EP0026812A1 - Apparatus for producing amorphous metal strips - Google Patents
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- EP0026812A1 EP0026812A1 EP80104056A EP80104056A EP0026812A1 EP 0026812 A1 EP0026812 A1 EP 0026812A1 EP 80104056 A EP80104056 A EP 80104056A EP 80104056 A EP80104056 A EP 80104056A EP 0026812 A1 EP0026812 A1 EP 0026812A1
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- nozzle opening
- heat sink
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- B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
- B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
- B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
Definitions
- the invention relates to a method for producing amorphous metal strips, wherein a metallic melt is pressed out of a storage container through at least one nozzle opening and allowed to solidify on the surface of a heat sink passed in the immediate vicinity of the nozzle opening.
- the invention further relates to a device for performing this method.
- Amorphous tapes are produced, for example, by quenching a corresponding melt, typically with a cooling rate of about 10 4 to 10 6 Kls, so quickly that solidification occurs without crystallization.
- the molten amorphous metal alloy is usually pressed under pressure through one or more nozzle openings and the emerging melt jet directed against a moving cooling surface.
- the inner or outer surface of a rotating roller or an endlessly rotating belt can be used as the cooling surface.
- the thickness of the strips obtained in this way can be, for example, a few hundredths of a millimeter, and the width can be a few millimeters to several centimeters.
- the amorphous alloys can be distinguished from the crystalline alloys by X-ray diffraction measurements. In contrast to crystalline materials, which show characteristic, sharp diffraction lines, the intensity in the X-ray diffraction pattern in amorphous metal alloys changes only slowly with the diffraction angle, similarly as is the case with liquids or ordinary glass.
- the ribbons made from amorphous alloys can be completely amorphous or comprise a two-phase mixture of the amorphous and the crystalline state.
- An amorphous metal alloy is generally understood to mean an alloy whose molecular structure is at least 50%, preferably at least 80%, amorphous.
- a slot nozzle connected to the molten metal reservoir is placed in close proximity, for example, 0.03 to 1 mm from the surface of a suitable heat sink.
- the width of the slot measured in the direction of movement of the cooling surfaces is approximately 0.2 to a maximum of 1 mm, the width of the nozzle edges on both sides being regarded as particularly critical. While the first edge arranged in the direction of movement of the cooling surface has a width which is at least equal to the width of the slot, the width of the second edge is approximately 1.5 to 3 times the width of the slot. Furthermore, the distance between the nozzle opening and the cooling surface is in a range between 0.1 times and 1 times the width of the slot.
- the molten metal pressed from such a nozzle opening forms a solidification front under these conditions when it comes into contact with the heat sink surface, which is just on the second edge of the Nozzle passes without touching it.
- the flow rate of the molten metal is primarily controlled by the viscous flow between the first edge of the nozzle and the solidified metal strip.
- nozzles with such small dimensions require extremely pure melts. Otherwise there is a risk that the nozzle opening will be blocked by particles of the melt which are not completely dissolved or have solidified prematurely.
- a considerably greater machining effort is also necessary in order to produce such a nozzle opening with the corresponding tolerance.
- the object of the invention is to design a method of the type mentioned at the outset in such a way that uniformly formed metal strips can be achieved even at higher production speeds and reduced requirements for the purity of the melt and the tolerances of the nozzle opening.
- this is achieved in that the surface of the heat sink at a speed of at least 5 m / s at a nozzle opening, measured in the direction of movement of the surface of the heat sink, 1.5 to 6 mm wide at a distance of approximately 0.005 times to 0 , 6 times the width of the nozzle opening is passed.
- 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 with at least one nozzle opening which is arranged at a short distance from this surface and which is connected to a reservoir for metallic melt can be designed in such a way that the surface of the heat sink can be passed at a speed of at least 5 m / s past a 1.5 to 6 mm wide nozzle opening at a distance which is in the range of approximately 0.005 times to 0. 6 times the width of the nozzle opening.
- the method and the associated device according to the invention differ in a combination of regions to be advantageously selected for the width of the nozzle opening, the distance of the nozzle opening from the heat sink surface and for the speed of the surface of the heat sink. This combination of features enables in particular uniformly formed metal strips to be obtained at higher production speeds.
- the much wider nozzle opening has the further advantage that the nozzle shape is less critical for the belt geometry and clogging in the manufacturing process and, with a correspondingly lower pressure of the melt, premature wear of the nozzle opening is avoided.
- the preferred process parameters to be selected each depend on the width or thickness of the metal strips to be produced. It has proven to be particularly favorable if the surface of the heat sink is guided past a 2 to 4 mm wide nozzle opening at a speed of approximately 20 to 40 m / s at a distance which is less than 0.1 times the width of the Nozzle opening.
- the surface of the heat sink will then be on the surface impinging larger amounts of melt only correspondingly thicker strips can be produced. This is also due to the fact that there are technical limits to the heat dissipation via the heat sink surface. It is therefore assumed that problems with the necessary cooling of the heat sink or with the amorphous structure of the strips produced can occur in the case of nozzle openings which are substantially wider than 6 mm.
