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Verfahren und Vorrichtung zum Gießen
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glasartiger Fäden aus Metallegierungen Die Erfindung betrifft ein
System für das Gießen von Metalllegierungen auf sich bewegenden Abschreckunterlagen,
um zusammenhängende glasartige Fäden mit im wesentlichen gleichmäßigen Abmessungen
zu erzeugen. Um glasartige Metallegierungen zu erhalten, ist es wichtig, eine geschmolzene
Metallegierung schnell zum festen Zustand abzuschrecken. Dies kann erreicht werden,
indem man einen Strom der geschmolzenen Legierung durch eine Düse ausstößt und diesen
Strom auf einer sich schnell bewegenden Abschreckunterlage, wie einem Abschreckrad,
schnell abkühlt. Veränderungen in der relativen Stellung von Unterlagenoberfläche
und Düse, die beispielsweise durch fehlende Rundheit einer Abschreckwalze, Veränderung
der Walzenabmessungen oder Unregelmäßigkeiten in der Walzen- oder Transportbanddicke
verursacht wurden, können den Abstand zwischen der Düse und der Unterlagenoberfläche
verändern. Infolge der Größe des Abschreckrades mit einem Durchmesser zwischen etwa
0,2 und 2 m treten Fluktuationen im Abstand zwischen der Düse und dem Rad während
der schnellen Rotation auf. Solche Fluktuationen führen zu Veränderungen in der
Breite und Dicke des glasartigen Metallfadens, und dies führt seinerseits dazu,
daß das Produkt ungleichmäßig ist.
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Die Erfindung betrifft eine Apparatur für das Gießen gleichmäßiger
bzw. gleichförmigen glasartiger Fäden aus Metallegierung. Ein Behälter enthält geschmolzene
Metallegierung, die als ein Strom durch eine mit dem Behälter verbundene Düse ausgestoßen
wird. Der Strom wird von einer sich bewegenden Abschreckunterlage aufgenommen und
schnell zu einem glasartigen Zustand abgekühlt. Ein Abstandshalter ist vorgesehen,
um einen im wesentlichen konstanten Abstand zwischen der Düse und der sich bewegenden
Abschreckunterlage aufrechtzuerhalten.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Gießen glasartiger
Fäden von Metallegierungen. Ein Strom einer geschmolzenen Metallegierung wird aus
einem Behälter durch eine Düse auf eine sich bewegende Abschreckunterlage mit einem
im wesentlichen konstanten Abstand von der Düse ausgestoßen.
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Der Strom von geschmolzener Metallegierung wird schnell abgeschreckt,
wenn er von der sich bewegenden Abschreckunterlage aufgenommen wird.
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Ein Behälter mit einer oder mehreren Düsen enthält eine geschmolzene
glasbildende Metallegierung. Wenn mehrere Düsen vorgesehen sind, können diese gleiche
oder unterschiedliche Querschnittsformen, wie runde oder schlitzförmige Formen haben.
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Die Düse oder ein Teil der Düsenumrißlinie kann aus Materialien, wie
Keramik, bestehen, wie aus Tonerde, Magnesia oder Quarz. Die Größe der Düse kann
zwischen etwa 0,25 mm x 0,25 mm und 2,5 mm x 15 mm liegen. Der Durchmesser der Düsenöffnung
kann
zwischen etwa 0,25 mm und 2,5 mm liegen. Die Düsenöffnung kann Querschnittsformen,
wie eine runde, quadratische oder Wellenlinienform haben.
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Geschmolzene Legierung wird kontinuierlich aus einem Zufuhrlagerbehälter
in den Behälter eingespeist und durch eine Düse auf eine sich bewegende Abschreckunterlage
ausgestoßen.
