DE2202022C3

DE2202022C3 - Elastischer Metallfaden und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2202022C3
Application number: DE2202022A
Authority: DE
Inventors: James E. Burlington Kelly; John A. North Chelmsford Roberts; Peter R. Groton Roberts
Original assignee: Brunswick Corp
Current assignee: Brunswick Corp
Priority date: 1971-02-24
Filing date: 1972-01-17
Publication date: 1979-08-30
Also published as: CA953168A; DE2202022B2; JPS5413538B1; DE2202022A1; US3699768A

Description

Die Erfindung betrifft einen elastischen Metallfaden der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aus der US-PS 30 90 189 ist ein elastisches Metallkabel bekannt, das als sogenannter Verstärkungscord für Fahrzeugreifen, Antriebsriemen oder metallisch verstärkte Gewebe verwendet wird. Bei einer Ausführungsform werden endlose Metallfasern um einen Kern verhältnismäßig lose verdrillt, der anschließend wieder entfernt wird. Durch den dabei entstehenden Hohlraum können sich die Metallfasern bei Zugbelastung des Kabels zusammenziehen, so daß eine relative Elastizität in Kabellängsrichtung gegeben ist. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß beim Zusammenziehen der Metallfasern der elastische Effekt der Verdrillung aufgehoben wird und die Metallfasern sehr stark verdreht und gedehnt werden. Sie können danach nicht mehr in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Bei einer zweiten Ausführungsform werden die eine Hülle bildenden Metallfasern um einen Kernfaden herum verdrillt, der in Kabellängsrichtung elastisch ist. Die Elastizität bzw. Dehnbarkeit dieses Kabels ist primär abhängig von der Elastizität des Kernfadens. Dieser kann jedoch im Hinblick auf eine notwendige Gesamtreißfestigkeit nur verhältnismäßig gering sein. Elastizitätsmindernd wirkt sich ferner aus, daß die Metallfasern der am Kernfaden aufliegenden Hülle bei Dehnung des Kabels sehr rasch auf den Kernfaden gepreßt werden, so daß der Elastizitätseffekt der Verdrillung aufgehoben wird und die Metallfasern in der Hülle einer unmittelbaren Zugspannung unterliegen, die einer weiteren Dehnung des Kabels entgegensteht. Daraus resultiert die angegebene, relativ geringe Dehnung von 6 bis maximal 12%, die zudem erst bei starken Zugbelastungen erreicht werden kann. Die bekannten Metallkabel sind nicht geeignet, mit organischen Fasern oder Garnen vermischt verarbeitet zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

elastischen Metallfaden zu schaffen, der sich gegenüber den bekannten Metallkabeln bereits bei geringer Zugbelastung durch eine erheblich höhere Elastizität bzw. Dehnbarkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung des Effekts der Verdrillung unter großer Zugbelastung auszeichnet

Diese Aufgabenstellung ergibt sich aus dem Bestreben, einen Metallfaden zu finden, der über einen möglichst großen Bereich in der Elastizität bzw.

ίο Dehnbarkeit mit organischen oder synthetischen Fadengarnen vergleichbar ist und sich deshalb mit letzteren zu Mischgarnen oder Mischgeweben verarbeiten läßt, ohne ihre Elastizität bzw. Dehnbarkeit zu beeinträchtigen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elastischen Metallfaden gelöst, bei dem die im Kennzeichen des Haupianspruchs angegebenen Merkmale verwirklicht sind. Beim erfindungsgemäßen Metallfaden werden bei einer Dehnung in Längsrichtung die gleichsinnig verdrillten Metallfasern der Hülle durch den Hohlraum einwärts gezogen, bis die auf den in Stücke gerissenen Kernfaden aufliegen. Diese radiale Zusammenziehung erfolgt bereits bei geringen Zugbelastungen, da nur die durch den Drilleffekt bedingte Rückstellkraft der Metallfasern zu überwinden ist Gleichzeitig führt das radiale Zusammenziehen der Hülle zu einem sehr langen Dehnungsweg in Fadenlängsrichtung. Besonders günstig ist dabei, daß der Kernfaden ein Entdrillen der Metalifasern der Hülle am Ende der Dehnungsphase verhindert, ohne zuvor der Dehnung entgegenzuwirken. Erst wenn die Metallfasern der Hülle sich auf dem Kernfaden abstützen, liegt ein Metallfaden vor, der in der Lage ist, auch hohe Zugbelastungen aufzunehmen.

Dieser Metallfaden läßt sich beispielsweise von Hand ähnlich wie ein wolifaden dehnen und springt nach Loslassen wieder auf die ursprüngliche Länge zurück. Diese Eigenschaft gestattet es vorteilhafterweise, den Metallfaden als Komponente eines Mischgarnes oder eines Mischgewebes zusammen mit organischen oder synthetischen Fasern, Fäden oder Garnen einzusetzen, ohne deren Elastizitätsverhalten oder den »Griff« des Mischgewebes zu verschlechtern. Die Verstärkungswirkung der Metallfäden tritt erst nach einer Dehnung ein, bei der auch die Elastizität der organischen oder synthetischen Fäden oder Garne erschöpft ist. Diese Metallfäden sind deshalb hervorragend für Schutzbekleidungsgewebe, für Kraftstoffschlauchleitungen oder als Reifenverstärkungscord verwendbar, wobei sie auch

so eine gute elektrische Leitfähigkeit garantieren.

Ausgehend von einem Verfahren, wie es aus der US-PS 35 05 039 bekannt ist, um Bündel aus geradlinigen Metallfasern geringer Dicke aber hoher Zugfestigkeit herzustellen, gibt Anspruch 2 ein Verfahren an, mit dem erfindungsgemäße Metallfäden bevorzugt herstellbar sind. Dadurch, daß die Hülle mit dem Kern und dem Kernfaden in einem Mantel eingebracht darin gezogen und auch gedrilllt wird, kommen ansonsten benötigte, aufwendige Einrichtungen in Fortfall, mit denen die aus

fao einer großen Zahl einzelner und extrem dünner Metallfasern bestehende Hülle um den Kern aufgebaut werden müßte. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß durch die Verfahrensschritte in der Hülle besonders gleichmäßige und zugfeste Metallfasern in exakter

b5 Drillanordnung erzielt werden. Die an sich empfindlichen Metallfasern werden während des größten Teils des Verfahrens schonend eingebettet und gegen schädliche mechanische Einwirkungen geschützt.

Eine weitere, zweckmäßige Verfahrensmaßnahrne zum Herstellen erfindungsgemäßer Metallfäden gibt in diesem Zusammenhang Anspruch 3 an. Die Metallfasern der Hülle sind auf diese Weise zwischen zwei schonenden und die auftretenden Belastungen gleichmäßig verteilenden Schichten eingebettet

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Metali-Fadens,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines ungespannten Metallfadens bei dessen Herstellung,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den fertigen Metallfaden gemäß F i g. 2, jedoch axial gespannt,

Fig. 4 eine Mikrofotografie eines Schliffbildes (50fache Vergrößerung) des Metallfadens vor dem Entfernen des Kerns,

F i g. 5 eine Mikrofotografie (200fache Vergrößerung) eines Schliffbildes einer weiteren Ausführungsform eines Metallfadens vor dem F.ntfernen des Kerns und

F i g. 6 ein Schema zum Erkennen der geometrischen Faseranordnung in einem Metallfaden.

Ein Metallfaden 10 gemäß F i g. 1 besteht aus einer Vielzahl von zu einer Hülle verdrillten, endlosen Metallfasern 12, die einen in Fadenlängsrichtung verlaufenden Hohlraum 13 umgeben, in dem zentrisch ein aus Metall bestehender Kernfaden 14 gelagert ist. Die Fasern 12 sind im gleichen Drehsinn verdrillt Der Kernfaden 14 ist, wie später erläutert wird, über die Fadenlänge in einzelne Stücke gerissen. Sein Außendurchmesser ist wesentlich geringer als der Innendurchmesser der Hülle.

Zur Fadenherstellung (F i g. 2) werden die einzelnen Komponenten zunächst in einem Mantel 22 zusammengefaßt Der Mantel 22 bildet einen sogenannten Knüppel. Dieser besteht aus auflösbarem Fasereinbettungsmaterial, das einen Kern 16 bildet und den Metallfasern 12. Zentrisch im auflösbaren Kern ist wenigstens ein metallischer Kernfaden 14 vorgesehen. Der Knüppel wird bei der Herstellung des Fadens 10 mehreren Ziehschritten unterworfen, wobei der Mantel 22 und der Kern 16 eine schonende Behandlung der Fasern 12 gewährleistet Während einem der letzten Ziehschritte wird auf die äußeren Fasern 12 ein schraubenförmiger Drill übertragen, indem der Mantel 22 verdrillt wird. Dadurch werden die Fasern 12 im Abstand konzentrisch schraubenförmig um den Kern 16 gehalten, ehe durch z. B. einen chemischen Angriff auf den Mantel 22 und den Kern 16 diese entfernt werden. Selbstverständlich können auch andere Verfahren zum Entfernen des Mantels und des Füllmaterials aufgewendet werden. Um den Kernfaden 14 entsteht nach Auflösen des Kerns 16 der Hohlraum 13 (Fig. 1). Außerhalb der die Hülle bildenden Fasern 12 sind, wie in Fig.2, 3, 4, 5 gezeigt, weitere auflösbare Fasern 20 angeordnet, deren Beschaffenheit ähnlich der des Kerns 16 ist. Die Fasern 16 haben den Zweck, eine gleichförmige Verformung der Fasern 12 und der to mittleren Faser 14 während des Zieh- und Drill-Verfahrens sicherzustellen. Es werden zum gleichen Zweck ferner die endlosen Fasern 12 in zusätzliche Hüllen (15c, d, Fig.4, Fig.5) eingebracht. Durch den Kern 16 und dessen Dimensionierung kann die angestrebte Zugfe- 6^r> stigkeit, Dichte und das Gewicht des Metallfadens variiert und vorbestimmt werden. Die Fasern 20 füllen den im Mantel 22 nicht durch die in sechseckiger Anordnung vorliegenden Fasern 12 bestzxen Raum aus, so daß eine gleichförmige Verformung der Fasern 12,14 und 16 während der Herstellung erfolgt

Unter Berücksichtigung der Dehnbarkeit des fertigen Metallfadens 10 gilt für den Drillradius R₀ bei ung;spanntem Faden nachfolgende Gesetzmäßigkeit:

/F

Dabei ist:

Ro der ursprüngliche Drillradius bei ungespanntem

Faden,
R\ der Drillradius bei Spannung des Fadens,

E - , = die geometrische Dehnung von Lq zu Li

Lq die ursprüngliche Faserlänge,

L\ die endgültige Faserlänge,

Do der anfängliche Faserdurchmesser,

D\ der Faserdurchmesser nach dem Auflösen, des

Kerns und der Fasern 20,
/Io die ursprüngliche Windungsanzahl des Drill je

2,54 mm und
A 2π.

Der in F i g. 6 gezeigte Radius R der schraubenförmig verdrillten Faserschichten, bezogen auf die Lagen A, B, C, D usw. ist in der sechseckigen Anordnung gleich Ro, und zwar bei ungespanntem Faden (F i g. 1 und 2), hingegen ist unter ihm R\ zu verstehen, wenn der Faden gespannt ist (F i g. 3).

F i g. 2 zeigt die Anordnung der äußeren Fasern 12 im ungedehnten Faden. Das Aufbringen von Zujjhplastnng bewirkt, daß die Fäden 12 sich durch den nach dem Entfernen der auflösbaren Kernfasern 16 gebildeten Hohlraum 13 (F i g. 1) bewegen. F i g. 3 zeigt den Faden 10 unter axialer Zugbelastung und die Fasern 12 in ihrer dichtesten Anordnung, wobei in dieser Anordnung die Festigkeit des Fadens 10 durch Verteilen der Zugbelastung auf die einzelnen Fasern 12 optimiert wird.

Ausführungsbeispiel 1

(F ig. 2 und 5)

(Materialbezeichnungen gemäß AISI:
American Iron and Steel Institute-Standard);

Die Fasern 12c bestehen aus korrosionsbeständigem Stahldraht (AlSI-Stahl 304) mit 2,032 mm Durchmesser. Jede Faser 12c trägt eine zusätzliche Hülle 15c, und zwar ein AISI-Monel-400-Rohr mit 2,921 mm Außendurchmesser und 2,54 mm Innendurchmesser. Der Mantel 22c besteht aus Weicheisen und hat einen Außendurchmesser von 31,0134 mm und einen Innendurchmesser von 26,8986 mm. Einhundertsechsundfünfzig (156) der umhüllten Fasern 12c, einhundertvierundfünfzig (154) der auflösbaren Fasern 16c und ein Kernfaden 14c wurden in den Mantel 22c mit Fasern 20c eingesetzt. Der Mantel 22c wurde auf unter 0,1 μbaΓ bei 426,7° C evakuiert und abgedichtet. Damit entstand ein sogenannter Knüppel. Dieser wurde dann bei 982,2° C sechs Stunden in einem Graphitbehälter warmbehandeM Der Knüppel wurde danach durch Ziehvorgänge um das 17fache im Durchmesser reduziert und anschließend kalt auf seinen Enddurchmesser gezogen. Zwischenglühungen wurden vorgenommen

(7,87 sek/mm bei 982,2° C). Dann wurde bei 0,5715 mm

Enddurchmesser verdrillt auf einen Drill von 10 Windungen je 25,4 mm. Anschließend wurden die Monel-Hüllen und der Mantel in üblicher Weise, z. B. mittels Salpetersäure, aufgelöst. Der Kernfaden wurde durch Recken in Stücke gerissen. Der gebildete Faden 10 hatte dann eine mittlere geometrische Dehnung von 20% und eine mittlere max. Zugfestigkeit von etwa 1470 kp/cm².

Ausführungsbeispiel 2
(F ig-4)

Fasern 12c/ aus AlSI-Stahl 304 mit 2,032 mm Durchmesser erhielten eine Hülle 15c/ aus AISI-Monel 400 in Form von Rohren mit einen Außendurchmesser von 2,921 mm und einem Innendurchmesser von 2,54 mm. Der Mantel 22c/ bestand aus Weicheisen mit einem Außendurchmesser von 50,8 mm und einem Innendurchmesser von 48,69 mm. Fünfhunderteinundsiebzig (571) umhüllte Fasern 12c/, fünfhundertneunundsechzig (569) auflösbare Kernfasern 16c/ und ein Kernfaden 14t/ wurden im Mantel 22t/ mit auflösbaren Fasern 20c/ zusammengefaßt. Der Mantel 22c/wurde auf unter 0,1 μbar bei 426,7°C evakuiert und abgedichtet. Der gebildete Knüppel wurde dann bei 982,2° C 6 Stunden in einem Graphitbehälter warmbehandelt. Der Knüppel wurde durch Strangpressen im Durchmesser um das 16fache reduziert und kalt auf den endgültigen Durchmesser von 10,16 mm mit Zwischenglühungen (7,87 sek/mm bei 982,2° C) gezogen. Im letzten Kaltzug auf 10,16 mm Durchmesser wurde auf neun Windungen je 25,4 mm verdrillt. Danach wurden die Monel-Hüllen

ίο aufgelöst. Der Kernfaden wurde durch Recken in Stücke gerissen. Der entstehende Faden hatte eine mittlere Dehnung von 20% und eine mittlere max.

Zugfestigkeit von etwa 3207,05 kg/cm².

F i g. 4 zeigt eine Mikrofotografie (50fache Vergrößerung) eines Schliffbildes des Fadens lOt/mit dem Mantel 22</, der fünfhunderteinundsiebzig (571) Fasern 12c/und den Kernfaden 14c/ aus korrosionsbeständigem Stahl enthält. Die Fasern 16c/wurden während dem Verfahren zu einer gleichförmigen Masse, wie auch die Fasern 20c/.

F i g. 5 zeigt eine Mikrofotografie (200fache Vergrößerung) eines Schliffbildes des Fadens 10c im Mantel 22c mit einhundertsechsundfünfzig (156) Fasern 12c, dem Kernfaden 14c und gleichförmig verteilten Fasern 16a Die Fasern 20c sind miteinander verschmolzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elastischer Metallfaden mit einer Hülle aus einer Vielzahl von im gleichen Drehsinn um einen Kernfaden verdrillten, endlosen Metallfasern, dadurch gekennzeichnet, daß bei ungespanntem Faden (10) der Außendurchmesser des aus Metall bestehenden Kernfadens (14) zur Ausbildung eines in Fadenlängsrichtung verlaufenden Hohlraums (13) kleiner ist als der Innendurchmesser der Hülle (12), und daß der Kernfaden (14) über die Länge des Fadens in Stücke gerissen ist

2. Verfahren zum Herstellen eines Metallfadens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hülle bildenden Metallfasern mit dem Kern in einen auflösbaren Mantel eingebracht werden, daß der Mantel unter Durchmesserreduktion gezogen und verdrillt wird, daß der Mantel und der Kern entfernt werden und daß danach der Kernfaden durch Längsdehnen des Metallfadens in Stücke gerissen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Hülle und den Mantel eine auflösbare Faserzwischenschicht eingebracht wird.'