DE2606581B2

DE2606581B2 - Verfahren zum Stranggießen eines Metallegierungsfadens und Verwendung von Metallegierungen hierfür

Info

Publication number: DE2606581B2
Application number: DE2606581A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Walnut Creek Calif. Cline; Lance Alan Morristown N.J. Davis; Donald Edward Boston Mass. Polk; Ranjan Morristown N.J. Ray
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1975-02-24
Filing date: 1976-02-19
Publication date: 1980-10-23
Also published as: FR2301605A1; SE7601620L; CA1068470A; US4154283A; IT1057199B; JPS51109221A; JPS5722661B2; GB1540772A; DE2606581C3; GB1540771A; DE2606581A1; FR2301605B1; SE446437B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stranggießen eines Metallegierungsfadens, der zu wenigstens 50% amorph ist, durch Abschrecken einer geschmolzenen Metallegierung auf einer sich drehenden Abkühlfläche.

Ein solches Stranggießverfahren ist beispielsweise in den US-PS 28 25 108,28 86 866 und 28 99 728 und in der DE-OS 23 64 131 beschrieben. Bei diesen Verfahren erfolgt das Abschrecken in Luft bei Atmosphärendruck. Aus der DE-OS 23 64 131 ist es auch bekannt, amorphe Legierungen durch Vakuumschnellverdampfung zu erhalten, die aber eine ganz andere Verfahrenstype darstellt und nicht zu Legierungsfäden führt. Amorphe Metallegierungen werden durch Abkühlen der Schmelze mit einer Geschwindigkeit von etwa 10⁵ bis 10⁶°C/Sek. gebildet.

Bei diesem Verfahren fand man, daß die Oberfläche des Fadens, die in Berührung mit der Kühlfläche stand, eine stärkere Oberflächenrauheit als die Kühlfläche besitzt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, die mechanischen Eigenschaften von nach dem Stranggießverfahren hergestellten Metalllegierungsfäden zu verbessern.

Die Aufgabe wird dadurch gelös

A*it\ tr»

eingangs geschilderten Verfahren das Abschrecken bei einem absoluten Druck von nicht mehr aU 55 mm Hg erfolgt
Es ist möglich, Metallfäden als Strang zu gießen, die total amorph sind oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und kristallinen Zustandes sind. Der Ausdruck amorph, wie er hier verwendet wird, meint daher Legierungen, die zu wenigstens 50% und vorzugsweise zu wenigstens 80% amorph sind.

Der Ausdruck Faden bedeutet hier jeden dünnen Metallkörper, dessen Querabmessungen wesentlich kleiner als seine Länge sind. Solche als Fäden bezeichneten Stränge können daher Bänder oder Drähte sein oder unregelmäßigen Querschnitt besitzen.

Vorzugsweise erfolgt das Abschrecken bei einem absoluten Druck im Bereich von 0,1 bis 10 mm Hg. Als Folge des Gießens bei einem absoluten Druck von nicht mehr als 55 mm Hg bildet die Fadenoberfläche in Berührung mit dem Abkühlrad oder der Abkühlwalze eine genauere Nachbildung der Abkühioberfläche und führt so zu einer Verminderung einer Bildung von Vertiefungen oder Blasen auf der Fadenoberfläche und von entsprechenden Oberflächenunregelmäßigkeiten. Überraschenderweise wird auf diese Weise die Zugfestigkeit einer Legierung wesentlich gegenüber der gleichen Legierung, wenn diese in Luft siranggegossen wurde, erhöht. Außerdem sind reaktive Legierungen, wie jene, die hohe Mengen an Eisen enthalten und die nur mit Schwierigkeit in Luft geformt werden können, im Vakuum leicht formbar, ohne daß Probleme auftreten, die mit Oxidation bzw. verbunden sind.

Die starke Oberflächenrauheit der Legierungsfäden, die bei Atmosphärendruck abgeschreckt wurden, beruht auf dem Vorhandensein von Vertiefungen auf dieser Oberfläche. So bildet die Oberfläche nicht genau eine Nachbildung der Kühlfläche, da nur ein Teil der Oberfläche des Fadens in Berührung mit der Kühlfläche steht. Folglich bekommt man eine verminderte Kühlgeschwindigkeit für jene Teile der Oberfläche, die nicht wirklich in Berührung mit der Kühlfläche stehen, was zu einem größeren Kristallinitätsgrad und somit zu einer Erhöhung der Brüchigkeit führt. Außerdem können im Falle sehr dünner Fäden (etwa 0,025 mm) die Vertiefungen einen merklichen Anteil der makroskopischen Dicke des Fadens ausmachen.

