DE2122880A1

DE2122880A1 - Aus Gußeisen bestehende Drähte, Fäden oder Fasern und deren Einlagerung in Verbundwerkstoffe mit nichtmetallischer Matrix

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Publication number: DE2122880A1
Application number: DE19712122880
Authority: DE
Inventors: Robert Barrett Westminster Md. Mobley jun. Carroll E. Columbus Ohio; Pond (V.St.A.)
Original assignee: Battelle Development Corp
Current assignee: Battelle Development Corp
Priority date: 1970-05-18
Filing date: 1971-05-08
Publication date: 1971-12-09
Also published as: BE767323A; FR2091734A5

Description

V-29.998-01 30. April I97I

KDB/HET

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AUS GUßEISEN BESTEHENDE DRAHTE, FADEN ODER FASERN UND DEREN EINLAGERUNG IN VERBUNDWERKSTOFFE MIT NICHTMETALLISCHER MATRIX

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drähte, · Fäden oder Fasern, die aus Gußeisen bestehen und einen maximalen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1,3 nun aufweisen. Ferner betrifft sie Verfahren zur Herstellung dieser Drähte und deren Verwendung als Einlagerungsmaterialien bzw. zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen mit nichtmetallischer Matrix.

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Drähte, Fäden oder Fasern aus Stahl gehören zu den herkömmlichen Erzeugnissen der eisen- und stahlverarbeitenden Industrie. In offenen Gefäßöfen, in Elektroöfen oder in basischen Sauerstoffkonvertern veredeltes schmelzflüssiges Metall wird in Formen gegeossen, um Blöcke oder Barren mit beträchtlichen Abmessungen zu erzeugen. Solche Blöcke werden durch eine Reihe von mehreren Walzvorgängen und

W Wärmebehandlungen stufenweise in ihren Abmessungen zu Stahlstangen oder -barren reduziert, welche sodann durch eine Reihe von Matrizen oder Presswerkzeugen mit stufenweise .abnehmender Öffnung gezogen werden, wobei sie mehreren Zwischenwärmebehandlungen unterzogen werden. Viele verhältnismäßig mühsame, die Oberfläche beeinflussende Zwischenstufen sind während solcher Verfahren notwendig, um das gewünschte Endprodukt zu erreichen. Die Kosten des Enderzeugnisses pro Gewichtseinheit (oder pro Volumen) übersteigen einleuchtender 'feise die Kosten des gegossenen Metalles um einen großen Faktor. Obgleich solche Erzeugnisse der Metallverarbeitung im allgemeinen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie Zugfestig-Zisit, Duktilität usw., aufweisen, wird deren praktischer ZSisisatz als Verstärkungsmaterialien in vielen

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Anwendungsfallen durch die hohen Kosten verhindert. Eine solche Verwendung scheidet praktisch dann aus, wenn feine Pasern, Drähte oder Fäden mit einem Durchmesser unter 1,3 nun benötigt werden. Die Verwendung von feinen Fasern mit solchen Abmessungen hat sich jedoch neuerdings als besonders vorteilhaft zur Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschaften von Gegenständen aus Kunststoff, Keramik, Zement oder Beton erwiesen.

Im Hinblick auf die vorstehend erläuterte Gegebenheit wurden und werden große Anstrengungen gemacht, um ökonomische Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von metallischen Fasern, Drähten oder Fäden zu entwickeln, insbesondere von Stahldrähten oder Fasern mit Durchmessern von etwa 1,3 mm oder weniger, welche hohe Zugfestigkeitseigenschaften besitzen«

Eines der erfolgreichsten der bis heute erdachten Verfahren umfaßt die Umwandlung des Metalles in schmelzflüssige Fäden oder Fasern und das anschließende Verfestigen oder Abkühlen dieser Fäden oder Fasern bevor sie sich zusammenballen oder in kleine Tröpfchen zerstäuben können.

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Ein solches Verfahren besteht ±n dem Extrudieren von schmelzflüssigem Metall durch eine kleine Öffnung (mit einem Durchmesser von maximal 1,3 nun) und Einleiten des Metalles in eine Atmosphäre oder Umgebung, die dazu dient, die Abkühlung des drahtförmigen extrudierten Erzeugnisses zu bewirken, bevor dies zusammenballt oder ™ zerstäubt. Ein so-lches Verfahren ist bis zu einem gewissen

Maße in Einzelheiten in den US-Patentschriften 2.976.590

beschrieben,
und 2.9Ο7·θ82/ nach denen der Draht in eine Kammer hinein extrudiert wird, in der sich eine ruhende Atmosphäre befindet, um die Verfestigung des extrudierten Materials vor dessen Zusammenballung in kleine Tröpfchen und vor dessen Berührung mit dem Boden oder den Seitenwänden der Kammer zu bewirken. In dem Verfahren nach der US-Patentschrift 2.879.566 wird der schmelzflüssige Faden in einen Strom aus abkühlendem fc Gas hinein extrudiert, das die Verfestigung hervorrufen soll. Die US-Patentschriften 2.825.I08, 2.886.866, 2.899*728, 2,904.859 Und 2.9IÖ.744 zeigen alle Verfahren und Vorrichtungen, bei denen das schmelzflüssige Metall auf eine sich drehende Äbschreckplatte (-scheibe oder -schale) oder auf eine in Form eines endlosen Bandes ausgeführte Abschreckfläche extrudiert

