Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung eines Eisen-Glas-Verbundwerkstoffes aus gangarthaltigem Eisenschwamm PDF
Preview Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung eines Eisen-Glas-Verbundwerkstoffes aus gangarthaltigem Eisenschwamm
FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2810!Fachgruppe Huttenwesen!Werkstoffkunde Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -lng. Werner Wenzel Prof. Dr. -lng. Dipl. -Wirtsch. -Ing.Heinrich Wilhelm Gudenau Institut fUr Eisenhuttenkunde der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung eines Eisen-Glas- Verbundwerkstoffes aus gangarthaltigem Eisenschwamm Westdeutscher Verlag 1979 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Wenzel, Werner: Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung eines Eisen-Glas-Verbundwerkstoffes aus gangarthal tigem Eisenschwamm / Werner Wenzel j Heinrich Wilhelm Gudenau. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1979. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2810 : Fachgruppe Hlitten wesen, Werkstoffkunde) ISBN 978-3-531-02810-1 ISBN 978-3-322-88428-2 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-88428-2 NE: Gudenau, Heinrich Wilhelm: © 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Inhalt 1. Einleitung und Problemstellung 2. Verbundwerkstoffe 2 Faserverbundwerkstoffe 5 Faserwerkstoffe 8 3. Glas - Struktur und Eigenschaften 9 Definitionen 10 Glasbildner 1 1 Glasherstellung 1 1 Struktur 11 Entglasung 13 Entmischung 14 Glasfasern 1 5 4. Pulvermetallurgische Verfahren 15 !h~OEi~ ~eE £i~t~r~oEg~n~e_ 17 Thermodynamik des Sinterns 17 Kinetik des Sinterns 20 Allgemeines zum Materialtransport 20 Systeme mit mehreren Komponenten 23 5. Verformung - Problemstellung 24 ~oEID~eEu~g~v~r!a~r~n_ 25 Freiformschmieden 25 Warmwalzen auf der Flachbahn 26 Strangpressen 26 Die Strangpressverfahren 26 Der StoffluB beim Strangpressen 27 Warmwalzen im Kaliber 28 6. Ubersicht tiber das Versuchsprogramm 29 !e~l_A_: Arbei~splan 30 Apparatur 30 Versuchsdurchftihrung 32 Ergebnis 33 - IV - Teil B : Arbeitsplan 33 I Schmiedeversuche 34 Versuchsdurchflihrung 34 Ergebnisse 36 II StrangpreBversuche 37 Versuchsdurchflihrung 37 Ergebnisse 39 !eil_C_: Arbeitsplan 40 Versuchsmaterialien 41 Versuchsgerate 41 Versuchsbeschreibung 41 Problematik der Versuche 45 Ergebnisse 46 Zugversuche 46 Auswertung der rasterelektronen und lichtmikroskopischen Unter suchungen 46 !eil_D_: Arbeitsplan 47 Probenvorbereitung 49 Versuchsdurchflihrung 50 Ergebnisse '52 Mikrountersuchungen 52 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 53 Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen 56 7. Zusammenfassung 57 8. Literaturverzeichnis 59 9. Bildanhang 63 - 1 - Einleitung und Problemstellung Die Verknappung eisenreicher, gangartarmer Erzvorkornrnen be dingt den Einsatz gangartreicherer Eisenerze in der Htittenin dustrie. Eisenerze mit hoheren Gangartgehalten (15 - 20%) kon nen auf dem Wege tiber die Eisenschwarnrngewinnung mit anschlies sendem SchrnelzprozeB kaurn wirtschaftlich verarbeitet werden. Die Verhtittung gangartreichen Eisenschwarnrnes ist wegen der auf iubietenden Arbeitsschritte auf dem Wege zurn fertigen Stahl (wie Einschrnelzen, Abtrennen der Schlacke und gegebenenfalls Veredelung der Schrnelze durch entsprechende Zuschlage usw) sehr kostenintensiv. Die sich anschlieBenden Fertigungsstationen bis zurn gebrauchsfahigen Werksttick verteuern das Endprodukt weiter. Ausgehend von der im Eisenschwarnrn vorliegenden, mehr oder weni ger fein verteilten, glasartigen Gangart sollte es moglich sein, dieses Vorprodukt durch eine geeignete Verformung direkt in einengebrauchsfahigen Werkstoff zu tiberftihren. Dieses Fertigprodukt sollte vergleichbaren Stahlen mindestens in der Zugfestigkeit ebenbtirtig sein und billiger auf Grund der Einsparung bei der Herstellung im Vergleich zu anderen Stahlpro dukten. Nicht nur die metallurgischen Verfahrensschritte konnen eingespart bzw. aufgerechnet werden gegen die Kosten der zu wah lenden oder vorzunehrnenden FormgebungsmaBnahrnen, wenn es ge lingt, direkt aus dem Vorprodukt Eisenschwarnrn durch ein ent sprechendes Umforrnverfahren Werkstoffe mit hoher Zugfestigkeit herzustellen. Dieses Forschungsvorhaben hat zurn Ziel, der Verwirklichung der Herstellung eines Eisen-Glasfaser-Verbundwerkstoffes aus gang arthaltigem Eisenschwarnrn naherzukornrnen. Die ErschlieBung neuer Anwendungsgebiete in Forschung und Tech nik beruht u.a. auf der standigen Neu- und Weiterentwicklung mehrphasiger Verbundwerkstoffe. Durch die verschiedenartigsten Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe werden differenzier te Surnrneneigenschaften der neu geschaffenen Verbundwerkstoffe erzielt. - 2 - Eine der moglichen Kombinationen ist ein Eisen-Glasfaser-Ver bundwerkstoff, der hinsichtlich des Einsatzes gangartreiche rer Erze (15- 20% Gangart) fUr die EisenhUttenindustrie inte ressante Perspektiven eroffnen wUrde. In den bisherigen Versuchen wurde an Stelle von Eisenschwamm vornehmlich Eisenpulver verschiedene Glasarten zur Gangart simulation zugegeben. Diese Gemische wurden gesintert und an schlieBend als Versuchskorper im Temperaturbereich von 950 - 11500C, in dem sowohl das Eisen als auch die Gl~ser in duktiler Form vorliegen, der Verformung unterzogen. Die Glasfaser kann weger. ihrer auBerordentlich hohen Festigkeit als hochfester Baustoff auf breiter Basis eingesetzt werden, wenn es gelingt, Glasfaserst~be hoher Festigkeit zu wirtschaft lichen Bedingungen herzustellen. Der Verbundwerkstoff Glasfaser-Metall bietet die Moglichkeit, das Ziel eines hinreichend billigen, hochfesten und korrosions best~ndigen Baustoffes zu erreichen. In diesem Verbundwerkstoff Ubernehmen beide Materialien die Aufgabe der Festigkeit in der Stabrichtung, wenn be ide genUgenden Feinheitsgrad besitzen. Zu dem kann man sich auch beide, alleine betrachtet, als Klebemit tel zwischen den Fasern des anderen vorstellen. Von diesen Feststellungen ausgehend, solI ein Verbundwerkstoff aus Eisen- und Glaspulver in verschiedenen Versuchsreihen auf technisch einfacherem, billigerem und wirtschaftlichem Weg hergestellt werden, der hohere Festigkeitseigenschaften als das Einzelmaterial Eisen besitzt. Diese Versuche sollen Voraussagen fUr gangarthaltigen Eisenschwamm zulassen. Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe konnen durch Kombinationen so verschiedener Materialien wie Metalle, Kunststoffe, Keramiken, Gl~ser u.a. aufgebaut werden. Die Zahl der moglichen Kombinationen von - 3 - Werkstoffen ist dementsprechend groB.1) Die Auswahl der Komponenten fur Verbundwerkstoffe erfolgt nach den verschiedensten Gesichtspunkten, die in dem folgenden Eigen schaftsspektrum zusammengestellt sind: Dichte VerschleiBfestigkeit Schmelztemperatur Korrosionsbestandigkeit Farbe Kaltbildsamkeit Reflexion Warmbildsamkeit Warmekapazitat AnlaBbestandigkeit Warmeausdehnung Spanabhebende Bearbeitbarkeit Warmeleitfahigkeit L5tbarkeit Elektrische Leitfahigkeit SchweiBbarkeit Magnetische Eigenschaften Polierbarkeit Elastizitat Galvanisierbarkeit Festigkeit Preis Schrottwert Bei allen Kombinationen von zwei oder mehr Komponenten in Ver bundwerkstoffen steht immer die Frage der Wirtschaftlichkeit im vordergrund2) • Durch gezielte Kombinationen der Komponenten mit ihren spezifi schen Eigenschaften lassen sich neue Werkstoffe fertigen, die oft neue Anwendungsbereiche mit erhohten, technischen Anforde rungen erschlieBen. Konventionelle Einkomponentenwerkstoffe kon nen diesen Bedingungen nur noch unvollkommen gerecht werden. 