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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Bandes
oder Drahtes durch schnelles Abschrecken einer geschmolzenen Legierung.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Charakteristiken
der Zusammensetzung und Struktur des Substrats eines Gießrads, welches
benutzt wird, um das schnelle Abschrecken zu erreichen.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Fortlaufendes
Gießen
eines Legierungsstreifens wird durch Abscheiden einer geschmolzenen
Legierung auf ein rotierendes Gießrad bewerkstelligt. Ein Streifen
wird ausgeformt, indem der geschmolzene Legierungsstrom aufrechterhalten
wird und durch die Wärmeleitung
aufgrund der schnellen Bewegung der Abschreckoberfläche des
Gießrades
erstarrt. Der erstarrte Streifen löst sich von dem Abkühlrad und
wird von einer Wickelmaschinerie bearbeitet. Um qualitativ hochwertige
Streifen kontinuierlich gießen
zu können,
muss die Abschreckoberfläche
thermisch erzeugte mechanische Spannungen aushalten können, die
durch den zyklischen Kontakt mit geschmolzenem Metall und dem zyklischen
Entfernen des erstarrten Streifens von der Gießoberfläche erzeugt werden. Jeder Defekt
in der Abschreckoberfläche
kann das Eindringen von geschmolzenem Metall verursachen, wobei
das Entfernen des erstarrten Streifens Teile der Abkühloberfläche herausreißt, wodurch
eine weitere Degradation der Abkühloberfläche verursacht
wird. Im Ergebnis erleidet die Oberflächenqualität der Streifen um so mehr Schaden,
je längere
Längen
von Streifen innerhalb einer vorgegebenen Spur auf einem Abkühlrad gegossen
werden. Die Gießlänge eines
qualitativ hochwertigen Streifens gibt ein direktes Maß für die Qualität des Radmaterials
an.
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Schlüsselfaktoren
für die
verbesserte Leistung einer Abschreckoberfläche sind (i) der Gebrauch von Legierungen
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit,
sodass die Wärme
von dem geschmolzenen Metall extrahiert werden kann, um den Streifen
zu verfestigen, und (ii) der Gebrauch von Materialien mit hoher
mechanischer Festigkeit, um die Integrität der Gießoberfläche zu erhalten, welche hohen
Spannungsniveaus bei erhöhten Temperaturen
(>500 C) unterworfen
ist. Legierungen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, weisen keine mechanische
Festigkeit auf, besonders bei erhöhten Temperaturen. Daher muss
bezüglich
der Wärmeleitfähigkeit
ein Kompromiss gefunden werden, um Legierungen mit adäquaten Festigkeitscharakteristiken
verwenden zu können.
Reines Kupfer weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, offenbart aber
einen extremen Radschaden, nachdem Streifen mit kurzer Länge gegossen
wurden. Beispiele beinhalten verschiedene Arten von Kupferlegierungen
und dergleichen. Als Alternative kann die Abschreckoberfläche des
Gießrades
mit verschiedenen Oberflächen überzogen
werden, um ihre Leistung zu verbessern, wie dies in dem europäischen Patent mit
der Nummer
EP 0024506 offenbart
ist. Eine geeignete Gießprozedur
wurde detailliert in dem U.S.-Patent
4,142,571 beschrieben,
dessen Offenbarungsgehalt hiermit in die Offenbarung der vorliegenden
Erfindung mit einbezogen wird.
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Die
Abschreckoberflächen
von Gießrädern gemäß dem Stand
der Technik gehören
im Allgemeinen zu einer von zwei Formen: monolithischen oder mehrkomponentigen.
Im ersteren Fall wird ein fester Block der Legierung in die Form
eines Gießrades
moduliert, welches optional mit Abkühlkanälen ausgestattet ist. Komponenten-Abschreckoberflächen umfassen
eine Mehrzahl von Stücken,
welche, sobald sie zusammengesetzt sind, ein Gießrad bilden, wie dies in dem
U.S.-Patent mit der Nummer
4,537,239 beschrieben
ist. Die Verbesserungen der Abschreckoberfläche eines Gießrades gemäß der vorliegenden
Erfindung sind auf alle Arten von Gießrädern anwendbar.
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Die
Abschreckoberflächen
von Gießrädern wurden
konventionell aus einer einphasigen Kupferlegierung oder aus einer
einphasigen Kupferlegierung mit kohärenten oder semikohärenten Abscheidungen
hergestellt. Die Legierung wird gegossen und in geeigneter Weise
mechanisch bearbeitet, bevor ein Rad oder eine Abschreckoberfläche daraus
hergestellt wird. Bestimmte mechanische Eigenschaften, wie beispielsweise
Härte,
Bruchfestigkeit, Fließfestigkeit
und Dehnung, wurden berücksichtigt
in Kombination mit Kompromissen bezüglich der Wärmeleitfähigkeit. Dies wurde in dem
Bemühen
unternommen, die beste Kombination von mechanischen Festigkeitseigenschaften
und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften
zu erhalten, die für
eine vorgegebene Legierung möglich
sind. Hierfür
gibt es hauptsächlich
zwei Gründe,
nämlich,
(1) um eine Abkühlrate
zu erhalten, die hoch genug ist, um in der gewünschten Mikrostruktur des Gießstreifens
zu resultieren, und (2) um sich thermischem und mechanischem Schaden
der Abkühloberfläche zu widersetzen,
welcher zu einer Degradation der geometrischen Definition des Streifens
führen
würde und
dadurch das Gießprodukt
unverwendbar machen würde.
