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WO2005052199A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils mit metallischer matrix und verstärkung durch fasern oder partikel - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils mit metallischer matrix und verstärkung durch fasern oder partikel Download PDF

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WO2005052199A1
WO2005052199A1 PCT/EP2003/012352 EP0312352W WO2005052199A1 WO 2005052199 A1 WO2005052199 A1 WO 2005052199A1 EP 0312352 W EP0312352 W EP 0312352W WO 2005052199 A1 WO2005052199 A1 WO 2005052199A1
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WO
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matrix material
fibers
fiber composite
semi
finished product
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PCT/EP2003/012352
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Gadow
Marcus Speicher
Konstantin Von Niessen
Peter Unseld
Günther MESSMER
Klaus Siegert
Original Assignee
Universität Stuttgart Center Of Competence For Casting & Thixoforging
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Publication date
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Priority to EP03773705A priority patent/EP1685263B1/de
Priority to AT03773705T priority patent/ATE402271T1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C47/00—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08—Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • C22C47/12—Infiltration or casting under mechanical pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component from a composite material (MMC) with a metallic matrix material which is reinforced by embedded fibers or particles.
  • MMC composite material
  • the invention further relates to such a composite material and the use of such a composite material.
  • the need to save primary energy sources and reduce emissions makes the light metal material of increasing importance in automobile construction and in aerospace technology.
  • MMC materials Metal Matrix Composites
  • high-strength reinforcing fibers can increase the high-temperature strength and stiffness of these materials, which are insufficient for many applications.
  • the manufacturing costs are to be reduced through short manufacturing cycles and the manufacture of components close to final dimensions ("net shape for ing").
  • melt metallurgical and liquid phase impregnations as well as die casting techniques are generally used.
  • the long reaction and contact times of molten metallic phases with the reinforcing fibers and the molding tools or surfaces result in undesirable damage.
  • dissolution and precipitation processes as well as chemical interface reactions occur.
  • liquid, chemically highly active light metal melts (usually aluminum) are used, so that additional protection of the fibers used is essential with a suitable protective layer.
  • MMC embedded fibers or particles
  • the process is intended to enable the most cost-effective and energy-saving production of components that are shaped close to production (net-shape molding).
  • the Thixou molding process is basically known in the prior art for forming special alloys, in particular aluminum-based or copper-based, with which a two-phase or multi-phase region is used within a specially selected temperature range above the solidus line and below the liquidus line, in which a liquid phase share is present.
  • a pronounced solidification interval of the alloy to be formed is required, ie a temperature range in which both solid and liquid phase components are present side by side (cf. FIG. 1).
  • Suitable alloy with thixoidal forming has a globolithic structure that forms a solid phase skeleton and thus ensures good handling of the heated semi-finished product when it is inserted into a press mold.
  • This solid phase skeleton breaks open under shear loads and thus reduces the yield stress, so that only short flow distances result in the tool and a near-net-shape deformation can be achieved.
  • a first advantage is that the temperature is significantly lower than the use of melt processes or melt infiltration processes and the significantly shortened molding exercise time. In this way, it is possible to dispense with the coating of the embedded fibers or particles, since the embedded fibers are hardly damaged by the only short melting process at a relatively low temperature.
  • the entire melting shop (melting furnace, alloy furnace, degassing, alloy control, casting furnace) can be dispensed with. Furthermore, due to the modified tool concept, there is significantly less recycle material that has to be melted down again before being reintroduced into the production process.
  • the term “semifinished product” is understood to mean the preform, which is subsequently formed into a component by thixoui-molding within the tool.
  • This semifinished product can be a prepreg which consists of a single or preferably a plurality of laminate layers, or a preform which is produced from a granulate on the basis of a pressing process.
  • semi-finished products are therefore always understood to be the generic term, which includes a prepreg and other preforms prepared in some other way, which are manufactured within the tool by thixoforming to form the component.
  • a prepreg is produced by laminating layers of fiber composites and matrix material in the form of sheets.
  • layers of fiber composites are preferably joined alternately with the suitable sheets by lamination in order to provide the desired shape of the semi-finished product.
  • the provision of the matrix material is sufficient: ials in the form of sheets, sufficiently short flow paths and yet to ensure uniform wetting of the enclosed fibers or particles.
  • the sheets are provided in the form of cold-rolled sheets. This results in a fine-grained recrystallization with a globular structure due to the dislocation density induced by the cold rolling process, which has a favorable effect on the resulting properties of the component.
  • a fiber composite is coated with a metallic matrix material.
  • the fiber composite can be coated with the metallic matrix material by a screen printing process.
  • Another method variant for coating a fiber composite with the metallic matrix material consists in an application by means of electrostatic charging.
  • Another method variant for coating a fiber composite with metallic matrix material generally consists of an electrophoretic deposition (EPD) from an aqueous suspension with the support of an electric field.
  • EPD electrophoretic deposition
  • the fiber structure to be coated is switched to be electrically conductive as an electrode, and the charge-bearing metal powder particles are driven by the electric field onto the fiber or fabric surface as a uniform layer.
  • Such a procedure is particularly suitable for fiber composites that are inherently electrically conductive, such as C fibers.
  • other fibers that are not readily electrically conductive can also be processed if suitable intermediate layers are used.
  • metal particles are preferably used which have a grain size with a diameter between 10 n and 100 ⁇ m, preferably with sizes between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • surface active liquid or dissolved auxiliaries enables targeted charge distributions of the solid particles in the suspension to be set, which allow concentration and field strength-dependent mass transport for layer separation. In this way, the properties of the component subsequently produced from this can be varied within wide limits and adapted to the respective requirements.
  • a fiber composite is coated with the metallic matrix material by thermal spraying.
  • thermal spraying Basically, atmospheric plasma spraying (APS), arc wire spraying, wire flame spraying or high-speed flame spraying are possible.
  • the thermal spraying is preferably carried out by electric arc wire spraying or powder plasma spraying, in particular by atmospheric plasma spraying.
  • Fiber composites with . are provided with thermally sprayed metal layers, offer the advantage of a finer-grained structure compared to the use of alternating layers of sheet metal and fiber composites. While the grain sizes of thixotropically formable Al-Si sheets are in the range of 2 to 20 ⁇ m, the dimensions of the individual phases in the thermally sprayed AlSi layer structure are in the submicrometer range due to the high cooling rate when applying layers. This enables improved impregnability of the metallic phase into the fiber structure during thixotropic forming.
  • the volume ratio of matrix material to fibers in thermal spraying is preferably set between 0.3 and 8.0, in particular between 0.8 and 3.0.
  • the fiber composite is preferably cooled during thermal spraying, in particular using liquid carbon dioxide.
  • the fiber composite is held under tension during thermal spraying on a carrier device.
  • composite materials can be produced in this way in which embedded long fibers are stressed under tensile stress without the matrix itself being previously undesirably stressed.
  • the carrier device can promote the fiber composite in Allow continuously or in cyclical operation in a coating level for thermal spray coating.
  • the fiber composite can be guided over a winding device.
  • a spraying distance of 50 to 200 mm is maintained between the surface of the fiber composite and the nozzle outlet during coating by plasma spraying, while a spraying distance of 80 to 300 mm is maintained when coating by electric arc spraying.
  • a mixture of the matrix material and short fibers is granulated or pelletized.
  • fibers with a length of between 0.5 and 20 mm, preferably between 2 and 6 mm, are preferably used.
  • the volume ratio of matrix material to fibers is preferably between 0.3 and 5, preferably between 1 and 2.
  • a mixture of the matrix material and of powdery particles is granulated or pelletized.
  • the production of granules or pellets using short fibers or powdery particles can advantageously be used to produce special graded layers or, for example, to produce bearing materials.
  • the granulated or pelletized mixtures can be processed into a semi-finished product by cold pressing. If the matrix material used is sufficiently ductile, this cold pressing process can be carried out without the addition of binders. However, if there is a lack of ductility, suitable pressing aids, e.g. Paraffin added.
  • the mixture produced by granulating or pelletizing is applied to a fiber composite by means of a suitable coating process.
  • Thermal spraying, a screen printing process or another previously mentioned process can in turn be used for this purpose.
  • At least one layer with a fiber composite made of long fibers is preferably used for the manufacture.
  • long fibers are understood to mean a fiber length of at least 1 mm or an aspect ratio (ratio of length to diameter) of the fiber of at least 50, preferably of at least 100, particularly preferably of at least 150.
  • the layer sequence can be varied in a suitable manner when laminating prepregs. in order to influence the properties of the component to be produced in a targeted manner.
  • fiber composites made of long fibers coated with matrix material can be laminated together in a suitable manner.
  • layers of matrix material in the form of sheets or foils can be inserted.
  • Intermediate layers of granules or pellets can also be inserted.
  • a prepreg produced by lamination is provided with an outer layer made of matrix material.
  • the surface of the component produced is largely free of embedded fibers or particles.
  • fiber composites can be used in a wide variety of forms to ensure certain properties of the component produced.
  • fiber composites can be used as scrims made of unidirectional long fibers (UD). se ("un oven") or woven fiber composites in the form of 2D fiber composites, 3D fiber composites, in the form of knitted fabrics or knitted fabrics.
  • UD unidirectional long fibers
  • woven fiber composites in the form of 2D fiber composites, 3D fiber composites, in the form of knitted fabrics or knitted fabrics.
  • the semi-finished product can also be produced from graded layers in order to achieve a targeted influencing of properties at particularly stressed points on the component or in preferred directions of stress. In this way, the ratio of matrix material to fibers can be specifically changed over the component cross-section.
