CN113275525B - 利用快速凝固技术生产带材的设备和方法以及金属带材 - Google Patents

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Abstract

提供一种利用快速凝固技术生产带材的设备和方法以及金属带材。将熔体浇注到转动的铸轮的移动的外表面上，其中，熔体在铸轮的外表面上凝固并且形成带材。将喷射物向铸轮的移动的外表面引导并且以喷射物加工铸轮的外表面。喷射物具有固体颗粒。

Description

利用快速凝固技术生产带材的设备和方法以及金属带材
技术领域
本发明涉及一种利用快速凝固技术生产带材的设备，一种利用快速凝固技术生产带材的方法以及一种金属带材。
背景技术
从经济角度来看，希望能够以大的连续带材长度生产薄的、快速凝固的金属带材，而该带材不会在生产过程中撕裂并且在铸造过程时间段上带材的质量不会出现负面变化。然而，由于在带材生产期间铸轮的热机械载荷，铸轮的铸造轨道表面在其上生产的带材的几公里内连续变质，这导致带材质量不均匀，粗糙度升高并且从而降低了带材的层压系数。
因此，为了生产尽可能长且质量保持恒定的连续带材件，已知在带材生产的同时对铸造轨道的表面进行处理，以尽可能长地保持表面的质量。这可以通过材料去除工艺来实现，例如通过铸轮的抛光，如在EP3089175B1中所公开的，或者通过铸轮的研磨或通过刷，如在US6749700B2中所公开的。US9700937B1公开了一种替代的再成型方法，其中铸轮轨道被连续滚压处理以使其平整。但是仍需要进一步的改进。
发明内容
因此，目的在于，在较大的长度中可靠地生产一种具有良好材料质量的金属带材。
根据本发明，提供一种利用快速凝固技术生产带材的方法，在所述方法中将熔体浇注到转动的铸轮的移动的外表面上，其中所述熔体在所述外表面上凝固并且形成带材。将一股喷射物向铸轮的移动的外表面引导并且以所述喷射物加工铸轮的外表面。所述喷射物具有固体颗粒。
所述颗粒可以由各种材料构成。例如，颗粒可以是金属的、陶瓷的、无机的或有机的。在一些实施例中，颗粒具有10μm至10mm、优选10μm至500μm的颗粒尺寸。所述颗粒可以是丸状的、细长的或有棱角的。
在一些实施例中，以载体气体(或载气)使颗粒向外表面加速。载体气体的压力可以是可调的，以便对由固体颗粒形成的喷射物的效率进行调整。
因此，将喷砂技术与快速凝固的铸造方法结合起来使用，以便对铸轮的外表面、特别是铸造轨道进行加工和准备，使得能够以较大长度生产出质量更高、较均匀的金属带材，其中所述熔体被浇注到所述铸造轨道上。通过载体物质(例如压缩空气、气体和/或流体)或通过机械部件(例如离心机叶轮)，可将不同磨料以较高动能运送到铸轮的外表面，以便改变所述外表面的状态或特性。
利用对喷射物参数的选择，可以实现对铸轮外表面进行非常密集且同时非常温和的加工，使得完全不会产生磨损现象。此时，由于在对磨料选择适当的情况下基本上仅发生再成型过程，因此不会产生或仅产生可以忽略的材料去除。通过对整个受应力的外表面进行连续再成型，可以在铸造轨道区域内在较长一段时间内实现铸轮外表面的均匀、各向同性的拓扑结构、稳定的润湿以及较高的产品质量。
在一个实施例中，在将熔体浇注到转动的铸轮的外表面的过程中，喷射物碰撞铸轮的外表面。因此，可以直排式地执行利用固体颗粒喷射物的加工程序。
在一些实施例中，通过所述喷射物对铸轮外表面进行再成型(或重新整形)或预处理，其中不会出现或仅出现可以忽略的材料去除及质量损失。
在这一方面，以小于10μm/min、优选小于5μm/min、再优选小于1μm/min的铸轮材料去除速率对再成型方法进行限定。例如可以使用球状颗粒，以便将去除速率保持在该限度之下，由此对外表面进行再成型和预处理。再成型工艺具有避免了外表面磨损的优点，使得可以在较长一段时间内实现较高的带材质量。因此，在更长的一段时间内不会明显降低铸轮的直径，使得可以避免对浇铸喷嘴和外表面之间的距离进行调整，并且带材的厚度保持均匀。
然而，在替代的实施例中，利用固体颗粒形成的喷射物对外表面进行加工需要一种研磨或去除工艺。在这些实施例中，外表面的材料去除速率大于10μm/min。例如可以使用有棱角的颗粒，以便提高去除速率。可以利用去除工艺更新外表面、例如除掉氧化以及磨损痕迹。
在一些实施例中，通过喷射物改变铸轮外表面的表面粗糙度。在一些实施例中，可以提高平均表面粗糙度Ra。然而，可以降低峰值并且除去更大的异物颗粒，使得Rz的值被减少。因此，由于带材断裂和出现孔的风险降低，带材的质量可以得到提升。
由于使用非常不同的磨料，产生了喷砂技术的另一优点。由喷射产生的表面拓扑结构是非常易变的并且与很多其他加工技术相反地在x-y方向上是各向同性的，也就是不会产生像在车削、铣切、研磨、刷涂或抛光时那样依赖于方向的加工轨迹。
在一些实施例中，喷射物在铸轮外表面中产生横向各向同性的结构。因此，所述表面结构不具有依赖于方向的结构，也就是说X方向上的结构与Y方向上的结构相同，所述X方向横向于铸造轨道或横向于铸轮旋转方向，所述Y方向是沿着铸轮轨道的或在铸轮旋转方向上。由于在铸轮上凝固的带材表面大规模地容纳(或接受)铸轮的表面结构，因此带材的这一侧还具有与方向无关的结构。当表面结构对带材特性有影响并且在带材横向和纵向上需要有均匀的特性时，以上即是优点。
