DE2701421A1

DE2701421A1 - Bauteil mit einem faserverstaerkten abschnitt und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2701421A1
Application number: DE19772701421
Authority: DE
Inventors: Takeo Arai; Keisuke Ban
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1976-01-16
Filing date: 1977-01-14
Publication date: 1977-07-28
Also published as: DE2701421C2; JPS5292827A; JPS5440209B2

Description

Bauteil mit einem faserverstärkten Abschnitt
und Verfahren zu seiner Herstellung Die Erfindung betrifft Bauteile mit einem oder mehreren mit Fasern verstärkten Abschnitten sowie Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile.
Ein Verfahren zum Herstellen eines mit Fasern verstärkten zusammengesetzten Materials, bei dem ein Formkörper aus Fasermaterial mit einem Metall dadurch gefüllt und vereinigt wird, daß ein Hochdruck-Erstarrungs-Gießverfahren angewendet wird, ist in der Dt-PA P 26 44 272.8 beschrieben. Dieses Verfahren zum Erzeugen eines faserverstärkten zusammengesetzten Materials bietet insofern wichtige neuartige Vorteile, als es hierbei möglich ist, jeden gewunschten Abschnitt eines Bauteils auf vorbestimmte Weise mit Fasermaterial zu verstärken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend genannte Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten zusammengesetzten Materials so zu verbessern, daß es möglich ist, jeden gewünschten Abschnitt eines gegebenen Bauteils mit einem nach Bedarf gewählten Fasermaterial zu verstärken, so daß sich der Anwendungsbereich solcher faserverstärkter zusammengesetzter Materialien entsprechend erweitert.
rfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens zum erstellen eines Bauteils mit mindestens einem Abschnitt aus einem faserverstärkten zusammengesetzten Material gelöst, das Maßnahmen umfaßt, um eine nicht mit Fasern verstärkte Schicht aus einem Matrixmetall auf einer Fläche oder einem Teil einer Fläche eines faserverstärkten zusammengesetzten Abschnitts zu erzeugen, während der letztere Abschnitt hergestellt wird, und um die nicht mit Fasern verstärkste Schicht zum Schmelzen zu bringen und sie während des Gießvorgangs in den aus Metall bestehenden Teil des Bauteils hinein diffundieren zu lassen, so daß eine feste Verbindung mit dem faserverstärkten zusammengesetzten Abschnitt des Bauteils entsteht.
Ausiührungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden beschrieben.
Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß dann, wenn man die physikalischen Eigenschaiten des faserverstärkten Abschnitts eines faserverstärkten zusammengesetzten Bauteils oder Körpers der vorstehend geschilderten Art mit den physikalischen Eigenschaiten der nicht mit Fasern verstärkten Schicht an der Oberfläche vergleicht, wo somit keine VerstSrkungsfasern vorhanden sind, ein bemerkenswerter Unterschied bezüglich der Bitzebeständigkeit der beiden Abschnitte und der mechanischen Festigkeit zu beobachten ist. Mit anderen Worten, wenn man den faserverstärkten zusammengesetzten Körper erhitzt, erreicht die Temperatur der nicht mit Fasern verstärkten Schicht den Schmelzpunkt des Matrixmetalls, so daß das Material zu schmelzen beginnt und seine Form vollständig verliert. Selbst wenn sich bei der nicht mit Fasern verstärkt ten Schicht dieser Zustand einstellt, ist kein Schmelzen des mit Fasern verstärkten Teils des zusasengesetzten Körpers zu beobachten, d.h. dieser Teil behält seine ursprüngliche Form vollständig bei. Wird dann die Temperatur kontinuierlich weiter erhöht, bis in einem gewissen Ausmaß eine Ausdehnung und Elution des Matrixletalls eintritt, wobei der gesamte Körper erweicht, ist festzustellen, daß der mit Fasern verstärkte Teil des zusammengesetzten Körpers seine Form nicht vollständig verliert.
Als Ergebnis dieser Untersuchungen hat es sich gezeigt, daß die kritische Temperatur des faserverstärkten Teils des zusarplengesetzten Körpers sehr weitgehend der Temperatur der Primärkristalle vom Alphatyp in dem betreffenden Metall oder der Alphakristalle in der Matrix ähnelt. Wählt man als konkretes Beispiel Aluminiumlegierungen, z.B. die Aluminiumlegierung AC8B nach japanischer Industrienorm und eine Aluminiumlegierung mit einem hohen Siliziumgehalt von 23%, liegt der Schielzpunkt der Matrix zwischen etwa 550 und etwa 5700C, während die Temperatur der Kristalle vom Alphatyp im Bereich von 600 bis 6100C liegt. Im iolgenden werden diese Schmelzpunkte einerseits als der erste Schmelzpunkt und andererseits als der zweite Schmelzpunkt bezeichnet. Während die nicht faserverstärkte Schicht nicht mehr imstande ist, ihre Form beizubehalten, wenn der erste Schmelzpunkt erreicht wird, da hierbei das Matrixietall schmilzt, behält der faserverstärkte Teil des zusammengesetzten Körpers seine Form weiterhin bei, ohne zu schmelzen, bis der zweite Schmelzpunkt erreicht wird.
Die Differenz zwischen den beiden Schmelzpunkten beträgt etwa 50 bis 600C. Zwar richtet sich die Erweichungstenperatur des faserverstärkten Teils des genannten zusammengesetzten Körpers bzw. die Temperatur, bei der eine teilweise Elution stattfindet, nach der Art des verwendeten Matrixietalls und der Menge des zur Verstärkung dienenden Fasermaterials, doch haben verschiedene Versuche gezeigt, daß diese Temperatur zwischen etwa 650 und etwa 7000C liegt, wenn der Körper kristallisierte Glasfasern in einer Menge von 12 bis 15 Gewichtsprozent enthält.
Brauchbare Ergebnisse bezüglich der Hitzebeständigkeit des faserverstärkten zusammengesetzten Körpers lassen sich erzielen, wenn man als Verstärkungsmaterial Fasern mit einem Durchiesser von 2 bis 10 Mikrometer verwendet, die eine Raumdichte von 0,05 g/cm3 oder darüber haben, und wenn Fasermaterial in einer Menge von 5 Gewichtsprozent oder mehr verwendet wird, wie es bei der Herstellung iaserverstärkter zusan-engesetzter Körper allgemein üblich ist.
Zur Verstärkung kann man Fasern jeder beliebigen Art verwenden, vorausgesetzt daß die Fasern eine höhere Hitzebeständigkeit haben als das Matrixmetall des faserverstärkten zusammengesetzten Körpers. Wird als atrixmetall z.B. eine Aluminiumlegierung verwendet, kann man Kohlenstoifasern, kristallisierte Glasfasern, keramische Fasern, Chromfasern oder dergl. verwenden, wobei in allen Fällen mehr oder weniger die gleichen Ergebnisse erzielt werden.
Bei der Herstellung eines Bauteils wird der faserverstärkte zusammengesetzte Körper, der von der genannten Art ist, in eine Gieß- oder Preßform eingebracht; dann wird die nicht mit Fasern verstärkte Schicht zum Schmelzen gebracht und unter Anwendung des Standgußveriahrens veranlaßt, in das Metall des Bauteils hinein zu diffundieren; alternativ kann man ein Niederdruckgießverfahren oder ein Pulversinterveriahren anwenden; hierbei wird die Differenz zwischen den Schmelzpunkten des faserverstärkten Teils und der nicht mit Fasern verstärkt ten Schicht des zusanengesetzten Körpers ausgenutzt, so daß der iaserverstärkte zusammengesetzte Körper mit dem Metall des Bauteils verschmolzen und verbunden wird.
Im folgenden wird die Erfindung durch weitere Beispiele veranschaulicht, auf die sich die Erfindung jedoch nicht beschränkt.
