DE3444955A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung mikrokristalliner metallischer werkstoffe - Google Patents

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung mikrokristalliner metallischer Werkstoffe

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallurgie und ist bei der Herstellung metallurgischer Fertigerzeugnisse, insbesondere in Bandform mit mikrokristalliner bzw. definiert kristalliner Werkstoffstruktur anwendbar.

Für die kontinuierliche Herstellung von Bändern direkt aus der Schmelze sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, wie z.B. für amorphe weichmagnetische Werkstoffe (T. Egami, AIP Conf . Proc.

No. 24, 1975, 697) durch Schnellerstarrung auf einer rotierenden Walze (Schmelzspinnverfahren).

Für die Herstellung von Bändern mit amorpher Struktur nach diesem Verfahren ist kennzeichnend, daß Im kontinuierlichen Prozeß eine einwandfrei geometrische Form und die Erzielung der für die Verwendung erforderlichen physikalisch-technischen Eigenschaften nur in einem eingeschränkten Bereich technologischer Bedingungen gelingt, der für die jeweilige Legierung charakteristisch ist. Hinsichtlich des Walzenwerkstoffes dominiert die Forderung an hohe Wärmeleitfähigkeit bei ausreichend guter Benetzbarkeit der Walzenoberfläche. Das führte im wesentlichen zum Einsatz von Kupfer und Kupfer legierungen.

Bänder aus Fe-Werkstoffen mit mikrokristalliner Struktur sind auf diesen Walzen nicht mit ausreichend guter Bandgeometrie, d.h. Formkonstanz, Oberflächenrauhigkeit und Kantenausbildung sowie frei von Oxidation (Zunder und Anlauffarben), herstellbar. So wird für Fe-Cr-AI-Widerstands legisrungen nach T. Naohara u.a. (Metall. Trans 13 A, 1982, 337) zur Herstellung der Bänder eine

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Stahlwalze (ohne StanImarkenangabe) verwendet. Das erzeugte Band weist jedoch eine mangelhafte Geometrie aus, so daß z.B. keine für die mechanische Prüfung geeigneten Proben daraus hergestellt werden konnten. Nach H.A. Davi'es u.a. (Proc. of the Second Conf . on Rapid Solidification Proccessing, 1980, Reston USA) wird bei der Herstellung von dünnen Bändern aus Ni-Legierungen durch Verwendung eines unlegierten Stahles statt Kupfer für die Walze die Oxidation an der Bandoberfläche verringert, aber nicht beseitigt. Allgemein ist bekannt, daß die Entstehung von Oxidschichten durch Arbeiten unter Schutzgas oder Im Vakuum vermieden werden kann. In den US-Patentschriften 4.318.733 und 4.362.553 wird die Herstellung von Werkzeugstählen mittels Schmelzspinnverfahren beschrieben. Die Erzeugung konvent lone I ler Werkzeugstahl Ie ist nach dieser Methode nicht möglich, da diese Stähle die Walzenoberfläche (Cu- bzw. CuBe-WaIze) nicht benetzen. Hierdurch kann sich keine stabile Schmelzpfütze ausbilden und damit liegen ungünstige Bedingungen für eine Bandbildung vor.

In den Patenten ausgewiesene Versuche zeigten, daß sich der

Schmelzstrahl beim Auftreffen auf die rotierende Abkühlwalze deformiert, tropfenförmig abbricht und die Walzenoberfläche noch schmelzflüssig verläßt. Damit wird keine Sehne Ilabkühlung reaIi- < siert. Eine Bandherstellung ist nach den o.g. Patentschriften nur möglich durch Zugabe von Bor zwischen 0,5 und 1,5 %. Das ist unökonomisch, da Bor ein teures Legierungselement ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Qualität von durch Schnellerstarrung, insbesondere Schmelzspinnverfahren hergestellten mikrokristallinen Bändern aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Ihre Geometrie und ihre Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern und die Kosten für die Durchführung des Verfahrens zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kühlwalzen aus geeigneten Werkstoffen einzusetzen und die Verfahrensparameter in Abhängigkeit vom Walzenwerkstoff und vom zu vergießenden Material so festzulegen, daß mikrokristalline Bänder aus metallischen Werkstoffen mit genauer Geometrie und guter Oberflächenbeschaffenheit herstellbar sind, wobei nicht unter Schutzgas oder in Vakuum gearbeitet werden muß.

