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Verfahren und Vorrichtung zum
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Stranggießen eines festen Metallstreifens
Verfahren
und Vorrichtung zum Stranggießen eines festen Me!tall.strei:Sens Die Erfindung betrifft
eine verbesserte Apparatur und Methiole zum kontinuierlichen StranggieBen von Metallstreifen
besonders von Streifen aus glasartigen Metalleglerungen.
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Nac 1 der Definition der vorliegenden Erfindung ist ein Streifen ein
schlanker Körper, dessen Querabmessungen viel geringer als seine Länge sind, wie
ein Draht, Band, Faden oder Bogen mit regelmäßigem oder unregelmäßigem Querschnitt.
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Für die Herstellung von Metallstreifen direkt aus dem geschnolzenen
Metall sind verschiedene Methoden bekannt. Beispielsweise kann geschmolzenes Metall
zwischen ein Paar sich schnell drehender Walzen getropft werden, die gegeneirander
unter Druck gehalten werden. Das Metall verfestigt sich, während es zwischen den
Walzen hindurchgeht, und bildet einen dünnen Streifen (H.S. Chen et al, Rev. Sci.
Instium. 41, Seite 1237, 1970).
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Eire andere Methode zum Stranggießen von Metallstreifen ist das Düsenstrahlgieß
en " , bei dem ein Strom von geschmolzezem Metall gegen eine sich bewegende Abschreckfläche
gerichtet wird, auf der er verfestigt wird. Diese Methode wurde von Strange und
Pim in der US-PS 905 758 beschrieben.
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In dem von Strange und Pim beschriebenen Verfahren wird
die
Abschreckfläche von einem sich drehenden Kühlrad gebildet. Dieses Verfahren kann
verwendet werden, um Streifen vieler der polykristallinen Metalle zu bilden, die
einen scharfen Schmelzpunkt besitzen, d.h. einen Ubergangsbereich von fest nach
flüssig von weniger als etwa 50 C. Glasartige Metalle mit einer amorphen Molekülstruktur
jedoch haben oftmals einen Übergangsbereich von etwa 4000 C oder mehr, über welchen
die Viskosität des Metalles allmählich ansteigt, bis die kritische Glasübergangstemperatur
erreicht ist, und es ist erforderlich, daß der Faden unter seine Glasübergangstemperatur
abgeschreckt wird, bevor er die Kühlfläche verläßt. Allgemein ist eine Aschreckgeschwindigkeit
von wenigstens 1040 C/Sek. bei der Verfestigungstemperatur erforderlich, um einen
Metallglasstreifen zu erhalten. Dies ist schwierig nach dem Verfahren von Strange
und Pim zu erreichen, da die Zentrifugalkraft dazu neigt, den Streifen vorzeitig
von dem Kühlrad wegzuschleudern. Außerdem variiert bei diesem Verfahren der Punkt
der Abgabe des Fadens von der Oberfläche des Külilrades,.
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so daß es schwierig ist, den Streifen aufzunehmen und zu einer geeigneten
Aufwickelvorrichtung zu führen.
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Mängel, die die Verweilzeit des Streifens auf der Oberfläche des Kühlrades
und Schwierigkeiten beim Aufnehmen des Streifens von einem variablen Abnahmepunkt
betreffen, werden durch die von Kavesh in der tJS-PS 3 856 074, von Bedell in der
US-PS 3 862 658 und von Carlson iJ1 der US-PS 4 202 404 beschriebenen Verfahren
beseitigt. Das Kavesh-Verfahren besteht darin, daß man einen auf der Außenfläche
eines
rotierenden Kühlrades gebildeten Streifen mit Hilfe von Klemmeinrichtungen zurückhält.
Das Bedell-Verfahren verlängert die Kontaktzeit zwischen dem Streifen und dem Kühlrad
durch Erzeugung einer Radialkraft gegen die Oberfläche des Kühlrades mit Hilfe von
Einrichtungen, wie Gasdüsen, sich bewegenden Metallbändern und rotierenden Rädern,
und das Carlson-Verfahren verwendet ein elastomeres "Andrückband".
