DE69712091T2

DE69712091T2 - Abschreckoberfläche mit einer feinen gleichachsigen kornstruktur

Info

Publication number: DE69712091T2
Application number: DE69712091T
Authority: DE
Inventors: Fong Chang; J. Decristofaro; H. Liebermann; Derek Raybould; Davis Teller
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Metglas Inc
Priority date: 1996-08-19
Filing date: 1997-08-19
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: WO1998007535A1; ATE216295T1; DE69712091D1; HK1032019A1; CN1233198A; JP2000501341A; EP0944447B1; CN1116137C; EP0944447A1; JP3194268B2; US5842511A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Bändern oder Drähten durch schnelles Abschrecken einer geschmolzenen Legierung und insbesondere Charakteristiken der Oberfläche, mit denen das schnelle Abschrecken erzielt wird. Es hat sich überraschend herausgestellt, daß eine Abschreckoberfläche mit einer feinen, gleichachsigen umkristallisierten Mikrostruktur, die eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung aufweist, die Qualität der Oberflächenbearbeitung des schnell verfestigten Streifens verbessert.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Legierungsstreifen werden durch Abscheiden einer geschmolzenen Legierung auf ein sich drehendes Gießrad kontinuierlich gegossen. Es bilden sich Streifen, wenn der Strom aus geschmolzener Legierung durch die sich bewegende Abschreckoberfläche des Rades verdünnt und verfestigt wird. Für den Strangguß muß diese Abschreckoberfläche die mechanische Beschädigung aushalten, die sich aus der zyklischen Beanspruchung ergeben kann, die beim Gießen durch die periodischen Temperaturschwankungen entstehen. Zu den Mitteln, mit denen eine verbesserte Leistung der Abschreckoberfläche erzielt werden kann, zählen die Verwendung von Legierungen mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen mechanischen Festigkeit. Beispiele dafür sind Kupferlegierungen verschiedener Arten, Stähle und dergleichen. Siehe z. B. Zusammenfassung von JP-A-62 097748, die ein aus einer Kupferlegierung hergestelltes Gießrad lehrt, das wärmebehandelt wird, um eine Kristallkorngröße ≤ 1000 um zu erzielen. Es können aber auch verschiedene Oberflächen auf die Abschreckoberfläche des Gießrades plattiert werden, um seine Leistung zu verbessern, wie in dem Europäischen Patent Nr. EP0024506 offenbart wird. Ein geeigneter Gießvorgang wird in dem US-Patent 4,142,571 näher dargelegt.
Gießradabschreckoberflächen des Stands der Technik beinhalten allgemein eine von zwei Formen: monolithisch oder als Komponente. Monolithische Abschreckoberflächen umfassen einen massiven Block aus Legierung, der in die Form eines Gießrads gebracht wurde und teilweise mit Kühlkanälen versehen ist. Komponentenabschreckoberflächen umfassen mehrere Stücke, die bei Zusammenbau ein Gießrad darstellen, wie in dem US-Patent Nr. 4,537,239 offenbart. Die Gießradabschreckoberflächenverbesserungen der vorliegenden Offenbarung lassen sich auf alle Arten von Gießrädern anwenden.
Wenn für die Konstruktion einer Gießradabschreckoberfläche Materialien ausgewählt werden, sind allgemein bestimmte mechanische Eigenschaften wie etwa Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze und Dehnung berücksichtigt worden, manchmal kombiniert mit der Wärmeleitfähigkeit. Dies geschah in dem Bemühen, für eine gegebene Legierung die bestmögliche Kombination der Wärmeleitfähigkeit und mechanischen Festigkeit zu erhalten. Dafür gibt eines Grunde genommen zwei Gründe: 1) die Bereitstellung eines starken Abschreckens bei dem Gießen, 2) der mechanischen Beschädigung der Abschreckoberfläche zu widerstehen, die eine Verschlechterung der geometrischen Definition des Streifens hervorruft. Um eine Abschreckoberfläche zu entwickeln, die hervorragende Leistungscharakteristiken aufweist, müssen auch dynamische oder zyklische mechanische Eigenschaften berücksichtigt werden.
Eine Konsequenz einer schlechten Auswahl des Materials ist eine schnelle Verschlechterung der Gießradoberfläche aufgrund der Ausbildung von Löchern. Löcher sind kleine Defekte, die üblicherweise zu beobachten sind, wenn sie größer als etwa 0,1 mm tief sind; mit anhaltendem Gießen wächst ihre Tiefe und ihr Durchmesser. Diese Oberflächenunregelmäßigkeiten führen zu entsprechenden Defekten, "Zacken", in dem gegossenen Band. Diese Zacken beeinflussen nicht nur die Oberflächengüte des Bandes, sondern können auch seine Nützlichkeit bei Anwendungen wie etwa Transformatorkernen, Antidiebstahlsystemen und hartgelöteten Gegenständen reduzieren. Die Wichtigkeit dieser Oberflächendefekte für den Wert des schnell abgeschreckten Bands und die Zufriedenheit des Kunden ist offensichtlich.