在一些实施例中，对喷射物的速度和/或喷射物的质量流量进行调整，以便调整铸轮外表面的表面粗糙度。例如，可以提高所述速度和/或所述质量流量，以便从外表面除去牢固附着的杂质和/或磨损痕迹。
通过积极去除材料(例如可利用喷砂或刚玉喷砂实现)进行轻柔的清洁一直到通过冷再成型或通过引入残余应力(正如可通过喷丸所实现的那样)在表面附近的区域内对材料进行针对性凝固都是喷砂技术的可能方式。
在加工的强度上，喷砂技术也提供了极大的变化范围。对此，选择合适的磨料具有重要作用。磨料在材料(有机、无机、陶瓷、金属等)、颗粒尺寸(μm至mm范围)、强度值(硬度，屈服强度，抗张强度，断裂伸长率，弹性模量等)、几何形状(锋利的，圆形的，细长的)以及比重方面是不同的。
在一些实施例中，颗粒在与铸轮外表面碰撞后被抽吸。因此，可以有针对性地对外表面的区域进行加工，并且同时防止了颗粒进入熔滴并且由此进入产生的金属带材中。
在一个实施例中，借助于磨料再循环的压缩空气射流或吸头射流或喷射器射流，将喷射物向铸轮的外表面引导。磨料再循环的吸头射流和喷射器射流具有磨料的空间排放更低这个优点。因此可以更好地避免磨料或固体颗粒侵入熔体及凝固的带材中。例如可以使用套到快速旋转的铸轮表面上的环状刷，以便将喷砂室与环境隔离，使得仅发生较低的磨料排放。
在一些实施例中，使用一个或多个射流喷嘴，以便将一股或多股喷射物对准铸轮外表面。在一些实施例中，射流喷嘴和铸轮外表面之间的距离是可以调整的，由此可以调整喷射物碰撞铸轮外表面的强度。
在一些实施例中，铸轮外表面在旋转方向上移动。所述由固体颗粒形成的喷射物在第一位置处碰撞铸轮外表面，所述第一位置在旋转反向上看布置在第二位置之前，在所述第二位置处熔体碰撞铸轮外表面。该第一位置在旋转方向上看布置在带材与铸轮的分离点后。由此，在凝固的带材分离后，在熔体接触前，以由固体颗粒形成的喷射物加工所述外表面。
可与一种或多种其他表面加工方法一起使用所述用于加工铸轮外表面的喷砂技术。
在一个实施例中，还在第三位置处利用表面加工器件对所述外表面进行清洁或再成型或去除性加工。该第三位置在旋转方向上看布置在第一位置之后然而在旋转方向上看在第二位置之前，在所述第一位置，由固体颗粒形成的喷射物碰撞铸轮外表面，在所述第二位置，熔体碰撞铸轮外表面。
当利用由固体颗粒形成的喷射物使铸轮外表面再成型时，由于去除性研磨工艺可能使表面粗糙度相对于再成型表面的粗糙度提升，因此后面的表面加工器件可以对所述外表面进行再成型和/或清洁。然而，当利用由固体颗粒形成的喷射物对外表面进行去除时，后面的表面加工器件可以对外表面进行再成型，去除和/或清洁。
在该第三位置处的表面加工器件可以是在铸轮转动过程中被压紧到铸轮外表面上的一个或多个刷并且/或者具有压缩空气射流并且/或者具有带有CO2的喷射物。所述带有CO2的喷射物的CO2至少部分地以固态碰撞铸轮的移动外表面。
在第三位置处的表面加工器件具有带有CO2的喷射物的情况下，可以除去铸轮上的残留物，所述残留物可能导致熔体的润湿问题并且导致带材中的缺陷。由于材料去除工艺，加工残留物(例如粉尘、刚毛、抛光残留物和/或润滑剂残留物)会留在铸轮外表面上，并且可能被一直带入到熔滴中并在那里导致成型带材中的孔。在带材厚大于20μm的较厚带材的情况下，这种润湿问题可以看作是非晶带材的铸轮侧上的气囊(或气穴)。但是，特别是对于厚度小于20μm的薄的带材，这些润湿缺陷会导致带材中出现不希望有的大孔，这会是带材中断裂的起点。在铸轮表面的再成型加工方法中，也不能排除润滑剂从枢轴点和轴承点流向轮表面并在此处导致润湿干扰、从而导致带材中形成孔的可能性。根据本发明，利用一股喷射物除去铸轮外表面上的这些残留物，借助所述喷射物使CO2以固态向所述外表面加速，其中，该喷射物可以除去所述残留物，以改善外表面的表面质量。由此可以减少带材中孔的数量。也可以提高制造长度并且在更大的带材长度上确保较低的表面粗糙度。
固体的CO2具有另一优点，即其会升华。因此防止了所述喷射物本身在外表面上留下残留物。由于这种升华，还可以通过使碰撞在所述表面上的CO2颗粒由固态升华到气相将以固态及液态存在于铸轮表面的残留物和其他不希望的异物(如润滑剂)一起带走和除去。
在一个实施例中，在将熔体浇注到转动的铸轮的外表面上的过程中，含气体的喷射物在第三位置处碰撞铸轮的外表面。由此，可以直排式地并且在每次与熔体接触前加工和清洁所述外表面。该实施例可在工艺中得到使用，其中在将熔体浇注到旋转的铸轮的外表面上的过程中，以一种去除材料的和/或再成型的工艺对外表面进行加工。
可以设置一个或多个射流喷嘴，通过所述喷嘴将一股具有CO2的喷射物或多股喷射物向铸轮的外表面引导。由此可以在空间上对所述喷射物进行引导，以便加工外表面的预定区域、特别是铸造轨道。
在一个实施例中，射流喷嘴与铸轮外表面之间的距离是可以调整的。由此可以调整含气体的喷射物碰撞铸轮外表面的强度。
在一个实施例中，提供由液态CO2形成的CO2源作为喷射物。微粒、也就是固态CO2由该液态CO2结晶出来，以形成雪状CO2，所述雪状CO2以含气体和雪状CO2的喷射物的形式碰撞铸轮外表面。通常，所述由液态CO2结晶出来的微粒由于该程序而呈丸状(或球形)。雪状CO2中的微粒具有0.1μm至100μm的平均晶粒尺寸。
