DE102006005510B4

DE102006005510B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung metallischer Fasern durch Schmelzextraktion

Info

Publication number: DE102006005510B4
Application number: DE200610005510
Authority: DE
Inventors: Janis Dr. Priede; Andreas Dr. Cramer; Gunter Dr. Gerbeth; Vladimir Dr. Galindo; Olaf Dr.-Ing. Andersen; Cris Dipl.-Ing. Kostmann; Günter Dr.-Ing. Stephani
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: DE102006005510A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung metallischer Fasern durch Schmelzextraktion, bei der eine rotierende Walze mit mindestens einer radial äußeren Kante durch eine Schmelze eines lokal induktiv erwärmten metallischen und nachführbaren Substrates zur Ausbildung metallischer Fasern geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mit zwei Zweigen, die elektrisch in gleicher Richtung geschaltet sind, gebildeten Induktors (2), die diametral gegenüberliegend an beiden Seiten des stirnseitigen Randes des Substrates (1) angeordnet sind, ein stirnseitiger Rand eines plattenförmigen Substrates (1) zur Ausbildung einer linienförmigen Schmelze am Substrat (1) erwärmt und durch die linienförmig am stirnseitigen Rand des Substrates (1) ausgebildete Schmelze mindestens eine radial äußere Kante der Walze (3) bewegbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung metallischer Fasern durch Schmelzextraktion. Es können unterschiedlichste Metalle, deren Legierungen zu Fasern mit vorgebbaren Faserdurchmessern und Faserlängen, zumindest in relativ engen Toleranzbereichen mit der Erfindung hergestellt werden. Dabei können auch sehr kleine Faserdurchmesser im Bereich einiger Zehnmikrometer realisiert werden.
Ausgehend von technischen Lösungen bei denen mit rotierenden Walzen solche Fasern aus einem Schmelzbadtiegel hergestellt worden sind, wurde in DE 24 19 373 vorgeschlagen einen an einem stabförmigen Element hängenden Schmelzetropfen auszubilden und durch diesen Schmelzetropfen eine Kante einer rotierenden Walze zu führen, und so aus der tropfenförmig gebildeten Schmelze Fasern herstellen zu können, so dass Nachteile der aus Tiegeln durch Schmelzextraktion hergestellten Fasern vermieden werden konnten.
In DE 24 19 373 wurde auch in allgemeiner Form auf eine mögliche induktive Aufheizung des Stabes hingewiesen.
In US 4,157,729 ist eine Lösung offenbart worden, wie ein solcher Schmelzetropfen an einem Stab mit Heizelementen, nämlich einer um den Stab ausgebildeten Induktionsspule und zusätzlicher Strahlungserwärmung, ausgebildet werden kann.
Dieser Stand der Technik hat aber Grenzen bzgl. der Effektivität der Faserherstellung, da nur kleine Schmelzvolumina an einem Stab zur Verfügung stehen und dadurch in der Regel lediglich eine Kante einer Walze für eine Schmelzextraktion genutzt werden kann, so dass die Produktivität einer solchen Vorrichtung begrenzt ist oder eine Vielzahl von entsprechenden Vorrichtungen mit einzelnen Stäben eingesetzt werden müssen.
Schwierigkeiten bereitet es außerdem kleine Stabdurchmesser zur Verfügung zu stellen oder diese sind entsprechend kostenintensiv und erfordern eine aufwändige Handhabung.
Aus US 5,027,886 ist es ebenfalls bekannt an einer Spitze eines Stabes eine Schmelze induktiv auszubilden und metallische Fasern mittels einer sich drehenden Walze herzustellen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine effektivere Herstellung von metallischen Fasern durch Schmelzextraktion zu schaffen, die gleichzeitig die Nachteile der Schmelzextraktion aus einer in einem Tiegel vorgehaltenen Schmelze vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrich tung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 9 gearbeitet werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Bei der Erfindung werden eine rotierende Walze mit mindestens einer entsprechend ausgebildeten radial äußeren Kante, die durch eine Schmelze bei der Rotation geführt wird, und außerdem ein metallisches Substrat, dass bei der Herstellung infolge seines Werkstoffverbrauchs bei der Herstellung von Fasern nachgeführt werden soll, eingesetzt. Die Kante(n) kann/können v-förmig, wie Schneiden von Messern ausgebildet sein. Die Schmelze wird induktiv ausgebildet. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen wird aber ein plattenförmiges Substrat eingesetzt, an dem ein stirnseitiger Rand so erwärmt wird, dass an diesem eine linienförmige Schmelze erhalten werden kann. Dies ist mittels eines in geeigneter Form ausgebildeten und dimensionierten Induktors möglich.