Die Oberflächendefekte begrenzen die Lebensdauer der Gießradabschreckoberfläche und reduziert die Oberflächenqualität von daraufgegossenen Bändern. Dies wiederum reduziert die Nützlichkeit eines derartigen Bandes für den Kunden, dessen Designs Eigenschaften berücksichtigen müssen, die mit der schlechtesten Oberflächenqualität des Bandes verbunden sind, die er möglicherweise erhält. Selbst wenn die mechanischen und thermischen Eigenschaften gut ausgewählt werden, wie dies der Fall ist bei Cu Cr- und Cu Be-Legierungen, setzt sich die Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit einer Gießradabschreckoberfläche schnell fort. In der Technik besteht ein Bedarf einer Abschreckoberfläche, die einer schnellen Verschlechterung widersteht und über einen längeren Zeitraum hinweg Bänder mit einer defektfreien Oberfläche erzeugt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Abschreckoberfläche für eine Vorrichtung zum Stranggießen von Legierungsstreifen bereit. Allgemein ausgedrückt weist die Vorrichtung ein Gießrad auf, das eine sich schnell bewegende Abschreckoberfläche umfaßt, die eine darauf abgeschiedene geschmolzene Legierungsschicht abkühlt, damit sie schnell zu einem kontinuierlichen Legierungsstreifen verfestigt. Die Abschreckoberfläche besteht aus einer wärmeleitenden Legierung mit einer Mikrostruktur mit feinen, gleichachsigen, umkristallisierten Körnern, wobei die mittlere Korngröße unter 200 um liegt und keines der Körner größer als 500 um ist, die eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung aufweisen.
Das Gießrad der vorliegenden Erfindung weist wahlweise ein Kühlmittel auf, um die Abschreckoberfläche während der ganzen Zeit, in der geschmolzene Legierung darauf abgeschieden und abgeschreckt wird, auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur zu halten. In einer beabstandeten Beziehung zu der Abschreckoberfläche ist eine Düse angebracht, aus der geschmolzene Legierung ausgestoßen wird. Die geschmolzene Legierung wird durch die Düse auf ein Gebiet der Abschreckoberfläche gerichtet, auf dem es abgeschieden wird. Ein mit der Düse in Verbindung stehender Behälter hält einen Vorrat an geschmolzener Legierung und führt ihn der Düse zu.
Bevorzugt umfaßt die Abschreckoberfläche feine, gleichachsige, umkristallisierte Körner, die eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung und eine mittlere Korngröße von unter 80 um aufweisen. Durch die Verwendung einer Abschreckoberfläche mit diesen Qualitäten wird die Lebensdauer der Abschreckoberfläche wesentlich verlängert. Die Laufzeiten für auf der Abschreckoberfläche duchgeführte Gußstücke sind wesentlich verlängert, und die Quantität an während jedem Lauf gegossenem Material wird um einen Faktor von bis zu drei oder darüber vergrößert. Auf die Abschreckoberflächen gegossene Bänder weisen viel weniger Oberflächendefekte und somit einen größeren Packfaktor (% Laminierung) auf; außerdem ist die Effizienz von aus derartigen Bändern hergestellten Stromleistungsverteilungstransformatoren verbessert. Das Laufverhalten der Abschreckoberfläche beim Gießen ist von einem Guß zu einem anderen bemerkenswert übereinstimmend, mit dem Ergebnis, daß die Laufzeiten mit im wesentlichen der gleichen Dauer wiederholt werden können und die zeitliche Planung der Wartung erleichtert ist. Vorteilhafterweise sind die Erträge von auf derartigen Oberflächen schnell verfestigten Bändern deutlich verbessert, die Wartung der Oberflächen ist minimiert und die Zuverlässigkeit des Prozesses ist erhöht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein besseres Verständnis der Erfindung und weitere Vorteile ergeben sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Vorrichtung zum Strangguß von Metallstreifen;
Fig. 2 den Effekt der zweigipfeligen Korngrößenverteilung (quantifiziert durch den Flächenprozentsatz großer Körner) auf die Lebensdauer heißgeschmiedeter Gießräder mit herkömmlichen Abschreckoberflächen;
Fig. 3 die Korngrößenverteilung "guter" und "schlechter" heißgeschmiedeter Räder, die die zweigipfelige Korngrößenverteilung zeigt;
Fig. 4 die Art und Weise, wie die Kaltbearbeitung die mittlere Korngröße beeinflußt;
Fig. 5 die Korngrößenverteilung, die durch die Kaltbearbeitung des Rades wie hier beschrieben erhalten wird;
Fig. 6 eine Mikroaufnahme eines kaltgeschmiedeten Rades, das die umkristallisierte Mikrostruktur zeigt, wobei die mittlere Korngröße unter 30 um liegt. Die für dieses Rad gegossene normierte Bandquantität betrug 2,9.
Fig. 7 eine Mikroaufnahme eines heißgeschmiedeten Rades, wobei die mittlere Korngröße unter 30 um liegt. Die für dieses Rad gegossene normierte Bandquantität betrug 1,7.
Fig. 8 eine Mikroaufnahme eines kaltgeschmiedeten und gealterten Rads, wobei die mittlere Korngröße unter 30 um lag. Die für dieses Rad gegossene normierte Bandquantität betrug 0,3.
Fig. 9 eine durch Extrusion erhaltene Korngrößenverteilung, die eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung zeigt;