- the exact shape of the nozzle opening at a width above 1.5 mm is less important for the band geometry, it is particularly advantageous if the opening cross section of the nozzle opening is circular or almost circular.
- other nozzle shapes for example nozzles with a rectangular opening cross section or multiple nozzles, can also be used. With a correspondingly wider opening cross section, these nozzles are much easier to manufacture because of the reduced requirements for the dimensional tolerances.
- the melt can usually no longer be prevented from escaping prematurely by the surface tension alone against the pressure of its own weight.
- the height of the molten metal is greater than 4 cm, it is advantageous if the nozzle opening can be closed by a stopper movable in the crucible until the metallic melt is pressed out.
- the protective tube of a thermocouple immersed in the metallic melt can preferably be used for this purpose.
- the thermocouple protection tube can also advantageously be used with a corresponding adaptation to the outlet opening of the nozzle Plugs are used.
- the stopper it is not absolutely necessary for the stopper to be connected to the protective tube of a thermocouple immersed in the metallic melt; a plug can also be used which is completely independent of the protective tube and thermocouple.
- the figure shows schematically the essential parts of a device used in the method according to the invention.
- the nozzle opening 1 is arranged in the immediate vicinity of a heat sink surface 2, for example the surface of a strip, the arrow being intended to indicate its direction of movement.
- Molten metal 3 is pressed under pressure of a preferably inert gas through the nozzle opening 1, a drop of melt being formed on the surface of the moving heat sink 2, on the underside of which the metal strip 4 is formed by progressive solidification. It is of crucial importance that the width of the nozzle opening 1 is greater than the distance a between the nozzle opening 1 and the surface of the heat sink 2.
- the lateral extent of the melt drop determined by the interfaces 5 is determined by the extrusion pressure and the distance a.
- the expansion of the melting drop is approximately equal to the width of the nozzle opening 1 measured in the direction of movement of the heat sink surface of the heat sink 2.
- the extent of the melt drop thus determines not only the speed of the heat sink 2, but primarily the thickness of the amorphous metal strip produced.
- the strip thickness there is also the solidification rate of the molten metal, the depends on the one hand on the thermal conductivity of the heat sink material and on the other hand also on the heat transfer coefficient between the solidified strip 4 and the surface of the heat sink 2.
- An alloy of the composition Fe 40 Ni 40 B 20 was initially used to produce an amorphous metal strip.
- 500 g of this alloy were inductively heated in a storage container or crucible made of quartz glass to a temperature about 50 to 100 ° C above its melting point.
- the nozzle attached to the lower end of the storage container had an opening with a circular cross section and a diameter of 2.5 mm.
- a protective tube which was adapted to the shape of the outflow opening, of a thermocouple immersed in the metallic melt prevented the melt from flowing out prematurely. After the required temperature of the melt had been reached, the stopper was pulled out and an excess pressure was then immediately applied to squeeze out the melt.
- a quartz crucible with a circular nozzle opening cross section of 3 mm was selected.
- the peripheral speed of the chill roll was increased to 60 m / s.
- an extrusion pressure of 0.13 bar an amorphous tape with a width of 3 mm was obtained, the thickness of which was only 0.022 mm.
- Example 2 Under otherwise the same process conditions as in Example 1, a storage container with a circular nozzle opening of 4 mm in diameter was selected and the peripheral speed set to 50 m / s. The amorphous ribbon produced was 5 mm wide and 0.04 mm thick.
- a quartz crucible with a circular nozzle opening of 1.5 mm in diameter was used under the same process conditions as in Example 1.
- the peripheral speed was reduced to 20 as.
- An amorphous metal strip was obtained, the width of which was 2 mm and the thickness of which was 0.04 mm.
- a quartz crucible with a circular nozzle opening of 5.5 mm in diameter was used.
- a 7 mm wide and 0.05 mm thick amorphous tape was obtained at an extrusion pressure of 0.13 bar and a cooling roller surface speed of 30 m / s.
- a quartz crucible with a circular nozzle opening of 6 mm in diameter was selected.
- the melt jet solidified into a 6 mm wide and 0.04 mm thick amorphous band.
- a cooling roll of the same diameter made of a copper-beryllium alloy with about 1.7% by weight beryllium content was used, the thermal conductivity of which was 1.13 W / cm. K is about a factor of 3 smaller than pure copper. Due to the lower solidification rate of the melt on this cooling roll surface, a 3 mm wide amorphous band was obtained, the thickness of which was only 0.03 mm.
- a crucible made of boron nitride was used to produce an amorphous metal strip of the composition Fe 40 Ni 40 B 20 , a nozzle with a rectangular opening cross section being inserted at the lower end of the crucible.
- the opening of this slot nozzle had a width of 2.5 mm in the direction of movement of the heat sink surface, while its longitudinal dimension was 10 mm across.
- the moving chill roll was located at a distance of 0.15 mm from the crucible, the peripheral speed of which was set at approximately 30 m / s. At a gas pressure of 0.12 bar above the melt, the pressed melt jet solidified into a 10 mm wide amorphous band with a thickness of 0.04 mm.