在一个实施例中，在CO2气流中没有附加的载体气体的情况下使雪状CO2中的微粒向铸轮外表面加速。
在一个替代的实施例中，利用载体气体使雪状CO2中的微粒向铸轮外表面加速。所述载体气体的压力可以是可调的。
熔体并且因此带材可能具有多种成分。在一个实施例中，熔体由Fe100-a-b-w-x-y-zTaMb Siw Bx Py Cz(原子％)构成，其中T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且：
0≤a≤70
0≤b≤9
0≤w≤18
5≤x≤20
0≤y≤7
0≤z≤2，
所述熔体并且因此所述带材还可以含有1原子％以内的杂质。
凝固的带材通常至少主要是非晶态的并且可以在另一程序中被热处理，以便生产纳米晶带材。所述热处理还可以用于调整带材的特性，例如磁特性。
例如，凝固的非晶带材能够以至少80体积百分比地由非晶材料构成。所述纳米晶带材可以具有至少80体积百分比的纳米晶粒以及剩余的非晶态基体，其中至少80％的纳米晶粒具有小于50nm的平均晶粒尺寸以及随机的取向。
根据本发明，提供一种用于利用快速凝固技术生产金属带材的设备。所述设备包括具有外表面的转动的铸轮，通过喷嘴将熔体浇注到所述外表面上，其中所述熔体在外表面上凝固并且形成一种金属带材。所述设备还具有用于将具有固体颗粒的喷射物向铸轮外表面引导的器件，以便以所述喷射物对铸轮外表面进行加工。
所述固体颗粒可以是无机的、有机的、陶瓷的或金属的。所述颗粒可以具有10μm至10mm、优选10μm至500μm的颗粒尺寸并且可以是丸状的、细长的或有棱角的。
在一个实施例中，对颗粒的形状和大小和/或喷射压力进行选择，以便对外表面进行再成型并且将去除速率降低到小于10μm/min、优选小于5μm/min、再优选小于1μm/min。
例如，用于引导具有固体颗粒的喷射物的器件可以具有喷嘴系统，所述喷嘴系统适合于磨料再循环的压缩空气射流或吸头射流或喷射器射流。所述喷嘴系统可以具有单物质喷嘴或双物质喷嘴。在一些实施例中，所述喷嘴系统还能够与载体气体源连接，借助载体气体源使固体颗粒向铸轮外表面加速。
所述喷嘴系统可以用于确定喷射物的空间方向，以便喷射物碰撞铸轮外表面，特别是碰撞铸轮外表面的希望的位置。
在一些实施例中，所述设备还具有抽吸系统，所述抽吸系统用于除去固体颗粒以及与铸轮外表面分离的物质。因此，可以更好地避免固体颗粒以及分离的材料侵入到熔体和由此凝固而成的带材中。
在一些实施例中，铸轮可以在旋转方向上移动，并且构造或关于铸轮布置所述器件，使得喷射物在第一位置处碰撞铸轮外表面，所述第一位置在旋转方向上看布置在第二位置前，在所述第二位置处熔体碰撞铸轮外表面。由此以固体颗粒的喷射物对所述外表面进行加工并且将熔体浇注到被加工后的外表面上。
在一些实施例中，所述设备还在铸轮的第三位置处具有用于对外表面进行加工的表面加工器件。该第三位置在旋转方向上看布置在第一位置后，然而在旋转方向上看布置在第二位置前，在所述第一位置处喷射物碰撞外表面，在所述第二位置处熔体碰撞铸轮外表面。
因此，首先以固体颗粒的喷射物加工铸轮外表面并且之后以附加的表面加工器件再次加工铸轮外表面，并且再之后才将熔体浇注到已被多次加工的铸轮外表面上。所述设备也可以具有多个表面加工器件，使得在以由固体颗粒形成的喷射物进行加工后可以对所述外表面进行多次加工。
在该第三位置处的表面加工器件可以具有一个或多个刷和/或用于将具有CO2的喷射物向铸轮外表面引导的器件，所述刷在铸轮外表面移动过程中被按压到转动的铸轮的外表面上，其中喷射物具有CO2，CO2至少部分地以固态碰撞铸轮的移动的外表面，以便以所述喷射物对铸轮外表面进行加工和/或清洁。
因此，在该第三位置处的表面加工器件可以具有多个分开的器件，例如两个在旋转方向上看前后布置的刷，或可以在旋转方向上看首先具有一个或多个刷并且之后具有用于引导具有CO2的喷射物的器件。
在多个实施例中，设备具有用于将具有CO2的喷射物向铸轮外表面引导的器件，设备还可以具有用于形成具有CO2的喷射物的另一个喷嘴系统。
在一个实施例中，设备还具有用于形成具有CO2的喷射物的喷嘴系统。所述喷嘴系统的设计可以与CO2源的种类相适应。
在一个实施例中，提供液态CO2，并且所述喷嘴系统是用于液态CO2的喷嘴系统。所述喷嘴系统可以具有单物质喷嘴或多物质喷嘴。在除液态CO2外还使用载体气体的多个实施例中，可以使用双物质喷嘴。
在一些实施例中，所述设备还具有用于除去CO2气体的排气系统。由此可以确保设备附近的环境符合环境规定和劳动保护规定。
在一些实施例中，所述设备还具有用于连续地容纳凝固带材的卷绕机。
在一些实施例中，所述设备还具有用于由合金形成的熔体的浇铸喷嘴，可以从所述浇铸喷嘴将熔体浇注到铸轮外表面上。
还提供一种将根据前述实施例中任意一个所述的设备用于生产金属带材的应用，所述带材由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)以及1原子％以内的杂质形成，其中T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且0≤a≤70,0≤b≤9,0≤w≤18,5≤x≤20,0≤y≤7以及0≤z≤2。
