Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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-