Typische Legierungen, die eine einzige Phase mit kohärenten oder
semikohärenten
Abscheidungen aufweisen, umfassen Kupfer-Beryllium-Legierungen mit
verschiedenen Zusammensetzungen und Kupfer-Chrom-Legierungen mit
niedrigen Chromkonzentrationen. Sowohl Beryllium als auch Chrom
haben sehr niedrige Festlöslichkeiten
in Kupfer.
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Das
Streifengießverfahren
ist kompliziert, und dynamische oder zyklische mechanische Eigenschaften
müssen
ernsthaft berücksichtigt
werden, um eine Abschreckoberfläche
zu entwickeln, die herausragende Leistungseigenschaften aufweist.
Die Verfahren, durch welche die einphasige Ausgangslegierung zum
Gebrauch als Abschreckoberfläche
hergestellt wird, können
in erheblicher Weise das Ergebnis des nachfolgenden Streifengießens beeinflussen.
Dies kann durch den Umfang an mechanischer Arbeit und die nachfolgenden
Festigungsphasen, die nach der Wärmebehandlung
auftreten, verursacht werden. Dies kann auch durch die Bündelung
oder die einzelne Natur einiger mechanischer Arbeitsverfahren verursacht
werden. Z.B. verleihen Ringschmieden und Extrusion einem Arbeitsstück anisotrope
mechanische Eigenschaften. Leider ist die Richtung der daraus resultierenden
Orientierung typischerweise nicht entlang der nützlichsten Richtung innerhalb
der Abschreckoberfläche
ausgerichtet. Die Wärmebehandlung,
die angewandt wird, um die erneute Kristallisation der Legierung
und Kornwachstum und Festigung der kohärenten Phasenabscheidung mit
der einphasigen Legierungsmatrix zu erhalten, ist oft unzureichend,
um die Defizite, welche während
der Schritte der mechanischen Arbeitsverfahren eingeführt wurden,
zu verbessern. Die resultierende Abschreckoberfläche weist eine Mikrostruktur
auf, die ungleichförmige
Korngrößen, Formen
und Verteilungen aufweist. Veränderungen
bei der Verarbeitung dieser einphasigen Kupferlegierungen, die benutzt
wurden, um einheitliche, genaue, gleichaxiale Kornstrukturen zu
erhalten, sind in den U.S.-Patenten mit den Nummern
5,564,490 und
5,842,511 offenbart. Die feinkörnige, homogene
Einphasen-Struktur reduziert die Bildung von großen Vertiefungen in der Oberfläche des
Gießrades.
Diese Vertiefungen wiederum erzeugen korrespondierende "Kerne" (pips) in der Oberfläche des
Streifens, die das Rad während
des Gießprozesses
berührt.
Viele dieser Abscheidungs-härtbaren
einphasigen Kupferlegierungen beinhalten Beryllium als eine ihrer
Komponenten. Die Aspekte der biologischen Toxizität einer
Beryllium-enthaltenen Verbindung, welche konstant poliert wird,
um die Qualität
der Gießoberfläche zu erhöhen, wirft
ein Gesundheitsrisiko auf. Dementsprechend wurden nicht-toxische
Legierungen, welche gute Abschreckeigenschaften für geschmolzenes
Metall ohne Oberflächen-Degradatation aufweisen,
lange gesucht.
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Kupfer-Nickel-Silizium-Legierungen
mit anderen elementaren Beigaben wurden als ein Ersatz für Beryllium-Kupfer-Legierungen von der
elektronischen Industrie verwendet, wie dies in dem U.S.-Patent
5,846,346 offenbart ist.
Die Abscheidung der zweiten Phase wird unterdrückt, um eine hohe Wärme leitfähigkeit und
Festigkeit zu erhalten. Die japanische Patentveröffentlichung mit der Nummer
S60-45696 schlägt
vor, 14 Additive hinzuzufügen,
um sehr genaue Abscheidungen in bestimmten Corson-Gruppenlegierungen
zu produzieren. Diese im Wesentlichen einphasigen Legierungen enthalten
Kupfer mit 0,5 bis ungefähr
4 Gew.% Ni und mit 0,1 bis ungefähr
1 Gew.% Si. Gießtemperaturfähigkeiten
dieser im Wesentlichen einphasigen Legierung liegen weit unterhalb
den Anforderungen einer Gießoberfläche mit
schnellen Abschreckeigenschaften.
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Als
Konsequenz bleibt der Bedarf an nicht-toxischen Abkühlrädern für die rasche
Erstarrung einer geschmolzenen Legierung bestehen, welche die Oberflächenqualität der Gießstreifen
beibehalten, indem sie schneller Verschlechterung während des
Gießens
für eine
verlängerte
Zeitspanne widerstehen. Dieser Bedarf wurde durch die existierenden
im Wesentlichen einphasigen Kupferlegierungen vordem nicht erfüllt, sogar dann
nicht, wenn die Kornstruktur gut kontrolliert wurde.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum fortlaufenden
Gießen
eines Legierungsstreifens bereit. Allgemein gesprochen weist die
Vorrichtung ein Gießrad
auf, welches eine schnell bewegliche Abschreckoberfläche besitzt,
die eine geschmolzene Legierungsschicht abkühlt, wenn diese darauf abgeschieden
wurde, um eine schnelle Erstarrung zu einem fortlaufenden Legierungsstreifen
zu erhalten. Die Abschreckoberfläche
setzt sich aus einer zweiphasigen Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung zusammen, die geringfügige Zugaben
von anderen Elementen enthält.
