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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Ziehen eines Stahldrahts
gemäß der Einleitung
von Anspruch 1 gerichtet (siehe beispielsweise EP-A-1013819). Spezifischer
wird der Draht einem nichtlinearen Verfahren zum Ziehen eines Stahldrahts
unterzogen, was zu einer erhöhten
Festigkeit des Drahts führt.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist oft wünschenswert,
Gummigegenstände
(wie etwa Reifen, Förderbänder, Transmissionsriemen,
Zahnflachriemen und Schläuche)
durch darin Einarbeiten von Stahlverstärkungselementen zu verstärken. Kraftfahrzeug-Luftreifen
werden oft mit Korden verstärkt,
die aus messingbeschichteten Stahlfilamenten hergestellt sind. Solche
Reifenkorde sind oft aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt oder
Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, der mit einer dünnen Messingschicht überzogen
ist, zusammengesetzt. Ein solcher Reifenkord kann ein Monofilament
sein, wird jedoch normalerweise aus mehreren Filamenten hergestellt,
die miteinander verseilt werden. In den meisten Fällen, abhängig von
dem Typ des Reifens, der verstärkt
wird, werden die Litzen aus Filamenten weiter verdrillt, um den
Reifenkord zu bilden. Es ist wichtig, dass die in Filamenten für Verstärkungselemente
verwendete Stahllegierung sowohl eine hohe Festigkeit und Duktilität, als auch
hohe Ermüdungsbeständigkeit
aufweist.
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Die
Umwandlung der Stahllegierung in ein zur Verstärkung von Gummiartikeln geeignetes
Filament bezieht mehrere Verarbeitungsstufen ein, einschließlich Grobziehen,
Patentieren, Messingplattieren und Feinziehen. Das ausgewählte Verfahren,
um einen Stahldraht mit definierten Merkmalen zu erzielen, kann
viele Variationen an diesen Verarbeitungsstufen umfassen, einschließlich der
Wiederholung der verschiedenen Stufen.
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Typischerweise
wird Grobziehen; das heißt, trockenes
Ziehen eines Stabs bis auf einen Zwischen-Drahtdurchmesser, durch Anwendung eines Verjüngungszugs
vollzogen. Bei einem Verjüngungszug
werden größere Durchmesserreduktionen
an den anfänglichen
Ziehsteinpositionen vorgenommen, während der Draht verformbar
ist, d.h. es wird eine relativ hohe Zugspannung angewendet, und
an der letzten Ziehsteinposition werden kleinere Reduktionen vorgenommen,
d.h. es wird eine relativ niedrigere Zugspannung eingesetzt, wenn
der Draht aufgrund von Streckhärtung
eine höhere
Festigkeit hat. Herkömmliche
lineare Verjüngungszüge sind
dazu konstruiert, die Erledigung einer gleichen Arbeit an der ersten
und der letzten Ziehsteinposition zu erzielen, und die Abhängigkeit
der Dehnung von der Ziehsteinposition stellt eine gerade Linie dar.
In dieser Herangehensweise werden nur die ursprüngliche Drahtfestigkeit und
die letztendliche Festigkeit berücksichtigt,
während
die Drahtfestigkeit an den dazwischenliegenden Ziehsteinpositionen
nicht in Betracht gezogen wird. Somit wird der durch die Zugsteinpositionen
eingesetzte Betrag an Zugspannung um einen konstanten Betrag reduziert,
wenn der Drahtdurchmesser reduziert wird. 3 illustriert
das Verhältnis von
Zugspannung und Ziehsteinposition für einen linearen Verjüngungszug.
Solches lineares Verjüngungsziehen
wird nur während
des Grobziehens angewendet.
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Ein
anderes bekanntes Ziehverfahren ist ein Reduktionszug mit gleichmäßiger Fläche. Während der
Reduktion mit gleichmäßiger Fläche ist
die an jedem aufeinanderfolgenden Ziehstein in der Ziehbahn angelegte
Zugspannung die gleiche, da der Durchmesser des Drahts langsam reduziert
wird. Reduktion mit gleichmäßiger Fläche wird
sowohl während Grob-
als auch Feinziehen eingesetzt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung verschafft eine Lösung
zur Gestaltung optimierter Ziehstein-Ziehzüge zur Erzielung einer erhöhten Effizienz
des Ziehvorgangs und hochfester Drähte mit verbesserten Torsionsmerkmalen. Die
Erfindung berücksichtigt
die tatsächliche
Drahtfestigkeit an den Ziehstein-Zwischenpositionen während des
Ziehens eines Drahts auf einen letztendlichen gewünschten
Durchmesser.
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Es
ist ein Verfahren zum Ziehen eines Drahts auf einen kleineren Durchmesser,
entweder eine Zwischengröße von blank
gezogenem Draht oder einen endgültigen
gewünschten
Durchmesser, gemäß Anspruch
1 offenbart. Der Ziehvorgang wird als nichtlinearer Verjüngungszug
bezeichnet.
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In
einem Aspekt der Erfindung hat der gezogene Draht einen letztendlichen
gewünchten
Durchmesser von 0,1 bis 0,4 mm. Ein solcher Durchmesserbereich ist
beispielhaft für
einen letztendlichen Durchmesser nach sowohl einem Grobziehen, Patentieren
und einem letzten Ziehen. Alternativ beträgt, wenn das Ziehen des Drahts
mittels des nichtlinearen Verjüngungszugs
das Grobziehen ist, der letztendliche gewünschte Durchmesser 2,5 bis
1,0 mm. Beide Durchmesser sind bevorzugt für einen anfänglichen Drahtdurchmesser von
4,0 bis 5,5 mm, und solche Drähte
sind am nützlichsten
bei der Reifenherstellung, Kraftfahrzeugteilherstellung und Förderbändern.
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Es
ist auch offenbart, dass der Draht nach dem nichtlinearen Verjüngungszug
erneut gezogen werden könnte;
somit findet der nichtlineare Verjüngungszug während des Grobziehens statt.
Das auf das Grobziehen folgende zusätzliche Ziehen kann ein Kaltnachziehen
sein, wobei der Durchmesser um weniger als 4 % reduziert wird, oder
es kann ein gewünschtes
Feinziehen sein.
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Wenn
das zusätzliche
Ziehen das Feinziehen des Drahts ist, das an dem letztendlichen
Drahtdurchmesser durchgeführt
wird, so kann die verwendete Zugtechnik unter den folgenden Ziehverfahren ausgewählt werden
allmähliches
Reduzieren der Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein (d.h.
nichtlinearer Verjüngungszug),
Reduzieren der Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein um einen
konstanten Betrag (linearer Verjüngungszug) Anlegen
einer konstanten Zugspannung an jedem nachfolgenden Ziehstein (Reduktion
mit gleichmäßiger Fläche); oder
eine Kombination jedwedes der obigen Verfahren.
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In
einem anderen Aspekt der offenbarten Erfindung lehren die Anmelder
den Einsatz eines Kaltnachziehens nachfolgend auf das Grobziehen
des Drahts von einem ursprünglichen
Durchmesser auf einen blank gezogenen Drahtdurchmesser. Der während des
Grobziehens eingesetzte Zugtyp ist irrelevant und kann der nichtlineare
Verjüngungszug,
der lineare Verjüngungszug,
Reduktion mit gleichmäßiger Fläche oder
sogar eine Kombination dieser Typen sein.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird als Beispiel und unter Verweis auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 ein
Diagramm ist, das die Abhängigkeit
der Zugfestigkeit als eine Funktion von Zugspannung zeigt;
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2 ein
Vergleich eines linearen Verjüngungszugs
und eines nichtlinearen Verjüngungszugs ist;
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3 ein
Vergleich nichtlinearer Verjüngungsziehens
und standardmäßiger Reduktion
mit gleichmäßiger Fläche während des
Feinziehens ist, und
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4 ein
Vergleich der Bruchmerkmale eines einem Kaltnachziehen unterzogenen
Drahts und eines Drahts ohne Kaltnachziehen ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Wie
erörtert,
reduziert Ziehen des Drahts den Drahtdurchmesser, während es
die Festigkeitsmerkmale des Drahts erhöht. 1 ist ein
Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Zugfestigkeit und der Zugspannung von Drähten zeigt.
Die obere Kurve stellt Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,96
% dar und die untere Kurve stellt Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt
von 0,77 % dar. Für
jede Stahlzusammensetzung steigt die Zugfestigkeit an, wenn die Zugspannung
erhöht
wird.