- Example 9 Under the same process conditions as in Example 9, an alloy of the composition Co 75 Si 15 B 10 was used, which was heated to about 1200 ° C. before pressing. The metal strip produced was 10 mm wide and 0.04 mm thick.
- Example 9 In a further modification of Example 9, a nozzle with a rectangular outflow opening was used, the width of which was 2 mm in the direction of movement of the heat sink and the length of which was 20 mm transversely thereto.
- the tape produced with this nozzle was 20 mm wide and 0.035 mm thick. Its structure could be determined to be completely amorphous using X-ray diffraction measurements.
- the process according to the invention can be carried out in air, in a vacuum or in any other suitable atmosphere, such as, for example, an inert gas atmosphere. If an oxidative attack on the surface of amorphous metal strips is to be avoided during the production process, an inert gas is preferably used under vacuum or in the absence of air.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallbändern, wobei eine metallische Schmelze aus einem Vorratsbehälter durch wenigstens eine Düsenöffnung ausgepreßt und auf der Oberfläche eines an der Düsenöffnung in unmittelbarer Nähe vorbeigeführten Kühlkörpers erstarren gelassen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for producing amorphous metal strips, wherein a metallic melt is pressed out of a storage container through at least one nozzle opening and allowed to solidify on the surface of a heat sink passed in the immediate vicinity of the nozzle opening. The invention further relates to a device for performing this method.
Verfahren, die eine Herstellung von amorphen Metallbändern direkt aus der Schmelze gestatten, sind bekannt. Amorphe Bänder werden beispielsweise dadurch hergestellt, daß man eine entsprechende Schmelze typischerweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit von etwa 104 bis 106 Kls so rasch abschreckt, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Dabei wird die geschmolzene amorphe Metallegierung in der Regel unter Druck durch eine oder mehrere Düsenöffnungen gepreßt und der austretende Schmelzstrahl gegen eine bewegte Kühlfläche gerichtet. Als Kühlfläche kann hierzu beispielsweise die innere oder äußere Oberfläche einer rotierenden Walze oder eines endlos umlaufenden Bandes verwendet werden. Die Dicke der auf diese Weise erhaltenen Bänder kann beispielsweise einige hundertstel mm, die Breite einige mm bis zu mehreren cm betragen.Methods are known which allow amorphous metal strips to be produced directly from the melt. Amorphous tapes are produced, for example, by quenching a corresponding melt, typically with a cooling rate of about 10 4 to 10 6 Kls, so quickly that solidification occurs without crystallization. The molten amorphous metal alloy is usually pressed under pressure through one or more nozzle openings and the emerging melt jet directed against a moving cooling surface. For this purpose, the inner or outer surface of a rotating roller or an endlessly rotating belt can be used as the cooling surface. The thickness of the strips obtained in this way can be, for example, a few hundredths of a millimeter, and the width can be a few millimeters to several centimeters.
Von den kristallinen Legierungen lassen sich die amorphen Legierungen durch Röntgenbeugungsnessungen unterscheiden. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, die charakteristische, scharfe Beugungslinien zeigen, verändert sich bei amorphen Metallegierungen die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel, ähnlich wie dies auch bei Flüssigkeiten oder gewöhnlichem Glas der Fall ist.The amorphous alloys can be distinguished from the crystalline alloys by X-ray diffraction measurements. In contrast to crystalline materials, which show characteristic, sharp diffraction lines, the intensity in the X-ray diffraction pattern in amorphous metal alloys changes only slowly with the diffraction angle, similarly as is the case with liquids or ordinary glass.
Je nach den Herstellungsbedingungen können die aus amorphen Legierungen hergestellten Bänder vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des kristallinen Zustandes umfassen. Im allgemeinen versteht man unter einer amorphen Metallegierung eine Legierung, deren Molekülstruktur zu wenigstens 50 %, vorzugsweise zu wenigstens 80 %, amorph ist.Depending on the manufacturing conditions, the ribbons made from amorphous alloys can be completely amorphous or comprise a two-phase mixture of the amorphous and the crystalline state. An amorphous metal alloy is generally understood to mean an alloy whose molecular structure is at least 50%, preferably at least 80%, amorphous.
