DE3424061C2 - - Google Patents
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- B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Description
In den zeitrangälteren, aber nicht vor dem Prioritätstag
des vorliegenden Patents veröffentlichten DE-OS 33 30 231
und 33 30 232 sind hochverschleißfeste Magnetwerkstoffe aus
einer rasch abgeschreckten, glasartig (amorph) erstarrten
Legierungsmatrix mit gleichmäßig dreidimensional darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen offenbart. Bei der Herstellung dieser
Magnetwerkstoffe werden die Sekundärphasen-Teilchen nicht
aufgeschmolzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein betrieblich
günstiges Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern aus
einer im wesentlichen glasartigen (amorphen) Metallmatrix und
gleichmäßig dreidimensional darin dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen aufzuzeigen.
In Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem
im wesentlichen glasartigen Metall als Matrixlegierung und
mindestens einer Art von Sekundärphasen-Teilchen, die in
der Matrixlegierung gleichmäßig dreidimensional dispergiert
sind,
- - bei dem einer Schmelze aus der Matrixlegierung, die bei rascher Abschreckung aus der Schmelze im wesentlichen glasartig erstarrt, die Sekundärphasen-Teilchen mittels Inertgas als Injektionsmedium injiziert werden, ohne daß die Sekundärphasen-Teilchen schmelzen, und
- - die Schmelze mit den ungeschmolzenen Sekundärphasen- Teilchen rasch abgeschreckt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht über das in den beiden
eingangs genannten DE-OS Offenbarte darin hinaus, daß die
Sekundärphasen-Teilchen mittels Inertgas in eine Matrixlegierungsschmelze
injiziert werden.
Ein Injizieren von feinen Feststoffteilchen mittels Inertgas
in eine Metallschmelze ist an sich bekannt (DE-AS
16 42 954), allerdings ohne Bezug zu glasartig erstarrenden
Matrixlegierungstypen. Es ist ferner an sich bekannt (DE-OS
17 58 186), Sekundärphasen-Teilchen durch chemische Reaktion
in einer Matrixlegierungsschmelze zu erzeugen und dann
unmittelbar danach die Schmelze rasch erstarrend abzukühlen,
wobei keine glasartig erstarrende Matrixlegierung vorgesehen
ist. Schließlich sind zur glasartigen Erstarrung
fähige Legierungssysteme und grundsätzliche Verfahren zum
(raschen) Superabschrecken derartiger Schmelzen an sich bekannt
(Zeitschrift "Erzmetall" 35 (1982), S. 350 bis 357), ohne daß
ein Bezug zu darin gleichmäßig dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen hergestellt worden wäre.
Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Verbundkörper ergibt
sich eine günstige Ergänzung und Kombination der Eigenschaften
von Matrixlegierung und Sekundärphasen-Teilchen. Es ist
insbesondere möglich, Verbundkörper mit einer Kombination
außergewöhnlich hoher mechanischer Festigkeit mit außergewöhnlich
guten magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Gegenüber
pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren ist die Porenfreiheit
des Herstellungsprodukts hervorzuheben. Im Vergleich
zu konventionellen Verfahren der Herstellung aus der Schmelze
ist die gleichförmige Verteilung der Sekundärphasen-Teilchen
hervorzuheben; es fehlen also die sonst beobachteten
Absetzungs- und Aufschwimmerscheinungen der Sekundärphasen-
Teilchen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den rückbezogenen Ansprüchen.
Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen und Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Herstellungsverfahrens;
Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt eines nach diesem
Verfahren hergestellten Legierungsbandes;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Herstellungsverfahrens;
Fig. 4 eine Ansicht in Richtung der Pfeile der Linie X-X
der Fig. 3;
Fig. 5 eine vergrößerte ebene Draufsicht auf ein nach dem
zweiten Ausführungsbeispiel erhaltenes Legierungsband;
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung
eines dritten Ausführungsbeispiels
eines Herstellungsverfahrens;
Fig. 7 ein charakteristisches Diagramm, das die
Abriebsbeständigkeit zeigt;
Fig. 8 ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehung
zwischen dem Volumenverhältnis der feinen Teilchen
aus WC und dem Youngschen Modul des Verbundmaterials
zeigt.
In der Fig. 1 wird ein Block aus der Mutterlegierung (Matrixlegierung) 2,
die für die Bildung einer superabgeschreckten Legierungsmatrix
bestimmt ist, in ein wärmebeständiges Rohr 1 aus Quarzglas
eingeführt, das an seinem unteren Ende mit einer
Öffnung in Form eines kleinen Loches ausgestattet ist.
Das Innere des wärmebeständigen Rohres wird mit einem
Inertgas, wie z. B. Argongas, gründlich gespült.
Auf der äußeren Oberfläche des wärmebeständigen
Rohres 1 ist ein Vakuum-Hochfrequenz-Schmelzofen 4
angeordnet. Der Block aus der Mutterlegierung 2 (Matrixlegierung) wird durch
diesen Schmelzofen 4 in einem solchen Ausmaß geschmolzen,
daß kein Schmelzen der Sekundärphasen-Teilchen (wie nachstehend
beschrieben) auftritt. Dann wird ein Kolben 5 betätigt,
um den unteren Endabschnitt des wärmebeständigen
Rohres 1 soweit wie möglich dem Spalt zwischen den beiden
sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Walzen 6, 6 zu
nähern, und der Argongasdruck im Inneren des wärmebeständigen
Rohres wird plötzlich erhöht. Aufgrund der Druckerhöhung
wird die geschmolzene Mutterlegierung 2 in Form
eines dünnen, einheitlichen kontinuierlichen Stroms durch
die Öffnung ausgetragen und in den Spalt zwischen den
Walzen 6, 6 eingeführt.
