DE68910558T2 - Faserverstärktes Verbundmetall. - Google Patents
Faserverstärktes Verbundmetall.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein faserverstarktes Verbundmetall, bestehend aus Verstarkungsfasern und einer Aluminiumiegierung als Matrix.
- In letzter Zeit wurden faserverstärkte Verbundmetalle wegen ihrer Festgkeit und Zähigkeit für Maschinenteile und Baumaterial verwendet. Unter diesen Verbundwerkstoffen ist faserverstärktes Verbundmetall aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, verstärkt durch anorganische Faserwerkstoffe oder Metallfasern, leicht, besitzt eine große Zähigkeit und ist hoch hitzebestandig. Bisher werden solche faserverstärkten Verbundmetalle in Herstellverfahren wie Imprägnier-, Diffusions-Kontaktier- und Druckguß erzeugt.
- Im allgemeinen werden Verstärkungsi=asern mit einem Volumenprozentsatz von 50 bis 60% im faserverstärkten Verbundmetall verwendet und somit kommen die Fasern unausweichlich miteinander in Berührung, und durch diesen Kontakt wird die normalerweise erreichte Festigkeit der faserverstärkten Verbundmetalle verhindert. Ferner ist gelegentlich die Vertraglichkeit zwischen den Verstärkungsfasern und der Metallmatrix beeinträchtigt, und es findet eine Reaktion in der Grenzschicht statt, die eine Schädigung der Verstärkungsfasern verursacht. Weiterhin werden bei einer Aluminiummatrix oder einer Aluminiumlegierung unerwünschte spröde Kristalle erzeugt.
- Es wurde in Erwägung gezogen, daß Rein- Aluminium als das Matrixmetall am besten geeignet ist, da die Schädigung der Fasern und die Erzeugung spröder Kristalle nicht stattfindet, wenn Rein- Aluminium verwendet wird. Trotzdem hat faserverstärktes Aluminiumverbundmaterial, da Rein- Aluminium eine geringe Festigkeit hat, und wenn verstärkende Endlosfasern verwendet werden, eine geringe Festigkeit in Querrichtung senkrecht zur Ausrichtung der Endlosfaser, und falls ein Bauteil nur teilweise aus faserverstärktem Aluminium besteht und der Rest keine Verstärkungsfasern hat und nur aus Aluminium besteht, weist das übrige Bauteil eine niedrige Eestigkeit auf.
- Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, wurden Verbundwerkstoffe (faserverstärkte Verbundmetalle) aus einer Aluminiumlegierung als Matrix vorgeschlagen. Zum Beispiel wird in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) No. 62-124245 eine Aluminiumlegierung mit 0.5 bis 0.6 Gew.% Nickel (Ni) beschrieben, und eine andere Aluminiumlegierung, die wenigstens ein Element aus der Gruppe: Bi, Sb, Sn, In, Cd, Sr, Ba, und Ra enthält, ist in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) No. 57-169034 beschrieben. Trotzdem haben diese vorgeschlagenen faserverstärkten Verbundmetalle nicht die erforderliche Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit.
- Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein faserverstärktes Verbundmetall (Aluminium) mit einer erhöhten Festigkeit zu schaffen.
- Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Verbundwerkstoff mit einer Aluminiummatrix zu schaffen, der mit anorganischen Si-Ti-C-O-Fasern verstärkt ist.
- Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden mit einem faserverstärkten Verbundmetall erreicht, welches im wesentlichen aus Verstärkungsfasern und einer Aluminiumiegierung mit 6 bis 11 Gew.-% Nickel besteht.
- Vorzugsweise sind diese Verstärkungsfasern anorganische Endlosfasern, wie Si-Ti-C-O-Fasern, SiC-Fasern, Si&sub3;N&sub4;-Fasern, Aluminiumoxyd (Al&sub2;O&sub3;)- Fasern, Al&sub2;O&sub3;-SiO-Fasern, Borfasern, B&sub4;C-Fasern und Kohlenstoffasern, oder Endlos-Metallfasern wie z.B. aus rostfreiem Stahl, Klavier-Draht, Wolframfasern, Titanfasern, Molybdänfasern und Nickelfasern. Die Si-Ti-C-O-Fasern sind in der geprüften, japanischen Patentveröffentlichungen (Kokoku) No. 58-5286 und 60-1405 und in den U.S. Patenten No. 4S42712 und 4399232 beschrieben; diese Fasern werden kommerziell von Ube Industries,Ltd. hergestellt. Es ist möglich, anstelle von Endlosfasern kurze (Stapel-) Fasern wie kurze Aluminiumoxydfasern, kurze Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Fasern, kurze Zirkonfasern wie bei der Produktion anfallend, und Faserschnitzel, die durch Zerschneiden von Endlosfasern entstehen, zu verwenden.Es ist auch möglich Whiskerkristalle zu verwenden wie SiC- Whisker, Si&sub3;N&sub4;-Whisker, Kohlenstoffwhisker und Al&sub2;O&sub3;-Whisker, K&sub2;O 6TiO&sub2;- Whisker, K&sub2;Ti&sub2;O&sub5;-Whisker, B&sub4;C-Whisker, Fe&sub3;C- Whisker, Chromwhisker, Kupferwhisker, Eisenwhisker und Nickelwhisker.
- Gemaß der vorliegenden Erfindung enthält die Aluminiumlegierungsmatrix mehr als 7 bis 11 Gew.- %,vorzugsweise > 7 bis 10 Gew.-% Nickel wobei feine Faserkristalle mit einem Durchmesser van 0,2 um oder kleiner in gleicher Menge an der Grenzfläche zwischen Verstärkungsfasern und Grundmaterial mit dem Ergebnis gebildet werden, daß die Berührung zwischen den Fasern verringert und die Verträglichkeit zwischen Fasern und Matrix merklich verbessert wird. Daher ist die Festigkeit des faserverstärkten Verbundmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung höher als die des herkömmlichen, faserverstärkten Aluminiumverbundwerkstoffs.
- Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen mehr Klarheit erhalten;
- Figur 1 stellt einen Schnitt durch eine Probe aus faserverstärktem Verbundmetall dar, die einer Biegebeanspruchung mit einer Lastausrichtung parallel zur Faserausrichtung unterworten wird;
- Figur 2 stellt einen Schnitt durch eine Probe aus faserverstärktem Verbundmetall dar, die einer Biegebeanspruchung mit einer Lastausrichtung rechtwinklig zur Faserausrichtung unterworfen wird;
- Figur 3 zeigt ein Diagramm, in dem der Zusammenhang zwischen Nickelgehalt und Biegefestigkeit des faserverstärkten Verbundmetalls gezeigt wird;
- Figur 4 ist ein Mikrofoto (1000-fach vergrößert) eines faserverstärkten Verbundmetalls mit einer Metallmatrix aus Al-2%Ni quer zur Faserrichtung;
- Figur 5 ist ein Mikrofoto (1000-fach vergrößert) eines faserverstärkten Verbundmetalls mit einer Metallmatrix aus Al-4%Ni; und
- Figur 6 ist ein Foto (1000-fach vergrößert) eines faserverstärkten Verbundmetalls mit Metallmatrix aus Al-8%Ni gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Faserverstärkte Verbundmetalle (Aluminium) wurden wie folgt hergestellt.
- Eine Vielzahl von Si-Ti-C-O- Endlosfasern wurde in einer Richtung ausgerichtet, um eine von einem Rahmen gehaltne Faserform zu bilden. Die Vorform wurde 30 Minuten lang auf 70ºC in einem Ofen in Umgebungsatmosphäre erhitzt und eine Metall-Gußform und ein Druckkolben einer Druckgießmaschine wurden mittels einer Heinewinrichtung auf 300ºC erhitzt. Eine Rein- Aluminium-Schmelze und Aluminium-Zweistoff- Legierungen mit Nickelanteilen (Ni) in Mengen von bis 10 Gew.-%, wurden in Abstufungen von jeweils Gew.-% entsprechend zubereitet.
- Die Faser-Vorform wurde in einen Hohlraum der Metall-Gußform gestellt, und die vorbereitete Schmelze wurde in den Hohlraum gefüllt, um die Faser-Vorform abzudecken. Anschließend wurde der Druckkolben in den Hohlraum der Metall-Gußform eingeführt, und die Schmelze wurde unter einen Druck von 1000 kg/cm² gesetzt; dann wurden Gußform und Druckkolben gekühlt, um die Schmelze unter Druck erstarren zu lassen. Das so gewonnene faserverstärkte Verbundmetall wurde aus dem Hohlraum entnommen und zu Proben 1A und 1B, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, für Biegeversuche verarbeitet. Die Proben des faserverstarkten Verbundmetalls hatten einen Fasergehalt von 50 Vol.-%.
- In einer der 1A Proben waren die Fasern 2 rechtwinklig zur Längsachse der Probe ausgerichtet, wie in Figur 1 gezeigt und in der anderen Probe 1B waren die Fasern 2 parallel zur Längsachse der Probe ausgerichtet, wie in Figur 2 gezeigt. Die Proben 1A und 1B enthielten eine Metallmatrix aus Rein-Aluminium und Zweistoff-Aluminium-Legierung mit jeweils unterschiedlichen Nickelanteilen.
- Die Proben 1A und 1B wurden einer Biegeprüfung mit der Last P unterzogen, wie in der Figur 1 oder 2 gezeigt, um die Biegefestigkeit jede Probe 1A und 1B zu messen. Nach Figur 1 wurde die Last P parallel zur Faserrichtung wirksam, und nach Figur 2 wurde die Last P rechtwinklig zur Faserrichtung wirksam.
- Die Ergebnisse des Biegeversuchs (die erhaltenen Werte für die Biegefestigkeit) sind in Figur 3 dargestellt, worin die Abszisse den Nickelanteil und die Ordinate die Biegefestigkeit angeben.
- Wie aus Figur 3 ersichtlich, ist der Kurvenverlauf für die Biegefestigkeit der Probe 1B, wobei die Prüflast P rechtwinklig zum Faserverlauf wirkte, fallend und dann ansteigend bis zu einem Spitzenwert uind dann wiederum fallend bei zunehmendem Nickelgehalt. Der Maximal-wert der Biegefestigkeit wurde bei einem Nickelgehalt der Metallmatrix von 8 Gew.-% erreicht Dort, wo der Nickelgehalt von mehr als 7 bis 11 Gew.-% reicht, ist die Biegefestigkeit des faserverstärkten, aluminumlegierten Verbundmetalls größer als die Biegefestigkeit des faserverstärkten Rein- Aluminium-Verbundmetalls.
- Die Proben des faserverstärkten Verbundmetalls wurden untersucht unter Verwendung eines optischen Mikroskops, eines Auger Elektronenspektroskops (AES), eines Skanner-Elektronenmikroskops (SEM), eines elektronischen Proben-Mikroanalysiergerätes (EPMA) und eines elektronischen Durchstrahlungsmikroskops (TEM) oder ähnlichen Geräten. Figuren 4, 5, und 6 sind Mikrofotos (1000- fach vergrößert) von Proben mit einer Metallmatrix, entsprechend jeweils 2 Gew.-%, 4 Gew.-%,bzw. 8 Gew.-% Nickel quer zur Faserrichtung. Wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, werden feine nadelähnliche Kristalle von eutektischem Al&sub3;Ni uneinheitlich an der Grenzschicht zwischen den Verstärkungsfasern (Si-Ti-C-O) und der Legierungsmatrix erzeugt und diese Kristalle verursachen eine Spannungskonzentration unter Last. Desnalb ist die Biegefestigkeit der Proben mit einer Metallmatrix, enthaltend 1 bis 6 Gew.-% Nickel, niedriger als die der Probe, die ein Reinaluminium -Matrix hat. Bei einer Probe mit einer Al-2%Ni-Matrix (Figur 4) erreicht, vor allem da relativ große nadelähnliche Kristalle uneinheitlich entstehen, die Biegefestigkeit hierbei einen Minimalwert. So, wie der Nickelgehalt erhöht wird, entstehen feinere Kristalle, die einheitlich in großer Zahl in der Matrix erzeugt werden, wie es in Figur 6 der Probe mit einer Al-8%Ni-Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.Der Druck so vieler, feiner Kristalle verursacht keine Spannungskonzentration, sondern erzeugt einen Verstärkungseffekt auf Grund der Verteilung der Teilchen. Dennoch hat eine Matrix mit mehr als 11 Gew.-% Ni eine niedrigere Biegefestigkeit, weil grobe Primär-Kristalle (Al&sub3;Ni) ausgeformt werden, die Spannungskonzentration unter Last verursachen.