Bekannt ist es bereits, bei der Herstellung sehr schmaler amorpher Metallbänder runde Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm zu verwenden. Der durch die Düsenöffnung gepreßte Schmelzstrahl trifft bei diesem Verfahren nach Durchlaufen einer freien Strecke von etwa 1 bis 20 mm auf eine bewegte Kühlkörperoberfläche und weitet sich dort zu einem stationären Schmelztropfen auf. An der Unterseite entsteht dann das Metallband durch fortschreitende Erstarrung. Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht ohne weiteres, beispielsweise unter Verwendung einer größeren Düsenöffnung, auf die Herstellung von breiten Metallbändern übertragen, da die Bandgeometrie sehr stark von der Ausdehnung des Schmelztropfens abhängt. Bei zu großen Düsenöffnungen wird nämlich bei entsprechend höherer Geschwindigkeit der Kühlkörperoberfläche der Schmelztropfen zu lang und damit instabil. Ferner wird die Bandqualität durch alle Oszillationen des freien Schmelztropfens nachteilig beeinflußt. Die auch für breitere Bänder geforderten glatten und gleichmäßigen Oberflächen sowie gleiche Dicke und Breite über die gesamte Länge lassen sich mit diesem Verfahren nicht erreichen.It is already known to use round nozzles with a diameter of 0.5 to 1 mm in the production of very narrow amorphous metal strips. In this method, the melt jet pressed through the nozzle opening strikes a moving heat sink surface after passing through a free distance of approximately 1 to 20 mm and expands there to form a stationary melt drop. The metal strip then forms on the underside through progressive solidification. This procedure leaves However, it is not easy to transfer it to the production of wide metal strips, for example using a larger nozzle opening, since the strip geometry depends very much on the expansion of the melting drop. If the nozzle openings are too large, the melting drop becomes too long and therefore unstable at a correspondingly higher speed of the heat sink surface. Furthermore, the tape quality is adversely affected by all oscillations of the free melt drop. The smooth and uniform surfaces required for wider tapes, as well as the same thickness and width over the entire length, cannot be achieved with this process.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallbändern ist aus der DE-OS 27 46 238 bekannt. Eine mit dem Vorratsbehälter für geschmolzenes Metall in Verbindung stehende Schlitzdüse wird in unmittelbarer Nähe, beispielsweise in einer Entfernung von 0,03 bis 1 mm, von der Oberfläche eines geeigneten Kühlkörpers angeordnet. Die Breite des in der Bewegungsrichtung der Kühlflächen gemessenen Schlitzes beträgt dabei etwa 0,2 bis maximal 1 mm, wobei insbesondere die Breite der beiderseitigen Düsenberandungen als besonders kritisch angesehen wird. Während der in Bewegungsrichtung der Kühlfläche angeordnete erste Rand eine Breite aufweist, die wenigstens gleich der Breite des Schlitzes ist, beträgt die Breite des zweiten Randes etwa das 1,5 bis 3-fache der Breite des Schlitzes. Ferner liegt der Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Kühlfläche in einem Bereich zwischen der 0,1-fachen und der 1-fachen Breite des Schlitzes. Das aus einer derartigen Düsenöffnung gepreßte geschmolzene Metall bildet unter diesen Bedingungen bei der Berührung mit der Kühlkörperoberfläche eine Verfestigungsfront, die gerade an dem zweiten Rand der Düse vorbeigeht, ohne diesen zu berühren. Die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Metalls wird dabei primär durch den viskosen Fluß zwischen dem ersten Rand der Düse und dem erstarrten Metallband gesteuert. Düsen mit derart kleinen Abmessungen erfordern aber extrem reine Schmelzen. Sonst besteht nämlich die Gefahr, daß die Düsenöffnung durch nicht vollständig gelöste beziehungsweise bereits vorzeitig erstarrte Teilchen der Schmelze verstopft wird. Neben der geringeren Produktionsgeschwindigkeit, die sich im allgemeinen mit engen Düsenöffnungen erreichen läßt, ist ferner auch ein erheblich größerer Bearbeitungsaufwand notwendig, um eine derartige Düsenöffnung mit der entsprechenden Toleranz herzustellen.Another method for producing amorphous metal strips is known from DE-OS 27 46 238. A slot nozzle connected to the molten metal reservoir is placed in close proximity, for example, 0.03 to 1 mm from the surface of a suitable heat sink. The width of the slot measured in the direction of movement of the cooling surfaces is approximately 0.2 to a maximum of 1 mm, the width of the nozzle edges on both sides being regarded as particularly critical. While the first edge arranged in the direction of movement of the cooling surface has a width which is at least equal to the width of the slot, the width of the second edge is approximately 1.5 to 3 times the width of the slot. Furthermore, the distance between the nozzle opening and the cooling surface is in a range between 0.1 times and 1 times the width of the slot. The molten metal pressed from such a nozzle opening forms a solidification front under these conditions when it comes into contact with the heat sink surface, which is just on the second edge of the Nozzle passes without touching it. The flow rate of the molten metal is primarily controlled by the viscous flow between the first edge of the nozzle and the solidified metal strip. However, nozzles with such small dimensions require extremely pure melts. Otherwise there is a risk that the nozzle opening will be blocked by particles of the melt which are not completely dissolved or have solidified prematurely. In addition to the lower production speed, which can generally be achieved with narrow nozzle openings, a considerably greater machining effort is also necessary in order to produce such a nozzle opening with the corresponding tolerance.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, daß gleichmäßig ausgebildete Metallbänder auch bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten und verringerten Anforderungen an die Reinheit der Schmelze und die Toleranzen der Düsenöffnung erzielt werden können.The object of the invention is to design a method of the type mentioned at the outset in such a way that uniformly formed metal strips can be achieved even at higher production speeds and reduced requirements for the purity of the melt and the tolerances of the nozzle opening.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s an einer, gemessen in Bewegungsrichtung der Oberfläche des Kühlkörpers, 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-fachen Breite der Düsenöffnung vorbeigeführt wird.According to the invention, this is achieved in that the surface of the heat sink at a speed of at least 5 m / s at a nozzle opening, measured in the direction of movement of the surface of the heat sink, 1.5 to 6 mm wide at a distance of approximately 0.005 times to 0 , 6 times the width of the nozzle opening is passed.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kühlkörper, dessen Oberfläche um wenigstens eine Achse umläuft und mit wenigstens einer in geringem Abstand von dieser Oberfläche angeordneten Düsenöffnung, die mit einem Vorratsbehälter für metallische Schmelze verbunden ist, kann entsprechend derart ausgebildet werden, daß die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s an einer 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand vorbeiführbar ist, der im Bereich von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-fachen Breite der Düsenöffnung liegt.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 with at least one nozzle opening which is arranged at a short distance from this surface and which is connected to a reservoir for metallic melt can be designed in such a way that the surface of the heat sink can be passed at a speed of at least 5 m / s past a 1.5 to 6 mm wide nozzle opening at a distance which is in the range of approximately 0.005 times to 0. 6 times the width of the nozzle opening.
Gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung amorpher Metallbänder unterscheidet sich das Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung gemäß der Erfindung durch eine Kombination vorteilhaft zu wählender Bereiche für die Breite der Düsenöffnung, den Abstand der Düsenöffnung von der Kühlkörperoberfläche sowie für die Geschwindigkeit der Oberfläche des Kühlkörpers. Durch diese Merkmalskombination können insbesondere gleichmäßig ausgebildete Metallbänder bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten erzielt werden.Compared to the previously known methods for producing amorphous metal strips, the method and the associated device according to the invention differ in a combination of regions to be advantageously selected for the width of the nozzle opening, the distance of the nozzle opening from the heat sink surface and for the speed of the surface of the heat sink. This combination of features enables in particular uniformly formed metal strips to be obtained at higher production speeds.
Wie sich ferner überraschend herausgestellt hat, hat die wesentlich breitere Düsenöffnung den weiteren Vorteil, daß die Düsenform weniger entscheidend für die Bandgeometrie ist und beim Herstellungsprozess ein Verstopfen sowie bei entsprechend geringerem Auspreßdruck der Schmelze ein vorzeitiges Verschleißen der Düsenöffnung vermieden wird. Die vorzugsweise zu wählenden Verfahrensparameter hängen jeweils von der Breite beziehungsweise Dicke der herzustellenden Metallbänder ab. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 bis 40 m/s an einer 2 bis 4 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand vorbeigeführt wird, der geringer ist als die 0,1-fache Breite der Düsenöffnung.As has also surprisingly been found, the much wider nozzle opening has the further advantage that the nozzle shape is less critical for the belt geometry and clogging in the manufacturing process and, with a correspondingly lower pressure of the melt, premature wear of the nozzle opening is avoided. The preferred process parameters to be selected each depend on the width or thickness of the metal strips to be produced. It has proven to be particularly favorable if the surface of the heat sink is guided past a 2 to 4 mm wide nozzle opening at a speed of approximately 20 to 40 m / s at a distance which is less than 0.1 times the width of the Nozzle opening.
Wird jedoch die Düsenöffnung wesentlich breiter als 6 mm gewählt, sind aufgrund der dann auf die Kühlkörperoberfläche auftreffenden größeren Schmelzmengen nur noch entsprechend dickere Bänder herstellbar. Dies hängt auch damit zusammen, daß der Wärmeableitung über die Kühlkörperoberfläche technische Grenzen gesetzt sind. Es wird daher angenommen, daß bei Düsenöffnungen, die wesentlich breiter als 6 mm sind, Probleme mit der notwendigen Kühlung des Kühlkörpers beziehungsweise mit der Amorphstruktur der hergestellten Bänder auftreten können.However, if the nozzle opening is chosen to be significantly wider than 6 mm, the surface of the heat sink will then be on the surface impinging larger amounts of melt only correspondingly thicker strips can be produced. This is also due to the fact that there are technical limits to the heat dissipation via the heat sink surface. It is therefore assumed that problems with the necessary cooling of the heat sink or with the amorphous structure of the strips produced can occur in the case of nozzle openings which are substantially wider than 6 mm.
Obwohl, wie bereits erwähnt, die genaue Form der Düsenöffnung bei einer Breite oberhalb von 1,5 mm weniger entscheidend-für die Bandgeometrie ist, ist es besonders günstig, wenn der Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung kreisförmig oder nahezu kreisförmig ist. Jedoch können auch andere Düsenformen, beispielsweise Düsen mit rechteckigem Öffnungsquerschnitt oder Mehrfachdüsen verwendet werden. Bei entsprechend breiterem Öffnungsquerschnitt lassen sich diese Düsen wegen der verringerten Anforderungen an die Abmessungstoleranzen wesentlich einfacher herstellen.Although, as already mentioned, the exact shape of the nozzle opening at a width above 1.5 mm is less important for the band geometry, it is particularly advantageous if the opening cross section of the nozzle opening is circular or almost circular. However, other nozzle shapes, for example nozzles with a rectangular opening cross section or multiple nozzles, can also be used. With a correspondingly wider opening cross section, these nozzles are much easier to manufacture because of the reduced requirements for the dimensional tolerances.