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Allgemein
gesprochen weist die Legierung eine Zusammensetzung auf, die im
Wesentlichen aus ungefähr
6 bis 8 Gew.% Nickel, ungefähr
1 bis 2 Gew.% Silizium und ungefähr
0,3 bis 0,8 Gew.% Chrom besteht, wobei der restliche Bestandteil
Kupfer und gelegentliche Verunreinigungen sind. Solch eine Legierung hat
eine Mikrostruktur, die feine Körner
der Kupferphase aufweist, die umgeben ist von dünnen, gut verbundenen Netzwerkregionen
von Nickel-Silizid. Legierungen, die diese Mikrostruktur aufweisen,
werden bearbeitet, indem bestimmte Legierungsherstellungsgieß- und mechanische
Arbeitsverfahren und eine abschließende Wärmebehandlung eingesetzt werden.
Die Mikrostruktur der Legierung ist für verantwortlich für ihre hohe
Wärmeleitfähigkeit
und ihre hohe Härte
und Festigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit
ist abgeleitet aus der Kupferphase, und die Härte ist abgeleitet aus der
Nickel-Silizid-Phase. Die Verteilung der umgebenden Netzwerkphase
bewirkt eine Zellstruktur mit einer Zellgröße im Bereich von 1 bis 250 μm, wodurch
der flüssigen
Schmelze eine im Wesentlichen homogene Abschreckoberfläche geboten
wird. Solch eine Legierung widersteht Degenerierungen während des
Gießens
für eine
verlängerte
Zeitspanne. Streifen mit langen Längen können von derart flüssigen Legierungen
gegossen werden, ohne Oberflächenüberstände, bekannt
als "Kerne", oder andere Oberflächendegenerierungen
zu bilden.
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Allgemein
gesprochen wird das Substrat des Abschreckgießrades der vorliegenden Erfindung
durch ein Verfahren hergestellt, welches die folgenden Schritte
umfasst: (a) Gießen
eines Kupfer-Nickel-Silizium-Zwei-Phasen-Legierungsrohlings, welcher
eine Zusammensetzung aufweist, die im Wesentlichen aus ungefähr 6 bis
8 Gew.% Nickel, ungefähr
1 bis 2 Gew.% Silizium und ungefähr
0,3 bis 0,8 Gew.% Chrom besteht, wobei der restliche Bestandteil
Kupfer und zufällige
Verunreinigungen sind; (b) mechanisches Bearbeiten des Rohlings,
um das Substrat des Abschreckgießrades zu erhalten; und (c)
Wärmebehandlung
des Substrats, um eine zweiphasige Mikrostruktur zu erhalten, die
eine Zellgröße in dem
Bereich von ungefähr
1 bis 1000 μm aufweist.
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Der
Gebrauch eines zweiphasigen kristallinen Abschrecksubstrats verlängert vorteilhafterweise
die Betriebsdauer des Gießrades.
Die Laufzeiten des auf der Abschreckoberfläche durchgeführten Gießens werden
maßgeblich
verlängert,
und die Menge des Materials, welches während jedes Laufes gegossen
wird, wird verbessert ohne die mit Kupfer-Beryllium-Substraten verbundene
Toxizität.
Ein Streifen, der auf den Abschreckoberflächen gegossen wird, weist bei
weitem weniger Oberflächendefekte
auf und folglich einen verbesserten Packungsfaktor (% Schichtung
(lamination)); die Effizienz eines elektrischen Leistungsverteilertransformators,
der aus einem solchen Streifen hergestellt wird, wird verbessert.
Das Ansprechverhalten des Abschrecksubstrats während des Gießens ist
bemerkenswert beständig
von einem Guss zu dem nächsten, mit
dem Ergebnis, dass die Laufzeiten der im Wesentlichen gleichen Zeitdauern
wiederholbar sind und die Terminierung der Wartung ermöglicht.
