DE1402867A1 - Verfahren zur Herstellung verstaerkter Bauteile - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung verstärkter Bauteile. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung zusammengesetzter, verstärkter Bauteile, welche insbesondere aua Aluminium und Klavierdraht bestehen. Bei der Herstellung zusammengesetzterSautele' beispielsweise aus Eisenzementf bei welchen zwei verschiedene Arten von Materialien miteinander kombiniert .werden, missen die folgenden Forderungen eingehalten werden: 1. Das Verhältnis von Festigkeit und Yangmödul (Yang'e modulus) muss bei beiden Materialien in etwa das gleiche sein; die beiden Materialien müssen ihre maximale Festig keit zu gleicher Zeit erreichen. 2. Die beiden Materialien müssen selbst bei schwacher Bruch-Festigkeit aneinander gebunden bleiben. 3e Das- Bauteil muss aus einem leichten Grundmaterial bestehen, einen langen und breiten Querschnitt besitzen und leicht herstellbar sein, so dass sich der Widerstand gegenüber Pressung und Verbiegung steigern lässt. Die vorliegende Erfindung vermittelt ein Verfahren zur Herstellung eines neuen und brauchbaren, zusammengesetzten, verstärkten Bauteiles, welches aus einer Kombination von Aluminium mit Klavierdraht besteht, sämtlichen oben aufgestellten Forderungen entspricht und sich auf Grund seiner überlegenen Eigenschaften in vielfältiger Weise als Baumaterial verwenden lässt. Wenn bei der Auswahl eines geeigneten Aluminiummaterials das Festigkeitsverhältnis zwischen Klavierdraht und Aluminium 15000 kg/cm2 s 5000 - 3000 kg/cm gewählt wird, was dem Wert 3 - 5 entspricht, und das Verhältnis.der Yangmoduln der beide Materialien bei 2 100 000 kg/cm 2 liegt, was dem Wert 3 entsprichts wird die obenstehende Forderung (1) erfüllt, da-das Verhältnis von Festigkeit und Yangmodul bei beiden Materialien ,den entsprechenden Wert annimmt. Die beiden Materialien haben ferner .das Bestreben, sich leicht aneinander zu binden, so dass auch der Forderung (2) entsprochen wird.. Schliesslieh.ist Aluminium leicht und kann durch Pressen ohne Schwierigkeit in jede gewünschte Querschnittsform gebracht werden. Darüber hinaus kann durch Einsetzen eines Klavierdrahtes in Aluminium leicht ein Bauelement hergestellt werden mit langem und breitem Querschnitt, wodurch die Forderung (3) erfüllt wird. Das erfindungsgemäss aus einem Klavierdraht und Aluminium bestehende, zusammengesetzte, verstärkte Bauteil erfüllt also die an ein solches Teil zu stellenden Forderungen. Daneben beträgt das: spezifische Gewicht von Aluminium 2,7, ist also etwa demjenigen von Betongleich, wobei aber die Festigkeit des ersteren etwa 10 mal so gross wie diejenige des letzteren ist; Aluminium ist also leicht, besitzt eine hohe Widerstandskraft gegenüber Spannung und zudem. noch rostfeste Eigenschaften; wenn es darüberhinaus auf Eisen geschichtet wird, schützt es dieses vor Rost. Infolgedessen kann ein zusammengesetztes, aus Klavierdraht und Aluminium bestehendes Bauteil als hervorragendes Bauelement angesprochen werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines neuen und nützlichen, zusammengesetzten, verstärkten Bauteiles.vorzuschlagen, welches aus Klavierdraht und Aluminium besteht. Gemäss der Erfindung soll ein zusammengesetztes, verstärktes Element aus Klavierdraht und Aluminium vorgesehen werden, welches ausgezeichnete dynamische Eigenschaften besitzt und insbesondere für eine Verwendung als Baumaterial geeignet ist. Weiterhin soll gemäss der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines zusammengesetzten, verstärkten Gliedes vermittelt werden, wobei ein Klavierdraht genau in eine vorbestimmte Zage in ein Aluminium-Grundmaterial eingelegt und mit diesem zu einem Gesamtkörper vereinigt wird® Gemäss der Erfindung wird an der Oberfla,che eines Aluminium-Grundmaterials mindestens eine U-förmige Nut vorgesehen. In diese Nut wird ein Klavierdraht eingelegt, worauf der Zwischenraum zwischen Klavierdraht und Nut mit Aluminium aufgefüllt wird. Die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit beiliegenden Zeichnungen dient der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigena Abb. 1 Schematische Skizzen zur Erläuterung des erfindungsge-und 2: .mässen Verfahrens in einer bestimmten Ausführungsform; Abb. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung; bis 6t Abb. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung; und 81 Abb. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung und und 10= Abb.11t ein Beanspruchungs-Deformationsdiagramm eines erfindungsgemäss hergestellten Bauteiles. Abb.1 zeigt ein Paar von Aluminium-Elementen 2, 2 mit U-förmigen Nuten 1, welche an gegenüberliegenden Seiten der Aluminium-Elemente in Längsrichtung angebracht sind. Bei dieser Ausführungsform besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, dass die Aluminium-Elemente zusammengesetzt werden, wobei gleichzeitig ein Klavierdraht 3 in das von den gegenüberliegenden U-förmigen Nuten 191 gebildete Langloch eingelegt wird; die beiden Aluminium-Elemente werden anschliessend zwischen einem Paar von Walzen 4, 4 durchgeführte wobei der Klavierdraht in das durch Kontaktpressung der beiden Elemente entstehende Aluminium-Grundmaterial eingebettet wird. Gelegentlich mag es,erforderlich sein, drei oder mehr Aluminiumstücke der erwähnten Art aufeinander zu legen und Klavierdrähte zwischen die aufeinanderliegenden Aluminium-Elemente in der oben beschriebenen Weise einzuführen. Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Durchmesser der U-förrnigen Nut 1 oder deren Querschnittafläche grösser gemacht, als diejenige des Klavierdrahtes, um der Querschnittareduktion des Aluminium-Materials bei der Kontaktpressung Rechnung zu tragen. Es wurde gefunden, dass zwischen dem Durchmesser '1d'° eines Klavierdrahtes, dem Durchmesser "D" eines von einem Paar U-förmiger Nuten gebildeten Schlitzes und der Reduktion "R'9 eines Grundmaterials bei Kontaktpressung, die folgenden Gleichungen gültig sinds Die Abbildungen 3 und 4 illustrieren eine weitere brauchbare Ausführungsform der Erfindung. Die Ausführungsform besteht darin dass auf der Überfläche eines Aluminium-Grundmateriales 10 die gewünschte Anzahl von U-förmigen Nuten 11 sowie Vorsprünge 12 neben diesen Nuten vorgesehen werden. Die Vorsprünge füllen bei der Kontaktpressung, wie unten näher erläutert wird, die Nuten 11 auf. Vorzugsweise wird ein keilförmiger Einschnitt 13 in der Mitte des mittleren Vorsprunges angebracht! so dass dieser Vorsprung in die U-förmigen Nuten 11 beidseitig eintreten kann. 2erner können,vorzugswese die Endvorsprünge 12 seitlich an den U-förmigen Nuten, schief geschnitten werden, so dass diese Nuten leicht agefüllt werden. Ein Klavierdraht 14 wird in die U-förmigen Nuten 11 in dem so gestalteten Grundmaterial 10 eingelegt, worauf das Grundmaterial durch ein Paar von Walzen 15 hindurchgeführt wird, wobei die Vorsprünge 12 in den Spalt zwischen dem Klavierdraht 1¢ und den U-förmigen muten 11 eintreten können. Dadurch wird der Klavierdraht 14 mit dem Grundmaterial zu einem einzigen Körper vereinigt. Bei der Durchführung des obengeschilderten Verfahrens wird der Querschnitt des Vorsprunges 12a neben der Nut 11a (Abb.5) in dreieckiger Form vorgesehen, Der Querschnitt des Vorsprunges 12b neben der Nut i'b kann jedoch auch, wie es in Abb.6 dargestellt ist, von rechteckiger Gestalt sein; im. ersteren Fall wird die Nut 11a von dem Vorsprung 12a aufgefüllt, welcher durch die Walze in Pfeilrichtung umgebogen wird; im letzteren Fall wird die Nut von dem Vorsprung 12b angefüllt, welcher sich bei der Verwalzung ebenfalls in Pfeilrichtung verschiebt. Verfahrenemässig lässt sich das letztere Grundmaterial leichter als das erstere herstellen, das letztere besitzt jedoch insofern einen gewissen Nachteil, als es zur Gestaltveränderung des Vorsprunges einer grösseren Kraft als bei dem ersteren bedarf. Dies führt zu dem Ergebnis, dass sich das Grundmaterial ausdehnt und seine Gestalt während des Verfahrens weitgehend verändert sowie dass Hohlräume an der Stelle entstehen, an der der äussere, untere Rand des Vorsprunges die Fläche des Grundmaterials schneidet. Es wurde weiterhin gefunden, dass zwischen dem Spaltraum "a" (Abb.5 und 6) in der aufzufüllenden U-förmigen Nut und einem Paar von Vorsprüngen b1, b2 neben