CH676471A5

CH676471A5 -

Info

Publication number: CH676471A5
Application number: CH341/88A
Authority: CH
Inventors: Hans-Walter Dr Schlaepfer; Bruno Sonderegger; Werner Straub
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1991-01-31
Also published as: EP0326785B1; EP0326785A1; JPH01222032A; JP2695894B2; DE3869943D1; ES2031629T3; US5061573A

Description

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Beschreibung

Dïe Erfindung betrifft ein folienartiges Metallband mit Einlagerungen von Hartpartikeln, deren überwiegender feil sich nahe seiner einen Oberfläche befindet, in einer Metallmatrix, die aus mindestens einem Element der Gruppe VIIIA, mindestens einem Element der Gruppen IVA, VA oder VIA und "mindestens einem der Elemente Bor (B), Kohlenstoff (C), Silizium (Si) und Phosphor (P) besteht, wobei die Dicke des Bandes maximal 1 mm beträgt.

Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor wirken dabei in bekannter Weise als. Glasbildner; ihre Wirkung kann noch verstärkt werden durch eine fakultative Zugabe von Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Zinn und/oder Antimon.

Ein Metallband der vorstehend beschriebenen Art, das aus der Schmelze bei Abkühlungsgeschwindigkeiten von mindestens 102 K/sec erhalten wird, ist bekannt aus der EP-A 0 002 785. Bei diesem bekannten, nach dem Melt-Spinning-Verfah-ren hergestellten Band, werden der Schmelze, aus der das Band hergestellt wird, Hartpartikel - z.B. Metallboride, -karbide oder -oxide - in körniger Form zugegeben, die in der Schmelze nicht in Lösung gehen, sondern in die erstarrte Metallmatrix des Bandes eingebettet werden.

Es hat sich gezeigt, dass die Haftung der Hartpartikel in diesem Metallband — wenn es beispielsweise als Abrasionsmaterial für die Oberflächenbearbeitung von Festkörpern dienen soll - unter Umständen ungenügend ist. Darüberhinaus ist die Herstellung dieses bekannten Bandes, bei der beispielsweise Massnahmen getroffen werden müssen, damit die zugegebenen Hartpartikel die Aus-stossdüse der Melt-Spinning-Anlage nicht verstopfen, aufwendig und nur in geringem Masse steuerbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Haftfähigkeit von Hartpartikeln in der Metallmatrix des Bandes zu verbessern, und die Herstellung eines solchen, mit Hartpartikel-Einlagerungen durchsetzten Metallbandes zu vereinfachen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Hartpartikel als primäre Ausscheidungen aus der Schmelze vorliegen.

Wie bei dem bekannten Band reichern sich bei dem neuen Band die Hartpärtikel vorzugsweise an der freien Oberfläche des glasig oder mikrokristallin erstarrten Bandes an; sie bilden dort eine rauhe Oberfläche.

Das Ausscheiden der Hartpartikel aus der Schmelze führt zu Hartpartikel-Kristallen mit stark von einer Kugelform abweichender Struktur (skelettartige Ausscheidungen), die sich in der Metallmatrix beispielsweise mit Hinterschneidungen verhaken können, und so eine erhöhte Haftfestigkeit bewirkt. Als Anwendungsgebiete für das neue Metallband ist daher in erster Linie seine Verwendung als Schleif- oder Schmirgelpapier» oder als Schleifbelag auf Feilen und Trennscheiben zu nennen, wo es beispielsweise aîs Ersatz für Diamantwerkzeuge eingesetzt werden kann. Ein anderer Einsatzbereich besteht beispielsweise in der Verwendung als Haftschicht für Klebestoffe z.B. bei

Kupplungsbelägen. Weiterhin ist es möglich, das neue Band als flexibles Band für Schweissbeschich-tungen oder als Ausgangsmaterial für Laserbeschichtungen zu verwenden. Schliesslich kann man es auch zur Herstellung von Hartstoffpulvern einsetzen, wobei diese durch Auflösen der Metallmatrix gewonnen werden. Selbstverständlich bieten sich auch noch weitere Anwendungen an, bei denen eine rauhe Oberfläche mit grosser Härte und guter Haftfestigkeit der Hartstoffe gefordert wird.

Für die geschilderten Verwendungen als Abrasions-Material, ist es zweckmässig, wenn die mit den Einlagerungen versehene Oberfläche eine rauhe Struktur mit hervorspringenden Spitzen aufweist, die zu mindestens nahezu 100% Hartpartikel enthalten; eine besonders gute Haftfestigkeit ergibt sich, wenn der überwiegende Teil der Hartpartikel eine skelettartige Kristaliform, mit einem Verhältnis Länge zu Breite von mindestens 5, aufweist.