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Ein
typisches Drahtformverfahren beinhaltet zwei getrennte Ziehstufen
und beginnt typischerweise mit einem Grobziehen und endet mit einem
Feinziehen. Beim Grobziehen, das üblicherweise unter Verwendung
eines Trockenschmiermittels vollzogen wird, wird der ursprüngliche
Stabdurchmesser auf einen Draht-Zwischendurchmesser,
auch als blank gezogener Drahtdurchmesser bekannt, reduziert. Danach
wird der Draht typischerweise wärmebehandelt (d.h.
patentiert), um die Ziehbarkeit wiederherzustellen, und wird dann
dem Feinziehen unterzogen. Beim Feinziehen wird Draht unter Verwendung
eines Nassschmiermittels auf seinen endgültigen Durchmesser gezogen.
Sowohl beim Grob- als auch Feinziehen wird Draht durch eine Vielzahl
von Drahtziehsteinen gezogen. Es ist wünschenswert, Ziehsteinzüge anzuwenden,
welche die dynamische Reckalterung und Rest-Oberflächenspannungen
reduzieren, die sich negativ auf Drahteigenschaften und übermäßige Ziehsteinabnutzung
auswirken.
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Die
vorliegende Erfindung verschafft Lösungen zur Erzielung dieser
erwünschten
Effekte während
der verschiedenen Ziehvorgänge
durch Anwenden von Ziehvorgängen,
die sich von den zuvor bekannten und eingesetzten unterscheiden.
Offenbart sind Kombinationen verschiedener Züge, die zu verschiedenen Zeiten
angewendet werden, Kaltnachziehvorgänge, nichtlineare Verjüngungszüge und gemischte
Verjüngungsreduktions-
und Reduktionszüge
mit gleichförmiger
Fläche.
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Nichtlinearer
Verjüngungszug
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Im
Gegensatz zu dem herkömmlichen
linearen Verjüngungszug,
wie vorangehend erörtert,
der die Drahtfestigkeit nur an der ersten und der letzten Ziehsteinposition
berücksichtigt,
wird die Zugspannung in einem nichtlinearen Verjüngungszug auf Basis der tatsächlichen
Stahldrahtfestigkeit während
jeder Phase des Drahtziehens berechnet. Wenn der Draht den nichtlinearen
Verjüngungszug
durchläuft, ist
die Durchmesserreduktion größer, wenn
der Stahl weich ist und eine relativ hohe Duktilität hat, und
ist die Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, größer, und
die Durchmesserreduktion in den letzten Stufen des Ziehvorgangs
ist relativ kleiner als zu Beginn des Ziehvorgangs, das heißt, die
Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, ist relativ geringer.
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Während die
anfänglichen
und letzten Schritte ähnlich
dem linearen Verjüngungszug
sein können,
ist der Unterschied die Veränderung
in der Zugspannung während
der dazwischenliegenden aufeinanderfolgenden Ziehsteine. Wie in 2 ersichtlich, führt, indem
die Zugspannung auf der tatsächlichen Drahtfestigkeit
basiert wird, das Verfahren zu einem nichtlinearen Ziehvorgang,
wie durch die Zugspannung zu den Ziehsteinpositionen definiert.
Die Zugspannung, der der Draht unterworfen wird, wird an aufeinanderfolgenden
Ziehsteinen allmählich
reduziert, das heißt,
die Zugspannung jedes nachfolgenden Ziehsteins wird in Bezug auf
den vorangehenden Ziehstein um einen nicht konstanten Betrag reduziert.
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Da
der nichtlineare Verjüngungszug
auf der tatsächlichen
Drahtfestigkeit basiert ist, muss vor dem Aufstellen der Ziehsteine
für den
Zug zuerst die tatsächliche
Drahtfestigkeit ermittelt werden. Die tatsächliche Drahtfestigkeit kann
ermittelt werden durch experimentelles Ziehen und Messen der tatsächlichen
Festigkeit beim Ziehen oder durch die folgende Gleichung Y = Yoexp(αε)wobei
Y die Zugfestigkeit in MPa (N/mm2) ist,
Yo die Festigkeit des Drahts nach dem Patentieren
ist, α ein von
der chemischen Zusammensetzung des Drahts und den Ziehbedingungen
abhängiger
Koeffizient ist, und ε eine
totale wahre Zugspannung ist. Typischerweise liegt der Koeffizent α für Stahl
mit hohem Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,2 bis 0,5.
