DE3718178A1 - Verfahren zur herstellung von metallischen fasern und vorrichtung zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Fasern, bei dem ein endloser Strang aus einem schmelzflüssigen metallischen Werkstoff aus einer Schmelze des Werkstoffes abgeführt und durch Abkühlung zu einer Endlosfaser verfestigt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung einen mit Schmelze eines metallischen Werk­ stoffes gefüllten Tiegel und eine Kühleinrichtung auf­ weist, die einen aus der Schmelze durch eine Austritts­ öffnung herausgeführten endlosen Strang aus schmelzflüs­ sigem Werkstoff mit Kühlmedium beaufschlagt, wobei sich der Strang zu einer metallischen Endlosfaser verfestigt.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der US-PS 29 76 590 bekannt. Dort wird eine in einem Tiegel befindliche Metallschmelze durch eine am Boden des Tiegels befindliche Düsenöffnung in eine Abkühlkammer extrudiert, wobei sich ein endloser Strang aus Schmelze ausbildet, der sich in der Abkühlkammer, in welcher er einem Kühlgas ausgesetzt ist, zu einer Endlosfaser ver­ festigt, die sich in einem unter der Abkühlkammer ange­ ordneten Sammelraum ablegt.

Aus der US-PS 28 79 566 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Fasern bekannt, bei dem ein schmelz­ flüssiger metallischer Werkstoff durch eine Düse extru­ diert wird, wobei sich ein endloser Strang ausbildet, der in einen Gasstrahl eintritt, der den Strang so lange stützt, bis sich der geschmolzene Werkstoff zu einer End­ losfaser verfestigt hat.

Aus der US-PS 38 45 805 ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem Metallfasern durch Einspritzen eines Schmelzstrah­ les in ein mitfließendes flüssiges Kühlmedium erzeugt werden.

Diese drei bekannten Verfahren basieren auf dem gleichen Prinzip der Stabilisierung des instabilen Stranges aus schmelzflüssigem metallischen Werkstoff durch Ausbildung eines Oxid- oder Nitridfilmes auf der Strangoberfläche. Bei näherer Betrachtung dieser Verfahren wird die Schwie­ rigkeit offenbar, den Erstarrungsprozeß so zu steuern, daß eine Faser mit gleichmäßig kreisförmigem Querschnitt entsteht. Sofern die Herstellparameter nicht exakt und reproduzierbar eingestellt werden, bilden sich keine kontinuierlichen Fasern mit gleichmäßigem, kreisförmigen Querschnitt, sondern Fasern mit wellenförmiger Struktur, Fasern mit asymmetrischen Knoten, mit gezackter Struktur, Fasern mit Kinken, mit Korkenziehergestalt, mit einge­ lagerten, kugelförmigen Verdickungen, oder gar nur kurze Faserstücke. Zudem sind diese Verfahren nur für Metalle bzw. Metallegierungen geeignet, die Oxid- oder Nitridfil­ me bilden.

Aus der EP-PS 00 39 169 ist ferner ein Verfahren zur Herstellung von Metallfasern bekannt, bei dem man eine geschmolzene Legierung durch eine Spinndüse in einen eine Kühlflüssigkeit enthaltenden rotierenden Körper austreten läßt, wobei sich beim Abkühlen eine Endlosfaser bildet, die auf der Innenwand des rotierenden Körpers mittels der Zentrifugalkraft des rotierenden Körpers kontinuier­ lich aufgewickelt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil einer geringen Produktivität, die bis jetzt eine indu­ strielle Verwendung verhinderte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das gattungs­ gemäße Verfahren und die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß die kontinuierlich hergestellten metal­ lischen Endlosfasern einen gleichmäßig kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei der durch Abkühlung zu der Endlosfaser sich verfestigende Strang für seine Stabili­ sierung keinen Oxid- oder Nitridfilm auf seiner Ober­ fläche erfordert.

