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DE4313077A1 - Manufacture of metal composites reinforced with long fibres, metal composites and use thereof - Google Patents

Manufacture of metal composites reinforced with long fibres, metal composites and use thereof

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DE4313077A1
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Abstract

The invention relates to processes and articles of the kind mentioned in the title and to the use thereof, the object being that the fibres are uniformly distributed, covered on all sides with metal and protected from damage during processing and that the properties achieved for the articles produced according to the invention are to be fully utilised in use. According to the invention, this object is achieved by a process wherein the fibres, spread out in thin layers of certain dimensions, are bonded together, by one-sided wire flame spraying, to form a band and a plurality of these bands are bonded together by pressing to form metal composites. In the products of the invention, these metal composites are encapsulated with further metal in such a way that the fibres come to be positioned in critical stress regions. The uses according to the invention are in engine and motor vehicle technology.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mit ausgerichteten Langfasern (zum Unterschied von ungeordneten kurzfasrigen Haufwerken), vorzugsweise hochfesten Kohlenstoffasern, verstärkter Metallverbundkörper, einen solchen Metallverbundkörper selbst und dessen Verwendung im Verbrennungsmotorenbau. Die Verbindung der Fasern mit dem Matrixmetall erfolgt durch thermisches Spritzen.The invention relates to a method for manufacturing with aligned long fibers (in contrast to disordered short-fiber piles), preferably high-strength Carbon fibers, reinforced metal composite, such a metal composite body itself and its Use in internal combustion engine construction. The connection of the fibers with the matrix metal takes place through thermal spraying.

Bekannte Herstellungsverfahren der genannten Art arbeiten mit dem Plasmaspritzverfahren (DE 41 18 224), was wegen der hohen Temperatur und des Fehlens die Umgebungsluft verdrängender Verbrennungsgase besonders bei der Verwendung von Aluminium als Matrixmetall einen hohen Anteil an Metalloxidphasen zur Folge hat, die zwar hart sind, aber nichts zur Festigkeit des Verbundkörpers beitragen können.Known manufacturing processes of the type mentioned work with the plasma spraying process (DE 41 18 224) what because of the high temperature and the lack of ambient air displacing combustion gases especially at the use of aluminum as a matrix metal Share of metal oxide phases has the result are hard, but nothing to the strength of the composite body can contribute.

Da die Fasern nicht aufgespreizt und ohne Unterlage an der Plasmaspritzdüse vorbeigeführt werden, sind sie im Ergebnis nicht gleichmäßig in der Metallmatrix verteilt und auch nicht allseitig von Metall umgeben. Letzteres ließe sich durch beidseitiges Beschichten nur soweit beheben, wie es die ungleichmäßige Verteilung im Faserbereich der Metallmatrix, d. h. das Ausmaß der seitlichen Berührung von Fasern, zuläßt. Es ist leicht einzusehen, daß optimale Eigenschaften jeglicher Verbundstoffe in der Regel nur bei gleichmäßiger Verteilung und Durchdringung beider Phasen untereinander erreichbar sind. Schließlich leiden die Festigkeitseigenschaften der Verstärkungsfasern, wenn diese infolge der hohen Temperaturen mit der Umgebungsluft oder dem Matrixmetall chemisch reagieren.Because the fibers are not spread and without a pad the plasma spray nozzle, they are in the Result not evenly distributed in the metal matrix and not surrounded by metal on all sides. The latter could only be so far by coating on both sides fix how it does the uneven distribution in Fiber area of the metal matrix, d. H. the extent of lateral contact of fibers. It is easy realize that optimal properties of any composite usually only with an even distribution and penetration of both phases can be achieved are. Finally, the strength properties suffer of the reinforcing fibers, if these as a result of  high temperatures with the ambient air or the Reacting matrix metal chemically.