11 öS

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wird, diese kurz berührt, sich verfestigt und Fäden oder Fasern in Form eines flachen Bandes ausbildet. Die US-Patentschrift 2.900.708, die sich auf die Herstellung von bimetallischen Fäden oder Fasern bezieht, beinhaltet beide der vorgenannten Verfahren. Ferner kann man nach einem anderen Verfahren zur Ausbildung von metallischen Fäden oder Fasern erreichen, daß das schmelzflüssige Metall von der Kante einer sich drehenden Schale durch Zentrifugalkraft in Form von Bändern abfließt, die durch die umgebende Atmosphäre verfestigt werden.

In der deutschen Patentanmeldung P 1 921 721 vom 29· April I969 mit der Bezeichnung "Verfahren zur Herstellung metallischer Drähte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" wird ein Verfahren ähnlich dem nach den· US-Patentschriften 2.976.59O und 2.907.082 beschrieben.

Noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Fäden besteht darin, daß ein Strom aus (freifallendem) schmelzflüssigem Metall auf eine Ablenkplatte gegossen wird, die unter sorgfältig

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überwachten und aufrechterhaltenen Bedingungen bewirkt, daß die abgelenkten Bänder in die umgebende Atmosphäre abgeführt werden. Wird für eine abkühlende Atmosphäre Sorge getragen, kann man erreichen, daß sich diese Bänder in Fäden oder Fasern verfestigen.

Bei der Ausübung irgendeines oder aller der vorgenannten Verfahren hat sich, wenn die Verwendung der Endprodukte, zur Einlagerung öder Verstärkung eines Matrixmaterials vorgesehen war, der Schwerpunkt auf die Erzeugung von Stahlfasern gelegt, da im allgemeinen angenommen wurde, daß eine Stahlzusammensetzung erforderlich ist, um die gewünschten hohen Zugfestigkeitseigenschaften zu erreichen.

Es hat sich nun herausgestellt, daß gußeiserae Fäden oder Fasern, die durch eines der vorgenannten Verfahren hergestellt sind, eine anfängliche Festigkeit besitzen, die der Festigkeit der meisten bekannten Stahldrähte oder- fasern gleichkommt oder sie übertrifft. Es wurde außerdem gefunden, daß solche Fasern oder Fäden nach de« Gießen wärmebehandelt werden können, um ein gewisses Maß an "Biegsamkeit" oder Duktilität hervorzurufen, die diese für die Verweadung

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BAD ORfGINAL

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als fadenförmige Verstärkungen in einer nichtmetallischen Matrix ideal werden läßt. Es zeigt sich, daß solche verstärkenden Fäden die Zugfestigkeit des nichtmetallischen Grundkörpers wesentlich erhöhen. Des weiteren ist zu bemerken, daß solche Fasern oder Fäden dekarbonisiert werden können, um Drähte, Fäden oder Fasern zu schaffen, die in ihrer Zusammensetzung Stahl entsprechen und die die Eigenschaften von Stahldrähten, -fäden oder -fasern besitzen.

Eisenguß oder der sogenannte "Grauguß" besitzt Zugfestigkeiten in dem Bereich von etwa 1.4 kg / mm^ bis k 2 kg / mm Die Gefügen dieser Materialien weisen elementaren Kohlenstoff auf, und zwar gewöhnlich in Form von Graphitflocken. Der Grund für das Vorhandensein solcher Flocken oder solchen elementaren Kohlenstoffs liegt darin, daß diese Verbindungen zwischen etwa zwei und sechs Gewichtsprozent Kohlenstoff aufweisen. Eisen besitzt eine sehr begrenzte Löslichkeit für Kohlenstoff bei Umgebungstemperaturen, was zur Folge hat, daß der Kohlenstoff aus dem Eisen bei der Verfestigung

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weitgehend in einer ungebundenen Form, beispielsweise als Graphit', ausgeschieden wird. Der Ausdruck "Grauguß" geht auf die Tatsache zurück, daß im Bruch die Graphitflocken dem Metall in dem Bruchbereich ein graues Aussehen verleihen.