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Der Abstand zwischen der Düse und der Abschreckunterlage wird im wesentlichen
konstant gehalten, indem man den Behälter mit einer Abstandshaltereinrichtung, wie
einem festen Teil, Walzen, Kugeln oder einem Luftkissen, welches die sich bewegende
Unterlage berührt, abstützt (der Behälter kann auf einem festen Teil befestigt sein,
wie einem Gießblock aus geeignetem hitzebeständigem und hitzeschockbeständigem Material;
beispielsweise kann der Gießblock aus einem Metall, wie Aluminium oder rostfreiem
Stahl, bestehen).
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Die Abstandshaltereinrichtung, die den Behälter unterstützt, kann
eine oder mehrere Walzen und/oder Kugeln umfassen, die eine oder mehrere Trägeroberflächen
ergeben. Vorzugsweise wird eine Anzahl zwischen etwa einer und vier Walzen verwendet.
Die Walzen sind vorzugsweise von dem Typ, der abnutzungsbeständig ist und der das
Unterlagematerial nicht verletzt.
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Die beste Ausführungsform nach der Erfindung verwendet Walzen oder
Rollen.
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Das feste Teil kann an den Umriß der sich bewegenden Unterlage angepaßt
sein. Die Oberfläche der festen Struktur, die die sich bewegende Unterlage berührt,
kann aus sich gering abnutzenden Materialien, wie Tonerdefaserblöcken, bestehen.
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Ein Schmiermittel kann vorgesehen sein, das die Reibung zwischen den
Oberflächen vermindert.
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Stattdessen kann ein festes Teil, wie ein Fuß, verwendet werden, das
Druckgasauslaßleitungen hat, um ein Luftkissen zu ergeben. Ein Gas film trennt den
Fuß von der Oberfläche der sich bewegenden Unterlage. Bevorzugte Gase sind beispielsweise
Stickstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid und Luft.
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Der Druck des Gases sollte im Bereich zwischen etwa 0,0014 kg/mm2
und 0,0175 kg/mm2 und vorzugsweise zwischen etwa 2 0,0035 kg/mm2 und 0,01 kg/mm2
liegen.
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Die Gasauslässe liegen vorzugsweise in dem Fuß gleichmäßig verteilt,
wie in einem Sieb.
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Der Druchmesser der Gasauslässe ist vorzugsweise zwischen etwa 1 mm
und etwa 10 mm, doch sind kleine und zahlreiche Auslaßöffnungen bevorzugt.
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Ein anderes Mittel, den erwünschten Abstand zwischen Düse und Substrat
zu bekommen, kann das der Verwendung eines Abstandshalters sein, der an dem Behälter
befestigt ist und nicht notwendigerweise diesen Behälter abstützt und der eine flexible
transportbandartige Unterlage berührt, was zur Folge hat, daß der Weg dieses Transportbandes
einen gesteuerten Abstand zu der Düse erhält.
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Einrichtungen für die vertikale Bewegung des Behälters können aus
einem oder mehreren linearen Lagern, Drehgelenken oder Konstruktionen aus flexiblen
Blättern oder anderen geeigneten Mechanismen bestehen.
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Die sich bewegende Abschreckunterlage kann ein Rad, eine Walze oder
Rolle, ein endloses Band, ein diskontinuierlicher Boden oder eine monolithische
Masse sein. Die Walze oder Rolle kann aus wärmeleitenden Metallen, wie Kupfer, Beryllium,
Beryllium-Kupfer, Molybdän, verschromtem Metall oder rostfreiem Stahl bestehen.
Ein endloses Band kann aus Metall, wie Kupfer und rostfreiem Stahl, bestehen. Die
Geschwindigkeit der sich bewegenden Unterlage kann zwischen etwa 2 m/Sek und 40
m/Sek. liegen und ist vorzugsweise 10 bis 30 m/Sek.
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Die Reibung zwischen der Oberfläche des festen Teiles und der sich
bewegenden Unterlage wird niedrig gehalten, indem man geeignete Materialien verwendet.