Dem aus dem wärmebeständigen Rohr 1 ausgetragenen Strom
aus der geschmolzenen Mutterlegierung werden die Sekundärphasen-
Teilchen zwangsweise zugesetzt durch Injektion
(Einblasen) aus einer Feinteilchenzuführungseinrichtung 8 einer
für das Plasmaflammspritzen bestimmten Qualität. Zum Injizieren
und Dispergieren der Sekundärphasen-Teilchen 7
wird ein Inertgas, wie z. B. Argongas, das in einem
Zylinder 9 enthalten ist, als Injektionsmedium verwendet.
Um zu vermeiden, daß das Injektionsmedium die Qualität
der Mutterlegierung 2 während der Injektion und der
Dispergierung in der Mutterlegierung nachteilig beeinflußt,
sollte das Injektionsmedium ein Inertgas, wie z. B. Argon,
sein. Als Feinteilchenzuführungseinrichtung, die zum Injizieren
der Sekundärphasen-Teilchen 7 dient, hat sich die
Verwendung einer Zuführungseinrichtung der Art, die für
das Plasmaflammspritzen geeignet ist, als vorteilhaft
erwiesen, weil diese die stets
gleichmäßige Zuführung der Sekundärphasen-Teilchen
erlaubt, weil die Injektionsbedingungen, wie z. B. der
Injektionsdruck, relativ einfach eingestellt werden können
und weil ihre Düse sich
durch eine solche Stabilität auszeichnet, daß sie gegen
Wärme beständig ist.
Die geschmolzene Mutterlegierung 2, der die Sekundärphasen-
Teilchen 7 durch Injektion zugesetzt worden sind, wird
dem Spalt zwischen den beiden Walzen 6, 6 zugeführt und
durch den durch die beiden Walzen 6, 6 gegeneinander
ausgeübten Druck dünn ausgezogen und nach unten transportiert.
Da die Walzen 6, 6 sich mit hoher Gechwindigkeit drehen
und da die Mutterlegierung 2 dünn ausgezogen wird, wird
die die Walzen verlassende Mutterlegierung 2 superabgeschreckt
unter Ausbildung eines kontinuierlichen Bandes
10 a.
Die Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Vertikalquerschnitt
durch dieses Band 10 a. In einer superabgeschreckten
Legierungsmatrix 11 aus einer amorphen Phase
setzen sich die Sekundärphasen-Teilchen 7 in
einer gleichmäßig dreidimensional dispergierten Form
schnell ab. Die Dicke und Breite des Bandes 10 a kann
durch geeignetes Variieren der Umfangsgeschwindigkeit und
des Druckes zwischen den Walzen 6 und der Temperatur und
der Injektionsgeschwindigkeit in die Mutterlegierung 2
eingestellt werden.
Das in bezug auf die Fig. 1 beschriebene Zwei-Walzen-
Verfahren hat den Vorteil, daß das gebildete Band 10 a
eine gleichmäßige Dicke hat und eine geringe Oberflächenrauhheit
aufweist und daß das Band leicht in einer verhältnismäßig
großen Dicke erhalten werden kann.
Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 ist ein
wärmebeständiges Rohr 1 an seinem unteren Ende mit einer
Öffnung 12 in der Gestalt eines Schlitzes versehen, wie in
Fig. 4 erläutert. Eine Düsenöffnung 13 a einer
Feinteilchenzuführungseinrichtung 8 der Art für das Plasmaflammspritzen
ist in der Nähe eines Endes der obengenannten Öffnung 12
angeordnet. Direkt unterhalb der Öffnung 12 des wärmebeständigen
Rohres 1 und der Öffnung 13 a der Zuführungseinrichtung
8 befindet sich eine Walze 6, und diese Walze 6
dreht sich mit hoher Geschwindigkeit.
Nachdem ein Block aus der Mutterlegierung 2 in das
wärmebeständige Rohr 1 eingeführt worden ist und das Innere des
Rohres durch Argongas gründlich gespült worden
ist, wird die Mutterlegierung 2 mittels eines Vakuum-
Hochfrequenz-Schmelzofens 4 geschmolzen. Danach wird der
Argongasdruck im Inneren des wärmebeständigen Rohres 1 plötzlich
erhöht. Als Folge der Erhöhung des Druckes wird die
geschmolzene Mutterlegierung 2 in Form eines gleichmäßigen,
kontinuierlichen Stroms einer durch die schlitzförmige
Öffnung 12 gegebenen Breite allmählich ausgetragen und auf
die äußere Oberfläche der Walze 6 aufgebracht.
Dem ausgetragenen Strom aus der geschmolzenen Mutterlegierung
2 werden die Sekundärphasen-Teilchen 7 zwangsweise
zugesetzt durch Injektion aus der Zuführungseinrichtung
8.
Als Injektionsmedium wird ein Inertgas, wie z. B. Argongas,
ähnlich wie in dem vorausgegangenen Ausführungsbeispiel
verwendet.