^ Es ist wohl bekannt, daß dann, wenn Eisenguß oder Grauguß "abgeschreckt" wird oder wenn das Kühlen des gegossenen Gegenstandes beschleunigt wird, eine Oberflächenschicht des Gegenstandes oder ein lokaler, abgeschreckter Bereich des Gußkörpers "weiß" (metallisch) aussieht. Diese Oberflächenschicht oder das lokal begrenzte Gebiet ist das, was als "weißer Eisenguß" oder "abgeschrecktes Eisen" bekannt ist. In diesen Bereichen hat sich das schmelzflüssige Gußeisen so schnell abgekühlt, daß Kohlenstoff in einer mit Eisen oder anderen Legierungsbestandteilen gebundenen Form

" zurückgeblieben ist und daß eine übliche Graphitbildung des Kohlenstoffüberschusses nicht eintritt. Ein Großteil des Kohlenstoffs ist in Form eines harten Eisenkarbides, das als Zementit (FeoC) bekannt ist, vorhanden. Die

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kegierungsbestandteile, beispielsweise Chrom, die gern gleiche Karbide bilden, werden häufig zugefügt, um die Bildung von weißem Eisenguß zu unterstützen.

Abgeschrecktes Eisen oder weißer Eisenguß ist als äußerst hart und spröde bekannt, so daß dessen Verwendung im allgemeinen auf den "Oberflächenguß" begrenzt ist, wobei das abgeschreckte Eisen eine besonders harte, gegen Verschleiß beständige Oberfläche darbietet.

Wird Gußeisen nach einem oder nach mehreren der vorerwähnten Verfahren in Drähte, Fäden oder Fasern ausgebildet, und zwar durch Umwandlung des schmelzflüssigen Metalles in Fäden mit einem maximalen Durchmesser von etwa 1,3 mm, erfolgt, wie sich herausgestellt hat, die Abkühlung und Abschreckung so rasch, daß für den hohen Kohlenstoffgehalt die Zeit nicht ausreicht, um in Form von Graphitflocken auszufällen. Die entstehenden Drähte, Fäden oder Fasern werden daher im wesentlichen oder vollständig aus weißem Gußeisen oder abgeschrecktem Eisen bestehen.

Ee hat sich gezeigt, daß ein solcher Draht äußerst hart ist und eine Zugfestigkeit über 1*0kg / mm² sowie einen Elastizität-

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modul über 20 χ 1θ3 kg / mm^ besitzt. Obgleich spröde Und schwierig zu handhaben, führen Drähte aus diesem Material, wenn sie in eine nichtmetallische Masse eingefügt werden, zu Festigkeitseigenschaften, die den mit Stahl erreichbaren Werten gleichen oder diese gar übertreffen.

fc Des weiteren hat sich gezeigt, daß diese Drähte wärmebehandelt* werden können, um ein gewisses Maß an Biegsamkeit zu erzeugen, die die Handhabung sowie das Einfügen in die nichtmetallische Masse erleichtert.

Eine solche Wärmebehandlung kann bei jeder Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung durchgeführt werden, da die Wärmebehandlung eine Funktion von der Temperatur und der Zeit ist. Jedoch ist eine Wärmebehandlung am wirksamsten innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 730 C - 96O C. In diesem Bereich kann dem Material innerhalb einer annehmbaren Zeitspanne (d.h. etwa 15 Minuten bis 3 Stunden) eine beachtliche Duktilität verliehen werden. Zur Verwendung als verstärkende Fasern ist es angebracht, eine Wärmebehandlung bis zu einer Festigkeit

ο
unter etwa 5° kg / nun durchzuführen.

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Die Erfindung ist für alle gußeisernen Drähte, Fäden oder Fasern geeignet, die durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem ein Band oder ein extrudiertes Produkt aus schmelzflüssigem Metall ohne eine Halterung oder Führung in einen gasgefüllten Kühlbereich geleitet wird, um dort vor dem Zusammenballen oder Zerstäuben und vor dem Berühren einer festen Fläche oder einer Führung verfestigt zu werden. Jedes dieser Verfahren führt, wenn es in Verbindung mit einem extrudierten Material von maximal 1,3 nun Durchmesser verwendet wird, zu der Bildung einer Struktur, die im wesentlichen "weißem Gußeisen" entspricht. Beispielsweise kann das Band durch Extrudieren durch die Öffnung einer Extrudierdüse mit 1,3 nun (oder geringerem) Durchmesser hindurch in Luft oder in eine ruhende Atmosphäre hinein erzeugt werden, wobei diese Atmosphäre in der in den US-Patentschriften 2.976.590 und 2.9Ο7·θ82 beschriebenen Weise nichtoxydierend oder reduzierend ausgebildet sein kann.

Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung von Fasern oder Fäden aus weißem Gußeisen besteht darin, Bänder, wie bei Spinn-Verfahren, von dem Rand einer sich drehenden Scheibe, Platte oder Schale in eine abkühlende Atmosphäre abzuleiten. Außerdem

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wurde festgestellt, daß solche Bänder oder Streifen durch Ausrichten eines freifallenden Stromes von schmelzflüssigem Metall auf die Oberfläche einer Ablenkplatte erzeugt werden können, welche derart ausgebildet ist, daß beim Ablenken ein fadenförmiges Erzeugnis entsteht. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung und der Ansprüche soll der Ausdruck "freifallende Abkühlung" alle Verfahren umfassen, bei denen der Faden in schmelzflüssiger Form in eine Atmosphäre fließt, in der die Verfestigung vor dessen Berührung mit einem festen Gegenstand stattfindet. Beispielsweise gehören dazu die Verfahren nach den vorgenannten US-Patentschriften 2.976.590 und 2.907.082 sowie nach der deutschen Patentanmeldung P 1 921 721 und das Herstellungsverfahren mit Verwendung einer "Ablenkplatte".