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Diese Stranggießmethoden nach dem Stand der Technik ergeben eine Abkühlgeschwindigkeit,
die durch die Tatsache begrenzt ist, daß der verfestigte Streifen im wesentlichen
nur auf einer Seite abgekühlt wird, d.h. auf der Seite, die in Berührung mit der
Abkühlfläche steht. Die andere (obere") Seine wird nicht direkt gekühlt, entweder
weil sie nur bei ihrer Verfestigung in Berührung mit einer Kühl fläche steht (wiebei
der Doppelwalzenmethode nach Chen et al) oder weil sie mit einer Fläche in Berührung
steht, auf die nur relativ wenig Wärme übertragen wird (wie in den "Rückhaltemeth9den"
von Kavesh, Bedell und Carlson).
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Im Vergleich mit den Methoden nach dem Stand der Technik könnte eine
Methode zur Entfernung von Wärme von der oberen Fläche eines stranggegossenen Metallstreifens,
während er ab<ieschreckt wird, erwünschtermaßen höhere Abschreckgeschwindigkeiten
ergeben. Alternativ könnte eine solche Methode die gleiche Abschreckgeschwindigkeit
liefern, während man andere Parameter modifizieren könnte, indem man beispielsweise
eine geringere Geschwindigkeit der Kühl fläche wählt oder einen dickeren oder breiten
Streifen herstellt.
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Gemäß der Erfindung bekommt man eine verbesserte Apparatur zur Erzeugung
eines festen Metallstreifens aus einer geschmolzenen Quelle unter Verwendung einer
sich r.lsch bewegenden Abkühlfläche. Die Verbesserung umfaßt eine flüssigkeitsgekühlte
Hilfskühlwalze, die den festen Streifen berührt und ihn gegen die Abkühloberfläche
drückt.
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Im Betrieb liefert die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung
eines festen Metallstreifens durch Auftreffenlassen von geschmolzenem Metall auf
eine :;ich schnell bewegende Kühloberfläche. Die Verbesserung besteht darin, daß
man den Streifen gerade nach seiner Verfestigung kühlt, indem man ihn mit einer
flüssigkeitsgekühlten Kühlwalze gegen die Kühloberfläche drückt.
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Die Apparatur und die Methode nach der Erfindung ergeben hohe Abschreckgeschwindigkeiten
(1060 C/Sek.), die besonders vorteilhaft für die Erzeugung von Metallglaslegierungsstreifen
sind und Streifen mit einer erwünschtermaßen glatten Oberfläche ergeben.
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In der Zeichnung bedeutet Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische
Darstellung einer Ausführungsform der Apparatur nach der Erfindung im Betrieb, Fig.
2 eine Seitendarstellung der Apparatur gemäß Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt durch
eine Hilfskühlwalze nach der Erfindung.
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Bei herkc,mmlichen Verfahren zum Kühlblockgießen von Mctallstreifen
bekommt man das Abschrecken durch Kühlen des Streifens von der "Unterseite" her
der Seite, die in Berührung mit dzr Abkühloberfläche steht. Um die großen Abschreckgeschwindigkeiten
zu bekommen, die für die Erzeugung von Metällglasstreifen erforderlich sind, lieferten
Verbesserungen des Kühlblockgießens ein wirksameres Kühlen von der tJnterseite her,
ohne jedoch ein merkliches direktes Kühen der Oberseite, was ein Ergebnis der Berührung
mis der Umgebungsluft ist. Die vorliegende Erfindung ergibt ein direktes Kühlen
der Oberseite durch Kontakt dieser Oberseite mit einer flüssigkeitsgekühlten Hilfskühlwalze.
Außerdem verbessert der durch die Hilfskühlwalze ausgeübte Druck den Kontakt zwischen
dem Metallstreifen und der Abkühloberfläche und erhöht so auch die Geschwindigkeit
der Wärmeübertragung von der Unterseite des Streifens.