- Andererseits nimmt die Biegefestigkeit der Probe 1A, die parallel zur Faserrichtung belastet wurde, wie in Figur 3 gezeigt, stetig mit Erhöhung des Nickelgehalts zu. In diesem Fall ist der Verstärkungseffekt der Verstärkungsfasern für die Probe 1A, verglichen mit dem der Probe 1B, sehr gering. Die Festigkeit der Metallmatrix hat nämlich einen Einfluß auf die Biegefestigkeit der Probe (d.h. faserverstärktes Verbundmetall). Das heißt, die Zugfestigkeit der Matrix steigt, wie in Tabelle 1 gezeigt, mit der Zunahme des Nickelgehalts, wodurch die Biegefestigkeit allmählich zunimmt. TABELLE 1 Matrix Zusammensetzung Zugfestigkeit nur der Matrix Rein-Aluminium
- Eine Vielzahl von Kohlenstoff-Endlosfasern wurde in einer Richtung ausgerichtet, um eine von einem Rahmen gehaltene Faservorform zu bilden. Die Vorform wurde 20 Minuten lang auf 700 ºC in einem Ofen unter einer Argonatmosphäre erhitzt, und eine auch im Beispiel 1 verwendete Metall-Gußform und ein Druckkolben einer Druckgießmaschine wurden auf 300 ºC erhitzt. Eine Rein-Aluminium-Schmelze und eine Al-8 Gew.-%Ni-Schmelze wurden entsprechend zubereitet und auf 720 ºC erhitzt.
- Die Kohlenstoffaser-Vorform wurde in einen Hohlraum der Metall-Gußform gestellt, und die vorbereitete Schmelze aus Rein-Aluminium (oder Al-8 Gew.-%)wurde in den Hohlraum gefüllt. Anschließend wurde der Druckkolben in den Hohlraum der Metall- Gußform eingeführt und die Schmelze wurde unter einen Druck von 1000 kg/cm² gesetzt; dann wurden Gußform und Druckkolben gekühlt, um die Schmelze unter Druck erstarren zu lassen. Die so gewonnenen faserverstärkten Verbundmetalle wurde aus dem Hohlraum entnommen und zu Proben 1A und 1B, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt für Biegeversuche verarbeitet. Die Proben der faserverstärkten Verbundmetalle hatten einen Fasergehal von 50 Vol.-%.
- In einer der 1A Proben waren die Kohlenstoff- Fasern 2 rechtwinklig zur Längsachse der Probe ausgerichtet, wie in Figur 1 gezeigt; die Probe 1A wurde einem Biegeversuch unter der Last P, parallel zur Faserrichtung wirkend, ausgesetzt. In der anderen Probe 1B waren die (Kohlenstoff-) Fasern 2 parallel zur Längsachse der Probe ausgerichtet, wie in Figur 2 gezeigt; die Probe 1B wurde einem Biegeversuch unter der Last P, rechtwinklig zur Faserrichtung wirkend, ausgesetzt. Die Ergebnisse (die erhaltenen Werte für die Biegefestigkeit) des Biegeversuchs sind in Tabelle 2 gezeigt. TABELLE 2 Biegefestigkeit (kg/mm²) Matrix-Zusammensetzung Probe Prüflast rechtwinklig zur Faserrichtung Prüflast parallel zur Faserrichtung Rein-Aluminium
- Wie aus Tabelle 2 ersichtlich hat das faserverstärkte Verbundmetall mit einer Al-8 Gew.- %Ni-Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung eine höhere Biegefestigkeit als faserverstärktes Verbundmetall mit einem Rein-Aluminium-Matrix.