Der Ausdruck "Abkühlung in einer offenen Form" soll in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen die Verfahren und entsprechenden Erzeugnisse umfassen, bei denen der schmelzflüssige Faden auf einem festen, sich bewegenden Gegenstand auftrifft und sich dort verfestigt, beispielsweise auf einer sich drehenden Abschreckplatte oder -scheibe.

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O A <~i ο ο ο η - 1 «ί «_ O O U

-13-

Dieser Ausdruck gilt also für die Verfahren und Erzeugnisse nach den US-Patentschriften 2.875.108, 2.886.866, 2.799.728, 2.904.859 und 2.9IO.744.

Werden die Fäden auf eine sich bewegende Abschreckfläche, beispielsweise auf eine sich drehende Abschreckplatte oder auf ein endloses Band gerichtet, wie dies in den vorgenannten Patenten beschrieben wird, werden sie bandförmig und besitzen rechteckigen Querschnitt. Jedoch ist der Einfluss auf die sich ergebenden Fäden oder Fasern insofern der gleiche, als die flachen Fäden, die im Querschnitt eine maximale Bandlänge von 1,3 mm besitzen, die Struktur eines weißen Gußeisens aufweisen und ein ideales Material für Verstärkungszwecke ergeben.

Ein besonderer Vorteil in der Verwendung der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Gußeisen einen geringeren Schmelzpunkt als Stahl besitzt. Dies ist bedeutend für die Anwendung der zuvorbeschriebenen Verfahren der Herstellung von metallischen Drähten, Fäden oder Fasern. Wird z.B. das schmelzflüssige Metall durch eine Öffnung extrudiert, muss

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diese Düsenöffnung aus einem feuerfesten, gegen Verschleiß beständigen Material bestehen. Im allgemeinen steigt mit der Temperatur des schmelzflüssigen Metalles der Verschleiß. Der Schmelzpunkt von Stahl kann etwa 1.37O°C übersteigen, während der Schmelzpunkt von eutektische!»» Gußeisen bei ungefähr I.I5O C liegt. Demgemäß werden die Ablenkplatten und die sich drehenden Scheiben, Platten oder Schalen den Verschleißeinwirkungen bei der Berührung mit schmelzflüssigem Gußeisen weit langer als bei Berührung mit schmelzflüssigem Stahl* widerstehen.

Es sei bemerkt, daß In. vorliegender Beschreibung der Ausdruck "Gußeisen" sich auf die Verfahren und die Erzeugnisse gemäß der Erfindung bezieht und jede Legierung umfasst, die im wesentlichen aus Eisen und Kohlenstoff mit den üblichen Verunreinigungen und mit oder ohne den normalerweise dem Gußeisen zugefügten Legierungszusätzen besteht. Beispielsweise ist Grauguß, der innerhalb des Umfanges der vorliegenden Erfindung liegt, im Grunde genommen eine Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und Silicium. Jedoch kann er auch gewisse Legierungsmetalle allein oder in Kombination,hauptsächlich Chrom, Nickel, Molybdän und Aluminium, enthalten. Als Gußeisen werden hier

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alle Legierungen bezeichnet, die im wesentlichen aus Eisen und aus zwei bis sechs Gewichtsprozent Kohlenstoff bestehen und keinen Legierungsbestandteil enthalten, der die Eigenschaften der nach einem der vorgenannten Verfahren hergestellten Fäden oder Fasern derart verändert, daß diese vor der Wärmebehandlung keine Zugfestigkeit von mindestens l4O kg / mm vorweisen.

Die dem weißen Gußeisen entsprechenden Gefüge der Fäden, Fasern oder Drähte gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen hauptsächlich aus Martensit und Zementit (Karbiden). Das wärmebehandelte Gefüge kann aus Ferrit, Perlit, kugeligen bzw. körnigen Graphitflocken, Bainit oder aus gehärtetem Martensit bestehen.

BEISPIELE

Zur Ausübung der vorliegenden Erfindung werden gußeiserne Fäden mit einer mittleren bzw. durchschnittlichen Länge von

I₁
2,5 - 2,5 x 10 mm und einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa O_t25 mm nach dem "Pond"-Verfahren gemäß der deutschen Patentanmeldung P 1 921 721 vom 29. April I969, Bezeichnung "Verfahren zur Herstellung metallischer Drähte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" hergestellt. Bei diesem Ver-

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fahren wird das schmelzflüssige Metall senkrecht nach unten durch eine entsprechend dimensionierte Öffnung in eine Abkühl- bzw» Abschreckkammer hineinextrudiert. Diese Abkühlkammer besteht aus einer senkrecht angeordneten zylindrischen Säule, die mit einem zirkulierenden "Nebel" oder einem Flüssigkeiis-Aerosol als abkühlendes Medium gefüllt ist. Dieser Nebel oder dieses Fiüssigkeits-Aerosol wird durch Zerstäubungsdüsen erzeugt, die einen Aerosol- * Spray durch eine "C"-förmige Zusatzeinrichtung der zylindrischen Säule einleiten, wobei ein kreisförmiger Spray-Weg entsteht, der einen Teil der vertikalen Säule einnimmt.