Dabei sollte zumindest ein größerer Bereich des stirnseitigen Randes, wenn nicht der gesamte Rand, des Substrates im Einflussbereich des Wechselfeldes eines Induktors angeordnet sein, so dass eine längere linienförmige Schmelze ausgebildet werden kann, die dann auch für die gleichzeitige Herstellung mehrerer Fasern mit mehreren radial äußeren Kanten und/oder mehreren Walzen ausnutzbar ist.
Bevorzugt ist dieser Induktor keilförmig ausgebildet und besonders bevorzugt weist der sich verjüngende Teil eines Keiles in Richtung auf das plattenförmige Substrat, so dass eine gezielte Konzentration der magnetischen Kraftflussdichte erreichbar ist. Das mit dem Induktor ausgebildete Wechselfeld kann so besser zum Aufschmelzen im gewünschten Bereich des Substrates ausgenutzt werden.
Mit weiter erhöhter Effektivität kann der Induktor mit zwei Zweigen ausgebildet sein. Diese sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Substrates diametral zueinander angeordnet.
Im Gegensatz zur üblichen elektrischen Verschaltung solcher Zweige von Induktoren, bei denen der elektrische Strom durch einen der beiden Zweige hin und durch den anderen Zweig zurück fließt, sollten die beiden Zweige eines Induktors mit gleicher Richtung des elektrischen Stromes betrieben werden. Dadurch kann ein Nachteil vermieden werden, da ein gewisser Mindestabstand zwischen Induktor und Substrat einzuhalten ist, demzufolge der zur Erwärmung führende Energieeintrag nicht unmittelbar im Bereich des stirnseitigen Randes des Substrats, sondern weiter davon entfernt erfolgen würde.
Der real einzuhaltende vertikale Abstand ist aber größer, als dies mechanisch bedingt der Fall wäre, da die jeweils in das Substrat und in die Walze eingekoppelte Energie in einem ungünstigen Verhältnis zueinander stehen würden. Die Folge wäre ein Aufschmelzen des Substrates nicht an dessen stirnseitigem Rand sondern in einem Abstand davon, so dass eine Extraktion zur Fadenbildung ausgehend vom stirnseitigen Rand aus einer linienförmigen Schmelze nicht oder nur unter sehr ungünstigen Bedingungen erreichbar wäre.
Dies kann aber sehr gut mit der gleichgerichteten Führung des elektrischen Stromes in den beiden Zweigen des Induktors vermieden und eine lokal gezielte Erwärmung am stirnseitigen Rand des Substrates in der gewünschten Form erreicht werden. Mit dem Induktor können die Feldlinien des Wechselfeldes an die Spitze, also in Richtung auf den gewünschten Bereich des Substrates konzentriert werden. Die keilförmige Form sollte dabei berücksichtigen, dass die Spitze von Induktoren möglichst tief, also nah am zu erwärmenden Teil des Substrates angeordnet ist. Dabei sollte aber ein möglichst großer Abstand zwischen Induktorfläche und Walze eingehalten sein, um Wirbelstromverluste so klein wie möglich zu halten. Die Feldstärke an der ebenen Unterseite des Induktors ist so signifikant größer, als an einer schräg nach oben geneigten Oberseite, was durch die Kompression der Feldlinien zwischen Walze und Induktor erreichbar ist. Walze und Induktor sind aus gut elektrisch leitfähigen Werkstoffen und drängen dadurch das Wechselfeld in die gewünschte Richtung.
Außerdem kann berücksichtigt werden, dass ein möglichst großer Teil der Wärme/Energie im Bereich des stirnseitigen Randes eingekoppelt wird, indem der Skin-Effekt berücksichtigt wird.
Das Wechselfeld induziert Wirbelströme, die wiederum ein Magnetfeld bedingen, das dem Erregerfeld aus elektrischen Leitern entspricht. Der Skin-Effekt ist frequenzabhängig. Je höher die Frequenzen des Wechselfeldes gewählt werden, um so kleiner wird die Eindring- bzw. Skintiefe sein. Außerdem wirkt sich dabei die elektrische Leitfähigkeit aus. Je höher die elektrische Leitfähigkeit ist, um so geringer ist die Eindringtiefe in den Werkstoff.
Demzufolge sollte auch ein Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten des Substrates und der Walze für die Auswahl der Frequenz des Wechselfeldes berücksichtigt werden.