In einem Fall, wo ein festes Behälterstützteil verwendet wird, ist dieses Teil an
seiner Unterseite in der Form an die Oberfläche der sich bewegenden Unterlage angepaßt,
und das Teil besteht aus einem Material, das keinen Abrieb auf die Unterlage ausübt
und von der Unterlage, wie geschmiertem Stahl, nicht abgerieben wird. Eine solche
Struktur kann bezüglich der Düse und der Unterlagenoberfläche derart angeordnet
sein, daß sie nicht in Berührung mit dem geschmolzenen Metall kommt, so daß sie
nicht die hitzebeständigen Eigenschaften der Düse oder des Behälters haben muß.
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Im Falle, wo das feste Teil in direkter Berührung mit der Radoberfläche
steht, ist es möglich, den Block in seiner profilierten Unterseite mit einem oberflächenbildenden
Material zu versehen, das im wesentlichen keinen Abrieb auf das Rad ausübt und auch
von dem Rad nicht abgerieben wird. Ein solches
Material kann auf
der Unterseite des festen Teils derart angeordnet werden, daß es den Block unterstützt,
ohne in Berührung mit dem geschmolzenen Metall zu kommen. Somit braucht es nicht
die hitzebeständigen Eigenschaften der Düse oder des Vorratsbehälters zu haben.
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Je nach der Verfahrenstechnik kann der Abstand der Düse zu der Unterlage
zwischen 0,5 und 10 mm betragen. Die Lage der Düsenöffnung in Relation zu der Radoberfläche
wird durch die dem Block und einem Stützteil eigene Geometrie bestimmt, da das Rad
den Block und irgendein Stützteil konstant unterstützt.
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Ein Fluß der geschmolzenen Metallegierung wird durch die Größe und
Form der Düsenöffnung und den Abstand von der Düse zu dem Rad beeinflußt, und diese
Merkmale sind konstant, da sie in die Blockgeometrie eingebaut werden. Der Fluß
wird auch durch den Spiegel der Schmelze in dem Vorratsbehälter, d.h. durch den
Druck und durch die Radgeschwindigkeit beeinflußt, und diese Merkmale können auf
konstante Werte eingestellt werden. Die Fließgeschwindigkeiten liegen bei etwa 90
g/Sek. je Zentimeter Bandbreite und vorzugsweise zwischen etwa 20 g/Sek. und 300
g/Sek.
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Der Druck auf die Schmelze kann zwischen etwa 0,00035 kg/mm2 und 0,007
kg/mm2 liegen.
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Geschmolzene Legierungen, die in der Erfindung brauchbar sind, sind
beispielsweise Legierungen, die glasartige Phasen beim raschen Abschrecken bilden.
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Das geschmolzene Metall fließt aus dem Vorratsbehälter durch die Düse
auf die Unterlagenoberfläche, wobei das Metall durch die Düse und die Unterlagenoberfläche
zu der erwünschten Gestalt geformt wird, und wird zu einem sich verfestigenden Faden
gegossen. Der Faden haftet zeitweilig an der Unterlagenoberfläche an, doch die Wärmekontraktion
des Fadens und die Zentrifugalkraft bewirken, daß der Faden kurz hinter der Düse
von der Unterlagenoberfläche abhebt.
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Während des Gießens kann die Schmelze in dem Behälter auf einem konstanten
Spiegel gehalten werden, indem man jenen Spiegel abfühlt und entsprechend die Austraggeschwindigkeit
aus dem Zuführvorratsbehälter in den Behälter mit der Düse steuert. Der Block kann
auch mit einem Überlaufsystem versehen werden, um zu gewährleisten, daß ein konstanter
Spiegel der Schmelze in dem Vorratsbehälter während des Gießens aufrechterhalten
wird. Der konstante Spiegel ergibt den erforderlichen konstanten Gießdruck (metallostatischen
Druck) an der Düse.
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Die Erfindung kann auf verschiedene Typen von Gießverfahren angewendet
werden, wie beispielsweise auf das Gießen mit einer Düse, das Gießen mit ebenem
Fluß oder auf das Ziehgießen, die sich hinsichtlich der Düsengestaltungen und ihrer
Verhältnisse zu den sich bewegenden Unterlagen unterscheiden. Außerdem kann die
Erfindung in einer nicht durch die Prinzipien eines dieser bekannten Gießverfahren
beschränkten Weise benutzt werden.