In dem vorliegenden Beispiel besteht diese vertikale Säule aus einer Rohre mit einem Durchmesser von 152 mm (6 Inch) und einer Höhe von nahezu 1,85 m (6 Fuß). Ein Strom von schmelzflüssigem Gußeisen (3,37 % C; 2,45% Si; 0,54% Mn; 0,13% P und 0,06% S₁ sämtlich Gewichtsprozent; einem Kohlenstoffäquivalent von 4,23j das nahezu eutektisehern Gußeisen entspricht) wurde vertikal nach unten in die Säule hinein extrudiert, dort abgekühlt und in einem wässerigen Aerosol vor dem Verflüchtigen bzw. Ausbreiten zu Fäden über etwa 45 mm (1,8 Inch) Länge verfestigt.

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Das schmelzflüssige Gußeisen wurde aus einem Graphittiegel (2 5 nun im Durchmesser, 250 mm lang und mit einer Kapazität von etwa 0,9 kg) extrudiert. Die Extrusion erfolgte durch die Öffnung in einer feuerfesten Platte. Der Tiegel war umgeben von Heizelementen, um das Schmelzen des Gußeisens zu erreichen. Das schmelzflüssige Gußeisen wurde aus dem Tiegel durch die Öffnung einer Anordnung gemäß den US-Patentschriften 2 .976.590 und 2.907.082 hindurchgepresst. Der Extrusxonsdruck lag bei etwa 1,4 at (20 psi). Die Drähte bzw. Fäden wurden in einem Wasserbecken aufgesammelt, das unterhalb der vertikalen Säule angeordnet war.

Die mikroskopische Prüfung der geätzten und nichtgeätzten Proben der in der beschriebenen Weise hergestellten Drähte bzw. Fäden zeigte ein dendritisches Martensit-Eisen-Karbid-Gefüge, wie es für weißes Gußeisen typisch ist. Diese Fäden waren äußerst hart und besaßen eine unerwartet hohe Zugfestigkeit.

Entsprechende, jedoch etwas anders gestaltete gußeiserne Fasern wurden nach dem Verfahren mit "Abkühlen in halboffener Form" gemäß der US-Patentschrift 2.825.I08 hergestellt (Erfinder dieser Patentschrift ist R.B. Pond; Titel "Metallic

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Filaments and .Method of Making Same")· Diese Fasern zählen aufgrund ihrer flachen Form zu den bandförmigen Fäden aus .Gußeisen. Das Verfahren beinhaltet im wesentlichen das Extrudieren von schmelzflüssigem Metall durch eine kleine Öffnung oder durch Öffnungen in einem ständigen Strom auf die Oberfläche einer sich drehenden Scheibe oder einer Abschreckplatte. Diese Scheibe oder Platte bewirkt das Abschrecken und Verfestigen des schmelzflüssigen Stromes, wobei flache Metallfaden oder -bänder entstehen.

Bei einem solchen Verfahren wurde ein Graphittiegel oder

Kapazität
Behälter mit einer/für etwa 110 g schmelzflüssiges Eisen.

(mit einer Temperatur von etwa 1,320 C) verwendet. Das Metall wurde durch eine fe.:uerfeste Platte mit vier Offnungen von etwa 0,25 nun Durchmesser (mit einer Geschwindigkeit von P 23 m / Sek. und einem Druck von etwa 0,A2 at) auf einen sich drehenden Block oder eine Platte mit etwa 76 mm Durchmesser (Gewicht etwa 0,^5 kg)extrudiert.

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Der Abkühlblock bzw. die Abkühlscheibe bestand aus Kupfer und besaß eine mit Chrom plattierte oberfläche. Vier stabile Strahlen innerhalb eines Bereiches von etwa 13 nun Durchmesser wurden" ausgebildet. Alle vier Ströme waren gleichzeitig auf die um sechs Grad angewinkelte (Winkel zwischen der Normalen der Scheibe

und deren Rotationsachse ) chromplattierte Kupferscheibe gerichtet, die mit etwa 6OO Umdrehungen /Min. rotiert. Die gußeisernen, bandförmigen Fasern mit einer Dicke von ungefähr 0,008 mm, einer Breite von etwa 0,25 mm und Längen zwischen 6 und I50 mm (l/k - 6 inches) wurden in "halboffener Form abgekühlt". Es ergab sich eine Ausbeute von nahezu 100%.