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Begriff "amorphe Metallegierungen" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf eine Metallegierung, die im wesentlichen keine großflächige Ordnung aufweist und durch Intensitätsmaxima der Röntgenstrahlenbeugung gekennzeichnet ist, die denen, welche für Flüssigkeiten oder Gläser aus anorganischen Oxiden beobachtet werden, qualitativ ähnlich sind.
Der Begriff "mikrokristalline Legierung" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf eine Legierung, die eine Korngröße von unter 10 um (0,0004 Zoll) aufweist. Bevorzugt hat eine solche Legierung eine Korngröße im Bereich von etwa 100 nm (0,000004 Zoll) bis 10 um (0,0004 Zoll) und besonders bevorzugt von etwa 1 um (0,00004 Zoll) bis 5 um (0,0002 Zoll).
Es wird davon ausgegangen, daß die Korngröße, wie sie in diesem Dokument verwendet wird, durch einen Bildanalysator bestimmt worden ist, der direkt auf eine Legierungsprobe sieht, die poliert und korrekt geätzt worden ist, um Korngrößen sichtbar zu machen. Die mittlere Korngröße wurde unter Verwendung von fünf zufällig gewählten verschiedenen Stellen innerhalb der Probe bestimmt. In allen Fällen wurde die Vergrößerung auf die reduziert, bei der die größten Körner in der Probe ganz in das Blickfeld paßten. Bei etwaigen Unsicherheiten wurde die Korngröße bei verschiedenen Vergrößerungen bestimmt, um sicherzustellen, daß sie sich nicht mit der Vergrößerung ändert.
Der Begriff "Streifen" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf einen schmalen Körper, dessen Querabmessungen viel kleiner sind als seine Länge. Ein Streifen umfaßt somit einen Draht, ein Band oder ein Blatt, die alle einen regelmäßigen oder unregelmäßigen Querschnitt haben können.
Der Begriff "schnelle Verfestigung" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument durchgängig in der Spezifikation und in den Ansprüchen verwendet wird, auf die Abkühlung einer Schmelze mit einer Geschwindigkeit von mindestens 104 bis 106ºC/s. Es steht eine Vielzahl von Verfahren zur schnellen Verfestigung zur Verfügung, um Streifen im Rahmen des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung herzustellen, wie z. B. Spritzabscheidung auf eine gekühlte Oberfläche, Strahlgießen, Gießen mit einem planaren Strom usw.
Der Begriff "Rad" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf einen Körper, der im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und (in der axialen Richtung) eine Breite hat, die kleiner ist als sein Durchmesser. Im Gegensatz dazu geht man bei einer Walze im allgemeinen davon aus, daß ihre Breite größer ist als ihr Durchmesser.
Der Begriff "wärmeleitend" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, darauf, daß die Abschreckoberfläche einen Wärmeleitfähigkeitswert von über 40 W/mK und unter etwa 400 W/mK und besonders bevorzugt über 60 W/mK und unter etwa 400 W/mK und ganz besonders bevorzugt über 80 W/mK und unter 400 W/mK aufweist.
Der Begriff "gegossene normierte Bandquantität" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf die auf ein Standardrad normierte Quantität/Masse an Band, die auf ein bestimmtes Rad gegossen werden konnte.
Der Begriff "Lösungswärmebehandlung" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf die Erhitzung der Legierung auf eine Temperatur, bei der sich alle Legierungszuschläge in Lösung befinden. Dies führt oftmals dazu, daß es zu einer Umkristallisierung kommt, wenn sich die Legierungszuschläge in Lösung befinden. Die eigentliche Lösungswätmebehandlungstemperatur hängt von der Legierung ab. Eine Kupferberylliumlegierung 25 wird üblicherweise im Bereich 745 bis 810ºC lösungsbehandelt. Nach der Lösungswärmebehandlung wird die Legierung schnell abgekühlt, um die Legierungszuschläge in Lösung zu halten. In diesem Zustand ist die Legierung weich und duktil und läßt sich leicht bearbeiten.
Der Begriff "Altern" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf den Einsatz niedriger Temperaturen, mit dem Legierungszuschläge aus der lösungwärmebehandelten Legierung ausgefällt werden. Durch die Ausfällung festigender Phasen wird die Legierung gehärtet. Die Alterungszeiten und -temperatur werden optimiert, um die maximale Härte und somit Festigkeit zu erhalten. Die Kupferberylliumlegierung 25 wird üblicherweise 1/2 bis 4 Stunden lang bei 260 bis 370ºC gealtert. Eine übermäßige Alterungszeit führt zu einem Verlust an Härte, Festigkeit und Duktilität. Da Kupferberylliumlegierungen üblicherweise in dem lösungswärmebehandelten Zustand vertrieben werden, wird die Alterung von Kupferberylliumlegierungen üblicherweise einfach als "Wärmebehandlung" bezeichnet.
Der Begriff "Gaußsche" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, auf eine normale Standardverteilung um einen Mittelwert herum. Bei bestimmten, in der Nähe von Null liegenden Werten bei den Beispielen ist die Verteilung positiv schief, da die Körner keine negativen Werte aufweisen können. In dieser Arbeit werden derartige Fälle der Einfachheit halber weiterhin als eine Gaußsche Verteilung bezeichnet.