Ein Verfahren zur Herstellung des neuen Bandes, bei welchem Verfahren das Band durch Schmelzspinnen mit Hilfe eines Schleuderrades -das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität aufweist und mit grosser Geschwindigkeit rotiert - direkt aus der Schmelze einer separat hergestellten und wiederaufgeschmolzenen Vorlegierung gebildet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der separaten Herstellung der Vorlegierung die schmelzmetallurgischen Parameter so gewählt werden, dass sich die Hartpartikel bereits bei Erstarren der Vorlegierung aus der Schmelze ausscheiden, und dass ferner bei der Bandherstellung ein Maximalwert für einen empirisch ermittelten Energieeinfluss auf die Schmelze der wiederaufgeschmolzenen Vorlegierung eingehalten wird, der eine Funktion der Schmelzentempe-ratur und der Zeit bis zur Erstarrung der Schmelze ist, für welchen Maximalwert ein Wiederinlösungge-hen der Hartpartikel mindestens zum Teil verhindert wird; die schmelzmetallurgischen Parameter sind beispielsweise Schmelzatmosphäre, chemische Zusammensetzung, Überhitzung der Schmelze vor dem Abguss, Haltedauer der Schmelze, Giesstem-peratur und/oder Erstarrungsgeschwindigkeit.

Der beim Herstellungsverfahren zu berücksichtigende «Energieeinfluss» ist eine relativ komplexe Funktion der Temperatur der wiederaufgeschmolzenen Vorlegierungsschmelze und der Zeit, während der die Vorlegierung in flüssiger Phase vorliegt. Die Komplexität des funktionellen Zusammenhangs beider Grössen erfordert es, diesen «Energieeinfluss» für die Herstellung eines erfindungsgemäs-sen Bandes in Vorversuchen - für jede Bandzusammensetzung und für verschiedene Partikelgrössen der eingelagerten Hartpartikel erneut — empirisch zu ermitteln; dabei ergibt sich ein Zusammenhang derart, dass für eine bestimmte Auflösung der Hartpartikel-Kristalle in einer gegebenen Metallmatrix bei relativ hohen Schmelzentemperaturen nur relativ kurze Zeiten oder bei relativ niedrigen Temperaturen relativ lange Zeiten benötigt werden.

Der «Energieeinfluss» lässt sich anschaulich etwa beschreiben als das Vermögen der wiederaufgeschmolzenen flüssigen Phase, die in ihr eingelagerten Hartpartikel wieder aufzulösen.

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Die Grosse der Hartpartikel und damit die Rauhheit der freien Bandoberfläche lassen sich dabei durch Variationen der Erstarrungsgeschwindigkeit bei der Herstellung der Vorlegierung und/oder des Bandes steuern, wobei das Erstarren der Vorlegierung im wesentlichen durch Material und Durchmesser der Abgusskokillen und die Banderstarrung vor allem durch seine Geschwindigkeit auf dem wärmeabführenden Schleuderrad oder -band beeinflusst werden. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rades kann zwischen 500 und 3000 m/min variieren.

Mit Vorteil erfolgt das Erschmelzen der Vorlegierung und ihr Wiederaufschmelzen vor der Bandherstellung in einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Argon(Ar)-Atmosphäre. In bekannter Weise kann dabei die Herstellung der Vorlegierung unter einem reduzierten Druck erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei in der Figur eine nach einem stark vergrösserten Gefüge-schliffbild (Vergrösserung 500:1) gefertigte Skizze einer Ausführungsform eines rauhen Bandes wiedergegeben ist.

Herstellung der Vorlegierung:

in einer Gesamtmenge von 300 Gramm (g) wird ein Gemisch mit - abgesehen von unerwünschten, jedoch unvermeidbaren Verunreinigungen, wie beispielsweise Aluminium (AI), Mangan (Mn) oder Kupfer (Cu) - folgender Zusammensetzung in Masse-Prozent hergestellt, was den in Klammern angegebenen Werten in Atom-Prozent entspricht:

Ni 73,8 (60,9); Cr 14 (13,1); Fe 4,5 (3,9); Si 4,5 (7,8) und B 3,2 (14,3). Dieses Gemisch wird in einem mit einer Aluminium (Al)-Silikat-Auskleidung (Mullit) versehenen Tiegel mit Hilfe einer Induktionsspule zu der Vorlegierung aufgeschmolzen, wobei ein leichtes Vakuum von etwa 130 mbar (100 mm Hg) in dem Tiegel aufrechterhalten wird; die Schmelzatmosphäre besteht dabei aus Argon (Ar) mit einer Reinheit von 99,998%.

Die Schmelze, deren Liquidus-Temperatur etwa zu 1380°C gemessen worden ist, wird vor dem Ab-guss auf eine Temperatur von etwa 1540°C aufgeheizt, was einer Überhitzung von etwa 160°C entspricht. Anschliessend wird die Vorlegierungs-schmelze, die eine eutektikumähniiche Restschmelze mit niedrigerem Soliduspunkt von etwa 1060°C enthält, in Kokillen abgegossen und zur Erstarrung gebracht.

Da die Grösse der aus der Schmelze ausgeschiedenen Hartpartikel, die im vorliegenden Fall vorwiegend aus Zeta-Chromborid (Zeta-CrB) bestehen, von der Erstarrungsgeschwindigkeit der Vorlegierung abhängt - und daher durch Variation der Erstarrungszeit in gewissem Umfange gezielt verändert werden kann - wird die für eine gewünschte Partikelgrösse der Hartstoffeinlagerungen optimale Erstarrungsgeschwindigkeit experimentell in Vorversuchen ermittelt. Die Erstarrungsgeschwindigkeit hängt dabei vor allem von Material und/oder Auskleidung der Kokille, sowie von deren Durchmesser ab. Erfolgt der Abguss bei einer Temperatur von etwa 1420°C, beispielsweise in einer Kupferkokille von 20-24 mm Durchmesser, so wird in dieser bei Abkühlungsgeschwindigkeit von 103°C/ min ein Erstarren in 3-5 sec erreicht, wodurch Hartpartikelausscheidungen von etwa 10-20 um Länge gebildet werden. Ersetzt man jedoch die Kupfer-Kokillen durch eine mit Zirkonoxid (ZrCte) ausgekleidete Stahlkokille, die einen Durchmesser von 28 mm hat, so ergeben sich - bei sonst gleichen Bedingungen - langsamere Abkühlungsgeschwindigkeiten von etwa 500°C/min, was zu Erstarrungszeiten von 10 sec führt; in diesem Fall scheiden die Hartpartikel im wesentlichen als skelettartige Kristalle mit einer Länge von etwa 0,3 mm aus.

Herstellung des Metallbandes:

Die Herstellung des Metallbandes aus der mit Hartstoffausscheidungen durchsetzten Vorlegierung erfolgt in einer bekannten Melt-Spinning-Ein-richtung. Die Vorlegierung wird dabei in einer Quarzglasdüse, die über einem Schleuderrad aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise einer warmaushärtbaren Kupferchromlegierung, angeordnet ist, mit Hilfe einer die Düse umgebenden Induktionsspule wieder aufgeschmolzen, wobei Badbewegungen der Schmelze Oberflächenspannungen und relativ niedrige Temperaturen im Bereich des an sich offenen Düsenaustrittes ein Ausflies-sen der Schmelze verhindern. Die Aufheizzeit wird dabei so gewählt, dass der Schmelzpunkt der Legierung von, wie erwähnt, etwa 1060°G, nach etwa 4,5 min erreicht wird, wobei das Quarzglasrohr während des Aufheizens bis ca. 950°C mit Argon gespült wird.

Um eine Homogenisierung der gesamten Vorlegierungsschmelze, beispielsweise bezüglich der Temperatur und der Viskosität, zu erreichen, ist nach dem Wiederaufschmelzen eine gewisse Haltezeit erforderlich, bis aus der wieder aufgeschmolzenen Vorlegierung ein Band hergestellt werden kann. Diese Haltezeit ist abhängig von dem im Vorstehenden erläuterten «Energieeinfluss» und kann 1 bis maximalS min betragen. Für eine Schmelzentemperatur von 1060°C hat der empirisch ermittelte Energieeinfluss ergeben, dass im vorliegenden Beispiel nach dem vollständigen Wiederaufschmelzen der Vorlegierung noch eine Haltezeit der Schmelze von etwa 1 min zulässig ist.

Nach Ablauf der Haltezeit wird die wiederaufgeschmolzene Vorlegierung durch einen Druckstoss von Argon mit 0,25 bar Überdruck auf die Schmelzenoberfläche gegen das Schleuderrad «geschossen»; dessen Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit beeinflusst die Erstarrungszeit des Bandes, wobei relativ hohe Geschwindigkeiten zu Bändern mit relativ groben und/oder stark aus der Bandebene hervorragenden Ausscheidungen und relativ niedrige Geschwindigkeiten zu feinkörnigen und/ oder flacher angeordneten Hartstoff-Partikeln in der Metallmatrix führen, die im vorliegenden Fall einen prozentualen Anteil von 3-10% Zeta-Chrombo-rid als Hartstoffausscheidungen enthält.