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Es ist bequem, die Erfindung anhand der in Fig. 1 gezeigteii Apparatur
zu beschreiben, wo die Erfindung in einer Ausführungsform des ebenen Strömungsgießverfahrens
gezeigt ist, welches von Narasimhan in der US-PS 4 142 571 beschrieben ist.
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In der Zeichnung haben Elemente, die in mehr als einer Figur dargestellt
sind, jeweils das gleiche Bezugszeichen.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Apparatur mit
einer Hilfskühlwalze nach der Erfindung. Wie dort gezeigt, ist die Kühloberfläche
1 der Außenrand eines Kühlrades
2, das um seine Längsachse drehbar
gelagert ist. Der Behälter 3 für die Aufnahme von geschmolzenem Metall ist mit einer
Induktionsheizwicklung 4 ausgestattet und steht in Verbindung mit der Düse 5.
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Während des Anlaufens des Verfahrens wird die Kühlwalze 6 in eine
entferntere Stellung 6a geschwenkt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. In dem Behälter
3 gehaltenes geschmolzenes Metall wird durch die Düse 5 auf die sich drehende Kühloberfläche
1 ausgestoßen, auf der es sich unter Bildung eines Streifens 7 verfestigt. Die Kühlwalze
6 wird dann zu der Kühlfläche 1 derart hin bewegt, daß dr t;lreifen 7 zwischen dem
Kühlrad 2 und der Kühlwalze 6 gehalten wrd.
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Die Ankupplung der Kühlwalze 6 an einen Kolben in einem nicht gezeigten
Luftzylinder ergibt ein bequemes Mittel, um die Kühlwalze in die Stellung 6a und
aus dieser Stellung zu bewegen und um die Kraft zu steuern, mit welcher die Kühlwalze
in Berührung mit dem Streifen 7 gedrückt wird.
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Wenn die Berührungskraft zu klein ist, gibt es einen Schlupf, und
Wärme wird durch Reibung zwischen der Kühlwalze und dem Streifen entwickelt. Vorzugsweise
ist die Berührungskraft ausreichend groß, um den Schlupf derart auf ein Minimum
herabzusetzen, daß die Geschwindigkeit der Walzenoberfläche etwa die gleiche wie
die Streifengeschwindigkeit ist. Alternativ kann die Kühlwalze 6 durch getrennte
herkömmliche Mittel (nicht gezeigt) derart angetrieben werden, daß sich ihre Oberfläche
mit im esentlichen der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Richtung wie
die Kühloberfäcie an dem Punkt der nS sten Nachbarschaft der beiden Oberflächen
bewegt.
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Die Kühlwalze 6 wird mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt, die durch
den einlaß 8 ein@@@@ und durch einen nicht gezeigten Auslaß austritt. Obwohl jede
herkömmliche Hochtemperatur-Kühlflüssigkeit verwendet werden kann, ist Wasser aus
Gründen der Kosten und der Bequemlichkeit bevorzugt.
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Idealerweise berührt die Kühlwalze 6 den Streifen 7 direkt, nachdem
der Streifen verfestigt wurde. In jenem Fall verbessert die Kühlwalze sowohl das
Kühlen als auch die Oberflächenglattheit des Streifens. Wenn die Berührung vor der
Verfestigung erfolgt, kann die Flüssigkeit daran gehindert werden, unter der Kühlwalze
hindurchzugehen, was eine unerwünschte Ansammlung von Metall zwischen der Kühlwalze
und der Düse herb(liführt. Wenn die Berührung nach der Verfestigung zu lange andauert,
dann wird die Molekülstruktur des Streifens "eingefroren", während das Metall unbeeinflußt
von der Kühlwalze abkühlt. Das Ergebnis kann eine unerwünschte kristalline Struktur
sein.
