NO158791B - Fremgangsmaate til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material, samt laminat til bruk ved fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et laminat til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material bestående av minst to metall-lag av aluminium eller aluroiniumlegeringer og minst et klebeformidlende sjikt og mellomlagrede fibre, samt en fremgangsmåte til fremstilling av det sammensatte material.

Fiberarmerte tynne bånd resp. blikk av aluminiumlegeringer med inntil 50 volum-# borfibre, som delvis er belagt med SiC, fremstilles allerede etter metoden med plasmasprøyting. Herved fikseres på en trommel viklede fiberlag ved hjelp av et ved hjelp av plasmasprøyting påført aluminiumsjikt og den under fibrene liggende aluminiumfolie. Disse sprøytelag er meget porøse, og må derfor f.eks. etterkomprimeres ved varmvalsing eller varmpressing. Dessuten påkjennes fibrene termisk og mekanisk meget sterkt de inntil 2 000°C varme aluminiumdråper i plasmastrålen. Dette kan føre til beskadigelse av fibrene og sammensetningen allerede i fremstil-lingsstadiet. De fremstilte bånd har dessuten en begrenset endelig lengde som på forhånd er gitt ved trommelomkretsen. Dessuten arbeider denne metode diskontinuerlig, og krever høye investeringsomkostninger.

Til grunn for oppfinnelsen lå derfor den oppgave å tilveie-bringe en fremgangsmåte til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material og et laminat til bruk ved fremgangsmåten og som ikke har de nevnte ulemper. Fremgangsmåten skal ikke forårsake noen termisk og mekanisk beskadigelse av fibrene, innføye seg prinsipielt i arbeidsforløpet for halvfabrikata og la seg utbygge til en kontinuerlig fremgangsmåte.

Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material, hvor et laminat av metall-lag av aluminium eller aluminiumlegeringer, minst et klebeformidlende sjikt og mellomlagrende fibre oppvarmes, bringes under trykk og deretter avkjøles, i det fremgangsmåten er karakterisert ved at en aluminiumlodding som klebeformidlende sjikt er påplattert på minst en side av metallagene, lamineringen oppvarmes til en temperatur som ligger over loddingens smeltetemperatur og under metall-lagenes mykningstemperatur og bringes ved varmpressing eller varmvalsing eller kaldvalsing ved temperaturer fra 590 til 620°C under trykk, således at overskytende lodding utpresses fra laminatet. Disse fremgangsmåtebetingelser kan overholdes ved varmpressing eller varmvalsing av det på forhånd lagplas-serte sammensatte material i det temperaturområdet skal ligge mellom 450 og 650'C.

Oppfinnelsen består av et laminat til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material bestående av minst to metall-lag av aluminium eller aluminiumslegeringer, minst et klebeformidlende sjikt og mellomlagrede fibre, i det laminatet er karakterisert ved at metall-lagene på den eller de mot fibrene vendte side eller sider er plattert med en alumi-niumslodding. Den består vanligvis av en aluminiumsilisium-legering med 5 til 1256 silisium, i det grenseaktive metaller kan være inneholdt som fuktebefordrende tilsetninger.

Ifølge et spesielt utførelseseksempel ifølge oppfinnelsen ligger platteringssjikttykkelsen mellom 3 og 1056 av metall-laget. Metall-laget kan bestå av det normede material AlMn 1, i det tykkelsen av hvert metall-lag utgjør 1 til 2 mm, og som er plattert med 10# aluminiumsilisiumlodd. Metall-lagene kan inneholde Jern og/eller nikkel inntil 3%, og krom, titan, zirkon, kobolt, vanadium, molybden, hver gang enkeltvis inntil 15», eller i sammenblanding.

Som fiberstoff anvendes fortrinnsvis en silisiumkarbonfiber. Det kan imidlertid også anvendes borfibre med eller uten silisiumkarbonbelegg. Disse fibre anvendes fortrinnsvis i form av fibervevnad, eller som fibermasse som i det vesentlige er anordnet parallelt til hverandre. Av flere forsøk har det vist seg at fasthetsverdiene av et lagmaterial er spesielt gunstig når det i midten er tilstede en uarmert kjerne av aluminium eller en aluminiumlegering.