Der Begriff "eng" bezieht sich, so wie er in diesem Dokument verwendet wird, darauf, daß um die Gaußsche oder Normalverteilung herum sehr wenig Varianz vorliegt. Der Ausdruck "enge Gaußsche Verteilung" könnte auch als Gegenstück zu einer breiten Gaußschen Verteilung verwendet werden.
In dieser Spezifikation und in den beigefügten Ansprüchen wird die Vorrichtung unter Bezugnahme auf den Abschnitt eines Gießrades beschrieben, der sich auf dem Umfang des Rades befindet und als Abschreckoberfläche dient. Es versteht sich, daß die Prinzipien der Erfindung auch auf Konfigurationen der Abschreckoberfläche anwendbar sind, wie z. B. auf einem Gurt, dessen Form und Struktur sich von denen eines Rades unterscheiden, oder auf Konfigurationen des Gießrades, bei denen der Abschnitt, der als Abschreckoberfläche dient, auf der Vorderseite des Rades oder einem anderen Teil des Rades und nicht an dem Umfang des Rades angebracht ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Abschreckoberfläche zur Verwendung bei der schnellen Verfestigung, einen Prozeß zur Verwendung der Abschreckoberfläche bei der schnellen Verfestigung von Metallstreifen und einen Prozeß zur Herstellung der Abschreckoberfläche bereit.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird allgemein bei 10 eine Vorrichtung für das schnelle Verfestigen von Metallstreifen gezeigt. Die Vorrichtung 10 weist ein ringförmiges Gießrad 1 auf, das auf seiner Längsachse drehbar montiert ist, einen Behälter 2 für die Aufnahme geschmolzenen Metalls und Induktionserwärmungswicklungen 3. Der Behälter 2 steht mit der schlitzförmigen Düse 4 in Verbindung, die in der Nähe der Oberfläche 5 des ringförmigen Gießrades 1 montiert ist. Der Behälter 2 ist außerdem mit nicht gezeigten Mitteln ausgestattet, um das darin enthaltene geschmolzene Metall unter Druck zu setzen und so dessen Ausstoß durch die Düse 4 zu bewirken. Bei Betrieb wird geschmolzenes Metall, das unter Druck in dem Behälter 2 gehalten wird, durch die Düse 4 auf die sich schnell bewegende Gießradoberfläche 5 ausgestoßen, auf der es sich verfestigt und den Streifen 6 bildet. Nach der Verfestigung löst sich der Streifen 6 von dem Gießrad und wird von ihm weggeschleudert, um von einer nicht gezeigten Aufwickelvorrichtung oder einer anderen geeigneten Auffangvorrichtung erfaßt zu werden.
Das Material, aus dem die Gießradabschreckoberfläche 5 besteht, kann Kupfer oder ein beliebiges anderes Metall bzw. eine beliebige andere Legierung mit einer verhältnismäßig hohen Wärmeleitfähigkeit sein. Diese Anforderung gilt insbesondere dann, wenn gewünscht wird, einen amorphen oder metastabilen Streifen herzustellen. Zu bevorzugten Konstruktionsmaterialien für die Oberfläche 5 zählen durch Ausfällung gehärtete Kupferlegierungen, wie etwa Chromkupfer oder Berylliumkupfer, dispersionsgehärtete Legierungen und sauerstofffreies Kupfer. Falls gewünscht, kann die Oberfläche 5 hochgradig poliert oder mit Chrom plattiert usw. werden, um einen Streifen mit glatten Oberflächeneigenschaften zu erhalten. Um einen zusätzlichen Schutz vor Erosion, Korrosion oder thermischer Ermüdung bereitzustellen, kann die Oberfläche des Gießrades mit einem geeigneten beständigen oder schwerschmelzenden Material beschichtet werden. In der Regel kann ein keramischer Überzug oder ein Überzug aus korrosionsfestem, schwerschmelzendem Metall verwendet werden, vorausgesetzt die Benetzbarkeit des geschmolzenen Metalls oder der geschmolzenen Legierung, das bzw. die auf die gekühlte Oberfläche gegossen wird, ist angemessen.
Das Abscheiden einer geschmolzenen Legierung auf der Abschreckoberfläche, wenn sich das Rad während des Gießens dreht, führt zu einem großen radialen Wärmegradienten in der Nähe der Oberfläche und großen thermischen zyklischen Beanspruchungen. Diese Effekte können zusammen die Abschreckoberfläche während des Gießens verschlechtern.
Es hat sich herausgestellt, daß die oben beschriebenen Probleme hinsichtlich mechanischer Verschlechterung durch Verwendung einer Abschreckoberfläche minimiert werden können, die aus feinen, gleichachsigen, umkristallisierten Körnern mit einer engen Gaußschen Korngrößenverteilung besteht, wobei im wesentlichen kein Korn größer als 500 um ist. Legierungen auf Kupferbasis weisen in der Regel eine zweigipfelige Korngrößenverteilung auf. Kupferlegierungen sind sogar die einzigen Legierungen, für die der Korngrößenstandard ASTM E112 der American Society of Testing & Measurement gestattet, daß die mittlere Korngröße durch zwei Korngrößen spezifiziert wird. Von den beiden spezifizierten Größen ist eine Größe für die feinen Körner und eine Größe für die großen Körner. Typische Werte für diese Größen würden bei 100 um bzw. 600 um liegen. Für Kupferlegierungen ist ein Bereich von Korngrößen von etwa 5 bis 1000 um normal.