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Der Durchmesser d(r Kühlwalze ist kein kritischer Parameter. Andere
Uberlegungen können ihn jedoch auf einen engen Bereich zwingen, besonders wenn die
Walze in dem ebenen Fließstranggießverfahren verwendet wird, das in Fig. 1 dargestellt
ist. Da jenes Stranggießverfahren erfordert, daß der Spalt zwischen dem Düsenauslaß
und der Abkühloberfläche ziemlich schmal ist, muß der Kühlwalzendurchmesser klein
genug sein, damit er die Düse nicht berührt.
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Andererseits hat ein kleiner Kühlwalzendurchmesser wenigstens zwei
Nachteile. Erstens hat er geringere Wärmekapazität
und ergibt
daher ein weniger wirksames Kühen, während alle anderen Dinge gleich sind, zweitens
muß eine Walze mit kleinem Durchmesser mit einer höheren Geschwindigkeit rotieren,
um die Oberflächengeschwindigkeit bei oder nahe bei derjenigen der Kühloberfläche
zu halten. Höhere Drehgeschwindigkeiten ergeben ihrerseits eine größere Beanspruchung
der die Kühlwalze tragenden Lager.
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Die Breite der Kühlwalze ist vorzugsweise etwa die gleiche oder größer
als die Streifenbreite, da die Kühleffizienz vermindert wird, während eine Bertilarung
mit dem :;treifen nicht über seine ganze Breite erfolgt.
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Obwohl in Fig. 1 ebenes Fließstranggießen dargestellt ist, ist es
selbstverständlich, daß die Erfindung auch mit anderen Stranggießverfahren angewendet
werden kann, wie mit Düsenstranggießen und Schnellziehverfahren, die von Kavesh
in der US-PS 3 938 583 beschrieben sind. Einrichtungen zum Halten des Streifens
in Berührung mit der Abkühloberfläche, wie das Andrückband nach Carlson gemäß der
US-PS 4 202 404 können in Verbindung mit der Kühlwalze nach der Erfindung ebenfalls
verwendet werden. Die Abkühloberfläche braucht nicht ein Rad zu sein, wie in Fig.
1 dargestellt ist, sondern kann auch irgendeine andere Abkühloberfläche sein, wie
sie nach dem Stand der Technik bekannt ist, wie beispielsweise ein Endlosband.
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Fig. 3 zeigt die Kühlwalze 6 gemäß Fig. 1 und ihre Lagerung im Querschnitt.
Der stationäre Walzenträger 10 hat Durchgangskanäle 8 und9 für die Beförderung von
Kühlflüssigkeit
zu der Kühlwalze 6 und von ihr weg sowie Lagerträger
11 und 12. Der Träger 10 ist über den Arm 13 mit einem nicht gezeigten Mechanismus
für die Bewegung der Walze 6 zu'dem Kühlrad 2 hin und von diesem weg verbunden.
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Die Materialwahl für die Kühlwalze ist wichtig. Das Material muß in
der Lage sein, Temperaturen im Bereich von etwa 800 bis 1200° C, (I.h. etwas unterhalb
der Schmelztemperatur des Streifens zu widerstehen. Das Material sollte keine Abriebeigenschaften
haben und hohe Wärmeleitfähigkeit und niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.
Im Vergleich mit der Abkühloberfläche - die typischerweise aus Beryllium-Kupfer-oder
sauerstofffreiem Kupfer besteht - umfaßt die Kühlwalze vorzugsweise ein Material,
das relativ weich ist, so daß, wenn Fremdmaterialteilchen zwischen den Oberflächen
mitgerissen werden, die Kühloberfläche nicht verletzt wird. Vorzugsweise verformt
sich die Kühlwalzenoberfläche elastisch für einen verbesserten Kontakt mit dem Streifen
und verbesserte Wärmeüberführung zu der Walze.
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Wenn sie jedoch härter als der Streifen ist, dient die Kühlwalze besser
ihrer Funktion einer Verformung des Streifens und einer Verbesserung von dessen
Oberflächenglattheit. Optimale Oberflächenglattheit bekommt man,-wenn eine Berührung
mit der Kühlwalze stattfindet, bevor der Streifen seine Endhärte erreicht hat und
wenn ein weicher Streifen stranggegossen wird.-Geeignete Materialien für die Kühlwalze
sind beispielsweise Graphit, Graphit mit Füllstoffen, faserimpräqnierter Graphit
und hochtemperaturbeständige Elastomere, wie mit Füllstoff versehene Siliconelastomere.