Für das Verfahren wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, daß der Strang konzentrisch um eine innere Träger­ faser herum gebildet wird, die mit schmelzflüssigem Werk­ stoff anhaftend unter Spannung aus der Schmelze heraus­ geführt wird, und die metallische Faser durch Verfesti­ gung des schmelzflüssigen Werkstoffes auf der Trägerfaser gebildet und die Trägerfaser in ihrer Mitte enthaltend aufgewickelt wird.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung da­ durch gelöst, daß ein zwischen zwei Haspeln gespannter Abschnitt einer endlosen Trägerfaser durch eine Eintritts­ öffnung in die Schmelze hinein - und durch die Austritts­ öffnung aus ihr wieder heraus - und dann durch die Kühlein­ richtung hindurchgeführt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung wird der durch Abkühlung erstarrende Strang aus schmelz­ flüssigem metallischen Werkstoff im Innern mittels der unter Spannung stehenden Trägerfaser stabilisiert, wo­ durch sich ein absolut gleichmäßig kreisförmiger Quer­ schnitt der erzeugten metallischen Faser ergibt. Bis zu seinem vollständigen Erstarren behält der Strang aus schmelzflüssigem metallischen Werkstoff seine zylinder­ förmige Gestalt einerseits durch die Oberflächenspannung der Schmelze andererseits durch die Adhäsion zwischen der inneren Trägerfaser und der daran haftenden Schmelze. Wenn es gewünscht wird, kann für die Abkühlung ein Gas verwendet werden, das durch eine chemische Reaktion einen stabilen Oberflächenfilm auf dem Schmelzestrang erzeugt und so den Strang zusätzlich stabilisiert. Das erfindungs­ gemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich ferner durch ihre Einfachheit und Wirt­ schaftlichkeit aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen die Herstellung metallischer Fasern mit gleichmäßig kreisförmigem Querschnitt. Die Fasern können mikrokristallin, teilkristallin oder je nach gewähltem Legierungssystem glasig erstarren. Die verwen­ deten Werkstoffe für den metallischen Teil der Faser kön­ nen z.B. Eisenbasislegierungen sein, die als Legierungs­ elemente Chrom, Molybdän oder Wolfram enthalten. Solche Fasern besitzen einen hohen Elastizitätsmodul. Fasern, die in ihrem metallischen Teil intermetallische Phasen wie NiAl oder CoFeAl enthalten, zeichnen sich ebenfalls durch einen hohen Elastizitätsmodul aus. Fasern mit sehr hoher Festigkeit erhält man, wenn für den metallischen Teil teilkristallin oder glasig erstarrende Eisen-Bor-Silizium- Legierungen gewählt werden. Fasern aus Eisen-Nickel- oder Kobaltlegierungen zeichnen sich zudem durch gute elektri­ sche und magnetische Eigenschaften aus.