Vorteilhafterweise sind die Ausbeuten von Streifen, die auf solchen
Substraten schnell erstarren, merklich verbessert, wobei die Auszeiten
aufgrund der Wartung der Substrate minimiert werden und die Verlässlichkeit
des Verfahrens verbessert wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird besser verstanden und weitere Vorteile werden offensichtlich,
wenn Bezug genommen wird auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung
und die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum durchgehenden Gießen eines
Metallstreifens ist;
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2 ein
Graph ist, der die Leistungsdegradation ("Kerne") eines Kupfer-Abschrecksubstrats mit
2 Gew.% Beryllium und mit kohärenten
oder semikohärenten
Abscheidungen als eine Funktion der Gießzeit zeigt, die benötigt wird,
um einen durchgehenden amorphen Legierungsstreifen mit einer Weite
von 6,7 Zoll zu gießen;
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3 ein
Graph ist, der die Leistungsdegradation aufgrund von Kernwachstum
als eine Funktion der Zeit zeigt für Cu-2%Be, zweiphasiges Cu-7%Ni,
welches in Tabelle I als Zusammensetzung 2 bezeichnet ist, und im
Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni and Cu-2,5%Ni, welche
in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000 bezeichnet sind;
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4 ein
Graph ist, der die Leistungsdegradation aufgrund der Degradation
der Randzonen-Glattheit als eine Funktion der Zeit zeigt für Cu-2%Be,
zweiphasiges Cu-7%Ni, welches in Tabelle I als Zusammensetzung 2
bezeichnet ist, und im Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni
and Cu-2,5%Ni, welche in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000
bezeichnet sind;
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5 ein
Graph ist, der die Leistungsdegradation aufgrund der Degradation
des Schichtungsfaktors (lamination factor) als eine Funktion der
Zeit zeigt für
Cu-2%Be, zweiphasiges Cu-7%Ni, welches in Tabelle I als Zusammensetzung
2 bezeichnet ist, und im Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni
and Cu-2,5%Ni, welche in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000
bezeichnet sind;
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6 eine
Mikroaufnahme eines Abschrecksubstrats aus einer im Wesentlichen
einphasigen Legierung, welche in Tabelle I als Zusammensetzung C18000
bezeichnet ist, nach dem Gießen
von Streifen für
21 Minuten zeigt, wobei die Bildung von Vertiefungen sichtbar wird;
und
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7 eine
Mikroaufnahme eines Kupfer-Nickel-Silizium-Zwei-Phasen-Abschrecksubstrats, welches in
Tabelle I als Legierung 2 bezeichnet ist, nach dem Gießen von
Streifen für
92 Minuten zeigt, wobei die Nicht-Bildung von Vertiefungen sichtbar wird.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltungen
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Vorliegend
bezeichnet der Begriff "amorphe
metallische Legierungen" eine
metallische Legierung, der im Wesentlichen jede langreichweitige
Ordnung fehlt und die durch Intensitätsmaxima bei der Röntgenbeugung
charakterisiert ist, welche qualitativ denen ähnlich sind, die bei Flüssigkeiten
oder anorganischen Oxid-Glasen beobachtet werden.
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Der
vorliegend benutzte Begriff der zweiphasigen Legierung mit einer
Struktur bezeichnet eine Legierung, die kupferreiche Regionen aufweist,
welche von einem Netzwerk von Nickel-Silizid umgeben sind, und so eine Zellstruktur
mit einer Größe kleiner
als 250 μm
(0,010 Zoll) produzieren.
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Der
vorliegend benutzte Begriff "Streifen" bezeichnet einen
schlanken Körper,
dessen querlaufende Dimensionen viel kleiner sind als seine Länge. Ein
Streifen umfasst daher einen Draht, ein Band und eine Folie, die
alle regelmäßige oder
unregelmäßige Querschnitte
aufweisen.
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Der
vorliegend in der Beschreibung und den Ansprüchen benutzte Begriff der "schnellen Erstarrung" bezieht sich auf
das Abkühlen
einer Schmelze bei einer Rate von zumindest ungefähr 104 bis 106 °C/s. Eine Vielzahl
von Techniken zur schnellen Erstarrung sind bekannt, um einen Streifen
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung zu erzeugen,
wie z.B. Sprühablagerung
auf ein gekühltes
Substrat, Strahlgießen, planares
Flussgießen
usw.
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Der
vorliegend verwendete Begriff "Rad" bezeichnet einen
Körper
mit einem im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt, der (in der axialen Richtung) eine Weite aufweist,
die kleiner ist als sein Durchmesser. Im Gegensatz dazu wird eine
Rolle generell als ein Körper
verstanden, dessen Breite größer ist
als sein Durchmesser.
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Mit
dem Begriff "im
Wesentlichen homogen" ist
vorliegend gemeint, dass die Abschreckoberfläche der zweiphasigen Legierung
eine im Wesentlichen gleichförmige
Zellgröße in alle
Richtungen aufweist. Ein Abschrecksubstrat, das im Wesentlichen
homogen ist, hat vorzugsweise eine konstituierende Zellgrößen-Einheitlichkeit,
welche dadurch charakterisiert ist, dass zumindest ungefähr 80% der
Zellen eine Größe größer als
1 μm und
weniger als 250 μm
haben und dass die Symmetrie größer als
250 μm und
kleiner als 1000 μm
ist.
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Der
vorliegend verwendete Begriff "thermisch
leitend" bedeutet,
dass das Abschrecksubstrat einen Wärmeleitfähigkeitswert größer als
40 W/m K und kleiner als ungefähr
400 W/m K und noch bevorzugter größer als 80 W/m K und kleiner
als ungefähr
400 W/m K und am bevorzugtesten größer als 100 W/m K und kleiner
als 175 W/m K aufweist.