  • Aluminum alloys or copper alloys are preferably used for this purpose, in particular alloys which consist of the main components aluminum, magnesium and copper or which consist of the main components copper and tin or zinc.
  • alloys are preferred as the matrix material which consist of alloys of the type AlMg4.5Mn0.4 (AA 5182), of the type AlMgSil (EN AW-6082), of the type AlSi7Mg (EN AW-356, EN-AW-357), type AlSi3 (AA 208, AA 296), type A1SÜ2 (AA 336, AA 384), type CuZn40A12 or type CuSnl3, 5A10, 3.
  • the wear-reducing effect of reinforcing asters is in the foreground.
  • These materials can be used in particular to produce advantageous bearing materials, for which purpose a combination with carbon fibers or articles in a modification close to graphite is suitable, since emergency running properties can be achieved in this way.
  • the metallic matrix material itself is reinforced by embedded particles, which are preferably designed as oxide ceramics, as carbides, as nitrides, as metals or alloys or as tribologically active substances.
  • fibers consisting of carbon, silicon carbide, aluminum oxide, mullite are used for fiber reinforcement of the MMC. Modifications of these fibers with nitrogen, titanium, boron, carbon or silicon and their compounds are also conceivable.
  • fibers coated on their surface can also be used, in particular fibers provided with diffusion barrier or protective layers or fibers provided with adhesion promoter layers.
  • the properties of the component to be manufactured can be adapted to the respective requirements to an even greater extent.
  • Adhesion promoters improve the interfacial adhesion between embedded fibers and the metallic matrix phase.
  • fibers can be embedded that are less compatible with the matrix phase used.
  • Silicon carbide, silicon nitride, titanium carbide, titanium nitride, carbon or mixed phases or compounds thereof are particularly suitable for coating the fibers.
  • fibers with a diameter between 0.5 and 150 ⁇ m, particularly preferably between 5 and 20 ⁇ m, are preferably used.
  • the fibers can be used both as long fibers or continuous fibers and in the form of short fibers (“chopped fibers”).
  • the semifinished product is heated to a specific temperature interval within which the matrix material has a defined liquid phase fraction.
  • the semi-finished product is heated to a temperature between 574 and 584 ° C for thixoforming, with a liquid phase fraction between 43 and 51 percent by volume.
  • the alloy AlMgSil is used, the thixoforming is heated to a temperature between 635 ° C and 645 ° C, with a liquid phase fraction between approximately 15 and 35%. provides.
  • heating takes place to a temperature range between 871 ° C and 875 ° C, resulting in a liquid phase fraction between approximately 20 and 40%.
  • the Thixoumformung preferably done as thixoforging within a suitable tool (die) at a controlled ram speed and Pres' skraft.
  • the impact speed and pressing force are adapted to the specific process. Ram speeds of up to 800 mm / s are possible.
  • the speed of impact of the upper part of the tool on the workpiece is preferably set between 10 mm / s and 300 mm / s depending on the fiber-matrix ratio used, the component complexity and the component volume.
  • the tool is preferably heated to temperatures between 100 ° C and 400 ° C.
  • the semi-finished product is pre-compressed in a mold for thixoforming.
  • the mold used later for thixoforming is preferably used as the shape.
  • the pre-compressed semifinished product can now be preheated outside the tool, which can be done inductively, in a forced-air oven with a protective gas atmosphere, with infrared emitters or with lasers, is then inserted into the tool in the preheated state and then thixotropically formed, especially thixo-forged.
  • the preferred matrix materials allow the semifinished product to be heated up to the temperature necessary for thixotropic forming, while the semifinished product is still sufficiently strong, which allows the semifinished product to be handled for insertion into the mold, which can be done automatically, for example.
  • the semi-finished product loses its shear strength only when the thixo forging is subsequently applied via the stamp, so that the material is formed in the shortest possible time.
  • the semi-finished products are heated within the tool to a temperature above the solidus line, but below the liquidus line of the matrix material.
  • the layered material can be brought into contact with the tool wall by applying a low pressure. This improves the heat transfer and thus reduces the heating-up time.
  • the thixotropic forming is preferably carried out by forging.
  • the thixotropically formed component is preferably cooled in a controlled manner within the tool in order to achieve a directional solidification of the metallic matrix.
  • Composite materials produced in this way can preferably be used according to the invention as high-strength structural components with high-specific rigidity or with a high specific modulus of elasticity, which are shaped close to production (net-shaped).
  • high-strength structural components with high-specific rigidity or with a high specific modulus of elasticity, which are shaped close to production (net-shaped).
  • a prepreg which consists of a layer composite of alternating layers of fiber layers and sheets (foils);
  • 3 shows a prepreg consisting of a sequence of fiber composites coated with metallic matrix material; 4 shows a globolithic structure of an Al-Si alloy;
  • FIG. 5 shows a cross section through an Al-Si composite material infiltrated with a metal matrix with embedded C fibers after a Thixo separation process
  • Fig. 6 is a. Schematic representation of a winding system for thermal ' spray coating of fiber fabrics on an industrial scale.
  • FIG. 1 shows a phase diagram of the preferred eutectic system Al-Si (with magnesium additives).
  • the fixed part in the dark hatched area is ⁇ (AI).
  • the wrought alloy AlMgSil and the cast alloy AlSi7Mg are entered as alloys suitable for thixotropic forming.
  • a thixotropic forming a narrow temperature range is required, which for the wrought alloy AlMgSil lies between the solid line and the liquid line and is characterized in Fig. 1 by the rectangular temperature range, which lies between 635 and 645 ° C. In this area there is a liquid share (L) of 15 to 35%.
  • the thixoforming of such light metal materials was developed in particular for the production of molded components which have a shape close to the production line.
  • the semi-finished product in question is still of sufficient strength, which enables the semi-finished product to be handled (also called “bolts” in thixo forging).
  • the alloys in question ideally have a globolithic structure which Forms solid phase skeleton and thus ensures the easy handling of the heated semi-finished product when inserting it into the tool (the press mold) (see Fig. 4).
  • This solid phase skeleton breaks open under shear stress and thus reduces the yield stress, so that long flow distances in the tool and a near-net-shape forming can be guaranteed.
  • MMCs are now produced with a metallic matrix material which is reinforced by embedded fibers or particles by preparing a semi-finished product in which the fibers or particles are contained under a metallic matrix tool and the semi-finished product by thixoforming in a tool at a temperature above the solidus temperature and below the liquidus temperature of the metallic matrix tool is formed.
  • a loose combination of fibers on the one hand and metallic matrix material on the other is sufficient to to produce a high-quality, practically non-porous composite material in the thixoforming process with only a short forming time.
  • a fiber composite 12 consists, for example, of carbon fibers which are arranged in the form of a fabric.
  • fiber composite layers 12 are alternately laminated with thin sheets 14 made of the matrix material, for example AlSi7Mg.
  • the thicknesses d x of the fiber composites 12 and d 2 of the sheets 14 are adjusted.
  • the semifinished product 10 is expediently enclosed by an outer layer 18 made of matrix material, in order to ensure that during the subsequent thixoforming, if possible, no fibers reach the surface of the component.
  • an outer layer 18 made of matrix material, in order to ensure that during the subsequent thixoforming, if possible, no fibers reach the surface of the component.
  • Such a semifinished product or prepreg is placed in a suitable die mold and shaped therein by thixo forging in the suitable temperature range using a ram.
  • precompacting can first take place inside the tool while it is still cold, and then the semifinished product 10 can be preheated outside the die shape to the temperature necessary for thixoforming.
  • This can be done by quickly heating the pre-compressed semi-finished product inductively or alternatively in a forced-air oven with a protective gas atmosphere or with high-performance infrared radiators or using a laser.
  • a quick transfer takes place into the suitably preheated die mold (100 to 400 ° C).
  • This process can be done manually, semi or fully automatically.
  • the Thixo forging process is then carried out.
  • the plunger hits the surface of the semi-finished product with a plunger speed of up to 800 mm / s, which is adapted to the process.
  • the speed of impact of the ram on the semi-finished product is preferably set between 10 mm / s and 300 mm / s depending on the fiber-matrix ratio, the component complexity and the component volume.
  • the plunger is also appropriately preheated.
  • the semi-finished product can also be heated within the die.
  • the layered semi-finished product can be brought into contact with the tool wall by a low pressure, which improves the heat transfer and reduces the heating-up time.
  • the thixotropic forming is carried out by thixo forging.
  • cold-rolled sheets are preferably used, since the high dislocation density during subsequent reheating in the course of thixoforming results in fine-grained recrystallization with a globular structure.
  • a second process variant for the production of a semi-finished product consists in the coating of individual fiber composites, which are then laminated to form a prepreg by superimposing them and are expediently in turn surrounded by an outer sheet metal layer or film layer made of matrix material. This method variant is explained in more detail below with reference to FIGS. 3 and 6.
  • a third alternative to the production of the semi-finished product consists in the production of a mixture of short fibers or powdery reinforcement particles with metallic matrix powders. This is followed by shaping by dry pressing or further processing, in turn by application to a fiber composite using a coating process.
  • An electrically conductive or electrically conductive fiber structure is switched as an electrode by means of EPD, and the charge-carrying metal powder particles are deposited on the fiber or fabric surface as a uniform layer, driven by an electric field.
  • the metal particles have a grain size with diameters between 10 nm and 100 ⁇ m, preferably with sizes between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • the use of surface-active liquid or dissolved auxiliaries enables a targeted charge distribution of the solid particles in the suspension to be set, which permits concentration and field strength-dependent material transport for layer deposition.
  • a particularly preferred coating method is coating by thermal spraying.
  • special electric arc wire spraying and powder plasma spraying preferably atmospheric plasma spraying (APS) in the foreground.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • cooling can be carried out locally using coolant injectors and other suitable devices, preferably using compressed air and possibly liquid carbon dioxide (C0 2 ).
  • the fiber composite material can be unwound continuously or intermittently from a roll 34, which contains fiber composite layers to be coated, in a coating plane (left curved surface in FIG. 6) and then again after the coating on a roll 32 wind up.
  • a coating can first be carried out on a first upper side and then a coating on the opposite surface.
  • a particular advantage lies in the targeted prestressing of the fabrics in the coating plane, which can also be designed to be adjustable in order to ensure an equal, permanent prestressing. Thereby, thermally and convectively generated tensions in the fiber structure are mechanically compensated.
  • a 5-axis robot-based movement system can be used for coating, which moves an arc or plasma torch in such a way that NC-controlled movement sequences with the aim of uniform coating can be called up from previously saved programs and can be reproduced and realized in a process-stable manner ,
  • Spray distances of 50 to 200 mm between the nozzle outlet and the fiber surface are preferably used between 100 and 140 mm for APS and between 120 and 160 mm for electric arc spraying.
  • such layers 22 of fiber composites which are coated on both sides with matrix metal 24, are laminated together to form a prepreg and are preferably enclosed in turn by a sheet or foil 18 made of matrix metal in order to produce a semi-finished product 20.
  • the coating thickness d 3 can be controlled in a suitable manner in the previous coating process. For this purpose, single or multiple layers can be applied and the layer thickness can, of course, be influenced by the speed at which the vehicle is driven over or the length of stay and the other spray parameters. If larger layers of matrix metal are desired, individual metal sheets or foils can also be interposed.
  • mixtures of matrix metal powders and short fibers or reinforcing particle powders are produced.
  • This granu- Gelled or pelleted mixtures can then be compacted into a green body by cold pressing, which is then used as a semi-finished product. If the matrix metal has sufficient ductility, cold pressing can be carried out without pressing aids. If the ductility of the metal matrix material is lower, suitable binder additives (e.g. paraffin) that easily volatilize during later heating are added ...
  • a further process variant consists in applying the mixtures produced by granulating or pelleting to a fiber composite by means of a suitable coating process, which in turn can be carried out, for example, by thermal spraying.
  • graded layers can be used to produce special component properties that are adapted to specific local thermal or mechanical stresses, for which purpose the entire spectrum can be used in the processing of fiber composites.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff (MMC) mit einem metallischen Matrixwerkstoff, der durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist, angegeben, wozu ein Halbzeug (20) hergestellt wird, in dem Fasern (16) bzw. Partikel und der metallische Matrixwerkstoff (24) enthalten sind. Anschließend erfolgt die Formgebung durch Thixoumformen in einem Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur des metallischen Matrixwerkstoffes.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit metallischer Matrix und Verstärkung durch Fasern oder Partikel
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff (MMC) mit einem metallischen Matrixwerkstoff, der durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen derartigen Verbundwerkstoff und die Verwendung eines solchen Verbundwerkstoffes. Die Notwendigkeit, primäre Energieträger einzusparen und Emissionen zu reduzieren, lässt dem Leichtmetallwerkstoff im Automobilbau und in der Luft- und Raumfahrttechnologie eine immer größere Bedeutung zukommen. Der Einsatz von MMC- erkstoffen (Metal Matrix Composites) bzw. die Einlagerung hochfester Verstärkungsfasern kann die für viele Anwendungen mangelnde Hochtemperaturfestigkeit und Steifigkeit dieser Werkstoffe erhöhen. Zusätzlich sollen ■ durch kurze Fertigungszyklen und die- Herstellung endabmessungsnaher Bauteile ( „net shape for ing" ) die Fertigungskosten reduziert werden.
Im Stand der Technik führt die Einlagerung von faserförmigen Verstärkungskomponenten zu einer signifi-kanten Erhöhung der Herstellkosten. Zudem verhindert die mangelnde Beständigkeit der in Frage kommenden Fasertypen gegenüber den chemisch aggressiven Metallschmelzen bei den konventionellen Herstellprozessen aus der flüssigen Phase die optimale Ausnutzung der Faserfestigkeit. Die herkömmlichen Herstellungsrouten aus der flüssigen Phase für MMC-Werkstoffe sind meist Druckinfiltrationsprozesse, bei denen zur Überwindung des Kapillarwiderstandes die Schmelze durch einen Kolben in die poröse Faservorform eingedrückt wird („squeeze casting" ) . Dieser Druckgießprozess kann auch vakuumunterstützt durchgeführt werden („Vacural- Verfahren" ) . Zur Realisierung komplexer Geometrien und zur Minderung der mechanischen Belastung dieser faserhaltigen Vorform während des Infiltrationsvorganges kann diese in einem evakuierten Autoklaven in die Schmelze eingetaucht und dann mit Gasdruck beaufschlagt werden („Gasdruckverfahren"). Daneben ist natürlich grundsätzlich die pulvermetallurgische Formgebungsroute durch Sintern und anschließendes Pressen, ggf. durch Heißpressen oder Heißisostatischpressen (HIP) bekannt. Sinter- verfahren sind allerdings sehr zeit- und kostenaufwendig und ermöglichen keine Net-Shape-Abformung komplexer Bauteilgeometrien. Außerdem treten bei Sinterverfahren meist erhebliche Restporositäten auf, durch die die Eigenschaften nachteilig beeinflusst werden können.
Bei der Herstellung von faserverstärkten Leichtmetallen auf Aluminiumbasis wird in der Regel auf schmelzmetallurgische und Flüssigphasenimprägnierungen sowie Druckgießtechniken zurückgegriffen. Durch die langen Rektions- und Kontaktzeiten von schmelzflüssigen metallischen Phasen mit den Verstärkungsfasern sowie den Formwerkzeugen oder —flächen kommt es zu unerwünschten Schädigungen. So treten beispielsweise Löse- und Ausscheidungsprozesse sowie chemische Grenzflächenreaktionen auf. Dies führt zu Schwierigkeiten durch Anhaften beim Trennen von der Form, durch wärmeübergangsbedingte Gefügeausbildungen mit einer insgesamt sehr aufwendigen Prozessführung. Hierdurch ist eine aufwendige Anlagentechnik bedingt, die mit vergleichsweise langen Taktzeiten für die Formgebung arbeitet. In allen Fällen wird mit flüssigen, chemisch hochaktiven Leichtmetallschmelzen (meist Aluminium) gearbeitet, so dass ein zusätzlicher Schutz der verwendeten Fasern durch eine geeignete Schutzschicht unumgänglich ist. Gerade, wenn Aluminium mit Kohlenstofffasern verstärkt werden soll, ist die Bildung einer Aluminiumkarbidschicht (Al3C4) an der Faser-Matrix-Grenzfläche unerwünscht, da diese Karbidphase durch ihre ausgeprägte Sprödbruchanfälligkeit und ihre mangelnde Korrosionsbeständigkeit ein vorzeitiges Versagen des Verbundes herbeiführt. Auf eine Faserbeschichtung kann grundsätzlich verzichtet werden, wenn man die Leiσhtme- tallmatrix in der festen Phase mit der Verstärkungskomponente zusammenfügt („diffusion bonding"). Bei diesem Umfor prozess werden Laminate aus Fasergeweben und Metallblechen im Heißpressverfahren verarbeitet. Die Wirtschaf lichkeit dieses Verfahrens ist allerdings durch sehr hohe Taktzeiten in Frage gestellt. Eine Zusammenfassung der gängigen Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Aluminium-Verbundwerkstoffen findet sich in Talat Lecture 1402, Froyne, L., Verlinden, B., University of Leuven (Belgium), 1994, EAA European Aluminium Association.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Herstellung eines Verbundwerksto es mit metallischer Matrix, die durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist (MMC), zu ermöglichen, bei der die eingelagerten Fasern oder Partikel möglichst wenig durch eine Metallschmelze während des Herstellprozesses beschädigt werden. Das Verfahren soll eine möglichst kostengünstige und energiesparende Herstellung von Bauteilen ermöglichen, die fertigungsnah geformt sind (Net-Shape-Abformung) .
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff (MMC) mit einem metallischen Matrixwerkstoff gelöst, der durch, eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist, umfassend die folgenden Schritte:
Herstellen eines Halbzeuges, in dem die Fasern oder Partikel und der metallische Matrixwerkstoff enthalten sind und
Thixoumformen des Halbzeuges in einem Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur des metallischen Matrixwerkstoffes. Das Thixou formverfahren ist im Stand der Technik grundsätzlich zur Umformung von speziellen Legierungen insbesondere auf Aluminiumbasis oder auf Kupferbasis bekannt, mit denen innerhalb eines speziell ausgewählten Temperaturbereiches oberhalb der Soliduslinie und unterhalb der Liquiduslinie ein zwei- oder mehrphasiger Bereich ausgenutzt wird, in dem ein Flüssigphasen- anteil vorhanden ist. Bei dieser Warmumformung im teilerstarrten Zustand wird ein- ausgeprägtes Erstarrungsirtterväll der umzuformenden Legierung benötigt, d.h. ein Temperaturbereich, in dem sowohl feste als auch flüssige Phasenanteile nebeneinander vorliegen (vgl. Fig. 1). In diesem Temperaturbereich lässt sich durch Anwendung von Druck in einem Werkzeug eine endkon- turnahe Umformung erreichen (Thixotropie = scherratenentfesti- gendes Verhalten) . Idealerweise ist bei einer zur; Thixoumfor- mung geeigneten Legierung ein globolithisches Gefüge vorhanden, das ein Festphasenskelett ausbildet und so für eine gute Handhabbarkeit des erwärmten Halbzeuges beim Einlegen in eine Pressform sorgt. Dieses Festphasenskelett bricht bei Scherbelastung auf und sorgt somit für eine Reduzierung der Fließspannung, so dass sich nur kurze Fließstrecken im Werkzeug ergeben und eine endkonturnahere Umformung erreicht werden kann.
Durch die Ausnutzung der grundsätzlich für Leich-tmetalllegie- rungen bekannten Thixou formung zur Herstellung von Verbundwerkstoffen, die durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt sind, lassen sich deutlich verbesserte Eigenschaften erzielen.
Ein erster Vorteil besteht in der gegenüber der Verwendung von Schmelzverf hren oder Schmelzinfiltrationsverfahren deutlich erniedrigten Temperatur und der deutlich verkürzten Formge- bungszeit. Auf diese Weise ist es möglich, auf die Beschichtung der eingelagerten Fasern oder Partikel zu verzichten, da die eingelagerten Fasern durch den nur kurzen Schmelz organg bei relativ niedriger Temperatur kaum geschädigt werden.
Im Vergleich zum Squeeze-Casting lassen sich durch einen alternierenden Schichtenaufbau des Halbzeuges deutlich verkürzte Infiltrationswege der Schmelze erzielen. In Folge der verkürzten Prozesszeiten und des nur relativ kurzen Kontaktes des benötigten Werkzeuges mit der Schmelze ergeben sich deutlich verbesserte Werkzeugstandzeiten, was zu erheblichen Kosteneinsparungen beispielsweise im Vergleich zum Squeeze-Casting führt. Es lassen sich schnelle Prozesszeiten im Bereich von Millisekunden im Vergleich zu mehreren Sekunden beim Squeeze- Casting und zu mehreren Stunden beim Diffusion-Bonding erzielen. Weiterhin wird durch die Formgebung in einem Temperaturbereich unterhalb des Squeeze-Castings (etwa 100 K niedriger) eine Energieeinsparung in entsprechender Größe erzielt. Durch den verringerten Flüssigphasenanteil während der Formgebung wird eine Verkürzung der Erstarrungszeit im Werkzeug und damit eine Verringerung der Taktzeit ermöglicht. Auf Grund einer geeigneten Vorkonditionierung des Matrixwerkstoffes kann auf den gesamten Schmelzbetrieb (Schmelzofen, Legierungsofen, Entgasung, Legierungskontrolle, Gießofen) verzichtet werden. Ferner fällt auf Grund des modifizierten Werkzeugkonzeptes deutlich weniger Kreislaufmaterial an, das vor dem erneuten Einbringen in den Produktionsprozess wieder eingeschmolzen werden muss .
Aufgrund fehlender Lufteinschlüsse bei der Thixoumformung, insbesondere beim Thixoschmieden, ist es ferner möglich, die Festigkeit des Matrixwerkstoffes durch eine geeignete Wärmebehandlung, insbesondere durch Lösungsglühen und Auslagern, zu erhöhen.
Ferner ist es beim Thixoschmieden möglich, das Bauteil stoff- schlüssig mit anderen Bauteilen zu fügen.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „Halbzeug" die Vorform verstanden, die anschließend durch Thixouiαformung innerhalb des Werkzeuges zum Bauteil ausgeformt wird.
Es kann sich bei diesem Halbzeug um ein Prepreg handeln, das aus einer einzelnen oder bevorzugt aus mehreren Laminatschichten besteht oder aber um eine Vorform, die auf Grund eines Pressvσrgangs aus einem Granulat hergestellt ist. Im Rahmen dieser Anmeldung wird daher unter Halbzeug immer der Oberbegriff verstanden, der ein Prepreg sowie andere auf sonstige Weise vorbereitete Vorformen einschließt, die innerhalb des Werkzeuges durch Thixoumformen zum Bauteil gefertigt werden.
Gemäß einer ersten Verfahrensvariante wird ein Prepreg durch Laminieren von Schichten aus Faserverbunden und Matrixwerkstoff in Form von Blechen hergestellt.
Bei dieser besonders einfachen Verfahrensvariante werden einfach Schichten aus Faserverbunden vorzugsweise alternierrend mit den geeigneten Blechen durch Laminieren zusammengefügt, um die gewünschte Form des Halbzeuges bereitzustellen. In Folge der Thixoumformung reicht die Bereitstellung des Matrixmater:ials in Form von Blechen aus, ausreichend kurze Fließwege und dennoch gleichmäßige Benetzung der eingeschlossenen Fasern oder Partikel zu gewährleisten.
In vorteilhafter Weiterbildung dieser Verfahrensvariante werden die Bleche in Form von kaltgewalzten Blechen bereitgestellt. Hierbei kommt es bei der Erwärmung auf Grund der durch den Kaltwalzvorgang induzierten Versetzungsdichte zu einer feinkörnigen Rekristallisation mit globularem Gefüge, was sich günstig auf die sich ergebenden Eigenschaften des Bauteils auswirkt.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante der Erfindung wird ein Faserverbund mit metallischem Matrixwerkstoff beschichtet.
Mit einer derartigen Verfahrensführung lässt sich eine verbesserte Homogenität im Vergleich zu der Verwendung von Einzellagen aus Faserverbunden und Matrixwerkstoff erzielen.
In zweckmäßiger Weiterbildung dieser Ausführung werden mehrere beschichtete Faserverbunde zu einem Prepreg laminiert.
Auf diese Weise lässt sich eine Near-Net-Shape-Geometrie annähern und es lassen sich gezielte gerichtete Eigenschaftscharak- teristika erreichen.
Die Beschichtung des Faserverbundes mit dem metallischen Matrixwerkstoff kann gemäß einer ersten Verfahrensvariante durch ein Siebdruckverfahren erfolgen.
Eine weitere Verfahrensvariante zur Beschichtung eines Faserverbundes mit dem metallischen Matrixwerkstoff besteht in einer Applikation durch elektrostatische Aufladung. Eine weitere Verfahrensvariante zur Beschichtung eines Faserverbundes mit metallischem Matrixwerkstoff besteht ia einer elektrophoretischen Abscheidung (EPD) aus einer wässrigen Suspension mit Unterstützung eines elektrischen Feldes.
Hierbei wird die zu beschichtende Faserstruktur elektrisch leitend als Elektrode geschaltet und die ladungstragenden Me- ta'lϊpulverteilchen werden durch das elektrische Feld getrieben auf der Faser- bzw. Gewebeoberfläche als gleichmäßige Schicht abgeschieden. Eine derartige Verfahrensführung ist insbesondere bei Faserverbunden geeignet, die von Natur aus elektrisch leitfähig sind, wie beispielsweise C-Fasern. Jedoch lassen sich andere Fasern, die nicht ohne weiteres elektrisch leitfähig sind, bei Verwendung geeigneter Zwischenschichten gleichfalls verarbeiten.
Mit einem derartigen Verfahren werden bevorzugt Metallteilchen verwendet, die eine Korngröße mit einem Durchmesser zwischen 10 n und 100 μ aufweisen, bevorzugt mit Größen zwischen 100 nm und 10 μm. Durch die Verwendung von oberflachen.aktiven flüssigen oder gelösten Hilfsstoffen lassen sich gezielte Ladungsverteilungen der Feststoffpartikel in der Suspension einstellen, die einen konzentrations- und feldstärkeabhängigen Stofftransport zur Schichtabsσheidung erlauben. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften des hieraus später hergestellten Bauteils in weiten Grenzen variieren und an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung wird ein Faserverbund durch thermisches Spritzen mit dem metallischen Matrixwerkstoff beschichtet. Hierbei kommt grundsätzlich atmosphäri- sches Plasmaspritzen (APS), Lichtbogendrahtspritzen, Drahtflammspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen in Frage. Vorzugsweise erfolgt das thermische Spritzen jedoch durch Elek- trolichtbogendrahtspritzen oder Pulver-Plasmaspritzen, insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen.
Faserverbunde, die mit . thermisch gespritzten Metallscαichten versehen sind, bieten gegenüber der Verwendung von alternierenden Lagen aus Blechen und Faserverbunden den Vorteil einer feinkörnigeren Gefügeausbildung. Während etwa die Korngrößen bei thixotrop umformbaren Al-Si-Blechen im Bereich von 2 bis 20 μm liegen, liegen die Abmessungen der einzelnen Phasen im thermisch gespritzten AlSi-Schichtgefüge durch die hohe A.bkühl- geschwindigkeit beim Schichtauftrag im Submikrometer-Bereich. Dadurch kann bei der thixotropen Umformung eine verbesserte Imprägnierbarkeit der metallischen Phase in das Fasergerüst erreicht werden.
Das Volumenverhältnis von Matrixwerkstoff zu Fasern wird beim thermischen Spritzen vorzugsweise zwischen 0,3 und 8,0, insbesondere zwischen 0,8 und 3,0 eingestellt.
Bei sämtlichen Verfahrensvarianten der Erfindung wird gewährleistet, dass bei der Herstellung des Halbzeuges aus Schlichten für die metallische Matrix und die eingelagerten Verstärrkungs- schichten nur auf eine niedrige Temperatur erwärmt werden. Selbst bei der Beschichtung durch thermisches Spritzen lässt sich durch eine geeignete Verfahrensführung gewährleisten, dass das Halbzeug auf eine Temperatur von höchstens 300°C nur wenige Sekunden erwärmt wird. Hierbei kann diese Zeitdauer auf höchstens fünf Sekunden oder auf höchstens zwei Sekunden oder sogar darunter beschränkt werden. Durch diese Maßnahmen ist erfindungsgemäß gewährleistet, dass die Faserverbunde auch während der Halbzeugherstellung nicht degradiert oder chemisch angegriffen werden.
Vorzugsweise wird hierzu der Faserverbund während des thermischen Spritzens gekühlt, insbesondere unter Verwendung von flüssigem Kohlendioxid.
Durch gezielte Kühlungsmaßnahmen lässt sich selbst eine kurzzeitige Erwärmung des Faserverbundes während der Beschichtung auf Temperaturen vermeiden, die deutlich geringer als 300°C sind und vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis 200°C maximal liegen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Faserverbund während des thermischen Spritzens auf einer Trägervorrichtung unter Zugspannung gehalten.
Auf diese Weise lassen sich Unterschiede kompensieren, die durch die erheblich stärkere thermische Ausdehnung des metallischen Matrixwerkstoffes im Vergleich zu den eingelagerten Fasern bedingt sind. Insbesondere können auf diese Weise Verbundwerkstoffe hergestellt werden, bei denen eingelagerte Langfasern unter Belastung auf Zug beansprucht werden, ohne dass zuvor die Matrix selbst in unerwünschter Weise beansprucht wird.
Zwecks einer Beschichtung in einem industriellen Maßstab kann die Trägervorrichtung eine Förderung des Faserverbundes in kontinuierlicher Weise oder im Taktbetrieb in eine Beschich- tungsebene zur thermischen Spritzbeschichtung erlauben.
Hierzu kann der Faserverbund über eine Wickeleinrichtung geführt werden.
Des Weiteren ist es möglich, den Faserverbund bei Verwendung einer ' derartigen Wickeleinrichtung zunächst auf einer ersten Seite zu beschichten und anschließend auf der gegenüberliegenden Seite zu beschichten.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird zwischen der Oberfläche des Faserverbundes und dem Düsenaustritt bei der Beschichtung durch Plasmaspritzen ein Spritzabstand von 50 bis 200 mm eingehalten, während bei einer Beschichtung durch Elektrolichtbogenspritzen ein Spritzabstand von 80 bis 300 mm eingehalten wird.
Unter Verwendung derartiger Verfahrensparameter lassen sich besonders günstige Beschichtungen von Faserverbunden erzielen, mit denen einerseits eine gleichmäßige Beschichtung erreicht wird und andererseits eine zu starke thermische Belastung der Faserverbunde vermieden wird.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante der Erfindung wird eine Mischung aus dem Matrixwerkstoff und aus Kurzfasern granuliert oder pelletiert.
Hierbei werden bevorzugt Fasern mit einer Länge zwischen 0,5 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 6 mm verwendet. Das Volumenverhältnis von Matrixwerkstoff zu Fasern beträgt hierbei vorzugsweise zwischen 0,3 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird eine Mischung aus dem Matrixwerkstoff und aus pulverförmigen Partikeln granuliert oder pelletiert.
Die Erzeugung von Granulaten oder Pellets unter Verwendung von Kurzfasern oder pulverförmigen Partikeln kann vorteilhaft genutzt werden, um spezielle gradierte Schichten zu erzeugen oder aber um beispielsweise Lagerwerkstoffe herzustellen.
Die granulierten oder pelletierten Mischungen können gemäß einer ersten Verfahrensvariante durch Kaltpressen zu einem Halbzeug verarbeitet werden. Soweit das verwendete Matrixmaterial ausreichend duktil ist, kann dieser Kaltpressvorgang ohne Zusatz von Bindern erfolgen. Fehlt hierbei jedoch eine ausreichende Duktilität, so werden zweckmäßigerweise geeignete Presshilfsmittel, z.B. Paraffin, zugesetzt.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird die durch Granulieren oder Pelletieren erzeugte Mischung durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren auf einen Faserverbund aufgetragen . Hierzu kann wiederum das thermische Spritzen, ein Siebdruckverfahren oder ein anderes zuvor erwähntes Verfahren genutzt werden.
Um gezielte Festigkeitsverbesserungen der erfindungsgemäß hergestellten Bauteile zu ermöglichen, wird bevorzugt wenigstens eine Schicht mit einem Faserverbund aus Langfasern zur Herstel- lung eines Prepregs verwendet. Unter Langfasern wird in diesem Zusammenhang eine Faserlänge von mindestens 1 mm oder ein Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) der Faser von mindestens 50, vorzugsweise von mindestens 100, besonders bevorzugt von mindestens 150 verstanden.
Es versteht sich, dass die Schichtenfolge bei der Laminierung von Prepregs in geeigneter 'Weise variiert .werden kann, . um- die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils in gezielter Weise zu beeinflussen. So können in geeigneter Weise mit Matrixwerkstoff beschichtete Faserverbunde aus Langfasern miteinander laminiert werden. Gleichzeitig können Schichten aus Matrixwerkstoff in Form von Blechen bzw. Folien eingefügt werden. Des Weiteren können Zwischenschichten aus Granulaten oder Pellets eingefügt werden. Schließlich ist auch die Kombination von beschichteten Faserverbunden mit Vorformen denkbar, die aus durch Pelletieren oder Granulieren hergestellten Mischungen aus Matrixwerkstoff und Kurzfasern oder Partikeln hergestellt sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein durch Laminieren hergestelltes Prepreg mit einer äußeren Schicht aus Matrixwerkstoff versehen.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Oberfläche des hergestellten Bauteils weitgehend frei von eingelagerten Fasern oder Partikeln ist.
Die Faserverbunde können in den verschiedensten Formen genutzt werden, um bestimmte Eigenschaften des hergestellten Bauteils zu gewährleisten. So können Faserverbunde als Gelege aus unidi- rektionalen Langfasern (UD) genutzt werden, es können Spinvlie- se („un oven") oder gewebte Faserverbunde in Form von 2D-Faser- verbunden, 3D-Faserverbunden, in Form von Gewirken oder Gestricken verwendet werden.
Hierbei kann ferner das Halbzeug aus gradierten Schichten hergestellt werden, um eine gezielte Eigenschaftsbeeinflussung an besonders beanspruchten Stellen des Bauteils oder in Vorzugsbeanspruchungsrichtungen zu erzielen. Auf diese Weise kann das Verhältnis von Matrixwerkstoff zu Fasern gezielt über den Bauteilquerschnitt verändert werden.
Dies ist besonders vorteilhaft, um thermisch bzw. mechanisch lokal besonders stark beanspruchte Bauteile, wie etwa Kolben oder dgl., herstellen zu können.
Als Matrixwerkstoff sind grundsätzlich alle Werkstoffe geeignet, die eine thixotrope Umformung erlauben.
Bevorzugt werden hierzu Aluminiumlegierungen oder Kupferlegierungen verwendet, insbesondere Legierungen, die aus den Hauptbestandteilen Aluminium, Magnesium und Kupfer bestehen oder die aus den Hauptbestandteilen Kupfer und Zinn oder Zink bestehen.
In diesem Zusammenhang sind als Matrixwerkstoff Legierungen bevorzugt, die aus Legierungen des Typs AlMg4,5Mn0,4 (AA 5182), des Typs AlMgSil (EN AW-6082), des Typs AlSi7Mg (EN AW-356, EN- AW-357), des Typs AlSi3 (AA 208, AA 296), des Typs A1SÜ2 (AA 336, AA 384), des Typs CuZn40A12 oder des Typs CuSnl3 , 5A10, 3 bestehen. Bei der Verwendung von Kupferlegierungen steht die Verschleiß reduzierende Wirkung von Verstärkungs asern im Vordergrund. Mit diesen Werkstoffen lassen sich insbesondere vorteilhafte Lagerwerkstoffe herstellen, wozu insbesondere eine Kombination mit Kohlensto ffasern oder — artikeln in einer graphitnahen Modifikation geeignet ist, da sich so Notlaufeigenschaften erzielen lassen.
Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante wird der metallische Matrixwerkstoff selbst durch eingelagerte Partikel verstärkt, die vorzugsweise als Oxidkeramiken, als Karbide, als Nitride, als Metalle oder Legierungen oder als tribologisch wirksame Stoffe ausgebildet sind.
Zur Faserverstärkung des MMC werden erfindungsgemäß Fasern verwendet, die aus Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Mullit bestehen. Auch Modifikationen dieser Fasern mit Stickstoff, Titan, Bor, Kohlenstoff oder Silizium und deren Verbindungen sind denkbar.
Obwohl in Folge der verkürzten Prozesszeiten und der erniedrigten Prozesstemperaturen grundsätzlich keine Beschichtung der verwendeten Fasern notwendig ist, können gemäß einer weiteren Verfahrensvariante auch an ihrer Oberfläche beschichtete Fasern verwendet werden, insbesondere mit Diffusionssperr- oder Schutzschichten versehene Fasern oder mit Haftvermittlerschichten versehene Fasern.
Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils in einem noch größeren Umfang an die jeweiligen Anforderungen anpassen. So können etwa durch Verwendung von Haftvermittlern die Grenzflächenhaftungen zwischen eingelagerten Fasern und der metallischen Matrixphase verbessert werden. Gleichzeitig können auch solche Fasern eingelagert werden, die an sich mit der verwendeten Matrixphase weniger kompatibel sind.
Zur Beschichtung der Fasern eignen sich insbesondere Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Titankarbict, Titannitrid, Kohlenstoff oder Mischphasen oder Verbindungen hieraus.
Erfindungsgemäß werden bevorzugt Fasern mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 150 μm, besonders bevorzugt zwischen 5 und 20 μm verwendet.
Wie bereits erwähnt, können die Fasern sowohl als Langfasern oder Endlosfasern als auch in Form von Kurzfasern („chopped fibers") verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen Thixoumformung das Halbzeug in Abhängigkeit vom verwendeten Matrixmaterial auf ein bestimmtes Temperaturintervall erwärmt, innerhalb dessen der Matrixwerkstoff einen definierten Flüssigphasenanteil aufweist.
Wird beispielsweise die Legierung AlSi7Mg verwendet, so wird zur Thixoumformung das Halbzeug auf eine Temperatur zwischen 574 und 584°C aufgeheizt, wobei sich ein Flüssigphasenanteil zwischen 43 und 51 Volumenprozent einstellt. Wird etwa die Legierung AlMgSil verwendet, so erfolgt zur Thixoumformung eine Aufheizung auf eine Temperatur zwischen 635°C und 645°C, wobei sich ein Flüssigphasenanteil zwischen etwa 15 und 35 % ein- stellt. Bei Verwendung der Legierung CuZn40Al2 erfolgt eine Aufheizung auf einen Temperaturbereich zwischen 871°C und 875°C, wobei sich ein Flüssigphasenanteil zwischen etwa 20 und 40 % ergibt.
Die Thixoumformung geschieht vorzugsweise als Thixoschmieden innerhalb eines geeigneten Werkzeuges (Gesenk) mit kontrollierter Stößelgeschwindigkeit und Pres'skraft. Stößeigeschwindigkeit und Presskraft sind hierbei verfahrensspezifisch angepasst. Es sind Stößelgeschwindigkeiten bis zu 800 mm/s möglich. Die Auf- treffgeschwindigkeit des Werkzeugoberteils auf das Werkstück wird in Abhängigkeit von dem verwendeten Faser-Matrix- Verhältnis, der Bauteilkomplexität und des Bauteilvolumens vorzugsweise zwischen 10 mm/s und 300 mm/s eingestellt.
Um eine vorzeitige Erstarrung des metallischen Werkstoffs zu verhindern, wird das Werkzeug vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 100 °C und 400°C erwärmt.
Insbesondere durch eine Erhöhung der Stößelgeschwindigkeit nach dem Aufsetzen kann eine besonders schnelle Infiltration erreicht werden, und zwar im Bereich von deutlich unterhalb einer Sekunde unter hohem Druck. So ergibt sich eine kurze Berührzeit zwischen metallischer Schmelze und Faserwerkstoff, was zu einem reduzierten chemischen Angriff der Schmelze auf die Fasern führt und so zu verbesserten Eigenschaften des hergestellten Bauteiles führt.
Ferner ist es möglich, zur Verringerung der Oxidbildung die Thixoumformung unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen. Zur Thixoumformung wird gemäß einer ersten Verfahrensvariante das Halbzeug in einer Form vorverdichtet. Als Form wird hierbei vorzugsweise das später zur Thixoumformung verwendete Werkzeug genutzt.
Das vorverdichtete Halbzeug kann nun außerhalb des Werkzeuges vorgeheizt werden, was etwa induktiv, in einem Umluftofen mit Schutzgasatmosphäre, mit Infrarotstrahlern 'oder mit Lasern- erfolgen kann, wird dann im vorgeheizten Zustand in das Werkzeug eingeführt und sodann thixotrop umgeformt, insbesondere thixogeschmiedet .
Die bevorzugten Matrixwerkstoffe erlauben eine Aufheizung des Halbzeuges bis auf die zum thixotropen Umformen notwendige Temperatur bei einer noch ausreichenden Festigkeit des Halbzeuges, die eine Handhabung des Halbzeuges zum Einlegen in die Form erlaubt, was beispielsweise automatisch geschehen kann. Erst durch den anschließend beim Thixoschmieden über den Stempel aufgebrachten Druck verliert das Halbzeug seine Scherfestigkeit, so dass das Material in kürzester Zeit ausgeformt wird.
Gemäß einer Ver ahrensvariante erfolgt eine Aufheizung der Halbzeuge innerhalb des Werkzeuges auf eine Temperatur oberhalb der Soliduslinie, jedoch unterhalb der Liquiduslinie des Matrixmaterials . Dabei kann der geschichtete Werkstoff durch einen geringen Druck in Anlage an die Werkzeugwandung gebracht werden. Dadurch wird der Wärmeübergang verbessert und so die Auf- heizzeit reduziert. Unmittelbar anschließend erfolgt hieran die thixotrope Umformung vorzugsweise durch Schmieden. Bei beiden Verfahrensvarianten erfolgt vorzugsweise eine kontrollierte Abkühlung des thixotrop umgeformten Bauteils innerhalb des Werkzeuges zur Erzielung einer gerichteten Erstarrung der metallischen Matrix.
So hergestellte Verbundwerkstoffe sind erfindungsgemäß vorzugsweise als fertigungsnah geformte (net shaped) hochfeste Konstruktionsbauteile mit hoher- spezifischer Steifigkeit oder mit hohem spezifischen Elastizitätsmodul einsetzbar. Daneben ergibt sich ein vorteilhafter Einsatz als Lagerwerkstoffe.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Phasendiagramm Al-Si mit ausgewählten Bereichen für eine thixotrope Umformung für die Knetlegierung AlMgSil und die Gusslegierung AlSi7Mg;
Fig. 2 ein Prepreg, das aus einem Schichtenverbund von alternierenden Schichten aus Faserschichten und Blechen (Folien) besteht;
Fig. 3 ein Prepreg, das aus einer Folge von mit metallischem Matrixwerkstof beschichteten Faserverbunden besteht; Fig. 4 ein globolithisches Gefüge einer Al-Si-Legierung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen mit einer Metallmatrix infiltrierten Al-Si-Verbundwerkstoff mit eingelagerten C-Fasern nach einem Thixo-Sch iedevorgang und
Fig. 6 eine .schematische Darstellung einer Wickelanlage zur thermischen ' Spritzbeschichtung von Fasergeweben im industriellen Maßstab.
In Fig. 1 ist ein Phasendiagramm des bevorzugten eutektischen Systems Al-Si (mit Magnesiumzusätzen) dargestellt. Der Festanteil in dem dunkel schraffierten Bereich ist α (AI). Als für eine thixotrope Umformung geeignete Legierungen sind die Knetlegierung AlMgSil und die Gusslegierung AlSi7Mg eingetragen. Für eine thixotrope Umformung wird ein enger Temperaturbereich benötigt, der für die Knetlegierung AlMgSil zwischen der Soli- duslinie und der Liquiduslinie liegt und in Fig. 1 durch den rechteckig eingezeichneten Temperaturbereich gekennzeichnet ist, der zwischen 635 und 645°C liegt. In diesem Bereich ergibt sich ein Liquidanteil (L) von 15 bis 35 %. Zur thixotropen Umformung der Gusslegierung AlSi7Mg ergibt sich dagegen ein Temperaturbereich, der unmittelbar oberhalb der Eutektikalen liegt und wiederum durch ein Rechteck bezeichnet ist. Dieses Temperaturfenster liegt zwischen 574°C und 584°C. Hierbei ergibt sich ein Liquidanteil (L) von etwa 43 bis 51 %.
Derartige Zusammenhänge für die thixotrope Umformung von Leichtmetalllegierungen sind grundsätzlich bekannt (vgl. Siegert, K.; Messmer, G.; Baur, J.; Wolf, A. : „Thixosch ieden von Aluminiumbauteilen", in: Tagungsband zur 7. sächsischen Fachta- gung Umformtechnik, Chemnitz, 2000; Baur. J. , Messmer, G. :
"Automated Thixoforging Unit, in: Proceeedings to the 7. Int.
Conf. on Semi-Solid-Processing of Alloys and Composites, Tsu- kuba, Japan, September 24-28, 2002).
Die Thixoumformung derartiger Leichtmetallwerkstoffe wurde insbesondere zur Herstellung von Formbauteilen entwickelt, die eine fertigungsnahe Formgebung aufweisen. Im' 'Temperaturbereich, bei dem die Thixoumformung erfolgt, liegt das betreffende Halbzeug noch mit einer ausreichenden Festigkeit vor, die eine Handhabung des Halbzeuges (beim Thixoschmieden auch „Bolzen" genannt) ermöglicht. Die betreffenden Legierungen weisen idealerweise ein globolithisches Gefüge auf, das ein Festphasenskelett ausbildet und so die gute Handhabbarkeit des erwärmten Halbzeuges beim Einlegen in das Werkzeug (die Pressform) sorgt (vgl. Fig. 4). Dieses Festphasenskelett bricht bei Scherbelastung auf und sorgt somit für eine Reduzierung der Fließspannung, so dass hohe Fließstrecken im Werkzeug und eine endkon- turnahere Umformung gewährleistet werden.
Erfindungsgemäß werden nun MMCs mit einem metallischen Matrixwerkstoff, der durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist, hergestellt, indem ein Halbzeug, in dem die Fasern oder Partikel unter metallischem Matrixwerkzeug enthalten ist, vorbereitet wird und das Halbzeug durch Thixoumformen in einem Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquidustemperatur des metallischen Matrixwerkzeuges ausgeformt wird.
Dabei reicht grundsätzlich ein loser Verbund von Fasern einerseits und metallischem Matrixwerkstoff andererseits aus, um beim Thixoumformvorgang bei nur kurzer Umformzeit einen hochwertigen, praktisch porenfreien Verbundwerkstoff zu erzeugen.
Grundsätzlich sind hierzu drei Verfahrenslinien möglich.
Bei einer ersten Verfahrenslinie, die in Fig. 2 schematisch dargestellt . ist, wird ein insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnetes Halbzeug durch Laminieren aus alternierenden ' Blech- und Fasergewebelagen hergestellt. Ein Faserverbund 12 besteht beispielsweise aus Karbonfasern, die in Form eines Gewebes angeordnet sind. Zur Herstellung des Halbzeuges 10 werden Faserverbundlagen 12 alternierend mit dünnen Blechen 14 aus dem Matrixwerkstoff, beispielsweise AlSi7Mg, laminiert. In Abhängigkeit von dem gewünschten Volumenverhältnis zwischen Fasern und Matrixwerkstoff werden die Dicken dx der Faserverbunde 12 und d2 der Bleche 14 angepasst. Zweckmäßigerweise wird das Halbzeug 10 durch eine äußere Lage 18 aus Matrixwerkstoff eingeschlossen, um sicherzustellen, dass bei der späteren Thixoumformung möglichst keine Fasern an die Oberfläche des Bauteils gelangen. Ein derartiges Halbzeug oder Prepreg wird in eine geeignete Gesenkform eingelegt und hierin im geeigneten Temperaturbereich durch Thixoschmieden unter Verwendung eines Stößels umgeformt.
Hierbei kann zunächst innerhalb des Werkzeuges in noch kaltem Zustand eine Vorkompaktierung erfolgen und anschließend das Halbzeug 10 außerhalb der Gesenkform auf die zur Thixoumformung notwendige Temperatur vorgeheizt werden. Dies kann durch schnelles Aufheizen des vorverdichteten Halbzeuges induktiv oder alternativ in einem Umluft-Ofen mit Schutzgasatmosphäre oder mit Hochleistungs-Infrarotstrahlern oder mittels Laser durchgeführt werden. Danach erfolgt eine schnelle Überführung in die zweckmäßigerweise vorgeheizte Gesenkform (100 bis 400°C). Dieser Vorgang kann manuell, semi- oder vollautomatisiert erfolgen. Anschließend wird der Thixo-Schmiedevorgang durchgeführt. Hierzu trifft der Stößel mit verfahrensspezifisch angepasster Stößelgeschwindigkeit von bis zu 800 mm/s auf die Oberfläche des Halbzeuges auf. Die Auftreffgeschwindigkeit des Stößels auf das Halbzeug wird in Abhängigkeit des Faser-Matrix- Verhältnisses, der Bauteilkomplexität und des Bauteilvolumens vorzugsweise zwischen 10 mm/s und 300 mm/s eingestellt. Um eine vorzeitige Erstarrung des metallischen Matrixwerkstoffes zu verhindern, wird auch der Stößel zweckmäßigerweise entsprechend vorgeheizt.
Alternativ kann die Aufheizung des Halbzeuges auch innerhalb des Gesenkwerkzeuges erfolgen. Dabei kann das geschichtete Halbzeug durch einen geringen Druck in Anlage an die Werkzeugwandung gebracht werden, wodurch der Wärmeübergang verbessert und die Aufheizzeit reduziert wird. Unmittelbar anschließend erfolgt die thixotrope Umformung durch Thixoschmieden.
Bei der Verwendung von Blechen (Folien) werden vorzugsweise kaltgewalzte Bleche verwendet, da sich durch die hohe Versetzungsdichte bei der späteren Wiedererwärmung im Zuge der Thixoumformung eine feinkörnige Rekristallisation mit globularem Gefüge ergibt.
Eine zweite Verfahrensvariante zur Herstellung eines Halbzeuges besteht in der Beschichtung von einzelnen Faserverbunden, die anschließend durch Übereinanderlegen zu einem Prepreg laminiert werden und zweckmäßigerweise wiederum von einer äußeren Blechschicht oder Folienschicht aus Matrixwerkstoff umgeben sind. Diese Verfahrensvariante wird nachfolgend an Hand von Fig. 3 und 6 näher erläutert.
Eine dritte Alternative zur Herstellung des Halbzeuges besteht in der Herstellung einer Mischung aus Kurzfasern oder pulverförmigen Verstärkungspartikeln mit metallischen Matrixpulvern. Anschließend erfolgt eine Formgebung durch Trockenpressen oder eine Weiterverarbeitung wiederum durch Auftragung auf einen Faserverbund durch ein Beschichtungsverfahren.
Bei der zweiten Verfahrensvariante eignet sich zur Beschichtung des Faserverbundes grundsätzlich eine Applikation durch elektrostatische Aufladung, eine Applikation durch Siebdruckverfahren oder eine elektrophoretische Abscheidung (EPD) auf die Faserstruktur .
Mittels EPD wird eine elektrisch leitende oder elektrisch leitend gemachte Faserstruktur als Elektrode geschaltet, und die ladungstragenden Metallpulverteilchen werden durch ein elektrisches Feld getrieben auf der Faser- oder Gewebeoberfläche als gleichmäßige Schicht abgeschieden. Dabei weisen die Metallteilchen eine Korngröße mit Durchmessern zwischen 10 nm und 100 μm auf, bevorzugt mit Größen zwischen 100 nm und 10 μm. Durch die Verwendung von oberflächenaktiven flüssigen oder gelösten Hilfsstoffen lässt sich eine gezielte Ladungsverteilung der Feststoffpartikel in der Suspension einstellen, die einen kon- zentrations- und feldstärkeabhängigen Sto ftransport zur Schichtabscheidung erlaubt.
Ein besonders bevorzugtes Beschichtungsverfahren besteht in der Beschichtung durch thermisches Spritzen. Hierbei steht insbe- sondere Elektrolichtbogendrahtspritzen und Pulver-Plasmaspritzen, bevorzugt atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) im Vordergrund.
Während des thermischen Spritzbeschichtens der Fasern wird hierbei durch gezielte Kühlmaßnahmen ein Temperaturanstieg des Faserverbundes weitgehend vermieden, so dass in der Regel Temperaturen von höchstens 100°C eingehalten werden können und somit eine Schädigung der Fasern ausgeschlossen ist. Hierzu kann simultan mittels Kühlmittelinjektoren und weiteren geeigneten Vorrichtungen lokal, vorzugsweise unter Verwendung von Druckluft und ggf. von flüssigem Kohlendioxid (C02) gekühlt werden .
Des Weiteren ist es bei dieser Verfahrensvariante bevorzugt, Lang- oder Endlosfasern bzw. daraus hergestellte Faserverbunde (Gelege, Gewebe oder Gestricke) verstreckt bzw. zugvorgespannt auf eine geeignete Trägervorrichtung 30 (vgl. Fig. 6) aufzubringen und eine oder mehrere Schichten Matrixmetall durch thermisches Spritzen aufzutragen. Mit einer Wickelanlage 30 gemäß Fig. 6 lässt sich von einer Rolle 34, die zu beschichtende Faserverbundlagen enthält, das Faserverbundmaterial kontinuierlich oder taktweise abwickeln, in einer Beschichtungsebene (linke gewölbte Fläche in Fig. 6) beschichten und anschließend nach der Beschichtung wieder auf eine Rolle 32 aufwickeln. Bei geeigneter Dimensionierung und Beschichtungsdicke kann hierbei zunächst eine Beschichtung auf einer ersten Oberseite erfolgen und anschließend eine Beschichtung auf der gegenüberliegenden Oberfläche . Ein besonderer Vorteil liegt in der gezielten Vorspannung der Gewebe in der Beschichtungsebene, die darüber hinaus regelbar ausgeführt sein kann, um eine gleiche, bleibende Vorspannung zu gewährleisten. Dadurch werden thermisch und konvektiv erzeugte Spannungen in der Faserstruktur mechanisch kompensiert. Zur Beschichtung kann ein 5-Achsen-Roboter-gestütztes Bewegungssystem verwendet werden, das einen Lichtbogen- oder Plasmabrenner in einer Weise derart bewegt, dass NC-gesteuerte Bewegungsabläufe mit dem Ziel einer gleichmäßigen Beschichtung aus vorher gespeicherten Programmen abgerufen und reproduzierbar und prozessstabil realisiert werden können. Hierbei werden Spritzabstände von 50 bis 200 mm zwischen Düsenaustritt und Faseroberfläche bevorzugt zwischen 100 und 140 mm bei APS und zwischen 120 und 160 mm beim Elektrolichtbogenspritzen verwendet.
Wie in Fig. 3 dargestellt, werden derartige Lagen 22 aus Faserverbunden, die beidseitig mit Matrixmetall 24 beschichtet sind, miteinander zu einem Prepreg laminiert und vorzugsweise außen wiederum durch ein Blech bzw. eine Folie 18 aus Matrixmetall eingeschlossen, um so ein Halbzeug 20 herzustellen. Die Beschichtungsdicke d3 kann beim vorherigen Beschichtungsvorgang in geeigneter Weise gesteuert werden. Hierzu können einfache oder mehrfache Schichten aufgetragen werden und die Schichtdicke natürlich durch die Überfahrgeschwindigkeit bzw. Verweildauer und die übrigen Spritzparameter beeinflusst werden. Sind größere Lagen von Matrixmetall erwünscht, so können auch einzelne Metallbleche bzw. Folien zwischengelegt werden.
Bei der dritten Verfahrensvariante durch Granulieren bzw. Pelletieren werden Mischungen aus Matrixmetallpulvern und Kurzfasern oder Verstärkungspartikelpulvern hergestellt. Diese granu- lierten oder pelletierten Mischungen können anschließend zu einem Grünkörper durch Kaltpressen kompaktiert werden, der anschließend als Halbzeug verwendet wird. Sofern das Matrixmetall eine ausreichende Duktilität aufweist, kann das Kaltpressen ohne Presshilfsmittel erfolgen. Bei geringerer Duktilität des Metallmatrixwerkstoffes werden geeignete sich bei der späteren Aufheizung leicht verflüchtigende Binderhilfsmittel (z.B. Paraffin) zugesetzt...
Eine weitere Verfahrensvariante besteht in der Auftragung der durch Granulieren oder Pelletieren hergestellten Mischungen durch ein geeignetes Beschichtungsverfahren auf Faserverbunde, was wiederum beispielsweise durch thermisches Spritzen erfolgen kann.
Wie eingangs bereits erwähnt, können zur Erzeugung von speziellen Bauteileigensσhaften, die an spezielle örtliche thermische oder mechanische Beanspruchungen angepasst sind, gradierte Schichten verwendet werden, wozu das gesamte Spektrum bei der Verarbeitung von Faserverbunden ausgenutzt werden kann.
Die besonders günstige Verteilung, die sich bei einem Infiltrationsvorgang durch Thixoschmieden bei einem derartigen Verbundwerkstoff ergibt, ist aus Fig. 5 zu ersehen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Verbundwerkstoff (MMC) mit einem metallischem Matrixwerkstoff, der durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist, umfassend die folgenden Schritte: Herstellen eines Halbzeuges (10; 20), in dem die Fasern; (16) oder Partikel und der metallische' Matrixwerkstoff (14; 24) enthalten sind und Thixoumformen des Halbzeuges (10; 20) in einem Werkzeug bei einer Temperatur oberhalb der Solidustemperatur und unterhalb der Liquiduste peratur des metallischen Matrixwerkstoffes (14; 24).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Prepreg durch Laminieren von Schichten aus Faserverbunden (12) und Matrixwerkstoff in Form von Blechen (14) hergestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem kaltgewalzte Bleche ( 14 ) verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Faserverbund (22) mit metallischem Matrixwerkstoff (24) beschichtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem mehrere beschichtete Faserverbunde zu einem Prepreg (20) laminiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem ein Faserverbund durch ein Siebdruckverfahren mit dem metallischen Matrixwerkstoff beschichtet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem ein Faserverbund durch elektrostatische Aufladung mit dem metallischen Matrixwerkstoff beschichtet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem ein Faserverbund durch elektrophoretische Abscheidung aus einer wässrigen Suspension mit Unterstützung eines elektrischen Feldes mit dem' metallischen Matrixwerksto f, beschichtet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem ein Faserverbund durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Drahtflammspritzen oder durch Elektrolichtbogenspritzen, mit dem metallischen Matrixwerkstoff beschichtet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Volumenverhältnis von Matrixwerkstoff zu Fasern zwischen 0,3 und 8,0, vorzugsweise zwischen 0,8 und 3,0 eingestellt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während der Herstellung des Halbzeuges der Faserverbund für eine Zeitdauer von höchstens 5 Sekunden, vorzugsweise von höchsten 2 Sekunden, auf eine Temperatur von höchstens 300 °C erwärmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Faserverbund während des thermischen Spritzens gekühlt wird, vorzugsweise unter Verwendung von Druckluft, flüssigem Kohlendioxid o- der Stickstoff.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem der Faserverbund während des thermischen Spritzens auf einer Trägervorrichtung (30) unter Zugspannung gehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Faserverbund durch die Trägervorrichtung (30) kontinuierlich oder taktweise in eine Beschichtungsebene zur thermischen Spritzbeschich- tung gefördert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Faserverbund über eine Wickeleinrichtung (32, 34) geführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der Faserverbund erst auf einer ersten Seite beschichtet wird und anschließend auf der gegenüber liegenden Seite beschichtet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem zwischen der Oberfläche des Faserverbundes und dem Düsenaustritt ein Spritzabstand von 50 bis 200 mm beim Plasmaspritzen eingehalten wird und ein Spritzabstand von 80 bis 300 mm beim Elektrolichtbogenspritzen eingehalten wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Mischung aus dem Matrixwerkstoff und aus Kurzfasern granuliert oder pelletiert wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem Fasern mit einer Länge zwischen 0,5 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 6 mm, verwendet werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem ein Volumenverhältnis von Matrixwerkstoff zu Fasern zwischen 0,3 und 5, vorzugsweise zwischen 1 und 2 verwendet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem eine Mischung aus dem Matrixwerkstoff und aus pulverförmigen Partikeln granuliert oder pelletiert wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die granulierte oder pelletierte Mischung durch Kaltpressen zu einem Halbzeug verarbeitet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die Mischung durch ein Beschichtungsverfahren auf einen Faserverbund aufgetragen wird.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Schicht mit einem Faserverbund aus Langfasern einer Länge von mindestens einem Millimeter oder aus Langfasern mit einem Aspektverhältnis (Verhältnis von Länge zu Durchmesser) von mindestens 50, vorzugsweise von mindestens 100, besonders bevorzugt von mindestens 150, zur Herstellung eines Prepregs verwendet wird.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Folge von Schichten (12, 14; 22) zu einem Prepreg (10; 20) laminiert wird, die Faserverbunde (12) aus Langfasern (16), mit Matrixwerkstoff beschichtete Faserverbunde (22), Matrixwerkstoff (14) oder Mischungen aus Matrixwerkstoff und Kurzfasern oder Partikeln enthalten.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Prepreg (10; 20) mit einer äußeren Schicht (18) aus Matrixwerkstoff versehen wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem als Faserverbund ein Gelege aus unidirektionalen Langfasern (UD), ein Spinnvlies oder ein gewebter Faserverbund (2D, 3O r Gewirk oder Gestrick) verwendet wird.-*
28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbzeug aus gradierten Schichten hergestellt wird.
29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Matrixwerkstoff eine Aluminiumlegierung oder eine Kupferlegierung verwendet wird, insbesondere eine Legierung, die aus den Hauptbestandteilen Aluminium, Magnesium und Silizium besteht oder aus den Hauptbestandteilen Kupfer und Zinn oder Zink besteht.
30. Verfahren nach Anspruch 29, bei dem als Matrixwerkstoff eine Legierung verwendet wird, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die gebildet ist durch Legierungen des Typs AlMg4,5MnO,4, AlMgSil, AlSi7Mg, AlSi3, A1SÜ2, CuZn40Al2 und CuSnl3,5A10,3.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der metallische Matrixwerkstoff durch eingelagerte Partikel, die vorzugsweise als Oxidkeramiken, Karbide, Nitride, Metalle oder Legierungen oder tribologisch wirksame Werkstoffe ausgebildet sind, verstärkt wird.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Fasern verwendet werden, die aus Kohlenstoff, Siliziumcar- bid, Aluminiumoxid, Mullit bestehen oder Modifikationen dieser Fasern mit Stickstoff, Titan, Bor, Kohlenstoff oder Silizium oder deren Verbindungen enthalten.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an ihrer Oberfläche beschichtete ■ Fasern,, insbesondere mit Diffusionssperr- und Schutzschichten oder Haftvermittlerschichten versehene Fasern, verwendet werden.
34. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem mit Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Titancarbid, Titannitrid, Kohlenstoff oder Mischphasen oder Verbindungen hieraus beschichtete Fasern verwendet werden.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Fasern mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 150 μm, bevorzugt zwischen 5 und 20 μm verwendet werden.
36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbzeug in Abhängigkeit vom verwendeten Matrixmaterial zum Thixoumformen auf ein bestimmtes Temperaturintervall erwärmt wird, innerhalb dessen der Matrixwerkstoff einen definierten Flüssigphasenanteil, vorzugsweise von 10 bis 60 %, insbesondere von 35 - 45 %, aufweist.
37. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem das Halbzeug bei Verwendung der Legierung AlSi7Mg zum Thixoumformen auf eine Temperatur zwischen 574 und 584 °C aufgeheizt wird, bei Verwendung der Legierung AlMgSil auf eine Temperatur zwi- sehen 635 und 645 °C aufgeheizt wird, und bei Verwendung der Legierung CuZn40A12 auf eine Temperatur zwischen 871 und 875 °C aufgeheizt wird.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, bei dem das Halbzeug unter Verwendung einer Presse thixogeschmiedet wird.
39.- '.Verfahren nach Anspruch 38, bei dem das Werkzeug temperiert wird.
40. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbzeug in einer Form vorverdichtet wird.
41. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Werkzeug vorgeheizt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100 und 400 °C.
42. Verfahren nach Anspruch 40, oder 41, bei dem das vorverdichtete Halbzeug außerhalb des Werkzeuges vorgeheizt wird, vorzugsweise induktiv, in einem Umluftofen, mit Infrarotstrahlern oder Lasern, dann in vorgeheiztem Zustand in das Werkzeug eingeführt wird und thixotrop umgeformt wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41, bei dem das Halbzeug im Werkzeug auf eine Temperatur oberhalb der So- liduslinie aber unterhalb der Liquiduslinie des Matrixwerkstoffes aufgeheizt wird und anschließend im Werkzeug thixotrop umgeformt wird.
44. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbzeug durch einen Stößel des Werkzeuges mit einem definierten Weg-Zeit-Verlauf, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 80 bis 600 mm/s im thixotropen Zustand des Matrixwerkstoffes umgeformt und verdichtet wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 44, bei dem die Thixoumformung und/oder das Aufheizen auf die Temperatur zur Thixoumformung, unter Schutzgas, insbesondere unter Formiergas (Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff) durchgeführt wird.
46. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bauteil nach der thixotropen Umformung innerhalb des Werkzeuges bis unter die Solidustemperatur abgekühlt wird.
47. Verbundwerkstoff mit einem thixotrop umgeformten metallischen Matrixwerkstoff, der durch eingelagerte Fasern oder Partikel verstärkt ist, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
48. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 47 als endkonturnah geformte ("near net shaped") hochfeste Konstruktionsbauteile mit hoher spezifischer Festigkeit, mit hohem spezifischen Elastizitätsmodul oder als Lagerwerkstoffe.
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