EP0594633A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bändern und verbundkörpern aus metall. - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von bändern und verbundkörpern aus metall.

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EP0594633A1
EP0594633A1 EP92910004A EP92910004A EP0594633A1 EP 0594633 A1 EP0594633 A1 EP 0594633A1 EP 92910004 A EP92910004 A EP 92910004A EP 92910004 A EP92910004 A EP 92910004A EP 0594633 A1 EP0594633 A1 EP 0594633A1
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EP
European Patent Office
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metal
coolant
cooling
rotation
metal film
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EP92910004A
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EP0594633B1 (de
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Heinrich K Feichtinger
Derek H Feichtinger
Markus O Speidel
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Original Assignee
Individual
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D11/007—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of composite ingots, i.e. two or more molten metals of different compositions being used to integrally cast the ingots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • 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
    • B22D11/0611—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a single casting wheel, e.g. for casting amorphous metal strips or wires
    • B22D11/062—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a single casting wheel, e.g. for casting amorphous metal strips or wires the metal being cast on the inside surface of the casting wheel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould

Definitions

  • the invention relates to a method for producing strips and composite bodies made of metal according to the
  • Examples of this are the gossip mold, where a drop of metal is suddenly formed into a film between two metal plates, the Schelzspinn process, where a metal jet is usually applied to the outer surface of a rapidly rotating roller, with the process of being continuously influenced by acceleration and through the heat removal from the roller serving as a quenching body forms a thin metal film and certain powder atomization processes, where a metal jet is broken up into small drops under the influence of an atomization medium, which can be a gas or a liquid, which solidify in flight and then powder metallurgy Compacting processes can be supplied.
  • an atomization medium which can be a gas or a liquid, which solidify in flight and then powder metallurgy Compacting processes can be supplied.
  • the theoretical foundations of fast solidification processes are e.g. B. in a publication by R.
  • a melt that is usually overheated by 50 - 150 K above the liquidus temperature is usually atomized with the help of argon or nitrogen, similar to the case in powder production.
  • argon or nitrogen similar to the case in powder production.
  • a substantial part of the heat of overheating is taken from the drops by the atomizing gas, so that the drops - depending on their size - hit the substrate in a more or less liquid state and there - weld them with the previously deposited material.
  • the method is fundamentally suitable for the production of flat products, but in particular for the production of rotationally symmetrical semi-finished products such as round bars and tubes, in which case the substrate performs a rotational movement with a lateral offset during the spraying process. Since the metal drops only hit with very little overheating, the substrate, ie the material previously deposited, must be at a sufficiently high temperature so that it is still homogeneously welded. However, if the temperature is too high, a liquid layer builds up on the substrate surface, which on the one hand slowly solidifies in a conventional manner and on the other hand is thrown off the substrate under the influence of centrifugal force.
  • spray compacting has the advantage over classic powder metallurgy that all intermediate stages between powder atomization and powder compacting are eliminated - and thus possibilities for contamination of the powder surface are reduced - however, as with normal powder metallurgy, an enormous surface is still formed and with highly reactive materials or with even slight contamination of the gas atmosphere in the spray chamber, this can lead to damage to the material despite the short reaction times.
  • a major disadvantage of spray compacting is the fact that cooling during flight takes place down to the range of the liquidus temperature, e.g. B. takes place relatively quickly with a few thousand Kelvin per second, but then on the substrate, where the critical area between liquidus and solidus temperature is passed, the cooling rate is only in the order of a few Kelvin per second.
  • this enables the phenomena known from classic solidification, such as segregation and the formation of cavities and precipitates, but also a coarsening of the original cast morphology.
  • a disadvantage of the method is the fact that, as in all conventional solidification processes, the heat is removed via the layers which have already solidified beforehand, with the result that the heat transport is reduced with increasing thickness of the substrate, which leads to non-stationary
  • the invention is based on the object of specifying a method for producing metal strips by rapid solidification from the melt, these strips also being able to be welded to thick-walled rotationally symmetrical composite bodies using the residual heat, and a device suitable for carrying out the method.
  • an overheated molten metal in the form of a more or less closed jet is preferably applied to the inner surface of a rotating and essentially rotationally symmetrical mold cavity, similar to centrifugal casting.
  • the heat removal in the present method takes place mainly by heat transfer into a liquid cooling medium, which at one point is approximately at the same rotation level, but offset by a certain angle of rotation compared to the location of the metal application is sprayed onto the metal film just deposited and forms a coolant film there.
  • Both films are created on the one hand under the effect of mechanical accelerations at the locations where they are applied, the heat transfer conditions in the metal layer formed in the course of the last revolution and between the films, and in particular depending on the temperatures of the surfaces involved in the mass transfer and the physical properties of the phases involved, such as thermal conductivity, density, solidification range, supercooling conditions, etc.
  • a second area is reached where the Leydenfrost phenomenon occurs: at the phase boundary, partial evaporation of the coolant leads to the formation of a vapor film, which prevents direct contact of the metal phase with the liquid coolant.
  • the heat transfer can therefore decrease by powers of ten.