Beispiel 1 Herstellung eines Kolbens von 120 mm Durchmesser für einen großen Dieselmotor Ein Formkörper aus Kohlenstofiasern mit einer FUlldichte von 0,3 g/cm3 wurde iür den sich vom Kolbenboden bis zum zweiten Kolbenringsteg erstreckenden Teil des Kolbens verwendet, und bei dem Matrixietall handelte es sich um die Aluminiumlegierung AC8B nach japanischer Industrienorm. Diese Materialien wurden unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungs-Gießverfahrens zu einem zusammengesetzten Körper verarbeitet. Gleichzeitig wurde eine nicht mit Fasern verstärkte Schicht aus der gleichen Aluminiumlegierung ACSB gesondert an der Unterseite des zusammengesetzten Körpers mit einer Dicke von 1 bis 5 mm erzeugt. Hierauf wurde der zusammengesetzte Körper in eine Metallform für das Standgießverfahren eingebracht, in der eine Schmelze aus der gleichen Aluminiumlegierung ACSB mit einer Temperatur von 7800C auf den Körper gegossen wurde, um den Kolben herzustellen.
Wurde der in der beschriebenen Weise hergestellte Kolben genau untersucht, war bei dem faserverstärkten Teil, der sich zwischen dem Kolbenboden und dem zweiten Kolbenringsteg erstreckt, keinerlei Veränderung festzustellen, doch war der faserverstärkte Teil einwandfrei mit dem gegossenen Teil aus der Aluminiumlegierung verschmolzen und verbunden, so daß man für einen großen Dieselmotor einen Kolben von geringem Gewicht erhielt, der in der gesEnschten Weise einwandfrei mit dem Fasermaterial verstärkt war.
Bei der Anwendung des Hochdruck-Erstarrungs-Gießveriahrens ist es außerdem möglich, die nicht mit Fasern verstärkte Schicht unter beliebiger Wahl des Formverfahrens und der Menge der beim Gießen einzufüllenden Schmelze herzustellen, was sehr vorteilhaft ist, da man hierzu keinen besonderen Verfahrensschritt benötigt.
Beispiel 2 Herstellung eines Zylinderkopfes für einen wassergekühlten Vierzylinder-Viertaktmotor Unter Verwendung eines Formkörpers aus kristallisierten Glas-3 fasern mit einer FUlldichte von 0,6 g/cm und der gleichen Aluminiumlegierung AC8B wie im Beispiel 1 als Matrixmetall wurde ein Zylinderkopf für einen wassergekühlten Vierzylinder-Vi er taktmotor unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungs-Gießveriahrens hergestellt, wobei die Wandflächen der Verbrennungsräume und die Dichtungsfläche zusammenhängend ausgebildet und zwei oder vier solche zusammenhängende Gebilde hintereinandergeschaltet waren. Die mittlere Dicke des faserverstärkten Teils des Zylinderkopfes betrug 6 mm und diejenige der nicht mit Fasern verstärkten Schicht 3 mm.
Danach wurde der zusammengesetzte Körper in eine Metallform für das Niederdruckstandgießverfahren eingebracht, in der auf den Körper eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung AC2B nach japanischer Industrienorm gegossen wurde, um einen Zylinderkopf mit einem Wasserkühlmantel von komplizierter Form zu erzeugen, bei dem die Verbrennungsräume und die Dichtungsfläche mit Fasermaterial hinreichend verstärkt waren.
Beispiel 3 Herstellung eines Zylinders für einen luftgekühlten Zweitaktmotor Unter Verwendung eines Formkörpers aus Kohlenstoffasern mit einer Fülldichte von 0,4 g/cm und der gleichen Aluminiumlegierung AC8B wie bei dem Beispiel 1 als Matrixmetall wurde ein Zylinder, dessen mittlere Wandstärke im faserverstärkten Teil 5 mm betrug, unter Anwendung des Hochdruck-Erstarrungs-Gießverfahrens hergestellt. Gleichzeitig wurde auf der äußeren Umfangsfläche des Zylinderkörpers eine nicht mit Fasern verstärkte Schicht mit einer Dicke von 3 mm erzeugt. Dann wurde der zusammengesetzte Körper in eine Metallform für das Niederdruckgießverfahren eingebracht, in der auf den Körper eine Schmelze aus der Aluminiumlegierung AC2B entsprechend dem Beispiel 2 gegossen wurde; auf diese Weise wurde ein Zylinder für einen luftgekühlten Zweitaktmotor mit Kühlrippen und verschiedenen anderen Abschnitten hergestellt, bei dem der Laufbuchsenteil mit dem Fasermaterial hinreichend verstärkt war.
Da es, wie vorstehend beschrieben, gemäß der Erfindung möglich ist, den faserverstärkten zusammengesetzten Körper dadurch mit einem Bauteil zu verschmelzen und zu verbinden, daß der Unterschied zwischen den Schmelzpunkten des faserverstärkten Teils des zusammengesetzten Körpers und der nicht mit Faser verstärkten Schicht ausgenutzt wird, die auf einer Oberfläche des zusammengesetzten Körpers erzeugt wird, kann man ein Matrixmetall durch einen Gießvorgang mit einem Metall der gleichen Art umhüllen; dies hat sich bis jetzt als besonders schwierig erwiesen; außerdem kann man den faserverstärkten zusammengesetzten Körper fest mit einem Abschnitt des betrefienden Bauteils verbinden, ohne daß irgendeine komplizierte Oberflächenbehandlung durchgeführt zu werden braucht. Hierbei ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten infolge eines Abblätterns, eines Auischwimmens oder dergl. bei dem faserverstärkten Teil, und zwar selbst dann nicht, wenn man das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzieht.
Die Erfindung ermöglicht es somit, jeden gewünschten Abschnitt eines Bauteils ohne Rücksicht auf seine Größe hinreichend mit Fasern zu verstärken, wobei sich eine Verringerung der Herstellungskosten und eine Steigerung der Produktivität ergibt.
Ansprüche:

Claims

A N S P R Ü C H E 1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem faserverstärkten zusammengesetzten Abschnitt, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine nicht mit Fasern verstärkte Schicht aus einem Matrixmetall auf der gesamten Oberfläche oder einem Teil der Oberfläche des faserverstärkten zusammengesetzten Abschnitts erzeugt wird und daß die nicht mit Fasern verstärkte Schicht veranlaßt wird, zu schmelzen und in den metallischen Teil des Bauteils während des Gießens der Schicht hinein zu diffundieren, um die Schicht fest mit dem Bauteil zu verbinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt des faserverstärkten zusammengesetzten Teils höher ist als derjenige der nicht mit Fasern verstärkten Schicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der faserverstärkte zusammengesetzte Teil unter Anwendung eines lIochdruck-Erstarrungs-Gießverfahrens hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial zum Verstärken des faserverstärkten zusammengesetzten Teils aus der Gruppe gewählt wird, zu der Kohlenstof fasern, kristalliserte Glasfasern, keramische Fasern, Chromiasern und dergl. gehören.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Bestandteil des faserverstärkten zusammengesetzten Teils bildende Matrixmetall aus der Gruppe gewählt wird, zu der Aluminium, eine Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt und andere ähnliche Aluminiumlegierungen gehören.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgänge des Schmelzens und Diffundierens der nicht mit Fasern verstärkten Schicht in den metallischen Teil des Bauteils hinein während eines Standgießvorgangs, eines Niederdruckgießvorgangs oder der Pulversinterung des metallischen Teils des Bauteils bewirkt werden.
7. Erzeugnis, gekennzeichnet durch seine Herstellung mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1.
8. Kolben für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch seine Herstellung mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1.
9. Zylinder für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch seine Herstellung mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 1.