Derartige Fasern können zur Herstellung von Verbundwerk­ stoffen mit gezielt eingestellten Materialeigenschaften verwendet werden, wobei die Fasern, in einer geeigneten Matrix eingebracht, die Eigenschaften des fertigen Bau­ teils, z.B. die Festigkeit und Steifigkeit, verbessern. Zu Kabeln und Geflechten verarbeitete metallische Fasern können als elektrisch leitende Kabel und als magnetische Abschirmung von elektrischen Komponenten eingesetzt wer­ den. Da die erfindungsgemäß hergestellten metallischen Fasern in ihren Eigenschaften sehr variabel sind, können sie auch anstelle von Glasfasern, Kohlestoff- und Aramid­ fasern zur Verstärkung von Bauteilen verwendet werden. Sie können auch als Ersatz für dünne hochfeste Metalldräh­ te, die durch Warmwalzen hochfester Stahlgüten, Kaltzie­ hen und entsprechende Wärmebehandlungen hergestellt werden, zur Verstärkung von Kraftfahrzeugreifen als Stahlkord ver­ wendet werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgen­ den Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 bis 4 zeigen vier verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von metallischen Fasern weist einen Tiegel 1 auf, der mit Schmelze 2 eines Metalles oder einer Metallegierung ge­ füllt ist. Der Tiegel 1 besteht aus einem geeigneten feuerfesten Material, vorzugsweise Quarz oder eine ge­ eignete Keramik wie Bornitrid. Der Tiegel 1 hat eine Zu­ führung 3, durch die aus einem nicht dargestellten Vor­ ratsgefäß zu Beginn der Faserherstellung Schmelze einge­ leitet wird oder nach Bedarf neue Schmelze zugeführt wer­ den kann, wenn der während der Faserherstellung absinken­ de Badspiegel der Schmelze 2 dies erforderlich macht. Der Tiegel 1 hat eine weitere Zuführung 4, durch die ein inertes Gas, wie z.B. Argon, Helium oder Stickstoff, in den Tiegel 1 oberhalb des Schmelzespiegels eingeleitet werden kann, um die Oxidation der Schmelze zu verhindern. Um den Umfang des Tiegels 1 herum ist eine Heizvorrichtung 5 angeordnet, die das im Tiegel 1 befindliche Metall oder die Legierung so über den Schmelzpunkt erhitzt, daß es extrudiert werden kann. Die Temperatur der Schmelze 2 kann mit einem geeigneten Temperaturmeßgerät 6 überwacht werden. Der Tiegel 1 hat am unteren Ende eine oder mehrere Düsen 7 mit Austrittsöffnungen 8, die ungefähr den glei­ chen Durchmesser wie die gewünschte metallische Faser auf­ weisen. Die Düse 7 besteht ebenfalls aus einem geeigneten feuerfesten und verschleißbeständigen Material, wie z.B. Quarz oder Keramik.

An die Düse 7 schließt sich nach unten eine Prozeßkammer 10 an, in welcher der aus der Düse 7 austretende Strang aus schmelzflüssigem Werkstoff abgekühlt wird, wobei er sich zu einer Endlosfaser 15 verfestigt, die am unteren Ende der Prozeßkammer 10 aus ihr austritt.

Ein zwischen zwei Haspeln 11 und 12 gespannter Abschnitt einer inneren Trägerfaser 13 tritt durch die Eintritts­ öffnung 9 in den Tiegel 1 ein, wird dann durch die Schmelze 2 und zentrisch durch die Austrittsöffnung 8 der Düse 7, ohne die Düsenwandung zu berühren, geführt und durchläuft dann die Prozeßkammer 10, die er am unteren Ende wieder verläßt, bevor er zu dem Haspel 12 gelangt.

Eine wichtige Vorraussetzung für die Ausbildung einer me­ tallischen Faser mit guten physikalischen Eigenschaften ist die zentrische Anordnung der inneren Trägerfaser 13 in der metallischen Faser. Deshalb muß die innere Träger­ faser 13 genauestens die Austrittsöffnung 8 der Düse 7 durchlaufen. Dies kann allein durch eine Führung der Haspel 11 und 12 nicht erreicht werden. Zur zentrischen Führung der inneren Trägerfaser 13 wird ein Effekt ausgenutzt, wie er von hydrodynamischen Gleitlagern her bekannt ist. Dem Schmiermittel des Gleitlagers entspricht die Schmelze 2, die zusammen mit der Trägerfaser 13 durch die Austritts­ öffnung 8 der Düse 7 extrudiert wird. Dabei bildet die Schmelze 2 zwischen den relativ zueinander bewegten Flä­ chen der inneren Trägerfaser 13 und der Innenwand der Aus­ trittsöffnung 8 nach beendetem Anlauf zu Beginn des Prozes­ ses der Faserherstellung eine tragende Schmierschicht, die die innere Trägerfaser 13 inmitten des erstarrenden Stran­ ges 15 durch Keilflächenwirkung stabilisiert. Dies setzt aber voraus, daß die Innenfläche der Düse 7 keilförmig mit einer Steigung von 1 : 10 gestaltet ist, wobei die Aus­ trittsöffnung 8 den kleineren Durchmesser aufweist.