Wenn die geschmolzene Mutterlegierung 2, der die Sekundärphasen-
Teilchen 7 durch Injektion zugesetzt worden sind,
gegen die äußere Oberfläche der Walze 6, die sich mit hoher
Geschwindigkeit dreht, geblasen wird, wird sie superabgeschreckt
unter Bildung eines kontinuierlichen Bandes 10 b.
Die Fig. 5 zeigt eine vergrößerte ebene Draufsicht auf
das Band 10 b. Da die Düsenöffnung 13 a der
Zuführungseinrichtung 8 in der Nähe eines Endes der Öffnung 12 des
wärmebeständigen Rohres 1 wie vorstehend beschrieben angeordnet
ist, werden die Sekundärphasen-Teilchen 7 entlang
einer Seite des Bandes 10 b gleichmäßig dispergiert. Das
Band 10 b hat, in Richtung seiner Breite betrachtet, einen
solchen Aufbau, daß ein einfacher Bereich 14 nur aus der
abgeschreckten Legierung besteht und keine Sekundärphasen-
Teilchen 7 enthält, und ein Verbundbereich 15 mit
Sekundärphasen-Teilchen vorliegt, die sich schnell abgesetzt
haben in einer gleichmäßig dispergierten Form in einer
superabgeschreckten Legierungsmatrix 11, die parallel
zueinander verlaufen.
Das Band 10 b mit diesem vorstehend beschriebenen Bandaufbau
ist verwendbar als dünne Klinge, die so hergestellt wird,
daß die Verbundbereich-Seite 15 eine Schneide bildet.
Das erläuterte
1-Walzen-Verfahren hat den Vorteil, daß die Legierung
in einer verhältnismäßig großen Breite und einer geringen
Dicke hergestellt werden kann.
Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 ist zwischen einem
wärmebeständigen Rohr 1 und einer unterhalb des Rohres 1
angeordneten Walze 6 ein Metallschmelzenreservoir 16
angeordnet. Die aus dem wärmebeständigen Rohr 1 ausgetragene
geschmolzene Mutterlegierung 2 wird vorübergehend in
dem Reservoir 16 aufbewahrt. Der in
das Reservoir 16 eingeführten geschmolzenen Mutterlegierung
2 werden die Sekundärphasen-Teilchen 7 zwangsweise
zugesetzt durch Injektion mittels einer Feinteilchenzuführungseinrichtung
8 der Art für das Plasmaflammspritzen. In
entsprechender Weise ist auf der äußeren Oberfläche des
Reservoirs 16 ein Hochfrequenz-Schmelzofen
17 angeordnet, um die Mutterlegierung 2 in
geschmolzenem Zustand zu halten.
Mittels einer Inertgas(Argongas)-Komprimiereinrichtung
(nicht dargestellt) wird die nun die Sekundärphasen-Teilchen
7 enthaltende geschmolzene Mutterlegierung 2 durch
die untere Düse des Reservoirs 16
ausgetragen und in Form eines gleichmäßigen, kontinuierlichen
dünnen Stroms dem Spalt zwischen den beiden Walzen
6, 6 zugeführt. Dann wird, ähnlich wie in dem
vorausgegangenen Ausführungsbeispiel, dieser kontinuierliche Strom
superabgeschreckt unter Bildung eines kontinuierlichen
Bandes 10 a.
Das Verfahren zur Erzielung einer Injektion und Dispersion
der Sekundärphasen-Teilchen in der Mutterlegierung 2 ist
auf die vorstehend beschriebenen drei Ausführungsbeispiele
jedoch nicht beschränkt. Je nach Zweck, für den die gebildete
Legierung verwendet wird, können die Sekundärphasen-
Teilchen intermittierend in den kontinuierlichen Strom der
geschmolzenen Mutterlegierung injiziert werden, so daß ein
Verbundmaterial hergestellt werden kann, in dem die
Sekundärphasen-Teilchen sich absetzen in einer in der
superabgeschreckten Legierungsmatrix intermittierend dispergierten
Form. In den Bereichen, in denen die Sekundärphasen-
Teilchen dispergiert sind, sind diese Sekundärphasen-Teilchen
in geringen Abständen in intakter Form gleichmäßig dispergiert.
Zu Beispielen für Mutterlegierungen, die mit Vorteil in dem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verwendbar sind,
gehören Legierungen vom Kobalt-Typ, wie eine Kobalt-Eisen-
Legierung mit Kobalt als Hauptkomponente, Legierungen vom
Eisen-Typ, wie eine Eisen-Silicium-Bor-Legierung und eine
Eisen-Molybdän-Legierung mit Eisen als Hauptkomponente,
Legierungen vom Nickel-Typ, wie eine Nickel-Silicium-
Bor-Legierung mit Nickel als einer Hauptkomponente, und
verschiedene andere Typen von Legierungen, wie z. B. eine
Kupfer-Zirconium-Legierung und eine Zirconium-Niob-Legierung.
Zu Beispielen für Substanzen, die mit Vorteil erfindungsgemäß
in Form von Sekundärphasen-Teilchen verwendet werden
können, gehören Kohlenstoff C und Carbide, wie WC, TiC und
NbC, Nitride, wie NbN und TaN, Oxide wie CeO₂, MgO, ZrO₂,
Y₂O₃, WO₃, ThO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, ZnO und SiO₂, Boride, wie
BN, Silicate, wie SiC, und Metalle, wie Ti, Fe, Mo und W.