根据本发明，提供一种金属带材，所述带材由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)以及1原子％以内的杂质形成，其中T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且0≤a≤70,0≤b≤9,0≤w≤18,5≤x≤20,0≤y≤7,0≤z≤2，其中金属带材具有至少一个表面，所述表面具有0.05μm至1.5μm之间的平均表面粗糙度Ra。
在一个实施例中，表面粗糙度Ra在至少5km、优选至少20km的制造长度上具有小于+/–0.2μm的偏差。
金属带材可以是能够延展的并且非晶态的或者纳米晶态的。通常，铸态下的金属带材是非晶态的并且具有至少80体积％为非晶态的组织，并且被热处理或退火，以便由非晶带材生产纳米晶组织。热处理条件依赖于成分、希望的特性(例如希望的磁特性)以及希望的晶粒尺寸。所述纳米晶组织可以具有至少80体积％的纳米晶粒以及剩余的非晶态基体，其中至少80％的纳米晶粒具有小于50nm的平均晶粒尺寸以及随机的取向。
金属带材具有铸轮侧以及与之相对的空气侧，所述铸轮侧已在铸轮的外表面上凝固，所述空气侧已在空气中凝固。在一些实施例中，金属带材在与铸轮分离后立刻在铸轮侧上具有技术上洁净的表面，所述表面没有有机和无机的残留物，这是基于利用具有固态CO2的喷射物对铸轮外表面进行处理而实现的。
在一些实施例中，金属带材具有2mm至300mm的宽度、小于50μm的厚度以及每平方米最多50个孔。
在一些实施例中，金属带材具有20mm至200mm的宽度和/或10μm至18μm之间的厚度和/或每平方米少于25个孔、优选每平方米少于10个孔。在这一方面，术语“孔”定义为带材中最小面积为0.1mm2的孔。
在一些实施例中，金属带材具有组织，所述组织至少80体积％是非晶态的或具有至少80体积％的纳米晶粒以及剩余的非晶态基体，其中至少80％的纳米晶粒具有小于50nm的平均晶粒尺寸以及随机的取向，其中空气侧和/或铸轮侧具有小于23％的表面结晶分数。
在一些实施例中，空气侧和/或铸轮侧具有小于5％的表面结晶分数。
金属带的铸轮侧和空气侧可以由于制备工艺而性质不同并且因此在制成的金属带中得到辨认。金属带材的铸轮侧和空气侧也可以用裸眼区分。空气侧典型地显现金属光彩，而铸轮侧显现磨砂状。
表面结晶表示带的表面上、也就是说在带的表面层之内的晶粒的构造。例如，表面层的晶粒中多于80体积％的晶粒具有大于100nm的平均晶粒尺寸。
这些晶粒具有平均晶粒尺寸，在纳米晶金属带材的情况下，该平均晶粒尺寸大于纳米晶金属带材的纳米晶粒的平均晶粒尺寸，并且因此可以区别于它们。表面层的晶粒例如具有大于100nm的平均晶粒尺寸，而纳米晶粒具有最大50nm的平均晶粒尺寸。
表面结晶分数可以借助X射线粉末衍射法使用铜Kα射线测得。在此陈述的表面结晶分数如下测得。对于非晶带材，通过用晕圈(Halo，其是非晶相的特征)的面积分数与晶相的特征反射的面积分数之和除晶相(也就是表面结晶的晶相)的特征反射的面积分数所得的商，来确定表面结晶分数。
表面结晶的晶相的特征反射依赖于晶相的结构和组成。例如，对于含硅的相来说，如果其如在目前情况下几乎总是存在在(100)方向上强织构化的情况，使用(400)反射。
因为在目前情况下几乎总是存在在(100)方向上强织构化的表面结晶，可以如下确定在纳米晶体样品中的表面结晶的分数：
首先，确定是纳米晶相的特征的第二特征反射的面积分数。
随后，确定是表面结晶的晶相的特征的第一特征反射的面积分数。不过该面积分数必须减去对该反射有贡献的纳米晶相的分数。在纯铁的情况下，这是第二特征反射的20％，在Fe3Si的情况下是12.8％。因为不能简单地得知准确的Si含量，将总是引入20％的折扣，这在含Si合金中可以导致对表面结晶的分数的略微低估。
对于纳米晶带材来说，现在通过用第二特征反射(是纳米晶相的特征)的面积分数与晶相(即表面结晶的晶相)的第一特征反射的总面积分数的和除晶相的第一特征反射(但是减去纳米晶相对该反射的贡献)所得的商，来确定表面结晶分数。
例如，将(400)反射作为表面结晶的第一特征反射并且将(220)反射作为纳米晶相的第二特征反射用于含硅相。
对于不存在织构化的表面结晶的情况，可以仅如上关于非晶带材所述的确定它在铸造的非晶带材上的分数。在纳米晶状态下，表面结晶和纳米晶相的分数不再可以经由粉末衍射通过表面结晶的织构缺失来分辨。不过，因为表面结晶在热处理下生长为连续的层，在纳米晶样品中，表面结晶的分数总是等于或者大于在非晶态样品中。
附图说明
现在根据附图对实施例进行说明：
图1是根据第一实施例的借助快速凝固技术生产金属带材的设备的示意图。
图2是用于以固体颗粒形成的喷射物对外表面进行加工的喷嘴系统的示意图。
图3示出了金属带材表面的图片，所述金属带材已在被具有固体颗粒的喷射物加工的表面上凝固。
图4是根据第二实施例借助快速凝固技术生产金属带材的设备的示意图。
具体实施方式
图1是根据第一实施例的借助快速凝固技术生产金属带材11的设备10的示意图。
设备10具有转动的铸轮12，所述铸轮具有外表面13，将熔体14浇注到所述外表面上。也可将铸轮12描述为冷却体。在所示的设备10中，铸轮围绕轴线15在旋转方向上转动，所述旋转方向以箭头16示出。熔体14在铸轮12的外表面13上凝固并且形成金属带材11。熔体14的凝固速度通常很高，例如大于105℃/s，使得熔体14凝固为非晶带材11。
所述铸轮表面13具有较好的导热性并且同时导致施加的熔体14非常快速地凝固且产生带材11，所述带材由于其特殊的结构和/或成分具有特殊的机械、物理和/或磁特性。铸轮12的外表面13可以由铜或铜基合金形成。
设备10还具有用于向铸轮12的外表面13引导由固体颗粒或磨料形成的喷射物18的器件17。所述喷射物18具有颗粒19，所述颗粒以希望的速度碰撞铸轮12的移动外表面13，以便以喷射物18对铸轮12的外表面13进行加工。该固体颗粒19可以是陶瓷的、无机的、金属的或有机的。例如，颗粒19可以由砂料、金属、刚石、玻璃或例如也可以由坚果壳形成的颗粒构成。在此处，术语“固体颗粒”排除了固态的CO2颗粒。
根据颗粒19的材料、颗粒的形式以及它们碰撞铸轮12的外表面13的速度，它们可以对外表面13进行不同加工。例如，可以主要使外表面13再成型，使得可以调整外表面13的希望的表面粗糙度。在再成型时，铸轮外表面材料的去除速率小于10μm/min，优选小于5μm/min，再优选小于1μm/min。可以使用丸状颗粒，以便将去除速率保持在限值以下。因此，外表面13的表面粗糙度与平均值仅有微小偏差，使得避免了磨损现象，其中熔体14浇注到所述外表面上。这例如实现了在更大的制造长度上以更均匀和/或更低的表面粗糙度生产带材11，因为带材11在铸轮12的外表面13上凝固的那一侧很大程度上反映了所述外表面的表面特性。
在其他实施例中，可以对外表面13进行去除性加工，其中去除速率大于10μm/min。因此，可以将不希望的颗粒和材料从外表面13上除去。例如可以提高速度和/或颗粒尺寸，以便向铸轮外表面施加去除性效果而非再成型性效果。
喷射物18在第一位置20处碰撞铸轮12的外表面13，所述第一位置在旋转方向16上看布置在第二位置21之前，在所述第二位置处熔体14碰撞外表面13。该第一位置20在旋转方向上看布置在带材11与铸轮12的分离点22后。由此，在带材11与外表面13分离之后，在熔体14再次碰撞外表面13的该区域之前，以具有固体颗粒的喷射物18清洁所述外表面13。
熔体14并且因此带材11可以具有不同成分。在一个实施例中，熔体14由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)形成，其中T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且：
0≤a≤70
0≤b≤9
0≤w≤18
5≤x≤20
0≤y≤7
0≤z≤2，
所述熔体还可以含有1原子％以内的杂质。
在一个实施例中，用于将具有固体颗粒的喷射物18向铸轮12的外表面13引导的器件17具有喷嘴系统23。所述喷嘴系统23可以具有一个或多个喷嘴。喷嘴系统23的宽度可以适应于待生产的金属带材11的宽度，使得整个铸造轨道被喷射物18覆盖。然而，喷嘴系统23也可以在铸轮12上方在轴向上移动，以便以点状射流在铸造轨道上方行驶，以通过此方式对整个铸造轨道进行加工。所述喷嘴系统23可产生一股或多股喷射物18。还可以借助载体气体使颗粒19加速，以形成喷射物18。
设备10还可具有用于除去颗粒19以及与铸轮的外表面13分离的材料的抽吸系统25，以防止颗粒19或分离的材料再次落到所述外表面13上并且被带入熔体14中。例如，可以将用于磨料再循环的吸头射流或喷射器射流的器件用作喷嘴系统23。
图2示出了用于真空射流和吸头(或抽吸头)射流的喷嘴系统23的示例，所述喷嘴系统具有多个喷嘴24。这些喷嘴24可以旋转并且可以是文丘里喷嘴。借助载体气体(例如空气)使颗粒19以多股喷射物18的形式向表面13加速(像以箭头26示出的那样)，并且在喷射或碰撞到表面后通过真空再次对其进行收集(像以箭头27示出的那样)。颗粒19可被重新带入循环中。利用该喷嘴系统在碰撞表面13后限制颗粒19的空间分布。
图3示出了金属带材表面的图片，所述金属带材已在被具有固体颗粒的喷射物加工的表面上凝固。所述表面具有结构，所述结构在横向上各向同性并因此与铸轮旋转方向无关并因此与带材的取向、例如带材的纵向和横向无关。
在一些实施例中，设备10'还具有一个或多个附加的表面加工器件28。图4示出了所述另一表面加工器件28具有刷29的实施例。可以使用旋转的金属刷，以便除去铸轮12上干扰浸润的残留物。
在图4中，还示出了用于连续地容纳凝固金属带材的卷绕机31。
所述附加的表面加工器件28布置在铸轮12的第三位置30处，其中该第三位置30在旋转方向16上看布置在第一位置20之后并且在第二位置21之前，在所述第一位置处具有固体颗粒19的喷射物18碰撞外表面13，在所述第二位置处将熔体浇注到外表面上。可以借助刷29除去颗粒和残留物并且此后才将熔体14重新浇注到所述外表面13上。