Die innere Trägerfaser 13 besteht aus einem geeigneten Material, das hinreichend temperaturstabil ist, um die Temperatur der Schmelze 2 ohne Zerstörung, ohne wesentli­ che Beschädigung oder deutlichen Verlust der Festigkeit zu ertragen, das eine derartige Oberfläche aufweist, die hinreichend gut von der Schmelze 2 benetzt werden kann, das ausreichend elastisch ist, um aufgewickelt werden zu können und genügend Festigkeit besitzt, um die erforder­ lichen Spannkräfte zu ertragen und das schließlich kosten­ günstig und in hinreichender Menge erhältlich ist. Bei­ spielsweise kann die innere Trägerfaser aus einer dünnen Glas-, Textil-, Metall-, Keramik- oder Kunststoffaser be­ stehen.

In einem praktischen Beispiel wurde zur Herstellung einer metallischen Faser aus der Legierung Fe_81,5B_14,5Si₄ als innere Trägerfaser ein Glasfilamentgarn aus E-Glas nach DIN 1259/1 verwendet. Die Temperatur der metallischen Schmelze betrug etwa 1250°C. Die innere Trägerfaser be­ stand aus 9 µm dicken Glasfilamenten, die zu einem Garn mit 34 tex Nennfeinheit verdreht waren. Zum Schutz der Oberfläche war das Garn mit einer Textilschicht überzogen. Trotz der niedrigen Erweichungstemperatur der Glasfaser, die mit 840°C deutlich unterhalb der Schmelzentemperatur (etwa 1250°C) lag, wurde die innere Trägerfaser durch die Schmelze 2 nicht zerstört, weil für das Durchziehen der Trägerfaser durch die Schmelze weniger als 1/10 s gebraucht wird.

Der Haspel 12 ist von einem nicht dargestellten Motor an­ treibbar, während der Haspel 11 ständig leicht gebremst werden kann, so daß die Trägerfaser 13 straff gespannt durch den Tiegel 1 und die Prozeßkammer 10 geführt wird.

Unterhalb der Prozeßkammer ist eine Meßvorrichtung 14 vor­ gesehen, die eine kontinuierliche Messung des Durchmessers der die innere Trägerfaser 13 in ihrer Mitte enthaltenden metallischen Faser 15 erlaubt.

In der Prozeßkammer 10 münden mehrere Düsen 16 in einen Durchgang, durch den der aus der Düse 7 austretende Strang hindurchgeht. Die Düsen 16 sind mit einer nicht dargestellten Quelle eines inerten Gases verbunden und beaufschlagen den Strang aus dem schmelzflüssigen Werk­ stoff in Betrieb der Vorrichtung mit einem Gasstrahl, der den Strang abkühlt und den Erstarrungsprozeß unterstützt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit der in Fig. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung wie folgt durch­ geführt:

Die auf dem Haspel 11 aufgewickelte Trägerfaser wird wie beschrieben durch den Tiegel 1 und die Prozeßkammer 10 geführt, auf dem Haspel 12 aufgewickelt und auf eine Ab­ zugsgeschwindigkeit beschleunigt, die zweckmäßigerweise zwischen 1 und 40 m/s liegt. Dann wird das Metall oder die Legierung zugegeben, aufgeschmolzen und die Schmelze 2 mit gleicher Geschwindigkeit wie die Trägerfaser 13 durch die Austrittsöffnung 8 der Düse 7 in die Prozeß­ kammer 10 extrudiert. Nach dem Austritt aus der Düse 7 wird der Strang des auf der inneren Trägerfaser 13 haften­ den, geschmolzenen Materials von einem Strom inerten Gases aus den um die Trägerfaser herum angeordneten Gas­ düsen 16 gleichmäßig beaufschlagt. Dieses Gas ist zweck­ mäßigerweise das gleiche Gas, das durch die Zuführung 4 in den Tiegel 1 gelangt. Das Gas aus den Gasdüsen 16 führt die Schmelzwärme und die Wärme, die nach dem Schmel­ zen von dem Werkstoff absorbiert wurde, ab und unterstützt so den Erstarrungsprozeß. Der Strang aus geschmolzenem Material wird so kontinuierlich in eine erstarrte metal­ lische Faser 15 überführt, die im Innern die Trägerfaser 13 enthält. Die so erstarrte Faser 15 wird nach dem Aus­ tritt aus der Prozeßkammer 10 zusammen mit der in ihrem Innern befindlichen Trägerfaser 13 auf dem Haspel 12 auf­ gewickelt.

Für die Abkühlung kann auch ein durch die Düsen 16 aus­ tretendes Gas verwendet werden, das durch eine chemische Reaktion einen stabilen Oberflächenfilm auf dem Strang erzeugt und so den Strang zusätzlich stabilisiert.

Drei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, wobei für gleiche oder sich entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 1 verwendet worden sind und die folgende Beschreibung sich im wesentlichen auf die von der Vorrichtung gemäß Fig. 1 abweichenden Teile beschränkt.

Zunächst werden die in Fig. 2 dargestellte erfindungs­ gemäße Vorrichtung und das mit ihr durchgeführte Ver­ fahren näher beschrieben. Der Tiegel 1 ist mit Schmelze 2 gefüllt und hat an seinem oberen Ende eine Abdeckung 17, durch die der Raum oberhalb des Schmelzespiegels gegenüber der Umgebung verschlossen wird. Über eine Zuleitung 23 kann ein geeignetes Gas dem Raum zwischen dem Schmelze­ spiegel und der Abdeckung 18 zugeführt werden, um eine Oxidation der Schmelze 2 zu verhindern. Der Tiegel 1 be­ nötigt die Abdeckung 17 natürlich nur, wenn die Schmelze 2 zur Oxidation neigt.

Die Trägerfaser 13, die von dem Haspel 11 abgewickelt wird, wird durch eine Eintrittsöffnung 9 in der Abdeckung 17 in den Tiegel 1 eingeführt und durch die Schmelze 2 hin­ durchgeführt, wobei sie durch eine in der Schmelze 2 an­ geordnete Umlenkrolle 18 umgelenkt wird. Die Trägerfaser 13 wird nach der Umlenkung durch die Austrittsöffnung 8 einer in dem Raum zwischen der Abdeckung 17 und dem Schmelze­ spiegel angeordneten Düse 7 aus dem Tiegel 1 herausgeführt, dann durch eine Kühleinrichtung 20 geleitet, in welcher der aus der Düse in Betrieb der Vorrich­ tung austretende Strang mit Kühlgas beaufschlagt wird, und dann auf dem Haspel 12 aufgewickelt.

Beim Durchführen der Trägerfaser 13 durch die Schmelze 2 lagert sich aufgrund von Haftungsvorgängen schmelzflüssi­ ger Werkstoff an der Trägerfaser 13 an. Wenn die Träger­ faser 13 samt dem an ihr haftenden schmelzflüssigen Werk­ stoff durch die Düse 7 geht, deren Austrittsöff­ nung 8 im Durchmesser etwa der Dicke der herzustellenden Faser 15 entspricht, wird überschüssiger schmelzflüssiger Werkstoff von der Trägerfaser 13 abgestreift, der in die Schmelze 2 zurückfließt. In der Kühlvorrichtung 20 wird der aus der Düse 7 austretende Strang mit Kühlgas beaufschlagt, so daß er möglichst rasch zu der Faser 15 erstarrt.

Die Umlenkrolle 18 und die Düse 7 sind aus tempera­ turbeständigem und möglichst auch verschleißfestem Ma­ terial gefertigt, vorzugsweise aus Keramik. Der Tiegel 1 hat eine in seine Wand eingebaute Heizvorrichtung 5.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist ähnlich wie die der Fig. 1 aufge­ baut. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung ist bei der Vorrichtung nach der Fig. 3 die Prozeßkammer 10 jedoch oberhalb des Tiegels 1 angeordnet und mit dem Tiegel 1 zu einer Einheit zusammengefaßt. Die Eintrittsöffnung 9 für die Trägerfaser 13 befindet sich am unteren Ende des Tiegels. Über dem Schmelzespiegel ist eine Düse 7 angeordnet, durch deren Austrittsöffnung 8 die Trägerfaser hindurchgeführt wird. Am oberen Ende der Prozeßkammer 10 ist die Trägerfaser 13 aus der Prozeß­ kammer 10 herausgeführt, wonach sie ein Meßgerät 22 zur Messung der Dicke der Faser durchläuft und auf dem Haspel 12 aufgewickelt wird. Der Haspel 11, von dem die Träger­ faser 13 abgewickelt wird, ist unterhalb des Tiegels 1 angeordnet. Die Eintrittsöffnung 9 ist so gestaltet, daß ein Auslaufen der Schmelze nach unten verhindert wird. Eine Heizvorrichtung 5, die vorzugsweise eine induktive Heizanlage ist, umgibt den Tiegel 1 und stellt die Tempe­ ratur der Schmelze 2 auf einen geeigneten Wert ein.

Die Trägerfaser 13, die von dem Haspel 11 abgewickelt wird, wird von unten durch die Eintrittsöffnung 9 in den Tiegel 1 eingeführt und durch die Schmelze 2 und die Düse 7 nach oben geführt. Die Trägerfaser 13 nimmt auf ihrem Weg durch die Schmelze aufgrund von Haftungsvorgängen schmelzflüssigen Werkstoff auf, von dem der Überschuß von der Düse 7 abgestreift wird. Nach dem Austritt der mit Schmelze behafteten Trägerfaser 13 aus der Düse 7 wird ein Strom geeigneten Gases, vorzugsweise ein in­ ertes Gas, über die Gasdüsen 16 auf den Strang geleitet, so daß dieser rasch zu der Faser 15 erstarrt. Die Faser 15 durchläuft die mit inertem Gas gefüllte Prozeßkammer 10, wird nach dem Austritt in ihrer Dicke mittels des Dicken­ meßgerätes 22 gemessen und anschließend von dem Haspel 12 aufgewickelt.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist in Fig. 4 dargestellt, die im Aufbau der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ähnlich ist. Die Trägerfaser 13, abgewickelt von dem Haspel 11, wird hierbei horizontal durch einen Schmelze 2 enthaltenden Tiegel 1 und eine Düse 7 geführt, die überflüssige Schmelze von der Trägerfaser 13 abstreift. Die Trägerfaser 13 tritt durch eine Eintrittsöffnung 9, die so gestaltet ist, daß durch sie keine Schmelze auslaufen kann, in den Tiegel 1 ein und verläßt den Tiegel 1 durch die Austrittsöffnung 8 der Düse 7. Eintrittsöffnung 9 und Austrittsöff­ nung 8 liegen unterhalb des Schmelzespiegels. Der aus der Düse 7 austretende Strang, der aus der inneren Trägerfaser und dem an ihr haftenden schmelzflüssigen Werk­ stoff besteht, durchläuft dann eine Kühleinrichtung 20, die für eine rasche Erstarrung des Stranges zu der Faser 15 sorgt. Die Faser wird dann auf dem Haspel 12 aufge­ wickelt. Durch die Heizung 5 wird die Temperatur der Schmelze 2 eingestellt. Eine Tiegelabdeckung 17 aus einem geeigneten hitzebeständigen Material und eine Gaszuführung 23, die es erlaubt, den Raum oberhalb der Schmelze 2 mit einem geeigneten inerten oder reduzierenden Gas aus einem nicht näher beschriebenen Gasreservoir zu füllen, dienen zur Verhinderung der Oxidation der Schmelze 2.

Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung ist die Trägerfaser 13 zwischen den beiden Haspeln straff gespannt und tritt die Trägerfaser 13 durch die je­ weilige Austrittsöffnung zentrisch im Abstand von deren Wandung hindurch.

Bei allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist die Düse 7 keilförmig gestaltet, so daß die Schmelze 2 zwischen den relativ zu­ einander bewegten Flächen der inneren Trägerfaser 13 und der Innenwand der Düse 7 durch hydrodynamische Effekte die innere Trägerfaser 13 zen­ trisch inmitten der Austrittsöffnung 8 der Düse 7 und damit auch zentrisch inmitten des erstarrenden Stranges 15 stabilisiert.

Durch eine geeignete Oberflächenbehandlung der Trägerfaser wie etwa Ätz-, Galvanisierungs- oder sonstige Aktivierungs­ behandlungen, können die Adhäsionskräfte in der Grenz­ fläche zwischen der Trägerfaser und der an ihr haftenden Schicht aus schmelzflüssigem Werkstoff erhöht werden, wodurch eine zusätzliche Stabilisierung der Faser ent­ steht.

Der Durchmesser der Trägerfaser wird so gewählt, daß er gegenüber dem Gesamtdurchmesser der metallischen Faser klein ist.

Durch geeignete Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit des Stranges bzw. der Faser und durch eine entsprechende Auswahl des Werkstoffes für die äußere zu verfestigende Schicht der Faser können verschiedene Gefüge in der äußeren Schicht der Faser eingestellt werden. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit gewählt wird, um so kleinere Korngrößen lassen sich erzielen. Werden für die Schmelze Legierungssysteme mit hohem Glasbildungsvermögen einge­ setzt und die erstarrende Faser entsprechend schnell abgekühlt, kann der äußere metallische Teil der Faser auch einen glasigen Zustand einnehmen.

In einem praktischen Beispiel ist mit Hilfe der Ausfüh­ rungsform 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Faser erhalten worden, die in ihrem äußeren metallischen Teil aus einer Fe_81,5B_14,5Si₄-Legierung besteht. Die Träger­ faser bestand aus einem E-Glas-Filamentgarn mit einem Durchmesser von ca. 130 µm. Der Durchmesser der Austritts­ öffnung der Düse betrug 950 µm. Die Trägerfaser wurde auf eine Geschwindigkeit von 10 m/s beschleunigt. Danach wurde dem Quarz-Tiegel die Fe-B-Si-Schmelze zugeführt und die Schmelzentemperatur auf etwa 1250°C gehalten. Die Ober­ fläche der Schmelze wurde mit Argon mit einem Druck von 250 kPa beaufschlagt, um die Extrusionsgeschwindigkeit der Schmelze der Austrittsgeschwindigkeit der Trägerfaser anzugleichen. Die Prozeßkammer enthielt Helium bei einem Druck von 500 kPa.

Nach Erreichen eines stationären Gleichgewichts wurde mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine kontinuier­ liche Faser mit einem relativ gleichmäßigen Querschnitt von im Mittel 1 mm erzeugt. Über eine größere Länge der so erzeugten Faser konnte nachgewiesen werden, daß die innere Trägerfaser zentrisch im äußeren metallischen Teil der Faser eingebettet lag. Die Faser besaß in ihrem metal­ lischen Teil eine feinkörnige Struktur mit Korngrößen kleiner als 2 µm.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Fasern, bei dem ein endloser Strang aus einem schmelzflüssigen metallischen Werkstoff aus einer Schmelze des Werkstoffes abgeführt und durch Abkühlung zu einer Endlosfaser ver­ festigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang konzentrisch um eine innere Trägerfaser herum gebildet wird, die mit schmelzflüssigem Werkstoff anhaftend unter Spannung aus der Schmelze herausgeführt wird, und die metallische Faser durch Verfestigung des schmelzflüssigen Werkstoffes auf der Trägerfaser gebil­ det und die Trägerfaser in ihrer Mitte enthaltend auf­ gewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da8 die Trägerfaser zentrisch durch eine Düse im Abstand von deren Wandung aus der Schmelze herausgeführt wird, und der schmelzflüssige Werkstoff mit gleicher Geschwin­ digkeit wie die Trägerfaser aus der Düse extrudiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfaser von einem ersten Haspel abgezogen und mit oder ohne Umlenkung durch die Schmelze geführt wird, und die die Trägerfaser in ihrer Mitte enthaltende metallische Faser auf einem zwei­ ten Haspel aufgewickelt wird, wobei die Trägerfaser unter Spannung gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Selektion des Werkstof­ fes und der Abkühlbedingungen eine metallische Faser mit Korngrößen kleiner als 5 µm im durch Abkühlung verfestig­ ten äußeren metallischen Teil erhalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Selektion des Werkstof­ fes und der Abkühlbedingungen eine metallische Faser er­ halten wird, die in ihrem durch Abkühlung verfestigten äußeren metallischen Teil eine amorphe Struktur hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfaser aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht, der als Hauptkom­ ponente SiO₂ enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfaser einen im Bereich zwischen 10 und 200 µm liegenden Durchmesser hat.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen im Bereich zwischen 100 und 1500 µm liegenden Öffnungsdurchmesser hat.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze eine im Bereich zwischen 1 K und 150 K liegende Überhitzungstemperatur hat.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrusionsgeschwindig­ keit der Schmelze zwischen 1 und 40 m/s beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfaser mit einer im Bereich zwischen 1 und 40 m/s liegenden Geschwindigkeit aus der Schmelze herausgeführt wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem mit Schmelze eines metallischen Werkstoffes gefüllten Tiegel, und einer Kühleinrichtung, die einen aus der Schmelze durch eine Austrittsöffnung herausgeführten endlosen Strang aus schmelzflüssigem metallischen Werkstoff mit Kühlmedium beaufschlagt, wobei sich der Strang zu einer metallischen Endlosfaser verfestigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen zwei Haspeln (11, 12) gespannter Abschnitt einer endlosen Trägerfaser (13) durch eine Eintrittsöffnung (9) in die Schmelze (2) hinein und durch die Austrittsöffnung (8) aus ihr wieder heraus und dann durch die Kühleinrich­ tung (10, 20) geführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eintrittsöffnung (9) oberhalb des Schmelze­ spiegels und die Austrittsöffnung (8) unterhalb des Schmelzespiegels liegen und die Austrittsöffnung (8) von der Wandung einer Düse (7) begrenzt wird. (Fig. 1)

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eintrittsöffnung (9) unterhalb des Schmelze­ spiegels und die Austrittsöffnung (8) oberhalb des Schmel­ zespiegels angeordnet sind und die Austrittsöffnung (8) von der Wandung einer Düse (7) begrenzt wird. (Fig. 3)

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß die Austrittsöffnung (8) und die Eintrittsöff­ nung (9) oberhalb (Fig. 2) /oder unterhalb (Fig. 4) des Schmelzespiegels angeordnet sind und die Austrittsöff­ nung von der Wandung einer Düse (7) begrenzt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eintrittsöffnung (9) und die Austrittsöff­ nung (8) oberhalb des Schmelzespiegels angeordnet sind und der Trägerfaserabschnitt über eine innerhalb der Schmelze (2) angeordnete Umlenkrolle (18) geführt ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Haspel (11), von dem die Trägerfaser (13) abgewickelt wird, gebremst ist, und der andere Haspel (12), auf den die Endlosfaser (15) auf­ gewickelt wird, von einem Motor antreibbar ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) keilförmig ge­ staltet ist, wobei ihre Austrittsöffnung (8) den kleine­ ren Durchmesser aufweist.