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Der Erfindung gemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beim Sehne I Ierstarrungsvorgang mittels SchmeIzspinnverfahren benutzte Walze oder die beim Sehne Ilerstarrungsvorgang mit der Schmelze in Berührung kommende Walzenoberfläche aus einem arteigenen Werkstoff hergestellt wird. Als arteigener Werkstoff wird ein Material verwendet, das vorzugsweise der chemischen Zusammensetzung der Schmelze innerhalb der Fehlergrenzen der chemischen Analyse entspricht. Als arteigener Werkstoff gilt der Walzenwerkstoff der Erfindung gemäß auch, wenn seine chemische Zusammensetzung hinsichtlich des Grundmetalls der Legierung weniger als ♦ 5 %, der Legierungselemente mit einem NenngehaIt> 5 Gew.-% weniger als + 10 % und der Legierungselemente mit einem Nenngehalt > 1,0 Gew.-% weniger als + 20 % von der in der Schmelze vorhandenen Konzentration des jeweiligen Elements abweichen. Bei der Herstellung mikrokristalliner Bänder aus metallischen Werkstoffen nach dem Schmelzspinnverfahren wird die Schmelze aus einer Düse auf die Oberfläche der in Rotation versetzten Kühlwalze gepreßt. Bei geeigneten Verfahrensparametern bildet sich auf dor Oberfläche der Kühlwalze eine Schmelzpfütze, aus dar durch l'Äirmeabfuhr über dl« Walze das Band entsteht. Be*tlmmend hierfür ist die Ab»tlnwung d«s Werkstoffas der ViaIzanober- ^; flSche auf das zu vergießende Metall. Unterstützt wird der Vorgang der Bildung des Bandes mit den geforderten Eigenschaften durch eine geeignete Temperatur der Walzenoberfläche und durch die Koordinaten des Luftabweisers und des BandabstreIfes . Die Temperatur der Wa Izenoberflache wird zwischen 20 ⁰C und 300 ⁰C, vorzugsweise zwischen 80 ⁰C und 180 ⁰C eingestellt. Der Luftabweiser wird auf 3 bis 10 mm vor der Schmelzpfütze angeordnet. Der Bandabstreifer wird in Abhängigkeit von der geforderten Oberflächenqualität des Bandes eingestellt, wobei eine Vergrößerung der Entfernung zwischen Schmelzpfütze und BandabstreIfer eine Verlängerung der Nachkühl ze it und damit eine Verringerung der Dicke der Oxidschicht auf die Bandoberfläche bedeutet. Außerdem sind bekannte, speziell abgestimmte Verfahrensparameter wie Umfangsgeschwindigkeit, Auspreßdruck und Abstand zwischen Düse und Walze erforderlich.

Das Wesen der Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß durch Anwendung eines arteigenen Walzenwerkstoffes gegenüber

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anderen Werkstoffen eine stark verbesserte Benetzbarkeit zwischen metallischer Schmelze und Walzenoberfläche erzielt werden kann. Durch die Anwendung der Erfindung kann ein mikrokris ta I Iines Band aus metallischen Werkstoffen mit einer gegenüber dem bisherigen Stand der Technik der Verfahren zur Schnellerstarrung bedeutend verbesserten Qualität hergestellt werden. Die durch die Anwendung der Erfindung erreichten Qualitätsverbesserungen betreffen:

(1) Verringerung der Rauhigkeit der Bandober- und -Unterseite,

(2) Verbesserung der Geometrie des Bandes (homogener Querschnitt, Kantenschärfe),

(3) Vermeidung oder Verringerung der Zahl der Mikrorisse,

(4) Reduzierung bzw. gezielte Einstellung des Oxidationsgrades des Bandes,

(5) Erhöhung der Duktilität des Bandes für bestimmte Legierungen.

Die Erfindung wird im folgenden an 3 speziellen Beispielen erläutert :

Ausführungsbeispiel 1

Herstellung von Sehne IlarbeItsstahI mit mikrokristalliner Struktur nach dem Schmelzspinnverfahren. Die Abkühl walze besitzt eine chemische Zusammensetzung in den Hauptkomponenten wie folgt: Wolfram 6,6 Gew.-%, Molybdän 5,2 Gew.-Ji, Chrom 4,0 Gew.-%, Vanadin 2,1 Gew.-Ji, Kohlenstoff 0,83 Gew.-%, Rest Eisen. Der Durchmesser der Walze beträgt 200 mm, die Breite 40 mm. Die Oberfläche der Walze besitzt eine durchschnittliche Rauhigkeit von ♦ 0,15 pm. Zur Abweisung der bei der Walzenrotation mitgeführten Luftschicht wird 3 mm vor dem SchmeIzstrahlauftreffpunkt ein Luftabweiser positioniert.

Die abzugießende Legierung hat folgende chemische Zusammensetzung: Wolfram 6,35 Gew.-%, Molybdän 5,15 Gew.-%, Chrom 3,87 Gew.-Ji, Vanadin 1,98 Gew.-%, Kohlenstoff 0,82 Gew.-%, Rest Eisen. Zur Herstellung eines Bandes nach o.g. Verfahren müssen folgende Verfahrensparameter eingestellt werden:

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- Umfangsgeschwindigkeit der Walze: 13 m/s

- Abstand zwischen Düse und Walze: 0,15 mm

- Auspreßdruck: 25 kPa

- Gießtemperatur: 1570 ⁰C

- Stellung des Bandabweisers: 450 mm hinter dem Schmelz-UO strahlauftreffpunkt

- Walzentemperatur: 120 °C.