Wenn man nicht die Technik der Injektion der
Sekundärphasen-Teilchen mittels Inertgas einsetzt,
haben die Art
der Sekundärphasen-Teilchen und die Menge der Sekundärphasen-
Teilchen, die dispergiert werden können, ihre Grenzen.
Insbesondere dann, wenn die Sekundärphasen-Teilchen aus
einem Metalloxid bestehen, werden sie durch geschmolzene
Massen, wie z. B. Metalle, wie Eisen, Kobalt und Nickel,
unzureichend benetzt, und es wird nur ein geringer Teil
derselben darin dispergiert. Sie neigen dazu, nur in der
Oberflächenschicht der Legierungsmatrix dispergiert zu
werden. Die durch dieses Verfahren in bezug auf verschiedene
Eigenschaften einschließlich der mechanischen Eigenschaften,
wie z. B. der Abriebbeständigkeit, erzielte
Verbesserung ist daher beschränkt.
Da jedoch im Gegensatz dazu erfindungsgemäß bewirkt wird,
daß die Sekundärphasen-Teilchen zwangsweise der Mutterlegierung
in geschmolzenem Zustand zugesetzt und darin dispergiert
werden, werden die Sekundärphasen-Teilchen in der geschmolzenen
Mutterlegierung auch dann einheitlich dreidimensional
dispergiert, wenn diese Teilchen durch die Mutterlegierung
nicht ausreichend benetzbar sind. Die Sekundärphasen-Teilchen
tragen somit zur Verbesserung der Eigenschaften und
Funktionen des gebildeten Verbundmnaterials stark bei.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Unter Anwendung des 2-Walzen-Verfahrens wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen
hergestellt:
(Co70,5Fe4,5Si15B10)99,5(WC)0,5
(Co70,5Fe4,5Si15B10)99(WC)1
(Co70,5Fe4,5Si15B10)97(WC)3
(Co70,5Fe4,5Si15B10)95(WC)5
(Co70,5Fe4,5Si15B10)90(WC)10
In jeder der oben angegebenen Zusammensetzungsformeln
ist die Zusammensetzung der superabgeschreckten Legierung
jeweils in der linken Klammer angegeben, die Atomprozentsätze
der Komponenten-Elemente sind durch die numerischen
Indices an den rechten Seiten der Symbole für die relevanten
Elemente angegeben, und die Zusammensetzung der
Sekundärphasen-Teilchen ist jeweils in der rechten Klammer
angegeben. Die numerischen Indices, die jeweils auf den
rechten Seiten der beiden Klammern angegeben sind, stehen
für die Volumenverhältnisse (%) der beiden Materialien.
Diese Art der Bezeichnung wird auch in allen nachfolgenden
anderen Beispielen verwendet.
Nachstehend wird das konkrete Verfahren zur Herstellung
dieser Legierungen näher beschrieben. Zuerst wurden zur
Herstellung der superabgeschreckten Legierung der gewünschten
Zusammensetzung die Komponenten-Metalle Co, Fe, Si und
B in den jeweiligen Mengen von 420,9 g, 25,5 g, 42,7 g
und 11,0 g ausgewogen. Diese Metalle wurden in einem
separaten Hochfrequenz-Schmelzofen innig aufgeschmolzen, und
die geschmolzene Legierung wurde in eine Form gegossen zur
Herstellung eines Blockes.
Dieser Block wurde in ein wärmebeständiges Rohr 1 eingeführt,
wie in Fig. 1 dargestellt, und das Innere des Rohres
wurde durch Argongas 3 gespült, die Mutterlegierung 2
(der Block) wurde mittels eines Vakuum-Hochfrequenz-Schmelzofens
4 geschmolzen. In diesem Falle wurde die Schmelztemperatur
der Mutterlegierung 2 bei etwa 1200°C gehalten,
einem Temperaturwert, bei dem die feinen Teilchen aus WC
(Sekundärphasen-Teilchen), die später zugegeben wurden,
nicht schmolzen. Danach wurde der Argongasdruck innerhalb
des wärmebeständigen Rohres plötzlich erhöht, was zur Folge
hatte, daß die geschmolzene Mutterlegierung in Form eines
gleichmäßigen, kontinuierlichen Stromes durch die Öffnung
des wärmebeständigen Rohres ausgetragen und dem Spalt
zwischen den beiden Walzen 6, 6 zugeführt wurde.
Dem Strom aus der geschmolzenen Mutterlegierung 2, die aus
dem wärmebeständigen Rohr 1 ausgetragen wurde, wurden feine
Teilchen aus WC als Sekundärphasen-Teilchen zwangsweise
zugesetzt durch Injektion aus einer Feinteilchenzuführungseinrichtung
8 der Art für das Plasmaflammspritzen. Die
Menge der auf diese Weise injizierten feinen Teilchen aus
WC wurde mit der Zuführungseinrichtung 8 so eingestellt,
daß sie dem in der obengenannten Zusammensetzungsformel
relativ zu der Mutterlegierung 2 angegebenen
Volumenprozentsatz entsprach.
Die feinen Teilchen aus WC, die zwangsweise gegen den
Strom aus der geschmolzenen Mutterlegierung 2 geblasen
wurden, wurden in intaktem Zustand und getrennt voneinander
in kurzen Abständen innerhalb der geschmolzenen
Mutterlegierung 2 dispergiert, ohne darin zu konglomerieren.
