DE2018024B2 - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff Fasern verstärktem Metalldraht - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht, wobei man einen Strang lose gepackter Fasern durch eine zur BiI-dung des Metalldrahtes dienende Metallschmelze leitet und den Querschnitt des mit letzterer durchtränkten Stranges vermindert und die Packungsdichte der Fasern erhöht.

Kohlenstoff ist in der Form von starken steifen Fasen erhältlich. Diese Fasern werden in einem Strang angeliefert, welcher ungefähr 10 000 Fasern mit einem Durchmesser von je 8 bis 10 μ enthält, wobei jede der Fasern eine Länge von bis zu 1000 m aufweist. Diese Stränge weisen einen Querschnitt von ungefähr mm Breite und 1 bis 2 mm Dicke auf. Unter der Annahme, daß der Querschnitt des Stranges 5 mm² und der Querschnitt von 10 000 Fasern 0,5 bis 0,8 mm² beträgt, ist es ersichtlich, daß der Strang sehr lose gepackt ist. Ferner ist es bekannt, daß die Festigkeit von Metallen durch Einlagern von starken Fasern in ihre Matrix erhöht werden kann. Jedoch isi der Gewinn an Festigkeit nur dann beachtlich, wenn der Volumenanteil der Fasern ungefähr 50% oder mehr beträgt. Die große Schwierigkeit ist jedoch die Erhöhung der Dichte der lose gepackten Stränge und die Einfügung derselben in die Metallmatrix.

Es sind bereits seit Jahren Fasern und Fäden der verschiedensten Arten erhältlich und Verfahren und Vorrichtungen zur Behandlung und zum Wickeln derselben bekannt. Es wurden auch bereits erfolgreich Kohlenstoff-Fasern in Kunststoff- oder Harzgrundgefüge eingelagert. Die Einlagerung von Kohlenstoff-Fasern in eine Metallmatrix ist jedoch ein sehr neues Anwendungsgebiet. Es wurden bereits Versuche gemacht, die Kohlenstoff-Fasern mit Aluminium zu plattieren und danach die sich ergebenden Platten heiß zu pressen, was jedoch sehr umständlich, zeitraubend und teuer ist.

Es ist auch bereits ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern bekannt, bei dem parallel zueinander verlaufende lange Fasern und wahllos ausgerichtete kurze Fasern in ein Metall eingegossen werden. Ein Ziehstempel zur Erhöhung der Packungsdichte der Fasern wird bei diesem Verfahren nicht verwendet.

Bei einem anderen bekannten Verfahren werden zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nichtmetallische monokristalline Fasern in eine Legierung eingegossen, wobei jedoch ebenfalls eine sehr geringe Packungsdichte der Fasern erzielt wird.

Es ist auch ein Verfahren zur Verstärkung von Metall bekannt, bei dem Glasfasern mit einem Metall beschichtet werden, indem man sie durch ein Metallbad führt. Die derart mit Metall beschichteten Glasfasern werden anschließend zu einem Glasfasergewebe oder zu einer Glasfasermatte verarbeitet und dann in die Metallschmelze eingebracht oder zwischen Metallschichten verpreßt. Ein Ziehstempel zur Erhöhung der Packungsdichte der Glasfasern kommt hier überhaupt nicht zur Anwendung, da die Glasfasern im Metallbad nur benetzt werden. Ferner ist es auch möglich, daß zwischen den einzelnen Fasern Hohlräume im zu verstärkenden Metall entstehen, was selbstverständlich sehr nachteilig ist.