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Verglichen mit anderen Streifengießmethoden, wie Gießen mit einem
Düsenstrahl, Gießen mit einem ebenen Fluß oder Ziehgießen
usw.,
hat diese Technik, die in ihrer vollen Breite auf irgendeine dieser Methoden angewendet
werden kann, auch die folgenden Vorteile: Der Abstand zwischen der Düse und der
Unterlage wird in dem Behälter und ein mit dem Behälter in Verbindung stehendes
starres Teil eingebaut und braucht vor dem Gießen oder während des Gießens nicht
eingestellt zu werden.
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Das System wird nicht durch die Ausdehnung der Unterlage beeinflußt,
d.h. das System ist unempfindlich gegen die Ausdehnung oder Kontraktion der Unterlage,
da der Behälter und das ihn abstützende oder mit ihm in Verbindung stehende Teil
die Unterlage jederzeit berühren.
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Das System ist relativ unempfindlich gegen kleine Exzentrizitäten
oder allmähliche Unregelmäßigkeiten der Unterlagen.
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Der die Düse enthaltende Behälter kann relativ klein und billig sein
und ist ein von dem massiven Ofen, der das Metall abgibt, getrenntes Teil. Somit
kann die Kombination von Behälter und Düse als ein austauschbares oder verbrauchbares
Teil angesehen werden und leicht in irgendeiner Stufe des Gießens ausgetauscht werden,
indem man den Fluß aus dem Zulieferofen anhält und einen anderen Behälter in dem
System installiert.
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Da die Öffnung nicht an dem relativ schweren Zulieferofen, der die
Schmelze enthält, angebracht ist, kann der Ofen auf einem starren Träger getrennt
von den Strukturen befestigt sein, welche den Behälter oder die sich bewegende Unterlage
tragen. Folglich beeinflussen Veränderungen der Lage des
Zulieferofens
über einen breiten Bereich das Verfahren nicht.
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Das System nach der Erfindung erfordert keinen äußeren Druck über
der Schmelze. Die Bewegung der Unterlage, das durch den Spiegel der Schmelze in
dem Behälter erzeugte Druckgefälle, bewirken, daß die Schmelz ausfließt und einen
Streifen bildet.
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Gemäß der Erfindung könnte das System leicht so eingerichtet werden,
daß man Veränderungen in der Bandproduktgeometrie bekommt, da der Behälter und die
Abstandshalteranordnung, die die Düse enthält, unabhängig von dem Zulieferofen ist.
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Somit wäre eine Veränderung an dem Ofen, der die zuzuliefernde Schmelze
enthält, erforderlich.
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Da der Behälter als eine Fördereinrichtung arbeitet, durch welche
Schmelze überführt wird, kann diese kontinuierlich zugeführt werden, indem man mehr
als einen Zulieferofen für Schmelze verwendet.
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Veränderung des Spiegels der Schmelze, d.h. Verarmung an Beschickung
in dem Zulieferofen für Schmelze während des Gießens beeinfluß den Gießdruck an
der Düse nicht.
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Wegen der oben erwähnten Merkmale bietet sich das System leicht für
kontinuierliche Beschickung und kontunierliches Gießen an.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Schmelztiegel 10 gezeigt, der eine
geschmolzene Metallegierung 12 enthält. der Schmelztiegel wird von einem Gießblockträger
14 getragen, der an einem Rahmen 16 befestigt ist. Der Rahmen wird in seiner Stellung
von
einer Walze 18 mit einer Achse 20 gehalten, die in dem Rahmen 16 ruht. Die Walze
18 ruht auf dem Umfang 22 eines sich schnell bewegenden Abschreckgießrades und sorgt
für eine konstante relative Position des Radumfanges 22 und des Rahmens 16 zueinander.