  • a third area which is decisive in the sense of the present invention, is reached when the liquid cooling phase has a large temperature gradient on the one hand and a high relative speed compared to the hot surface to be cooled. Due to the associated turbulent conditions at the phase boundary of the coolant against the surface to be cooled, no vapor film can form, so the full
  • Cooling capacity is guaranteed directly in the coolant. Such conditions prevail with
  • Liquid gas atomization process where a melt is atomized into small powder particles by a rapidly moving jet of cryogenic liquefied gas. Practical tests have shown that heat transfer coefficients occur in this process, which can significantly exceed those of the melt spinning process.
  • the process according to the invention has two main ones Differences: on the one hand, part of the heat of the freshly applied metal film is transferred to an underlying solid metal layer, but this metal is the cast body formed in the course of the last revolution, on the other hand, a substantial part of the heat is transferred directly to the liquid Coolant released.
  • both films, ie metal and coolant are pressed under the effect of centrifugal acceleration onto the respective layer below, which leads to an improvement in the heat transfer, can be assessed as an additional, but not essential, process feature.
  • the method according to the invention also clearly distinguishes itself from conventional centrifugal casting by the fact that the solidification of the melt applied in the course of one revolution takes place essentially during this revolution.
  • the amount of metal supplied is chosen to be lower in relation to the rotational speed, for example as is the case with melt spinning, then at peripheral speeds z. B. in the range of 50 - 100 m / sec tapes with a thickness of the order of 0.05 mm. If the coolant is applied shortly after the metal film has been produced and the cooling effect is maintained for a longer period during the further rotation, a substantial part of the heat of the freshly applied metal layer reaches the liquid cooling medium, which absorbs this heat with evaporation.
  • the inventive method not a band, but a thicker, substantially rotationally symmetrical body z. B. are produced in the form of a ring, then basically the procedure described above can be used, but a smaller amount of the coolant is used in relation to the amount of metal, the amount of metal and rotary movement are preferably matched to one another so that the applied metal film is usually a Thickness above 0.2 mm. With this mode of operation, it is also advantageous if the time at which the coolant is applied is delayed compared to the example above.
  • the cooling effect starts later, so that the freshly applied film has more time to weld with the last layer applied, on the other hand, the reduced amount of coolant in relation to the amount of metal ensures that the cooling effect suddenly stops after the coolant has completely evaporated, so that a higher residual heat remains in the welded film, which favors a successful welding in the next film application.
  • Fig. 1 shows the basic sequence of the inventive method using a first shown in cross section
  • FIG. 5 shows a second embodiment of a device for carrying out the method according to the invention in cross section
  • FIG. 6 shows a third embodiment of a device for carrying out the method according to the invention in cross section
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of a device for carrying out the method according to the invention in cross section
  • FIG. 8 shows a fifth embodiment of a device for carrying out the method according to the invention in cross section
  • Fig. 9 shows a sixth embodiment of an apparatus for performing the inventive method in Longitudinal section
  • FIG. 10a shows a first special embodiment of the method according to the invention using a corresponding device in a perspective view
  • 11a shows a second special embodiment of the method according to the invention using a corresponding device in a perspective view
  • 11b shows the embodiment of the method according to
  • a cylindrical molded body 1 rotates in the direction of an arrow 2 about an axis of rotation, the rotary movement taking place within rollers 4 mounted on axes 3, two of which are shown as representatives. At least one of these roles must be designed as a drive role.
  • the axis of rotation is arranged horizontally, however, a vertical arrangement is also easily possible in the sense of the invention, since the acceleration due to gravity has only a slight influence compared to the acceleration due to rotation.
  • a jet 6 of overheated melt strikes the inner surface of the outermost metal layer 7 formed in the course of the last revolution, a liquid metal film 8 being formed.
  • the jet 6 originates from the melt 10 located in a container 9, wherein the container 9 can either be a melting or holding furnace or just an unheated intermediate container for receiving the overheated melt.
  • An outlet opening for the melt in the form of a pouring nozzle 11 can be designed analogously to the conditions during melt spinning, both in terms of its shape and in terms of its arrangement relative to the casting point 5, in such a way that optimal hydrodynamic conditions arise for the film formation.
  • the pouring nozzle 11 can be a circular or a different from the circular shape, for. B. have a rectangular cross-section. It is also entirely possible, as is known in the melt spinning process, to connect a plurality of casting nozzles 11 in parallel in order to produce wider band or ring structures.
  • a certain pressure can be applied to the melt 10 in the container 9, so that it emerges from the pouring nozzle 11 at a desired speed or quantity per unit of time, it being possible at the same time to protect the melt from contact with the outside atmosphere.
  • the jet 6, as shown, can be directed essentially closed against the casting point 5, as in melt spinning, or, similarly to spray compacting, can be dissolved in drops by a stream of a fluid, preferably gaseous medium.
  • a fluid preferably gaseous medium.
  • the splitting of the jet 6 is not used for rapid cooling below the solidification temperature, the drops should remain liquid.