Dabei ist ein fester Parameter die jeweilige elektrische Leitfähigkeit σ_S des Substratwerkstoffs, die bei der Auswahl der Frequenz berücksichtigt werden sollte. Das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten von Substrat σ_S und der elektrischen Leitfähigkeit der Walze σ_W, zumindest im Bereich des Wechselfeldes haben Einfluss auf eine besonders geeignete zu wählende Frequenz f. Um ein Wechselfeld möglichst aus dem Walzenbereich heraus zu drängen und Wirbelstromverluste zu reduzieren sollte die elektrische Leitfähigkeit σ_W einer Walze möglichst hoch gewählt sein.
Auch unter dem Aspekt einer Kühlung kann für Walzen Kupfer oder eine Kupferlegierung als geeigneter Werkstoff eingesetzt sein.
Das Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeiten ist LV = σS/σW.
Die Höhe der geeignet gewählten Frequenz f sollte im Wesentlichen von der elektrischen Leitfähigkeit σ_S des Substratwerkstoffs bestimmt sein.
Dabei sollte auch die Skin-Tiefe δ_S beachtet und nicht zu groß und nicht zu klein sein. Dabei hat auch die Dicke d des Substrates einen Einfluss.
Es sollte aber auch berücksichtigt werden, dass das mittels der zwei Induktorzweige ausgebildete Wechselfeld auch aus dem Substrat heraus gedrängt wird und die Feldlinien, auch durch Ausnutzung des Skin-Effektes in Richtung des stirnseitigen Randes des Substrates komprimiert werden sollten. Dies kann zu einem lokal gezielt gesteigerten Energieeintrag genutzt werden.
Die elektrische Leitfähigkeit der gesamten Walze, zumindest jedoch der Bereich, der in den Einflussbereich des Wechselfeldes gelangt, sollte daher größer als die elektrische Leitfähigkeit des Substrates sein. Dadurch lässt sich die Feldwirkung aus der Walze herausdrängen, was sich positiv auf die Energiebilanz in Bezug zur in das Substrat eingekoppelten Energie auswirkt. Für ein effizientes Aufschmelzen der Substratkante sollte ein Leitfähigkeitsverhältnis LV ≤ 0,3 gewählt werden.
Die Ausdehnung des Wechselfeldes unterhalb des Induktors kann reduziert werden und eine Konzentration von Feldlinien in Richtung des stirnseitigen Randes ist so möglich.
Wird mit einer Frequenz gearbeitet, bei der die Skintiefe kleiner als die Dicke des Substrates ist, kann das Verhältnis der jeweils eingekoppelten Energien günstig beeinflusst werden. Für das Aufschmelzen der Kante des Substrates und das Herausdrängen der Feldlinien aus Walze und Substrat sollte die Skin-Tiefe δ_S möglichst im Bereich zwischen 0,05 und 0,2 der Dicke d des Substrates gewählt werden.
Mit Parametervariationen der Erregerfrequenz und elektrischen Leitfähigkeiten konnte an Hand eines numerischen Modells ein Nachweis geführt werden, dass eine Zone mit maximaler Erwärmung im gewünschten Bereich am stirnseitigen Rand erreicht werden kann.
So konnte für ein Substrat aus Platin, das 2 mm oberhalb einer Walze aus Kupfer angeordnet worden ist, bei einer Feldfrequenz von 200 kHz der stirnseitige Rand sicher in gewünschter Form aufgeschmolzen werden.
Analog konnte dies auch bei einem Substrat aus Aluminium und Zinn erreicht werden.
Bei einer Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 45 m/s einer rotierenden Walze in der linienförmigen Schmelze konnten Fasern mit sehr kleinen Durchmessern unterhalb 30 μm erhalten werden.
Neben den elektrischen Parametern kann also in an sich bekannter Art auch die Umfangsgeschwindigkeit mit der die radial äußere Kante einer Walze durch die Schmelze geführt wird, die Faserbildung, insbesondere bzgl. der Dimensionierung beeinflussen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit eine Winkelausrichtung zwischen den Ebenen eines plattenförmigen Substrates und Ebene der sich drehenden Walze, vorzunehmen, so dass der Weg, der von der radial äußeren Kante einer Walze durch die linienförmige Schmelze hindurch verlängert werden kann, wenn die Ausrichtung dieser beiden Ebenen ungleich 90° ist.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 in schematischer Form eine Ausführung der Erfindung.
