 gegeben. Die Heizvorrichtung13 erwärmt, so daß geschmolzenes Metall40 entsteht. Das geschmolzene Metall40 wird dann in die Gießform11 gegossen, während das geschmolzene Metall40 mit einem Druck auf der Oberfläche, wie durch „P" gekennzeichnet, mittels einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise einem Stickstoffgas oder Argongas oder einem Öldruck beaufschlagt wird. Das geschmolzene Metall40 tritt daher in den Frei raum zwischen den anorganischen Faserlagen30 und den anorganischen hohlen Partikeln20 und füllt den Innenraum der Gießform11 aus. Hierbei bestand bei den Verbundwerkstoffen gemäß dem Stand der Technik das Problem, daß die anorganischen hohlen Partikel in dem geschmolzenen Metall40 aufstiegen und sich nicht in der Metallmatrix gleichmäßig verteilten. Bei dem Verbundwerkstoff gemäß der Erfindung verteilen sich die anorganischen hohlen Partikel20 gleichmäßig in der zweiten Verbundwerkstoffschicht2 des Verbundwerkstoffs, der hergestellt werden soll, weil die anorganischen Faserlagen30 ein Aufschwimmen der anorganischen hohlen Partikel20 unterdrücken. Das Erwärmen mittels der Heizvorrichtung13 wird dann beendet und die Gießform11 wird abgekühlt, wodurch der Verbundwerkstoff erzielt wird. - (Zweite Ausführungsform)
- Es brauchen nicht, wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform jeweils nur eine erste Verbundwerkstoffschicht
1 und eine zweite Verbundwerkstoffschicht2 vorgesehen zu werden, sondern es können, wie in3 gezeigt, drei Lagen vorgesehen werden, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht1 zwei Lagen und die zweite Verbundwerkstoffschicht2 eine Lage zwischen den zwei Lagen gebildet. - Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, der in
3 gezeigt ist, mittels der Gießvorrichtung10 , die in2 gezeigt ist, werden anorganische Faserlagen30 in der gesamten Gießform11 verteilt, auf die die anorganischen hohlen Partikel20 gegeben werden und auf die wiederum anorganische Faserlagen30 gelegt werden, um die dreilagige Struktur zu bilden, und das geschmolzene Metall40 wird dann in die Gießform11 gegossen. - (Dritte Ausführungsform)
- Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann eine Schicht, die aus dem Metall, das eine weitere Matrix bildet, hergestellt ist, vorgesehen werden. Wie in
4 gezeigt, ist es möglich, zusätzlich zu der ersten Verbundwerkstoffschicht1 und der zweiten Verbundwerkstoffschicht einen dreilagigen Verbundwerkstoff, der eine Metallschicht3 , die mit der zweiten Verbundwerkstoffschicht2 einstückig ausgebildet ist, vorzusehen. - Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs, der in
4 gezeigt ist, mittels der Gießvorrichtung10 , die in2 gezeigt ist, wird zunächst das geschmolzene Metall40 in die Gießform11 bis zu einem vorbestimmten Niveau gegossen. Auf dessen Oberfläche werden die anorganischen hohlen Partikel20 gegeben und auf diese werden wiederum die anorganischen Faserlagen30 gelegt, um die dreilagige Struktur zu bilden. Danach wird geschmolzenes Metall40 in die Gießform11 gegossen. - (Beispiel)
- (Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1)
- Ein Verbundwerkstoff A wurde unter Verwendung der Gießvorrichtung, die in
2 gezeigt ist, hergestellt, in dem hohle Partikel aus Mullit in die Gießform gegeben wurden, auf welche ein Stoffstück aus Aluminiumoxid gelegt wurde und eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen und dann abgekühlt wurde. Zum Vergleich wurden hohle Mullitpartikel in gleicher Menge in die Form gegeben und in diese dann eine geschmolzene Aluminiumlegierung gegossen und abgekühlt, um den Verbundwerkstoff B herzustellen. - Beim Betrachten der so erzielten Verbundwerkstoffe A und B im Schnitt stellt man bei dem Verbundwerkstoff A fest, daß die erste Verbundwerkstoffschicht, die das Stoffstück, das in