  • Coolant e.g. B. liquid nitrogen, is applied from cooling nozzles 12a, b at points 13a, b to the metal film 8, each forming a coolant film 14 thereon, which is completely evaporated at a point 15. In many cases, one is sufficient
  • Cooling nozzle As in the case of molten metal, the coolant can also be applied from a plurality of nozzles arranged next to one another if a wider metal film 8 is desired.
  • the device parts required for this would have to be congruent in FIG. 1 lined up behind the parts shown. They would perform analog functions like this.
  • the metal film 8 is completely solidified at a point 16 in the present example. In most cases, the point 16 is in the direction of rotation in front of the cooling point 13, so that the liquid coolant only comes into contact with the completely solidified metal film 8.
  • the cylindrical molded body 1 has a groove-like depression on its inner wall, which is laterally delimited by a side wall 17a firmly connected to the inner wall and a removable side wall 17b.
  • the melt 10 is applied from the pouring nozzle 11 in the form of a jet 6 at the pouring point 5 to form the metal film 8 on the innermost metal layer 7 of the metal layers already formed in the course of the previous revolutions.
  • 3a-c show three typical phases in a first variant of the method according to the invention, the production of a rapidly solidifying strip in a diagram which shows the radial temperature profile over several layers.
  • Curve piece 20 slightly increased, but the heat in the liquid residual zone 8a is not sufficient to bring about a welding with the adjacent innermost metal layer 7.
  • 4a-c show three phases in a second variant of the method according to the invention, the production of a composite body continuously welded from strips, in the form of a cast layered composite material.
  • an overheated metal film 8 is applied with the temperature T- corresponding to the curve piece 18 of the temperature curve. Since the innermost metal layer 7 has not yet been welded, there is a sharp drop in temperature corresponding to curve piece 19 to the temperature of the last layer corresponding to curve piece 20. The course of the temperature curve 20, which decreases on both sides, results from the fact that in this area the Heat center of solidification in the course of the last revolution. The heat now flows from both sides into the depression between curve pieces 19 and 20, so that the surface of the innermost metal layer 7 heats up rapidly.
  • 4b shows the moment immediately before the welding.
  • the temperature of the last solidified innermost metal layer 7 now almost corresponds to the melting point, that of the liquid metal film 8 is still above the liquidus temperature T 2 .
  • 4c shows a point in time some time after the welding, precisely at the start of the application of the liquid coolant film 14.
  • An edge area of the innermost metal layer 7, which was melted again briefly because it has now solidified just like the newly applied metal film 8, is no longer visible is.
  • the solidified edge zone 8 finally merges into the innermost metal layer 7, which manifests itself in the continuous course of the curve branch 20 of the temperature curve.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a device according to the invention, which has devices for applying two melts 10a and 10b in series in the course of one revolution as metal films 8a and 8b, which are then explained in connection with FIGS. 4a-c, which are welded together by corresponding means Metering of the coolant at the cooling point 13 is effected. A further coolant film with a more intensive cooling effect is applied behind the casting point 5b. Because of this intensive cooling effect, only the two metal layers 7a and 7b are welded, but not to the metal layer 7c underneath. If the composition of the two metal layers 7a and 7b is identical, a thicker strip is produced in this way at a high cooling rate. If the composition of these layers is different, a bimetallic strip is obtained. Of course, more than two liquid metal films can also be applied in succession, so that instead of a bimetal, strips of more complex structure are created.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a device according to the invention, which is particularly suitable for the production of thin, rapidly solidified strips.
  • Melt spinning is the distance 22 between the • Keep pouring point 5 and the outlet opening of pouring nozzle 11 as constant as possible. Since, in contrast to the melt spinning processes, the innermost metal layer 7 produced in the course of the last revolution is used as the substrate, there is an ongoing shift in the
  • the constant distance 22 is maintained in the present example in that a spacer roller 23 rolls on the last innermost metal layer 7, which shifts the container 9 with the metal melt 10 via a holding device 24, so that the pouring nozzle 11 follows the movement of the winding structure.
  • a control circuit ensuring that the position of the pouring nozzle 11 is tracked, for example, via an electromechanical actuator.
  • Fig. 7 shows an embodiment of an inventive
  • the casting point 5 is designed as a metal bath 25, the volume of this metal bath being defined by the side walls 17a, 17b of the rotating cylindrical molded body 1 (FIG.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a device according to the invention with a similar objective as is the case with that according to FIG. 7.
  • the supply of the jet 6 of the molten metal also takes place in a bath 25, the lateral limitation in the direction of rotation, however, in this case being formed by an accumulation roller 28 which, in the same way as the accumulation wall 27 described in FIG. 7, has a casting gap with the forms innermost metal layer 7 formed during the last revolution.
  • the cooling liquid is supplied via a cooling nozzle 12, the distribution of the cooling liquid, similar to the case for the metal melt in the present example, being effected by a roller 29.
  • An arrangement (not shown in FIG. 7) is also conceivable, in which the cooling liquid is fed in behind the roller 29 in the direction of rotation. In such a case, the roller serves 29 on the one hand to roll the partially or fully solidified metal film 8 into the plane and also prevents liquid or gaseous coolant from flowing back into the area of the still liquid metal film 8.