Eine Walze 3 aus Kupfer mit radial äußerer Kante, die keilförmig und mit Aussparungen versehen ausgebildet ist, rotiert um eine Achse, die orthogonal in die Zeichnungsebene hinein gerichtet ist.
Oberhalb der Walze 3 ist ein parallel zur Rotationsachse der Walze ausgerichtetes plattenförmiges Substrat 1, aus Platin, angeordnet, das wie mit dem vertikal nach unten weisenden Pfeil angedeutet, nach unten entsprechend dem Werkstoffabtrag bei der Schmelzextraktion nach geführt werden kann.
Der Induktor 2 ist hier mit zwei in Keilform ausgebildeten Zweigen gebildet, die in einem Abstand zum Substrat 1 an den sich gegenüberliegenden Seiten angeordnet sind. Die Zweige des Induktors 2 weisen eine ebene hier horizontal ausgerichtete Unterseite und eine schräg nach oben geneigte Oberseite auf, so dass die verjüngten Teile der Zweige in Richtung auf das Substrat 1 ausgerichtet sind.
Die Walze 3 kann ebenso wie der Induktor 2 gekühlt werden.
Die Nachführung des Substrates 1 sollte so erfolgen, dass die radial äußere Kante der Walze 3 bei der Rotation in die am stirnseitigen Rand des Substrates 1 ausgebildete linienförmige Schmelze eintaucht und Fasern 4 durch Schmelzextraktion erhalten werden können.
Das Wechselfeld am Induktor 2 wurde mit einer Frequenz von 200 kHz angeregt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Walze 3 wurde im Bereich 40 bis 50 m/s und dabei möglichst konstant gehalten.
Es konnten so Fasern 4 mit einem mittleren äquivalenten Außendurchmesser von 25 μm hergestellt werden.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung metallischer Fasern durch Schmelzextraktion, bei der eine rotierende Walze mit mindestens einer radial äußeren Kante durch eine Schmelze eines lokal induktiv erwärmten metallischen und nachführbaren Substrates zur Ausbildung metallischer Fasern geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines mit zwei Zweigen, die elektrisch in gleicher Richtung geschaltet sind, gebildeten Induktors (2), die diametral gegenüberliegend an beiden Seiten des stirnseitigen Randes des Substrates (1) angeordnet sind, ein stirnseitiger Rand eines plattenförmigen Substrates (1) zur Ausbildung einer linienförmigen Schmelze am Substrat (1) erwärmt und durch die linienförmig am stirnseitigen Rand des Substrates (1) ausgebildete Schmelze mindestens eine radial äußere Kante der Walze (3) bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (2) keilförmig ausgebildet und der sich verjüngende Teil eines Keiles in Richtung auf das Substrat (1) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte zu schmelzende stirnseitige Rand des Substrates (1) im Einflussbereich des vom Induktor (2) ausgebildeten Wechselfeldes liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Walzen (3) und/oder radial äußere Ränder von Walzen (3) durch eine linienförmige Schmelze geführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Substrat (1) so ausgerichtet ist, dass der aufzuschmelzende stirnseitige Rand vertikal nach unten weist und die Walze(n) (3) unterhalb des stirnseitigen Randes angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teil einer Walze (3), der im Einflussbereich des Wechselfeldes vom Induktor (2) liegt, aus einem Metall gebildet ist, dessen elektrische Leitfähigkeit größer als die elektrische Leitfähigkeit des Metalls, aus dem das Substrat (1) besteht, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselfeldes des Induktors (2) die Dicke des plattenförmigen Substrates (1) und dessen elektromagnetische Skin-Tiefe so berücksichtigt, dass die Dicke des Substrates (1) größer als die elektromagnetische Skin-Tiefe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenz des Wechselfeldes und/oder der Abstand des Induktors (2) vom stirnseitigen Rand des Substrates (1) in Abhängigkeit des Substratwerkstoffs einstellbar sind.
Verfahren zur Herstellung metallischer Fasern durch Schmelzextraktion unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an einem stirnseitigen Rand eines plattenförmigen Substrats (1) mit einem aus zwei Zweigen gebildeten Induktor (2), die mit jeweils gleicher Richtung des elektrischen Stromes betrieben werden, induktiv eine linienförmige Schmelze ausgebildet und mittels eines durch die ausgebildete linienförmige Schmelze rotierenden radial äußeren Randes mindestens einer Walze (3) Fasern (4) durch Schmelzextraktion hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerfrequenz des Wechselfeldes unter Berücksichtigung der Dicke des Substrates (1) und der Skin-Tiefe eingestellt wird.