Mittels dieser aus speziellem arteigenem Werkstoff bestehenden Walze, dem definiert positionierten Luftabweiser sowie den o.g. spezifischen Verfahrensparametern war es möglich, an Luft ein schnellerstarrtes Sehne I larbeitsstahIband mit mikrokristalliner Struktur zu erzeugen. Es zeichnet sich durch eine sehr gute Maßhaltigkeit über die Länge und die Breite aus. Die durchschnittliche Bandrauhigkeit beträgt 2 pm. Das hergeste I I te Band ist außerdem völlig metallisch blank. Das ist bemerkenswert, da dieser Stahl auf Grund seines hohen KohI enstoffgehaItes an Luft stark zur Oxidation neigt. Dieses Ergebnis ist im wesentlichen auf das gute Benetzungsvermögen der Abkühlwalze, welches sich in einem sehr guten Wärmeübergang widerspiegelt und im Resultat zu einer Abgangs tempera tür des Bandes von der Walze von 540 ⁰C führt, die unterhalb des kritischen Temperaturbereiches der Oxidation liegt, zurückzuführen.

Ausführungsbeispiel 2

Es wurden Bänder einer Legierung hergestellt, die im wesentlichen aus 14,73 Gew.-% Chrom und 5,44 Gew. -Ji Aluminium bei einem

Eisengehalt von etwa. 79 Gew.-% zusammengesetzt ist.

Die Abkühlwalze ist eine Verbundwalze, deren Grundkörper aus einer Cu-Legierung und deren Oberflächenschicht aus einem Werkstoff folgender chemischer Zusammensetzung in den Hauptkomponenten besteht:

Etwa 79 Gew.-% Fe, 14,80 Gew.-% Chrom und 5,16 Gew.-% Aluminium. Die Walze hat einen Durchmesser von 400 mm und eine Breite von 70 mm. Die durchschnittliche Rauhigkeit der Walzenoberfläche beträgt + 0,25 pm.

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Folgende Verfahrensparameter wurden eingestellt:

- Position des Luftabweisers 5 mm vor dem SchmeIzstrahlauftref fpunkt

- Umfangsgeschwindigkeit der Walze: 15 m/s

- Abstand zwischen Düse und Walze: 0,2 mm

- Argongasauspreßdruck: 30 kPa

- Temperatur der Schmelze beim Abgießen: 1650 ⁰C

- Position des Bandabweisers: 300 mm hinter dem SchmeIzstrahI-auftreffpunkt

- Walzentemperatur: 100 ⁰C

Mit diesen Verfahrensparametern wurden auf der aus arteigenem Werkstoff bestehenden Oberflächenschicht der Walze metallisch blanke Bänder von 100 μιη Dicke an Luft hergestellt. Diese Bänder sind duktil und weisen eine gute Geometriekonstanz und Kantenqualität über die Band länge auf.

Ausführungsbeispiel 3

Legierung, Walzenwerkstoff und Verfahrensparameter wie in Ausführungsbeispiel 2. Durch Positionieren des Bandabweisers zwischen 300 und 100 mm hinter dem SchmeIzstrahlauftreffpunkt wurde die Bandabgangs tempera tür von der Walze zwischen 600 und 900 C eingestellt. Damit wird eine gezielte Oxidation des Bandes in einer mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre erreicht. Die Voroxidation erhöht den Gebrauchswert des Bandes aus der im Ausführungsbeispiel 2 genannten Heiz Ieiterlegierung.

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Claims (3)

Patentanspruch

1. Vorrichtung zur Herstellung mikrokristalliner metallischer Werkstoffe in Bandform durch Schnellerstarrung mittels Schmelzspinnverfahren, gekennzeichnet dadurch, daß

- die chemische Zusammensetzung der verwendeten Kühlwalze innerhalb der folgenden Fehlergrenzen mit der chemischen Zusammensetzung der Schmelze übereinstimmt:

- Grundmetall der Legierung: ♦ 5,0 %

- Legierungselemente mit Gehalten von mehr als 5,0 Gew.-%: + 10 %

- Legierungselemente mit Gehalten von 1 bis 5 Gew.-%: + 20 %

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

- die Kühlwalze aus mindestens 2 verschiedenen Werkstoffen besteht,

- die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht dem Anspruch 1 entspricht.

3. Verfahren zur Herstellung mikrokristalliner Bänder, das die Kühlwalze nach Anspruch 1 oder 2 verwendet, gekennzeichnet dadurch, daß

- eine Oberflächentenperatur der Kühlwalze zwischen 20 ⁰C und 300 ⁰C, vorzugsweise zwischen 80 ⁰C und 180 ⁰C verwendet wird,

- ein Luftabweiser in einer Entfernung von 3 bis 10 mm vor der Schmelzpfütze verwendet wird und

- die Bandabgangs temperatur mittels Abstreifer eingestellt wi rd.