1 gezeigt ist, enthält, und die zweite Verbundwerkstoffschicht, die die hohlen Partikel enthält, gleichmäßig vorgesehen und ferner bei der zweiten Verbundwerkstoffschicht die hohlen Partikel gleichmäßig in der Metallmatrix verteilt sind. Bei dem Verbundwerkstoff B sind jedoch die hohlen Partikel ungleichmäßig, d.h. zu einer Seite hin angeordnet. - Die Erfindung wurde oben im Detail beschrieben und sie ist nicht auf eine der Ausführungsformen begrenzt, sondern verschiedene Abänderungen sind möglich. Bei der dreilagigen Struktur, die in
3 gezeigt ist, ist es beispielsweise möglich, die erste Verbundwerkstoffschicht1 und die zweite Verbundwerkstoffschicht2 mehrfach vorzusehen, die schichtweise abwechselnd angeordnet sind, um einen Verbundwerkstoff mit vielen Lagen herzustellen. Bei dem Verbundwerkstoff, der die Metallschicht, wie in4 gezeigt, enthält, sind Strukturen mit mehreren Lagen möglich.
Claims (4)
- Verbundwerkstoff umfassend eine erste Verbundwerkstoffschicht (
1 ), die eine Metallmatrix (40 ) und wenigstens eine anorganische Faserlage (30 ) umfaßt, und eine zweite Verbundwerkstoffschicht (2 ), die die Metallmatrix (40 ) und anorganische hohle Partikel (20 ) umfaßt, wobei die erste Verbundwerkstoffschicht (1 ) und die zweite Verbundwerkstoffschicht (2 ) einstückig vorgesehen sind, so daß sie einen einzigen Körper bilden und die anorganischen Faserlagen (30 ) und die anorganischen hohlen Partikel (20 ) nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1 ) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2 ) gemischt vorliegen. - Verbundwerkstoff gemäß Anspruch 1, wobei eine Lage, die aus einem Metall, das die Metallmatrix bildet, besteht, einstückig mit der ersten Verbundwerkstoffschicht (
1 ) oder der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2 ) ausgebildet ist. - Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, die folgenden Schritte umfassend Anordnen der anorganischen hohlen Partikel (
20 ) und wenigstens einer anorganischen Faserlage (30 ) in einer Gießform (11 ) derart, dass die anorganischen Faserlagen (30 ) und die anorganischen hohlen Partikel (20 ) nahe ei nem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1 ) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2 ) gemischt vorliegen, Eingießen eines geschmolzenen Metalls (40 ) in die Gießform (11 ), in der die anorganischen Fasern (20 ) und die anorganischen Faserlagen (30 ) aufgenommen sind, unter Beaufschlagung mit einem Druck (P) und Abkühlen des geschmolzenen Metalls (40 ). - Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs, die Schritte umfassend Eingießen eines geschmolzenen Metalls (
40 ) in eine Gießform (11 ) bis zu einer vorbestimmten Höhe, Anordnen anorganischer hohler Partikel (20 ) und wenigstens einer anorganischen Faserlage (30 ) übereinander auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls (40 ) in der Gießform (11 ) derart, dass die anorganischen Faserlagen (30 ) und die anorganischen hohlen Partikel (20 ) nahe einem Grenzbereich zwischen der ersten Verbundwerkstoffschicht (1 ) und der zweiten Verbundwerkstoffschicht (2 ) gemischt vorliegen, weiteres Eingießen von geschmolzenem Metall (40 ) in die Gießform (11 ) unter Beaufschlagung mit Druck (P) und Abkühlen des geschmolzenen Metalls (40 ).
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