DE2247356A1 - Verfahren zum kontinuierlichen herstellen von langgestreckten, fadenverstaerkten leichtmetallformteilen - Google Patents

Description

• Verfahren züm kontinuierlichen Herstellen von langgestrecktens fadenverstarkten LeichtmetaIlformteilenq Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von langgestreckten Formteilen (Halbzeug), wie Drähte, Bänder, Schienen, Profile, Bleche und dergleichen, aus Leichtmetallen, in denen in Längsrichtung Fäden oder Fadenbündel, Drähte oder dergleichen eingelagert sind. Die Einlagerung der Fäden erfolgt dabei durch Einführung in schmelzflüssiges Matrixmaterial. Die Formteile können direkt als Konstruktionsmaterial oder analog der Kunststoffprepregs als Ausgangsmaterial zur erstellung von Fertigteilen Verwendung finden.
• Es ist bereits bekannt, Formteile z.B. Drähte, Binder und Stäbe, durch schmelzflüssiges Metall hindurchzuführen, um auf diesen Gegenständen einen metallischen Überzug aufzubringen (DT-AS 1.273.295, DT-AS 1.291.968). Die Form des fertigen, beschichteten Formteils wird dabei im wesentlichen durch das Profil bzw. von der Gestalt des Grundkörpers bestimmt, auf den in dem Schmelzbad der metallische Uberzug abgeschieden wird.
• Dagegen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich langgestreckte, fadenverstärkte Leichtmetallformteile mit beliebigem Querschnitt bzw. Gestaltung herstellen lassen. Solches Halbzeug bzw. solche Formteile lassen sich dann beispielsweise unmittelbar als Konstruktionselemente, wie Profile, Schienen usw., für die Leichtbauweise auf der Basis von Aluminium und Magnesium einsetzen; oder es läßt sich dieses Halbzeug in Form von Bandern oder Drähten als Ausgangsmaterial in der Art der bekannten Kunststoffprepregs für die Fertigung von Formt eilen und Fertigteilen aus fadenverstärkten Leichtmetallen verwenden.
• Es hat sich nun gezeigt, daß sich solche Formteile mit einem Verfahren der eingangs genannten Art herstellen lassen, das dadurch gekennzeichnet ists daß die Fäden durch eine Düse, mit deren Hilfe die Fäden entsprechend dem Profil des herzustellenden Formteils ausgerichtet werden, in schmelzflüssiges Leichtmetall eingeführt und durch eine ebenfalls dem Profil des Formteils entsprechende DEse wieder aus dem Schmelzbad herausgeführt werden, und daß das Formteil unmittelbar nach dem Verlassen des Schmelzbades auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials abgeklihlt wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Form des fertigen Halbzeuges nicht mehr von der Gestalt des Grundmaterials, sondern im wesentlichen von der Gestalt und von den Abmessungen der Düsen, insbesondere der Austritt düsen, bestimmt, durch die hindurch die Fäden, Fadenbündel, Drähte und dergl. das Schmelzbad passieren. Es handelt sich also hierbei sowohl um ein Beschichtungs- als auch um ein Formgebungsverfahren, das die kontinuierliche Herstellung von unidirektional fadenverstärktem Halbzeug oder Formteilen ermöglicht.
• Eine vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß die Fäden vertikal durch die Leichtmetallschmelze geführt werden.
• In vielen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die eingelagerten Aciden aus Kohlenstoff bestehen.
• Handelt es sich bei den eingelagerten Materialien um schlecht benetzbare Werkstoffe, kann erfindungsgemäß zunächst eine Benetzungsvermittlerschicht, die vorzugsweise aus Metallen (z.B. Nickel) besteht, aufgetragen werden. Dabei sollte die Dicke der Benetzungsvermittlerschicht so gewählt werden, daß das spezifische Gewicht des Fadenmaterials nicht erheblich vergrößert wird. Ferner ist bei der Wahl der Benetzungsvermittlerschichtdicke darauf zu achten, daß bei dem Auflösen dieser Schicht im Matrixmaterial bestimmte Konzentrationen nicht überschritten werden, die zu einer Abnahme der Duktilität des Matrixmaterials führen würden. Die Löslichkeit des Benetzungsverittlermaterials im Matrixmaterial kann auch durch die Temperatur der Schmelze beeinflußt werden.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausfiihrungsart der Erfindung werden die Formteile beim Austritt aus der Schmelze durch Einführen in ein Flüssigkeitskühlbad derart abgeschreckt, daß keine Abnahme der Fadenfestigkeit erfolgt.