Diese Vertiefungen beruhen offenbar auf dem Einschluß von Gas aus der umgebenden Atmosphäre zwischen der sich drehenden Kühlfläche und der Metallschmelze. Gemäß der Erfindung werden grobe Oberflächenunregelmäßigkeiten von Metallfäden, die auf einem rotierenden Zylinder gegossen wurden, im wesentlichen ausgeschaltet.

Eine Apparatur, die bei dem Verfahren der Erfindung brauchbar ist, besitzt einen Schmelztiegel, der mit Heizeinrichtungen versehen ist und zur Aufnahme der geschmolzenen Metallegierungen bestimmt ist, eine Vakuumkammer mit Einrichtungen zur Erzeugung von Unterdruck, einen drehbaren Abkühlzylinder innerhalb der Vakuumkammer und Einrichtungen zum Ausstoßen

μ eines Stromes der geschmolzenen Metallegierung auf den drehbaren Abkühlzylinder.

In der Zeichnung ist eine Apparatur zum Stranggießen eines Metallegierungsfadens gemäß der Erfindung gezeigt. Diese Apparatur hat eine Vakuumkammer Π und einen drehbaren Zylinder 12 auf einer Welle. Der Zylinder wird mit Hilfe eines Motors angetrieben. Die Vakuumkammer besteht bequemerweise aus rostfreiem Stahl und ist über eine öffnung 16 mit einer nicht

gezeigten Vakuumpumpe ausreichender Kapazität verbunden, um einen Druck von etwa 10—⁴ um Hg zu bekommen. Der drehbare Zylinder 12 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer. Er kann gegebenenfalls durch geeignete Kühleinrichtungen, wie mit zirkulierendem Kühlwasser, gekühlt werden. Der Motor besitzt veränderliche Geschwindigkeit, um die Rotationsgeschwindigkeit des Zylinders 12 auf einen erwünschten Wert einzustellen.

Ein Schmelztiegel 17, der von einer Induktionswicklung 18 umgeben ist, ist so in dem Ansatzstutzen 19 angeordnet, daß sich seine öffnung 20 in der Vakuumkammer 11 befindet Der Schmelztiegel besteht aus einem geeigneten nichtreagierenden Werkstoff, wie geschmolzenem oder gesintertem Quarz, Bornitrid, Tonerde, Zirkonoxid oder Berylliumoxid. Die Induktionswicklung ist mit einer geeigneten, nicht gezeigten stromquelle verbunden.

Fäden werden durch Schmelzen einer Metallegierung in dem Schmelztiegel und Ausstoßen der Schmelze durch die öffnung 20 im Boden des Schmelztiegels durch Überdruck eines inerten Gases, wie Argon, welches oben auf die Schmelze aufgedrückt wird, stranggegossen. Das inerte Gas wird durch Ventil 21 oben auf die Schmelze gedrückt und zwingt einen Strom der Schmelze auf die Oberfläche 12a des rotierenden Zylinders.

Der Druck im Inneren der Vakuumkammer nach einem anfänglichen Herabpumpen auf beispielsweise 10~⁴ μπι Hg wird durch Einlassen des inerten Gases, wie Argon, durch das Ventil 21 eingestellt. Ein nicht gezeigtes Umgehungsventil in der Vorrichtung 22 ermöglicht es, das inerte Gas entweder in die Vakuumkammer oder oberhalb der Schmelze einzuführen.

Bei Verminderung des Druckes in der Vakuumkammer nimmt die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit des Fadens zu, so daß eine wesentliche Verbesserung bei Teilvakuumdrücken von etwa 55 mm Hg und weniger erreicht wird. Von einem Druck von etwa ΙΟΟμίη bis ΙΟ-⁴ μηι Hg beobachtet man keine wesentliche weitere Verbesserung. Der Vakuumdruckbereich von 0,1 mm bis 10 mm Hg ist relativ leicht mit herkömmlichen Einrichtungen zu erreichen, und im Hinblick auf die erhaltene Verbesserung bei Verwendung eines Vakuumdruckes geringer als etwa 10 mm Hg ist der bevorzugte Bereich etwa 0,1 bis 10 mm Hg.

Überraschenderweise sind auch die mechanischen Eigenschaften amorpher Legierungen, die nach der Erfindung hergestellt wurden, stark verbessert. Beispielsweise hat die Legierung

Fe₂₉Ni₄₉PnB₆Al₂

eine Zugfestigkeit von 19 686 kg/cm² beim Gießen in Luft bei 1 Atmosphäre und von 21 795 kg/cm² beim Gießen in einem Vakuum von 0,1 mm Hg. Die Legierung

hat eine Zugfestigkeit von 17 577 kg/cm² beim Gießen in Luft bei 1 Atmosphäre und von 24 608 kg/cm² beim Gießen in einem Vakuum von 0,1 mm Hg.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren günstigerweise verwendete Legierungen haben die Zusammensetzung XaYi* worin X wenigstens ein Übergangsmetall und vorzugsweise Vanadin, Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Chrom bedeutet, Y wenigstens eines der Elemente Aluminium, A.ntirriQi!, Ber^vl!ium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn und vorzugsweise Aluminium, Bor. Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor bedeutet, a ür Bereich von 70 bis 57, vorzugsweise im Bereich von 75 bis 85 Atom-% liegt und b im Bereich von 13 bis 30, vorzugsweise im Bereich

von 15 bis 25 Atom-% liegt Ein Übergangsmetall ist dabei ein Element in den Gruppen IB bis VIIB und VIII des Periodensystems der Elemente,

Durch ein Stranggießen in einem Vakuum gemäß der Erfindung sind bestimmte Klassen amorpher Metalllegierungen, wie Zusammensetzungen mit hohem Eisengehalt, wesentlich leichter herzustellen als in Luft Daher werden derartige Legierungen zweckmäßig im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet. Typischerweise bestehen solche amorphen Legierungen mit hohem Eisengehalt im wesentlichen aus etwa 75 bis 85 Atom-% Eisen, etwa 12 bis 15 Atom-% Bor, etwa 5 bis 7 Atom-% Kohlenstoff, etwa 2 bis 4 Atom-% Silicium und etwa 1 bis 2 Atom-% Aluminium. Beispielsweise neigt die Legierung

Fe₇₇Bi₅C₅Si]Al₂

dazu, in Luft zu oxidieren, läßt sich nur mit Schwierigkeit amorph bekommen und ist dann allgemein brüchig. In einem Vakuum nach der Erfindung stranggegossen ist die gleiche Legierung beim Biegen duktil und kann fortgesetzter Deformation ohne Bruch widerstehen. Solche Legierungen mit hohem Eisengehalt sind sehr fest und besitzen hohe Zugfestigkeit nahe 35 154 kg/cm².

Wenn in diesen amorphen Legierungen 10 bis 15 Atom-% Eisen durch Chrom ersetzt werden, wächst deren Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit noch.

Beispiel 1

Ein Band aus amorphem FeMNi^PuBöAb wurde in der Weise hergestellt, daß man die Schmelze (bei etwa 950⁰C) unter einen Druck von etwa 0,49 kg/cm² setzte.

Die Stranggießdüse besaß eine öffnung von 0,38 mm im Boden einer Quarzröhre. Der Strang traf auf die Außenfläche eines Kupferzylinders (Durchmesser etwa 457 mm), der sich mit etwa 1000 U/Min, drehte und vorher mit Sandpapier geschmirgelt worden war. Ein so bei Atmosphärendruck unterhalb der Stranggießdüse erhaltenes Band zeigte Vertiefungen in seiner Oberfläche, während ein bei einem Druck unterhalb der Stranggießdüse unter 55 mm Hg hergestelltes Band eine Nachbildung der Oberfläche des Zylinders zeigte.