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Für Drähte zur
Verwendung in der Reifenfertigung beläuft sich ein anfänglicher
Drahtdurchmesser auf 4,0 bis 6,0 mm und wird auf einen Zwischendurchmesser
von 2,5 bis 1,0 mm reduziert.
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Der
nichtlineare Verjüngungszug
reduziert die Drahtüberhitzung,
wodurch Reckalterung während
des Drahtziehens eliminiert und Ziehsteinabnutzung verringert wird.
Dieses Verfahren verbessert auch die Drahtziehbarkeit und verringert
die Wahrscheinlichkeit von Mikrorissbildung in dem blank gezogenen
Draht.
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Der
nichtlineare Verjüngungszug
kann auch während
des Feinziehens des Drahts, nachfolgend an das Patentieren des Drahts,
verwendet werden, anstelle des herkömmlichen Reduktionsziehens
mit gleichförmiger
Fläche.
Vor dem Feinziehen kann der Draht auf Korrosionsbeständigkeit
und zur Verbesserung der Ziehbarkeits- und Haftmerkmale des Drahts behandelt
werden. Beispielsweise kann der Draht mit einer dünnen Schicht
Messing oder Messinglegierungen beschichtet werden, um die Haftung
des Stahldrahts an Elastomeren zu verbessern. Vorzugsweise ist Messing
die Beschichtung der Wahl, und das Beschichtungsgewicht sollte ausreichend
sein, um nach dem Ziehvorgang auf dem Filament zu verbleiben; auch
sollte das Messing vorwiegend Alphamessing sein, um die Ziehbarkeit
zu erleichtern.
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Der
nichtlineare Verjüngungszug
kann auch in Kombination mit anderen herkömmlichen Zügen verwendet werden, um entweder
Grobziehen oder Feinziehen zu erzielen. 3 stellt
die Verwendung des nichtlinearen Verjüngungszugs in Kombination mit
einem Zug mit gleichförmiger
Fläche
während des
Feinziehens eines Drahts, gefolgt von einem Kaltnachziehen, graphisch
dar, um den Draht mit Zwischendurchmesser von 1,6 mm auf einen endgültigen Durchmesser
von 0,2 mm zu reduzieren. Dieser Zug wird mit einem konstanten Reduktionszug
mit gleichförmiger
Fläche
verglichen. Beim Feinziehen ist der Reduktionszug mit gleichförmiger Fläche das eingesetzte
herkömmliche
Zugverfahren. Der letztendliche Drahtdurchmesser, der typisch für die Verwendung
bei der Reifenfertigung ist, beläuft
sich auf 0,1 bis 0,4 mm.
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Für sowohl
Grobziehen als auch Feinziehen mit einer hohen Festigkeit wird das
nichtlineare Verjüngungsziehen
vollzogen, unter Verwendung von Ziehsteinen mit einem Konuswinkel
von 8°,
wie von den Fachleuten in der Technik verstanden wird. Das Ziehen
kann auch mit verschiedenen Konuswinkeln erzielt werden, einschließlich bekannter
10°- oder 12°-Ziehsteine.
Die offenbarten Ziehverfahren sind bei der Fertigung von Drähten jeder
Festigkeit anwendbar, sind jedoch am meisten anwendbar zur Fertigung
hochzugfester Drähte
mit Festigkeiten von vorzugsweise größer als 4000 MPa.
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Die
Anwendung des nichtlinearen Verjüngungszugs
verbessert die Drahtverarbeitbarkeit, eliminiert dynamische Alterung,
vermeidet die Notwendigkeit eines dazwischenliegenden Patentierprozesses,
wie bei der herkömmlichen
Drahtformung verwendet, wodurch die Verarbeitungseffizienz erhöht und die
Drahtfertigungszeit verringert wird. Zusätzlich kann, da das Ziehen
optimiert ist, die Anzahl der in der Feinziehstufe verwendeten Ziehsteine
reduziert werden, was zu Kostenersparnissen und verbesserter Verfahrenseffizienz
führt.