Es ist ferner auch ein Verfahren zur Herstellung von glasfaserverstärktem Metall bekannt, bei dem die Glasfasern in die Metallschmelze eingetaucht, herausgezogen und dann durch einen Stempel geführt werden. Dabei ist es unvermeidlich, daß ein Teil der flüssigen Schmelze vom Glasfaserstrang abtropft und Hohlräume zwischen den einzelnen Fasern entstehen, was unerwünschte Oxydationsstellen zur Folge hat, die eine Materialschwächung bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, bei dem keine Hohlräume und Oxydationsstellen zwischen den einzelnen Verstärkungsfasern auftreten können und der verstärkte Draht bis zur vollständigen ¹^, starrung nicht mit der Außenluft in Berührung kommt, was dadurch erreicht wird, daß der aus Kohlenstoff-Fasern bestehende Bündel bis zum Eintritt in den Ziehstempel von der Metallschmelze überdeckt ist und der fertige Draht nach dem Austritt aus dem Ziehstempel noch über eine bestimmte Strecke unter Vakuum gehalten wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus Kohlenstoff-Fasern bestehenden, mit der Metallschmelze durchtränkten Strang durch mindestens einen auf der Einführseite von der Metallschmelze überdeckten Ziehstempel führt, den Ziehstempel auf einer solchen Temperatur hält, daß das die Kohlenstoff-Fasern umgebende Metall des aus ihm austretenden Stranges nicht mehr flüssig ist, und den Strang nach dem Austreten aus dem Ziehstempel bis zu seiner Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur unter einem Vakuum hält.

Zur Verbesserung der Benetzung der Fasern durch die zu verstärkende Metallmatrix ist es zweckmäßig, wenn man mit einer vorzugsweise aus Nickel bestehenden Benetzungsschicht überzogene Kohlenstoff-Fasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze leitet, deren Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Benetzungsmaurials liegt.

Zur Vermeidung von unerwünschten Oxydationen ist es vorteilhaft, wenn man die Metallschmelze unter einem Vakuum von mindestens 10~⁴ mm Hg hält.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine erste beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine zweite beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, weist die erste beispielsweise Ausführungsform eine erfindungsgemäße Vor- ao richtung eine Strangspuie 1 zur Zuführung des aus lose gepackten Kohlenstoff-Fasern bestehenden Stranges 2 in eine Metallschmelze 3, z. B. in eine Aluminiumschmelze, auf. Um eine gute Benetzbarkeit der Kohlenstoff-Fasern durch die Aluminiumschmelze zu erzielen, sind die ersteren z. B. durch Aufdampfen vollständig mit Nickel überzogen.

Die Metallschmelze 3 befindet sich in einem durch die Spule 4 beheizten Behälter 5, welcher luftdicht verschlossen ist und eine Zuleitung 6 zur Erzeugung eines Vakuums in seinem Innern aufweist.

Der Ziehstempel 7 zur Durchführung des Stranges und Verminderung dessen Querschnittes ist im Boden des Behälters 5 angeordnet, wo der hydrostatische Druck in der Aluminiumschmelze 3 am größten ist. Im Ziehstempel 7 ist ferner ein Thermoelement 8 angeordnet, da die Temperatur der am Strangaustritt sich befindenden Metallschmelze sehr nahe beim Schmelzpunkt des Metalls liegen soll, so daß noch alles Metall geschmolzen ist, jedoch nach dem Austritt aus dem Ziehstempel 7 erstarrt ist. Im Ziehstempel 7 wird der Querschnitt des Stranges 2 so stark vermindert, daß de^r Volumenanteil der Kohlenstoff-Fasern im aus dem Stempel austretenden Draht 9 etwa 50% beträgt.

Dei aus dem Stempel 7 austretende Draht 9 verlauft auf der anschließenden Abkühlstrecke noch durch ein Rohr 10, das zusammen mit dem Innern des Behälters 5 unter einem Vakuum von etwa 10 ⁴ mm Hg gehalten wird, um zu verhindern, daß eine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten auftritt.

Am Ende des Rohres 10 sind am Draht 9 anliegende Dichtungsringe 11 angeordnet, die ein Eintreten von Luft in das Innere des Rohres 10 verhindern.

Der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Aluminiumdraht 9 kann nch dem Austritt aus dem Rohr 10 z. B. auf eine Spule aufgespult werden.