Graphit
und Materialien auf (;raphitbasis sind bevorzugt. Die Kühlwalze braucht nicht insgesamt
aus einem Material zu bestehen. Beispielsweise kann das Oberflächenmaterial einen
Kern aus einem anderen Material umgeben.
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Die Apparatur und die Methode der Erfindung sind geeignet zur Gewinnung,polykristalliner
Streifen aus Aluminium, Zinn, Kupfer, Eisen, Stahl, rostfreiem Stahl und dergleichen.
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Metallegierungen, die bei schnellem Abkühlen aus der Schmelze (3105"
C/Sek.) feste amorphe Strukturen bilden, sind bevorzugt. Diese sind dem Fachmann
aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele solcher Legierungen sind in den US-PSen
3 427 154, 3 981 722 und anderen beschriben.
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Die folgenden Beispiele dienen dem vollständigeren Verständnis der
Erfindung. Die speziellen Methoden, Bedingungen, Materialien und Eigenschaften sind
nur zur Erläuterung der Prinzipien und der Praxis der Erfindung als Beispiele angegeben
und sollen den Erfindungsgedanken nicht beschränken.
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Beispiel 1 Eine Metallglaslegierung Fe81B B13,5 Si3,5 C2, wurde bei
13500 C mit der in Fig. 1 gezeigten Apparatur stranggegossen. Das Kühlrad bestand
aus Berylliumkupfer mit einem Durchmesser von 40 cm. Die Raddrehung ergab ein( Oberflächengeschwindigkeit
von 15 m/Sek.
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Die Hilfskühlwalze bestand aus Graphit mit einer scheinbaren Dichte
von 1,7 g/cm3, einer mittleren Porosität von 16 % und einer Gebrauchstemperaturgrenze
in Luft von etwa 4000 C. Die Graphitwalze hatte einen Durchmesser von 4,5 cm und
eine Länge von 3,8 cm. Die Walze wurde von zwei Lagern getragen, die beide einen
Außendurchmesser von 3,1 cm und einen Innendurchmesser von 1,9 cm besaßen. Die Lager
waren auf einer Welle aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 1,88 cm
befestigt, worin Kühlröhren von 0,3 cm Außendurchmesser und 0,1 cm Innendurchmesser
eingebettet waren, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Vor dem Zusammenwirken mit dem Kühlrad
lag die Graphitwalze etwa 6 cm von dem Düsenschlitz, gemessen entlang dem Kühlradumfang,
und 1 cm von der Kühlfläche, gemessen in der Radialrichtung, entfernt'. Sobald das
Stranggießen des Bandes be.iann, wurde ein Luftkolben unter Druck aktiviert und
stieß über mechanische Verbindungen die Graphitwalze radial unter 250 N Kraft gegen
das Band und indirekt gegen die Kühloberfläche. Gleichzeitig floß Wasser unter Druck
in die Kühlröhre-mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 ml/Sek.
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Der produzierte Streifen besaß eine Breite von 25,4 mm und eine Dicke
von 0,032 mm und war durch hohe Duktilität und gute magnetische Eigenschaften gekennzeichnet.
Die Duktilität wurde durch Biegen des Streifens um Stäbe abnehmender Durchmesser,
bis der Streifen zu brechen begann, gemessen (je kleiner der Durchmesser beim Biegebruch
ist, desto besser ist die Duktilität). Der unter Verwendung der Graphitwalze
stranggegossene
Streifen war duktil mit einem Durchmesser beim Biegebruch von etwa 1 mm.
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Vergleichsbeispiel Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß
keine Graphitwalze'verwendet wurde. Der stranggegossene Streifen war weniger duktil
mit einem Durchmesser beim Biegebruch von etwa 2, mm.
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