Für das geschilderte Ausführungsbeispiel ergeben sich bei Umfangsgeschwindigkeiten des Schleuderrades von etwa 1100 m/min auf der dem Schleu-

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derrad abgewandten, freien Oberfläche des Bandes Mittenrauhwerte Ra, (DIN 4762) in Längsrichtung des Bandes von 2,2-2,8 um und quer dazu von 1,3-1,8 jim. Wird die Umfangsgeschwindigkeit des Rades auf etwa 1300 m/min erhöht, so misst man Mittenrauhwerte Ra, in Längsrichtung von 100-130 um und in Querrichtung von 60-100 (im.

Die einzige Figur, die einen Querschnitt durch ein relativ grobes Metaliband zeigt, dessen Herstellung vorstehend beschrieben worden ist, ist nach einer photographischen Aufnahme gezeichnet worden. Diese ist mit Hilfe eines Lichtmikroskops bei 500-facher Vergrösserung hergestellt worden.

Die Figur zeigt in einer glasartig, amorph erstarrten Metalimatrix 1, die jedoch mindestens teilweise auch ein mikrokristallines Gefüge haben kann, Hart-partikei 2, deren Kristallform als skelettartig zu bezeichnen ist. Neben den skelettartigen Kristallen 2 sind in der metallischen Grundmasse noch Mikrokri-stalfe 3 aus Hartstoffen erkennbar.

Die Figur lässt deutlich mit Hartpartikel-Kristallen 2 «besetzte» Spitzen 4 erkennen, die sich an der in der Figur nach oben weisenden, freien Oberfläche des Bandes 1 ausbilden.

Die unregelmässigen Formen der skelettartig erstarrten Kristalle 2 mit Innenhohlräumen, Einschnitten, Ecken und Kanten, sind die Ursache für die verbesserte Haftfähigkeit der Hartstoffe im amorphen oder mikrokristallinen Gefüge des Metallbandes.

Der eingetragene Pfeil gibt die Richtung wieder, in der das Band 1 bei seiner Herstellung von dem Schleuderrad aus der Schmelzspinn-Düse weggeschleudert worden ist.

Claims

Patentansprüche

1. Folienartiges Metallband mit Einlagerungen von Hartpartikeln, deren überwiegender Teil sich nahe seiner einen Oberfläche befindet, in einer Metallmatrix, die aus mindestens einem Element der Gruppe VIIIA, mindestens einem Element der Gruppen IVA, VA oder VIA und mindestens einem der Elemente Bor (B), Kohlenstoff (G), Silizium (Si) und Phosphor (P) besteht, wobei die Dicke des Bandes maximal 1 mm beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartpartikel (2) als primäre Ausscheidungen aus der Schmelze vorliegen.

2. Band nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Einlagerungen versehene Oberfläche eine rauhe Struktur mit hervorspringenden Spitzen (4) aufweist, wobei mindestens nahezu 100% der Spitzen (4) Hartpartikel (2) enthalten.

3. Band nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Teil der Hartpartikel (2) eine skelettartige Kristallform, vorzugsweise mit einem Verhältnis Länge zu Breite von mindestens 5, aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung des Metallbandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem Verfahren das Band durch Schmelzspinnen mit Hilfe eines Schleuderrades direkt aus der Schmelze einer separat hergestellten und wiederaufgeschmolzenen Vorlegierung gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der separaten Herstellung der Vorlegierung die schmelzmetallurgischen Parameter so gewählt werden, dass sich die Hartpartikel bereits beim Erstarren der Vorlegierung aus der Schmelze ausscheiden, und dass ferner bei der Bandhersteilung ein Maximalwert für einen empirisch ermittelten Energieeinfluss auf die Schmelze der wiederaufgeschmolzenen Vorlegierung eingehalten wird, der eine Funktion der Schmelzentemperatur und der Zeit bis zur Erstarrung der Schmelze ist, für welchen Maximalwert ein Wiederinlösunggehen der Hartpartikel (2) mindestens zum Teil verhindert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse und/oder Lage der Hartpartikel (2) und damit die Rauheit der freien Bandoberfläche durch Variationen der Erstarrungsgeschwindigkeiten bei der Herstellung der Vorlegierung und/oder des Bandes (1) gesteuert werden.

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