Die auf diese Weise in feinteiligem Zustand dispergierten
feinen Teilchen aus WC schwammen, ohne zu konglomerieren,
mit geringer Geschwindigkeit in der geschmolzenen
Mutterlegierung 2 auf, so daß dann, wenn die
geschmolzene Mutterlegierung 2 superabgeschreckt und
erstarren gelassen wurde, die dispergierten feinen Teilchen
aus WC ihren Dispersionszustand stabil beibehielten, ohne
einer Segregation zu unterliegen. Dabei erhielt man ein
Band 10 einer Breite von 4 mm, einer Dicke von 30 µm und
einer Länge von 5 m, das aus einer superabgeschreckten
Legierung vom Co-Fe-Si-B-Typ bestand, in der die feinen
Teilchen aus WC in dem angegebenen Mengenverhältnis gleichmäßig
dispergiert waren.
Wenn die Oberfläche dieses Bandes und der Querschnitt des
Bandes in vertikaler Richtung (in Richtung der Dicke) unter
einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet wurden, wurde
gefunden, daß die feinen Teilchen aus WC in kurzen Abständen
in einer superabgeschreckten Legierungsmatrix gleichmäßig
dispergiert und jeweils voneinander getrennt vorlagen,
ohne daß sie konglomeriert waren, und es wurde absolut kein
Loch festgestellt. Durch diese Betrachtung wurde bestätigt,
daß die feinen Teilchen aus WC gleichmäßig dreidimensional
innerhalb der Legierungsmatrix dispergiert waren. Durch
Röntgenbeugung wurde gefunden, daß diese superabgeschreckte
Legierungsmatrix eine amorphe (glasartige) Phase war.
Es wurden Magnetköpfe zusammengebaut unter Verwendung des
Verbundmaterials aus (Co70,5Fe4,5Si15B10)99(WC)1, das in
Beispiel 1 erhalten worden war, und eines Verbundmaterials
der gleichen Zusammensetzung mit den gleichen Sekundärphasen-
Teilchen, die dreidimensional in der gleichen
superabgeschreckten Legierungsmatrix dispergiert waren, wobei
jedoch nicht das Injektionsdispergierverfahren angewendet
wurde, als ihre jeweiligen Kerne. Auf diesen Magnetköpfen
wurden handelsübliche Magnetbänder versuchsweise bei einer
Temperatur von 20°C und einer relativen Feuchtigkeit von
50% laufengelassen. Die Ergebnisse des Tests sind in der
Fig. 7 angegeben. In dem Diagramm repräsentiert die
gerade Linie A eine charakteristische Linie, die mit dem
Verbundmaterial des erfindungsgemäßen Beispiels erhalten
wurde, und die gerade Linie B repräsentiert eine
charakteristische Linie, die mit dem Verbundmaterial erhalten
wurde, das nicht unter Anwendung des Injektionsdispergierverfahrens
hergestellt worden war. Aus diesem Diagramm ist
zu ersehen, daß das erfindungsgemäße Verbundmaterial dem
der Erfindung nicht entsprechenden Verbundmaterial in
bezug auf die Abriebsbeständigkeit überlegen war.
Unter Anwendung des 1-Walzen-Verfahrens wurden
superabgeschreckte Legierungen mit den nachstehend angegebenen
Zusammensetzungen, die darin dispergierte Sekundärphasen-
Teilchen enthielten, hergestellt:
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₉₇(WC)₃
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₉₂(WC)₈
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₈₂(WC)₁₈
Das konkrete Verfahren zur Herstellung dieser Legierungen
wird nachstehend näher beschrieben. Zuerst wurden zur
Herstellung der superabgeschreckten Legierung mit der
gewünschten Zusammensetzung die Komponenten-Metalle Ni, Si
und B in den jeweiligen Mengen von 459 g, 28 g und 13 g
ausgewogen. Sie wurden in einem separaten Vakuum-Hochfrequenz-
Schmelzofen innig aufgeschmolzen zur Herstellung
eines Blockes aus der Mutterlegierung.
Der obengenannte Block wurde in ein wärmebeständiges
Rohr aus Quarzglas, das direkt oberhalb einer Walze
angeordnet war, eingeführt, wobei das Innere des Rohres
durch Argongas gründlich gespült wurde. Dann wurden das
Rohr und sein Inhalt mittels eines Vakuum-Hochfrequenz-
Schmelzofens, der auf der äußeren Oberfläche des
wärmebeständigen Rohres angeordnet war, bei etwa 1150°C gehalten,
um die Mutterlegierung zum Schmelzen zu bringen.
Nach dem Schmelzen wurde der Argongasdruck im Inneren des
wärmebeständigen Rohres plötzlich erhöht, so daß die
geschmolzene Mutterlegierung 1 aus einer Öffnung in Gestalt
eines Schlitzes im unteren Abschnitt des wärmebeständigen
Rohres ausgespritzt und auf die sich mit 2000 min-1 drehende
Walze aufgebracht wurde.
Dem Strom der auf diese Weise ausgetragenen geschmolzenen
Mutterlegierung wurden feine Teilchen aus WC mit einem
durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 µm zugesetzt
durch Injektion mittels einer Feinteilchenzuführungseinrichtung
der Art für das Plasmaflammspritzen. Die nun die feinen
Teilchen aus WC enthaltende geschmolzene Mutterlegierung,
die mit der sich mit hoher Geschwindigkeit drehenden Walze
in Kontakt stand, wurde superabgeschreckt und erstarren
gelassen, wobei man ein Band mit einer Breite von 4 mm,
einer Dicke von 30 µm und einer Länge von 5 m erhielt.