Det er imidlertid også mulig å bringe lagene av metall-lag, mellomlagrede fibre og aluminiumloddemetall før valsingen til temperaturer over loddemetallsmeltepunktet, og deretter å valse kaldt. Ved tallrike forsøH har man fastslått at det er fordelaktig å foreta valsing, dvs. egentlig forbindingsprosess med kalde valser. Ved denne fremgangsmåte muliggjøres under fremstillingen av det sammensatte material allerede en avkjøling med en høy avkjølingsgrad. Det foroppvarmede utgangsmaterial presses i første del av valseprosessen mot hverandre og bindes sammen, mens samtidig foregår fra de kalde valser en avkjøling over metall-lagene inn i forbindingssonen. Dette bevirker at det ferdige produkt kan forarbeides som sammensatt material, umiddelbart etter uttreden fra valseplaten.

Det er viktig at sjiktleggingen av laminatet før inntreden i valsespalten har den forskriftsmessige temperatur. Herved har det vist seg fordelaktig å foreta formaterialet til frem-' still ing av den forsjiktdannede sammensetning å foreta sammen— føring av metall-lagene av aluminiumloddelegeringen og fibervevnaden ved hjelp av valse, og i første rekke separat å opp-varme formaterialet. Umiddelbart før valsingen må det da i en passeringsovn bringes i kontakt og oppvarmes til den nød-vendige slutt-temperatur.

Etter den egentlige forbindingsprosess kan det sammensatte material etterkomprimeres ved temperaturer under loddesmelte-punktet ved ettervalsing. Denne etterkomprimering fører til spesielt faste og tette sluttprodukter.

Videre er det fordelaktig å underkaste laminatet før en varme-behandling over loddemetallsmeltepunktet for en glødebehand-ling. Det har vist seg at glødebehandlingen er spesielt gunstig ved temperaturer fra 10 til 50°C, under loddemetallsmeltepunktet ved en glødetid fra 2 til 12 timer.

Fremstillingen avden forhåndssjiktdannede sammensetning kan foregå ved sammenføring av metall-lagene, aluminiumloddemetall-legeringen og fibervevnaden ved hjelp av ruller og haspler. Det er også mulig å foroppvarme formaterialet separat, og å foreta oppvarmingen til slutt-temperatur over loddemetall-smeltetemperaturen umiddelbart før valsingen på den på forhånd sjiktdannede sammensetning.

Aluminiumloddelegeringens oppgave kan bestå i å tjene <g>om oksydasjonsbeskyttelse og klebeformidler ved fremstilling av det sammensatte material. Det er mulig at det sammensatte material fremstilles uten merkbar deformering av kjerneblikket, og forbindelsen mellom metall-lag og fibre dannes ved hjelp av en med loddemetallsjiktet impregnert fibermatte. Ved denne fremstilling arbeides ved en avvalsingsgrad mellom 0,5 og 1,5%.

For oppnåelse av et høyt temperaturbestandig sammensatt material av aluminium er det imidlertid fordelaktig å innleire fibermaterialet ved plastisk forming av metall-lagene i disse. Derved må det anvendes en avvalsingsgrad mellom 1,5 og 10%.

Det er spesielt fordelaktig som platteringssjikt å anvende

en AlSi-legering med 5 til 12% silisium. Derved lykkes en omtrent fullstendig sammensveising av metall-lagene, idet det spesielt i nær-autentiske AlSi-legeringer med 10 til 12% Si er av fordel. Grensesjiktet mellom metall-lagene og loddeplatteringen er praktisk talt oksydfritt.

Platteringssjikttykkelsen utgjør fortrinnsvis 3 til 10% av metall-lagene. Derved omhyller det flytende lodd ved varmpressing fibrene, og hindrer således en ytterligere luft-tilgang, og dermed fornyet oksydasjon av metalloverflaten.

Prinsipielt kan det anvendes alle keramiske uorganiske

eller metalliske fibre eller karbonfibre med tydelig armer-ingsvirkning, og tilstrekkelig termisk og kjemisk bestandig-het for de fiberarmerte sammensatte materialer ifølge oppfinnelsen. Det er imidlertid spesielt fordelaktig som ifiber å anvende SiC-fibre, borfibre med eller uten SiC-belegg. Ved anvendelse av disse fibre foreligger etter avkjøling en

fullstendig metallurgisk forbindelse av metall-lagene og en fullstendig innleiring og klebing av fibrene inne i det sammensatte material. I kantsonene mellom metall-lag og fibre lar det seg også etter innsmelting på slip-bildet eller ved analy-tisk undersøkele å fastslå det opprinnelige nærvær av et platteringssjikt ved forskjellig konsentrasjonsfordeling.

Det er spesielt fordelaktig å armere det sammensatte material med flere fiberlag som avvekslende er dekket med et eller på begge sider loddeplattert metall-lag av aluminium eller aluminiumlegeringer. Fiberlagene resp. fibervevnanden eller fibermattene kan bestå av liång- eller kortfibre, og være anordnet med parallelle fiberanordninger, eller under andre vinkler. Den parallelle anordning har imidlertid fordeler med hensyn til fasthet og bøyepåkjenning.

For å øke bøyestivheten er det fordelaktig at av flere sjikt bestående sammensatte material i midten består av en ikke armert kjerne av aluminium eller en aluminiumlegering. Den uarmerte kjerne har fortrinnsvis en tykkelse på ca. 30% av det sammensatte materials samlede tykkelse.

Ved fremstilling av det sammensatte material ifølge oppfinnelsen viser det seg spesielt fordelaktig å gjennomføre varmpressing av parallelle fiberlag, fibervevnad eller fiber-matter mellom metall-lagene ved temperaturer på maksimalt 650°C. Temperaturer som går ut over dette medføder fare for smelting av metall-lagene. Som minstetemperatur har det ved tallrike undersøkelser vist seg en forarbeidelsestempera-tur på 450°C. Under denne temperatur er materialets plasti-sitet for liten til ved inntrykking av materialet mellom fiber-lagenes (resp. -vevnadenes eller -mattenes) fiber av å øke fibrenes omhyllingsflate med matriksmaterial, og derved øke vedhengningen mellom fibrene og matriksmaterial, og samtidig å utpresse så meget som mulig av overskytende loddesmelte fra sammensetningen. Ved de foretrukkede til anvendelse kommende AlSi-loddemetall er det spesielt fordelaktig å anvende temperaturområder fra 590 til 620°C, da blikkene på den ene side er tilstrekkelig plastiske, på den annen side er den termiske og mekaniske påkjenning av fibrene begrenset under forarbeidelsen.

Varmpressingen foregår fortrinnsvis ved presstrykk under 50 bar. I tallrike forsøk har det vist seg at ved storflatede deler oppnås en bedre vedhenging ved at det arbeides med disse rela-tivt små presstrykk på under 50 bar, og deretter foregår en étterkorappimering ved «arm- eller kaldvalsing.

Ifølge et foretrukket anvendelsestilfelle av oppfinnelsen underkastes det samme material før varmebehandlingen over loddemetallsmeltepunktet for en glødebehandling. Derved skal hovedtilsetningslegerimg^elementet av loddemetallet, eksempelvis silisium fordele seg bedre ved diffusjon således at det oppstår et homogent sammensatt material med bedre forarbeid-elsesegenskaper. Glødetemperaturene ligger fortrinnsvis 10

til 50°C under loddemsfcållsmeltepunktet for at det er gitt en tilstrekkelig sikkerhet mot utilsiktet oppsmelting av loddemetallet.

Varmpressingen kan foregå i vakuum under beskyttelsesgass

eller også i luft. Ved varmpressing under luft må blikkene på forhånd ved kjemisk avbeising befris for for sterkt oksyd-belegg. Ved den plastiske forming ved innpressing av alumi-niumet mellom fibrene finner det sted en ca. 50%-ig økning av metalloverflaten, således at dé nye oksydfrie overflate-områder sammensveises med hverandre, og kleber seg fast til fibrene. For denne resterende 50% av overflaten av aluminium-blikket inntrer virkningen av lbddemetallplatteringssjiktet således at det tilsammen gir en 100%-ig vedhenging mellom blikk og de innleirede fibre.

En forbedring av varmeforarbeidbarheten av det ifølge oppfinnelsen fremstilte sammensatte material lar seg oppnå ved en glødebehandling. Derved elimineres den etter varmpressingen ikke utpressede rest av loddemetallbelegget ved diffusjon. Homogeniseringen skal gjennomføres under loddemetallsmeltepunktet så lenge inntil de overskytende legeringsbestand-deler av loddemetallsjiktet er vandret inn i metall-lagene. Ved et AlSi-loddemetall ville dette bety at overskytende silisium bestanddeler veMKdiffunderes, således at det ikke på noe sted av sammensetningen kan fastslås en for sterk smeltepunktnedsettelse av aluminium ved silisium.

Et således behandlet sammensatt material kan ved dets senere anvendelse igjen varmebehandles, eksempelvis ved varmforming, ved hardlodding eller sveising, enten at det i fiberarmert sammensatt material selv opptrer en smelteflytende fase.

I det følgende forklares oppfinnelsen nærmere ved hjelp av

et utførelseseksempel. På tegningen viser

fig. 1 et ifølge oppfinnelsen sammensatt material for forbind-ing ved varmpressing eller varmvalsing,

fig. 2 et sammensatt material ifølge oppfinnelsen etter varmpressing eller varmvalsing,

fig. 3 et sammensatt material ifølge oppfinnelsen etter en

etterfølgende gløding,

fig. 4 et diagram over to temperaturdifferansmålinger.

På fig. 1 er det vist et trelags fiberarmert sammensatt material. Det består av bunnblikk 1 og dekkblikk 2, som hver er 0,3 mm tykke og består av materialet AlMnl. Begge blikk er på den ene side plattert med ca. 10% av et AlSil2-lodde-metallj To mellomblikk 3, 4 består likeledes av AlMnl og begge sider er plattert med et AlSil2-loddemetall. Tykkelsen av de påplatterte loddemetaller 5, 6, 7, 8, 9, 10 er like og utgjør ca. 10% av blikktykkelsen.

Mellom platterinssjiktene 5, 6, 7, 8, 9, 10 befinner det seg tre vevnadssjikt av SiC-fibre 11 som er 100 |im tykke.

Av de avfettede og blankbeisede blikk og de avtettede fiber-vevnadsbelegg ble det sammensatte blikk som i ]Big. 1 plassert og innlagt i den allerede til 600°C foroppvarmede pressform. Formen ble lukket med et presstrykk på ca. 28 N/mm<J> på prøven. Etter ca. 15 sek. ble oppvarmingen utkoblet og etter senkning av temperaturen til ca. 500°C, også trykk.

Strukturen av denne prøve viser fig. 2 i et metallografisk tverrsnitt. Man ser den gode sammensveising av blikkene 12 og en fullstendig omhylling av fibrene 13. Mellom fibrene befinner det seg dessuten små områder stivnet Al-Si-eutekikum av rester av loddemetallsjikt 14. Disse rester av eutektikum lar seg f.eks. eliminere ved en diffusjonsglødning av prøven ved 500°C, og en glødetid på 4 timer, da herved det overskytende Si inndiffunderer fra loddemetallrestene i det omgivende blikk. Fig. 3 viser tverrslip etter glødingen. I stedet har det dannet seg en sone av homogen struktur 15 som dessuten bare inneholder svake anrikninger av resterende silisium.

Denne prosess lar seg også påvise kvantitativt ved hjelp av differensial-termo-analyse (DTA). Ved lineær oppvarming av det sammensatte material fremstilt som forklart ved fig. 2, viser det seg i temperaturdifferansforløpet 18 mot en medopp-varmet sammenligningsprøve av renaluminium et lite utslag ved ca. 573°C, som tisvarer oppsmeltingen av rester av den eutek-tiske Al-Si-loddemetall-legering. Dette er vist på fig. 4, idet temperaturforløpet er angitt over oppvarmingstiden som punktlinje 17. Vec ca. 642°C begynner oppsmeltingen av AlMn-legeringen av blikket med stort utslag i AT-kurven.

Kurve 19 viser et sammensatt material etter diffusjonsglød-ing ved 4 timer og 500°C (sammenlign fig. 3). Den har ikke mer utslag <y>ed 573°C, dvs. det opptrer etter denne varmebe-handling ingen tidligere oppsmeltinger før oppsmeltingen av blikket. Materialet kan etter en slik gløding igjen hard-loddes og varmebearbeides på annen måte.

I det følgende skal det angis et eksempel fra kaldvalsingen ifølge oppfinnelsen av det fiberarmerte sammensatte material. Derved utstyres metall-lagene med hver gang en loddemiddel-plattering.

To nybeisede blikk av AlMnl med en tykkelse på 1 mm lodde-platteres ensidig med 10% AlSi 10. Blikkenes dimensjon ut-gjør 70 x 190 mmJ . Mellom disse blikk legges et ikke stort stykke fibervevnad av SiC-fibre med 140 um tykkelse. SiC-fibrene sammenholdes av aluminiumkjedetråder, dimensjon 50 x 400 um2, i ca. 2,8 mm avstand.

De loddeplatterte blikk er hver gang rettet med loddemetallsjiktet til fibervevnaden. Før valsingen sammensveises front-sidene av prøvene med hverandre, og sveisesømmene spisses lett for å muliggjøre et lett innløp av prøven i valsespalten.

Den andre enden av prøven ble sammenholdt ved hjelp av en tynn aluminiumtråd.

Ved bestemte aluminiumlegeringer er det vanskelig å innstille den egnede loddetemperatur, da smeltetemperaturen av lodde-metallmaterialet og grunnmaterialet ligger tett ved hverandre. I disse tilfeller skal formaterialet tilføres adskilt, idet de uplatterte blikk ikke oppvarmes så høyt som aluminiumlodde-legeringer. Loddetemperaturen oppnås først kort før eller ved valsene. På tilsvarende måte er det å gå fram når bare et av metall-lagene er loddeplattert.

Ved anvendelse av loddeplatterte blikk av AlMnl oppvarmes prøvene i en elektrisk foroppvarmet luftsirkulasjonsovn ved 630°C, uttas fra ovnen, og med en gang innføres i den allerede løpende valse. Ved valsepasseringen impregneres fiber-matten med loddemetall, og det overflødige loddemetall trykkes ut av prøven. I dette tilfellet er valsetrykket innstilt således at det ikke finner sted merkbar nedgang, resp. forlengelse av kjerneblikket.

For å holde konstant en jevn valsetemperatur må disse avkjøles. På grunn av den lave valsetemperatur er det resterende loddemetall av det sammensatte material etter å ha forlatt valsen allerede igjen stivnet.

Ved økning av valsegraden formes kjerneblikketi hele tverr-snittet og forlenges. Materialet forskyver seg derved under skarpere forming i forhold til de praktisk talt ikke formbare stive høyfaste SiC-fibre. Denne skjæreformingen er ønskelig for å forbinde fibre og blikkmaterial godt og dermed å forbedre vedhengingen. Ved for stor skjæreforming, dvs., for høy valsegrad, opptrer store skyvespenninger således at fibrene 'kan revne. Den gunstigste valsegrad må altså ligge mellom 1,5

og 10%.

I henhold til den foretrukkede fremgangsmåte fremstilles prøver med 15,6 til 17,8% forlengelse. De viste ved røntgen-gjennomstråling i avstand på 3 mm periodisk revnede fibre. Prøver med 0,9 resp. 3,2% forlengelse viste derimot en meget god vedhenging og ingen riss i fibrene.

For å forbedre kjernematerialets mekaniske egenskaper, spesielt til forbedring av varmfasthet, resp. det mekaniske forholdet i varme, kan det til metall-lagenes legering til-blandes jern og/eller nikkel inntil 3% og hver gang inntil 1% krom, titan, zirkon, kobolt, vanadium eller molybden,

også i kombinasjon med andre elementer som øker varmefast-heten.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material, hvor et laminat av metall-lag av aluminium eller aluminiumlegeringer, minst et klebeformidlende sjikt og mellomlagrede fiber oppvarmes, bringes under trykk og deretter avkjøles, karakterisert ved at et aluminiumloddemetall er påplattert som klebeformidlende sjikt på minst en side av metall-lagene, laminatet oppvarmes til en temperatur som ligger over loddemetallets smeltetemperatur og under metall-lagenes mykningstemperatur og bringes ved varmpressing eller varmvalsing eller kaldvalsing ved tempera-turerer fra 590 til 620°C under trykk, således at overskytende loddemetall presses ut fra laminatet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det sammensatte material forbindes ved varmpressing eller varmvalsing ved temperaturer mellom 450 og 650°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1-2, karakterisert ved at ved valsingen trykkes bare flytende loddemetallsjikt mellom fibrene, og det foregår ingen merkbar forming av metall-lagene.

4. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at metall-lagene under valsingen formes plastisk, og fibrene innleires ved valse-trykking i metall-lagene.

5. Laminat til fremstilling av et fiberarmert sammensatt material ifølge krav 1 og bestående av minst to metall-lag av aluminium eller aluminiumlegeringer, minst et klebeformidlende sjikt og mellomlagrede fibre, karakterisert ved at metall-lagene på den eller de side eller sider som er vendt mot fibrene er plattert med et aluminiumloddemetall.

6. Laminat ifølge krav 5, karakterisert ved at aluminiumloddemetallet består av en aluminiumsilisiumlege-ring med 5 til 1295 Si og inntil 1056 fuktebefordrende tilsetninger av grenseflateaktiye metaller.

7. Laminat ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at metall-lagene består av en aluminiumlegering med inntil 0,556 silisium, og med a) 1,0 til 1 , 556 magnesium eller mangan eller b) med 1,0 til 2,556 magnesium og mangan, i det metall-lagene inneholder jern og/eller nikkel inntil 356, krom, titan, zirkon, kobolt, vanadium, molybden, hver gang enkeltvis inntil 156 eller i sammenblanding.

8. Laminat ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det som fibre anvendes silisiumkarbonfibre, borfibre, med eller uten silisiumkarbonbelegg, i det disse er anordnet som fibervevnad eller som fibermatte, i det vesentlige parallelt til hverandre.

9. Laminat ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det av flere lag bestående sammensatte materiale i midten har en uarmert kjerne av aluminium eller en aluminiumlegering.