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Linearer Verjüngungszug
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Wie
zuvor erörtert,
wird während
eines linearen Verjüngungszugs
der Betrag der während
des Ziehens auf den Draht angelegten Zugspannung zwischen aufeinanderfolgenden
Ziehsteinen um einen konstanten Betrag reduziert. Dieses Verfahren
ist herkömmlich
nur während
des Grobziehens des Drahts von einem anfänglichen Drahtdurchmesser bis
auf einen Zwischendurchmesser des blank gezogenen Drahts eingesetzt
worden. Die Anmelder haben ermittelt, dass linearer Verjüngungszug
auch aufeinanderfolgend während
des Feinziehens des Drahts verwendet werden kann. Die Anwendung
von linearem Verjüngungszug
während
des Feinziehens verringert die Anzahl eingesetzter Ziehsteine, wodurch
die Herstellungskosten reduziert werden, während der Betrag an Zugspannung
und die resultierenden Festigkeitsmerkmale des Drahts variiert werden. Die
Verwendung einer Zugtechnik mit nicht-gleichförmiger Fläche, die während des Feinziehens verwendet
wird, selbst wenn sie in Kombination mit einem Zug mit gleichförmiger Fläche verwendet
wird, ermöglicht
es dem Konstrukteur, eine spezifischere Festigkeit in dem fertigen
Draht zu erzielen und die Gesamtmerkmale des fertigen Drahts zu
steuern.
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Kaltnachziehen (Skin-pass)
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Ein
Kaltnachziehen ist eine geringe Reduktion des Drahtdurchmessers,
nicht mehr als 4 % des anfänglichen
Durchmessers, welche entweder an dem letzten Ziehstein in einem
Satz von Ziehsteinen während
eines Zugvorgangs oder während
eines getrennten Schritts anschließend an das Ziehen stattfindet.
Herkömmlich
wird Kaltnachziehen nur anschließend an das Feinziehen des
Drahts eingesetzt. Die Erfinder haben ermittelt, dass Kaltnachziehvorgänge immer
dann eingesetzt werden können,
wenn die Steuerung von Torsionseigenschaften wesentlich ist, und
Kaltnachziehvorgänge
können
auch während des
Grobziehens des Drahts eingesetzt werden, ungeachtet des verwendeten
Ziehtyps.
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4 illustriert
zwei Drähte,
die einer Torsionsprüfung
unterzogen werden. Draht A wurde unter Verwendung eines herkömmlichen
linearen Verjüngungszugs
ohne Kaltnachziehen gezogen, wobei die Gesamtzugspannung 3,64 betrug.
Draht B, von derselben Zusammensetzung, wurde unter Verwendung eines
linearen Verjüngungszugs,
gefolgt von einem Kaltnachziehen mit 4 %-iger Reduktion, gezogen, was
zu der Gesamtzugspannung von 3,68 führte. Beide Drähte wurden
dann einer Torsionsprüfung
unterzogen. Der ohne Kaltnachziehen gezogene Draht zeigt Delaminierung,
d.h. axiale Rissbildung, wodurch der Draht entlang seiner Achse
gespalten wird. Der mit einem Kaltnachziehen gezogene Draht blätterte nicht
ab, selbst wenn die Gesamtzugspannung verglichen mit dem ohne Kaltnachziehen
gezogenen Draht höher
war. Die Anwendung des Kaltnachziehens verringert die Drahtdelaminierung,
wodurch die Torsionsmerkmale des Drahts verbessert werden.
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Die
resultierenden Drähte,
die unter Verwendung einer der offenbarten Kombinationen von Ziehverfahren
und Kaltnachziehvorgängen
geformt worden sind, können
in verschiedenen Produkten, wie etwa Reifen, Schläuchen, Förderbändern, Transmissionsprodukten,
und anderen, mit Stahldraht verstärkten Produkten verwendet werden.
Bei Reifen hat der Draht eine besondere Anwendung als Filamente,
die miteinander verseilt und dann verdrillt werden, um Reifenkorde
zu bilden. Abhängig
von der Größe sind
die Korde gebrauchsgeeignet in Reifenverstärkungslagen, wie etwa Gürteln, Underlays
oder Overlays, und Karkassenlagen. Der Draht kann auch beim Formen
von Reifenwülsten
verwendet werden. Auf dem größten Durchmesser
kann der Draht auch als eine Monofilamentverstärkung in verschiedenen Teilen
eines Reifens gebrauchsgeeignet sein.