dem Spalt die Beziehung b1 b2 = b>a. gilt, weil sich das Grundmaterial unter dem Druck der Walzen während der Bearbeitung ausdehnt, und auch weil die beiden Vorsprünge kontaktgepresst werden-müssen: Weiterhin bestätigte es sich, dass der Wert /4= b/a von der Grösse von b und der Querschnittsfläche und -gestalt des Grundmaterials beeinflusst wird. Vdenn jedoch ungefähr @(,i= 1,_2 -2, lassen sich befriedigende Resultate erzielen. Weiterhin bestätigte es sich, dass, wenn der Krüiumungsradius des Bodenabschnittes der U-förmigen Nut klein gemacht wird und die Nut V-förmig ist, sich ebenfalls befriedigende Ergebnisse erzielen lassen. Die Abbildungen 7 und 8 illustrieren eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche darin besteht, dass ein Klavierdraht 22 in die U-förmige Nut 21 eines Aluminium-Grundmateriales 20 eingelegt wird, welches von etwa der gleichen Gestalt wie in obiger-Ausfülzrungsform ist. Es wird jedoch ein Aluminiumdraht 23 als Füllmaterial auf den Klavierdraht gelegt, so dass der Klavierdraht 22 in der U-förmigen Nut als ein Ganzes in festem Verband mit dem verstärkenden Aluminiumdraht 23 und dem Vor-Sprung 25 eingebettet wird. Wie aus Abb.8 hervorgeht, läuft das Grundmaterial 20 zwischen einem Paar von Walzen 24, 24 hindurch, wobei der Klavierdraht 22 und der Aluminiumdraht 23 über Führungsrollen 28, 29-in die U-förriige Nut des Aluminium-Grundmaterials 20 eingeführt werden. Der Klavierdraht 22 wie auch-der Aluminiumdraht 23 werden dabei von: Vorratsspulen 26, 27 abgezogen. Weiterhin ist es bei dem erfindungsgemässen Verfahren möglich' dem Klavierdraht durch weitere 1Talzung des leiat.erials in jeder der oben geschilderten Ausführungsformen eine gewünschte Vorspannung zu erteilen. Dabei kann der Vorteil des zu walzenden Materials ausgenutzt werden, dass es während der Walzung leicht gebogen werden kann. Es ist dabei möglich, dem-ilaverdraht die Spannungsvorbelastung auf der einen Seite und die Druckvorbelastung auf der anderen Seite zu erteilen. Die Abbildungen 9 und 10 erläutern ein derartiges Vorgehen, bei Welchem die obenerwähnte Vorspannung in ein zusammengesetztes, verstärktes Bauteil-eingeführt Wird: Das Vorgehen, welches sich auf jede der obengeschilderten Ausführungsformen anwenden lässt, besteht darin, dass ein Klavierdraht 31 in ein Aluminium-Grundmaterial 30 eingebettet wird, und dass gleichzeitig von einem Paar von Walzen 32 und einer Führungswalze ein nach oben gebogener Träger geformt wird; anschliessend wird der gebogene Träger zwischen einem Paar von Walzen 34 geradlinig gestreckt, wobei eine Spannungsvorbelastung in einen Klavierdraht 31a und eine Kompressionsvorbelastung in einen Klavierdraht 31b eingeführt wird. Wenn bei der Ausführung der Erfindung als Klavierdraht ein Mamerial verwendet wird, welches Vorsprünge und Vertiefungen an seiner Oberfläche aufweist oder einen Querschnitt von unterschiedlicher deformierter Gestalt besitzt und dessen Bindungskraft an Aluminiummaterial gross ist, lassen sich befriedigende Ergebnisse erteilen. Ferner lassen sich gemäss der .rfindung auch in denjenigen Fällen, in vielchen ein elektrisch mit Zink galvanisierter oder mit irgendeinem Schichtmaterial beschichteter Klavierdraht verwendet wird, verbesserte Resultate erzielen. Weiterhin wurde gefunden, dass sich bei einer Erwärmung auf 200 bis 2500C nach Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens infolge Molekül-Austausches zwischen dem Klavierdraht und dem Aluminium befriedigende Resultate erzielen lassen. Wenn schliesslich das Grundmaterial auf etwa 200°C (1500C - 35000) vorerhitzt wird, wird das Verfahren erleichtert und dennoch keine schädliche Denaturaliserung des Grundmaterials verursacht, so dass auch eine Vorerhitzung sehr wirksam ist.