在其他实施例中，所述另外的表面加工器件28具有带有CO2的喷射物，其中CO2至少部分地处于固态。既可以将颗粒从铸造轨道上除去也可以将铸造轨道上附着的油类和其他干扰润湿的层除去，其中CO2颗粒的残留物(即由升华产生的CO2气体)甚至在生产很多非晶合金时会发生有利影响。
可以利用喷射CO2雪状物对铸轮12的外表面13进行加工或清洁。在喷射雪状CO2时，将液态CO2从压力瓶经由喷嘴系统喷到待处理的表面13上。由于处于压力下的液态CO2发生膨胀，产生了较小的、精细分布的冰晶或雪状CO2，所述雪状CO2以较高动能碰撞表面13。可以提供用于具有CO2的喷射物的第二喷嘴系统，所述喷嘴系统可由单物质喷嘴(仅有CO2)或双物质喷嘴(即有压缩空气支持)构成。所述喷射物的CO2微粒在喷射物碰撞到铸轮外表面之前和之后升华，使得外表面13上的残留物和其他颗粒被一起带走并且被从铸轮13的外表面上除去。
由于铸轮表面13上的雪状物的CO2结晶发生升华，在熔滴之前产生了含CO2的环境，所述环境对于含铁金属熔体的润湿以及带材下侧气囊(或气穴)尺寸的降低是非常有利地。由此也直接冷却了铸造轨道的表面13，这有利于铸轮12上的金属熔体14的快速凝固过程。
可以利用具有固态CO2的喷射物、通过脉冲传输的影响、由于突然出现的温度差而产生的机械应力、由于在撞击到表面时聚集态改变而产生的溶剂效应以及由于较大的体积增加(例如600至800倍的体积增加)而在升华时发生的升华脉冲冲洗除去残留物和颗粒。
也可以设置用于除去CO2气体的排气系统。由此可以确保设备附近的环境符合环境规定和劳动保护规定。
在浇铸期间，铸轮表面承受着非常高的机械和物理应力。例如，在表面附近的区域中局部地施加非常热的金属熔体(大约900至1500℃)会导致较高的温度峰值以及较极端的温度梯度。在进一步冷却的过程中，所述带材在纵向和横向上均发生收缩。在带材和冷却体表面之间会以此方式产生较高的剪应力并且会有相对运动，并且在分离点上，所述带材自发或强制地与表面脱离。
这些工序在铸造过程中重复成千上万次并且因此不断地改变铸轮表面。因此，热应力和机械应力会产生磨损迹象，例如材料疲劳、表面粗糙和材料破裂，所述磨损迹象又可能对于待生产的快速凝固带材具有负面的反作用。
由此，生产过程的效率很大程度上依赖于控制和最大程度地避免磨损过程。提前就可以通过对材料、生产程序以及表面加工方式进行合适选择完成很多工作，以便减少这些不希望的伴随现象(或副作用)的出现，然而目前为止仅凭这些手段不可能完全避免这些伴随现象。因此，根据本发明，借助具有固体颗粒的喷射物对铸轮外表面进行加工和再成型。
在生产非晶带材所需的快速凝固技术(熔纺、熔体旋淬或熔体旋铸)中，在坩埚中熔炼形成玻璃的金属合金，所述坩埚通常主要由氧化物陶瓷(例如氧化铝)和/或石墨制成。根据熔体的反应性，熔化过程可以在空气、真空或如氩气的保护性气体下进行。在合金在明显高于液相点的温度下熔化后，熔体被输送到铸造台，并通过通常具有槽形出口的浇铸喷嘴喷到由铜合金制成的旋转轮上。为此，将浇铸喷嘴带到非常靠近旋转的铜辊表面，并在铸造工序期间与之相距约50-500μm。通过喷嘴出口并与被移动的铜表面碰撞的熔体在此处以约104K/min至106K/s的冷却速度凝固。由于辊的旋转运动，凝固的熔体作为连续的带材条带被运走，从冷却辊、也就是从铸轮外表面释放出来，并以连续的带材条带卷绕在卷绕装置上。带材条带的最大可能长度原则上受熔炼坩埚容量的限制，依赖于设备的尺寸，熔炼坩埚容量可能在几千克到几吨之间。在与多个熔炼坩埚并联运行时，甚至可以向铸造台实现准连续的熔体供应。经济地制造市售非晶带材的设备的尺寸通常具有多倍于100kg的坩埚尺寸。在使用合金VITROPERM 500时，在带材宽度为大约100mm并且带材厚度为0.018mm的带材横截面的情况下，大约100kg的坩埚尺寸会产生大约8km的带材长度。由此，在工业过程中，将坩埚填充会制造出几十千米的带材，并且当通过对铸造台进行规律填充使铸造过程形成为连续的铸造过程时，甚至还会制造出多得多的千米带材。
无间断的铸造过程期间的铸造表面磨损会导致轮表面的粗糙度升高，这会导致空腔或不平坦的结构产生，所述空腔或不平坦的结构一方面将空气或工艺气体输送到熔滴下方并且由此导致熔滴与铸轮之间的接触区域内出现更大的气泡。在熔体凝固时，这些气泡在非晶带材中会冻结(变为气囊(或气穴))并且特别是在带材较薄时可能导致孔状缺陷。另一方面，该铸轮表面粗糙度也会一直影响到在上面生产的带材的表面，这导致在上面生产的带材也具有升高了的粗糙度。
为了使铸轮的磨损最小化，期望选择具有高强度的铸轮材料。然而，在通过通常使用的熔融冶金生产的铜材料的情况下，强度和热导率这两种特性通常相反。具有最高可能热导率的铜材料总是比高合金铜材料具有更低的强度。高合金铜材料通常具有更高的强度，但是这与更低的热导率有关。然而，为了生产非晶金属带材，需要使用热导率相对高的铸轮材料，以便在生产带材的过程中实现足够高的冷却速率。如果冷却速率并非足够高，则带材变脆或部分变脆，会形成不希望的结晶结构(例如表面结晶成分)，并且之后不能在铸造工艺中连续卷绕或可能在卷绕过程中断裂，这导致带材生产中的生产率不期望的降低。因此，期望使用具有大于200W/mK的热导率的铸轮材料。然而，此类材料的硬度小于250HV(HV30)。
