EP0009603A1 - Method and apparatus for the production of metallic strips - Google Patents
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Definitions
- the preferred speed of the relative movement between the melt jet and the cooling roll depends on the width of the metal strip produced.
- a speed in the range between 1 mm / s and 5 cm / s is particularly suitable for narrow strips, for example up to a maximum width of 10 mm, while speeds of 5 cm / s to 30 cm / s can be used particularly advantageously with wider strips .
- the relative speed is therefore preferably at least two orders of magnitude lower than the surface speed of the heat sink.
- the width of the metal strip to be produced should be covered in about 0.2 to 1 s by the relative movement of the melt jet to the heat sink.
- speeds of the relative movement of 1 to 5 mm / s are advantageous for bands of 1 mm width and speeds of the relative movement of between 1 and 5 cm / s are advantageous for bands of 10 mm width.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallbändern, insbesondere aus einer amorphen Metallegierung, wobei ein Strahl des schmelzflüssigen Metalls aus einem Vorratsbehälter (15) auf die schnell bewegte Oberfläche eines Kühlkörpers (11) trifft und dort erstarrt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Zur Verringerung der Wärmebelastung des Kühlkörpers und zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der hergestellten Bänder werden Schmelzstrahl bzw. Vorratsbehälter (15) und Kühlkörper (11) zusätzlich relativ zueinander quer zur Richtung des aus dem Vorratsbehälter (15) austretenden Schmelzstrahls bewegt. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung kann vorteilhaft je nach Bandbreite des hergestellten Bandes 1 mm/sec bis 30 cm/sec betragen.The invention relates to a method for producing metal strips, in particular from an amorphous metal alloy, wherein a jet of the molten metal from a storage container (15) strikes the rapidly moving surface of a heat sink (11) and solidifies there. The invention further relates to an apparatus for performing this method. To reduce the heat load on the heat sink and to improve the surface quality of the strips produced, the melt jet or reservoir (15) and heat sink (11) are additionally moved relative to one another transversely to the direction of the melt jet emerging from the reservoir (15). The speed of the relative movement can advantageously be 1 mm / sec to 30 cm / sec, depending on the bandwidth of the strip produced.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallbändern, insbesondere aus einer amorphen Metallegierung, wobei ein Strahl des schmelzflüssigen Metalls auf die schnell bewegte Oberfläche eines Kühlkörpers trifft und dort erstarrt, und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for producing metal strips, in particular from an amorphous metal alloy, wherein a jet of the molten metal hits the rapidly moving surface of a heat sink and solidifies there, and a device for carrying out this method.
Verfahren, die eine Herstellung von Metallbändern direkt aus der Schmelze gestatten, sind bekannt. So werden beispielsweise Metallbänder mit amorpher Struktur dadurch hergestellt, daß man eine entsprechende Schmelze so rasch abschreckt, typischerweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 106 °C/s, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Als bekannte Kühlflächen für den Strahl des schmelzflüssigen Metalls können beispielsweise die innere oder äußere Oberfläche einer rotierenden Walze oder eines endlos umlaufenden Bandes dienen. Die Dicke der auf diese Weise erhaltenenMethods are known which allow metal strips to be produced directly from the melt. For example, metal strips with an amorphous structure are produced by quenching a corresponding melt so quickly, typically at a cooling rate of about 10 6 ° C./s, that solidification occurs without crystallization. The known cooling surfaces for the jet of the molten metal can be, for example, the inner or outer surface of a rotating roller or an endlessly rotating belt. The thickness of the so obtained
Bänder kann beispielsweise einige Hundertstel mm, die Breite einige mm betragen (vgl. z. B. US-PS 905 758, DE-OS 26 06 581, DE-OS 27 19 710 und DE-OS 27 46 238).Bands can be, for example, a few hundredths of a millimeter, the width a few millimeters (see, for example, US Pat. No. 905,758, DE-OS 26 06 581, DE-OS 27 19 710 and DE-OS 27 46 238).
Es hat sich nun herausgestellt, daß bei der Herstellung derartiger Metallbänder, insbesondere im kontinuierlichen Betrieb, die Wärmebelastung der Kühlfläche durch das Auftreffen größerer Mengen des schmelzflüssigen Metalls auf die gleiche Umfangslinie ein großes Problem darstellt. Es besteht dabei nämlich die Gefahr, daß sich die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers erhöht, wodurch wiederum die Abkühlungsgeschwindigkeit des schmelzflüssigen Metalls verringert wird. Dadurch kann eine Versprödung des Bandes eintreten, die zum Bruch führen kann.It has now been found that in the production of such metal strips, particularly in continuous operation, the thermal load on the cooling surface due to the impact of large amounts of the molten metal on the same circumferential line is a major problem. This is because there is a risk that the surface temperature of the heat sink increases, which in turn reduces the cooling rate of the molten metal. This can lead to embrittlement of the tape, which can lead to breakage.
Zur rascheren Abfuhr der Wärme kann man zwar eine entsprechende Wasserkühlung im Innern des Kühlkörpers vorsehen. Dies ist aber verhältnismäßig aufwendig.Appropriate water cooling can be provided inside the heat sink for faster heat dissipation. But this is relatively expensive.
Ferner tritt bei den bekannten Vorrichtungen schon nach einer kurzen Betriebszeit eine zunehmende Welligkeit der Kühlkörperoberfläche auf, die sich als eine Oberflächenunregelmäßigkeit, wie beispielsweise Vertiefungen und erhöhte Rauhigkeit, auf der Bandoberfläche bemerkbar macht.Furthermore, in the known devices, an increasing waviness of the heat sink surface occurs after a short operating time, which is noticeable as a surface irregularity, such as depressions and increased roughness, on the belt surface.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Wärmebelaatung des Kühlkörpers zu verringern. Gleichzeitig soll die Oberflächenbeschaffenheit der hergestellten Bänder verbessert und ein vorzeitiges Brechen infolge Versprödung vermieden werden.The invention has for its object to reduce the thermal loading of the heat sink in a method of the type mentioned. At the same time, the surface quality of the strips produced is to be improved and premature breaking due to embrittlement is to be avoided.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Schmelzstrahl und Kühlkörper zusätzlich relativ zueinander quer zur Richtung des Schmelzstrahls bewegt werden.According to the invention, this is achieved in that the melt jet and heat sink are additionally moved relative to one another transversely to the direction of the melt jet.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kühlkörper, dessen Oberfläche um wenigstens eine Achse umläuft, und einem Vorratsbehälter für die schmelaflnasige Metallegierung kann entsprechend derart ausgebildet werden, daß Vorratsbehälter und Kühlkörper relativ zueinander quer zur Richtung des aus dem Vorratsbehälter austretenden Schmelzstrahls verschiebbar sind.A device for carrying out the method according to the invention with a heat sink, the surface of which rotates around at least one axis, and a storage container for the melt-nosed metal alloy can be designed accordingly in such a way that the storage container and heat sink can be displaced relative to one another transversely to the direction of the melt jet emerging from the storage container.
Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise die Wärmebelastung des Kühlkörpers bei kontinuierlichem Betrieb erheblich reduzieren, da der Strahl des schmelzflüssigen Metalls innerhalb der Zeit für eine kritische Erwärmung immer wieder auf eine neue Umfangslinie des Kühlkörpers auftrifft.It has been shown that the method and the associated device according to the invention advantageously significantly reduce the heat load on the heat sink during continuous operation, since the jet of the molten metal repeatedly hits a new circumferential line of the heat sink within the time for critical heating .
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Kühlkörper fest angeordnet ist und der Schmelzstrahl bewegt wird. Für die kontinuierliche Herstellung von Metallbändern ist es ferner günstig, wenn die Geschwindigkeit der Relativbewegung klein gegenüber der Oberflächengeschwindigkeit des Kühlkörpers ist. Vorzugsweise ist der Kühlkörper eine schnell rotierende Kühlwalze, da diese besonders einfach zu handhaben ist und eine relativ große Masse besitzt. Bei längerem Betrieb kann es günstig sein, eine zusätzliche Kühlung der Kühlwalze vorzusehen. Hierzu reicht es aber aus, eine Inertgas- oder Luftströmung gegen die Oberfläche der rotierenden Kühlwalze zu richten.It has proven to be particularly favorable if the heat sink is arranged in a fixed manner and the melting jet is moved. For the continuous production of metal strips, it is also advantageous if the speed of the relative movement is low compared to the surface speed of the heat sink. The heat sink is preferably a rapidly rotating cooling roller, since it is particularly easy to handle and has a relatively large mass. In the case of prolonged operation, it may be advantageous to provide additional cooling of the cooling roll. To do this, it is sufficient to direct an inert gas or air flow against the surface of the rotating cooling roll.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kühlwalze wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit reinen Kupfers bevorzugt aus diesem Material besteht. Grundsätzlich kann die Kühlwalze jedoch auch aus jedem beliebigen anderen Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, wie beispielsweise Kupfer-Beryllium- oder Stahllegierungen.Furthermore, it is advantageous if the cooling roller preferably consists of this material because of the high thermal conductivity of pure copper. In principle, however, the cooling roller can also consist of any other material with a relatively high thermal conductivity, such as copper-beryllium or steel alloys.
Typische Geschwindigkeiten für die Längsbewegung der Kühloberfläche einer Kühlwalze liegen in der Regel im Bereich von etwa 10 bis 60 m/s. Für die Herstellung von Metallbändern mit polykristalliner Struktur genügt jedoch im allgemeinen eine geringere Geschwindigkeit des Kühlkörpers.Typical speeds for the longitudinal movement of the cooling surface of a cooling roll are generally in the range from about 10 to 60 m / s. However, a lower speed of the heat sink is generally sufficient for the production of metal strips with a polycrystalline structure.
Die vorzugsweise zu wählende Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Schmelzstrahl und Kühlwalze hängt von der Breite des hergestellten Metallbandes ab. Eine Geschwindigkeit im Bereich zwischen 1 mm/s und 5 cm/s eignet sich vornehmlich für schmale Bänder, etwa bis zu einer Maximalbreite von 10 mm, während Geschwindigkeiten von 5 cm/s bis 30 cm/s besonders günstig bei breiteren Bändern angewandt werden können. Arbeitet man dagegen bei der Herstellung sehr schmaler Bänder mit einer Geschwindigkeit der Relativbewegung im Bereich von 5 bis 30 cm/s, so besteht die Gefahr, daß die Bänder säbelartig gekrümmt werden. Generell ist also die relative Geschwindigkeit vorzugsweise mindestens um zwei Größenordnungen kleiner als die Oberflächengeschwindigkeit des Kühlkörpers.The preferred speed of the relative movement between the melt jet and the cooling roll depends on the width of the metal strip produced. A speed in the range between 1 mm / s and 5 cm / s is particularly suitable for narrow strips, for example up to a maximum width of 10 mm, while speeds of 5 cm / s to 30 cm / s can be used particularly advantageously with wider strips . If, on the other hand, one works in the production of very narrow strips with a relative movement speed in the range of 5 to 30 cm / s, there is a danger that the strips will be curved like a saber. In general, the relative speed is therefore preferably at least two orders of magnitude lower than the surface speed of the heat sink.
Damit der schmelzflüssige Strahl insbesondere bei größeren Schmelzmengen einen möglichst großen Oberflächenbereich des bewegten Kühlkörpers wiederholt überfahren kann, ist es ferner vorteilhaft, wenn Mittel zur periodischen Richtungsänderung der Relativbewegung vorgesehen sind. So können beispielsweise entsprechend angeordnete elektrische Kontakte bei Annäherung des Schmelzstrahls an ein Bereichsende. für die Umkehrung der Bewegungsrichtung sorgen. Der maximale Bereich für die Relativbewegung des Schmelzstrahls quer zu dessen Fließrichtung ist durch die Breite der Kühlkörperoberfläche begrenzt. Er wird jedoch im allgemeinen etwas kleiner gewählt werden.So that the molten jet can repeatedly drive over as large a surface area of the moving heat sink as possible, especially with larger amounts of melt, it is also advantageous if means are provided for periodically changing the direction of the relative movement. For example Correspondingly arranged electrical contacts when the melt jet approaches an area end. ensure the reversal of the direction of movement. The maximum range for the relative movement of the melt jet transverse to its direction of flow is limited by the width of the heat sink surface. However, it will generally be chosen to be somewhat smaller.
Das Verfahren nach der Erfindung kann in an sich bekannter Weise an Luft, in einer inerten Atmosphäre, beispielsweise Stickstoff oder Argon, oder unter Vakuum durchgeführt werden. Insbesondere bei Anwendung eines Vakuums kann eine verbesserte Gleichmäßigkeit des erzeugten Metallbandes erreicht werden, weil hierbei der oxidierende Angriff des Luftsauerstoffs ausgeschaltet ist. Die Vorrichtung kann daher vorteilhaft eine Vakuumkammer besitzen, in der der Vorratsbehälter für die Schmelze und der Kühlkörper angeordnet sind.The method according to the invention can be carried out in a manner known per se in air, in an inert atmosphere, for example nitrogen or argon, or under vacuum. In particular when using a vacuum, an improved uniformity of the metal strip produced can be achieved because the oxidizing attack of the atmospheric oxygen is switched off. The device can therefore advantageously have a vacuum chamber in which the reservoir for the melt and the heat sink are arranged.
Anhand einer Figur, die schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt, und anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail with reference to a figure which schematically represents an embodiment of the device according to the invention and with the aid of an embodiment.
Bei der in der Figur gezeigten Vorrichtung sind der das schmelzflüssige Metall enthaltende Vorratsbehälter 15 und die bewegte Kühlwalze 11 in einer Vakuumkammer 10 angeordnet, die durch eine nicht gezeigte Zuführung mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. Die Kühlwalze 11 wird über eine Welle 12 von einem außerhalb der Vakuumkammer befindlichen Elektromotor 14 mit Drehzahlregelung angetrieben. Eine entsprechende Drehdurchführung in das Innere der Vakuumkammer ist mit 13 bezeichnet. Der Vorratsbehälter 15, der mit einer Induktionsheizwicklung 16 umgeben ist, ist auf einem Fahrschemel 17 montiert, der sich auf Führungsschienen 18 quer zur Längsrichtung des Vorratsbehälters bewegen kann. Angetrieben wird der Fahrschemel 17 über eine Antriebsspindel 19 von einem ebenfalls außerhalb der Vakuumkammer 10 befindlichen Elektromotor 20. Bei Berührung eines der Kontakte 21 kann die jeweilige Bewegungsrichtung des Fahrschemels umgekehrt werden, wobei Kontakte über die Steuerung 22 eine Änderung der Drehrichtung des Elektromotors 20 auslösen. Durch eine Öffnung 23, beispielsweise eine Düse, am unteren Ende des Vorratsbehälters 15 kann der Schmelzstrahl des flüssigen Metalls austreten und dann auf die Oberfläche der rotierenden Kühlwalze 11 treffen, wo er sich zu einem kontinuierlichen Band verfestigt.In the device shown in the figure, the
Zur Herstellung eines Metallbandes mit amorpher Struktur wurde eine Legierung der Zusammensetzung Fe40Ni40P14B6 verwendet, deren .Schmelztemperatur bei etwa 950°C und deren Kristallisationstemperatur bei etwa 360°C liegt. Die im Vorratsbehälter aus Quarz befindliche Schmelze wurde durch eine Induktionsheizwicklung auf etwa 1000°C erhitzt und dann durch eine Düse gepreßt. Der schmelzflüssige Strahl dieser Legierung traf auf die Oberfläche einer schnell rotierenden Kühlwalze aus sauerstofffreiem Kupfer, wo er zu einem festen Band erstarrte. Die Geschwindigkeit der Kühlwalzenoberfläche in Längsrichtung war auf etwa 30 m/s eingestellt. Während des Ausfließens wurde der schmelzflüssige Strahl quer zu seiner Ausflußrichtung bewegt. Die maximale Auslenkung dieser Bewegung, deren Richtung durch Kontakte an den Bereichsgrenzen umgekehrt werden konnte, betrug etwa 15 cm. Die Geschwindigkeit des relativ zu der rotierenden Kühlwalze bewegten Schmelzstrahls war auf 15 cm/s eingestellt. Das nach dem beschriebenen Verfahren erzeugte amorphe Metallband war 5 mm breit und wies eine gleichmäßige Oberfläche ohne jegliche Welligkeit auf.To produce a metal strip with an amorphous structure, an alloy of the composition Fe 40 Ni 40 P 14 B 6 was used, the melting temperature of which is approximately 950 ° C. and the crystallization temperature of approximately 360 ° C. The melt in the quartz storage container was heated to about 1000 ° C. by an induction heating coil and then pressed through a nozzle. The molten jet of this alloy hit the surface of a rapidly rotating chill roll made of oxygen-free copper, where it solidified into a solid band. The longitudinal speed of the cooling roll surface was set at about 30 m / s. During the outflow, the molten jet was moved transversely to its outflow direction. The maximum deflection of this movement, the direction of which could be reversed by contacts at the area boundaries, was approximately 15 cm. The speed of the melt jet moving relative to the rotating cooling roll was set at 15 cm / s. The amorphous metal strip produced by the described method was 5 mm wide and had a uniform surface without any ripple.
Bei weiteren Versuchen zeigte sich, daß gelegentlich säbelartige Krümmungen der Bänder auftraten. Es wurde dann die Relativbewegung von 15 cm/s auf 1 cm/s verringert. Die so hergestellten 5 mm breiten Bänder wiesen keine säbelartigen Krümmungen mehr auf. Weitere Versuche ergaben, daß höhere , Relativgeschwindigkeiten bei der Herstellung breiterer Metallbänder günstig sind.Further tests showed that saber-like curvatures of the ligaments occasionally occurred. The relative movement was then reduced from 15 cm / s to 1 cm / s. The 5 mm wide strips produced in this way no longer had saber-like curvatures. Further tests have shown that higher, relative speeds are favorable in the production of wider metal strips.
In der Regel kann man also davon ausgehen, daß die Breite des herzustellenden Metallbandes in etwa 0,2 bis 1 s durch die Relativbewegung des Schmelzstrahls zum Kühlkörper überstrichen werden sollte. So sind beispielsweise für Bänder von 1 mm Breite Geschwindigkeiten der Relativbewegung von 1 bis 5 mm/s und für Bänder von 10 mm Breite Geschwindigkeiten der Relativbewegung zwischen 1 und 5 cm/s günstig.As a rule, one can assume that the width of the metal strip to be produced should be covered in about 0.2 to 1 s by the relative movement of the melt jet to the heat sink. For example, speeds of the relative movement of 1 to 5 mm / s are advantageous for bands of 1 mm width and speeds of the relative movement of between 1 and 5 cm / s are advantageous for bands of 10 mm width.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung eignen sich insbesondere für Metallegierungen, die nach raschem Abkühlen aus der Schmelze eine amorphe Struktur aufweisen. Da diese Legierungen metastabil sind, führt eine verminderte Abkühlgeschwindigkeit infolge zunehmender Erwärmung der Oberfläche des Kühlkörpers auf eine Temperatur nahe oder oberhalb der sogenannten kritischen Kristallisationstemperatur unweigerlich zu der Versprödung der Bänder. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung auch bei polykristallinen Metallegierungen angewendet werden, wenn es ebenfalls auf den Vorteil einer Bandherstellung direkt aus der Schmelze ankommt.The method and the device according to the invention are particularly suitable for metal alloys which, after rapid cooling from the melt, have an amorphous structure. Since these alloys are metastable, a reduced cooling rate due to increasing heating of the surface of the heat sink to a temperature near or above the so-called critical crystallization temperature inevitably leads to the embrittlement of the strips. In addition, the method according to the invention and the associated device can also be applied to polycrystalline metal alloys if the advantage of strip production directly from the melt is also important.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in an sich bekannter Weise auch dadurch abgewandelt werden, daß man als Kühlkörper die Innenseite einer rotierenden Walze, zwei gegeneinander drehende Walzen oder ein endlos umlaufendes Band verwendet.The device according to the invention can also be modified in a manner known per se by using the inside of a rotating roller, two counter-rotating rollers or an endlessly rotating belt as the heat sink.
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