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Metallgufl-Ersatzmasse
Gegenstand der Erfindung ist eine Ersatzmasse
für Metallguß und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Sie soll insbesondere zur
Herstellung von Rahmen, Trägern, Grundplatten, Riemenscheiben, Sehwungrädern. Kurbelgehäusen,
Getriebegehäsuen, Alaschillenblöcken, Rohrverbindungen, Pumpen, I,agern, Turl) inell
Werkzeugmaschinen, Rohren, t>anzerl)latten, Luftschutzl)unkern und ganz allgemein
für Bauteile verwendet werden, die hohe Festigkeit l)ei verhältnismäßig geringem
Gewicht und geringen Herstellungskosten aufweisen sollen, l)ei denen aber das benötigte
Volumen von geringerer Bedeutung ist.
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Gemäß der Erfindung wird die Ersatzmasse in der Weise hergestellt,
daß verhältnismäßig kurze schraul) enförmige Drahtelemente derart in eine Form eingebracht
werden, daß sie innerhalb der Form einen dreidimensionalen und gleichmäßigen matratzenartigen
Verband bilden, worauf die Form mit einer geeigneten Verbundmasse, wie schnell bindendem
Zement, Zementmörtel, Gips, Ton, Kunstharz oder irgendeinem anderen hart werdenden
Material, gefüllt wird.
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Der Verband kann dadurch hergestellt werden, daß die Drahtelemente
einzeln oder in einem zusammenhängenden Strom in die Form gebracht werden. Die schraubenförmigen
Elemente können dabei aus Draht von normalem, rundem Querschnitt oder zur Vergrößerung
der Oberfläche besser noch von verwundenem quadratischem, rechteckigem oder kreuzförmigem
Querschnitt bestehen.
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Die Größe der zu verwendenden Drahtelemente richtet sich nach der
Größe des zu formenden Teils.
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Der Durchmesser der Drähte kann zwischen 1/io mm
und
mehreren Millimetern liegen, und die Abmessungen der Elemente werden etwa so gewählt,
daß die Steigung zweimal dem Windungsdurchmesser und die Länge etwa der einer Windung
entspricht. während die abgewickelte Länge etwa dem hundertfachen Drahtdurchmesser
gleichkommt. Ist der Draht aus sehr hartem Material, so kann die Läuge der Elemente
auf etwa das Dreihundertfache des Drahtdurchmessers erhöht werden, während die Steigung
das Zwei- bis Sechsfache des Windungsdurchmessers betragen kann.
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Für besondere Zwecke können diese Verhältnisse natürlich abgewandelt
werden. so daß man jeden beliebigen metallanteil in der fertigen Masse erllalten
kann.
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Wird eine große Zahl solcher Elemente einzehln in eine Form gebracht.
die größer als die Außenabmessungen der Elemente ist, so entsteht in ihr ein dreidimensionaler
ineinandergreifender Verl<and.
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Es ist vorteilhaft, wenn man rechtsgängige und linksgängige Schraubenelemente
zu gleichen Teilen so in die Form einbringt, daß beide Arten gleichmäßig über die
gesamte Form verteilt sind. Diese Elemente greifen dann selbsttätig so ineinander
ein, daß ein matratzenähnlicher Verband entsteht, in dem die mit Fasern vergleichbaren
Drähte in allen Richtungen gleichmäßig verteilt sind und der zur Aufnahme der Verbundmasse
genügend Zwischenräume aufweist. Um dies zu erreichen, werden die Drahtelemente
entweder einzeln in die Form hineinfallen gelassen oder in zusammenhängendem Strom
hineingeführt, gegebenenfalls unter Zuhilfenahine eines Luft- oder Wasserstroms.
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Nachdem die Form so gefüllt worden ist, wird die Verbundmasse in
die Fornm gegossen, so daß sie sämtliche Drahtelemente einbettet. Um hierbei die
Luft aus der Forni herauszutreiben und die gleichmäßige Verteilung der Verbundmasse
zu gewährleisten, wird die Form während des gesamten Eingießvorganges ständig gerüttelt.
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Nach dem Abbinden und Erhärten stellt die fertige omasse einen neuartigen
Werkstoff dear, der in allen Richtungen eine gleichmäßig erhöhte Festigkeit besitzt,
und zwar nicht nur gegen Cruck, sondern auch gegen Zug, Scherung und Biegung.
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Werden die einzelnen Schraubenelemente willkürlich, aber in gleichmäßigem
Wechsel von rechtsgängigen und linksgängigen Elementen in die Form eingebracht,
so stellt der so enstandene Verband ein System von in allen Richtungen ineinandergreifenden,
mit Fasern vergleichbaren Drähten dar, das in allen Richtungen eine gleichmäßige
und regelmäßige dreidimensionale Struktur besitzt. Es wurde nun gefunden, daß, wenn
ein solches in eine Verbundmasse, eingebettetes Fasersystem einem Zugspannungsfeld
von bestimmter Richtung unterworfen wird, es diesem einen solchen Widerstand entgegensetzt,
als bestünde es aus einem System vonk in dieser Richtung liegenden, durchlaufenden
parallelen und geraden Fasern. Würde nun beispielsweise ein bestimmtes Probvestück
des neune Nverkstoffes, das einen Anteil p an in der vorher beschriebenen Weise
verteiltem Stahldraht hat, in einer Richtung unter Spannung gestzt, so würde das
entsprechende, aus in der Spannungsrichtung liegenden parallelen, geraden und derchgehenden
Fasern gebildete System gleicher Festigkeit den Stahlanteil kp haben. Der Faktor
k ist hierbei kleiner als 1 und hat bei einer dreidimensionalen gleichmäßigen Verteilung
der Fasern in jeder beliebigen Richtung den Wert von etwa 1/3.
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Eine nicht gleichmäßige dreidimensionale Struktur wird erreicht,
wenn man die Drahtelemente im Verhältnis zu ihrem Querschnitt länger macht, so daß
sie beispielsweise mehrere Male länger als der Windungsdurchmesser werden. Werden
soche Elemente auf den flachen Boden einer Form geworfen, so entsteht eine nahezu
zweidimensionale gleichmäßige Struktur, und der faktor k nähert sich in dieser Ebene
dem Wert ½, während er in der senkrecht dazu stehenden Richtung sehr klein wird.
In dem Maße, wie sich die Elemente gegenüber dem flachen Boden aufrichten, geht
die zweidimensionale in eine dreidimensionale Verteilung über. Infolgedessen besitzt
eine Platte aus dem neuen Werkstoff eine höhere Biegefestigkeit, wenn die auf Zug
beanspruchte Seite dort ist, wo sich die Elemente zuerst auf den Boden der Form
gelegt hatten, weil der Faktor k in der Nähe dieser Oberfläche höher ist. Eine solche
Verteilung der Elemente ist beispielsweise bei Platten von Bedeutung, die stets
in einer bestimmten Richtung auf Biegung beansprucht werden, so daß der höhere Wert
des Faktors k sich auswirken kann.
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Die Größe der schraubenförmigen Elemente und die Art der Verbundmasse
hängen von der Stärke der Gußstücke ab; bei düniten Gußstücken wird man den Querschnitt
des verwendeten Drahtes als kleinen Teil eines Quadratmillimenters wählen und die
elemente in reinen Zementmörtel oder in mit feinem Sand gemischten Zement einbeteen.
Für sehr dicke Stücke können die Elemente aus Profilstahl hergestellt werden, dessen
Querschnitt mehrere Quadratzentimeter groß ist. und man bettet diese Elemente in
aus Zementmörel und Kies oder Schotter hergestellten Beton ein.
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Unter Unständern können auch Elemente verschiedener Größe in geeignetem
Verhältnis miteinander vermischt werden.
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Der Werkstoff gemäß der Erfindung ist sehr zäh, hat eine große Dauerfestigkeit
und Verformbarkeit und kann in jeder Richtung betächtliche Zug-Scher- und Biegungsbeanspruchungen
aufnehmen.
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Dies ergibt sich durch die gleichmäßige Verteilung der Fasern, die
in jedem Teil des Körpers eine dreidimensionale, ineinandergreifende Struktur hervorruft.
Versuche haben gezeigt. daß Risse sich nicht erweitern können und innere Brüche
nicht autftreten. DEr Werkstoff kann in jeder beliebigen gebogenen und omplizierten
Form gegossen werden, bei der es ounmöglich wäre, in anderer Weise Stahleinlagen
vorzusehen. So kann man z. B. vollständige Lagergehäuse mit allen komplizierten
inneren Hohlräumen für die erforderlichen Lagerschalen, Schmierringe, für die Olreserve
und die
Filzscheiben oder alle sonstigen Zubehörteile aus einem
Strick herstellen.
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N'ersuche haben weiterhin ergeben, daß der eigentüml iche matratzenartige
Verband der zusammenhängenden, in drei Richtungen gekrümmten Drähte dem ganzen Werkstoff
neue, in jeder Richtung wirksame Eigenschaften der Dauerfestigkeit und Verformbarkeit
gibt, die der Verbundmasse allein nicht eigentümlich sind. Beispielsweise können
aus diesem Werkstoff Hämmer hergestellt werden, die eine sehr beträchtliche Zahl
von Schlägen ausführen können, ohne daß irgendwelche Schäden an ihnen entstehen.
Dasselbe gilt für Gußteile, für lager und Maschinen, kurbelgehäuse, Rahmen für Werkzeugmaschinen.
Panzerplatten, Öfen, Gaserzeuger und ähnliche Bauteile, die Schwingungen, Stößen
und ungleichmäßiger Erhitzung ausgesetzt sind.
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11iir normale Zwecke l'eträgt der Anteil an Stahl <ei aus <1cm
neune Werkstoff hergestellten Fertigteilen etwa ein Zehntel des Gewichts. Daraus
ergibt sich eine Eisenersparnis von einigen 90%, wenn man Gußteile durch solche
gleichen Gewichts aus dem auch Werkstoff ersetzt.
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In allen Fällen, in denen normale Ätetallgußteile sehr viel dicker
als nötig gemacht werden müssen, um eine große. Steifigkeit und Korrosionsfestigkeit
zau erhalten, können solche Gußteile unter beträchtlicher Gewichtsersparnis durch
den neuen Werkstoff ersetzt werden. Das spzifische Gewicht des Werkstoffs liegt
zwischen 2,3 und 2,5 und ist daher etwas geringer als l<ei Aluminium und etwa
ein Drittel desjeuigen vom Gußeisen.
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1 )cr neue Werkstoff hat eine recht hohe und gleichmäßige magnetische
Permeabilität und kann deshalb gut für die Herstellung von einteiligen Rahmen für
elektrische Generatoren und Motoren lienutzt verden. Er vermindert auf diese Weise
die fiir die azole des Stators und des Rotors benötigten Eisenmengen auf ein Mindestmaß.
Darüber hillaus verhindert die eigentümliche Struktur des Verbandes der Stahlelemente
die Entstehung von Wirbelströmen in diesen Körpern, weshalb durch magnetische Wechselfelder
keine Wärme entstehen kann. Durch Erhöhung des Stahlanteils der Elemente kann die
permeabilität sehr beträchtlich erhöht n-errlen. so daß Gufistücke des neuen Werkstoffs
l<eim Bau Voll Wechselstrommaschinen, Dynamos uii<l lransformatoren unmittelhar
für Bauteile benutzt werden können, die das mangeitsche Feld leiten sollen. Will
man die magnetische Permeabilität noch weiter steigern, so kann die Verbvundmasse
aus einem Gemisch von Eisenfeilspänen uiid Zement hergestellt werden.
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I)ie Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs gegen Stöße macht iliii
auch für Räder jeder Art, wie Riemenscheiben, Trommeln oder solche für Fahrzeuge,
wie Kraftfahrzeuge, Lastkraftwagen, landwirtschaftliche Schlepper. Straßenwalzen
und Eisenbahnen, geeignet. lin Schiffbau macht die Korrosionsfestigkeit den Werkstoff
als Ersatz für schwere und leichte an Bord einzubauende Gußteile sehr geeignet.
Insbesondere können Schiffsschrauben für Hilfs- und Hauptantrieb ganz aus dem neuen
Werkstoff hergestellt werden.
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Bei dem gleichen Gewicht können Guß stücke aus dem neuen Werkstoff
einen dreimal so großen Querschnitt wie Gußteile haben. Dadurch erhält man größere
Steifigkeit und einfachere Formen, so daß man komplizierte Versteifungsrippen od.
dgl., wie sie beim Metallguß erforderlich sind, nicht benötigt.
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Darüber hinaus können aus dem neuen Werkstoff hergestellte Teile an
Ort und Stelle hergestellt werden, so daß man den Transport schwererer Gußstücke
vermeiden kann.
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Der Werkstoff hat einen Wärmedehnungskoeffizienten von der gleichen
Größenordnung wie Stahl und kann daher mit Eisen- und Stahlteilen zusammengebaut
werden. Zusätzliche Verstärkungseinlagen können in Form von unter Zugspannung stehenden
Stäben und Drähten in allen Teilen der Form vorgesehen werden, in denen hohe Zugbeanspruchungen
zu erwarten sind. Dies erlaubt es, beispielsweise Schwungräder, Kurbelgehäuse, Zylinderblöcke
für Dampf- oder Verbrennungskraftmaschinen sowie Werkzeugmaschinen zu gießen, wohei
die eingegossenen Zugbolzen, Metallringe oder sonstigen Verstärkungen nur dort vorgesehen
werden, wo sie absolut notwendig sind.
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Die Biegefestigkeit von Platten des neuen Werkstoffs schwankt zwischen
150 und 450 kg/cm2, je nach der Zugfestigkeit der Elemente und der Güte der Verbundmasse.
Dies erlaubt die Herstellung von Trägern, Platten, Bohlen u. dgl., die eine Belastungsfähigkeit
besitz4en, welche mit der von Guß=-eisen oder Standardträgern aus unlegiertem Stahl
des gleichen Gewichts vergleichbar ist.
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Der Stahldraht, aus dem die bei dem neuen Werkstoff verwendeten Elemente
hergestellt werden, hat eine Bruchfestigkeit, die drei- his zwölfmal höher als die
von gewöhnlichem Eisen oder Stahl ist. Deshalb ist trotz der Verteilung der Metallfasern
die Bruchfestigkeit des neuen Werkstoffs auf Zug, Scherung und Druck in jeder Richtung
hoch.
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Der neue Werkstoff hat eine höhere Bruchfestigkeit als normaler Stahlbeton.
Infolgedessen kann man aus ihm leichtere Decken-und Dachkonstruktionen sowie Säulen
oder andere Bauteile herstellen.
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Werden Säulen aus dem neuen Werkstoff einer hohen Drucklast unterworfen,
so zeigen sie, lange bevor der innere Querschnitt zerstört wird, an ihrer Außenfläche
Spuren der hohen Beanspruchung und geben so rechtzeitig ein Warnzeichen. Dadurch
ist der Werkstoff besonders gut für die Herstellung von Grubenstempeln geeignet.
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Der geeignetste Werkstoff für die schraubenförmigen Elemente ist
Stahl und für die Verbundmasse schnell bindender Tonerdezementmörtel mit Sand oder
für kleine Gußstücke auch reiner Zement.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt. Die
Elemente können deshalb auch aus irgendeinem anderen Material hergestellt werden,
und als Verbundmasse kann Magnesia, Gips oder irgendein anderes Material, wie Kieselsäure,
Kunstharz
oder Tonmischungen, die unter Einwirkung von Hitze fest werden, verwendet werden.
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Eine andere Eigenschaft des Werkstoffs ist seine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen den Durchschlag von Geschossen. Dadurch kann er an die Stelle von l'anzerplatten
treten.
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I)as spezifische Gewicht ist geringer als ein l) rittel des Stahls.
Deshalb kann man Panzerplatten aus dem neuen Werkstoff bei gleichem Gewicht mindestens
dreimal so dick machen und an Ort und Stelle als einteiliges Bauwerk errichten,
so daß schwache Verbindungsstellen vermieden werden.
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Die dem Durchdringen von Geschossen entgegenstehende größere Dicke
zusammen mit der großen Steifigkeit wird die Beschädigungen auf die äußeren Teile
der Platte beschränken.
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Es ist an sich bekannt, daß faserige Massen, wie Sägespäne, dem Durchgang
von Geschossen einen großen Widerstand entgegensetzen. Die dreidimensionale Faserstruktur
des in dem Werkstoff eingebetreten matratzenähnlichen Verbands hat eine ähnliche
Wirkung.
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Die verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs zusammen
mit seiner Dauerfestigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegen Durchschläge von Geschossen
macht den Werkstoff für einen wirtschaftlichen und schnellen Bau von ganzen, einteiligen
Panzern, Panzerzügen, Bunkern, Luftschutzbunkern, Panzerdecken, Geschützkuppeln
und Lafetten u. dgl. unter entsprechend großer Stahleinsparung geeignet.
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Es ist bekannt, fertige Bündel von Metall- oder Eisenspänen der verschiedeirsten
Stärken und Arten als Verstärkungseinlage in einer Verbundmasse vorzusehen. Die
unregelmäßig geformten Fasern, aus denen sich diese Gefüge zusammensetzen, haben
aber weder die genaue Krümmung noch die gleichmäßige Verteilung, die Vorbedingung
dafür sind, daß das Fertigprodukt in allen Richtungen eine erhöhte einheitliche
Zugfestigkeit besitzt, die mit der von Metallgußteilen vergleichbar ist. Solche
fertigen Bündel oder Pakete aus Metallspänen können nicht in komplizierte Formen
eingebracht werden, ohne daß Lücken entstehen, bei denen die Fasern benachbarter
Bündel nicht ineinander eingreifen können. An solchen Stellen bleibt die Zugfestigkeit
des Endprodukts praktisch die gleiche wie die der gar nicht mit Verstärkungen versehenen
Verbundmasse.
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Weiterhin ist schon vorgeschlagen worden, eine Verbundmasse durch
Einbettung paralleler oder nebeneinanderliegender Schraubenfedern zu verstärken,
die viele Windungen aufweisen. Bei der Verwendung solcher Elemente entsteht keine
gleichmäßige dreidimensionale Verteilung der Fasern, die die gleiche Zugfestigkeit
in allen Richtungen bewirkt. In irgendeiner Richtung parallel oder quer zur Achse
der Federn wird hier die Verbundmasse zuerst zum Reißen kommen und dann die Federn
zutage treten lassen.
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Solche Werkstoffe mit fertig gebündelten, unregelmäßig geformten
Drähten oder Spänen oder mit solch langen Schraulaenfedern fallen selbstverständlich
nicht unter die vorliegende Erfindung.
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PATENTANSPRÏ CHE I. Verfahren zur l Herstellung einer Metallguß-Ersatzmasse
aus schraubenförmigen Metalleinlagen und einer Verbundmasse, dadurch gekennzeichnet,
daß kurze, schraubenförmige Drahtelemente derart in eine Form eingebracht werden,
daß sie innerhalb der Form einen dreidimensionalen, gleichmäßig verteilten ineinandergreifenden
Verband bilden, worauf die Form mit einer geeignetenVerbundmasse gefüllt wird.