Die folgenden Werte (Tabelle I) zeigen die Härte und die darauf zurückgehende Zerreißfestigkeit der gußeisernen, bandförmigen Fasern, die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Es ist natürlich nicht möglich, die Zerreißfestigkeit bzw. Zugfestigkeit von Fasern solch eines geringen Durchmessers mit herkömmlichen "Ziehverfahren" genau zu messen, weil in solchen dünnen Fasern Mangel zwangsläufig vorhanden sind, welche die Ergebnisse nachteilig beeinflussen. Außerdem ist es in Wirklichkeit unmöglich, genau die Querschnittsabmessungen einer solchen

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Faser zu bestimmen oder deren Enden sicher zu erfassen. Infolge-dessen werden die Festigkeitseigenschaften solcher Fasern durch· Messung der Fasernhärte mit Hilfe wohlbekannter Mikrohärte-Messverfahren bestimmt, und sodann diese Messergebnisse auf die äquivalenten Zugfestigkeiten umgerechnet.

Die Härte dieser Fasern wurde dadurch bestimmt, daß in polierte, ebene Flächen dieser - in Bakelit eingebetteten Fasern eine Knoop-Diamantprüfspitze eingedrückt wurde, wobei Lasten von 25 und 50 S verwendet wurden (in solche kleinen Oberflächenbereiche kann nur eine kleine Einkerbung vorgenommen werden). Diese Einkerbung wurde mit einem Mikroskop mit üblicher Teilung, bekannt als Filer-Teilung (FT), gemessen und in Knoop-Mikrohärtezahlen umgerechnet. Die 25 und 50 g Härtewerte wurden in eine 500 g-Knoop-Messung zur leichteren Umwandlung in Brinell-Härtezahlen umgewandelt, die wiederum unter Verwendung von Umrechnungstabellen in Zugfestigkeitswerte umgewandelt wurden (verwendet wurden Tabellen aus dem "A.S.M."-Handbook).

In der folgenden Tabelle I wurde die Summe von mindestens fünf Einkerbungen in jeder Probe ermittelt, um einen guten Mittelwert zu erhalten.

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TABELLE

PROBE NR.

Gußeisen	i_ro6	842
Draht,Band	1,11	767
	1,04	877
abgekühlt in	1,12	757
halboffener Form	1,11	767
	1,76	05=
	1,58
	1,60
	1,61
	1,62
	1,79
	1,69
IO9O Stahl	1,13	742
	1,10	782
abgekühlt in	1,10	782
halboffener Form	1,12	757
	1,11	767^·
	1,67	⁷
	1,63
	1,62
	1,65
	1,61

KNOOP - MIKROKAMMER - WERT BRINELL-F.T-25 g 50 g 500 g ZAHL.

ZUGFESTIGKEIT in kg /

6 IQ^ 53 4*=?

187

176

580=

179

582*

179

PO ΓΌ DJ CD O

Fortsetzung TABELLE I

	PROBE NR.	F. T.	KNOOP-	MIKROKAMMER -	WERT	BRINELL-	ZUGFESTIGKEIT
	Gußeisen	1,06	25 Ä	50 g	500 κ	ZAHL	in kg / ram
	Draht	1,01	842
		1,02	928
	freifliegend	1,04	909		-
	abgekühlt	1,04	875
		1,05	875
—»		l,06	859
O			842
co co		1,55	BtTTs		66OS	566=	198
art		1,51		785
O		1,50		828
		1,54		840
		1,50		796
--*		1,52		840
O CJT		1,58		817
				755
	Gußeisen	2,19			66o=r	566="	I98
	Draht	2, 16			658*
	freifliegend	2, 18			676
	abgekühlt	2, 14			664
		2, 12			689
		2,17			702
		2,17			670
	*Direkte Messung				670
				τις*	511=	202

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Den Werten dieser Tabelle I ist leicht zu entnehmen, daß gußeiserne, "in halboffener Form abgekühlte" oder "freifliegend abgekühlte" Fasern gemäß der vorliegenden Erfindung eine unerwartet hohe Zugfestigkeit besitzen, welche die Werte erreicht oder übertrifft, die bei äquivalenter "Abkühlung in halboffener Form" von hochwertigem Kohlenstoffstahl (Typ 1090) erreichbar sind. Diese Eigenschaften sind bedeutend, weil sie einen Weg weisen, mit wirtschaftlichen Mitteln Fasern äußerst hoher Festigkeit zu erzeugen, die ins^besondere als Verstärkungsmaterialien für Verbundwerkstoffe, d.h. zur Verstärkung von Kunststoff, Keramik, Beton, Zement usw. geeignet sind.

Gußeiserne Fasern (mit etwa 3i6 Gewichtsprozent C und 2,00 Gewichtsprozent Si), die gemäß der Erfindung mit dem oben beschriebenen Verfahren unter "Abkühlung innerhalb offener Form" mit einer Breite von ungefähr 0,25 mm und einer Dicke von etwa 0,05 mm hergestellt sind, zeigen eine Zugfestigkeit von ungefähr 210 kg / mm . Diese Fasern wurden untersucht, um deren Feinstruktur sowie die Auswirkungen der Wärmebehandlung und der Entkohlung zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle II zusammengefasst.

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-23-TABELLE II

O
CD
OO

PROBE

Aus der Schmelze gezogen;
im Gußzustand

E-MODUL (1) (2) (3) Zugfestigkeit (4) in lo3kg/mm² KHZ BHZ in kg / mm² Mjkrostruktur

A D E

Freifliegend

im Gußzustand 1

Aus der Schmelze gezogen A 870 C D

15 Min. E in
Helium

Aus der Schmelze gezogen
87O⁰C
1 Stunde
Naß

Wasserstoff
(4900 cc/min,
4-1/2" H₂O)

A D

22,7 21,4 23,8 22,8 Durchschnitt

21,4

820 67Ο

21,4

22,5 20,4 21,5 Durchschnitt

320 255

22,4 26,3 19,4 22,6

I60 I35

Durchschnitt

23I

87,5

45,5

Weißes Gußeisen (Martensit plus

Zementit)
dendritisch

Graphitisiert

(Ferrit,
Perlit plus
Dispersion von kleinen Graphit flocken

Ferritisch

Silikon

Stahl

-23a-Fortsetzung TABELLE II

Zusammensetzung

Im Gußzustand	3,	6	■■■■ 2,	00
87O⁰C	3,	0	1,	9k
15 Min.
Helium
87O°C -	0,	2	2,	15
1 Stunde
Naß
Wasserstoff

Vor dem Gießen:

3,3^C; 1,99 Si; 0,6 Mn

0,11 P; 0,01 S.

(1) E= Elastizitätsmodul; der tatsächliche Wert von E liegt schätzungsweise innerhalb von 10% des angegebenen Wertes

(2) KHZ= Knoop-Härtezahl (100 g - Last)

(3) BHZ= Brinell-Härtezahl (durch Umkehrung errechnet)

(k) Zugfestigkeit wurde aufgrund der Härte geschätzt ("ASM Metals Handbook", 8. Auflage, Band 1)

CO CO O

2122300 Üb

Die Werte der Tabelle II sind insbesondere deswegen interessant, weil sie zeigen, daß gußeiserne Fasern, die mit Hilfe der Verfahren mit "freifliegender Abkühlung" oder "Abkühlung innerhalb offener Form" hergestellt sind, nicht nur eine im Vergleich zu normalem Stahl höhere Zugfestigkeit aufweisen, sondern weil aus dieser Tabelle auch hervorgeht, daß die Fasern auf ψ mittlere Werte der Härte und Zugfestigkeit wärmebehandelt werden können. Dies ist bedeutend, weil die Wärmebehandlung, wenn die Fasern hoher Festigkeit für einen praktischen Einsatz als Verstärkungsmaterialien zu spröde sind (d.h. zum Verstärken von Beton, in dem das Gemisch Bewegungen ausgesetzt ist), bis zu einer gewünschten mittleren Zugfestigkeit und Härte durchgeführt werden kann, um die Sprödigkeit in geeigneter Weise zu reduzieren.

^ Es ist bemerkenswert, daß der Elastizitätsmodul des Drahtes^ dea Fadens oder der Faser gemäß der vorliegenden Erfindung

bei weitem die Werte übertrifft, die für Gußeisen erwartet werden können. Im allgemeinen liegt der Elastizitätsmodul für Gußeisen innerhalb des Bereiches von etwa 10 - 20 χ 10 kg /

ty

«äiH"e Tabelle II zeigt jedoch Werte für den Elastizitäsmodul

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des Drahtes oder des Fadens nach der Erfindung, der 20 x 10 kg / mm sowohl im Gußzustand als auch nach Wärmebehandlungen bzw. Glühungen übertrifft. Solche Eigenschaften nähern sich solchen von Stahl an. Diese Erkenntnis ist von Bedeutung, weil ein hoher Elastizitätsmodul für die Verwendung zur Verstärkung vieler Materialien erforderlich ist.

Bemerkenswert ist weiterhin, daß der Faden im Gußzustand das typische Gefüge von "weißem Gußeisen" (dendritisches Martensit plus Zementit) aufweist, während die geglühten Fasern Ferrit, Perlit und feinverteilte, teilweise kugelförmige Graphitflocken zeigen. Die Bedeutung der letztgenannten Struktur liegt darin, daß sie dehnbar, verformbar bzw. duktil im Vergleich zu Grauguß ist, und daß infolgedessen Fasern gebogen oder verdreht werden können, wenn sich dies als notwendig erweist, um ein geeigneteres Verstärkungsmaterial herzustellen, bei dem Sprödigkeit zu beachten ist.

Die Tatsache, daß die Fasern soweit dekarbonisiert werden

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können, daß sie Silicium-Stahlfasern äquivalent sind, ist ebenfalls wichtig, weil damit eine Möglichkeit zur Herstellung von Stahlfasern mit Hilfe der Verfahren mit "Abkühlung innerhalb offener Form" und "freifliegender Abkühlung" gegeben ist, ohne daß hohe Temperaturen zum Schmelzen des Stahles erforderlich sind. Diese Erkenntnis erweitert die Verwendbarkeit und Nützlichkeit dieser vorgenannten Verfahren zur Herstellung von Drähten, Fäden oder Fasern.

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Claims

Patentansprüche 21223 8

1. Aus Gußeisen bestehende Drähte, Fäden oder Fasern mit einem mittleren Durchmesser bis zu etwa 1,3 nun, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine dendritische Martensit-Zementit-Struktur aufweisen und eine Zugfestigkeit über l40 kg / mm sowie einen Elastizijbäts-

3 2 modul über 20 χ 10 kg / mm besitzen.

2. Drähte, Fäden oder Fasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen zwischen etwa 2 und 6 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält.

3. Drähte, Fäden oder Fasern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine im wesentlichen aus Ferrit, Perlit und fein verteiltem Graphit bestehende Feinstruktur aufweisen sowie daß sie eine größere Dehnbarkeit als gleichbemessene Drähte, Fäden oder Fasern mit der Feinstruktur von "weißem Gußeisen"

3 und außerdem einen Elastizitätsmodul über 20 χ 10 kg/mm

besitzen.

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k. Verbundwerkstoff mit einer festen nichtmetallischen Matrix und mit Verstärkungseinlagerungen in Form von fein verteilten Drähten, Fäden oder Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinlagerungen . im wesentlichen aus einer Legierung auf Eisenbasis mit 2 bis 6 Gewichtsprozent Kohlenstoff bestehen.

5· Verbundwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Legierung Gußeisen vorgesehen ist.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinlagerungen einen mittleren Durchmesser unter etwa 1,3 nun aufweisen.

7. Verbundwerkstoff nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß dieser als Verstärkungseinlagerungen Drähte, Fäden oder Fasern nach einem der Ansprüche 1-3 enthält.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix im wesentlichen aus Kunststoff, Harz, Keramik, Zement oder Beton besteht.

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9· Verfahren zur Herstellung von metallischen Drähten,

Fasern oder Fäden, bei dem ein schmelzflüssiger Strom in einen atmosphärischen Bereich geleitet und dort "freifliegend abgekühlt bzw. abgeschreckt" wird, wobei eine Verfestigung vor der Ausdehnung bzw. Verflüchtigung oder Zerstäubung des Stromes stattfindet und bei dem dieser Strom auf einen festen Gegenstand auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom aus schmelzflüssigem Gußeisen mit etwa 2 bis 6 Gewichtsprozent Kohlenstoff in diesen schmelzflüssigen Strom eingeleitet wird.

10. Verfahren zur Herstellung von metallischen Drähten, Fäden oder Fasern unter Anwendung der "Abkühlung bzw. Abschreckung in halboffener Form", wobei ein schmelzflüssiger Strom auf eine sich bewegende Abkühlfläche geleitet wird, auf der die Verfestigung vor einer Ausdehnung bzw. Verflüchtigung oder Zerstäubung des Stromes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmelzflüssiger Strom aus Gußeisen mit etwa 2 bis 6 Gewichtsprozent Kohlenstoff auf diese sich bewegende Abkühlfläche geleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der schmelzflüssige Strom eine derartige Dicke aufweist, daß sich gußeiserne Drähte, Fäden oder Fasern mit einem maximalen mittleren Durchmesser von 1,3 mm ergeben.

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12. Verfahren zur Herstellung von Drähten, Fäden oder Fasern mit einer üblichem Stahl entsprechenden Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom aus schmelzflüssigem Gußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 2 bis 6 Gewichtsprozent in Luft eingeleitet wird, die eine Verfestigung dieses Stromes vor dem Ausdehnen bzw. Verflüchtigen oder Zerstäuben dieses Stromes und vor dessen Auftreffen auf einen festen Gegenstand hervorruft, wobei gußeiserner Draht mit etwa 2 bis 6 Gewichtsprozent Kohlenstoff entsteht, und daß diese Drähte bzw. die Fäden oder Fasern bei Temperaturen über etwa 65O C, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes dieses Gußeisens,in einer dekarbonisierenden Atmosphäre für eine derartige Zeitspanne wärmebehandelt werden, daß eine Dekarbonisierung bis auf einen Kohlenstoffgehalt unter etwa 2% erreicht wird.

13· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom von schmelzflüssigem Gußeisen zur Verfestigung auf eine sich bewegende Abkühlfläche geleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12' oder I3» dadurch gekennzeichnet, daß diese zur Herstellung von verformbaren, aus Gußeisen bestehenden Drähten, Fäden oder Fasern mit einem mittleren Durchmesser von maximal 1,3 nun verwendet wird.

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