为了能够在非晶带材的铸造工艺中持久地使用这些柔软且热导率高的材料，即使在带材生产过程中也必须确保均匀地加工在熔体/带材与铸轮之间的接触面(也就是铸轮表面的铸造轨道)，并且必须将铸轮表面的粗糙度恒定且均匀地保持在较低水平上。

Claims (29)

1.一种利用快速凝固技术生产带材的方法，所述方法包括：
将熔体浇注到转动的铸轮的移动的外表面上，其中，熔体在外表面上凝固并且形成带材，并且熔体由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)组成，其中T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且：
0≤a≤70
0≤b≤9
0≤w≤18
5≤x≤20
0≤y≤7
0≤z≤2，
并且所述熔体含有1原子％以内的杂质，
将喷射物向移动的外表面引导并且以所述喷射物加工铸轮的外表面，其中，在将熔体浇注到转动的铸轮的外表面上的过程中，所述喷射物碰撞铸轮的外表面，其中，铸轮在旋转方向上移动，
其中，所述喷射物具有固体的颗粒并且所述喷射物在第一位置处碰撞铸轮的外表面，第一位置在旋转方向上看布置于第二位置之前，在第二位置处熔体碰撞所述外表面，其中，第一位置在旋转方向上看布置在带材与铸轮的分离点之后，
其中，通过所述喷射物使铸轮的外表面再成型，并且在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于10μm/min，
其中，所述带材的表面粗糙度Ra在至少5km的制造长度上具有小于+/–0.2μm的偏差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于5μm/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于1μm/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过喷射物改变铸轮的外表面的表面粗糙度，其中，调整喷射物的速度和/或喷射物的质量流量，以便调整铸轮的外表面的表面粗糙度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，喷射物在铸轮的外表面中产生横向各向同性的表面结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，颗粒是无机的或有机的，其中，颗粒具有10μm至10mm的颗粒尺寸，其中，以载体气体使颗粒向所述外表面加速并且载体气体的压力是可调整的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，颗粒是金属的或陶瓷的。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，颗粒具有10μm至500μm的颗粒尺寸。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，颗粒是丸状的、细长的或有棱角的。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，颗粒在与铸轮的外表面碰撞后被抽吸走。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，借助于磨料再循环的压缩空气射流或吸头射流或喷射器射流将喷射物向铸轮的外表面引导。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，还具有一个或多个射流喷嘴，通过射流喷嘴将一股或多股喷射物引导到铸轮的外表面。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，射流喷嘴和铸轮的外表面之间的距离是可调整的，以便使喷射物碰撞铸轮的外表面的强度是可调整的。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，还在第三位置处利用表面加工器件对外表面进行清洁、再成形或去除性加工，其中，第三位置在旋转方向上看布置在第一位置之后，然而在旋转方向上看在第二位置之前；在第一位置处，含气体的喷射物碰撞铸轮的外表面；在第二位置处熔体碰撞铸轮的外表面，其中，表面加工器件是
一个或多个刷，所述一个或多个刷在铸轮转动过程中被按压到铸轮外表面，和/或
压缩空气射流，和/或
具有CO2的喷射物，其中，CO2至少部分地以固态碰撞铸轮的移动的外表面。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，表面加工器件是具有CO2的喷射物，其中，CO2至少部分地以固态碰撞铸轮的移动的外表面并且由液态CO2形成的CO2源被提供，微粒由该液态CO2结晶出来，以形成雪状CO2，雪状CO2以含气体且含雪状CO2的喷射物的形式碰撞铸轮外表面，其中，雪状CO2中的微粒具有0.1μm至100μm的平均晶粒尺寸。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在CO2气流中没有附加的载体气体的情况下使微粒向铸轮的外表面加速。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，利用载体气体使雪状CO2中的微粒向铸轮的外表面加速，其中，载体气体的压力是可调整的。