Wenn die Oberfläche dieses Bandes und ein Querschnitt
durch das Band in Richtung der Dicke unter einem
Rasterelektronenmikroskop betrachtet wurden, wurde gefunden,
daß die feinen Teilchen aus WC in kurzen Abständen innerhalb
der superabgeschreckten Legierungsmatrix gleichmäßig
und individuell voneinander getrennt dispergiert waren
ähnlich wie im Beispiel 1, ohne daß eine Konglomeration
auftrat, und es wurde absolut kein Loch festgestellt. Durch
diese Betrachtung wurde bestätigt, daß die feinen Teilchen
aus WC innerhalb der Legierungsmatrix gleichmäßig
dreidimensional dispergiert waren. Die superabgeschreckte
Legierungsmatrix war, wie durch Röntgenbeugung gefunden wurde,
eine amorphe Phase. Die superabgeschreckte Legierung mit
darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
wies außergewöhnlich gute mechanische Eigenschaften
auf, wie nachstehend angegeben. So stiegen beispielsweise
die Streckgrenze und der Youngsche Modul des
Verbundmaterials entsprechend der Zunahme des Volumenverhältnisses
von WC an. Diese beiden mechanischen Eigenschaften
standen in Übereinstimmung mit einfachen Verbundregeln, wie
sie durch die nachstehend angegebenen Formeln (1) und (2)
dargestellt sind:
E = E m (1-V f ) + E p V f (1)
σ = s ym [1+V f (E p /E m -1)] (2)
In diesen Formeln (1) und (2) bezeichnen E, E m und E p
jeweils die Youngschen Moduli des Verbundmaterials, der
superabgeschreckten Legierungsmatrix und der Sekundärphasen-
Teilchen, σ y und σ ym bezeichnen die Streckgrenze
des Verbundmaterials und der superabgeschreckten
Legierungsmatrix und V f bezeichnet das Volumenverhältnis
der Sekundärphasen-Teilchen.
Die Fig. 8 zeigt ein charakteristisches Diagramm, das
erläutert, daß der Youngsche Modul (E) des Verbundmaterials
ansteigt proportional zur Zunahme des Volumenverhältnisses
der WC-Teilchen (V f ) entsprechend der Formel (1). Dieses
charakteristische Diagramm zeigt die Effekte der Änderung
des Volumenverhältnisses von WC (V f ) auf den Youngschen
Modul des Verbundmaterials (E) und das Verhältnis E/E m ,
wobei E m (der Youngsche Modul der Sekundärphasen-Teilchen)
bei 68 000 kg/mm³ gehalten wurde. Wenn die Bildung
von gerissenen (gebrochenen) Oberflächen der Legierung
dieses Beispiels, die während des Zugfestigkeitstests
entstanden, beobachtet wurde, wurden auch gerissene (gebrochene)
Teile von WC-Teilchen in entsprechenden Positionen der beiden
gerissenen (gebrochenen) Oberflächen gefunden, was anzeigt,
daß keine Risse entlang der Korngrenzen zwischen
der superabgeschreckten amorphen Legierungsmatrix und den
WC-Teilchen entstanden und sich entlang dieser ausbreiteten
und daß die Matrix zuerst riß (brach) und danach die WC-
Teilchen eine End-Belastungstragezone ausbildeten. Dies
läßt vermuten, daß die Korngrenzen zwischen der
superabgeschreckten amorphen Legierungsmatrix und den WC-Teilchen
eine extrem hohe Festigkeit aufwiesen.
Die Legierung dieses Beispiels vereinigte diese hohe Festigkeit
noch mit einer hohen Zähigkeit. Insbesondere konnte
diese Legierung bis zu 180° sicher gebogen werden, bis das
Volumenverhältnis von WC auf etwa 20% anstieg.
Unter Anwendung im wesentlichen des gleichen Verfahrens wie
im Beispiel 2 wurden unter Anwendung des 1-Walzen-Verfahrens
superabgeschreckte Legierungen mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen mit den nachstehend angegebenen
Zusammensetzungen hergestellt:
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,9(WO3)0,1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,7(WO3)0,3
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,5(WO3)0,5
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99(WO3)1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)97(WO3)3
Unter Anwendung praktisch des gleichen Verfahrens wie in
Beispiel 2 und unter Anwendung des 1-Walzen-Verfahrens
wurden superabgeschreckte Legierungen mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen mit den nachstehend angegebenen
Zusammensetzungen hergestellt:
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,9(ZrO2)0,1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,7(ZrO2)0,3
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,5(ZrO2)0,5
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99(ZrO2)1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)97(ZrO2)3
Unter Anwendung praktisch des gleichen Verfahrens wie in
Beispiel 2 wurden unter Anwendung des 1-Walzen-Verfahrens
superabgeschreckte Legierungen mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen
hergestellt:
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,9(Y2O3)0,1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,7(Y2O3)0,3
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99,5(Y2O3)0,5
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)99(Y2O3)1
(Co70,5Fe4,5Si1,5B10)97(Y2O3)3
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt:
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₉₀(ThO₂)₁₀
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₈₀(ThO₂)₂₀
Die feinen Teilchen aus ThO₂ hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 2 µm. Jede der superabgeschreckten
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
war 4 mm breit, 30 µm dick und 5 m lang. Durch Betrachten
unter einem Rasterelektronenmikroskop wurde bestätigt, daß
die feinen Teilchen aus ThO₂ innerhalb der superabgeschreckten
Legierungsmatrix dreidimensional gleichmäßig dispergiert
waren und daß in der Legierungsmatrix kein Loch auftrat.
