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DE2118848C3 - Rotationssymmetrischer, hohler Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Rotationssymmetrischer, hohler Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

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DE2118848C3
DE2118848C3 DE2118848A DE2118848A DE2118848C3 DE 2118848 C3 DE2118848 C3 DE 2118848C3 DE 2118848 A DE2118848 A DE 2118848A DE 2118848 A DE2118848 A DE 2118848A DE 2118848 C3 DE2118848 C3 DE 2118848C3
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fibers
metal
composite body
fiber
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Hartwin Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Zechmeister
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MAN AG
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MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Description

b) Are Schicht besteht aus einem Faserwerkstoff, insbesondere aus Wolfram-, Beryllium-, Stahl-, Bor-, Kohlenstoff- oder SiU-ziumkarbidfasern, die als gewickelte Endlosfasern, als Stapelfasern oder als Fasermatten angeordnet sind, wobei die Fugen zwischen den einzelnen Fasern mit einem der unter (a) genannten Metalle vergossen sind, c) der Wärmeausdehnungskoeffizient des reinen Metalls der inneren Schicht ,st gleich groß oder größer als der des Matr.xmetalls der faserverstärkten äußeren Schicht.
2. Verfahren zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Verbundkörpers nach Anspruch 1 durch Schleudergießen, wobei das zu vergießende Metall mit Hilfe eines rotierenden oder feststehenden, in der Achse einer rotierenden Kokille liegenden Gießvorrichtung auf die an der Kok. leninnenwand liegenden endlosen Fasern, Stapelfasern oder Fasermatten gegossen wird und wobei anschließend auf die mit dem Matnxmetall getränkte faserverstärkte Schicht eine zweite. Schicht aus einem Metall aufgegossen wird, das einen gleich großen oder größeren Warme ausdehnungskoeffizienten als das Matnxmetall be-SS, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation +o der Kokille so lange aufrechterhalten wird bis sich das Metall der inneren Schicht verfestigt hat.
Werkstoff
g£}„ium> Bor, Kohals Faserwerkstoff Ver- ^ Matrix Metalle auf Nik-
VTtan oder Aluminiumbasis dienen
I970, 20, S. 1390 bis 1392).
^ " faserverstärkter Werkstoff seine
Da em deramg z belastUng in Fasernch-
hohe ^st'gktu n. kbe]astung in Fasernchtung
^ ί/Γ ^die Festigkeitswerte seines Matnxmaterials'und bei Zugbelastung senkrecht zur Fasernch-
ih einma, diese erreicht, w" e™ ^* 0^ Werkstoff tager^lit W^
Ser^fhende^ Wechselspannungen aufzu-
nehmen. , u„WVSrner mii,m
Zu einem schnell rotierenden Hohlkörper »« Fasem in tangentialerR.chtung verlaufen urn d, def Fliehkrafl resuH^renden Jangentialen Zug ngen aufzunehmen, es wirken da«e ™ T P ransver B saischwingungen <ffe^. senkrecht zum Faserverlauf; hiervon ist den
ngen dadurch zu begegnen daß die haser.
V aufeinanderliegen und sich gegen«mg^utee-D· Druckspannung wird also vom Matnxmatena und vom Fasenverkstoff aufgenommen.^ Anders heg
der Fall bei ^^"Sdergedehnt, so daß die *eröanci aer ^ zwischen den Fasern be-
Spannung nur rial au{genommen werden
f^lichai ^ai ^^ spannungsfrei bleiben,
kam., <aa α f die Fasern völlig verMan7ß e e rrimaterial durch achsparallele Kett-Χ Dauerbrüche in Kauf nehmen.
rotationssymmetrischer Verbund- ^ Glas-Stapelfasern, Glasmatten "n 'eine rotierende Schleuderform o _g diesen Faserwerkstoff im
««gJ^Siverfahrcn einen flüssigen Kunststoff bc"ie"°. f"" fBecker, Schmitz, Weber: ^>ggJJ«k^ Kunststoffen«, C.Hansa»°as »chleuae g 58bis71).
V er lag JMuncn {.ndun ist ^ dnen rotationssym-
Yih Hohlkörper zu finden, dessen Material ei-
Oie Erfindung bezieht sich auf einen rotationssym- ^SST^S.
metrischen, hohlen Verbundkörper, bestehend aus gungen ^^Aufgabe wird erfindungsgemäß
zwei ebenfalls rotationssymmetnschen ineinander ^"r J^nation folgender Merkmale vorgeschlagen:
angeordneten fugenlos ineinander übergehenden 5o die Kombination te, g wesentlichen aus
Sn vTn GasTentrifugenanlagen, unterliegen ver-Sdenartigen Beanspruchungen. Zunächst ergibt sfch auf Gadder hohen Fliehkraft in der Wandung des Maschinenteils eine hohe Zugspannung, die taneential in der Rotationsebene auftritt. Diese im we-Sn liehen statische Spannung wird von weiteren oszinierenden Spannungen überlagtirt, die aus Biege-Schwingungen längs der Achse des Körpers folgen. Die resultierenden oszillierenden Spannungen ergeben Wechselbeanspruchungen, die zu alsbaldigem Dauerbruch führen.
Wenn die auftretenden Fliehkräfte sehr hoch werden, muß der Quotient der Zugfestigkeit zur Dichte im Material des Maschinente.ls «nen möglichst hohen Wert annehmen. Hierbei ist es bekannt, daß die-
b) Die außere Schicht besteht aus einem Faserwerkstoff, insbesondere aus Wolfram-, ΒβηΛ-Hunv> stahl-, Bor-, Kohkntoff oderStonr karbidfasern, die als ψ^Τ^^Ά. a,s stapelfasern oder als Fasermatten angeord net sin^ wobei die Fugen zwischen *n«niel· nen Fasem mit einem der unter (a) genannten Metalles vergossen sind.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des reinen MetaHg der inneren Schicht ist gleich groß oder, größer als der des Matrixmetalls der faserver-
stärkten äußeren Schicht.
Erfindung liegen darin, daß ein
JJ«d v^her Quotient 6 der Zugfestigkeit zur besonders
Dichte im von der Fliehkraft besonders belasteten äußeren Teil des Rotationskörpers vorliegt; dieses ist dadurch erreicht, daß ein Verbundwerkstoff, wie er bereits oben genannt ist, die äußere Schicht bildet.
Diesem äußeren Teil des Verbundkörpers ist ein zwjiter, innerer Teil fugenlos eingebracht, der aus reinem Metall besteht und somit erheblich höhere axiale Zugspannungen aufnehmen kann als die Schicht aus Verbundmaterial, deren Fasern im wesentlichen in tangentialer Richtung verlaufen müssen. Hierbei nehmen bei hoher Drehzahl die Fasern die Z:ntrifugallast der inneren Schicht auf, die sich hierbei eng an die äußere anlegt und dadurch bei Biegesthwingungen die äußere Schicht stützt. Bei axialen Zugspannungen stützt die innere Schicht die äußere und verhindert deren Dehnung über die Schadensgrenze hinaus, wobei durch das enge Anliegen der beiden Schichten eine sichere Verbindung zwischen ihnen gewährleistet ist.
Lm aber auch bei niedrigen Drehzahlen ein Vers^ hieben der inneren Schicht gegenüber der äußeren zu verhindern, empfiehlt es sich, zwischen beiden Schichten eine radiale Vorspannung vorzusehen, d. h. die äußere Schicht auf die innere aufzuschrumpfen. Da man sich hierzu gewöhnlich thermischer Verfahi en bedient, sieht die Erfindung weiterhin vor, für die innere Schicht ein Metall zu verwenden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich groß oder größer ist als der des Matrixmetalls der äußeren Schicht. Kommt es nämlich bei dem Ineinanderbringen der beiden hohlzylihdrischen Schichten zu einem Wärmeausgleich, dann wird sich beim Abkühlen die innere Schicht nicht weniger verkürzen als die äußere, es wird also von vornherein ein schädliches axiales Vorspannen der äußeren Schicht verhindert. Ein Nachlassen der radialen Vorspannung wird hierbei auch bei geringer Drehzahl durch die aus der Fliehkraft resultierende Andruckkraft ausgeglichen.
Als Material dient für die innere Schicht eines der Metalle, wie es als Matrix der äußeren Schicht dient. Hierdurch, insbesondere aber bei Verwendung des gleichen Materials für Martix und innere Schicht, ergibt sich der Vorteil, daß insbesondere durch thermische Behandlung eine innige Verbindung zwischen äußerer und innerer Schicht hergestellt wird, wodurch Ablösungserscheinungen verhindert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der erfindungsgemäße Verbundkörper durch Schleudergießen hergestellt, wobei das zu vergießende Metall mit Hilfe eines rotierenden oder feststehenden, in der Achse einer rotierenden Kokille liegenden Gießvorrichtung auf die an der Kokilleninnenwand liegenden endlosen Fasern, Stapelfasern oder Fasermatten gegossen wird und wobei anschließend auch die mit dem Matrixmetall getränkte faserverstärkte Schicht eine rveite Schicht aus einem Metall aufgegossen wird, das einen gleich großen oder größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten ak das Matrixmetall besitzt, indem dia Rotation der Kokille so lange aufrechterhalten wird, bis sich das Metall der
inneren Schicht verfestigt hat. Es ermöglicht dieses Verfahren, die Fasern in der Gußtrommel in optimaler Weise anzuordnen und dann anschließend das Matrixmetall lunkerfrei und mit gleichmäßiger Schichtdicke auf die Fasern aufzutragen.
ίο Während das Metall der inneren Schicht aufgetragen wird, ist das Matrixmetall bereits so weit erstarrt, daß es zwar noch die Bildung einer Diffusionszone zwischen den beiden Schichten gestattet, aber dem Druck der erkaltenden und sich verkürzenden inneren Schicht standhält, so daß sich in axialer Richtung in der äußeren Schicht eine hohe Druckspannung, in der inneren Schicht eine hohe Zugspannung ausbildet. Die Größenordnung dieser Spannung ist von Gießgeschwindigkeit, Art der Schmelzen, Materia!
so der Kokillenwand und von deren Dicke abhängig und über diese genannten Einflußgrößen derart beherrschbar, daß eine so große Vorspannung gewählt werden kann, die bei Transversalauslenkungen des fertigen Gußkörpers in der äußeren Schicht um
Druck-Schwellspannungen, in der inneren Schicht nur Zug-Schwellspannungen aufkommen läßt. Es ist hiermit nicht nur das Erreichen schädlicher Zugspannung in der äußeren Schicht verhindert, es entfällt darüber hinaus die besonders schnell zu Dauerschä-
den führende Wechselbeanspruchung, in beiden Schichten. Um radiale Vorspannungen in günstiger Richtung zu erhalten, wird die schnelle Rotation der Kokille bis zum endgültigen Erkalten der inneren Schicht weitergeführt, wobei diese Schicht in Kraft-
richtung verfestigt, also radial nach außen plastisch verformt und gegen die äußere Schicht gepreßt wird, so daß nach dem Erkalten in radialer Richtung ein Spannungszustand geschaffen wird, wie er sich sonst erst bei höherer Drehzahl des fertigen Gußkörpers
einstellen würde. Hier werden nicht nur Ablösungserscheinungen verhindert, die bei z.B. Torsionsschwingungen auftreten würden, sondern auch Einstülpungen bei transversalen Auslenkungen des langsam umlaufenden Gußkörpers und Umwandeln aller auftretenden radialen Wechselspannungen.
Es ist bei Anwendung des genannten Verfahrens vorteilhaft, in die Gußtrommel vor dem Gießen ein mit Faserwerkstoff belegtes und aus Matrixmaterial bestehendes Gerüst einzubringen. Hierdurch können die Fasern in dem späteren Spannungsverlauf entsprechenden Mustern angeordnet und während des . Anfahrens der Gußtrommel in ihrer Stellung festgehalten werden, bis Fliehkraft und flüssiges Matrixmaterial ein Verrutschen der Fasern verhindern; das Traggerüst wird dann mit dem Matrixmaterial homogen verschmolzen.

Claims (1)

  1. Patcntansprüche:
    1 Rotationssymmetrischer, hohler Verbundkörper, bestehend aus zwei ebenfalls rotationssymmetrischen, ineinander angeordneten fugenlos ineinander übergehenden Schichten, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
    a) Die innere Schicht besteht im wesentlichen aus Metall, insbesondere aus Legierungen auf Nickel-, Titan-, Kobalt- oder Alum,«»- sen Anforderungen
    lenstoff oder ^
DE2118848A 1971-04-19 1971-04-19 Rotationssymmetrischer, hohler Verbundkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Expired DE2118848C3 (de)

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