Bei Düsenöffnungen mit einer Breite oberhalb von 2 mm kann die Schmelze normalerweise nicht mehr allein durch die Oberflächenspannung gegen den Druck des Eigengewichts am vorzeitigen Auslaufen gehindert werden. Insbesondere wenn die Höhe des schmelzflüssigen Metalls größer als 4 cm ist, ist es vorteilhaft, wenn die Düsenöffnung bis zum Auspressen der metallischen Schmelze durch einen im Tiegel beweglichen Stopfen verschließbar ist. Hierzu kann bei runden Düsenöffnungen vorzugsweise das Schutzrohr eines in die metallische Schmelze eintauchenden Thermoelementes verwendet werden. Auch bei anderen Düsenformen, beispielsweise solchen mit rechteckigem Öffnungsquerschnitt, kann ebenfalls vorteilhaft das Thermoelementschutzrohr bei entsprechender Anpassung an die Ausflußöffnung der Düse als Stopfen verwendet werden. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß der Stopfen mit dem Schutzrohr eines in die metallische Schmelze eintauchenden Thermoelementes verbunden ist; es kann auch ein Stopfen verwendet werden, der völlig unabhängig von Schutzrohr und Thermoelement ist.In the case of nozzle openings with a width of more than 2 mm, the melt can usually no longer be prevented from escaping prematurely by the surface tension alone against the pressure of its own weight. In particular if the height of the molten metal is greater than 4 cm, it is advantageous if the nozzle opening can be closed by a stopper movable in the crucible until the metallic melt is pressed out. In the case of round nozzle openings, the protective tube of a thermocouple immersed in the metallic melt can preferably be used for this purpose. In the case of other nozzle shapes, for example those with a rectangular opening cross section, the thermocouple protection tube can also advantageously be used with a corresponding adaptation to the outlet opening of the nozzle Plugs are used. However, it is not absolutely necessary for the stopper to be connected to the protective tube of a thermocouple immersed in the metallic melt; a plug can also be used which is completely independent of the protective tube and thermocouple.
Anhand einer Figur und einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to a figure and some exemplary embodiments.
Die Figur zeigt schematisch die wesentlichen Teile einer beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Vorrichtung. Die Düsenöffnung 1 ist in unmittelbarer Nähe einer Kühlkörperoberfläche 2, beispielsweise der Oberfläche eines Bandes angeordnet, wobei der Pfeil dessen Bewegungsrichtung andeuten soll. Schmelzflüssiges Metall 3 wird unter Druck eines vorzugsweise inerten Gases durch die Düsenöffnung 1 gepreßt, wobei auf der Oberfläche des bewegten Kühlkörpers 2 ein Schmelztropfen gebildet wird, an dessen Unterseite das Metallband 4 durch fortschreitende Erstarrung entsteht. Von entscheidender Bedeutung ist, daß die Breite der Düsenöffnung 1 größer ist als der Abstand a der Düsenöffnung 1 von der Oberfläche des Kühlkörpers 2 . Die durch die Grenzflächen 5 bestimmte seitliche Ausdehnung des Schmelztropfens wird durch den Auspreßdruck und den Abstand a bestimmt. Bei sehr kleinem a, im Bereich von etwa 0,03 bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm, ist die Ausdehnung des Schmelztropfens etwa gleich der in Bewegungsrichtung der Kühlkörperoberfläche des Kühlkörpers 2 gemessenen Breite der Düsenöffnung 1 . Die Ausdehnung des Schmelztropfens bestimmt somit neben der Geschwindigkeit des Kühlkörpers 2 vornehmlich die Dicke des hergestellten amorphen Metallbandes. Als weiterer Einfluß auf die Banddicke kommt ferner noch die Erstarrungsrate des schmelzflüssigen Metalls hinzu, die einerseits von der Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials und andererseits aber auch von dem Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den erstarrten Band 4 und der Oberfläche des Kühlkörpers 2 abhängt. Insgesamt hat es sich gezeigt, daß mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermatenals, - zunehmender Breite der Düsenöffnung sowie abnehmender Geschwindigkeit der Kühlkörperoberfläche die Banddicke erhöht wird.The figure shows schematically the essential parts of a device used in the method according to the invention. The nozzle opening 1 is arranged in the immediate vicinity of a
Zur Herstellung eines amorphen Metallbandes diente zunächst eine Legierung der Zusammensetzung Fe40Ni40B20, deren Schmelztemperatur bei etwa 1050°C liegt. 500 g dieser Legierung wurden in einem Vorratsbehälter, beziehungsweise Tiegel aus Quarzglas auf eine Temperatur etwa 50 bis 100°C oberhalb ihres Schmelzpunktes induktiv erhitzt. Die am unteren Ende des Vorratsbehälters angebrachte Düse hatte eine Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von 2,5 mm . Während des Aufheizens verhinderte ein an die Form der Ausflußöffnung angepaßtes Schutzrohr eines in die metallische Schmelze eintauchenden Thermoelementes als Stopfen das vorzeitige Ausfließen der Schmelze. Nach Erreichen der erforderlichen Temperatur der Schmelze wurde der Stopfen herausgezogen und sofort anschließend ein Überdruck zum Auspressen der Schmelze angelegt. Hierzu wurde eine Argonatmosphäre mit einem Überdruck von 0,18 bar verwendet. Der schmelzflüssige Strahl traf auf die 0,2 mm entfernte Oberfläche einer bewegten Kühlwalze aus saueratoffreiem Kupfer. Die verwendete Kühlwalze hatte einen Durchmesser von 42 cm. Sie rotierte mit einer Geschwindigkeit von etwa 1400 U/min entsprechend einer linearen Geschwindigkeit der Kühlwalzenoberfläche von etwa 30 m/s. Die aus der Düse ausgepreßte metallische Schmelze erstarrte auf der Oberfläche der Kühlwalze zu einem 3 mm breiten und 0,04 mm dicken Band. Röntgenstrahlbeugungsmessungen ergaben, daß das erzeugte Band vollständig amorph war. Bei der Kontrolle der Bandgeometrie wurde eine äußerst gleichmäßige Breite und Dicke über die gesamte Länge des Bandes festgestellt.An alloy of the composition Fe 40 Ni 40 B 20 , the melting temperature of which is approximately 1050 ° C., was initially used to produce an amorphous metal strip. 500 g of this alloy were inductively heated in a storage container or crucible made of quartz glass to a temperature about 50 to 100 ° C above its melting point. The nozzle attached to the lower end of the storage container had an opening with a circular cross section and a diameter of 2.5 mm. During the heating, a protective tube, which was adapted to the shape of the outflow opening, of a thermocouple immersed in the metallic melt prevented the melt from flowing out prematurely. After the required temperature of the melt had been reached, the stopper was pulled out and an excess pressure was then immediately applied to squeeze out the melt. An argon atmosphere with an overpressure of 0.18 bar was used for this. The molten jet hit the 0.2 mm distant surface of a moving chill roll made of oxygen-free copper. The cooling roll used had a diameter of 42 cm. It rotated at a speed of approximately 1400 rpm, corresponding to a linear speed of the cooling roll surface of approximately 30 m / s. The metallic melt squeezed out of the nozzle solidified on the surface of the cooling roller to a thickness of 3 mm and 0.04 mm Tape. X-ray diffraction measurements indicated that the tape produced was completely amorphous. When checking the belt geometry, an extremely uniform width and thickness was found over the entire length of the belt.
In Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde die Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze auf 48 m/s erhöht. Es wurde ebenfalls ein amorphes, 3 mm breites Band erhalten, dessen Dicke nunmehr 0,03 mm betrug.In a modification of the method according to Example 1, the peripheral speed of the cooling roll was increased to 48 m / s. An amorphous, 3 mm wide band was also obtained, the thickness of which was now 0.03 mm.
In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit kreisförmigem Düsenöffnungsquerschnitt von 3 mm gewählt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze wurde auf 60 m/s erhöht. Bei einem Auspreßdruck von 0,13 bar wurde ein amorphes Band von 3 mm Breite erhalten, dessen Dicke nur noch 0,022 mm betrug.In a further modification of the method according to Example 1, a quartz crucible with a circular nozzle opening cross section of 3 mm was selected. The peripheral speed of the chill roll was increased to 60 m / s. At an extrusion pressure of 0.13 bar, an amorphous tape with a width of 3 mm was obtained, the thickness of which was only 0.022 mm.
Bei sonst gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 1 wurde ein Vorratsbehälter mit einer kreisförmigen Düsenöffnung von 4 mm Durchmesser gewählt und die Umfangsgeschwindigkeit auf 50 m/s eingestellt. Das erzeugte amorphe Band war 5 mm breit und 0,04 mm dick.Under otherwise the same process conditions as in Example 1, a storage container with a circular nozzle opening of 4 mm in diameter was selected and the peripheral speed set to 50 m / s. The amorphous ribbon produced was 5 mm wide and 0.04 mm thick.
Bei gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit einer kreisförmigen Düsenöffnung von 1,5 mm Durchmesser verwendet. Die Umfangsgeschwindigkeit wurde auf 20 als erniedrigt. Es wurde ein amorphes Metallband erhalten, dessen Breite 2 mm und dessen Dicke 0,04 mm betrug.A quartz crucible with a circular nozzle opening of 1.5 mm in diameter was used under the same process conditions as in Example 1. The peripheral speed was reduced to 20 as. An amorphous metal strip was obtained, the width of which was 2 mm and the thickness of which was 0.04 mm.
In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit einer kreisförmigen Düsenöffnung von 5,5 mm Durchmesser verwendet. Bei einem Auspreßdruck von 0,13 bar und einer Geschwindigkeit der Kühlwalzenoberfläche von 30 m/s wurde ein 7 mm breites und 0,05 mm dickes amorphes Band erhalten.In a further modification of the method according to Example 1, a quartz crucible with a circular nozzle opening of 5.5 mm in diameter was used. A 7 mm wide and 0.05 mm thick amorphous tape was obtained at an extrusion pressure of 0.13 bar and a cooling roller surface speed of 30 m / s.
In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit einer kreisförmigen Düsenöffnung von 6 mm Durchmesser gewählt. Bei einem auf 0,06 bar reduzierten Auspreßdruck und einer Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze von 45 m/s erstarrte der Schmelzstrahl zu einem 6 mm breiten und 0,04 mm dicken amorphen Band.In a further modification of the method according to Example 1, a quartz crucible with a circular nozzle opening of 6 mm in diameter was selected. At an extrusion pressure reduced to 0.06 bar and a peripheral speed of the cooling roller of 45 m / s, the melt jet solidified into a 6 mm wide and 0.04 mm thick amorphous band.
In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde statt der Kühlwalze aus reinem Kupfer eine Kühlwalze gleichen Durchmessers aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung mit etwa 1,7 Gew.% Berylliumgehalt verwendet, deren Wärmeleitfähigkeit mit 1,13 W/cm . K etwa um den Faktor 3 kleiner ist als die reinen Kupfers. Bedingt durch die geringere Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze auf dieser Kühlwalzenoberfläche wurde ein 3 mm breites amorphes Band erhalten, dessen Dicke nur noch 0,03 mm betrug.In a further modification of the method according to Example 1, instead of the cooling roll made of pure copper, a cooling roll of the same diameter made of a copper-beryllium alloy with about 1.7% by weight beryllium content was used, the thermal conductivity of which was 1.13 W / cm. K is about a factor of 3 smaller than pure copper. Due to the lower solidification rate of the melt on this cooling roll surface, a 3 mm wide amorphous band was obtained, the thickness of which was only 0.03 mm.
Für die Herstellung eines amorphen Metallbandes der Zusammensetzung Fe40Ni40B20 wurde ein Tiegel aus Bornitrid verwendet, an dessen unterem Ende eine Düse mit rechteckigem Öffnungsquerschnitt eingesetzt war. Die Öffnung dieser Schlitzdüse wies in der Bewegungsrichtung der Kühlkörperoberfläche eine Breite von 2,5 mm auf, während ihre Längsabmessung quer hierzu 10 mm betrug. In einem Abstand von 0,15 mm vom Tiegel befand sich die bewegte Kühlwalze, deren Umfangsgeschwindigkeit auf etwa 30 m/s eingestellt war. Bei einem über der Schmelze herrschenden Gasdruck von 0,12 bar erstarrte der ausgepreßte Schmelzstrahl zu einem 10 mm breiten amorphen Band mit einer Dicke von 0,04 mm.A crucible made of boron nitride was used to produce an amorphous metal strip of the composition Fe 40 Ni 40 B 20 , a nozzle with a rectangular opening cross section being inserted at the lower end of the crucible. The opening of this slot nozzle had a width of 2.5 mm in the direction of movement of the heat sink surface, while its longitudinal dimension was 10 mm across. The moving chill roll was located at a distance of 0.15 mm from the crucible, the peripheral speed of which was set at approximately 30 m / s. At a gas pressure of 0.12 bar above the melt, the pressed melt jet solidified into a 10 mm wide amorphous band with a thickness of 0.04 mm.
Unter gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 9 wurde eine Legierung der Zusammensetzung Co75Si15B10 verwendet, die vor dem Auspressen auf etwa 12000C erhitzt wurde. Das erzeugte Metallband war 10 mm breit und 0,04 mm dick.Under the same process conditions as in Example 9, an alloy of the composition Co 75 Si 15 B 10 was used, which was heated to about 1200 ° C. before pressing. The metal strip produced was 10 mm wide and 0.04 mm thick.
In weiterer Abänderung des Beispiels 9 wurde eine Düse mit rechteckiger Ausflußöffnung verwendet, deren Breite in der Bewegungsrichtung des Kühlkörpers 2 mm und deren Länge quer hierzu 20 mm betrug. Das mit dieser Düse erzeugte Band war 20 mm breit und 0,035 mm dick. Seine Struktur konnte mit Hilfe von Röntgenbeugungsmessungen als vollständig amorph bestimmt werden.In a further modification of Example 9, a nozzle with a rectangular outflow opening was used, the width of which was 2 mm in the direction of movement of the heat sink and the length of which was 20 mm transversely thereto. The tape produced with this nozzle was 20 mm wide and 0.035 mm thick. Its structure could be determined to be completely amorphous using X-ray diffraction measurements.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Luft, in einem Vakuum oder in irgendeiner anderen geeigneten Atmosphäre, wie zum Beispiel einer Inertgasatmosphäre, durchgeführt werden. Wenn ein oxidativer Angriff auf die Oberfläche von amorphen Metallbändern während des Herstellungsvorgangs vermieden werden soll, wird man vorzugsweise unter Vakuum beziehungsweise unter Luftabschluß mit einem Inertgas arbeiten.The process according to the invention can be carried out in air, in a vacuum or in any other suitable atmosphere, such as, for example, an inert gas atmosphere. If an oxidative attack on the surface of amorphous metal strips is to be avoided during the production process, an inert gas is preferably used under vacuum or in the absence of air.
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