18.一种利用快速凝固技术生产带材的设备，所述设备包括：
具有外表面的转动的铸轮，熔体被浇注到外表面上，其中，熔体在外表面上凝固并且形成金属带材，其中，铸轮在旋转方向上移动，并且器件被构造为使得喷射物在第一位置处碰撞铸轮的外表面，第一位置在旋转方向上看布置在第二位置之前，在第二位置处熔体碰撞铸轮的外表面，
用于由合金形成的熔体的浇铸喷嘴，从浇铸喷嘴将熔体浇注到铸轮的外表面上，
用于将具有固体颗粒的喷射物向铸轮的外表面引导的器件，以便以喷射物对铸轮外表面进行加工，以及
用于形成喷射物的喷嘴系统，其中，喷嘴系统具有单物质喷嘴或双物质喷嘴，
其中，通过所述喷射物使铸轮的外表面再成型，并且在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于10μm/min，
其中，所述金属带材的表面粗糙度Ra在至少5km的制造长度上具有小于+/–0.2μm的偏差。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于5μm/min。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，在使外表面再成型时，铸轮的材料去除速率小于1μm/min。
21.根据权利要求18所述的设备，其中，喷嘴系统还与载体气体源连接，借助载体气体源使固体颗粒向铸轮的外表面加速。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的设备，其中，所述设备还具有抽吸系统，抽吸系统用于除去固体颗粒以及与铸轮的外表面分离的物质。
23.根据权利要求18至21中任一项所述的设备，所述设备还在第三位置处具有用于对外表面进行加工的表面加工器件，其中，第三位置在旋转方向上看布置在第一位置之后，然而在旋转方向上看布置在第二位置之前，在第一位置处喷射物碰撞外表面，在第二位置处熔体碰撞铸轮的外表面，
其中，表面加工器件是
一个或多个刷，所述一个或多个刷在铸轮的外表面移动过程中被压紧到转动的铸轮的外表面上，和/或
用于将具有CO2的喷射物向铸轮的外表面引导的器件，其中，喷射物具有CO2，CO2至少部分地以固态碰撞铸轮的移动的外表面，以便以具有CO2的喷射物对铸轮的外表面进行加工和/或清洁，
其中，所述设备还具有用于形成具有CO2的喷射物的另一喷嘴系统，其中，提供液态CO2并且所述喷嘴系统是用于液态CO2的喷嘴系统。
24.一种将根据权利要求18至23中任一项所述的设备用于生产金属带材的应用，所述带材由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)以及1原子％以内的杂质形成，
其中，T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且
0≤a≤70
0≤b≤9
0≤w≤18
5≤x≤20
0≤y≤7
0≤z≤2。
25.一种金属带材，所述金属带材由Fe100-a-b-w-x-y-z Ta Mb Siw Bx Py Cz(原子％)和1原子％以内的杂质构成，其中，T表示Co、Ni、Cu、Cr和V中的一种或多种，M表示Nb、Mo和Ta中的一种或多种，并且：
0≤a≤70
0≤b≤9
0≤w≤18
5≤x≤20
0≤y≤7
0≤z≤2，
所述金属带材具有至少一个表面，所述至少一个表面具有0.05μm至0.8μm之间的平均表面粗糙度Ra，其中，所述金属带材是非晶态的或者纳米晶态的，
其中，所述金属带材具有已在铸轮的外表面上凝固的铸轮侧、与之相对的空气侧以及组织，所述组织至少80体积％是非晶态的，或者具有至少80体积％的纳米晶粒以及剩余的非晶态基体，其中，至少80％的纳米晶粒具有小于50nm的平均晶粒尺寸以及随机的取向，
其中，空气侧和/或铸轮侧具有小于23％的表面结晶分数，
所述金属带材还包括表面层，构成表面结晶分数的晶粒处于表面层中，表面层的晶粒中多于80体积％的晶粒具有大于100nm的平均晶粒尺寸。
26.根据权利要求25所述的金属带材，所述金属带材具有2mm至300mm的宽度、小于50μm的厚度以及每平方米最多50个孔。
27.根据权利要求26所述的金属带材，所述金属带材具有20mm至200mm的宽度和/或10μm至18μm之间的厚度和/或每平方米少于25个孔。
28.根据权利要求26所述的金属带材，所述金属带材具有20mm至200mm的宽度和/或10μm至18μm之间的厚度和/或每平方米少于10个孔。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的金属带材，其中，空气侧和/或铸轮侧具有小于5％的表面结晶分数。
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