Ein vertikales lineares Lager 24 ist an dem Rahmen 16 befestigt. Ein stationärer
Arm 26 ist entlang dem linearen oder geradlinigen Lager 24 bewegbar. Der stationäre
Arm kann verwendet werden, um die Anordnung für das geschmolzene Metall zu halten
und von dem Gießradumfang zu entfernen. Eine Düse 28 mit einer Öffnung 30 ist am
Boden des Schmelztiegels befestigt, um einen Strom von geschmolzenem Metall auf
die Oberfläche des Gießrades abzugeben.
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Die mechanische Verbindung zwischen der Walze 18 und der Düse 28 zusammen
mit der Berührung der Walze 18 mit dem Gießradumfang 22 ergibt einen im wesentlichen
konstanten Abstand zwischen der Düsenöffnung 30 und dem Gießradumfang 22.
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In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung gezeigt, worin
ein Luftträgerfilm einen im wesentlichen konstanten Abstand der Düse 42 von dem
Radumfang 44 ergibt. Die Düse 42 ist an dem unteren Ende eines Schmelztiegels 46
befestigt, der geschmolzene Metallegierung 48 enthält. Der Schmelztiegel 46 wird
von einem Gießblockträger 50 getragen, an dem ein Arm 52 befestigt ist. Der Arm
52 umfaßt geradlinige bzw. lineare Lager 54 und 56 für bewegbare Arme 58 und 60
eines stationären Trägers 62.
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Die Luftfilmträgereinrichtung 64 ist an dem Arm 52 über ein Trägerteil
66 befestigt. Die Luftfilmträgereinrichtung 64
enthält Hohlräume,
in deren Inneres Druckgas eingeführt wird.
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Die Seite der Luftfilmträgereinrichtung, die zu dem Gießradumfang
hin gerichtet ist, umfaßt eine Reihe von Öffnungen, die Gas gegen das Gießrad abgeben.
Das Gas tritt zwischen der Luftfilmstützeinrichtung und dem Gießradumfang aus und
sorgt für einen im wesentlichen konstanten Abstand der Düse 42 von dem Gießradumfang
44.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, worin der Schmelztiegel und der
Stützblock eine Gießeinheit 70 bilden, deren unterer Teil eine Düse 72 ist. Der
untere Teil der Gießeinheit 70, der von der Düse und einem gegossenen Faden abgelegen
ist, ist so geformt, daß er der Kontur 74 des Gießrades folgt. Die Gießeinheit ist
in gleitendem Kontakt mit dem sich schnell drehenden Gießrad und ergibt so einen
im wesentlichen konstanten Abstand zwischen der Düse und dem Gießrad.
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Beispiel 1 Ein festes Schlittenteil wurde auf drei Walzen oder Rollen
mit hoher Geschwindigkeit befestigt, die auf einer Kupfer gießradoberfläche ruhten.
So war das feste Teil frei, sich mit irgendwelchen Exzentritäten in dem rotierenden
Kupferrad vertikal zu bewegen. Die äußeren Radgeschwindigkeiten lagen im Bereich
zwischen 14 und 16 m/Sek. Die Veränderung in dem "Spalt" wurde unter den folgenden
drei Bedingungen unter Verwendung eines kapazitiven Meßfühlers gemessen, um die
Lage der Düsenspitze anzugeben:
a) Der Meßfühler stationär oberhalb
des rotierenden Gießrades gehalten (Standard-PFC-Verhältnis), b) Meßfühler auf dem
festen Teil ohne Extrabelastung gehalten (festes Teil leer), c) Meßfühler auf dem
festen Teil mit 550 g Gewicht belastet (d.h. äquivalent dem Gewicht, das das feste
Teil unterstützt, wenn 25 mm breite Streifen gegossen werden).
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Alle drei Tests wurden mit einer Radgeschwindigkeit von 15,2 m/Sek.
durchgeführt.
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Die Ergebnisse der drei Versuche sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.