• In vielen Fällen läßt sich dabei erreichen, daß durch das Abschrecken das Gefüge des Matrixmaterials im Sinne einer größeren Duktilität beeinflußt wird.
• Ferner ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Fäden aüs einem argongefüllten Behälter in das Schmelzbad einzuführen und die Schmelze unter Schutzgasatmosphäre zu halten.
• Des weiteren können die Fäden zum vollständigen Ausschluß von Luftsauerstoff zunächst einer Vakuumbehandlung unterworfen werden.
• Die Austrittsdüse kann erfindungsgemäß in Form einer Dusenkomblnation bzw. eine Nehrfachdüse ausgebildet werden.
• Der Anteil an Matrixmaterial in den fertigen Formteilen bzw. in dem Halbzeug kann durch Wahl der Temperatur der Leichtmetallschmelze, durch die Dimensionierung der Austrittsdüsenöffnung und/oder durch Einstellung der Fadenspannung beim Passieren des Schmelzbades beeinflußt werden Das Abkühlen der Formteile nach dem Verlassen des Schmelzbades kann auch mit Hilfe wassergekühlter Walzen oder durch Einlaufen der Formteile in ein thermostatiertes Flüssigkeitsbad erfolgen.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Arnendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Einzelheiten und von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie aus den beigefiigten Abbildungen hervor.
• Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 eine Vorrichtung zur DurchfLihrung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und Figuren 2, 3, 4 in perspektivischer Darsellung, stark vergrößert und teilweise aufgebrochen erfindungsgemäß hergestellte Formteile mit verschiedenen Querschnittsformen.
• Figur 1 veranschaulicht die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dieser Abbildung befindet sich in einem evakuierbaren Schutzgasbehälter 2 eine Abspulvorrichtung 1. Die hier nicht gezeigte Aufspul -(oder Transport-)vorrichtung ist unterhalb der lihlvorrichtung angeordnet. Der Anschluß 4 dient zum Evakuieren des Schutzgasbehälters 2, wahrend der Anschluß 5 fiir die Schutzgaszufuhr in diesem Behälter vorgesehen ist. Die Positionen der Abspul- und Aufspulvorrichtungen sind bei einer Änderung der Laufrichtung des Fadenmaterials gegeneinander vertauschbar. Die Düse zum Einlaß des Fadenmaterials in die Schmelze ist mit 6, die Auslaßdüse des fadenverstrkten Materials ist mit 7 bezeichnet. Die Leichtmetallschmelze 8 kann beispielsweise über einen Suszeptor 3 induktiv (Spule 12) beheizt werden. Die Bezugsziffer 15 symbolisiert in Fig. 1 ein Thermo-Meßelement.
• Durch eine Öffnung 9 wird ein ICiihlgasstrom (Schutzgas) in die dargestellte Vorrichtung eingeleitet; der Natrixanteil in dem fertigen Halbzeug läßt sich unter anderem mit diesem Kiihlgasstrom beeinflussen. Die Bezugszeichen 10 und 11 symbolisieren hier Kühlvorrichtungen, die je nach Laufrichtung und Profil des herzustellenden Materials -wahlweiseaus einem Flüssigkeitskühlbad 11 (mit den Kühlmittelanschlüssen 13, 14) oder bei entgegengesetzter Laufrichtung der Fäden aus wassergekühlten Walzen 10 bestehen können.
• Prinzipiell läßt sich der gesamte Herstellungsvorgang sowohl unter Schutzgas als auch im Vakuum durchführen.
• Figur 2 zeigt in sehr starker Vereinfachung einen erf indungsgemäß hergestellten fadenverstärkten Leichtmetalldraht. Die eingelagerten Fäden sind mit 16, das Matrixmetall mit 17 bezeichnet.
• Die Formteile nach den Figuren 3 und 4 besitzen einen im wesentlichen gleichen Aufbau wie der Draht nach Figur 2, jedoch andere Querschnittsformen. In Figur 3 handelt es sich um ein fadenverstärktes Leichtmetallband, in Figur 4 um ein fadenverstärktes T-Profil.
• Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht die Ausrichtung und Orientierung des eingelagerten Fadenmaterials in der Matrix und gestattet gleichzeitig, das Faden-Matrix-Verhältnis in bestimmten Relationen vorzugeben. Dabei ist die obere Grenze des Fadenvolumenanteils durch die Fadenorientierung und Fadenpackung, die untere Grenze im wesentlichen durch die Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze bestimmt. Es lassen sich mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung Formteile aus unidirektional fadenverstärkten Leichtmetallen herstellen, die sich durch eine hohe spezifische Festigkeit (Zugfestigkeit/ spezifisches Gewicht) in Fadenrichtung auszeichnen.