-Da die oben beschriebenen Methoden auf einem Walzvorgang beruhen,-ist es möglich, selbst ein solches Aluminiummaterial zu behandeln, welches brüchig und dessen Elongation relativ niedrig ist, wie beispielsweise H-Yaterial (bearbeitetes und gehärtetes Material) oder T6-TvIaterial (hitzebehandeltes Material). In Ab b.11 sind die an einem mit dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten 2robeexemplar erzielten Ergebnisse dargestellt. Der rrüftest wurde mit zentraler Belastung durchgeführt, unter Verwendung von weichem Stahl mit einem Querschnitt von 10 er! x 20 cm (japanischer Industriestandard SS41 - gewöhnlicher Baustahl ), von Stahl mit hoher Spannung (J.I.S. 0S7'1 und von einem erfindungsgemäss zusammengesetzten Aluminiummaterial (6061-T6, verstärkt mit einem Klavierdraht von 4 - 2 mm Durchmesser). Die Probestücke hatten einen Querschnitt von gleicher Gestalt und lagen- als Träger mit einer gesamten Spannweite von 50 cm vor. Das Ergebnis zeigte, dass das verstärkte Aluminiummaterial, obwohl es nur 40% des Gewichtes der beiden anderen. Materialien besitzt,-den Stahl 0S71 in seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber Verbiegung übertrifft, wobei die Widerstandsfähigkeit von 0S71 etwa das Doppelte derjenigen von 0S41 ist. Auch was die ßteifigkeit betrifft, erwies-Sich das erfindungsgemässe Material gegenüber dem gewöhnlich verwendeten iäaterial als überlegen. Theoretisch erreicht die Steifigkeit des verstärkten i:iaterials den dreifachen Wert derjenigen von S041. Aber selbst mit dem hier vorliegenden Grad eire icht das- Material, welches eine rostfeste Aluminium-Legierung als Hauptbestandteil aufwies, eine solche Festigkeit, wie sie bisher selbst bei Super-Duralumin nicht erreicht werden konnte. (Die maximale Festigkeit von 7075-T6, dem stärksten Super-Duralumin, beträgt etwa-60 kg/mm 2, während die entsprechende maximale Stärke des erfindungsgemäss verstärk-- - `@ ---%-- -@_ -ten Aluminiummateriales bei,etwa 80 kg mm 2 liegt* Der entsprechende Wert des Yang-Koeffizienten beträgt E - 8000 kg/mm 2, während bei 7075-T6 der Wert E =.7300 kg`mm2 ist). Diese Werte können als Ergebnis einer Probeherstellung als völlig ausreichend betrachtet werden.

Claims (1)

1. Fatentans prüche 1. Verfahren zur Herstellung eines zusa1:inengesetzten, verstärkten Bauteiles, dadurch gekennzeichnet, dass auf-der "berflä.che eines Aluminium-Grundelementes mindestens eine U-förmige Nut angebracht wird, dass in die gut ein Klavierdraht ein-. eführt wird, und dass der Zwischenraum z:-:isehen Klavierdraht nd Nut mit Aluminium-Material gefüllt wird. 2e Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kehrzahl von Aluminium-Grundelementen, welche jeweils an gegenüberliegenden Flächen mit U-förig.en: .muten versehen sind, -aufeinandergelegt werden, dass.in das von den gegenüberliegenden :Nuten gebildete Langloch ein Klavierdraht eingelegt wird, dessen Durchmesser etwas kleiner als derjenige der Nuten ist, und dass das so entstandene Teil mit Hilfe von ;''Talzen verwalzt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Anbringung der gewünschten Anzahl von U-förmigen Nuten auf der Oberfläche des Aluminium-Grundmaterials mindestens ein Vorsprung neben den Nuten gebildet wird, dass Klavierdraht in die Nuten eingelegt und das so entstandene feil verwalzt wird. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Klavierdraht ein Aluruiniumdraht gelegt und mitverwalzt wird. 5. Verfahren nach einem odermehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Aluminium und Uavierdraht bestehende Teil zum Zwecke einer Vorspannung des Klavierdrahtes in einer Richtung vorgebogen und dann zu geradliniger-Porm gewalzt wird. 6. Verfahren nach. einem oder mehreren der Anspreche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein lavierdraht verwendet wird, vrelcher an seiner uberfläche Vorswrünge und Vertiefungen oder einen Querschnitt von unterschiedlicher, verformter Gestalt aufweist. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, dass ein verzinkter Klavierdraht verwendet wird oder ein Klavierdraht, welcher an der Oberfläche mit einem Schichtmaterial beaufschlagt ist. B. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass,das Teil nach Einführung des Klavierdrahtes in das Grundmaterial auf 200 bis 250 °C erwärmt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial vor beginn des Verfahrens auf etwa 150 bis 250°C vorerhitzt Wird. 10. Ein zusammengesetztes, verstärktes Bauteil, hergestellt in einem Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche.