DE2402512B2 - Verfahren zur herstellung von fadenfoermigem material - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von fadenförmigem Material mittels eines rotierenden, wärmeableitenden Bauteils direkt aus einer Schmelze, die bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 25% um den in ⁰K bestimmten Schmelzpunkt eine Viskosität von 0,001 bis l,0P und eine Oberflächenspannung von 10 bis dyn/cm aufweist, wobei das fadenförmige Material von dem rotierenden Bauteil unter Mitwirkung einer Zentrifugalkraft abgelöst wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DT-OS 22 25 684 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden keine äußeren Kräfte an den Faden angelegt, wenn er das rotierende, wärmeableitende Bauteil verläßt, und als Folge davon variiert der Ablösungspunkt des Fadens während des Verfahrens ein wenig.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß insbesondere bei der Herstellung von Fäden oder Drähten geringen Durchmessers diese nach Ablösen von dem rotierenden Bauteil leicht brechen. Die Herstellung kontinuierlicher Fäden wird hierdurch beeinträchtigt. Außerdem kann der entstehende Faden meistens nur sehr schwierig aufgenommen und aufgespult werden, da — neben der erwähnten Bruchanfälligkeit — die Ablösestelle des Fadens von dem Bauteil in Grenzen variiert, was die Aufnahme oder das Erfassen des Drahtes erschwert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Bruchhäufigkeit des gebildeten Fadens im Anschluß an seine Ablösung von dem umlaufenden Bauteil wesentlich herabgesetzt wird und bei dem eine verbesserte Aufnahmemöglichkeit des gebildeten Fadens gegeben ist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf das fadenföimige Material eine von außen angreifende Zugkraft ausgeübt und das fadenförmige Material durch diese Zugkraft in gleitende Berührung mit einem zwischen dem Ablösepunkt des fadenförmigen Materials von dem rotierenden Bauteil und dem Ort der Aufbringung der Zugkraft angeordneten Auflageteil gebracht wird.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß beim Anlegen einer Zugspannung an den Faden und bei dessen Auflegen oder Abstützen die von Natur aus vorhandene, variable Adhäsionskraft zwischen dem Faden und dem rotierenden Bauteil überwunden und so der Ablösungspunkt des Fadens vom Bauteil stabilisiert wird. Überaus bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß es durch das Anlegen der erfindungsgemäßen zusätzlichen Zugkraft, auch wenn diese in Grenzen schwankt, nicht zu einem an sich erwarteten Fadenbruch kommt, sondern daß vielmehr das bisherige, oft zum Bruch führende Ausknicken von mit hohen Geschwindigkeiten in eine gashaltige Atmosphäre eingeleiteten Fäden geringen Querschnitts vermieden wird. Bei den bekannten Verfahren wurden auf den Faden einwirkende aerodynamische Kräfte erzeugt, die dazu führten, daß der Faden mitten in der Luft ausknickte. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieses Ausknicken und das darauf folgende Verheddern des Fadens vermieden, so daß nunmehr eine Aufnahme und Ansammlung des Fadens in einer brauchbaren Form ermöglicht wird. Die Erfindung verringert die auf den Faden ausgeübten aerodynamischen Kräfte durch ein Gleitenlassen des Fadens auf dem Auflageteil, weshalb er in der beschriebenen geordneten Weise aufgenommen werden kann.

Die Ablösung des Fadens von dem rotierendei. Bauteil wird durch dessen Umfangsgeschwindigkeit beeinflußt; die Bahnkurve des abgelösten Fadens ist eine Funktion dieser Geschwindigkeit. Hieraus ergibt sich, daß die Aufnahme des Fadens schwierig ist, weil Sammel- oder Auffangeinrichtung in der Lage sein müssen, sich den bei Änderung der Geschwindigkeit des rotierenden Bauteils ergebenden verschiedenen Bahnkurven anzupassen. Die Erfindung macht die Bahnkurve des Fadens unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit des wärmeableitenden Bauteils und beseitigt daher auch hierdurch Schwierigkeiten beim Auffangen bzw. Aufnehmen der Fäden.

Der Gleitkontakt des Fadens bei der Berührung mit dem Auflageteil hat zusätzliche Vorteile. Zunächst wird der Zutritt von Umgebungsluft an die Oberfläche des Fadens beschränkt, was zur Verringerung der Oxydation des Fadens führt. Zum zweiten kann das Auflageteil selbst zur Beeinflussung und Steuerung der von dem Faden abgeleiteten Wärmemengen bzw. der Abkühlungsgeschwindigkeiten durch Einstellung bzw. Veränderung seiner thermischen Kapazität ausgenutzt werden. Auf diese Weise können Materialien, die zur Versprödung führenden Umwandlungen in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit unterliegen, auch in den Fällen aufgenommen werden, in denen dies bisher infolge des Versprödungsprozesses normalerweise nicht möglich war.

Die an den Faden angelegte Kraft führt zu keiner

Unterbrechung der Fadenverfestigung auf dem rotierenden, wärmeableitenden Bauteil; selbst dann nicht, wenn die Zugspannung sehr nahe dem Ort der Fadenverfestigung angelegt wird. Dies ist besonders beeindruckend, wenn man sich vorstellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten arbeitet und insbesondere zur Herstellung von dünnen fadenförmigen Materialien dient

Die angestrebte Stabilisierung der Bahnkurve des gebildeten Fadens wird dadurch weiter erhöht, wenn gemäß der Erfindung das Auflageteil unterhalb der Freiflug-Bahnkup.-e des abgelösten fadenförmigen Materials angeordnet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die von außen wirkende Zugkraft dadurch auf das gebildete fadenförmige Material aufgebracht, daß sie durch einen sich drehenden horizontalen Tisch erzeugt wird, auf dessen Oberfläche man das fadenförmige Material frei auf einem Sammelkreis laufen laßt.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Hierbei zeigt

Fig. 1 teilweise im Querschnitt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 einen Querschnitt der Umfangskante des rotierenden Bauteils,

Fig. 3 teilweise im Querschnitt eine andere Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und ja

Fig.4 eine Ausführungsart der zur Erzeugung der Zugspannung auf den Faden verwendeten Einrichtung.

Gemäß F i g. 1 steht das rotierende, scheibenähnliche Bauteil 30 mit seiner Umfangskante 32 in Berührung mit der Oberfläche 15 eines Bades aus schmelzflüssigem Material 10. Der fertige Faden 20 ist an der Umfangskante 32 bei 20' dargestellt. Sein Ablösungspunkt 21 wird zum Teil durch die Ausbildung des Auflageteils 50 und die Zugkraft F bestimmt, die von außen auf den Faden 20 angreift. Diese Kraft F besitzt zwei wirksame Komponenten, von denen F₁ die Zugkomponente der Kraft Fan der Stelle 51 ist, an der der Faden 20 mit dem Auflageteil 50 in Berührung kommt, und von denen F_n die Normalkomponente zu F, an der Stelle 51 ist, die den Faden mit dem Teil 50 in Berührung hält.

Das Auflageteil 50 kann als eine Einrichtung zur Beeinflussung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens nach dessen Ausbildung Verwendung finden. Unterliegt das Fadenmaterial einer von der Abküh- so lungsgeschwindigkeit abhängigen Umwandlung in festem Zustand (z. B. die martensitische Reaktion von Kohlenstoffstahl), kann das Auflageteil 50 erhitzt werden, um die Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens zu verringern und dadurch den Abschreckeffekt der den Faden umgebenden Atmosphäre im Anschluß an dessen Bildung aus der Schmelze zu reduzieren. Ferner kann die thermische Kapazität des Auflageteils 50 zur Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit des Fadens dienen. 1st eine Beschleunigung der Abkühlung bzw. Wärmeableitung vom Faden erwünscht, kann das Auflageteil 50 eine hohe thermische Kapazität besitzen. Ein solches Teil könnte aus einem massiven Block aus Material mit einer hohen Wärmekapazität bestehen oder in Form von festem Material mit zusätzlicher Kühlung ausgebildet sein. 1st eine Verzögerung der Abkühlung gefordert, kann das Auflageteil erhitzt F i g. 2 zeigt eine QuerschnitUansicht der Umfangskante des rotierenden Bauteils 30, das aus einem scheibenförmigen Teil 30 mit einer V-förmigen Kante am Umfang besteht. Die Kantenflächen 31 bilden einen Winkel Θ und gehen in einem Krümmungsradius r an der Kante 32 ineinander über. Die Umfangskante 32 befindet sich auf einem Radius R von der Drehachse des Bauteils 30 und reicht bis unterhalb der Oberfläche 15 der Schmelze 10.

Die Abmessungen des rotierenden Bauteils liegen vorzugsweise in den folgenden Bereichen: Radius (R) zwischen 5 und 25,4 cm, Dicke (T) zwischen 0,125 und 5,1 cm, Θ zwischen 60° und 120°, r zwischen 0,125 und 2,54 mm.

Die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Bauteils beträgt vorzugsweise zwischen 0,9 m/s und 15 m/s, gemessen an der Umfangskante, die Eintauchtiefe (d) in die Schmelze 10 beträgt vorzugsweise weniger als 1,5 mm unter die Oberfläche 15.

Gemäß F i g. 3 ist das rotierende, wärmeableitende Bauteil 30' eine Scheibe mit einer glatten Umfangsfläche 33. Ein geschlossener Behälter 40 mit einer Gasdruck-Quelle 43 wird zur Erhitzung von schmelzflüssigem Material 10 mit Hilfe des in der Behalterwandung angeordneten Heizelements 42 verwendet. Eine Öffnung 41 in dem Behälter 40 bringt das schmelzflüssige Material 10 unter der Einwirkung des Gasdrucks in eine kontinuierliche, fadenähnliche Form 22. Liegt die Ausströmungsgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Materials aus der Öffnung im wesentlichen in der Nähe der Lineargeschwindigkeit der Umfangsfläche 33 des rotierenden Bauteils 30', dann wird ein Faden 20 ausgebildet. Nach F i g. 3 ist die Bahnkurve des Fadens 20 ohne Anwendung einer Kraft F als Weg 70 gestrichelt dargestellt. Der Einfluß der Kraft F senkt den Weg des Fadens 20 nach dem Ablösepunkt 2Γ unter die Bahnkurve 70, die im freien Flug unter Gleichgewichtsbedingiingen entstehen würde, und bringt den Faden in gleitenden Kontakt mit dem Auflageteil 50.

Bei normalen Produktionsgeschwindigkeiten hat sich eine Karussell-Anordnung, wie sie in Fig.4 gezeigt ist, als eine brauchbare Ausführungsart erwiesen, die eine selbstreguüerende Zugspannung der erforderlichen Größe erzeugt.

Der Tisch 60 dreht sich in einer horizontalen Ebene mit konstanter Geschwindigkeit und besitzt einen vertikalen Rand 61 an seinem Umfang. Die Zugkraft wird dadurch erzeugt, daß dieser äußere Umfang mit einer linearen Geschwindigkeit bewegt wird, die über der Zuführgeschwindigkeit des Fadens 20 liegt. Der Unterschied in den Geschwindigkeiten hat sich als nicht kritisch erwiesen, doch hat sich diese Ausführungsart als betriebsfähig gezeigt, wenn die lineare Geschwindigkeit an dem vertikalen Rand 100% größer als die Zuführungsgeschwindigkeit des Fadens war. Bei der Ingangsetzung des Verfahrens wandert der Faden 20 auf seiner Freiflug-Bahnkurve und trifft auf die horizontale Oberfläche 65 des Tisches 60. Diese Fläche ist relativ eben, weshalb der Faden 20 seine Bewegung auf dieser Fläche 65 so lange fortsetzt, bis er an den vertikalen Rand 61 anschlägt. Die Drehbewegung des Tisches 60 führt den Faden in einem Kreis, an welchem die Lineargeschwindigkeit des Fadens der Lineargeschwindigkeit der Fläche 65 beim Auftreffen entspricht, so daß dort keine Relativbewegung zwischen dem Faden 20 und der Oberfläche 65 besteht. Dieser Kreis wird als Sammelkreis 62 bezeichnet.

Wird der Faden 20 in einem solchen Sammelkreis aufgewickelt, so wird eine Kraft auf den Faden 20 übertragen, die den Faden in Berührung mit dem Auflageteil 50 hält und seinen Ablösungspunkt von dem rotierenden Bauteil 30 stabilisiert.

Die in Fig.3 dargestellte Vorrichtung ist auf die Herstellung metallischer Fäden beschränkt; die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Vorrichtungsbeispiele sind für Materialien mit den folgenden Eigenschaften bei einer Temperatur innerhalb einer Abweichung von 25% ihres in ° K gemessenen Schmelzpunktes geeignet: Ihre Viskosität muß im Bereich zwischen 10~³ und 1 Poise liegen, die Oberflächenspannung im Bereich zwischen 10 und 2000dyn/cm, sie müssen einen angemessenen diskreten Schmelzpunkt besitzen und zumindest eine vorübergehende Kompatibilität mit einem festen Material aufweisen, das ausreichende Wärmekapazität besitzt, um die Verfestigung einzuleiten. Ein angemessener diskreter Schmelzpunkt ist definitionsgemäß im allgemeinen dann vorhanden, wenn ein Material eine unstetige Vergrößerung seiner Viskosität bei Abkühlung aus dem schmelzflüssigen Zustand zeigt.

Beispiel 1 ²S

Die Drehtisch-Anordnung nach Fig.4 wurde verwendet, um einen Aluminiumfaden zu erzeugen. Als Aluminium wurde handelsübliches Reinaluminium bei einer Temperatur von etwa 760⁰C verwendet. Das rotierende Bauteil bestand aus Messing und besaß eine V-förmige Umfangskante (F i g. 2) und einen Durchmesser von etwa 20,8 cm. Die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Bauteils betrug etwa 4,5 m/s. Nach Ablösung von dem rotierenden Bauteil wurde der Faden unter seiner Freiflug-Bahnkurve auf einem Auflageteil in Form eines Metallbleches abgestützt. Der Faden wurde mit Hilfe des Auflageteils auf einen rotierenden Drehtisch gerichtet, so daß sich ein Radius mit einer sich der Geschwindigkeit des Fadens annähernden Geschwindigkeit ergab. Es entstand ein kontinuierlicher Aluminiumfaden mit einem effektiven Durchmesser von 0,53 mm während einer Betriebsdauer von 30 Minuten wobei mit effektivem Durchmesser der Durchmesse! bezeichnet ist, den ein kreisrunder Faden gleichet Querschnittsfläche haben würde.

Beispiel 2

In ähnlicher Weise wie im Beispiel 1 wurde ein Fader aus austenitischem Manganstahl mit einer typischer Zusammensetzung von 11 bis 13% Mn, 1,0 bis 1,3% C 0,7 bis 0,3% Si, Rest Fe hergestellt. Ein aus Nicke bestehendes, rotierendes Bauteil mit einer V-förmiger Kante am Umfang gemäß F i g. 2 wurde eingesetzt. Da! rotierende Bauteil besaß einen Durchmesser vor 20,8 cm, wurde durch Wasser gekühlt und lief mit einei Umfangsgeschwindigkeit von 1,5 m/s um. Stahlfasern ir Längen bis zu 270 m mit einem effektiven Durchmesse: von etwa 0,46 mm wurden hergestellt. Die Schmelz temperatur während der Fadenbildung lag bei etwi 1540⁰C.

Beispiel 3

In ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 wurde ein Fadei aus Gußeisen mit einer Zusammensetzung von ungefähi 4,0% C, 0,8% Si, 0,7% Mn, Rest Fe hergestellt. Dei fertige Faden hatte eine geringe meßbare Duktilität unc war äußerst spröde. Das rotierende Bauteil bestand aui Kupfer und lief mit einer Umfangsgeschwindigkeit vor ungefähr 2,1 m/s um. Die Schmelztemperatur lag be 1466° C. Die erzeugten Fäden wiesen Längen von 15 it auf und hatten einen effektiven Durchmesser vor 0,3 mm.

Beispiel 4

In ähnlicher Weise wie im Beispiel 1 wurde ein Fader aus einem unlegierten Kohlenstoffwalzstahl mit ungefähr 0,05% C, 0,2% Mn, Rest im wesentlichen Eiser hergestellt. Das rotierende Bauteil bestand aus Aluminium und lief mit einer Umfangsgeschwindigkeit vor 2,1 m/s um. Die Stahlschmelze besaß eine Temperatui von etwa 1593° C. Der erzeugte Faden besaß einer effektiven Durchmesser von 0,63 mm.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

803

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von fadenförmigem Material mittels eines rotierenden, wärmeableiten- S den Bauteils direkt aus einer Schmelze, die bei einer Temperatur innerhalb eines Bereichs von 25% um den in ° K bestimmten Schmelzpunkt eine Viskosität von 0,001 bis 1,0 P und eine Oberflächenspannung von 10 bis 2000dyn/cm aufweist, wobei das fadenförmige Material von dem rotierenden Bauteil unter Mitwirkung einer Zentrifugalkraft abgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf das fadenföimige Material eine von außen angreifende Zugkraft ausgeübt und das fadenförmige Material durch diese Zugkraft in gleitende Berührung mit einem zwischen dem Ablösepunkt des fadenförmigen Materials von dem rotierenden Bauteil und dem Ort der Aufbringung der Zugkraft angeordneten Auflageteil gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auflageteil unterhalb der Freiflug-Bahnkurve des abgelösten fadenförmigen Materials angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Wärmeableitung von dem fadenförmigen Material durch die thermische Kapazität des Auflageteils gesteuert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugkraft auf das fadenförmige Material durch einen sich drehenden, horizontalen Tisch erzeugt wird, auf dessen Oberfläche man das fadenförmige Material frei auf einem Sammelkreis laufen läßt.