Die üblicherweise in Kupferlegierungen wegen der zweigipfeligen Korngrößenverteilung auftretende große Korngröße ist der Haltbarkeit des Gießrades abträglich.
Eine Reihe von durch Heißschmieden hergestellten Kupfergießrädern wurden ausführlich untersucht. Sie wiesen alle eine typische zweigipfelige Verteilung auf, wie sie durch die ASTM-Korngröße 20 und 500 um dargestellt wird. Es hat sich herausgestellt, daß es möglich ist, den Grad der zweigipfeligen Verteilung zu quantifizieren und die große Korngröße dadurch etwas zu berücksichtigen, daß zum Bestimmen des Prozentsatzes des Gießradmaterials mit einer Korngröße über 250 um ein Bildanalysator verwendet wurde. Wie in Fig. 2 gezeigt, wiesen die heißgeschmiedeten Räder mit einem hohen Prozentsatz großer Körner eine kleine gegossene normierte Bandquantität auf, während die mit einem kleinen Prozentsatz eine viel größere gegossene normierte Bandquantität aufwiesen. Fig. 3 zeigt die Korngrößenverteilung "guter" und "schlechter" Räder. Während jedes der "guten" und "schlechten" Räder zweigipfelige Verteilungen aufweist, hat das Rad mit der höheren gegossenen normierten Quantität (1,4 im Vergleich zu 0,04) weniger große Körner. Große Körner und eine zweigipfelige Korngrößenverteilung sind eindeutig einer Abschreckoberflächenleistung beim Stranggießen von Metall- oder Legierungsstreifen abträglich. Unter diesen Umständen erfolgt die Verschlechterung der Abschreckoberfläche spezifisch durch die Ausbildung sehr kleiner Risse in ihrer Oberfläche. Danach abgeschiedenes geschmolzenes Metall oder geschmolzene Legierung dringt dann in diese kleinen Risse ein, verfestigt sich darin und wird zusammen mit dem benachbarten Abschreckoberflächenmaterial herausgezogen, wenn der gegossene Streifen während des Betriebs von der Abschreckoberfläche getrennt wird. Der Verschlechterungsprozeß ist negativ und wird im Lauf der Zeit zunehmend schlechter. Gerissene oder herausgezogene Flecken auf der Abschreckoberfläche werden als "Gruben" bezeichnet, während die an der Unterseite des gegossenen Streifens haftenden zugeordneten replizierten Vorsprünge als "Zacken" bezeichnet werden.
Es sollte vorteilhaft sein, die zweigipfelige Verteilung zu reduzieren, indem der Flächeninhalt großer Körner weiter reduziert wird. Es ist jedoch schwierig, mit herkömmlichen Heißschmiedeprozessen eine im wesentlichen 100% feine Korngröße zu erhalten. Bei dem herkömmlichen Heißschmieden wird üblicherweise das Metall durch einzelne Hammerschläge zu einer ringförmigen Abschreckoberfläche bearbeitet, um es zur Entwicklung einer hohen Festigkeit für die darauf folgende Wärmebehandlung vorzubereiten. Die Begrenzung dieses mechanischen Bearbeitungsverfahrens besteht größtenteils in seinem diskreten zunehmenden Charakter. Das heißt, nicht alle Volumenelemente der Abschreckoberfläche werden gleichmäßig bearbeitet, und es können nachträgliche zweigipfelige Korngrößenverteilungen auftreten, wobei große Körner in einer Matrix feiner Körner auftreten.
Aus diesem Grund wurden andere Herstellungswege erforscht. Dazu zählen die Vor- und Rückextrusion, das Fließformen und das Heiß- und Kaltschmieden. Mehrere stellten eine homogene feinkörnige Mikrostruktur bereit. Wenngleich einige dieser die Lebensdauer des Rades verbesserten, so hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß sogar mit einer extrem feinen Korngröße (< 30 um) eine sehr geringe gegossene normierte Bandquantität erhalten werden konnte. Es stellte sich heraus, daß die Leistung selbst bei einer feinen, gleichförmigen Korngröße von der Mikrostruktur innerhalb des Korns abhing. Es wurde für das Rad eine gute, mäßige oder sehr schlechte Lebensdauer erhalten, obwohl die mittlere Korngröße jedes der Räder unter 30 um lag und kein Korn größer als 250 um war.
Die besten Ergebnisse wurden überraschenderweise mit Techniken erhalten, die feine, gleichachsige, umkristallisierte Körner mit einer engen Gaußschen Korngrößenverteilung bildeten. Die Vorzüge einer derartigen Mikrostruktur sind nicht auf eine längere Lebensdauer des Rades begrenzt, sondern beinhalten auch eine bessere Ausrüstungsnutzung und die Herstellung von Bändern mit einer ausgezeichneten Oberflächengüte. Im Fall eines aus magnetischen Legierungen hergestellten Bandes ergibt eine bessere Oberflächengüte einen höheren Packungsfaktor und einen effizienteren Transformator. Es hat sich herausgestellt, daß die mit einer verbesserten Banqualität verbundenen Vorzüge wesentlich zunehmen, nachdem das Band effektiv "zackenfrei" gemacht worden ist.
Die folgenden Beispiele werden angeführt, um ein umfassenderes Verständnis der Erfindung zu liefern. Die spezifischen Techniken, Bedingungen, Materialien, Proportionen und berichteten Daten, die dargelegt wurden, um die Prinzipien und Praxis der Erfindung zu veranschaulichen, sind beispielhaft und sollten nicht als den Schutzbereich der Erfindung einschränkend ausgelegt werden.

BEISPIEL 1

Ein Block aus der Kupferberylliumlegierung 25 wurde bei 700ºC seitlich heißgeschmiedet und durchstochen, wonach er heißgeschmiedet und dann auf die endgültige gewünschte Gießradgröße kaltgeschmiedet wurde. Insbesondere wurde der Strang auf eine Zwischengröße heißgeschmiedet und dann einer 30% Kaltreduktion auf die endgültige Radgröße unterzogen. Fig. 4 zeigt die mittlere Korngröße, die für Proben angesichts einer standardmäßigen Heißschmiedung erhalten wurden, und dann vor einer standardmäßigen Lösungswärmebehandlung auf variierende Reduktionen kaltgeschmiedet. Die erhaltene Korngröße bleibt für einen großen Bereich der Kaltbearbeitung konstant, und es wird erwartet, daß sie sich außerhalb des in Fig. 4 untersuchten Zwischenbereichs nur geringfügig ändert.
Das 30% kaltbearbeitete Gießrad erhielt dann eine standardmäßige Lösungswärmebehandlung und Alterung Vor der maschinellen Bearbeitung auf die präzisen Radabmessungen und -toleranzen. Die resultierende Gaußsche Korngrößenverteilung ist in Fig. 5 gezeigt. Diese in Fig. 6 gezeigten feinen, gleichachsigen, umkristallisierten Körner führten zu diesem Rad mit einer extrem langen Lebensdauer. Das von den Fig. 5 & 6 beschriebene Rad wies eine gegossene, normierte Bandquantität von 2,9 auf, was etwa der doppelte Wert des in Fig. 2 beschriebenen "besten" heißgeschmiedeten Rades ist.
In den meisten Fällen wies das unter Verwendung dieses Rades hergestellte Band keine Zacken auf. Dadurch war sein Laminationsfaktor erhöht. Es ist somit offensichtlich, daß dieses Band erwünscht ist.
Durch den oben beschriebenen Prozeß wurden weitere Gießräder hergestellt. In allen Fällen bestand die Radmikrostruktur aus feinen, umkristallisierten, gleichachsigen Körnern, die eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung aufwiesen. Alle diese Gießräder hatten bei Messung durch gegossene, normierte Bandquantität eine hervorragende Gießleistung. Diese Information ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
* Die in Tabelle 1 aufgeführten Korngrößen wurden unter Verwendung plastischer Nachbildungen der Radoberfläche erhalten, was den Vorteil hat, daß es sich dabei um eine zerstörungsfreie Technik handelt. Durch diese Technik erhält man eine geringfügig größere Korngröße (~+10 um für diese Mikrostrukturen) als die hier für alle anderen Korngrößenmessungen verwendete zerstörende Technik:

BEISPIEL 2

Ein Block der Kupferberylliumlegierung 25 wurde bei 700ºC seitlich heißgeschmiedet und durchstochen, wie in Beispiel 1. Bei diesem Beispiel wurde der Strang dann durchgehend bis zu der endgültigen Gießradgröße heißgeschmiedet. Man erhielt eine homogene Mikrostruktur mit einer sehr feinen mittleren Korngröße unter 30 um. Durch das Fehlen der Kaltbearbeitung waren jedoch nicht alle Körner gleichachsig, innerhalb der Körner wurden Anlaßzwillinge gefunden und die Korngrößenverteilung hatte keine Gaußsche Form. Die Mikrostruktur dieses Rades ist in Fig. 7 gezeigt. Obwohl die Mikrostruktur homogen war und die mittlere Korngröße sehr fein war (unter 30 um), betrug die gegossene, normierte Bandquantität des Gießrades nur 1,7. Dieser Wert für die gegossene, normierte Bandquantität war viel kleiner als der in Beispiel 1 erhaltene Wert von 2, 9, wenn das Rad auf im wesentlichen die gleiche Weise mit Ausnahme der letzten Kaltbearbeitung verarbeitet wurde.

BEISPIEL 3

Ein Block der Kupferberylliumlegierung 25 wurde bei 700ºC seitlich heißgeschmiedet und durchstochen. Der Strang wurde dann auf eine Zwischengröße heiß geschmiedet und erhielt eine 30% Kaltreduktion auf die endgültige Radgröße wie in Beispiel 1. Nach der Kaltbearbeitung wurde das Material gealtert. Im Gegensatz zu dem gelösten und gealterten Material von Beispiel 1 erhielt man in diesem Fall keine umkristallisierte Mikrostruktur. Das Rad wies statt dessen eine feine homogene Mikrostruktur mit stark verformten Körnern mit einer mittleren Korngröße von 15 um und einer Gaußschen Korngrößenverteilung auf, wobei kein Korn größer als 200 um war. Es sollte zu erwarten sein, daß diese in Fig. 8 gezeigte homogene feine Mikrostruktur eine sehr hohe gegossene, normierte Bandquantität aufwies. Das Gießrad wies jedoch einen extrem schlechten Wert der gegossenen normierten Bandquantität von 0,3 auf, was viel weniger ist als der des mittleren standardmäßigen Rades, das eine wesentlich größere Korngröße aufweist.
Alle in Beispiel 1, 2 und. 3 beschriebenen Räder hatten eine mittlere Korngröße unter 30 um, aber sehr verschiedene Mikrostrukturen. Nur das Rad von Beispiel 1, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und eine Mikrostruktur aufweist, die durch feine, gleichachsige, umkristallisierte Körner mit einer engen Gaußschen Korngrößenverteilung gekennzeichnet ist, weist eine hervorragende Gießleistung auf.

BEISPIEL 4

Gießräder wurden durch die direkte Heißextrusion eines Rohres gebildet. Ein Block der Kupferberylliumlegierung 25 wurde durch Heißschmieden gestaucht, damit er in den Extrusionsbehälter paßte. Er wurde dann, während er noch heiß war, auf den Innendurchmesser des zu extrudierenden Rohres durchstochen. Nach dem Durchstechen wurde der Strang abgekühlt, untersucht und dann wieder auf die Extrusionstemperatur von 650ºC erhitzt. Die Größe des Extrusionsbehälters wurde so gewählt, daß man ein Reduktionsverhältnis von etwa 10 : 1 erhielt, um sicherzustellen, daß der Block eine gleichförmig hohe Verformung erhielt. Das extrudierte Rohr erhielt dann eine standardmäßige Lösungswärmebehandlung und wurde gealtert. Dann wurde es in Scheiben geschnitten und jede Scheibe wurde auf die präzisen Abmessungen und Toleranzen des Gießrades maschinell bearbeitet.
Es stellte sich heraus, daß die resultierende Mikrostruktur gleichachsig war und durch eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung gekennzeichnet war, wie in Fig. 9 gezeigt. Die Körner wurden umkristallisiert und waren als solche im wesentlichen frei von Versetzungen, die sowohl mit der Kaltbearbeitung als auch der Heißbearbeitung dieser Legierungen verbunden sind.