Zur Erzielung eines einwandfreien, mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Drahtes 9 kann es zweckmäßig sein, daß man der Aluminiumschmelze 3 Legierungszusätze beifügt, welche die spezifische Oberflächenspannung der letzteren gegenüber den Kohlenstoff-Fasern erniedrigen.

Bei der Wahl der Metallschmelze 3 ist darauf zu achten, daß sie eine solche chemische Zusammensetzung aufweist, daß sie mit der auf den Kohlenstoff-Fasern sich befindenden Nickelschicht derart reagiert, daß die entstehenden Reaktionsprodukte die mechanischen Eigenschaften des Drahtes 9 nicht beeinträchtigen.

In Fig. 2 ist eine zweite beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird der Strang 2 von der Spule 1 nach unten in die Schmelze 3 geführt, ein Stück durch diese hindurchgeleitet, so daß die Kohlenstoff-Fasern vollständig durch die Metallschmelze benetzt werden, und dann durch eine Umlenkspule 12 nach oben umgelenkt und durch einen an der oberen Gehäusewandung befestigten Ziehstempel 7 gezogen. Die nach dem Zichstempel 7 anschließend«. Abkühlstrecke wird durch ein mit dem Gehäuseinnern in Verbindung stehendes Rohr 10 noch ein Stück weit unter Vakuum gehalten. Am Ende des Rohres 10 angebrachte Dichtungsringe 11 liegen dicht am gezogenen Draht 9 und verhindern dadurch ein Eintreten von Luft in das Innere des Rohres 10. Über die Zuleitung 6 wird das Innere des Gehäuses beispielsweise bis auf einen Druck von 10"⁴ mm Hg evakuiert, um eine Oxydation zwischen den einzelnen Komponenten zu verhindern.

Auch hier wird wie bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung die im Behälter 5 sich befindende Metallschmelze 3 von außen durch eine Spule 4 beheizt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Beispiel zur Verstärkung von Drähten aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Zink und anderen Metallen geeignet. Eine wichtige Einschränkung ist, daß der Schmelzpunkt des zu verstärkenden Metalls nicht so hoch liegen sollte, daß die mechanischen Festigkeitseigenschaften der Kohlenstoff-Fasern beeinträchtigt werden.

Derart verstärkte Drähte können z. B. im Kraftleitungsbau verwendet werden. Unter Anwendung der bekannten Wickelverfahren können z. B. Röhren, Zentrifugenkörper und ähnliche Teile hergestellt werden. Die derart hergestellten Drähte können statt eines runden Querschnitts auch einen rechteckförmigen oder andeien ziehbaren Querschnitt aufweisen.

Hier/u 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. "Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Metalldraht, wobei man einen Strang lose gepackter Fasern durch eine zur Bildung des Metalldrahtes dienende Metallschmelze leitet und den Querschnitt des mit letzterer durchtränkten Stranges vermindert und die Packungsdichte der Fasern erhöht, dadurch gekennzeichnet, daß man einen aus Kohlenstoff-Fasern bestehenden, mit der Metallschmelze durchtränkten Strang durch mindestens einen auf der Einführseite von der Metallschmelze überdeckten Ziehstempel führt, den Ziehstempel auf einer solchen Temperatur hält, daß das die Kohlenstoff-Fasern umgebende Metall des aus ihm austretenden Stranges nicht mehr flüssig ist, und den Strang nach dem Austreten aus dem Ziehstempel bis zu seiner Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur unter einem Vakuum hält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einer vorzugsweise aus Nickel bestehenden Benetzungsschicht überzogene Kohlenstoff-Fasern verwendet und diese durch eine Metallschmelze leitet, deren Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Benetzungsmaterials liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Metallschmelze unter einem Vakuum von mindestens 10"⁴ mm He hält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man Kohlenstoff-Fasern verwendet, deren Ausgangsmaterial Polyakrylnitril ist.