Bei diesem und einer Reihe anderer bekannter Verfahren (DE 37 26 899, DE 39 35 254) werden die Langfasern zwar untereinander parallel, jedoch nicht in ihrem Abstand untereinander geordnet und ausgerichtet. Es entstehen drahtförmige Vorformen, die beim Verbinden zu größeren Körpern zu Dikontinuitäten im Volumenverhältnis von Langfasern und Matrixmetall führt, was festigkeitsmäßig nicht optimal sein kann. Je dicker solche drahtförmigen Vorformen sind, umso weniger flexibel sind sie bei ihrer Weiterverarbeitung zu Verbundkörpern, was insbesondere bei der Herstellung komplizierterer, von der zylindrischen mehr oder weniger abweichender Formen nachteilig ist (DE 39 35 254).In this and a number of other known processes (DE 37 26 899, DE 39 35 254) are the long fibers parallel to each other, but not at a distance ordered and aligned with each other. Arise wire-shaped preforms that when connected to larger ones Bodies to discontinuities in a volume ratio of Long fibers and matrix metal results in what strength cannot be optimal. The thicker such wire-shaped Preforms are, the less flexible they are with theirs Further processing into composite bodies, which in particular in the manufacture of more complicated, from the cylindrical more or less different forms disadvantageous is (DE 39 35 254).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Metallverbundkörpern der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das im Faserbereich eine gleichmäßige Verteilung der Fasern in der sowie eine gleichmäßige Bedeckung derselben mit der Metallmatrix sichert sowie eine Schädigung derselben durch Reaktionen mit umgebenden Medien ausschließt. Durch angepaßte Konstruktionen und Verwendungen sollen die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper voll ausgenutzt werden.The invention has for its object a method for the production of metal composite bodies of the beginning to create the type described in the fiber area uniform distribution of the fibers in the as well as a uniform coverage of the same with the metal matrix secures as well as damage to them through reactions with surrounding media. Through adapted constructions and uses are said to be the beneficial ones Properties of the composite body produced according to the invention be fully exploited.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst.This object is achieved by the in the claims described invention solved.

Durch Anwendung der technischen Lehre des Hauptanspruchs werden langfaserverstärkte Metallverbundkörper mit max. 35 Vol.-% vollständig eingebundener und gleichmäßig verteilter Fasern im kontinuierlichen oder dikontinuierlichen Verfahren hergestellt. Die Minimierung der Faserschädigungen durch Reaktionen an der Grenzfläche zum Metall und die Weiterverarbeitung recht dünner Bänder zu den fertigen Metallverbundkörpern vermindert die Faserbrüche in dieser Verarbeitungsphase stark. Die Handhabbarkeit dieser Bänder ist mit derjenigen von Folien und Geweben vergleichbar.By applying the technical teaching of the main claim become long fiber reinforced metal composite bodies with max. 35% by volume fully integrated and evenly distributed fibers in continuous or dicontinuous process. The minimization of fiber damage due to reactions on the Interface to the metal and further processing right  reduced thin strips to the finished metal composite bodies the fiber breaks in this processing phase strong. The handling of these tapes is the same comparable to foils and fabrics.

Die erfindungsgemäße Verwendung inerter oder reduzierender Brenn- und Zerstäubergase erlaubt eine Reduzierung des Oxidanteils im Matrixmetall, meist Aluminium, auf weniger als 3%.The use according to the invention is inert or reducing Burning and atomizing gases allow a reduction the oxide content in the matrix metal, usually aluminum, to less than 3%.

Die erfindungsgemäßen Größenordnungen von Spritzteilchengröße und -geschwindigkeit garantieren eine vollständige Einbindung der Fasern in die Metallmatrix u. a. auch durch Auflösung geringfügiger örtlicher Faserzusammenballungen.The orders of magnitude of molded particle size according to the invention and speed guarantee a complete Integration of the fibers in the metal matrix u. a. also by dissolving minor local aggregations of fibers.

Die Verwendung von mit amorphem Kohlenstoff oder einer dünnen Keramikschicht überzogenen Kohlenstoffasern kann deren Bindung zur Metallmatrix durch physikalische und chemische Prozesse verbessern, ohne ihre Festigkeit zu beeinträchtigen.The use of with amorphous carbon or one thin ceramic layer coated carbon fibers can their binding to the metal matrix through physical and improve chemical processes without losing their strength affect.

Der erfindungsgemäße Metallverbundkörper weist bisher unerreichte Festigkeit an den kritischen Stellen auf, wodurch unter Anwendung exakt angepaßter Sicherheitsfaktoren beträchtliche Material-, Volumen- und Gewichtseinsparungen, vor allem bei den erfindungsgemäßen Verwendungen im Verbrennungsmotorenbau, möglich werden.The metal composite body according to the invention has hitherto unmatched Strength at the critical points, causing using precisely adapted safety factors considerable savings in material, volume and weight, especially in the uses according to the invention in internal combustion engine construction.

Durch elektroerosive Nachbearbeitung wird die erreichbare und nutzbare Formenvielfalt der Metallverbundkörper bei hoher Fertigungsgenauigkeit vergrößert.Electroerosive post-processing makes the attainable and usable variety of shapes of the metal composite body enlarged with high manufacturing accuracy.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments explained in more detail.

Hochfeste Kohlenstoffasern mit einem Faserdurchmesser von 7 µm und einer Zugfestigkeit bezogen auf die Einzelfaser von 4000 . . . 4500 MPa werden vom Hersteller in Strängen mit je etwa 6000 Fasern bezogen.High-strength carbon fibers with a fiber diameter of 7 µm and a tensile strength based on the  Single fiber of 4000. . . 4500 MPa are from the manufacturer in strands, each with about 6000 fibers.

Diese Stränge haben einen Durchmesser von 2 . . . 3 mm und werden in mehreren Stufen zu einem 30 . . . 40 mm breitem Gelege von 3 . . . 4 Faserlagen ausgebreitet, zwischen zwei deckungsgleichen Metallrahmen eingeklemmt und jenseits der Metallrahmen abgeschnitten, so daß sie nunmehr diskontinuierlich durch Drahtflammspritzen beschichtet werden können.These strands have a diameter of 2. . . 3 mm and become a 30th in several stages . . 40 mm wide clutch of 3. . . 4 fiber layers spread out, clamped between two congruent metal frames and cut off the metal frame so that it now discontinuously coated by wire flame spraying can be.

Dies geschieht durch einseitiges Spritzen einer AlSi12-Legierung mit Stickstoff als Zerstäubergas und einer Brenngasmischung aus C₂H₂ (Partialdruck 0,091 MPa) und O₂ (Partialdruck: 0,28 MPa) unter einem Spritzwinkel von 45° und einem Spritzabstand von 250 mm. (Bei einer sich unter den o. g. Bedingungen ergebenden Flammentemperatur mit einem Maximum um 3200°C käme es bei Spritzabständen unter 150 mm zu unzulässigen thermischen Beschädigungen der Fasern!).This is done by spraying an AlSi12 alloy on one side with nitrogen as atomizing gas and one Fuel gas mixture from C₂H₂ (partial pressure 0.091 MPa) and O₂ (partial pressure: 0.28 MPa) at a spray angle of 45 ° and a spraying distance of 250 mm. (At a among the above Conditions resulting flame temperature with a maximum around 3200 ° C it would come Spray distances below 150 mm to impermissible thermal Damage to the fibers!).

Die wichtigste Auswirkung der Erfindung besteht in der unerwarteten Flexibilität der so hergestellten Bänder aus Faserlagen, die durch die aufgespritzte Metallmatrix zusammengehalten werden. Sie sind 40 . . . 50 µm dick und haben einen Volumenanteil an Fasern von 30%.The most important effect of the invention is that unexpected flexibility of the tapes thus produced Fiber layers through the sprayed metal matrix be held together. You are 40. . . 50 µm thick and have a volume fraction of fibers of 30%.

Bezüglich der nachfolgend beschriebenen Herstellung von Metallverbundkörpern (Halbzeuge oder Funktionsteile) aus den genannten Bändern ergibt sich eine gewisse Differenzierung der Ausführungsbeispiele.With regard to the production of Metal composite bodies (semi-finished or functional parts) A certain differentiation results from the bands mentioned of the embodiments.

Zur Herstellung langfaserverstärkter Bleche werden die Bänder auf eine Länge von 60 mm geschnitten, in der für das fertige Erzeugnis erforderlichen Anzahl (hier: 25) in ein Preßwerkzeug eingelegt und bei einer Preßtemperatur von 500 . . . 520°C, einem Preßdruck von 25 MPa und einer Preßdauer von 15 min. zu 1,5 mm dicken Blechen verbunden und verdichtet. Der Porenanteil nach dem Verdichten liegt nur noch um etwa 1%.For the production of long fiber reinforced sheets Bands cut to a length of 60 mm, in the for the finished product required number (here: 25) placed in a press tool and at a press temperature from 500. . . 520 ° C, a pressure of 25 MPa and a pressing time of 15 min. to 1.5 mm thick  Sheets connected and compacted. The proportion of pores after compression is only about 1%.

Nach den gleichen Verfahrensparametern können mittels entsprechender Werkzeuge auch Halbrundprofile mit Radien unter 20 mm hergestellt werden.According to the same process parameters, by means of appropriate tools also semicircular profiles with radii less than 20 mm.

Zur Herstellung von Rohren werden die Bänder vor dem Verbinden und Verdichten durch heißisostatisches Pressen (HIP) auf zylindrische Kerne gewickelt und zwar entsprechend der erwarteten Belastung beim Gebrauch in jeglicher Anordnung zwischen axialer und Umfangsrichtung mit gleicher, variabler oder wechselnder Hauptrichtung der Fasern.To manufacture pipes, the strips are placed in front of the Joining and compacting by hot isostatic pressing (HIP) wound on cylindrical cores according to the expected load when using in any arrangement between the axial and circumferential direction with the same, variable or changing Main direction of the fibers.

Es werden so mit Faseranteilen von 25 . . . 30 Vol.-% Zugfestigkeiten von 800 bis 1000 MPa und Elastizitätsmoduln von 125 . . . 140 GPa erreicht.In this way, the fiber content is 25. . . 30 vol .-% tensile strengths from 800 to 1000 MPa and moduli of elasticity from 125. . . 140 GPa reached.

Die Dichte, die thermische Ausdehnung sowie alle anderen thermischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften des so erzeugten Metallverbundkörpers können in Faserrichtung nach der linearen Mischungsregel und quer zur Faserrichtung nach der inversen Mischungsregel bestimmt werden, so daß eine gezielte Beeinflussung und Steuerung der Werkstoffeigenschaften des fertigen Metallverbundkörpers möglich ist.The density, the thermal expansion and all others thermal, electrical and mechanical Properties of the metal composite body produced in this way can in the fiber direction according to the linear mixing rule and across the grain according to the inverse mixing rule be determined so that a targeted influence and control of material properties of the finished metal composite body is possible.

Für die Weiterverarbeitung von Blechen und anderen Halbzeugen aus den erfindungsgemäß hergestellten Metallverbundkörpern sind Drehen, Fräsen und Stanzen wegen möglicher Faserschädigung nicht unbedingt geeignet. Vielmehr hat sich die elektroerosive Nachbearbeitung als sehr sauberes und genaues Bearbeitungsverfahren erwiesen, mit dem bei minimalen Werkstoffverlusten feinste Konturen mit höchster Oberflächenqualität erreichbar sind. For the further processing of sheets and others Semi-finished products from the metal composite bodies produced according to the invention are turning, milling and punching possible fiber damage is not necessarily suitable. Rather, there has been electroerosive post-processing proven to be a very clean and accurate machining process, with the finest with minimal material loss Contours with the highest surface quality can be achieved are.  

Die erfindungsgemäß hergestellten Metallverbundkörper bieten ein gutes Ausgangsmaterial zur Weiterverarbeitung zu Schichtverbundkörpern wiederum durch thermisches Spritzen, wobei auf die stark von der Faserrichtung abhängigen, beim Erwärmen und Wiederabkühlen unterschiedlichen, Wärmedehnungswerte zu achten ist.The metal composite body produced according to the invention offer a good starting material for further processing to composite structures in turn by thermal Spray, taking on the strongly of the grain dependent, on heating and cooling down different thermal expansion values must be observed.

Nach dem Aufbringen einer Haftvermittlerschicht aus einer NiCrAl-Legierung können Verschleißschutzschichten aus Al₂O₃ bzw. Cr2O₃ und Wärmedämmschichten aus Y-stabilisiertem ZrO2 aufgebracht werden, wobei durch eine abgestufte Schichtzusammensetzung eine besonders gute Thermoschockbeständigkeit erzielbar ist.After applying an adhesive layer from a NiCrAl alloy can wear protection layers made of Al₂O₃ or Cr2O₃ and thermal insulation layers made of Y-stabilized ZrO2 are applied, with a graded layer composition a particularly good Thermal shock resistance can be achieved.

Die Metallverbundkörper können auch in den kritischen Spannungsregionen des späteren Gußstücks verlaufend im Warmkammerdruckgießverfahren mit einer Aluminium-Silizium-Druckgießlegieruung ähnlich der o. e. Legierung des Flammspritzdrahtes umgossen werden, um hochbeanspruchbare Verbrennungsmotoren- und Fahrzeugteile nach den Verwendungsansprüchen zu erhalten. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Metallverbundkörper zuvor ebenfalls mittels thermischen Spritzens mit seiner Haftvermittlerschicht zu versehen. The metal composite body can also be used in the critical Tension regions of the later casting running in Hot chamber die casting process with an aluminum-silicon die casting alloy similar to the above Alloy of Flame spray wire can be encapsulated to make heavy-duty Internal combustion engine and vehicle parts according to To get usage claims. It can be beneficial be the metal composite previously by means of thermal spraying with its adhesive layer to provide.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung langfaservertärkter Metallverbundkörper, vorzugsweise aus Kohlenstoffasern und Aluminium sowie dessen Legierungen, mit Beschichtung von Faserbündeln durch thermisches Spritzen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Faserbündel zu einem nur einige Faserlagen dicken bandförmigen Gelege mit einem Abstand zwischen den Fasern einer Lage in Breitenrichtung ausgebreitet,
  • - das Gelege durch einseitiges Drahtflammspritzen beschichtet und zu einem Band verbunden,
  • - das Band auf ebene oder profilierte Grundkörper gestapelt oder gewickelt und
  • - durch Pressen, vorzugsweise isostatisches Heißpressen, zum Metallverbundkörper verbunden und verdichtet wird.
1. A process for producing long fiber reinforced metal composite bodies, preferably made of carbon fibers and aluminum and their alloys, with coating of fiber bundles by thermal spraying, characterized in that
  • the fiber bundles are spread out to form a band-shaped scrim only a few fiber layers thick with a distance between the fibers of one layer in the width direction,
  • - The fabric is coated by one-sided wire flame spraying and connected to form a band,
  • - The tape is stacked or wound on flat or profiled base bodies and
  • - Is connected and compressed by pressing, preferably hot isostatic pressing, to form the metal composite body.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelege in Richtung des Drahtflammspritzens 3 bis 5 Faserlagen dick ist und die einzelnen Fasern in einer Lage untereinander einen Abstand von 40 bis 60% ihres Durchmessers haben.2. The method according to claim 1, characterized in that that the fabric in the direction of wire flame spraying 3 is up to 5 fiber layers thick and the individual fibers in a layer between each other a distance of 40 to 60% of their diameter. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil der Fasern im Band auf 30 bis 35% eingestellt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the volume fraction of the fibers in the band 30 to 35% is set. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drahtflammspritzen sauerstofffreie Schutzgase als Zerstäubergase verwendet werden. 4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that oxygen-free when wire flame spraying Shielding gases can be used as atomizing gases.   5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenngas ein Gemisch aus Propylen, Ethylen und Acetylen verwendet wird.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that as a fuel gas, a mixture of propylene, Ethylene and acetylene is used. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Drahtflammspritzen Spritzpartikel von etwa 50 µm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von etwa 240 m/s auf das Gelege auftreffen.6. The method according to claim 5, characterized in that in wire flame spraying spray particles of about 50 microns Diameter at a speed of about 240 m / s to hit the clutch. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlenstoffasern, die mit pyrolytisch abgeschiedenem amorphen Kohlenstoff beschichtet sind.7. The method according to claim 1 to 6, characterized through the use of carbon fibers with pyrolytic deposited amorphous carbon coated are. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kohlenstoffasern, die mit Keramik beschichtet sind.8. The method according to claim 1 to 6, characterized through the use of carbon fibers with ceramics are coated. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch die elektroerosive Nachbearbeitung der Metallverbundkörper.9. The method according to claim 1 to 8, characterized by the electroerosive finishing of the metal composite body. 10. Metallverbundkörper, hergestellt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in solcher Weise mit weiterem Metall umgossen ist, daß seine Fasern in kritischen Spannungsregionen des fertigen Gußteils verlaufen.10. Metal composite body, manufactured according to one of the preceding claims, characterized in that it is encapsulated with other metal in such a way that its fibers in critical tension regions of the finished casting run. 11. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, in Kurbelwellenlagern von Verbrennungsmotoren.11. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, in crankshaft bearings of internal combustion engines. 12. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, in Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren.12. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, in cylinder walls of internal combustion engines. 13. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, im Passungsbereich der Zylinderköpfe von Verbrennungsmotoren. 13. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, in the fit area of the cylinder heads of internal combustion engines.   14. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, in verstärkten Ventilführungen und -schäften von Verbrennungsmotoren.14. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, in reinforced valve guides and stems of internal combustion engines. 15. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, als Karosserieverstärkung von Fahrzeugen.15. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, as body reinforcement for vehicles. 16. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, als Stabilisator- und/oder Querlenkerverstärkung von Fahrzeugen.16. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, as stabilizer and / or wishbone reinforcement of vehicles. 17. Verwendung eines Metallverbundkörpers nach Anspruch 1 bis 10, in Sitzschienen von Flugzeugen.17. Use of a metal composite body according to claim 1 to 10, in aircraft seat rails.
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