Beispiel 2

Es wurde eine Apparatur wie die gebaut, die in der Zeichnung gezeigt ist. Der rotierende Zylinder bestand aus Kupfer, hatte einen Durchmesser von etwa 203 mm und eine Breite von etwa 38 mm. Die Vakuumkammer besaß einen Innendurchmesser von 305 mm, eine Länge von 254 mm und bestand aus einem Zylinder aus rostfreiem Stahl mit zwei Seitenöffnungen an beiden Enden. Ein 102-mm-Diffusionspumpsystem wurde verwendet, um die Vakuumkammer zu evakuieren. Eine Induktionsstromquelle mit 10 kW und 5OkHz wurde verwendet, um die Metallegierungen zu schmelzen. Amorphe Metallegierungsbänder wurden durch Schmelzen von etwa 10 g der Legierung in einem

t>5 inerten Schmelztiegel hergestellt. Die Schmelze stand unter Überdruck von Argon. Eine Stranggießdüse am Boden des Schmelztiegels maß etwa 1 mm. Der Kupferzylinder wurde mit einer Geschwindigkeit von

etwa 1500 bis 2000 U/min, gedreht. Das Stranggießen erfolgte im Vakuum bei einem Druck von etwa 10"⁷ mm Hg unter Verwendung von Argongas. In der nachfolgenden Tabelle I sind die bei der Herstellung von Metallegierungsbändern nach der Erfindung verwendeten Zusammensetzungen angegeben, und außerden sind die Zugfestigkeiten (kg/cm²), die Kxistallisations temperatur (⁰C) und die Härten (DPH) der Bändei angegeben.

Tabelle 1

Mechanische und thermische Eigenschaften von Bändern aus amorphen Metallegierungen

Zusammensetzungen	Zugfestigkeit	Kristallisalionstemp.	Härte
	kg/cm²	C	(DPH)
c~ D γ c: *l ι >-77U\|5\-5Oi\|rn2	34 169	510,529	1044
Fe₆₆Cr₁₂B₁₅C₅Si₂	30513	550	1097
Fe₆₀Cr₁₈Bi₅C₅Si₂	30 794	578	1110
Fe₂₈Ni₃₀Co₂₀B₁₆Si₄Al₂	23 763	479, 520	-
Fe₂₈Ni₂₈Co₂₀B₁₈C₂Si₂Al₂	22 498	490	-

In der Tabelle II ist die Wirkung eines Stranggießens von Bändern bei verschiedenen Drücken in der Vakuumkammer auf die Zugfestigkeit einer speziellen

amorphen Metallegierung gezeigt Es ist ersichtlich, daO die Verwendung eines Druckes unter 55 mm Hg zi verbesserter Festigkeit führt.

Tabelle II	Vakuumkammer	Zugfestigkeit
	druck
Zugfestigkeit als Funktion des Druckes	(mm Hg)	(kg/cm²)
Zusammensetzung	190	18280
	100	27420
(Atom-%)	55	28 826
Fe₂₅Ni₂₅Co₂₀CrI₀B₂₀	10	31638
	0,2	36560
	Blatt Zeichnungen


Hierzu 1

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Stranggießen eines Metallegierungsfadens, der zu wenigstens 50% amorph ist, durch Abschrecken einer geschmolzenen Metalllegierung auf einer sich drehenden Abkühlfläche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschrecken bei einem absoluten Druck von nicht mehr als 55 mm Hg erfolgt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem absoluten Druck im Bereich von 0,1 bis 10 mm Hg arbeitet

3. Verwendung einer Metallegierung in dem Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die Metallegierung die Zusammensetzung X₁₁Y* hat, worin X wenigstens ein Obergangsmetall und Y wenigstens eines der Elemente Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn bedeutet, a im Bereich von 70 bis 87 Atom-% und b im Bereich von 13 bis 30 Atom-% liegt

4. Verwendung einer Metallegierung nach Anspruch 3, wobei in der Formel der Metallegierung X wenigstens eines der Elemente Vanadan, Eisen, Kobalt, Nickel und Chorm und Y wenigstens eines der Elemente Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Phosphor und Silicium bedeutet, a im Bereich von 75 bis 85 Atom-% und b im Bereich von 15 bis 25 Atom-% liegt.

5. Verwendung einer Metallegierung nach Anspruch 3 und 4, wobei die Metallegierung im wesentlichen aus 75 bis 85 Atom,-% Eisen, 12 bis 15 Atom-% Bor, 5 bis 7 Atom-% Kohlenstoff, 2 bis 4 Atom-% Silicium und 1 bis 2 Atom-% Aluminium besteht.

6. Verwendung einer Metallegierung nach Anspruch 5, wobei in der Metallegierung 10 bis 15 Atom-% Eisen durch Chrom ersetzt sind.