- Geeignete Elemente, wie Si, Mn, Mg, Cn, Zn, und ähnliche gönnen hinzugefügt werden, um die Festigkeit der Zweistoff(Al-Ni)-Legierung der Metal lmatrix des faserverstarkten Verbindmetalls gemäß der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Weiterhin können anstelle der in den Beispielen 1 und 2 verwendeten Si-Ti-C-O-Fasern und Kohlenstoffasern, andere anorganische Endlosfasern wie SiC-Fasern, Al&sub2;O&sub3; Fasern, Si&sub3;N&sub4;-Fasern, Al&sub2;O&sub2; -SiO&sub2;- Fasern, B&sub4;C-Fasern und B-Fasern, oder Endlos-Metallfasern wie Edelstahlfasern, Klavierdrahtfasern, W-Fasern, Mo-Fasern, Be-Fasern, Ti-Fasern und Ni-Fasern verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, kurze Fasern wie Al&sub2;O&sub3;- Kurz-Fasern, Al&sub2;O&sub3; -SiO&sub2;-Kurz-Fasern, ZrO&sub2;-Kurz- Fasern wie hergestellt und Faserschnitzel, die durch Schneiden von Endlosfasern hergestellt werden. Ferner können in Ergänzung zu den oben erwähnten Fasern Whisker wie SiC-Whisker, Si&sub3;N&sub4;- Whisker,Kohlenstoff-Whisker, Al&sub2;O&sub3;Whisker, K&sub2;O -6TiO&sub2;-Whisker, K&sub2;Ti&sub2;O&sub5;-Whisker, B&sub4;C-Whisker Fe&sub3;C- Whisker, Cr-Whisker, Cu-Whisker, Fe-Whisker und Ni- Whisker als Verstärkungsfasern verwendet, werden.Die Aluminiumlegierung mit mehr als 7 bis 11 Gew.-% Ni wird als Metallmatrix verwendet, um die Verträglichkeit zwischen den Verstarkungsfasern und der Matrix zu verbessern.
Claims (9)
1.) Ein faserverstärktes Verbundmetall-Gußteill,
bestehend aus Verstärkungsfasern und einer
Aluminiumlegierung die mehr als 7 Gew.-% Ni bis 11 Gew.-%
Ni enthält.
2.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 1,
bei dem die Verstärkungsfasern Endlosfasern sind.
3.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 2,
bei dem die Endlosfasern anorganische Fasern sind.
4.) Eine faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 3,
bei dem die anorganischen Fasern Fasern sind, die
ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus
Si-Ti-C-O-Fasern, SiC-Fasern, Aluminiumoxid-
Fasern, Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;-Fasern, Bor-Fasern,
B&sub4;C-Fasern und Kohlenstoffasern.
5.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 2,
bei dem die Endlosfasern Metallfasern sind.
6.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 5,
bei dem die Metallfasern Fasern sind, die aus
gewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Fasern aus
rostfreiem Stahl, Klavierdrahtfasern, Titanfasern,
Molybdänfaser und Nickelfasern
7.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 1,
bei dem die Verstärkungsfasern Stapelfasern sind.
8.) Ein faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 7
bei dem die Stapelfasern Fasern sind, die
ausgewählt sind aus der Gruppe vom Aluminiumoxid-
Stapelfasern, Al&sub2;O&sub3;-Stapelfasern,
Zirkoniumdioxid Stapelfasern und Faserschnitzeln, die durch
Zerschneiden vom Endlosfasern hergestellt sind.
9.) Eine Faserverstärktes Verbundmetall nach Anspruch 1,
welches hergestellt ist, indem man eine Matrix aus
diesen Verstärkungsfasern und dieser
Aluminiumlegierung durch ein Druckgußverfahren miteinander
verbindem.
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