1m allgemeinen erfolgt die ubergeordnete Klassifikation der Ver bundwerkstoffe in naturliche und kunstliche Komposite. Die na turlichen (in-situ)-Verbundwerkstoffe entstehen durch Kristalli sation der Phasen der Komposite. Die Zahl dieser Verbundwerk stoffe ist auf Grund der kinetischen und thermodynamischen Be dingungen begrenzt.3) Pulvermetallurgische Verfahren mit anschlieBender Formgebung erweitern die Kombinationsmoglichkeiten. Derart gefertigte kunst liche Verbundwerkstoffe erlauben nahezu unbegrenzte Material kombinationen und Variationen der Komponentenanteile. - 4 - Die Einteilung der Verbundwerkstoffe erfolgt - neben der oben schon genannten unterscheidung zwischen natUrlicher und kunst licher Bildung - noch nach folgenden Kriterien: a) Zusammenwirken der Werkstoffeigenschaften (Eigenschaften der Komponenten werden gleichzeitig oder nacheinander wirksam) (BUd 1) b) Gestalt und Anordnung der Komponenten (Faser-, Band-, Schicht und Teilchenverbundwerkstoffe) (Bild 2) Diese zuletzt genannte Einte:ilung hat sich durchgesetzt. Sie bietet die einfachste Klassifikation, fur die weder die Entste hung noch die Werkstoffeigenschaften fUr eine Systematisierung als bekannt vorausgesetzt werden mussen.1) Teilchen-Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, in denen eine mehr oder weniger "kugel"-fBrmige Phase regellos in einer Matrix ver teilt vorliegt. Diese Materialstruktur gibt dem Werkstoff ein in alle Beanspruchungsrichtungen gleiches Verhalten. Ein Teil dieser Verbundwerkstoffe wird bevorzugt nach pulvermetallurgi schen Verfahren hergestellt. Schichtverbundwerkstoffe, d.h. mehrschichtige Werkstoffe fanden z.B. Eingang in die Elektrotechnik in Form von Kontaktfedern, ge druckten Schaltungen u.a.; Damaszenerklinge, Bimetalle, aus meh reren Lagen Metall, Holz und Kunststoff hergestellte moderne Ski, WerkstUcke, die mit einem Uberzug gegen Korrosion versehen sind, und Hartmetalle, die durch Aufbringen sehr dUnner, hochverschleiB fester Schichten ein weiteres Anwendungsgebiet erhalten, sind typische Vertreter der Schichtverbundwerkstoffe. Bandverstarkte Verbundwerkstoffe zeigen hohe Festigkeitswerte in zwei Richtungen (langs und quer zum Band) auf Grund der breit ausgewalzten, parallel und nebeneinander in einer Matrix angeord neten Fasern. - 5 - Faserverbundwerkstoffe sind dadurch charakterisiert, daB eine Komponente eindimensionale Ausdehnung hat und in eine Matrix eingebettet ist. Diese Anordnung bringt z.B. hohere Festigkeits eigenschaften eines Verbundwerkstoffes in der Richtung der Fa sern. Ein bekannter Vertreter dieser Gruppe ist Stahlbeton. Stahl einlagen erhohen die geringe Zugfestigkeit des Betons erheblich1). Die mit Glasfasern verstarkten Kunststoffe sind bereits als kon ventionelle Verbundwerkstoffe anzusehenund haben sich einen festen Marktanteil im Baugewerbe, Bootsbau, Behalter- und Rohren fertigung, Elektroindustrie u.a. Sektoren erobert.1)Die Grundlage dieser Entwicklung ist die hohe Festigkeit der Glasfaser, sofern sie in genugendem Feinheitsgrad vorliegt. Die neuesten Entwicklungen gehen dahin, nur wenige Millimeter lange Fasern so in ein Tragermaterial einzubetten, daB sie nicht ungeordnet liegen, sondern moglichst alle in ein und dieselbe Rich tung weisen. Diskontinuierliche Fasern mussen so gegeneinander versetzt sein, daB die Zugspannungen von Faser zu Faser durch die Scherfestigkeit der Matrix ubertragen werden konnen. Das Er gebnis ist ein Verbundwerkstoff, der beinahe gleich gute Festig keitseigenschaften hat wie ein Werkstoff mit Endlosfasern. Bei Polyester-Glasfaser-Verbundwerkstoffen ist die Endlosfaser als Ar mierungsmaterial der ausgerichteten Kurzfaser jedoch geringfugig uberlegen. Dafur ist aber der kurzfaserverstarkte Werkstoff bil liger.4) Der von uns angestrebte Verbundwerkstoff Eisen-Glasfaser soll ein wirtschaftlich und technologisch interessanter und konkurrenz fahiger Vertreter der kurzfaserverstarkten Werkstoffe werden. Faserverbundwerkstoffe Der Einsatz von Faserverbundwerkstoffen erfolgt speziell dort, wo die Festigkeitseigenschaften dieses Werkstoffes durch Belastungs- falle die Zugkrafte in Faserrichtung maximal wirksam werden lassen, voll ausgeschopft werden. Grundbedingungen fur die Her-
The list of books you might like
