МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО В.А.ШЕЙНЕРТА Российский патент 2006 года по МПК C22C49/14 

Изобретение относится к области металлургии, а точнее к конструкции металлического волокна, металлической фибры и металлической шерсти, предназначенных для дисперсного армирования материалов.

Известна конструкция металлической фибры [1], тело которой выполнено гофрированным по форме и изготовлено из высокопрочной проволоки диаметром 0,8-1,2 мм при длине в интервале от 30 до 40 мм.

Недостатком известной металлической фибры является то, что из-за производства основы (проволоки) методом волочения через фильеры, ее поверхность становится гладкой и в силу указанных причин не проявляет анкерующих свойств при сдвиговых воздействиях на армированный ею материал на прямолинейных участках гофра. Кроме этого, недостатком указанной конструкции является невозможность воспроизводимого (по физико-механическим характеристикам) изготовления гофрированной металлической фибры с размерами менее 500 мкм. Еще одним недостатком рассматриваемой металлической фибры является наличие изначально напряженных участков в зонах изгиба, что не способствует обеспечению длительного срока службы данной металлической фибры в условиях знакопеременных нагрузок. И, наконец, гофрированная проволочная фибра имеет недостаток в виде склонности к комкованию, что затрудняет ее хранение, перевозку, а также применение для армирования в концентрациях, превышающих 12-15 вес.%.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату, принятым в качестве прототипа, является металлическое волокно, описанное в [2].

В основу изобретения положена задача создания металлического волокна (металлической фибры, металлической шерсти, металлических чешуек) для целей дисперсного армирования материалов, способных приобретать в результате такого армирования высокую временную устойчивостью к динамическим знакопеременным нагрузкам.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение срока службы металлического волокна в качестве армирующего средства для конструкционных и строительных материалов в условиях знакопеременных механических и температурных нагрузок.

Указанный технический результат достигается тем, что металлическое волокно, выполненное в виде плоского протяженного основания и снабженное, по меньшей мере, двумя анкерами, дополнительно содержит сквозную перфорацию в интервале 5-43% от общей площади его поверхности, при этом анкера выполнены в виде кристаллитов металла, скрепленных с частью поверхности плоского протяженного основания, а плоское протяженное основание выполнено в виде вытянутого эллипсоида, причем внутренняя структура плоского протяженного основания имеет градиент фаз по всей толщине от аморфной у одной из ее поверхностей до мелкокристаллической у противоположной ей поверхности.

Желательно, чтобы плоское протяженное основание имело ширину в интервале от 7 микрон до 5000 микрон.

Предпочтительно, чтобы плоское протяженное основание было выполнено толщиной в интервале от 0,8 микрона до 450 микрон.

Имеет значение, чтобы плоское протяженное основание было выполнено длиной в интервале от 100 микрон до 60000 микрон.

Целесообразно, чтобы форма выполнения отверстия перфорации была изоморфна форме выполнения плоского протяженного основания.

Желательно, чтобы анкера были преимущественно размещены на поверхности плоского основания со стороны ее микрокристаллической структуры.

Целесообразно, чтобы анкера выступали над поверхностью плоского протяженного основания на величину, равную от 3 до 15% от его толщины.

Представленные выше признаки объекта изобретения необходимы и достаточны для получения заявленного технического результата.

Из существующего уровня техники не была установлена известность технических решений, содержащих признаки, порочащие новизну и технический уровень заявленного изобретения, которое отражает решение неизвестной задачи в совокупности с приобретением металлическим волокном особо хороших свойств в части временной устойчивости к знакопеременных нагрузкам в составе армируемого им материала.

Приведенные ниже чертежи иллюстрируют сущность заявленного изобретения.

На Фиг.1 условно представлен внешний вид (вид сверху) стального волокна.

На Фиг.2 представлено сечение А-А стального волокна, условно изображенного на Фиг.1.

Перечень позиций:

1. Основание.

2. Перфорация.

3. Анкер.

4. Аморфный слой.

5. Переходной слой.

6. Мелкокристаллический слой.

Металлическое волокно представляет собой плоское протяженное основание 1 (Фиг.1), в теле которого выполнена перфорация 2 (Фиг.1 и 2). Как и основание 1 (Фиг.1), перфорация 2 (Фиг.1 и 2) по форме повторяет контуры основания 1 (т.е. изоморфна ему). На части поверхности металлического волокна в соответствии с изобретением имеются, по меньшей мере, два анкера 3 (Фиг.1 и 2), представляющих собой скрепленные с основанием 1 (Фиг.1) кристаллиты того же металла, из которого выполнено основание 1 (Фиг.1). Одна из сторон плоского протяженного основания (та, которая при отверждении металлического волокна прилегала к поверхности кристаллизатора), представляет собой совершенно аморфный слой 4 (Фиг.1 и 2), а вторая из них - противоположная упомянутой - мелкокристаллический слой 6 (Фиг.1 и 2). Аморфный 3 (Фиг.1 и 2) и мелкокристаллический 6 (Фиг.1 и 2) слои разделены переходным слоем 5 (Фиг.1 и 2), в котором присутствует обе из указанных фаз в виде смеси.

ПРИМЕР 1.

В качестве материала металлического волокна использована нержавеющая сталь Х18Н10Т. Эллипсоподобное основание 1 (Фиг.1 и 2) стального волокна выполнено шириной 7 мкм, длиной 100 мкм и толщиной 0,8 мкм. Сквозная перфорация 2 (Фиг.1 и 2) этого основания 1 (Фиг.1 и 2) представляет собой 2 отверстия с очертаниями, подобными основанию 1 (Фиг.1 и 2), составляющие по площади величину 5% от общей площади поверхности металлического волокна. На поверхности основания (была использована выборка для измерения в количестве 200 шт. оснований) находится в закрепленном состоянии от 530 до 600 анкеров высотой 0,12 мкм, которые представляют собой микрокристаллиты нержавеющей стали. Толщина аморфного слоя 4 (Фиг.2) нержавеющей стали составляет 0,45-0,50 мкм, а микрокристаллического слоя 6 (Фиг.2) - около 0,15 мкм. Соответственно, толщина переходного слоя 5 (Фиг.2) колеблется в этом металлическом волокне от 0,15 до 0,2 мкм.

С использованием портланд-цемента М500 было изготовлено 8 железнодорожных шпал, армированных на уровне 12 вес.% данным металлическим волокном.

Результаты ускоренных динамических испытаний армированных фиброй из нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением железнодорожных шпал приведены в сравнительной Таблице.

ПРИМЕР 2.

В качестве материала металлического волокна использована нержавеющая сталь Х18Н10Т. Внешне подобное эллипсу основание 1(Фиг.1 и 2) стального волокна выполнено шириной 2,5 мм, длиной 30 мм и толщиной 0,45 мм. Сквозная перфорация 2 (Фиг.1 и 2) этого основания 1 (Фиг.1 и 2) содержит от 380 до 400 отверстий (то же выборка в 200 шт. оснований) с очертаниями, подобными основанию 1 (Фиг.1 и 2), составляет значение 43% от общей площади поверхности металлического волокна.

На поверхности основания (та же выборка измерения в 200 шт. оснований) находится в закрепленном состоянии от 3500 до 5000 анкеров высотой до 13,5 мкм, которые представляют собой кристаллиты нержавеющей стали. Толщина аморфного слоя 4 (Фиг.2) основания 1 (Фиг.1 и 2) составляет 0,08-0,1 мм, а кристаллического слоя 6 (Фиг.2) - около 0,3 мм. Соответственно, толщина переходного слоя 5 (Фиг.2) колеблется в этом металлическом волокне от 0,05 до 0,052 мм. С использованием портландцемента М500 было изготовлено 8 железнодорожных шпал, армированных на уровне 12 вес.% приведенным в настоящем примере волокном из нержавеющей стали.

Результаты ускоренных динамических испытаний армированных фиброй из нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением железнодорожных шпал приведены в сравнительной Таблице.

ПРИМЕР 3.

В качестве материала металлического волокна использована нержавеющая сталь Х18Н10Т. Основание 1 (Фиг.1 и 2) стального волокна в форме эллипса выполнено в месте наибольшей ширины равным 5 мм, а длины - 60 мм. Толщина составила значение 0,2 мм. Сквозная перфорация 2 (Фиг.1 и 2) этого основания 1 (Фиг.1 и 2) содержит 570-580 отверстий с очертаниями, подобными основанию 1 (Фиг.1 и 2), и равна 25% от общей площади поверхности стального волокна.

На поверхности основания 1 (выборка для измерения равна 200 шт. оснований) находится в закрепленном состоянии от 530 до 600 анкеров высотой 20 мкм, которые представляют собой кристаллиты нержавеющей стали. Толщина аморфного слоя 4 (Фиг.2) основания 1 (Фиг.1 и 2) составляет 0,05-0,08 мкм, а мелкокристаллического слоя 6 (Фиг.2) - примерно 0,10 мкм.

Соответственно этому толщина переходного слоя 5 (Фиг.2) колеблется в указанном стальном волокне от 0,02 до 0,05 мм.

С использованием в качестве основы бетона портландцемента марки М500 было изготовлено 8 железнодорожных шпал, армированных на уровне 12 вес.% упомянутым волокном из нержавеющей стали.

Результаты ускоренных динамических испытаний армированных фиброй из нержавеющей стали в соответствии с настоящим изобретением железнодорожных шпал приведены в сравнительной Таблице.

Таблица№ п/пВид образцаПриведенное время разрушения от механических нагрузок (лет)Приведенное время разрушения от тепловых нагрузок (лет) 1 шпала4 шпалы1 шпала4 шпалы1ПРОТОТИП141623272Пример 1394467753Пример 2212445544Пример 326305865Примечание:
1. Принятое количество термоциклов: 1500 в год.
2. Принятое количество механических циклов: 1×10⁶ в год.
3. Диапазон колебания температуры от -40°С до +60°С.
4. Предельная деформация при механической нагрузке <10%.

Как следует из Таблицы, предлагаемое изобретение позволяет почти в 2,5 раза повысить срок службы дисперсно армированного волокном из нержавеющей стали бетона, которое конструктивно исполнено в соответствии с настоящим изобретением.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2209287, МПК⁷ E 05 G 1/024, "Сейф", авт. Амелин Д.В. и др., опуб. 27.07.2003 г.

2. Заявка РФ на изобретение №2000116626, опуб. 20.12.2002 г., МПК⁷ С 04 В 28/02, "Бетон, усиленный металлическими волокнами, цементирующая растворная часть бетонной смеси и заранее приготовленные смеси для приготовления растворной части бетонной смеси и бетона", авт. Шейрези М. и др. (прототип)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к конструкциям металлического волокна (металлической фибры, металлической шерсти, металлических чешуйчатых структур), предназначенных для дисперсного армирования материалов, в частности бетонов. Предложено металлическое волокно, выполненное в виде плоского протяженного основания и снабженное, по меньшей мере, двумя анкерами. Металлическое волокно дополнительно содержит сквозную перфорацию в интервале 5-43% от общей площади поверхности волокна. Анкера выполнены в виде кристаллитов металла, скрепленных с частью поверхности плоского протяженного основания, а плоское протяженное основание выполнено в виде вытянутого эллипсоида, причем внутренняя структура плоского протяженного основания имеет градиент фаз по всей толщине от аморфной у одной из ее поверхностей до микрокристаллической у противоположной ей поверхности. Изобретение направлено на повышение срока службы металлического волокна в качестве дисперсного армирующего материала для конструкционных и строительных материалов в условиях эксплуатации, сопряженных со знакопеременными механическими и температурными нагрузками. 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Металлическое волокно, отличающееся тем, что оно выполнено в виде плоского протяженного основания, снабжено, по меньшей мере, двумя анкерами и имеет сквозную перфорацию в интервале 5-43% от общей площади поверхности металлического волокна, при этом анкера выполнены в виде кристаллитов металла, скрепленных с частью поверхности плоского протяженного основания, а плоское протяженное основание выполнено в виде вытянутого эллипсоида, причем внутренняя структура плоского протяженного основания имеет градиент фаз по всей толщине от аморфной у одной из ее поверхностей до микрокристаллической у противоположной ей поверхности.2. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что плоское протяженное основание имеет ширину в интервале от 7 до 5000 мкм.3. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что плоское протяженное основание выполнено толщиной в интервале от 0,8 до 450 мкм.4. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что плоское протяженное основание выполнено длиной в интервале от 100 до 60000 мкм.5. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что форма выполнения отверстия перфорации изоморфна форме выполнения плоского протяженного основания.6. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что анкера преимущественно размещены на поверхности плоского протяженного основания со стороны ее микрокристаллической структуры.7. Металлическое волокно по п.1, отличающееся тем, что анкера выступают над поверхностью плоского протяженного основания на величину, равную от 3 до 15% его толщины.