  • FIG. 9 shows a further embodiment of a device for carrying out the method according to the invention, which is used specifically for producing complex-shaped, essentially rotationally symmetrical parts.
  • the pouring nozzle 11 and the cooling nozzle 12 are fastened to a common holding device 30 and can be moved in the direction of an arrow 31 inside the rotating molded body 1.
  • the cooling point 13 is offset in the direction of rotation by half a turn in relation to the casting point 5 in the interest of clarity of the illustration.
  • the molded body 1 apart from two end side walls 17a, b, the molded body 1 has a shaping inner wall 32 which must be made of a material which can withstand the attack of the melt thermally and mechanically. Since the main part of the heat is drawn in via the evaporating coolant, the inner wall 32 can consist of a ceramic material with low thermal conductivity, at least in an area adjacent to the surface. In such a case, the rotating molded body 1 then consists approximately of an outer wall, which consists of a material which can absorb the mechanical forces occurring during the rotation process, e.g. B. metal, as well as from an inner part, which can endure thermal loads. It can. the inner part can be a disposable part that is replaced after each casting process. This has the advantage that geometries with undercuts can also be cast without a dividing line, since the ceramic molding material can be removed from the molding 1 together with the essentially cylindrically symmetrical casting after the casting process.
  • an essentially rotationally symmetrical composite body then proceeds as follows: the molten metal applied at the casting point 5 forms a film 8 which, in the course of the further rotation, welds to the metal already deposited and at least partially solidifies.
  • the liquid coolant for. As liquid nitrogen, applied, the amount being selected so that after complete evaporation of the coolant in the newly applied metal film 8, residual heat remains which allows welding with newly deposited material in the course of the following rotations.
  • the holding device 30 can be moved along the axis of rotation, in the direction of the arrow 31, at a specific feed speed, but a back and forth movement is also possible which is matched to the amount of the deposited metal and in which the inner surface of the composite body is built up in a controlled manner .
  • a device can be used to build a pipe. Both in this case, as in all of the examples described, it is readily possible to use other materials, e.g. B. ceramic or metallic phases in the form of powders or fibers or the like.
  • FIGS. 10a and 10c schematically demonstrating two characteristic situations from the course of the production process.
  • the pouring nozzle 11 and the cooling nozzle 12 are fastened to a common holding device 30 as in FIG. 9, the pouring point 5 and the cooling point 13 being offset from one another by a certain angle of rotation. Said points do not necessarily have to be arranged in the same plane of rotation, but can be shifted relative to one another in the direction of the axis of rotation.
  • the holding device 30 and with it the pouring nozzle 11 and the cooling nozzle 12 executes an oscillating movement in the axial direction according to the double arrow 34a relative to the rotating molded body 1.
  • the tube 33 is pulled off in the direction of arrow 35.
  • FIG. 10c shows a point in time after the processes in FIG. 10b.
  • the holding device 30 has made a movement to the right in accordance with arrow 34d and is located shortly before the point of reversal.
  • the tube 33 has carried out a rotary movement, as indicated in FIG. 10a.
  • the pouring point 5 is accordingly further to the right within the rotating molded body 1, and the cooling point 13 has also moved to the right, the cooling nozzle 12 being placed in the image plane in the interest of simplicity of illustration, like the pouring nozzle 11, although it is actually at a certain angle of rotation is offset in the direction of rotation.
  • the pull-out rollers 37 are movable in the direction of the axis of rotation and, at the moment the tube 33 loses contact with the rotating molded body 1, perform a brief movement in the direction of arrow 34b, the tube 33 executing a distance which is of the order of magnitude of the oscillation amplitude the cylindrical Shaped body 1 is pulled out.
  • a new metal film 8 has been built up on the end face of the tube according to FIG.
  • the pull-out rollers 37 can be lifted briefly from the tube 33 and shifted to the left by the same amount, where they are then brought back into contact with the tube 33.
  • a cutting device not shown, pieces of the desired length have to be cut off from the endless tube at certain time intervals, similarly to the case with classic continuous casting.
  • FIG. Ha shows a further embodiment of a device according to the invention which is suitable for producing an endless tube.
  • the tube 33 in the last example assumed the rotational speed of the rotating molded body 1
  • the solidified tube 33 does not perform any rotational movement.
  • the pouring nozzle 11 and the cooling nozzle 12 are arranged so as to be movable in the direction of the axis of rotation of the molded body 1 by means of a common holding device 30, the cooling point 13 being offset by a certain angle in the direction of rotation and also in the withdrawal direction corresponding to arrow 35 can be shifted by a certain amount relative to the casting point 5.
  • the roller 4 represents all the rollers that keep the rotating molded body 1 in motion
  • the two pull-out rollers 37 represent a larger number of
  • FIG. 11b shows the process shown in FIG. 11a in principle in a schematic section.
  • the rotating molded body 1 has a side wall 17 which is preferably made of a heat-insulating material and which prevents the melt from flowing away, which forms a - liquid metal film 8, to the left. Since the rotating molded body 1, which preferably consists of a metallic mold material, is cooled from the outside, a partially solidified zone 7a is formed, in which, however, the dendrites have not yet been crosslinked, so that it still has the properties of a thixotropic liquid . At the same time, a cooling liquid is applied to the cooling nozzle 12 *
  • the transition between the partially solidified zones 7a and 7b should not be thought of as a sharp transition, as shown in FIG. 11b for the sake of simplicity, but rather as a gradual transition from a partially fluid and still easily deformable zone to a partially rigid and essentially rigid Imagine zone.
  • the ceramic intermediate layers are stored.
  • the ceramic intermediate layers then correspond to the former surfaces of the liquid metal film 8, which could partially react with oxygen to form an oxide layer before the application of a further layer.
  • the method according to the invention is to be explained using two concrete examples, in one case the production of a steel strip and in the other the production of an annular composite body made of steel.
  • a device was used which in principle corresponded to that shown in FIGS. 1 and 2.
  • the rotating molded body 1 was a steel cylinder with an internal diameter of 600 mm, the width of the casting groove delimited laterally by the side walls 17a, b being 5 mm.
  • a stainless chromium-nickel steel was used as the test melt.
  • the rocking furnace consisted of a melt container rotatable about a horizontal axis in the form of a cylindrical barrel made of high-temperature-resistant magnesite, which contained two graphite electrodes which could be displaced relative to one another on the two end faces i of the axis of rotation to form an arc.
  • the steel alloy in the form of 15 mm rod material was introduced through an opening in the barrel, which was directed upwards during the melting process.
  • the upward loading opening of the furnace normally also serves to fasten the pouring funnel of the upward and preheated ceramic mold at the moment of pouring. In the present case, instead of a preheated mold, a preheated ⁇ .
  • Rocking furnace was installed in the interior of the rotating molded body 1, the rotating plane of the rocking furnace being identical to the rotating plane of the molded body and the pouring nozzle 11 of the furnace rotating the same exactly 180 ° into the center of the casting groove, at the same distance between the side walls 17a and 17b swung in.
  • the cylindrical shaped body 1 was brought up to a speed of 1200 rpm.
  • the cooling nozzle 12 which was offset by 100 ° relative to the casting point 5
  • the rocking oven was then turned upside down, with which the casting process started and immediately thereafter — about 0.5 seconds later, the cooling nozzle 12 was pivoted into the rotating plane of the molded body 1, so that the cooling liquid got into the casting groove.

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bändern und Verbundkörpern aus Metall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bändern und Verbundkörpern aus Metall gemäss dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In letzter Zeit haben Verfahren zur schnellen Erstarrung von Metallen zunehmende Bedeutung gewonnen, da sie die Herstellung von neuartigen Werkstoffen mit zum Teil verbesserten oder auch ungewöhnlichen Strukturen und damit Werkstoffeigenschaften gestatten. Mit zunehmender Erstarrungsgeschwindigkeit kommt es dabei zu einer immer grosseren Abweichung von den Gleichgewichten, wie sie durch das Zustandsdiagramm bestimmt werden, da die extrem kurzen Diffusionszeiten die Einstellung dieser Gleichgewichte erschweren. Dies führt einerseits zu immer feineren Morphologien, z. B. zur Entstehung feinerer Dendriten oder Eutektika unter Verminderung der interdendritischen bzw. -zellularen Seigerung und kann bei gewissen Werkstoffen zur Entstehung stark metastabiler Strukturen führen, bis zur Bildung von metallischen Gläsern im Sonderfall. Bei kristalliner Erstarrung liegt dabei ein Vorteil in der Tatsache, dass der Löslichkeitsbereich bestimmter erwünschter Elemente stark erweitert wird, während unerwünschte Ausscheidungen unterdrückt werden können.
Grundlage aller Verfahren der schnellen Erstarrung ist der schnelle Wärmeentzug. Dieser Vorgang wird einerseits durch das Wärmeleitvermögen des Metalls, andererseits durch den Mechanismus des Wärmeübergangs an der Phasengrenze zum wärmeentziehenden Medium bestimmt. Während der Wärmeübergang, charakterisiert durch den
Wärmeübergangskoeffizienten, in einem weiten Bereich durch Wahl der richtigen verfahrenstechnischen Bedingungen optimiert werden kann, kann der Wärmetransport im Metall, welcher durch den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten charakterisiert ist, nur durch die Wahl kleiner Transportwege verbessert werden. Deshalb führen alle heute bekannten Methoden der schnellen Erstarrung zu .Gusskörpern, welche mindestens in der Raumrichtung des Wärmetransports nur eine geringe Dicke aufweisen. Beispiele dafür sind die Klatschkokille, wo ein Metalltropfen zwischen zwei Metallplatten schlagartig zur Folie umgeformt wird, das Sch elzspinn-Verfahren, wo ein Metallstrahl meist auf die Aussenfläche einer schnell rotierenden Walze aufgebracht wird, wobei sich in kontinuierlicher Weise unter dem Einfluss der Beschleunigung sowie durch den Wärmeentzug der als Abschreckkörper dienenden Walze ein dünner Metallfilm bildet und gewisse Pulver-Verdüsungsverfahren, wo ein Metallstrahl unter dem Einfluss eines Verdüsungsmediu s, welches ein Gas oder auch eine Flüssigkeit sein kann, in kleine Tropfen zerschlagen wird, welche im Flug erstarren und anschliessend pulvermetallurgischen Kompaktierungsprozessen zugeführt werden können. Die theoretischen Grundlagen von Verfahren der schnellen Erstarrung sind z. B. in einer Veröffentlichung von R. Mehrabian, "Rapid Solidification", wiedergegeben in "Rapid Solidification Technology Source Book", American Society for Metals 1983, S. 186 - 209 in übersichtlicher Weise zur Darstellung gebracht. Die gebräuchlichsten Verfahren sind Kapiteln von GJ Haour, H. Bode, "From Melt to Wire" und R. E. Maringer, "Payoff Decade for Advanced Material" aus dem gleichen Buch, S. 111-120 und S.121-128 zu entnehmen.
Die Möglichkeit der Herstellung grösserer GussStrukturen, wobei Halbzeug in endkonturnahen Abmessungen bei höheren Abkühlungsgeschwindigkeiten hergestellt werden kann, besteht bei den Verfahren der Spruhkompaktierung. Hier wird eine in der Regel um 50 - 150 K über die Liquidustemperatur überhitzte Schmelze meist mit Hilfe von Argon oder Stickstoff verdüst, ähnlich wie dies bei der Pulverherstellung der Fall ist. Während des Flugs wird ein wesentlicher Teil der Ueberhitzungswär e aus den Tropfen durch das Verdüsungsgas übernommen, sodass die Tropfen - entsprechend ihrer Grosse - in mehr oder weniger teilflüssigem Zustand auf das Substrat aufschlagen und dort - mit dem vorgängig deponierten Material verschweissen. Das Verfahren ist grundsätzlich für die Herstellung von Flachprodukten, insbesondere aber für die Erzeugung von rotationssymmetrischem Halbzeug wie Rundstangen und Rohren geeignet, wobei das Substrat in diesen Fällen eine Rotationsbewegung mit seitlichem Versatz während des Sprühvorgangs ausführt. Da die Metalltropfen nur noch mit sehr geringer Ueberhitzung auftreffen, muss sich das Substrat, d. h. das schon vorgängig deponierte Mate iai, auf einer ausreichend hohen Temperatur befinden, damit es noch zu einer homogenen Verschweissung kommt. Ist die Temperatur jedoch zu hoch, dann kommt es zum Aufbau einer flüssigen Schicht auf der Substrat-Oberfläche, welche einerseits in konventioneller Art langsam erstarrt und andererseits unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft vom Substrat weggeschleudert wird. Da die Ueberhitzung der aufgesprühten Metallpartikel infolge ihrer nicht uniformen Korngrössenverteilung nicht konstant ist, kommt es ohnehin auch bei optimaler Einstellung der Verfahrensparameter zur Ausbildung des sog. "Overspray". Dies ist der Anteil der Sprühpartikel, welche entweder von vornherein am Substrat vorbeifliegen oder infolge zu tiefer Temperatur von diesem weggeschleudert wird. Insbesondere bei teuren Werkstoffen führt dies zu einem unwirtschaftlichen Ausbringen, ausserdem sind die dabei in der Sprühkammer abgelagerten feinen Metallpulver in vielen Fällen infolge ihrer Explosivität und Toxizität gefährlich. Obwohl das Sprühkompaktieren gegenüber der klassischen Pulvermetallurgie den Vorteil hat, dass alle Zwischenstufen zwischen Pulververdüsung und Pulverko paktierung entfallen - und damit Möglichkeiten der Verschmutzung der Pulveroberfläche reduziert werden - wird jedoch immer noch, wie bei der normalen Pulvermetallurgie, eine enorme Oberfläche gebildet und bei hochreaktiven Werkstoffen bzw. bei auch nur geringfügiger Verschmutzung der Gasatmosphäre in der Sprühkammer kann dies trotz der kurzen Reaktionszeiten zur Schädigung des Werkstoffs führen.