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In
dieser Beschreibung und in den anhängenden Ansprüchen wird
die Vorrichtung beschrieben mit Bezug auf den Bereich eines Gießrades,
der an dem Umfang des Rades lokalisiert ist und der als Abschrecksubstrat
dient. Es wird daraufhingewiesen, dass das Prinzip der Erfindung
auch anwendbar ist auf eine Abschreckträgerkonfiguration, wie beispielsweise
einen Riemen, dessen Gestalt und Struktur sich von derjenigen eines
Rades unterscheidet, als auch auf eine Gießradkonfiguration, bei welcher
der Bereich, der als Abschrecksubstrat dient, auf der Flanke des
Rades oder einem anderen Teil des Rades, welcher nicht der Radumfang
ist, angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine zweiphasige Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung
mit einer bestimmten Mikrostruktur zur Verfügung, die als ein Abschrecksubstrat
bei dem schnellen Abschrecken eines geschmolzenen Metalls verwendet
werden kann. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Legierung ist das
Verhältnis
der Legierungselemente Nickel, Silizium mit kleinen Zugaben von
Chrom identifiziert. Allgemein gesprochen ist die thermisch leitfähige Legierung
eine Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung,
welche im Wesentlichen aus ungefähr
6 bis 8 Gew.% Nickel, ungefähr
1 bis 2 Gew.% Silizium und ungefähr
0,3 bis 0,8 Gew.% Chrom besteht, wobei der restliche Bestandteil
Kupfer und zufällige
Verunreinigungen sind. Vorzugsweise ist die thermisch leitfähige Legierung
eine Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung,
welche im Wesentlichen aus ungefähr
7 Gew.% Nickel, ungefähr
1,6 Gew.% Silizium und ungefähr
0,4 Gew.% Chrom besteht, wobei der restliche Bestandteil Kupfer
und zufällige
Verunreinigungen sind. Die Reinheit aller Materialien ist diejenige,
die in der gewöhnlichen
gewerblichen Praxis gefunden werden kann.
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Schnelles
und gleichförmiges
Abschrecken des metallischen Streifens wird dadurch erreicht, dass
ein Fluss von Kühlflüssigkeit
durch axiale Kanäle,
welche in der Nähe
des Abschrecksubstrats liegen, bereitgestellt wird. Außerdem resultieren
aus der periodischen Abscheidung von geschmolzener Legierung auf
dem Abschrecksubstrat bei der Rotation des Rades während des
Gießens
große
thermische periodische Spannungen. Dies resultiert in einem großen radialen
thermischen Gradienten nahe der Substratoberfläche.
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Um
die mechanische Degradation des Abschrecksubstrats, die ansonsten
aus diesem großen
thermischen Gradienten und thermischen periodischen Ermüden resultieren
würde,
zu verhindern, umfasst das zweiphasige Substrat feine, gleichförmig große konstituierende
Zellen, welche die kupferreiche Phase mit dem Netzwerk aus Nickel-Silizid
einkapseln. Diese feine, zweiphasige zellulare Struktur der Abschreckoberfläche verhindert
das Entfernen von Substratzellen durch den erstarrten Streifen,
welcher mit einer hohen Geschwindigkeit die Abschreckoberfläche verlässt. Diese
Oberflächen-Integrität verhindert
die Ausbildung von Vertiefungen in dem Rad, welche sich in dem Streifen
in der Form von "Kernen" oder Vorsprün gen replizieren.
Diese Kerne unterbinden die Fähigkeit,
Streifen zu laminieren, um ein Laminat zu produzieren, was den Stapelfaktor der
Streifen reduziert.
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Die
Vorrichtung und die Methoden, welche geeignet sind, polykristalline
Streifen aus Aluminium, Zinn, Kupfer, Eisen, Stahl, Edelstahl und
dergleichen zu formen, sind in mehreren U.S.-Patenten offenbart.
Metallische Legierungen, die bei raschem Abkühlen von der Schmelze feste
amorphe Strukturen ausbilden, werden bevorzugt. Diese sind dem Fachmann
gut bekannt. Beispiele solcher Legierungen sind in den U.S.-Patenten
3,427,154 und
3,981,722 offenbart.
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Bezugnehmend
auf 1 ist dort generell eine Vorrichtung 10 zum
fortdauernden Gießen
eines Metallstreifens gezeigt. Die Vorrichtung 10 hat ein
ringförmiges
Gießrad 1,
welches rotierbar um seine longitudinale Achse montiert ist, ein
Reservoir 2 zum Aufnehmen des geschmolzenen Metalls und
eine Induktionsheizspirale 3. Das Reservoir 2 steht
in Verbindung mit einer Schlitzdüse 4,
die in der Nähe
des Substrats 5 des ringförmigen Gießrads 1 angebracht
ist. Das Reservoir ist des Weiteren mit (nicht dargestellten) Mitteln
ausgestattet, um auf das darin befindliche geschmolzene Metall Druck
auszuüben,
um dessen Ausscheidung durch die Düse 4 zu bewirken.
Beim Betrieb wird das geschmolzene Metall, welches im Reservoir 2 unter Druck
gehalten wird, durch die Düse 4 ausgegeben
und zwar auf das sich schnell bewegende Gießradsubstrat 5, wobei
es erstarrt und einen Streifen 6 bildet. Nach der Erstarrung
trennt sich der Streifen 6 von dem Gießrad und wird davon weggeschleudert,
um durch einen Aufwickler oder ein anderes geeignetes Auffanggerät (nicht dargestellt)
eingefangen zu werden.
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Das
Material, aus dem das Abschrecksubstrat 5 des Gießrades besteht,
kann einphasiges Kupfer oder jedes andere Metall oder jede andere
Verbindung, die eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, sein. Diese
Anforderung ist insbesondere anwendbar, falls es gewünscht ist,
amorphe oder metastabile Streifen herzustellen. Bevorzugte Materialien
zur Konstruktion des Substrats 5 umfassen feine, gleichmäßig gekörnte Abscheidungs-gehärtete einphasige
Kupferlegierungen, wie beispielsweise Chrom-Kupfer oder Beryllium-Kupfer, gehärtete Dispersionslegierungen
und Sauerstoff-freies Kupfer. Falls gewünscht, kann das Substrat 5 stark
poliert werden oder hartverchromt werden oder dergleichen, um Streifen
mit glatten Oberflächencharakteristiken zu
erhalten. Um zusätzlichen
Schutz gegen Erosion, Korrosion oder thermische Ermüdung zu
bewirken, kann die Oberfläche
des Gießrades
auf herkömmliche
Art beschichtet werden, wobei eine geeignete widerstandsfähige oder
hoch-schmelzende Beschichtung verwendet wird. Typischerweise sind
eine keramische Beschichtung oder eine Beschichtung aus einem Korrosions-beständigen,
eine hohe Schmelztemperatur aufweisenden Metall einsetzbar, vorausgesetzt,
dass die Benetzbarkeit des geschmolzenen Metalls oder der Legierung,
die auf der abgekühlten
Oberfläche
gegossen wird, ausreichend ist.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, ist es wichtig, dass der Korndurchmesser und der Verlauf
der Abschreckoberfläche,
auf welcher das geschmolzene Metall oder die geschmolzene Legierung
fortlaufend in Streifen gegossen werden, jeweils fein und gleichförmig sind.
Ein Vergleich mit herkömmlichen
einphasigen Abschreckoberflächen,
welche zwei verschiedene Korndurchmesser benutzen, ist in
2 mit
Bezug auf die Güte
des Streifengießens
gezeigt. Eine grobkörnigere
Abscheidungsgehärtete
Cu-2%Be-Legierung degeneriert schneller aufgrund des Abreißverhaltens
des Streifens, welcher mit hoher Geschwindigkeit die Abschreckoberfläche verlässt, und
dabei große
Körner
herausreißt
und so Vertiefungen verursacht. Ein Mechanismus, durch welchen unter
solchen Umständen
Degradation verursacht wird, steht in Verbindung mit der Bildung
von sehr kleinen Rissen in der Oberfläche des Abschrecksubstrats.
Anschließend
abgeschiedenes geschmolzenes Metall oder geschmolzene Legierung
dringt dann in diese kleinen Risse ein, erhärtet darin und wird zusammen
mit dem benachbarten Abschreckträgermaterial
herausgezogen, sobald der gegossene Streifen von dem Abschrecksubstrat
während
des Gießprozesses
getrennt wird. Der Degradationsprozess ist degenerativ und wird
beim Gießen
mit der Zeit zunehmend schlechter. Eingerissene oder herausgerissene
Stellen in dem Abschrecksubstrat werden "Vertiefungen" (pits) genannt, wohingegen die damit
in Verbindung stehenden replizierten Vorsprünge, welche an der Unterseite
des Gießstreifens
hängen, "Kerne" genannt werden.
Auf der anderen Seite bewirkt eine durch Abscheidung gehärtete einphasige
Kupferlegierung, die eine feine, homogene Kornstruktur aufweist,
eine reduzierte Degradation der Abschreckoberfläche des Kühlrades, wie dies in dem U.S.-Patent
5,564,490 offenbart ist.
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Das
Abschrecksubstrat der vorliegenden Erfindung wird dadurch hergestellt,
dass eine Schmelze gebildet wird, die eine Zwei-Phasen-Legierung aus Kupfer-Nickel-Silizium
mit geringfügigen
Zugaben von Chrom enthält,
und dass die Schmelze in eine Gießform gegossen wird, wodurch
ein Gussblock gebildet wird. Die Nickel-Silizid-Phase schmilzt bei
1325°C und
kann nicht einfach durch geschmolzenes Kupfer, welches bei 1083°C schmilzt,
aufgelöst
werden. Ein empfohlenes Verfahren zur Herstellung der Verbindung
beinhaltet die Verwendung einer Kupfer-Nickel-Hauptlegierung mit
30 bis 50 Gew.-% Nickel und die Verwendung einer Nickel-Silizium-Hauptlegierung
mit 28 bis 35 Gew.% Silizium. Diese beiden Legierungen haben Schmelzpunkte unter
oder nahe bei demjenigen von Kupfer und können ohne übermäßige Überhitzung der Kupferschmelze einfach
aufgelöst
werden. Überhitzen
der Kupferschmelze hat Nachteile, da dadurch die Aufnahme von Sauerstoff
und Wasserstoff enorm erhöht
wird. Die Auflösung
von Sauerstoff reduziert die Wärmeleitfähigkeit,
während
die Auflösung
von Wasserstoff in einer Mikroporosität des Gusses resultiert.
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Der
so gegossene Gussblock wird wiederholt mit einem Hammer bearbeitet
und dabei geschmiedet, sodass die in zwei Phasen gegossene Struktur
des Gussblocks gespalten wird und einen Rohling formt, der eine
veredelte Zellstruktur aufweist. Der Rohling kann mit einer Spindel
durchbohrt werden, um einen zylindrischen Körper zur weiteren Verarbeitung
herzustellen. Der zylindrische Körper
wird in zylindrischen Längen
geschnitten, welche näher
bei der Gestalt der letztlichen Abschreckoberfläche liegen. Um die Gleichförmigkeit der
feinen Zellstruktur zu begünstigen,
werden die Zylinderlängen
einer Anzahl von mechanischen Deformationsverfahren unterworfen.
Diese Verfahren umfassen: (1) Ringschmieden, bei welchem die zylindrische
Länge durch
einen Amboss (Sattel) unterstützt
wird und wiederholt mit einem Hammer geschlagen wird, während die zylindrische
Länge schrittweise über dem
Amboss rotiert wird, wobei der gesamte Umfang der zylindrischen Länge durch
separate Aufprallschläge
bearbeitet wird; (2) Ringwalzen, welches ähnlich ist zum Ringschmieden,
außer,
dass die mechanische Bearbeitung der zylindrischen Länge in einer
viel gleichförmigeren
Art erreicht wird, indem ein Satz von Walzen anstelle eines Hammers
benutzt wird; und (3) Bewegungsformen, bei welchem eine Welle benutzt
wird, um den inneren Durchmesser der Abschreckoberfläche zu definieren,
und einen Satz von Arbeitswerkzeugen umlaufend um die zylindrische
Länge arbeitet,
während
diese gleichzeitig entlang der zylindrischen Länge versetzt werden, wobei
die zylindrische Länge
gleichzeitig verdünnt
und verlängert
wird, während
großflächige mechanische
Deformation auf sie ausgeübt
wird.
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Zusätzlich zu
den mechanischen Deformationsverfahren, die oben beschrieben wurden,
können
verschiedene Wärmebehandlungsschritte
eingesetzt werden, die entweder zwischen oder während der mechanischen Deformation
ausgeführt
werden, um die Verarbeitung zu erleichtern und um eine Abschreck-Legierungsoberfläche zu erzeugen,
die eine gut verteilte, feine Zellstruktur aufweist, in welcher
eine zweiphasige Le gierung mit einer kupferreichen Phase von einem
Netzwerk aus Nickel-Silizid-Phasen umgeben ist.
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2 zeigt
die Leistungsdaten für
Beryllium-Kupfer-Legierungen
als Abschrecksubstrat mit zwei verschiedenen Durchschnittskorn-Durchmessern.
Kerne bilden sich leichter auf Streifen aus, die auf gröberen Substraten
gegossen wurden, da das Gießen
von Streifen zunehmend die Abschreckoberfläche verletzt. Eine feiner gekörnte einphasige
Legierung degeneriert mit einer langsameren Rate, was es erlaubt,
längere
Streifenlängen
ohne Kernbildung zu gießen.
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3 ist
ein Graph, der die Leistungsdegradation durch Kernwachstum als eine
Funktion der Zeit zeigt. Der Graph zeigt die Leistungsdegradation
aufgrund von Kernwachstum als eine Funktion der Zeit für Cu-2%Be,
zweiphasiges Cu-7%Ni, welches in Tabelle I als Zusammensetzung 2
bezeichnet ist, und für
im Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni und Cu-2,5%Ni, welche
in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000 bezeichnet sind.
Die "Kerne" sind ein unmittelbares
Ergebnis des Lochfraßes
in dem Rad während
des Gießens
eines Streifens auf einer einzelnen Spur. Die Daten für eine zweiphasige
Kupfer-7% Nickel-Silizium-Legierung lassen sich sehr gut mit denjenigen
Daten vergleichen, die mit dem feingekörten einphasigen durch Abscheidung
gehärteten
Abschrecksubstrat gewonnen wurden, welches sich aus einer Cu-2%Be-Legierung zusammensetzt.
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4 ist
ein Graph, welcher die Leistungsdegradation aufgrund der Degradation
der Randzonen-Glattheit als eine Funktion der Zeit zeigt für Cu-2%Be,
zweiphasiges Cu-7%Ni, welches in Tabelle I als Zusammensetzung 2
bezeichnet ist, und im Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni
und Cu-2,5%Ni, welche in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000
bezeichnet sind. Die Randzone des Rades ist aufgrund des konstanten
Wegziehens des erstarrten Streifens von der Abschreckoberfläche kraterartig.
Die Daten für
eine zweiphasige Kupfer-7% Nickel-Silizium-Legierung lassen sich
sehr gut mit denjenigen Daten vergleichen, die mittels eines feinkörnigen einphasigen
durch Abscheidung gehärteten
Abschrecksubstrats gewonnen wurden, welches sich aus einer Cu-2%Be-Legierung
zusammensetzt.
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5 ist
ein Graph, welcher die Leistungsdegradation aufgrund der Degradation
des Laminationsfaktors als eine Funktion der Zeit zeigt für Cu-2%Be,
zweiphasiges Cu-7%Ni, welches in Tabelle I als Zusammensetzung 2
bezeichnet ist, und die im Wesentlichen einphasige Legierungen Cu-4%Ni
und Cu-2,5%Ni, welche in Tabelle I als Zusammensetzungen 3 und C18000
bezeichnet sind. Die "Kerne" auf den Streifen
verhindern die Stapelfähigkeit
der Streifen, wodurch der Laminationsfaktor verringert wird. Der
Laminationsfaktor kann zweckmäßig gemessen
werden, wenn das Testverfahren, das in ASTM-Standard 900-91, standard Test
Method for Lamination Factor of Amorphous Magnetic Strip, 1992 Annual
Book of ASTM Standards, Band 03.04 dargelegt ist, verwendet wird.
Die Daten für
eine zweiphasige Kupfer-7% Nickel-Silizium-Legierung lassen sich sehr
gut vergleichen mit denjenigen Daten, die mit einem feinkörnigen einphasigen
durch Abscheidung gehärteten
Abschrecksubstrat gewonnen werden, welches sich aus einer Cu-2%Be-Legierung zusammensetzt.
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In 6 ist
die Mikrostruktur eine Abschreckoberfläche gezeigt, die sich aus der
Legierung C18000 zusammensetzt. Die Aufnahme wurde nach einem 21-minütigem Streifengießen gemacht.
Die Legierung C18000 ist eine einphasige Legierung, welche eine
homogene feine Kornverteilung aufweist. Der abgebildete mikroskopische
Größenstandard
hat eine Länge
von 100 μm;
das Bild ist 1,4 mm (1400 μm)
groß.
Die mikroskopische Aufnahme macht erhebliche Kraterentwicklung sichtbar.
Jeder Krater, der allgemein durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet
ist, ist durch eine leuchtende Fläche dargestellt. Risse, die
allgemein durch das Bezugszeichen 40 gekennzeichnet sind,
neigen dazu, sich in den Kratern 30 auszubilden.
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7 ist
eine mikroskopische Aufnahme einer zweiphasigen Legierung, die die
Zusammensetzung aufweist, in welche in Tabelle I als Legierung 2
bezeichnet ist. Sie zeigt eine homogene feine Zellverteilung nach
einer 92-minütigen
Streifenlänge.
Der abgebildete mikroskopische Größenstandard hat eine Länge von 100 μm; das Bild
ist 1,4 mm (1400 μm)
groß.
Leuchtende Gebiete repräsentieren
Netzwerke der Sekundärphase.
In der mikroskopischen Aufnahme ist keine erhebliche Kraterbildung
erkennbar.
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Die
Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung mit geringfügigen Chromzugaben enthält keine
gefährlichen
Elemente wie Beryllium. OSHA-Grenzwerte für Kupfer, Nickel, Silizium,
Chrom und Beryllium sind in den Tabellen Z-1 und Z-2 in OSHA Limits
for Air Contaminants 1910.1000 aufgeführt und dort in der Einheit
ppm angegeben. Diese Tabellen sind nachfolgend wiedergegeben:
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Diese
Grenzwerte verdeutlichen die hohe toxische Gefahr von Beryllium.
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Die
nachfolgenden Beispiele werden angegeben, um ein umfassenderes Verständnis der
Erfindung zu ermöglichen.
Die angegebenen speziellen Techniken, Bedingungen, Materialien,
Proportionen und beschriebenen Daten verdeutlichen die Prinzipien
und die Anwendung der Erfindung und sind beispielhaft und sollen
nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie den Schutzumfang der
Erfindung einschränken.
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Beispiele
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Fünf Legierungen
für Kupfer,
Nickel und Silizium wurden für
Untersuchungen ausgewählt
und sind in Tabelle I als Legierungen mit den Nummern 1, 2, 3, C18000
und C18200 gezeigt. Die Zusammensetzung jeder dieser Legierungen
ist unten in Tabelle I dargelegt.
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Die
Legierungen 1 und 2, die eine feine Zellstruktur von 5 bis 250 μm aufweisen,
arbeiten außerordentlich
gut. Sie sind zweiphasige Legierungen mit kupferreichen Regionen,
die von einem Netzwerk einer Nickel-Silizid-Phase umgeben sind.
Die Leistung des Abschrecklegierungssubstrats 2 ist vergleichbar
mit derjenigen der Cu-2Gew.%Be-Legierung. Diese sind in den 3 bis 5 gezeigt.
Die Legierung 3 ist eine einphasige Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung
und nutzt sich schnell mit einer Haltbarkeit von weniger als 12%
ab. Sie bildet "Krater" aus, wodurch die
Abschreckoberfläche
leicht degeneriert. C18000 ist eine einphasige Legierung ähnlich zu
der Legierung 3 und degeneriert aufgrund des niedrigen Nickel- und
Siliziumgehalts sogar noch mehr als die Legierung 3. Sie weist eine
Degradation innerhalb von 6% der Gießzeit der Legierung 2 auf. C18200
enthält
kein Nickel und zeigt die schlechteste Leistung in der Serie. C18200
offenbart eine Degradation der Abschreckoberfläche innerhalb von weniger als
2% der Gießzeit
der Legierung 2.
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Nachdem
die Erfindung sehr ausführlich
beschrieben wurde, ist es klar, dass man sich an solche Details
nicht strikt zu halten hat, sondern dass zusätzliche Veränderungen und Modifikationen
für den
Fachmann nahe liegend sind, wobei alle diese Veränderungen und Modifikationen
in den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert
ist.
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Zusammenfassung
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Ein
Kupfer-Nickel-Silizium-Abschrecksubstrat verfestigt eine geschmolzene
Legierung schnell in einen mikrokristallinen oder amorphen Streifen.
Das Substrat ist aus einer thermisch leitfähigen Legierung zusammengesetzt.
Es hat eine zweiphasige Mikrostruktur mit kupferreichen Phasen,
die von einem Netzwerk aus Nickel-Silizid-Phasen umgeben sind. Die
Mikrostruktur ist im Wesentlichen homogen. Das Gießen eines Streifens
wird mit minimaler Degradation der Oberfläche über die Gießzeit bewerkstelligt. Die Menge
des Materials, das während
jedes Laufes gegossen wird, wird verbessert ohne die Toxizität, die mit
Kupfer-Beryllium-Substraten verbunden ist.
(1 für die Zusammenfassung)