Die superabgeschreckte Legierungsmatrix war, wie durch
Röntgenbeugung gefunden wurde, eine amorphe Phase. Ähnlich
wie die Legierungen der vorausgegangenen Beispiele wies
die Legierung dieses Beispiels jeweils die Eigenschaften
der superabgeschreckten amorphen Legierungsmatrix und der
Sekundärphasen-Teilchen in organischer Kombination auf,
wobei ihre mechanischen Eigenschaften sich einander
ergänzten. Auf diese Weise erhielt man ein Verbundmaterial,
das eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit in sich
vereinigte. Die Legierung dieses Beispiels bestätigte,
ähnlich wie diejenige des Beispiels 2, daß die Streckgrenze
und der Youngsche Modul einfachen Verbundregeln
gehorchten.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt:
(Fe₇₅Si₁₀B₁₅)₉₅(TiC)₅
(Fe₇₅Si₁₀B₁₅)₉₀(TiC)₁₀
Die feinen Teilchen aus TiC hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 1 µm. Durch Beobachtung unter einem
Rasterelektronenmikroskop wurde bestätigt, daß die feinen
Teilchen aus TiC innerhalb der superabgeschreckten
Legierungsmatrix gleichmäßig dreidimensional dispergiert waren
und daß in der Legierungsmatrix kein Loch auftrat. Ähnlich
wie die Legierungen der vorausgegangenen Beispiele
wies die Legierung dieses Beispiels zufriedenstellende
mechanische Eigenschaften auf. Insbesondere betrug die
Streckgrenze dieser Legierung 500 kg/mm², ein Wert,
der den entsprechenden Wert, den eine übliche Pianosaite
der höchsten Festigkeit aufweist, weit übersteigt. Außerdem
gehorchten die Streckgrenze und
der Youngsche Modul der Legierung den einfachen
Verbundregeln, wie sie in Beispiel 2 angegeben sind.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen der nachstehend angegebenen Zusammensetzung hergestellt:
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₉₀(BN)₁₀
(Ni₇₈Si₁₀B₁₂)₈₀(BN)₂₀
Die feinen Teilchen aus BN hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 1 µm. Jede der so hergestellten
superabgeschreckten Legierungen mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen lag in Form eines Bandes mit einer
Breite von 4 mm, eine Dicke von etwa 30 µm und einer Länge
von 3 m vor. Durch Betrachten unter einem Rasterelektronenmikroskop
wurde festgestellt, daß die Teilchen aus BN
innerhalb der superabgeschreckten Legierungsmatrix
gleichmäßig dreidimensional dispergiert waren und daß in der
Legierungsmatrix kein Loch auftrat. Durch Röntgenbeugung
wurde gefunden, daß die superabgeschreckte Legierungsmatrix
in einer amorphen Phase vorlag. Ähnlich wie die Legierung
des Beispiels 2 wies die Legierung dieses Beispiels jeweils
die Eigenschaften der superabgeschreckten amorphen
Legierungsmatrix und der Sekundärphasen-Teilchen in organischer
Kombintion auf, wobei die mechanischen Eigenschaften einander
ergänzten. Auf diese Weise erhielt man ein Verbundmaterial
mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeit.
In der Legierung dieses Beispiels gehorchten ähnlich
wie in derjenigen des Beispiels 2 die Streckgrenze
und der Youngsche Modul
den einfachen Verbundregeln.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt:
(Cu₆₀Zr₄₀)₉₀(SiC)₁₀
(Cu₆₀Zr₄₀)₇₀(SiC)₃₀
Die feinen Teilchen aus SiC hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 3 µm. Jede der superabgeschreckten
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen lag in Form eines Bandes einer Breite von
4 mm, einer Dicke von 30 µm und einer Länge von 3 m vor.
Durch Betrachten unter einem Rasterelektronenmikroskop
wurde festgestellt, daß die feinen Teilchen aus SiC innerhalb
der superabgeschreckten Legierungsmatrix gleichmäßig
dreidimensional dispergiert waren und daß in der
Legierungsmatrix kein Loch auftrat. Durch Röntgenbeugung wurde
gefunden, daß die superabgeschreckte Legierungsmatrix in
einer amorphen Phase vorlag. Dieses Beispiel zeigt, daß
eine superabgeschreckte Legierung mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen aus einer Legierungsmatrix und
feinen Teilchen der hier beschriebenen Art hergestellt
werden kann. Die Legierung dieses Beispiels wies ähnlich
wie diejenige des Beispiels 2 eine höhere Streckgrenze
und auch eine höhere Zugfestigkeit auf
als die konventionelle amorphe Legierung der Zusammensetzung
Cu₆₀Zr₄₀.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt:
(Fe₈₂B₁₈)₉₉(Fe)₁
(Fe₈₂B₁₈)₉₈(Fe)₂
Die feinen Teilchen aus Fe hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 5 µm. Auch in diesem Beispiel
wurde durch Betrachten unter einem Rasterelektronenmikroskop
bestätigt, daß die feinen Teilchen aus Fe gleichmäßig
dreidimensional dispergiert waren. Die superabgeschreckte
Legierungsmatrix bestand aus einer Invar-Legierung.