Ein wesentlicher Nachteil des Sprühkompaktierens besteht in der Tatsache, dass zwar die während der Flugzeit erfolgende Abkühlung bis in den Bereich der Liquidustemperatur z. B. mit einigen tausend Kelvin pro Sekunde verhältnismässig schnell erfolgt, jedoch anschliessend am Substrat, wo der kritische Bereich zwischen Liquidus- und Solidustemperatur durchlaufen wird, die Abkühlungsgeschwindigkeit nur noch in der Grössenordnung von einigen wenigen Kelvin pro Sekunde liegt. Damit sind einerseits die aus der klassischen Erstarrung bekannten Phänomene wie Seigerung sowie Lunker- und Ausscheidungsbildung, aber auch eine Vergröberung der ursprünglichen Gussmorphologie möglich. Ein weiterer
Nachteil des Verfahrens besteht in der Tatsache, dass der Wärmeabzug, wie bei allen üblichen Erstarrungsverfahren, über die bereits vorgängig erstarrten Schichten erfolgt, womit der Wärmetranport mit steigender Dicke des Substrats vermindert wird, was zu nichtstationären
Erstarrungsbedingungen führt. Hingegen ist ein grosser Vorteil der Sprühkompaktierungsverfahren, dass grosse Metallmengen in der Grössenordnung von mehreren Kilogramm pro Sekunde umgesetzt werden können, was die Nutzung im Rahmen grosstechnischer Halbzeug-Produktionsverfahren interessant macht. Die verfahrenstechnischen Aspekte des Sprühkompaktierens sind in einer Arbeit von W. Kahl und J. Leupp "Spray Deposition of High Performance Aluminium Alloys via the Osprey Process" in Swiss Materials 2/4 (1990), S. 17-19 in übersichtlicher Weise dargestellt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Metallbändern durch schnelle Erstarrung aus der Schmelze anzugeben, wobei diese Bänder auch unter Ausnützung der Restwärme zu dickwandigen rotationssymmetrischen Verbundkörpern verschweisst werden können sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.
In ähnlicher Weise wie beim Schmelzspinnverfahren wird dabei eine überhitzte Metallschmelze in Form eines mehr oder weniger geschlossenen Strahls vorzugsweise auf die Innenfläche eines rotierenden und im wesentlichen rotationssymmetrischen Formhohlraums aufgebracht, ähnlich wie beim Schleuderguss. In Abweichung vom Schmelzspinnen, wo die Wärme ausschliesslich von der rotierenden Kühlwalze entzogen wird, erfolgt der Wärmeentzug beim vorliegenden Verfahren hauptsächlich durch Wärmeübergang in ein flüssiges Kühlmedium, welches an einer Stelle ungefähr in derselben Drehebene, jedoch um einen bestimmten Drehwinkel gegenüber dem Ort der Metallaufbringung versetzt auf den soeben deponierten Metallfilm aufgespritzt wird und dort einen Kühlmittelfilm bildet. Beide Filme entstehen dabei einerseits unter der Wirkung der mechanischen Beschleunigungen an den Orten ihrer Aufbringung, den Wärmeübergangsbedingungen in die im Laufe der letzten Umdrehung gebildeten Metallschicht und zwischen den Filmen sowie insbesondere in Abhängigkeit von den Temperaturen der am Stofftransport beteiligten Oberflächen sowie den physikalischen Eigenschaften der beteiligten Phasen wie Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Erstarrungsbereich, Unterkühlungsbedingungen usw.
Bei der Flüssigkühlung können drei Bereiche unterschieden werden. Bei Temperaturen unterhalb des Siedepunkts des Kühlmittels ist im allgemeinen eine hohe Kühlwirkung erzielbar, da der Wärmeübergang unmittelbar in die flüssige Phase mit ihrer verhältnismässig hohen Dichte und Wärmekapazität erfolgt. Wird die Temperatur in einen
Bereich oberhalb der Siedetemperatur erhöht, so gelangt man in einen zweiten Bereich, wo das Leydenfrost'sehe Phänomen auftritt: an der Phasengrenze kommt es durch partielle Verdampfung des Kühlmittels zur Ausbildung eines Dampffilms, welcher den direkten Kontakt der Metallphase mit dem flüssigen Kühlmittel unterbindet. Der Wärmeübergang kann demzufolge um Zehnerpotenzen abfallen. In einen dritten - und im Sinne der vorliegenden Erfindung entscheidenden - Bereich gelangt man, wenn die flüssige Kühlphase gegenüber der zu kühlenden heissen Oberfläche einerseits einen grossen Temperaturgradienten und andererseits eine hohe Relativgeschwindigkeit aufweist. Durch die damit verbundenen turbulenten Verhältnisse an der Phasengrenze des Kühlmittels gegen die zu kühlende Fläche kann sich kein Dampffilm ausbilden, womit die volle
Kühlleistung direkt in die Kühlflüssigkeit gewährleistet ist. Solche Bedingungen herrschen beim
Flüssiggas-Verdüsungsverfahren, wo eine Schmelze von einem schnell bewegten Strahl eines tiefkalten verflüssigten Gases in kleine Pulverpartikel zerstäubt wird. Praktische Versuche haben gezeigt, dass bei diesem Verfahren Wärmeübergangskoeffizienten auftreten, welche diejenigen des Schmelzspinnverfahrens wesentlich übertreffen können.
Zu den klassischen Schmelzspinnverfahren besitzt das erfindungsgemässe Verfahren insbesondere zwei wesentliche Unterschiede: zum einen wird zwar ein Teil der Wärme des frisch aufgebrachten Metallfilms in eine darunterliegende feste Metallschicht überführt, jedoch handelt es sich bei diesem Metall um den im Laufe der letzten Umdrehung gebildeten Gusskörper, zum anderen wird ein wesentlicher Teil der Wärme direkt an das flüssige Kühlmedium abgegeben. Als zusätzliches, jedoch nicht wesentliches Verfahrensmerkmal kann die Tatsache gewertet werden, dass beide Filme, d. h. Metall und Kühlmittel unter der Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung auf die jeweils untenliegende Schicht gepresst werden, was zu einer Verbesserung des Wärmeübergangs führt.