BEISPIEL 5

Ein Block der Kupferberylliumlegierung 25 wurde durch Heißschmieden gestaucht, durchstochen und dann unter Verwendung der in Beispiel 4 beschriebenen Vorgehensweise heiß zu einem Rohr vorwärts extrudiert. Dieses Rohr wurde dann auf die erforderlichen Abmessungen für ein Gießrad kaltfließgeformt, wodurch man eine Reduktion von 50% erhielt. Wie Fig. 4 zeigt, könnte zum Erzielen der optimalen Korngröße eine Kaltreduktion von 20 bis 70% verwendet werden. Das fließgeformte Rohr erhielt eine standardmäßige Lösungwärmebehandlung, Alterung und maschinelle Bearbeitung auf die erforderlichen Toleranzen. Die Mikrostruktur bestand aus gleichachsigen Körnern mit einer engen Gaußschen Korngrößenverteilung und einer mittleren Korngröße von etwa 30 um.
Anstatt des Fließformens können andere mechanische Bearbeitungsprozesse verwendet werden. Einer ist das Kaltsattelschmieden, von dem sich zeigte, daß es zu umkristallisierten Körnern mit einer extrem engen Gaußschen Korngrößenverteilung mit einer mittleren Korngröße von 20 um führte. Dieses Rad wies einen hohen gegossenen normierten Bandquantitätswert von 2,0 auf. Ein weiterer mechanischer Bearbeitungsprozeß ist das Ringwalzen, bei dem eine ringförmige Abschreckoberfläche durch jedes Volumenelement hindurch kontinuierlich mechanisch verformt wird. Diese kontinuierlichen Verformungsprozesse erzeugen eine sehr feine gleichförmige Korngröße gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen mechanischen Prozessen können zahlreiche Wärmebehandlungsschritte, die entweder zwischen den mechanischen Verformungsprozessen oder während dieser durchgeführt werden, verwendet werden, um die Verarbeitung zu erleichtern und/oder die Abschreckoberflächenkörner umzukristallisieren und die härtenden Phasen in der Abschreckoberflächenlegierung zu erzeugen.
Nachdem die Erfindung recht ausführlich beschrieben worden ist, ist zu verstehen, daß diese Einzelheiten nicht streng befolgt werden müssen, sondern daß sich dem Fachmann zahlreiche Änderungen und Modifikationen ergeben, die alle in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, fallen.

Claims

1. Abschreckoberfläche zur schnellen Verfestigung einer geschmolzenen Legierung zu einem Streifen mit einer mikrokristallinen oder amorphen Struktur, wobei die Abschreckoberfläche aus einer wärmeleitenden Legierung mit einer Mikrostruktur aus feinen, gleichachsigen, umkristallisierten Körnern mit einer mittleren Größe von unter 200 um besteht, wobei keines der Körner größer als 500 um ist, wobei die Körner eine enge Gaußsche Korngrößenverteilung aufweisen.

2. Abschreckoberfläche nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Legierung auf der Basis von Kupfer ist.

3. Abschreckoberfläche nach Anspruch 2, wobei die wärmeleitende Legierung eine ausscheidungsgehärtete Kupferlegierung ist.

4. Abschreckoberfläche nach Anspruch 2, wobei die wärmeleitende Legierung eine dispersionsgehärtete Kupferlegierung ist.

5. Abschreckoberfläche nach Anspruch 2, wobei die wärmeleitende Legierung eine Berylliumkupferlegierung ist.

6. Abschreckoberfläche nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine im wesentlichen homogene Mikrostruktur aufweist, bei der die Körner eine mittlere Größe von unter 100 um aufweisen.

7. Abschreckoberfläche nach Anspruch 1, wobei die Legierung eine im wesentlichen homogene Mikrostruktur aufweist, bei der die Körner eine mittlere Größe von unter 30 um aufweisen.

8. Mechanischer Ausformungs-/Wärmebehandlungsprozeß zur Herstellung der Abschreckoberfläche von Anspruch 1, wobei die Abschreckoberfläche vor dem letzten Schritt der Lösungswärmebehandlung extrudiert und dann ringgewalzt wird.

9. Prozeß nach Anspruch 8, wobei die Abschreckoberfläche vor dem letzten Schritt der Lösungswärmebehandlung und Alterung bei niedriger Temperatur und mit einem mittleren Extrudierverhältnis extrudiert wird.

10. Prozeß nach Anspruch 8, wobei die Abschreckoberfläche vor dem letzten Schritt der Lösungswärmebehandlung und Alterung heißgeschmiedet und dann kaltgeschmiedet wird.