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Veränderung Anfängliche von Peak zu Spaltein- Peak in dem Gemessen
stellung n "Spalt" Spalt zwischen dem stationären Meßfühler und der Kupferradoberfläche
0,25 mm 0,0625 mm Spalt zwischen dem in dem Gleitblock befestigen Meßfühler und
der Radoberfläche (Gleitblockvorratsbehälter leer) 0,25 mm 0,0125 mm Spalt zwischen
dem in dem Gleitblock befestigten Meßfühler und der Radoberfläche (Gleitblock mit
550 g Gewicht) 80,25 mm 0,00625 m Diese Versuche wurden nicht während tatsächlichen
Gießens durchgeführt. So trat in diesen Versuchen die Ausdehnung des Rades infolge
des Temperaturanstieges nicht auf. Unter tatsächlichen Gießbedingungen kommt der
Effekt der Radausdehnung noch zu der beobachteten Veränderung des Spaltes zwischen
der stationären Düse und der Radoberfläche hinzu. Sie sollte
jedoch
keinen Effekt auf den Spalt haben, gemessen zwischen der in dem Gleitblock befestigten
Düse und dem Rad.
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Beispiel 2 Fortlaufende Streifen mit im wesentlichen gleichmäßigen
Abmessungen wurden in einer Reihe von Versuchen unter Verwendung einer Abwandlung
des Schlittensystems des Beispiels 1 hergestellt. Die glasbildende Legierung wurde
in einem Kieselsäureschmelztiegel mit 9 kg Kapazität und mit einer Düse an ihrem
unteren Ende geschmolzen. Der Kieselsäureschmelztiegel wurde direkt oberhalb eines
Behälters mit 0,9 kg Kapazität aus faseriger Tonerde angeordnet. Der Behälter wurde
in einem Experiment mit einem einzigen Kugellager mit hoher Geschwindigkeit und
in anderen Experimenten mit vier Kugellagern unterstützt.
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In beiden Fällen ruhten die Kugellager auf einer Unterlage, die aus
einem Kupferrad mit einem Durchmesser von 0,48 m bestand, welches mit konstanter
Geschwindigkeit im Bereich von 300 bis 600 U/Min. rotierte. Der Behälter und die
Kugellageranor(lnung waren frei, sich mit Isilfe zweier linearer oder geradliniger
Lager vertikal zu 1ewegen. Der Fluß von yeschmolzener Legierung während des Gießens
aus dem Zul iefervorrat sbehälter zu dem anderen Behälter wurde durch Verwendung
einer geeignet dimensionierten Düse in Kombination mit einer unter Druck stehenden
Gasatmosphäre iiller der Schmelze in dem Schmelztiegel gesteuert. Der Behälter (l-
warmit einer erse baren Tonerdedüse mit einer rechtwinkligen Öffnung von
5
mm x 0,5 mm versehen. Der Abstand zwischen der Düse und der Oberfläche des Kupferrades
wurde auf 0,2 bis 0,4 mm in verschiedenen Experimenten gehalten. Während des Gießens
wurde der Spiegel der Schmelze in dem Behälter konstant gehalten, indem der Fluß
aus dem Zulieferschmelztiegel in den Behälter eingestellt wurde. Je nach den erwünschten
Streifenabmessungen wurde eine konstante Schmelzenhöhe von 9 cm bis 27 cm entsprechend
metallostatischen Drücken von 0,06 bis 0,18 kg/cm2 während des Gießens in dem Behälter
gehalten. Fortlaufende Steifen wurden unter Verwendung zweier Legierungszusammensetzungen
hergestellt: 1. Ni 40Fe40P14B6 (Atom-%) 2. Ni45Co20Cr10Fe 5Mo4B16 (Atom-%) Die erste
Legierung wurde bei 12000C und die zweite Legie-° rung bei 1250 C gegossen. Nach
diesem Verfahren erzeugte Streifen zeigten geringere Abweichungen als 5 % in der
Dicke und weniger als 1 in der Breite.
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L e e r s e i t e