• Beispielsweise ergibt sich nach der Mischungsregel die Verstärkung von Aluminium mit 40 Vol.-% Kohlenstoffäden mit einer Zugfestigkeit von 270 kp/mm2 eine Zugfestigkeit des Verbundmaterials in Richtung der Faserachse von 115 kp/mm2 und eine spezifische Festigkeit zwischen 40 bis 50 km. Ähnliche Zugfestigkeitswerte lassen sich allerdings auch bei hochfesten Stählen erreichen, doch liegt wegen des höheren spezifischen Gewichts die spezifische Festigkeit hier bei nur ca. 15 km.
• Die Beschichtung bzw. Einbindung der Drähte und Fäden bzw.
• die Infiltration von Garnen erfolgt also erfindungsgemäß aus der Schmelze des Leichtmetalls. Dabei ist eine wesentliche Voraussetzung für die Beschichtung des Fadenmaterials eine gute Benetzbarkeit des Verstärkungsmaterials durch die Leichtmetalischmelze.
• Ist eine solche Benetzung a priori nicht gegeben, so muE - wie bereits erfährt wurde - das Fadenmaterial zunächst in geeigneter Weise präpariert werden, um eine Benetzung zwischen beiden Komponenten zu erreichen. Das kann z.B.
• bei Stahldrähten durch bine chemische Vorbehandlung (z.B. Entfetten und/oder Beizen) erfolgen. Bei anderen Fadenmaterialien z.B. bei Kohlenstoffäden ist u.U. die Aufbringung von geeigneten, die Benetzungbeeinflussenden vorzugsweise metallischen Ueberzügen erforderXich. Für die Aufbringung solcher Benetzungsvermittlerschichten eignen sich galvanische oder stromlose Abscheidungsverfahren, aber auch die Abscheidung aus der Gasphase nach dem sogenannten Chemical Vapor Deposition Verfahren. Einige wichtige Einzelschritte und Gesichtspunkte, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von verstärkten Leichtmetalldrähten-,bändern -profilen usw. zu beachten sind, werden nachfolgend aufgezählt: 1. Behandeln des Einlagerungsmaterials im Sinne einer guten Benetzung durch die schmelzflüssige Matrix, zum Beispiel durch eine chemische Behandlung wie Beizen u.ä. oder durch Aufbringen von die Benetzung verbessernden Oberflächenschichten.
• 2. Bei der Verwendung von Garnen ist eine Vakuumbehandlung der aufgespulten Garne erforderlich, um die Luft innerhalb der Fadenbundek durch ein Schutzgas zu ersetzen.
• 3. Einführen der Garne oder Drähte durch eine geeignet geformte Düse in eine Schmelze des jeweiligen Matrixmaterials. Dieser Verfahrensschritt muß - abgesehen von Ausnahmefällen - unter Schutzgas erfolgen. Die Düse - sie wird vor dem Eintritt des Fadenbündels in die Schmelze passiert - hat im wesentlichen die Funktion, das Fadenmaterial im Sinne einer besseren Infiltration vorzuorientieren. In einigen Fällen ist es günstig, die Düsenform entsprechend der Form des herzustellenden Formteils zu wählen, z.B. eine Schlitzdüse für die Herstellung von Bändern zu verwenden.
• 4. Die Laufrichtung des Garns ist vertikal und kann je nach Art des Verstärkungsmaterials, Formgebung und erforderlicher Abkühlgeschwindigkeit von oben nach unten oder umgekehrt gewählt werden.
• 5. Die Verweilzeit des Verstärkungsmaterials in der Schmelze wird durch das jeweilige Fadenmaterial, durch seine Benetzbarkeit, sein Reaktionsverhalten gegenüber der Schmelze, und durch die Temperatur (d.h. h. die Viskosität ) der Schmelze bestimmt. Die erreichbaren Laufgeschwindigkeiten liegen zwischen 0,5 und 100 cm/s.
• Beim Austritt aus der Schmelze tritt das Fadenmaterial erneut durch eine Düse, die die Form des herzustellenden Halbzeugs bestimmt. So werden bei der Herstellung von Draht kreisförmige oder quadratische Düsen, im Falle von Bändern Schlitzdüsen usw. verwendet.
• 7. Beim Austritt aus der Schmelze wird das beschichtete Garn mit Schutzgas umspült das gleichzeitig als Kühlstrom zur Fixierung der Form dienen kann.
• 8. Bei bestimmten Naterialkombinationen ist ist im Hinblick auf eine Reaktion zwischen Faden und Matrix oder auf das Gefüge des Natrixmaterials eine besonders rasche, abkühlung des Materials beim Austritt aus der Schmelze erforderlich. Hier bestehen die Möglichkeiten, je nach Matrixmaterial und Formgebung, das Produkt unmittelbar aus der Schmelze durch wassergekühlte Walzen zu führen oder bei einer Laufrichtung von oben nach unten in ein Flüssigkeitskühlbad zu leiten.
• 9. Der Anteil an Natrixmaterial läßt sich durch die Größe der Düse, die Laufgeschwindigkeit des Fadenmaterials durch die Viskosität der Schmelze; die Zugspannung unter der das Fadenmaterial steht, und gegenbenenfalls, d.h.
• bei einer Laufrichtung von oben nach unten, durch einen Kühlgasstrom unterhalb der Düse beeinflussen.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich also, wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, fadenverstärkte Leichtmetallformteile mit nahezu beliebigem Querschnitt in wirtschaftlicher Weise herstellen.
• Für viele Verwendungszwecke, in denen es auf eine hohe Belastbarkeit ankommt, steht somit ein neuer Werkstoff zur Verfügung.

Claims (18)

Patentansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von langgestreckten Formteilen (Halbzeug), wie Drähte, Bänder, Schienen, Profile, Bleche usw. aus Leichtmetallen, in denen in-Längsrichtung Fäden oder Fadenbündel, Drähte oder dergleichen eingelagert sind, wobei die Einlagerung der Fäden durch Einführung in schmelzflüssiges Matrixmaterial erfolgt und wobei die Formteile direkt als Konstruktionsmaterial oder analog der Kunststoffprepregs als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Fertigteilen Verwendung finden können, dadurch gekennzeichnet daß die Fäden durch eine Düse, mit deren Hilfe die Fäden entsprechend dem Profil des herzustellenden Formteils ausgerichtet werden, in schmelzflüssiges Leichtmetall eingeführt und durch eine ebenfalls dem Profil des Formteils entsprechende Düse wieder aus dem Schmelzbad herausgeführt -werden, und daß das Formteil unmittelbar nach dem Verlassen des Schmelzbades auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnets daß die Fäden vertikal durch die Leichtmetallschmelse geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn$eichnet, daß die Fäden aus Kohlenstoffäden bestehen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet1 daß die Fäden durch Auftragen einer Benetzungsvermittlerschicht; die vorzugsweise aus metallen, wie Nickel, besteht, benetzbar gemacht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeSichnett daß die Dicke der Benetzungsvermittlerschicht so gewählt wird, daß das spezifische Gewicht des Fadenmaterials nicht erheblich vergrößert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnetq daß die Dicke der Benetzungsvermittlerschicht so gewählt wird, daß bei deren Auflösen im Matrixmaterial bestimmte Konstruktionen nicht überschritten werden, die zu einer Abnahme der Duktilität des Matrixmaterials führen würden.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löslichkeit des Benetzungsvermittlermaterials im Matrixmaterial durch die Temperatur der Schmelze beeinflußt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile beim Austritt aus der Schmelze durch Einführen in ein Flüssigkeitskühlbad derart abgeschreckt werden, daß keine Abnahme der Fadenfestigkeit erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile beim Austritt aus der Schmelze derart abgeschreckt werden, daß das Gefüge des Matrixmaterials im Sinne einer größeren Duktilität beeinflußt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden aus einem argongefüllten Behälter in das Schmelzbad eingeführt werden, und daß die Schmelze unter Schutzgasatmosphäre gehalten wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden einer Luftsauerstoff vollständig auszuschließen'den Vakuumbehandlung unterworfen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsdüse in Form einer Düsenkombination bzw. einer Mehrfachdüse ausgebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (Halbzeug) beim Austritt aus dem Schmelzbad unter Ausschluß von Luftsauerstoff abgekühlt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Matrixmaterial in den fertigen Formteilen (Halbzeug) durch Wahl der Temperatur der Leichtmetallschmelze beeinflußt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Matrixmaterial in den, fertigen Formteilen durch Dimensionierung der Austrittsdüsenöffnung beeinfluß wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Matrixmaterial in den fertigen Formteilen durch Einstellung der Fadenspannung beeinflußt wird.

17 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von bandförmigen Formteilen die Abkühlung der Formteile beim Austritt aus der Schmelze beim Durchlaufen wassergekühlter Walzen erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von Formteilen die Abkühlung durch Einlaufen in ein thermostatiertes Flüssigkeitsbad erfolgt.