Die amorphe Legierung auf Fe-B-Basis wies eine
ausreichend hohe Sättigungsflußdichte auf, um als
Transformatormaterial verwendbar zu sein. Die magnetischen
Eigenschaften, die ein Transformatormaterial aufweisen muß,
umfassen (1) eine hohe Sättigungsflußdichte, (2) niedrige
Eisenverluste, (3) eine hohe Permeabilität, (4) eine
geringe Magnetostriktion und (5) eine geringe magnetische
Verschlechterung. Das heute verfügbare amorphe
Transformatormaterial ist der Silicium-Stahlplatte überlegen, weil
es der zweiten und dritten der obengenannten fünf Forderungen
genügt. In bezug auf die anderen Forderungen ist
das amorphe Transformatormaterial noch verbesserungsfähig.
In diesem Beispiel war die Sättigungsflußdichte der
Legierung bis zu 3% höher als diejenige der amorphen
Legierungsmatrix, wenn sie die feinen Teilchen aus Fe in
einer Menge von etwa 1 Volumenprozent enthielt.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurde eine superabgeschreckte
Legierung mit darin dispergierten Sekundärphasen-
Teilchen der nachstehend angegebenen Zusammensetzung hergestellt:
(Zr₄₅Nb₄₀Si₁₅)₈₀(NbN)₂₀
Die feinen Teilchen aus NbN hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 3 µm. Die Legierung dieses
Beispiels enthielt, wie durch Betrachten unter einem
Rasterelektronenmikroskop festgestellt wurde, die feinen
Teilchen aus NbN innerhalb der superabgeschreckten
Legierungsmatrix in gleichmäßig dreidimensional dispergierter
Form, und sie enthielt in der Legierungsmatrix kein
nachweisbares Loch. Die superabgeschreckte Legierungsmatrix
lag, wie durch Röntgenbeugung bestätigt wurde, in der
amorphen Phase vor.
Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurden superabgeschreckte
Legierungen mit darin dispergierten Sekundärphasen-Teilchen
der nachstehend angegebenen Zusammensetzungen hergestellt:
(Co70,5Fe4,5Si15B10)99(C)1
(Co70,5Fe4,5Si15B10)95(C)5
(Co70,5Fe4,5Si15B10)90(C)10
Die feinen Teilchen aus C hatten einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 1 µm. Jede der so hergestellten
superabgeschreckten Legierungen mit darin dispergierten
Sekundärphasen-Teilchen lag in Form eines Bandes
mit einer Breite von 4 mm, einer Dicke von 30 µm und einer
Länge von 4 m vor. Wenn dieses Band unter einem
Rasterelektronenmikroskop betrachtet wurde, so enthielt es die
feinen Teilchen aus C, wie gefunden wurde, innerhalb der
superabgeschreckten Legierungsmatrix in einer gleichmäßig
dreidimensional dispergierten Form und es wies eine
kompakte Struktur ohne nachweisbares Loch in der
Legierungsmatrix auf. Die superabgeschreckte Legierungsmatrix lag,
wie durch Röntgenbeugung bestätigt wurde, in amorpher
Phase vor.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus
einem im wesentlichen glasartigen Metall als Matrixlegierung
und mindestens einer Art von Sekundärphasen-Teilchen,
die in der Matrixlegierung gleichmäßig dreidimensional
dispergiert sind,
- - bei dem einer Schmelze aus der Matrixlegierung, die bei rascher Abschreckung aus der Schmelze im wesentlichen glasartig erstarrt, die Sekundärphasen-Teilchen mittels Inertgas als Injektionsmedium injiziert werden, ohne daß die Sekundärphasen-Teilchen schmelzen, und
- - die Schmelze mit den ungeschmolzenen Sekundärphasen- Teilchen rasch abgeschreckt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Matrixlegierung eine Kobalt-, Nickel- oder Eisen-
Basis-Legierung ausgewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Sekundärphasen-Teilchen aus Kohlenstoff oder
einem Carbid, insbesondere Wolframcarbid, ausgewählt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß Sekundärphasen-Teilchen aus einem Nitrid,
Oxid, Borid, Silikat oder Metall ausgewählt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mit den
ungeschmolzenen Sekundärphasen-Teilchen an der Außenoberfläche
einer Walze rasch abgeschreckt wird, die sich mit hoher
Geschwindigkeit dreht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mit den
ungeschmolzenen Sekundärphasen-Teilchen im Spalt zwischen
zwei Walzen rasch abgeschreckt wird, die sich mit hoher
Geschwindigkeit drehen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärphasen-Teilchen
in die Schmelze der Matrixlegierung zwischen dem
Erschmelzen der Matrixlegierung und dem raschen Abschrecken
injiziert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärphasen-Teilchen
in die Schmelze der Matrixlegierung zwischen dem
Erschmelzen der Matrixlegierung und einem Schmelzenreservoir
injiziert werden.
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Also Published As
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Representative=s name: KLUNKER, H., DIPL.-ING. DR.RER.NAT. SCHMITT-NILSON |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |