DE3888162T2

DE3888162T2 - Sehr dünner und hochfester Draht und Verstärkungsmaterial und Verbundmaterial enthaltend diesen Draht.

Info

Publication number: DE3888162T2
Application number: DE3888162T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Kanetuki; Masaaki - Katumata; Yoshihisa E Kitagawa; Kenji - Koide; Toshiaki Yutori
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-02-29
Filing date: 1988-12-15
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2008-12-16
Also published as: EP0330752B1; KR890013202A; CA1334923C; KR930005075B1; DE3888162D1; EP0330752A1

Description

Die Erfindung betrifft einen hochfesten ultrafeinen Draht mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit, einem Durchmesser von 160um oder weniger, einer Zugfestigkeit von 300 kg/mm² oder mehr; und Verstärkungsmaterialien und zusammengesetzte Materialien unter Einschluß eines derartigen Drahtes. Das Drahtmaterial hat feine zusammengesetzte Faserstruktur aus einem kontinuierlichen Ferrit und einer kontinuierlichen Niedertemperatur-Transformationsphase.
In der folgenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "ultrafeiner Draht" einen durch Kaltziehen hergestellten Stahl draht, welcher einen Durchmesser ≤ 160um, vorzugsweise ≤ 100um besitzt. Ein derartiger ultrafeiner Draht kann in Form von einzelnen Drähten, geflochtener Drahtbündeln, Drahtsträngen und Drahtgewebe verwendet werden, um auf diese Weise mechanische Schneidsägen, Präzisionsfedern, Hochdruckschläuche für Wasser, Präzisionssteuerseile und Verstärkungen in zusammengesetzten Materialien wie FRP, FRM, Stahldrahteinlagen für Kraftfahrzeugreifen sowie metallbeschichtete Drähte für elektrische Entladungsmaschinen zu bilden.
Bei der Herstellung von Halbleiterelementen wurden in den letzten Jahren Kreissägeblätter durch Schneiddrähte ersetzt, um auf diese Weise Siliciumeinkristallblöcke in Scheiben zu schneiden. Fig. 1 und 2 zeigen dabei eine automatische Drahtsäge, bei welcher ein Schneiddraht zur Herstellung von Siliciumplättchen verwendet wird. Beim Schneiden eines Werkstückes durch eine automatische Drahtsäge wird der Schneiddraht gegen das Werkstück gedrückt, welches in eine mit Abriebkörnern versehene Kühlflüssigkeit eingetaucht ist, oder es wird gekühlt durch eine überströmende Kühlflüssigkeit, die Abriebkörner enthält. Schneiddraht wird dabei mit hoher Geschwindigkeit angetrieben. Dieser Schneiddraht ist im allgemeinen ein Klaviersaitendraht (Stahldraht) oder ein solcher Draht mit Messingbeschichtung oder Kupferbeschichtung. Dieser Draht muß über eine Länge im Bereich von 40 bis 60 km eine hohe Zuverlässigkeit, eine hohe Zugfestigkeit und einen sehr geringen Durchmesser besitzen.
Fig. 1 und 2 zeigen eine Drahtsäge 1, welche mit einem Schneiddraht 2 versehen ist, der von einer Abwickelspule 3 gemäß Fig. 2 nach rechts auf eine Aufwickelspule 4 gewickelt wird. Dazwischen sind zusätzlich Ausgleichsrollen 5 zur Einstellung der Zugspannung des Schneiddrahtes 2 sowie Umlenkrollen 6 und Führungsrollen 7 vorgesehen.
Entlang einem Dreieck zwischen den Führungsrollen 7 sind drei mit Kerben versehene zylindrische Rollen 8, 9 und 10 angeordnet. Auf der Umfangsfläche dieser zylindrischen Rollen 8 - 10 sind jeweils schraubenförmige Führungsrinnen vorgesehen, um welche der Schneiddraht 2 zwischen den zylindrischen Rollen 8 - 10 herumgewickelt ist. Der zwischen den zylindrischen Rollen 9 und 10 sich erstreckende Teil des Schneiddrahtes 2 erstreckt sich dabei in eine Kammer 12. Die Kammer 12 enthält eine Abriebkörnerhaltige Kühlflüssigkeit 13. Innerhalb der Kammer 12 befindet sich fernerhin ein in vertikaler Richtung bewegbarer Bearbeitungstisch 14, auf welchem ein Werkstück - im vorliegenden Fall ein Siliciumeinkristall 15 - befestigt ist. Zwischen der vorderen zylindrischen Rolle 9 und der hinteren zylindrischen Rolle 10 erstreckt sich der Schneiddraht 2 in mehreren hundert Reihen, welche in axialer Richtung des Werkstückes 15 verlaufen. Der betreffende Schneiddraht 2, welcher einer Gesamtlänge von 40 bis 60 km besitzt, wird dabei kontinuierlich zugeführt, so daß das Werkstück 15 gleichzeitig an einer Mehrzahl von Stellen geschnitten wird.
In Bezug auf die Bearbeitungsgenauigkeit, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die sich ergebenden Materialverluste kann eine derartige bekannte Drahtsäge unter Einsatz eines Stahldrahtes noch wesentlich verbessert werden, um auf diese Weise den Anforderungen für Massenproduktion und Kostenreduzierung zu entsprechen. Dabei sollte der Schneiddraht einer erhöhten Spannung ausgesetzt werden, um auf diese Weise die Bearbeitungsgenauigkeit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu verbessern. Der verwendete Stahldraht muß demzufolge eine ausreichend hohe Zugfestigkeit besitzen. Die Zugfestigkeit bekannter Stahldrähte liegt dabei im Bereich zwischen 200 und 280 kg/mm², wobei jedoch der Wunsch besteht, Stahldrähte zu verwenden, deren Festigkeit oberhalb dieses Wertes bekannter Stahldrähte liegt.
Um die Verarbreitungsverluste zu reduzieren, besteht fernerhin der Wunsch, Schneiddrähte zu verwenden, welche einen kleineren Durchmesser besitzen. Durch die Verwendung von Schneidrähten kleineren Durchmessers werden ferner nachteilige Einflüsse auf die Schneidoberfläche und das Werkstück verringert. Die bei Drahtsägen verwendeten bekannten Stahldrähte besitzen dabei einen Durchmesser im Bereich zwischen 140 und 300um, wobei im allgemeinen Werte von bis 160um und darüber zum Einsatz gelangen. Aus technischen Gründen besteht jedoch ein Bedarf für Schneiddrähte, welche einen möglichst kleinen Durchmesser, beispielsweise ≤ 160 um, vorzugsweise ≤ 100 um besitzen.
Aus EP 0 213 917-A2 sind hochfeste niedriggekohlte Stahldrähte bekannt, welche verbesserte Kaltzieheigenschaften aufweisen und eine Zusammensetzungsstruktur haben, bei der eine aciculare Niedrigtemperatur-Transformationsphase aus Martensit, Bainit und/oder einer Mischstruktur mit
C: 0,02 - 0,30 Gew.-%,
Si: weniger als 2,5 Gew.-%,
Mn: weniger als 2,5 Gew.-%,
Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen und begleitende Bestandteile, wobei teilweise verbleibender Austenit enthalten sein kann, in einem Volumenbereich von 10 bis 70% gleichmäßig in der Ferrit-Phase verteilt ist, wobei das Gewicht von (C + N) in Lösung in der Ferrit-Phase weniger als 40 ppm beträgt.
Laufende und erfolgreiche Entwicklungen in verschiedenen technischen Bereichen ziehen weiteren Bedarf nach sich, um technische Materialien in Bezug auf ihre physikalischen Eigenschaften und ihre möglichen Anwendungsbereiche zu verbessern. In dieser Forderung liegt die Aufgabe der Erfindung.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Angaben gemäß Anspruch 1 gelöst; es geht um einen hochfesten ultrafeinen Draht mit einem Durchmesser von 160 um oder darunter und einer Zugfestigkeit von 300 kg/mm² oder darüber, welcher eine zusammengesetzte Phase aus Ferrit und eine Niedrigtemperatur-Transformationsphase aus Martensit, Bainit oder einer Mischung von Martensit und Bainit enthält, bestehend aus 0,01 bis 0,50 Gew.-% C, 1,5 Gew.-% oder weniger Si, 5,0 Gew.-% oder weniger Mn, wobei zusätzlich die folgenden Bestandteile enthalten sein können
- eines der Elemente Nb, V und Ti in einer Menge von ≥ 0,005 bis 0,5 %,
- und/oder 18 % oder weniger Cr
- und/oder 2 % oder weniger Cu
- und/oder 2,0 % oder weniger Mo
- und/oder 8 % oder weniger Ni
- und/oder 0,1 % oder weniger Al
- und/oder 0,02 % oder weniger B
- und/oder Spurenmengen von Ca
- und/oder Spurenmengen von Ce,
während der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind,
und wobei dieser Draht eine faserförmige Mikrostruktur aufweist, bestehend aus Fasern in gleichgerichteter Anordnung von Mikrozellen mit Größen (Dicken) im Bereich von 0,5 bis 10 nm, gebildet durch Hartziehen bei einem Reduktionsverhältnis von ≥ 99 %, wobei die Fasern in Abständen im Bereich zwischen 5 und 100 nm angeordnet sind.
Anspruch 2 zeigt eine besondere Ausführungsform, bei welcher der Wasserstoffgehalt ≤ 0,0001 % ist. Eine vorteilhaft Ausführungsform ergibt sich entsprechend Anspruch 3, wonach die Oberfläche dieses hochfesten ultrafeinen Drahtes mit einem Metall beschichtet ist, wobei die Beschichtungsmenge im Bereich zwischen 1 und 100 g pro kg des hochfesten ultrafeinen Drahtes ist. Entsprechend Anspruch 4 wird ein Verstärkungsdraht dadurch gebildet, daß der betreffende hochfeste ultrafeine Draht mit einem Harz beschichtet wird. Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 5 kann ein Verstärkungsmaterial auch dadurch hergestellt werden, daß eine Mehrzahl von hochfesten ultrafeinen Drähten gemäß Anspruch 3 verdreht, gebündelt oder verwoben wird. Dieses Material gemäß Anspruch 5 kann vorzugsweise verwendet werden, um zusammengesetzte Materialien zu bilden, indem das Verstärkungsmaterial mit Harz, Gummi oder einem Metall beschichtet wird.
Die hochfesten ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung können ebenfalls zur Herstellung eines Hochdruckschlauches entsprechend Fig. 3 verwendet werden, um auf diese Weise einen Wasserstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit und sehr hohem Druck erzeugen zu können. Mit derartigen Wasserstrahlen kann beispielsweise beim Einreißen von Gebäuden Beton einschließlich der darin vorhandenen Armierungseisen geschnitten werden. Fernerhin können damit innerhalb eines Walzwerkes die Oberflächen des Walzgutes gereinigt werden. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, daß biegsame Materialien, beispielsweise Einwegwindeln, auf diese Weise geschnitten werden können.
Entsprechend Fig. 3 weist der Ultrahochdruckschlauch 21 einen Kunststoffinnenmantel 22 auf, auf welchem eine Verstärkungsschicht 23 aufgebracht ist. Diese besteht aus einer Mehrzahl von spiralförmigen Windungen eines Verstärkungsmaterials 23a. Über dieser Verstärkungsschicht 23 ist dann noch eine äußere Kunststoffschicht 24 aufgebracht.
Beim Einreißen eines Gebäudes werden mit Hilfe eines sehr schnellen Hochdruckwasserstrahls Betonblöcke mit den darin befindlichen Armierungseisen auseinandergeschnitten. Zur Erzeugung eines derartigen Wasserstrahls muß dabei ein Ultrahochdruckschlauch verwendet werden, welcher auf eine Druckfestigkeit von 4000 kg/cm² und mehr ausgelegt ist. Derartige Ultrahochdruckschläuche besitzen dabei einen Aufbau gemäß Fig. 3. Dabei wurden bisher für die Ausbildung der Verstärkungsschicht hochgekohlte Stahldrähte mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 0,2 und 0,5 mm verwendet.
Im Hinblick auf den Anwendungsfall und die Sicherheitserfordernisse muß dabei der verwendete Ultrahochdruckschlauch eine ausreichende Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit besitzen. Dabei werden Ultrahochdruckschläuche benötigt, welche eine Druckfestigkeit im Bereich zwischen 8000 und 10 000 kg/cm² aufweisen. Da die Zugfestigkeit von normalen Stahldrähten bei 300 kg/mm² oder darunter liegt, beträgt die Druckfestigkeit bekannter Hochdruckschläuche in etwa 5500 kg/cm², während die Lebensdauer nur etwa bei 10 h liegt, so daß die bekannten Hochdruckschläuche nicht den gestellten Anforderungen entsprechen.
Bekannt sind in diesem Zusammenhang Drähte, welche eine Perlit- Ferrit-Struktur bzw. eine getemperte Martensit- Struktur aufweisen. Fernerhin sind Drähte bekannt, welche eine zusammengesetzte Struktur von vorgegebenen chemischen Elementen besitzen, wobei eine Ferrit-Phase und eine geringe Niedrigtemperatur-Transformationsphase von acicularem Bainit vorhanden ist, welche verbleibenden Austenit, Martensit oder eine Mischstruktur von acicularem Bainit und Martensit enthalten können, die gleichmäßig in einer Ferrit-Phase verteilt sind. Derartige Drähte, so wie sie in den JA-OSen 61-56264, 62-20824, 62-50408, 62-50414 und 62-50436 sowie der US-PS 4 578 124 und der US-Patentanmeldung 895 869 beschrieben sind, besitzen jedoch eine sehr schlechte Bearbeitungsfähigkeit.
Es hat sich herausgestellt, daß Stahldrähte - unter anderem auch solche, welche durch Kaltziehen der erwähnten Drähte von 3,5 mm oder darunter hergestellt werden - bei einem Hartziehverhältnis von 99 % oder darüber bis zu einem Durchmesser unterhalb von 160 um, mit einer faserförmigen feinmetallischen Struktur aus Fasern, die aus einer gleichgerichteten Anordnung von Mikrozellen von 5 bis 100 Å bestehen, angeordnet in Abständen im Bereich von 50 bis 100 Å, eine sehr hohe Zugfestigkeit im Bereich zwischen 400 und 600 kg/mm² besitzen.
Die Drahtstruktur vor der Hartbearbeitung von 99 % oder darüber ist in den zuvor erwähnten Veröffentlichungen, beispielsweise der US-PS 4 067 756 beschrieben, welche auf ein Stahlblech gerichtet ist, das eine ähnliche Struktur aufweist. Diese Struktur besitzt jedoch einen Siliciumgehalt von 2 % oder darüber, i.e. mehr als bei dem Draht gemäß der Erfindung. Die in der US-PS 4 067 756 erwähnte Struktur besitzt somit eine schlechtere Ziehfähigkeit und kann demzufolge nicht bis zu Ziehverhältnissen von 99 % oder darüber verwendet werden, weil hier die Ferritstruktur und die Martensitkörner groß sind. Der Siliciumgehalt liegt hoch, so daß der Stahl gemäß US-PS 4 067 756 der Entkohlung ausgesetzt ist. Die Oberfläche dieses bekannten Stahls wird nicht abgeschreckt durch Wärmebehandlung zur Ausbildung einer zusammengesetzten Struktur. Da also keine zusammengesetzte Struktur entsteht, wird eine Ferritschicht nur auf der Stahloberfläche erzeugt, wodurch die Zunahme der Zugfestigkeit des Stahls nachteilig beeinflußt wird.
Aus der Literatur sind die hochfesten Drähte gemäß der Erfindung nicht bekannt, d. h. Drähte mit Durchmesser von 160 um oder darunter, und mit einer Struktur, bei der die Fasern eine gleichgerichtete Anordnung der Mikrozellen von 0,5 bis 10 nm haben, gebildet durch Hartbearbeitung, und in Abständen von 5 bis 100 nm angeordnet sind, wobei eine Zugfestigkeit im Bereich zwischen 400 und 600 kg/mm² erhalten wird, i.e. eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung.
Obwohl Metalldrähte, z.B. Klaviersaitendrähte und rostfreie Stahldrähte, in der Praxis verwendet werden, welche bis auf einen Durchmesser zwischen 50 und 100 um gezogen werden, liegt die erzielbare Zugfestigkeit derartiger Drähte maximal in der Größenordnung von 300 kg/mm². Und obwohl bei diesen metallischen Drähten durch den Ziehvorgang faserige Strukturen zur Ausbildung gelangen, sind diese Fasern in Abständen in der Größenordnung von 2 bis 20 um angeordnet, während die Größe der gebildete Zellen nicht weniger als 0,2 bis 2 um beträgt.
Bei der Erfindung ergibt sich somit ein hochfester ultrafeiner Draht mit einem Durchmesser von 160 um oder darunter, welcher eine Zugfestigkeit im Bereich zwischen 400 und 600 kg/mm² aufweist. Dieser Draht besitzt eine sehr hohe Zuverlässigkeit im Hinblick auf seine Biege-, Scher- und Torsionsfestigkeit. Er besitzt fernerhin eine hohe Zähigkeit und eine ausgezeichnete Resistenz bei Zugrelaxation und Ermüdungsfestigkeit. Der betreffende Draht wird fernerhin durch Hitze weniger beeinträchtigt, und er ist frei von Festigkeitsverlusten bei einer Erwärmung bis unterhalb von 400ºC. Dieser Draht erfüllt die verschiedensten Anforderungen, indem er sehr leicht bis auf Durchmesser von 20 um oder darunter in Längen im Bereich von 40 bis 60 km gezogen werden kann. Fernerhin kann dieser Draht für verschiedene Anwendungen in verschiedenen Formen, d.h. in Strängen und Geweben, ausgeformt werden. Diese Drähte können fernerhin mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden, um auf diese Weise das Auftreten von Rost zu verhindern oder um eine Schmierung, Säurefestigkeit sowie eine verbesserte Adhäsion gegenüber verschiedenen Materialien zu erreichen.
Um die Vorteile der Erfindung zu zeigen, sollen die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung und bekannte Drähte und Fäden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften verglichen werden. Diese physikalischen Eigenschaften der ultrafeinen Drähte und bekannter hochfester Drähte sind dabei in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. So wie sich dies anhand der Tabelle 1 ergibt, weisen die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung dieselbe Zähigkeit wie rostfreie Stahldrähte auf, während die Zähigkeit im Vergleich zu anderen bekannten Drähten weitaus besser ist. Fernerhin besitzen diese Drähte eine außergewöhnlich hohe Zugfestigkeit. Tabelle 1 Drähte Ultrafeindraht Stahldraht Rostfreier Stahldraht Amorpher Stahldraht Wolframdraht Alamiddraht Dichte [g/cm³] Durchmesser [um] Zugfestigkeit [kg/mm²] Elastizitätsmodul [kg/mm²] Streckung [%] Querschnittsverringerung bei Bruch [%]
Bei den in der Tabelle 1 angegebenen Drähten wurde die Zugfestigkeit eines ultrafeinen Drahtes von 50 um Durchmesser, eines rostfreien Stahldrahtes von 100 um Durchmesser und eines amorphen Stahldrahtes mit 50 um Durchmesser gemessen, nachdem diese Drähte einer Wärmebehandlung bei Temperaturen im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und 450ºC während 30 min unter Luft ausgesetzt waren. Die sich ergebenden Resultate sind dabei in Fig. 4 gezeigt. So wie sich dies anhand dieser Fig.4 ergibt, wird die Zugfestigkeit des erfindungsgemäßen ultrafeinen Drahtes durch Wärmebehandlungen in dem angegebenen Temperaturereich nicht verringert, während seine Zähigkeit ebenfalls nicht beeinflußt wird.
Fig. 5 zeigt die -N Kurve des in Tabelle 1 angegeben ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 100 um wobei diese Werte mit Hilfe des Ermüdungstests von Hunter erhalten wurden. Gemäß dieser Fig. beträgt das Verhältnis der Ermüdungsgrenze im Vergleich zur Zugfestigkeit 0,38, was beweist, daß ein derartiger ultrafeiner Draht eine sehr hohe Ermüdungsfestigkeit besitzt.
Fig. 6 zeigt die Eigenschaften einer Beanspruchungsrelaxation eines ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 60um entsprechend Tabelle 1, sobald eine Zugbeanspruchung aufgebracht worden war, welche 85 % der Zugfestigkeit dieses Drahtes entspricht. Der Beanspruchungsverlust betrug nicht mehr als 2 %. Anhand Fig. 5 und 6 ergibt sich, daß die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung sowohl im Hinblick auf ihre dynamischen wie statischen Eigenschaften eine sehr hohe Zuverlässigkeit besitzen.
Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des abgebrochenen Endes eines ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 50um gemäß Tabelle 1, welches durch Zugbeanspruchung zum Abreißen gebracht worden ist. Fig. 8 zeigt hingegen eine vergrößerte Ansicht eines gebogenen Bereiches desselben ultrafeinen Drahtes. Anhand von Fig. 7 ist erkennbar, daß vor einem Bruch der ultrafeine Draht sehr stark gezogen wird, wobei es zu einer sehr starken querschnittsmäßigen Zusammenziehung des abgerissenen Endes des Drahtes kommt. Die querschnittsmäßige Zusammenziehung beträgt dabei nicht weniger als 50 %. Anhand von Fig. 8 ergibt sich ferner, daß ein derartiger ultrafeiner Draht bei Schleifenbildung nicht gebrochen wird, wodurch bewiesen ist, daß ein derartiger ultrafeiner Draht eine hohe Zähigkeit besitzt.
Anhand der obigen Ausführungen ergibt sich, daß die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung außerordentliche Eigenschaften aufweisen, welche die Eigenschaften von bekannten Metalldrähten wesentlich überschreiten, so daß auf diese Weise Eigenschaften erzielbar sind, welche weitgehend denen von organischen Fasern entsprechen. Die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung können demzufolge einzeln, in Strängen oder in gewebter Form sowie in Kombination mit organischen Fasern oder anorganischen Fasern oder Drähten, beispielsweise SiC-Whiskern, Kohlefasern, Aluminiumdrähten und/oder anderen metallischen Drähten verwendet werden, um auf diese Weise Stränge und gewebte Stoffe zu bilden. Die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung sind fernerhin als Zusammensetzmaterialien oder Verstärkungsmaterialien bei der Herstellung von FRPs und FRMs geeignet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Drahtsäge;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Laufweges eines Schneiddrahtes bei der Drahtsäge von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Aufbaus eines Ultrahochdruckschlauches;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Veränderung der Zugfestigkeit eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung in Abhängigkeit von der Temperatur im Vergleich zu bekannten Drähten;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der -N Eigenschaften eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Beanspruchungs-Relaxationseigenschaften eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ist eine vergrößerte Ansicht eines durch Zug abgerissenen Endes eines ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 50 um gemäß der Erfindung;
Fig. 8 ist eine vergrößerte Darstellung einer Schlaufe bei einem ultrafeinen Draht mit einem Durchmesser von 50 um gemäß der Erfindung;
Fig. 9 ist eine mikroskopische fotographische Ansicht eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung, welcher durch Ziehen eines eine zusammengesetzte Struktur aufweisenden Drahtes hergestellt wurde, wobei letzterer eine aciculare Niedrigtemperatur-Transformationsphase besitzt; die betreffende Ansicht wurde dabei durch Antastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 10 ist eine mikroskopische Ansicht des ultrafeinen Drahtes von Fig. 9, wobei diese Ansicht durch Abtastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 10000 gebildet wurde;
Fig. 11 ist eine fotographische Darstellung des ultrafeinen Drahtes von Fig. 9, welche mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei einer sehr hohen 3MV-Spannung hergestellt wurde;
Fig. 12 ist eine graphische Darstellung der Veränderung der Zugfestigkeit in Abhängigkeit der Ziehbeanspruchung von Drähten unterschiedlicher Strukturen;
Fig. 13 ist eine mikroskopische Darstellung der Struktur eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung, welcher durch Ziehen eines Drahtes einer zusammengesetzten Struktur hergestellt wurde; der betreffende Draht besitzt dabei aciculare und globulare Niedrigtemperatur-Transformationsphasen; die Ansicht wurde dabei durch Abtastung mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 14 ist eine mikroskopische Darstellung des ultrafeinen Drahtes von Fig. 13, wobei diese Darstellung durch Abtastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 10000 gebildet wurde.
Fig. 15 ist eine mikroskopische Darstellung der Struktur eines ultrafeinen Drahtes, welcher zu Vergleichszwecken durch Ziehen eines Drahtes einer zusammengesetzten Struktur hergestellt wurde; der betreffende Draht besitzt dabei aciculare und globulare Niedrigtemperatur-Transformationsphasen; die betreffende Ansicht wurde dabei durch Antastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 16 ist eine mikroskopische Darstellung der Struktur eines ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung, welcher durch Ziehen eines Drahtes mit einer zusammengesetzten Struktur hergestellt wurde; dieser Draht besitzt dabei eine globulare Niedrigtemperatur-Transformationsphase; die betreffende Ansicht wurde durch Abtastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 17 ist eine mikroskopische Ansicht der Struktur eines ultrafeinen Drahtes, welcher zu Vergleichszwecken durch Ziehen eines Drahtes mit einer zusammengesetzten Struktur hergestellt wurde; dieser Draht besitzt dabei eine globulare Niedrigtemperatur-Transformationsphase; die Ansicht wurde dabei durch Abtastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 18 ist eine mikroskopische Darstellung der Struktur eines ultrafeinen Drahtes, welcher zu Vergleichszwecken eine globulare Struktur aufweist; die Ansicht wurde dabei durch Abtastung mit einem Elektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von 3000 erstellt;
Fig. 19 ist eine graphische Darstellung der Rosteigenschaften eines Nickel-beschichteten ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem bekannten ultrafeinen Draht bei hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit;
Fig. 20 ist eine graphische Darstellung in Abhängigkeit von der Dicke der Auftragungsschicht auf einem ultrafeinen Draht in Abhängigkeit vom Korrosionswiderstand bei einem Salzwassersprühtests;
Fig. 21 ist eine Schnittansicht von Reifensträngen, welche mit Hilfe der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung hergestellt sind;
Fig. 22 ist eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Korrosionsfestigkeit von Reifensträngen aus ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten ultrafeinen Drähten.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend erläutert. Eine bestimmte Ausführungsform eines ultrafeinen Drahtes soll zuerst im Hinblick auf seine chemische Zusammensetzung erläutert werden.
- Der Kohlenstoffgehalt liegt im Bereich zwischen 0,01 und 0,50 % und dient dazu, die faserförmige Mikrostruktur zu bilden.
- Silicium ist ein wirksames Element zur Verstärkung von Ferrit. Wenn jedoch der Siliciumgehalt 3 % überschreitet, wird die Transformationstemperatur sehr stark erhöht, während gleichzeitig auf der Oberfläche des Drahtes eine Entkohlung stattfinden kann. Bei der Erfindung beträgt somit die obere Grenze des Siliciumsgehalts 1,5 %.
- Mn verbessert die Festigkeit des ultrafeinen Drahts und verbessert die Härtbarkeit der zweiten Phase. Diese Wirkungen von Mn sättigen sich jedoch bei einem Mn- Gehalt von 5 %. Im Rahmen der Erfindung wird demzufolge die obere Grenze des Mn-Gehaltes auf 5,0 % festgelegt.
Wasserstoff ist ein störendes Element, durch welches Stahl spröde wird. Je höher die Festigkeit des Stahles ist, desto stärker ist der störende Einfluß von Wasserstoff im Hinblick auf die sich ergebende Sprödigkeit. Im Rahmen der Erfindung sollte der Wasserstoffgehalt somit vorzugsweise 0,0001 %, d.h. 1 ppm oder niedriger sein, wobei Werte von 0,00005 %, d.h. 0,5 ppm oder weniger noch vorteilhafter erscheinen. Die Verringerung des Wasserstoffgehalts kann an einer beliebigen Stelle des Herstellungsprozesses zwischen dem Aufschmelzen des Stahls bis zur Bildung des ultrafeinen Drahtes erfolgen. Wirksame Mittel zur Verringerung des Wasserstoffgehaltes sind dabei eine Entgasung des geschmolzenen Metalls, ein Abkühlvorgang nach dem Heißwalzen, eine Wärmebehandlung des Drahtes sowie eine Wasserstoff entziehende Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung.
Obwohl die Festigkeit des Materials durch verschiedene Faktoren, beispielsweise den Wasserstoffgehalt, die C+N-Werte, das Ziehverhältnis und dergleichen, beeinflußt wird und dabei diese Faktoren sich gegenseitig beeinflussen, kann der Einfluß des Wasserstoffs sehr klar durch das folgende Experiment gezeigt werden. Der Einfluß von Wasserstoff auf die Festigkeit des ultrafeinen Drahtes ist dabei in der folgenden Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 ultrafeine Drähte Volumenprozentsatz der Niedrigtemperatur-Transformationsphase (%) Wasserstoffgehalt (ppm) Maximale Festigkeit (kg/mm²)
Die in Tabelle 2 gezeigten ultrafeinen Drähte A, B und C wurden durch Verringerung des Durchmessers eines 1,5 mm starken Stahldrahtes mit einer Zusammensetzung und einer Struktur des Stahls Nr. 1 bis auf einen Durchmesser von 59um durch Ziehen hergestellt. Im Fall des ultrafeinen Drahtes A wurde ein ultrafeiner Vergleichsdraht durch Ziehen eines 1,5 mm Stahldrahtes nach Abkühlung und einer Beizbehandlung hergestellt. Der ultrafeine Draht B wurde durch Ziehen des 1,5 mm Stahldrahtes hergestellt, welcher einer Wärmbehandlung bei niedrigen Temperaturen zur Entziehung des Wasserstoffs ausgesetzt war, bevor die Behandlung mit der Beize vorgenommen wurde. Der ultrafeine Draht C hingegen wurde durch Ziehen des 1,5 mm Stahldrahtes hergestellt, welcher nach dem Beizvorgang einer Wärmebehandlung zur Entziehung des Wasserstoffs ausgesetzt war.
So wie sich dies anhand der Tabelle 2 ergibt, weist der ultrafeine Draht A einen hohen Wasserstoffgehalt und eine niedrige Duktilität auf, so daß seine Zugfestigkeit weniger als 300 kg/mm² beträgt. Die durch Ziehen eines 1,5 mm Stahldrahtes hergestellten ultrafeinen Drähte B und C, welche einer Niedrigtemperatur-Wärmebehandlung zum Entzug des Wasserstoffs ausgesetzt worden waren, besaßen hingegen einen niedrigen Wasserstoffgehalt und eine hohe Festigkeit. Die entsprechenden C + N-Werte innerhalb der ferritischen Phase der ultrafeinen Drähte B und C betrugen dabei nicht mehr als 40 ppm.
Die Bedeutung des C+N-Gehaltes innerhalb der ferritischen Phase soll in dem Folgenden erläutert werden: Obwohl der C+N-Gehalt keine Eigenschaft darstellt, welche in Bezug auf die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung von Bedeutung ist, so ist dieser Gehalt doch eine Eigenschaft in Bezug auf das Ausgangsmaterial, aus welchen die ultrafeinen Drähte hergestellt sind. Der Draht besitzt dabei eine stabile Duktilität unabhängig von der Ziehgeschwindigkeit, wenn der C+N-Gehalt innerhalb der ferritischen Phase 40 ppm oder weniger beträgt. Falls jedoch der C+N- Gehalt den Wert von 40 ppm übersteigt verschlechtert sich die Streckbarkeit des Drahtes mit Zunahme des Reduktionsverhältnisses, so daß es schwierig wird, einen ultrafesten Draht zu schaffen, welcher eine Zugfestigkeit von 300 kg/mm² oder mehr besitzt.
Das Ausgangsmaterial und demzufolge der Draht können zusätzliche Bestandteile, beispielsweise Nb, V und Ti enthalten. Die Werte von Nb, V und Ti können 0,005 % oder mehr sein. Zu große Mengen erscheinen jedoch nachteilig. Die obere Grenze für Nb, V oder Ti ist demzufolge 0,5 %.
Es können ferner andere Elemente vorhanden sein, welche in nicht vermeidbarer Weise innerhalb des Ausgangsmaterials enthalten sind. Ihr Einfluß und die zulässigen Obergrenzen sind dabei wie folgt:
- Der Schwefelgehalt ist 0,005 % oder geringer, um die Menge MnS zu verringern. Eine Verringerung von MnS verbessert die Duktilität.
- Der P-Gehalt ist 0,01 % oder weniger, weil Phosphor eine merkliche Kristallgrenzen-Segregation hervorruft.
- Der Stickstoff in der festen Lösung ist die hauptsächliche Ursache von Alterung. Der in der Phase vorhandene Stickstoff bewirkt nämlich die Alterung des Drahtes während des Ziehens, so daß auf diese Weise die Bearbeitbarkeit des Drahtes verschlechtert wird. Dieser Stickstoff kann jedoch auch ein Altern des ultrafeinen Drahtes nach dem Ziehen hervorrufen, wodurch die Streckbarkeit des ultrafeinen Drahtes verschlechtert wird. Demzufolge ist der N-Gehalt ≤ 0,03 %.
- Aluminium bildet Oxideinschlüsse, welche die Streckbarkeit des Drahtes verschlechtern, weil Oxideinschlüsse nur schlecht zu transformieren sind. Demzufolge ist der Al-Gehalt vorzugsweise ≤ 0,01 %.
- Wenn das Si/Al-Verhältnis groß ist, nehmen Silicat-Einschlüsse zu. Diese Silicat-Einschlüsse vermehren sich insbesondere stark mit der Abnahme des Aluminium- Gehalts, was zu einer Verschlechterung der Eigenschaften sowie der Streckbarkeit des Drahtes führt. Das Si/Al-Verhältnis ist demzufolge ≤ 1000, vorzugsweise ≤ 250.
- Seltene Erden, wie Ce, und auch Ca können einen Einfluß auf die Form der MnS-Einschlüsse haben.
Das in der Phase vorhandene C und N kann durch Nb, V, Ti und/oder Al beeinflußt werden. Der zur Herstellung des ultrafeinen Drahtes der Erfindung dienende Ausgangsdraht kann demzufolge ≤ 18 % Cr, ≤ 2 % Cu, ≤ 2 % Mo, ≤ 8 % Ni, ≤ 0,1 % Al, ≤ 0,1 % P und/oder ≤ 0,02 % B enthalten. Cr und Cu können die Korrosionsfestigkeit des Drahtes verbessern.
Desgleichen können Mo und Ni auch die Korrosionsfestigkeit des Drahtes verbessern, während gleichzeitig die Festigkeit verbessert wird.
Die Struktur des ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung soll nunmehr näher erläutert werden.
Ein Ausgangsdraht mit einem Durchmesser von 3,5 mm oder darunter, welcher die oben angegebene chemische Zusammensetzung besitzt, wird auf eine Temperatur im Bereich zwischen 700 und 1100ºC erwärmt und anschließend abgekühlt, wobei dieser Erwärmungs- und Abkühlzyklus mehrmals wiederholt werden kann. Auf diese Weise wird ein Draht mit einer zusammengesetzten Struktur gebildet, welche 15 bis 75 % einer Niedrigtemperatur-Transformationsphase enthält, worin etwas restliches Austenit enthalten sein kann, aus Martensit, Bainit oder einer Mischung aus Martensit und Bainit, gleichförmig in der Ferrit-Phase verteilt. Das Verfahren zur Herstellung eines eine zusammengesetzten Struktur aufweisenden Drahtes ist in JP 62-20824-A beschrieben.
Der auf diese Weise hergestellte Ausgangsdraht wird dann mit einem Reduktionsverhältnis von vier oder mehr, vorzugsweise von fünf oder mehr, gezogen, um durch Verbindung des Ferrits und der Niedrigtemperatur-Transformationsphase eine kontinuierliche Faserstruktur zu bilden, welche sich in einer Richtung erstreckt. Eine noch stärkere Minifaserstruktur kann sich einstellen, indem der Draht mit noch höheren Reduktionsverhältnissen gezogen wird. Auf diese Weise kann ein ultrafeiner Draht gemäß der Erfindung mit einem Durchmesser von 160 um oder darunter hergestellt werden, welcher eine Festigkeit von 300 kg/mm² aufweist. Dieser ultrafeine Draht kann dabei vorzugsweise bis auf Werte von 100 um oder darunter gezogen werden, in welchem Fall Festigkeiten im Bereich zwischen 320 und 600 kg/mm² auftreten. Die untere Grenze des Durchmessers des ultrafeinen Drahtes liegt bei 5 um. Falls das Reduktionsverhältnis weniger als vier beträgt, dann kann keine perfekte Faserstruktur hergestellt werden, in welchem Fall die Festigkeit des ultrafeinen Drahtes weniger als 300 kg/m² beträgt.
Fig. 9 und 10 zeigen die fasrige Struktur des ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung. Die weißen Bereiche entsprechen dabei den Martensit-Körnern, während die schwarzen Bereiche Ferrit-Körner sind. Die Ferrit-Phase und Niedrigtemperatur-Transformationsphase sind dabei in gleichgerichteter kontinuierlicher Minifaserstruktur kombiniert, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Faserelementen in der Größenordnung von 5 bis 100 nm, d.h. 50 bis 1000 Å liegen. Anhand von Fig. 11 ergibt sich ferner, daß durch Hartbearbeitung ultrafeine Zellen gebildet werden, welche eine Größe im Bereich zwischen 0,5 und 10 nm, d.h. 5 bis 100 Å aufweisen.
Im Rahmen der Erfindung sollte das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur-Transformationsphase im Ferrit im Bereich zwischen 15 und 75 % liegen. Obwohl bei einem Volumenprozentsatz von weniger als 15 % ultrafeine Drähte mit Durchmessern zwischen 5 und 500 um durch Kaltziehen mit einer zusammengesetzten Struktur erzielbar sind, besitzt die betreffende Struktur des ultrafeinen Drahtes nicht die erwähnte Feinfaserstruktur, so daß die Festigkeit eines derartigen ultrafeinen Drahtes weniger als 300 kg/mm² beträgt. Falls jedoch das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur-Transformationsphase im Ferrit mehr als 75 % beträgt, kann der Draht beim Ziehen reißen.
Selbst wenn jedoch der Draht ohne Bruch gezogen werden kann, ergibt sich keine perfekte Feinfaserstruktur, so daß auch in diesem Fall die Festigkeit eines derartigen ultrafeinen Drahtes weniger als 300 kg/mm² beträgt.
Der Durchmesser und das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur-Transformationsphase des Drahtes sind fernerhin von der Morphologie der Niedrigtemperatur-Transformationsphase abhängig. Selbst wenn die Morphologie der Niedrigtemperatur-Transformationsphase im wesentlich acicular ist, d.h. wenn 80 % der Niedrigtemperatur-Transformationsphase eine aciculare längliche Struktur aufweisen, ist das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur-Transformationsphase 50 % oder weniger, während der Durchmesser des Drahtes 3,5 mm oder weniger beträgt. Wenn die Struktur der Niedrigtemperatur-Transformationsphase eine Mischstruktur einer acicularen Struktur und einer globularen Struktur bildet, beträgt das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur- Transformationsphase 75 % oder weniger, während der Durchmesser des Drahtes 3,5 mm oder weniger ist. Wenn die Struktur der Niedrigtemperatur-Transformationsphase im wesentlichen globular ist, d.h. wenn 80 % der Niedrigtemperatur-Transformationsphase eine globulare Struktur aufweist, dann ist das Volumenverhältnis der Niedrigtemperatur-Transformationsphase 50 % oder weniger, während der Durchmesser des Drahtes 2,0 mm oder weniger beträgt. Obwohl keine besonderen Beschränkungen bezüglich der unteren Grenze des Drahtdurchmessers vorhanden sind, ergibt sich im Hinblick auf den derzeitigen Zustand der Verarbeitungstechnologie eine untere Grenze des Drahtdurchmessers im Bereich von 0,3 mm.
Wenn ein Draht mit einer Niedrigtemperatur-Transformationsphase einer vorgegebenen Struktur oder eines vorgegebenen Volumenprozentsatzes mit einem Reduktionsverhältnis von 4 oder mehr, vorzugsweise 5 oder mehr, gezogen wird, dann ergibt sich hochfester ultrafeiner Draht mit der erwähnten Feinfaserstruktur, welche eine Festigkeit von 300 kg/mm² oder mehr aufweist. Unter zufriedenstellenden Bedingungen ergeben sich dabei bei Durchmessern von 160 um oder weniger bzw. 100 um oder darunter Festigkeitswerte im Bereich zwischen 320 und 600 kg/mm². Während Drähte, welche die oben erwähnten Bedingungen nicht erfüllen, zu einem ultrafeinen Draht gezogen werden können, besitzen aus derartigen Drähten gezogene ultrafeine Drähte nicht die erwähnte Feinfaserstruktur, so daß die Festigkeit eines derartigen ultrafeinen Drahtes weitaus geringer als 300 kg/mm² ist.
Die Bezeichnung "acicular" bedeutet einen Zustand, in welchen die Anordnung der Körner in gleicher Richtung gerichtet ist, während "globular" einen Zustand darstellt, bei welchem die Anordnung der Körner nicht gerichtet ist.
Nachstehend wird ein ultrafeiner Draht gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben. Dieser ultrafeine Draht besitzt eine ausgezeichnete Festigkeit gegenüber Rost, Korrosion und Oxidation, eine gute Adhäsion an Metallen, eine hohe Wärmefestigkeit und gute Schmiereigenschaften.
Diese Ausführungsform des ultrafeinen Drahtes wird dadurch hergestellt, daß der zuerst erwähnte ultrafeine Draht mit einer Beschichtung versehen wird. Zur Beschichtung von 1 kg des ultrafeinen Drahtes wird ein Beschichtungsmetall in einer Menge von 1 bis 100 g eingesetzt. Eine Beschichtung des ultrafeinen Drahtes muß bei manchen Anwendungen vorgenommen werden, bei welchen besondere Eigenschaften erforderlich sind. Der ultrafeine Draht gemäß der Erfindung besitzt nämlich die gewöhnlich bei Stahl auftretenden Eigenschaften und ist demzufolge Rost ausgesetzt. Das Beschichtungsmetall für den ultrafeinen Draht wird gewählt in Abhängigkeit von den Anwendungszwecken und den erforderlichen Eigenschaften, z. B. korrosionsfeste Metalle, wie Ni, Cu, Zn, Al, Cr und Ti, ferner Edelmetalle, wie Ag, Au und Pt, sowie Legierungen, z. B. Messing. Als Verfahren zur Beschichtung des ultrafeinen Drahtes kann ein gewöhnliches Beschichtungsverfahren wie Elektrobeschichtung, heiße Tauchbeschichtung (Feuerbeschichten), PVD, CVD oder Aufsprühen angewendet werden. Um jedoch bei einem ultrafeinen Draht zusätzlich zur Korrosionsfestigkeit die verschiedenen gewünschten Eigenschaften zu erlangen, ist Nickelbeschichtung bevorzugt.
Tabelle 3 zeigt eine allgemeine Klassifikation der Eigenschaften von Beschichtungsmetallen, um bei dem ultrafeinen Draht die gewünschten Eigenschaften zu erlangen. Das Symbol bedeutet dabei ausgezeichnet, das Symbol gut, das Symbol Δ weniger gut und das Symbol X ineffektiv.
So wie sich dies anhand von Tabelle 3 ergibt, erscheint Nickel als das günstigste Metall im Hinblick auf die gewünschten Eigenschaften zur Beschichtung der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung. Tabelle 3 Erforderliche Eigenschaften Beschichtungsmetalle Vergrößerung der Lebensdauer Rostschutz Oxidationsschutz Haftung gegenüber Metallen*1 Oberflächenbearbeitbarkeit Korrosionsfesitigkeit Selbstschmierung Äußeres Erscheinungsbild *2 Elektrische Leitfähigkeit *1: Haftung gegenüber Matrixmetallen wie Al; FRMs *2: Farbe und Entwicklung der Oxidationsfarbe des Beschichtungsmetalls.
Falls das Gewicht des Beschichtungsmaterials zur Beschichtung von 1 kg des ultrafeinen Drahtes weniger als 1 g beträgt ist die Wirkung der Beschichtung beispielsweise im Hinblick auf eine Rostverhinderung nicht ausreichend. Falls jedoch das Gewicht der Metallbeschichtung für 1 kg des ultrafeinen Drahtes mehr als 100 g beträgt, hat eine weitere Zunahme der Beschichtungsdicke des Beschichtungsmetalls keine weitere Wirkung. Eine zu dicke Metallbeschichtung führt jedoch zu Sekundärproblemen, wie der Pulverbildung, bei der Verarbeitung des beschichteten ultrafeinen Drahtes. Aus diesem Grunde erscheinen sehr dicke Metallbeschichtungen nicht wünschenswert.
Die Einsatzmöglichkeiten eines nichtbeschichteten ultrafeinen Drahtes sowie eines nickelbeschichteten ultrafeinen Drahtes gemäß der Erfindung sollen nunmehr in Verbindung mit praktischen Anwendungsfällen erörtert werden.

Drahtsäge

Eine Nickelbeschichtung des ultrafeinen Drahtes verhindert ein Rosten desselben und verbessert das Einführen von Abriebkörnern zwischen dem Schneiddraht 2 und dem Werkstück. Dabei werden die Abriebkörner sehr gut zwischen dem Schneiddraht 2 und dem Werkstück eingeführt, weil diese Abriebkörner dich in die Nickelbeschichtung des Schneiddrahtes 2 einschneiden, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert und die Bearbeitungsgeschwindigkeit vergrößert wird.
Ein nickelbeschichteter ultrafeiner Draht mit einer Länge zwischen 40 und 60 km wurde innerhalb der Drahtsäge so ausgelegt daß das Werkstück in mehreren zehn, in manchen Fällen sogar hunderten von Schneidpositionen erfaßt wird. Dadurch wurde gewährleistet, daß die Drahtsäge eine hohe Zuverlässigkeit hat, so daß sie vollautomatisch und kontinuierlich Tag und Nacht betriebsfähig ist, ohne daß eine Arretierung wegen des Reißens des nickelbeschichteten ultrafeinen Drahtes vorgenommen werden muß.

Hochdruckschlauch

Bei Verwendung innerhalb der Verstärkungsschichten eines Hochdruckschlauches kann die Lebensdauer der durch den ultrafeinen Draht gemäß der Erfindung erzeugten Verstärkungsschichten mehr als verfünffacht werden im Vergleich zu den etwa 10 Stunden an Lebensdauer bei Verstärkungsschichten, welche durch gewöhnliche Stahldrähte gebildet werden. Mit Hilfe der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung können fernerhin Verstärkungsschichten für Ultrahochdruckschläuche hergestellt werden, welche bis in einen Bereich zwischen 8000 und 10000 kg/cm² belastbar sind. Auf diese Weise ergibt sich bei derartigen Hochdruckschläuchen ein hoher Sicherheitsfaktor, welcher bei derartigen Schläuchen sehr wesentlich erscheint.

Zusammengesetzte Materialien und Netze

Wenn derartige ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung zur Verstärkung von FRP, FRM sowie Gummiprodukten verwendet werden, vergrößert sich erheblich deren Festigkeit, so daß derartige FRPs, FRMs und Gummiprodukte bei Leichtkonstruktionen einsetzbar sind. Mit Hilfe von ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung können fernerhin sehr leichte Drahtnetze, -gewebe und dgl. hergestellt werden, welche eine sehr hohe mechanische Festigkeit aufweisen.
Zur Verstärkung verwendete ultrafeine Drähte gemäß der Erfindung besitzen bei einer Kaltbearbeitung eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit. Ultrafeine Drähte mit Durchmessern von 160 um oder darunter können sehr leicht und sicher hergestellt werden, indem ein Draht mit einem geeigneten Durchmesser und einem geeignetem Reduktionsverhältnis gezogen wird. Stränge und Fäden können leicht hergestellt werden, indem ultrafeine Drähte, beispielsweise mit Durchmessern im Bereich zwischen 10 und 100 um, gebündelt oder verdreht werden. Auf diese Weise können fernerhin gewebte Stoffe und Drahtnetze aus derartigen Strängen und Fäden hergestellt werden. Da die ultrafeinen Drähte sich in diesem Fall innerhalb des gewebten Produkts und der Drahtnetze sowohl in Längs- wie auch in Querrichtung erstrecken, ergibt sich bei Verwendung derartiger gewebter Stoffe und Drahtnetze eine Verstärkung der zusammengesetzten Materialien in zwei Richtungen.
Ultrafeine Drähte mit Durchmessern von 50 um und darunter sind gegenüber Korrosion stärker anfällig als Drähte mit größerem Durchmesser. Demzufolge ist es wichtig, daß ultrafeine Drähte mit sehr kleinem Durchmesser mit einem korrosionsfesten Metall, beispielsweise Nickel, beschichtet werden. Die beschichteten ultrafeinen Drähte besitzen dabei gegenüber nichtbeschichteten ultrafeinen Drähten eine höhere Steifigkeit, so daß es leicht ist, derartige Drähte zur Bildung von Strängen und zum Weben zu handhaben. Im Hinblick auf die sich ergebenden zwei Beschichtungsvorteile erscheint es sehr wichtig, daß derartige ultrafeine Drähte mit Metall beschichtet werden.
Da die ultrafeinen Drähte einen sehr geringen Durchmesser aufweisen, ist die Streckbarkeit der ultrafeinen Drähte höher als bei gewöhnlichen Stahldrähten. Diese Streckbarkeit wird weiterhin verbessert, wenn eine Mehrzahl von ultrafeinen Drähten in Strängen verzwirnt werden. Demzufolge können Stränge von ultrafeinen Drähten auf einer Netzstrickmaschine verstrickt werden, so daß auf diese Weise gestrickte Drahtnetze entstehen, ohne daß dabei innerhalb der ultrafeinen Drähte Risse auftreten oder daß die Stränge an den Webkanten des Drahtnetzes reißen, an welchen die Stränge umgebogen werden.
Bei Verstärkung eines Matrixmaterials mit ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung können ultrafeine Drähte in Form von Verstärkungsnetzen zum Einsatz gelangen, welche durch Stränge aus ultrafeinen Drähten hergestellt sind. Derartige Verstärkungsnetze können jedoch ebenfalls unmittelbar aus ultrafeinen Drähten hergestellt sein. Fernerhin besteht die Möglichkeit, daß ein Verstärkungsgewebe aus parallelen Garnen gebildet wird, die durch Verbindung einer Mehrzahl von parallelen ultrafeinen Drähten erzeugt werden. Das Verstärkungsgewebe kann ebenfalls dadurch hergestellt sein, indem die ultrafeinen Drähte sowohl als Kett- und als auch Schußfäden zum Einsatz gelangen. Schließlich besteht noch die Möglichkeit, daß bekannte metallische anorganische oder organische Drähte oder Fäden, - beispielsweise Stahldrähte, rostfreie Stahldrähte, Stahldrähte mit hohem Mangangehalt, Titandrähte, Alamiddrähte, Harzfasern, Kohlefasern, Borfasern oder SiC Whisker - als Schuß- oder Kettfäden zum Einsatz gelangen. Die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung können in Kombination mit anderen Drähten in gemischten Strängen oder gemischten gewebten Stoffen zum Einsatz gelangen. Derartige zusammengesetzte Drahtnetze bzw. zusammengesetzte gewebte Stoffe haben dabei die günstigen Eigenschaften sowohl der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung als auch der von anderen bekannten Drähten.
Ultrafeine Drähte gemäß der Erfindung können ebenfalls in Verbindung mit Armierungen von Beton und Fotosensoren verwendet werden. Aus ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung können fernerhin sehr kleine Federn mit einem Durchmesser von 1 mm und darunter hergestellt werden, was eine Mikrominiaturisation von medizinischen Gerätschaften und Tonbandgeräten ermöglicht. Derartige Federn aus ultrafeinem Draht besitzen eine Ermüdungsfestigkeit und Dauerhaftigkeit, die weitaus größer sind als die von bekannten Federn, welche aus gewöhnlichem Stahldraht oder rostfreiem Stahldraht hergestellt sind. Aus dem ultrafeinem Draht gemäß der Erfindung können fernerhin sehr dünne Drahtseile von 1 mm und darunter hergestellt werden, um auf diese Weise Bewegungen sehr rasch und genau mit sehr hoher Ansprechgeschwindigkeit auf bewegliche Komponenten von Meßgeräten, Kopiermaschinen, Druckern übertragen zu können. Miniaturisierung, Gewichtsverringerung und Vergößerung der Arbeitsgeschwindigkeit sind dabei vorhandene Probleme, welche in Verbindung mit beweglichen Komponenten bzw. sehr dünnen Seilen aus amorphen Drähten oder rostfreiem Stahl auftreten, die im Hinblick auf ihre Eigenschaften, ihre Dehnung, ihre Lebensdauer und Festigkeit nicht zufriedenstellend gelöst sind. Die Verwendung von sehr dünnen Seilen aus ultrafeinem Draht gemäß der Erfindung verbessert in sehr starkem Maße die Ansprechscharakteristik und die Ansteuergenauigkeit von derartigen Gerätschaften.
Da die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung im Vergleich zu bekannten dünnen Drähten eine sehr viel höhere Zugfestigkeit aufweisen, verringert der Einsatz von ultrafeinen Drähten als Reifenstränge sowie Versteifungsdrähte von luftaufgeblasenen Reifen von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen die Menge der erforderlichen Reifenstränge bzw. Verstärkungsfasern, so daß auf diese Weise aufblasbare Reifen herstellbar sind, welche ein geringes Gewicht aufweisen.
Zur Verstärkung von zusammengesetzten Gummimaterialien sowie zusammengesetzten Plastikmaterialien werden gewöhnlich Kohlefasern, Kohlefäden, chemische Fasern, wie Alamidfasern, sowie metallische Drähte, wie gewöhnliche Stahldrähte, verwendet. Zur Verstärkung von zusammengesetzten Gummimaterialien werden in der Regel Stränge aus messingbeschichteten Stahldrähten eingesetzt, welche ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften aufweisen. Um jedoch die Festigkeitseigenschaften von derartigen Verstärkungsschichten zu verbessern, erscheint es wichtig, daß die Dicke von derartigen Verstärkungsdrähten verringert wird, während gleichzeitig deren Festigkeit vergrößert wird. Derartige Verstärkungsdrähte müssen dabei den folgenden Anforderungen genügen:
1. Ausgezeichnete Bearbeitbarkeit,
2. Vergrößerung der Festigkeit durch Bearbeitung,
3. ausgezeichnete Korrosionsfestigkeit,
4. ausgezeichnete Haftung gegenüber Gummi und
5. Fähigkeit der Ausbildung einer stabilen Versteifungskonstruktion (je dünner die Drähte sind, desto größer ist die Reibung zwischen den einzelnen Drähten).
Die vorliegende Erfindung ergibt ein ausgezeichnetes Verstärkungsmaterial entsprechend den Anforderungen 1. bis 5., indem ein derartiger Drahtstrang mit einer zusätzlichen Kunststoffbeschichtung versehen wird.

Beispiel 1

Entsprechend Tabelle 4 wurden Drähte hergestellt, welche chemische Zusammensetzungen 1 bis 10 aufwiesen. Unter Verwendung von Drähten mit den Nummern 1, 2 und 5 wurden dann ultrafeine Drähte hergestellt. Die Durchmesser, Festigkeiten und Strukturen dieser ultrafeinen Drähte sind in der anschließenden Tabelle 5 angegeben. Tabelle 4 Stahl Nr. Chemische Zusammensetzungen (Gew.-%)
Wenn die ultrafeinen Drähte eine homogene gieichgerichtete Feinfaserstruktur aus Ferrit und Martensit besitzen, ergibt sich eine Festigkeit von 300 kg/mm² oder darüber. Wenn jedoch die chemische Zusammensetzung dieser ultrafeinen Drähte dieselbe wie bei den zuvor erwähnten ultrafeinen Drähten ist, ergibt sich eine Festigkeit von weniger als 300 kg/mm², falls die ultrafeinen Drähte keine vollständige Faserstruktur aufweisen. Tabelle 5 Ultrafeine Drähte Stahl Nr. Durchmesser um Festigkeit (kg/mm²) Struktur Bemerkungen Meßprobe Vergl.-Probe A: Faserförmige Mikrostruktur aus Ferrit und Martensit B: Unvollständige Fasermikrostruktur aus Ferrit und Martensit
Ein Verfahren zur Herstellung der erwähnten ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Stahldrähte der Nummern 1, 2 und 5 gemäß Tabelle 4 mit Durchmessern von 1,5 mm (1500um) wurden kontinuierlich auf 890ºC erhitzt und abgeschreckt, worauf diese Drähte erneut auf 810ºC erwärmt und erneut abgeschreckt wurden, um auf diese Weise Drähte mit einer zusammengesetzten Struktur zu erhalten, welche aus Ferrit und Martensit mit Restbestandteilen an Austenit bestehen. Bei diesen Drähten Nr. 1, 2 und 5 betrug das Volumenverhältnis von Martensit 26 %, 48 % bzw. 59 %. Die Martensitstruktur innerhalb des Drahtes Nr. 1 war dabei eine im wesentliche aciculare Struktur, während bei den Drähten Nr. 2 und 5 eine kombinierte aciculare und globulare Struktur auftrat.
Der Stahldraht Nr. 5 mit einem Durchmesser von 1,5 mm wurde wärmebehandelt, und zwar unter Bedingungen, welche sich gegenüber den bereits erwähnten Drähten mit einer zusammengesetzten Struktur unterschieden, um auf diese Weise einen Vergleichsdraht zu erhalten, welcher nachstehend als Draht Nr. 5R bezeichnet wird. Der Volumenprozentanteil Martensit im Draht 5R betrug 79 %. Die Martensitstruktur war eine kombiniert aciculare und globulare Struktur mit 80% globularem Martensit.
Die auf diese Weise hergestellten Drähte wurden einem Kaltziehverfahren unterworfen, um ultrafeine Drähte zu erhalten. Festigkeit und Struktur dieser ultrafeinen Drähte sind in Fig. 12 gezeigt. Wie aus Fig. 12 ersichtlich, war die Festigkeit der ultrafeinen Drähte, welche durch Kaltziehen der Drähte Nr. 1, 2 und 5 mit einem Reduktionsverhältnis von fünf oder mehr gebildet wurden, größer als 300 kg/mm².
Fig. 9 zeigt eine fotographische Darstellung der Struktur des ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 48 um, welcher durch Ziehen des Drahtes Nr. 1 mit einer Zugbelastung (&epsi; = 2 ln do/d) von 6,9 hergestellt wurde. Die Abbildung entspricht dabei der Abtastung eines Elektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 3000. Fig. 10 zeigt eine Darstellung der Struktur desselben ultrafeinen Drahtes, bei welchem die Elektronenmikroskopvergrößerung 10000 betrug. Fig. 11 zeigt schließlich eine Transmissionsfotographie der Struktur desselben ultrafeinen Drahtes, welche unter Einsatz eines Transmissionselektronenmikroskops mit sehr hoher Spannung (3 MV) hergestellt wurde. Fig. 13 zeigt fernerhin eine Fotographie einer Struktur bei einer gemischten acicularen und globularen Niedrigtemperatur-Transformationsphase eines ultrafeinen Drahtes mit einem Durchmesser von 48 um, welcher durch Ziehen eines Drahtes von 1,5 mm des Stahles Nr. 5 hergestellt wurde. Die betreffende Aufnahme wurde mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei der Vergrößerung von 3000 hergestellt. Fig. 14 zeigt eine Fotographie der Struktur desselben ultrafeinen Drahtes, welche unter Einsatz eines Elektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 10000 hergestellt wurde. Fig. 15 ist eine Fotographie, welche die Struktur eines ultrafeinen Drahtes von 260 um Durchmesser darstellt. Dieser ultrafeine Draht ist dabei ein Vergleichsdraht, welcher durch Ziehen eines Drahtes von 5,5 mm Durchmesser des Stahles Nr. 5 hergestellt wurde, der eine gemischte aciculare und globulare Niedrigtemperatur-Transformationsphase bei einem Reduktionsverhältnis von 6,1 besaß. Diese Aufnahme wurde mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 3000 hergestellt.
So wie es sich anhand der Fig. 9, 10, 13 und 14 ergibt, weisen alle ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung eine homogene gleichgerichtete Mikrofaserstruktur auf. Eine unvollständige Faserstruktur ergibt sich gemäß Fig. 15, in welchem Fall die Festigkeit des ultrafeinen Drahtes weniger als 300 kg/mm² beträgt, wenn der Durchmesser des Drahtes außerhalb des im Rahmen der Erfindung festgelegten Bereiches liegt.
Ein Draht des Typs Nr. 1 wurde fernerhin kontinuierlich bis auf 810ºC erwärmt und abgeschreckt, um auf diese Weise einen Draht von 0,8 mm Durchmesser zu erzeugen, welcher eine Zweiphasenstruktur mit einem Ferritanteil von 28 Vol.% sowie globularem Martensit enthielt. Bei einem Reduktionsverhältnis von 6,9 wurde dann dieser Draht gezogen, so daß auf diese Weise ein ultrafeiner Draht von 25um Durchmesser hergestellt wurde. Fig. 16 zeigt eine Fotographie der Struktur dieses ultrafeinen Drahtes, welche mit Hilfe eines Elektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 3000 hergestellt wurde. Zu Vergleichszwecken wurde ein Draht von 2,5 mm Durchmesser vom Stahl Nr. 1 mit Hilfe desselben Verfahrens bei einem Reduktionsverhältnis von 6,5 bearbeitet, um auf diese Weise einen ultrafeinen Draht von 98 um als Vergleichsdraht zu erzeugen. So wie sich dies anhand von Fig. 17 ergibt, welche die Struktur dieses ultrafeinen Drahtes mit Hilfe eines Abtastelektronenmikroskops bei einer Vergrößerung von 3000 zeigt, besitzt dieser ultrafeine Draht eine nicht vollständige Faserstruktur.
Ein Draht von 2,5 mm Durchmesser des Typs Nr. 5 wurde fernerhin kontinuierlich bis auf 900ºC und 810ºC erwärmt und jeweils abgeschreckt, um auf diese Weise einen Draht mit einer zusammengesetzten Zweiphasenstruktur aus Ferrit und Martensit als Vergleichsdraht zu erhalten, wobei der Martensitanteil 53 Vol.% betrug. Dieser Draht konnte dann beim Drahtziehen sehr leicht gebrochen werden. Anhand von Fig. 18 ist erkennbar, daß bei diesem Draht kaum eine Faserstruktur ausgebildet war.
Gemäß Fig. 12 ergibt sich, daß die maximale Festigkeit eines durch Ziehen des Stahles 5R geformten dünnen Drahtes 280 kg/mm² beträgt. Der durch Ziehen des Stahles 5R mit einem Ziehfaktor von 5,2 hergestellte ultrafeine Draht mit einem Durchmesser von 98um besaß eine unvollständige Faserstruktur.
Drähte mit Durchmessern von 0,9 bis 2,5 mm der Stahlnummern 1-9 von Tabelle 4 wurden ferner einer Wärmebehandlung ausgesetzt, worauf diese Drähte einem Drahtziehverfahren ausgesetzt wurden, um auf diese Weise ultrafeine Drähte herzustellen, welche eine zusammengesetzte Struktur aus Ferrit und einer Niedrigtemperatur-Transformationsphase besaßen. Die sich ergebenden Festigkeiten und Strukturen dieser ultrafeinen Drähte sind in der Tabelle 6 wiedergegeben. Die betreffende Tabelle zeigt auch als Vergleich den Durchmesser und die Festigkeit bei einem ultrafeinen Draht, hergestellt durch Ziehen eines hochkohlenstoffhaltigen Stahldrahtes des Typs Nr. 10 über vier Zyklen von Bleipatentierung und Ziehen.
So wie sich dies anhand von Tabelle 6 ergibt, betragen die Festigkeitswerte der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung mehr als 300 kg/mm², was sehr viel höher als bei der Vergleichsprobe ist, welche durch Ziehen eines hochgekohlten Stahldrahtes des Typs Nr. 10 hergestellt wurde. Die Festigkeitswerte der ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung sind ferner höher als bei amorphen Drähten, hergestellt durch ein Unterwasserspinnverfahren, wobei sich Festigkeitswerte im Bereich zwischen 330 und 370 kg/mm² ergaben. Dabei sei darauf hingewiesen, daß bisher kein Herstellungsverfahren bekannt war, mit welchem derartige ultrafeine Drähte durch Drahtziehen hergestellt werden konnten. Tabelle 6 Ultrafeiner Draht Stahl Nr. Drahtdurchmesser (mm) Struktur Faserabstand (A) Zellengröße (A) Drahtdurchmesser (um) Festigkeit (kg/mm²) A&sub1;: Struktur gemäß der Erfindung, hergestellt durch Abschrecken unter Verwendung eines löslichen Kühlmittels A&sub2;: Struktur gemäß der Erfindung, hergestellt durch Luftkühlung B: Perlit, hergestellt durch wiederholte Bleipatentierung und Ziehen

Beispiel 2

Aus dem Stahl Nr. 5 gemäß Tabelle 4 wurden Drähte A mit einem Durchmesser von 2,5 mm hergestellt und einem primären Kaltziehverfahren ausgesetzt, so daß auf diese Weise Drähte von 0,4 mm entstanden. Diese 0,4 mm dicken Drähte wurden durch Elektroplattierung mit einer Nickelbeschichtung versehen, worauf verschiedene Sekundär-Kaltziehverfahren vorgenommen wurden, um auf diese Weise ultrafeine Drähte 2 von 0,1 mm Durchmesser und ultrafeine Drähte 3 von 0,05 mm Durchmesser herzustellen. Einige dieser Drähte von 0,4 mm Durchmesser, welche durch das primäre Kaltziehverfahren hergestellt worden waren, wurden direkt einem sekundären Kaltziehverfahren ausgesetzt, um Vergleichsproben von ultrafeinen Drähten 1 mit 0,05 mm Durchmesser herzustellen.
Unter Verwendung der ultrafeinen Drähte 1 bis 3 und mit Diamantziehformen wurden Lebensdauertests an den Werkzeugen durchgeführt. Die Resultate dieser Werkzeug- Lebensdauertests sind in Tabelle 7 dargestellt. Die Ziehformen wurden durch ein löslicbes Werkzeug-Gleitmittel beim Ziehen der nickelbeschichteten Drähte geschmiert bzw. durch ein Ölgleitmittel beim Ziehen der unbeschichteten Drähte. Die Lebensdauer ergibt sich durch das Ziehen der Quantität ultrafeiner Drähte bis zum Verschleiß oder Abtrag der Ziebform um 0,002 mm Drahtdurchmesser.
So wie sich dies anhand der Tabelle 7 ergibt, verlängert die Nickelbeschichtung die Lebensdauer der Ziehform erheblich. Da die Nickelschicht sehr dünn ist, ergibt sich kein beachtlicher Unterschied der mechanischen Festigkeit zwischen den ultrafeinen Drähten vom Typ 1 und 3. Tabelle 7 Ultrafeine Drähte Durchmesser (mm) Zugfestigkeit (kg/mm²) Dicke der Nickelbeschichtung (g pro kg) Durchmesser des Drahtes nach dem primären Ziehvorgang (mm) Sekundäres Reduktionsverhältnis (%) Lebensdauer der Ziehform gemäß dem Gewicht des gezogenen Drahtes (kg) Bemerkungen Vergleichsprobe Meßprobe
Aus dem Stahl Nr. 5 gemäß Tabelle 4 wurde ferner ein Draht von 4,5 mm Durchmesser hergestellt, welcher in der Folge bis auf eine Temperatur von 900ºC kontinuierlich erhitzt und anschließend abgeschreckt, dann auf 810ºC erhitzt und erneut abgeschreckt wurde, um auf diese Weise einen Draht zu formen, welcher eine zusammengesetzte Struktur aus Ferrit und einem gemischten acicularen und globularen Martensit mit Resten von Austenit besaß. Das Volumenverhältnis von Martensit betrug dabei 58 %. Dieser Draht wurde dann einem primären Kaltziehvorgang ausgesetzt, worauf eine Nickelbeschichtung durch Elektroplattieren vorgenommen wurde, bei welcher die Nickelmenge 13 g pro kg Draht betrug. Der nickelbeschichtete Draht wurde dann einem sekundären Kaltziehvorgang ausgesetzt; Ergebnis: dünner Draht von 0,3 mm Durchmesser.
Dieser 0,3 mm dicke Draht wurde dann einer Temperatur- und Feuchtigkeitsbehandlung bei 80ºC und 80 % Luftfeuchtigkeit ausgesetzt, um die Rostbildung zu überprüfen. Zum Vergleich wurden ein normaler Stahldraht von 0,3 mm sowie ein Cu-Zn-beschichteter Stahldraht von 0,3 mm demselben Rosttest ausgesetzt. So wie sich dies anhand von Fig. 19 ergibt, besaß der nickelbeschichtete ultrafeine Draht gemäß der Erfindung eine Rostwiderstandsfähigkeit, welche im wesentlichen dieselbe wie der von rostfreiem Stahldraht des Typs SUS304 (JIS) war. Der ultrafeine Draht 3 gemäß der Erfindung sowie der ultrafeine Draht 1 als Vergleichsdraht (siehe Tabelle 7) wurden ferner in Luft bis auf 550ºC erhitzt, um die Oberflächenoxidation der Drähte zu prüfen. Eine Oberflächenoxidation des ultrafeinen Drahtes 1 begann bei 150ºC; die Adhäsion desselben gegenüber Kunststoffharz war schlechter. Die Oberflächenoxidation des nickelbeschichteten ultrafeinen Drahtes 3 begann bei 550ºC, die Adhäsion dieses ultrafeinen Drahtes an Kunststoffharz war ausgezeichnet. Die im Rahmen der Erfindung vorgenommene Nickelbeschichtung erhöht die Anfangstemperatur einer Oberflächenoxidation. Die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung wiesen ausgezeichnete Adhäsionseigenschaften gegenüber Epoxyharz auf, wenn die ultrafeinen Drähte bei 200ºC innerhalb einer Einsatzform in Epoxyharz eingebracht wurden.
Die ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung sowie aus derartigen ultrafeinen Drähten hergestellte Seile können leicht mit Harzen, beispielsweise Polyamidharzen, Polyesterharzen und Polytetrafluorethylenharzen, beschichtet werden, weil diese Drähte eine ausgezeichnete Adhäsion gegenüber Harzen sowie eine sehr gute Korrosionsfestigkeit aufweisen.

Beispiel 3

Aus dem Stahl Nr. 5 bestehende Drähte A von 2,5 mm Durchmesser wurden einem primären Kaltziehvorgang ausgesetzt, um auf diese Weise Drähte von 0,3 und 0,4 mm Durchmesser zu bilden. Diese 0,3 und 0,4 mm dicken Drähte wurden dann durch Elektroplattierung mit einer Nickelbeschichtung versehen, wobei die Mengen von Nickel in der folgenden Tabelle 8 angegeben sind. Die nickelbeschichteten Drähte wurden dann einem sekundären Kaltziehvorgang mit unterschiedlichen Reduktionsverhältnisse ausgesetzt um auf diese Weise Drähte mit Durchmessern im Bereich von 0,06 und 0,30 mm zu bilden. Die durch Sekundärziehen hergestellten ultrafeinen Drähte wurden dann einem Salzwassersprühtest (JIS) ausgesetzt. Die Resultate dieses Salzwassersprühtests sind ebenfalls in der folgenden Tabelle 8 wiedergegeben. Der Korrosionswiderstand der nickelbeschichteten ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung ist dabei im wesentlichen derselbe wie der von Drähten des Typs SUS316 (JIS) und höher als der von Drähten des Typs SUS 304. Tabelle 8 Ultrafeiner Draht Durchmesser (mm) Durchmesser nach dem primären Ziehvorgang (mm) Sekundäres Reduktionsverhältnis (%) Dicke der Nickelschicht (g pro kg) Rostfestigkeit entspr. Anzahl von Salzwassersprühtestzyklen vor Rostbeginn (JIS) Bemerkung: Die ultrafeinen Drähte Nr. 1 bis 4 entsprechen der vorliegenden Erfindung, während die ultrafeinen Drähte 5 und 6 Vergleichsproben sind, welche mit Hilfe von Drähten des Typs SUS304 und SUS 316 (JIS) gebildet wurden.
Die nickelbeschichteten ultrafeinen Drähte besitzen Defekte, wie Miniaturlöcher, so daß es zu einer lokalen Korrosion kommen kann. Auf der anderen Seite sind die nickelbeschichteten ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung in ausreichendem Maße mit einer Nickelschicht versehen, weil der sekundäre Kaltziehvorgang im Anschluß an das Nickelbeschichtungsverfahren bewirkt, daß die Nickelschicht an der Oberfläche der ultrafeinen Drähte sehr gut zum Haften gelangt. Generell kann ausgesagt werden, daß die Korrosionsfestigkeit eines mit einer Metallschicht beschichteten Drahtes durch wiederholte Ziehvorgänge verbessert wird.
Fig. 20 zeigt eine graphische Darstellung der Resultate des Salzwassersprühtests eines nickelbeschichteten Drahtes, indem die Veränderung der Korrosionsfestigkeit des nickelbeschichteten Drahtes in Abhängigkeit der Dicke der Nickelschicht wiedergegeben ist. Entsprechend dieser Figur liegt die minimale Dicke der für die Korrosionsfestigkeit wirksamen Nickelschicht in der Größenordnung von 8um. Falls die Dicke der Metallbeschichtung eines ultrafeinen Drahtes mit < 100 um Durchmesser größer als 8um ist, ist der Volumenanteil der Metallbeschichtung übermaßig hoch, wodurch die Festigkeit des ultrafeinen Drahtes stark verringert wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Güte der Metallschicht verbessert werden, indem der beschichtete Draht einem sekundärem Kaltziehverfahren ausgesetzt wird. Selbst wenn die Dicke der Metallbeschichtung sehr dünn ist, ergibt sich auf diese Weise ein metallbeschichteter ultrafeiner Draht mit hoher Korrosionswiderstandsfähigkeit und hoher mechanischer Festigkeit.

Beispiel 4

Unter Verwendung ultrafeiner Drähte gemäß der Erfindung wurden Reifendrähte der Typen A und B hergestellt, wie sie in Fig. 21 gezeigt sind. Diese Reifendrähte hatten dabei Eigenschaften, so wie sie in den Tabellen 9 und 10 wiedergegeben sind. Tabelle 9 Zusammensetzung (Gew.-%) Ultrafeiner Draht Tabelle 10 Ultrafeiner Draht Durchmesser (mm) Bruchbelastung (kg) Zugfestigkeit (kg/mm²) Bemerkungen nickelbeschichtet
Die Reifenstränge der in Fig. 21 dargestellten Typen A und B besaßen dabei als mittlere Drähte g und h entsprechend Tabelle 10 ultrafeine Drähte B1 und A1, während die peripheren Drähte a, b, c, d, e und f ultrafeine Drähte des Typs B1 und A2 entsprechend Tabelle 10 besaßen. Diese Reifenstränge des Typs A und B waren mit einem Polyesterharz Y beschichtet. Die einzelnen ultrafeinen Drähte selbst waren zusätzlich mit entsprechenden Nickelschichten X beschichtet, um auf diese Weise die erforderliche Korrosionsfestigkeit zu erlangen und um das Verdrehen der ultrafeinen Drähte zu erleichtern. Die Eigenschaften der Reifenstränge der Typen A und B sind in der Tabelle 11 aufgelistet. Tabelle 11 Reifenstrang Ultrafeiner Draht Steigung der Verdrehung (mm) Harzbeschichtung Bruckbelastung (kg) Restfestigkeit (%) Struktur A1(mittlere Drähte) A2 (andere) B2 (alle) keine Polyester *1: Reifenstrang des Typs B (Fig. 21) *2: Reifenstrang des Typs A (Fig. 21)
So wie sich dies anhand von Tabelle 11 ergibt, besaßen die mit Harz beschichteten ultrafeinen Drähte gemäß der Erfindung eine Festigkeit, welche größer als die von nichtbeschichteten ultrafeinen Drähten ist.
Die Resultate eines Vergleichs der Korrosionsfestigkeit von Reifensträngen aus ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung und Reifensträngen aus bekannten ultrafeinen Drähten sind in der Tabelle 12 und Fig. 22 gezeigt. Tabelle 12 Bezeichnung Material Durchmesser (um) Struktur Beschichtung Bekannter Stahldraht Draht aus SUS304 Ultrafeiner Draht gemäß der Erfindung (Nr. 1 von Tabelle 11) Ultrafeiner Draht gemäß der Erfindung (Nr. 2 von und Tabelle 11) Nickel Nickel und Polyester
So wie sich dies anhand von Tabelle 12 und Fig. 22 ergibt, ist die Korrosionsfestigkeit eines aus ultrafeinen Drähten gemäß der Erfindung hergestellten Reifenstrangs sehr viel besser als die Korrosionsfestigkeit von Reifensträngen, welche aus bekannten ultrafeinen Drähten zusammengesetzt waren.

Claims

1. Hochfester ultrafeiner Draht mit einem Durchmesser von 160 um oder darunter und einer Zugfestigkeit von 300 kg/mm² oder darüber, welcher eine zusammengesetzte Phase aus Ferrit und eine Niedrigtemperatur-Transformationsphase aus Martensit, Bainit oder einer Mischung von Martensit und Bainit enthält, bestehend aus 0,01 bis 0,50 Gew.-% C, 1,5 Gew.-% oder weniger Si, 5,0 Gew.-% oder weniger Mn, wobei zusätzlich die folgenden Bestandteile enthalten sein können

- eines der Elemente Nb, V und Ti in einer Menge von ≥ 0,005 bis 0,5 %,

- und/oder 18 % oder weniger Cr

- und/oder 2 % oder weniger Cu

- und/oder 2,0 % oder weniger Mo

- und/oder 8 % oder weniger Ni

- und/oder 0,1 % oder weniger Al

- und/oder 0,02 % oder weniger B

- und/oder Spurenmengen von Ca

- und/oder Spurenmengen von Ce,

während der Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen sind,

und wobei dieser Draht eine faserförmige Mikrostruktur aufweist, bestehend aus Fasern in gleichgerichteter Anordnung von Mikrozellen mit Größen (Dicken) im Bereich von 0,5 bis 10 nm, gebildet durch Hartziehen bei einem Reduktionsverhältnis von ≥ 99 %, wobei die Fasern in Abständen im Bereich zwischen 5 und 100 nm angeordnet sind.

2. Ultrafeiner Draht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffgehalt ≤ 0,0001 % ist.

3. Ultrafeiner Draht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche mit einer Metallbeschichtung versehen ist, deren Dicke in der Größenordnung von 1 bis 100 g pro kg des ultrafeinen Drahtes liegt.

4. Verstärkungsdraht, dadurch gekennzeichnet, daß der hochfeste ultrafeine Draht gemäß Anspruch 3 mit einem Harz beschichtet ist.

5. Verstärkungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe durch Verdrehen, Bündeln oder Verweben einer Mehrzahl von hochfesten ultrafeinen Drähten gemäß Anspruch 3 hergestellt ist.

6. Zusammengesetztes Material, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe durch Beschichtung des Verstärkungsmaterials gemäß Anspruch 5 mit einem Harz, Gummi oder einem Metall hergestellt ist.