Das erfindungsgemässe Verfahren grenzt sich auch eindeutig gegen den konventionellen Schleuderguss durch die Tatsache ab, dass die Erstarrung der im Laufe einer Umdrehung aufgebrachten Schmelze im wesentlichen während dieser Umdrehung erfolgt.
Je nach Ausmass des Wärmeanteils, welcher in das flüssige Kühlmedium direkt übergeht, ergeben sich wesentliche und differentielle Auswirkungen auf Form und Gefüge des entstehenden Gussprodukts. Wird die zugeführte Metallmenge im Verhältnis zur Umdrehungsgeschwindigkeit geringer gewählt, etwa wie dies beim Schmelzspinnen der Fall ist, dann entstehen bei Umfanggeschwindigkeiten z. B. im Bereich von 50 - 100 m/sec Bänder mit einer Dicke in der Grössenordnung um 0.05 mm. Wird nun das Kühlmittel kurz nach Erzeugung des Metallfilms aufgebracht und die Kühlwirkung während einer längeren Zeit im Laufe der weiteren Umdrehung aufrechterhalten, dann gelangt ein wesentlicher Teil der Wärme der frisch aufgebrachten Metallschicht in das flüssige Kühlmedium, welches diese Wärme unter Verdampfung absorbiert. Bei Vollendung der Drehung ist das Kühlmittel völlig verdampft, sodass die neue Metallfilmbildung auf einer sauberen und tiefkalten Substratfläche stattfinden kann. Da die Wärmemenge im Film für ein Anschweissen an der letzten Metallschicht nicht ausreicht, entsteht auf diese Weise ein "Coil", d. h. eine "sich selbst aufspulende" Bandwicklung. Die dabei erzielten Abkühlungsgeschwindigkeiten können bis in die
Grössenordnung von hunderten Millionen Kelvin pro Sekunde gehen.
Soll entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren nicht ein Band, sondern ein dickerer, im wesentlichen rotationssymmetrischer Körper z. B. in Form eines Ringes hergestellt werden, dann kann grundsätzlich die oben beschriebene Arbeitsweise eingesetzt werden, jedoch wird im Verhältnis zur Metallmenge eine geringere Menge des Kühlmittels eingesetzt, wobei Metallmenge und Drehbewegung bevorzugt so aufeinander abgestimmt werden, dass der aufgebrachte Metallfilm in der Regel eine Dicke oberhalb von 0.2 mm hat. Auch ist es bei dieser Arbeitsweise-von Vorteil, wenn der Zeitpunkt der Aufbringung des Kühlmittels gegenüber dem obigen Beispiel verzögert ist. Auf diese Weise setzt die Kühlwirkung einerseits später ein, sodass der frisch aufgebrachte Film mehr Zeit zur Verschweissung mit der zuletzt aufgebrachten Schicht hat, andererseits sorgt die im Verhältnis zur Metallmenge reduzierte Menge des Kühlmittels dafür, dass die Kühlwirkung nach völliger Verdampfung des Kühlmittels plötzlich abbricht, sodass im verschweissten Film eine höhere Restwärme verbleibt, welche im Rahmen der nächsten Filmaufbringung eine erfolgreiche Schweissung begünstigt.
Die Verhältnisse bei dieser Verschweissung führen also zu einer Art "Giesslaminat" und liegen zwischen der langsamen Erstarrung beim oben beschriebenen Sprühkompaktieren sowie der schnellen Erstarrung bei Sonderverfahren, wie dem Plasmaspritzen oder einer Laserbehandlung. Während beim Sprühkompaktieren eine Verschweissung der verhältnismässig kalten Metalltropfen nur mit einem heissen Substrat möglich ist, können bei den hochenergetischen
Oberflächenbehandlungen auch dünne Schichten mit einer kalten Grundschicht verbunden werden, da die hohe örtliche Energiedichte zu einer Verschweissung führt, bevor wesentliche Teile der Schmelzwärme für den Verschweissungsprozess nutzlos in tiefere Bereiche des Substrats dissipieren können.
Gegenüber dem Sprühkompaktieren ergibt sich noch ein anderer wesentlicher Vorteil beim erfindungsgemässen Verfahren. Während beim Sprühkompaktieren eine grosse Anzahl kleiner Tropfen mit einer riesigen kumulativen Oberfläche gebildet werden, welche mit Verunreinigungen der Atmosphäre der meist voluminösen und komplexen Sprühkammer während längerer Zeit bei verhältnismässig hohen Temperaturen reagieren können, ist die spezifische Oberfläche eines geschlossenen Films wesentlich kleiner und zudem ist die Reaktionsmöglichkeit aufgrund der kurzen Aufbringungsdistanz sowie der höheren
Abkühlungsgeschwindigkeit stark eingeschränkt. Von grosser Bedeutung ist jedoch ein weiterer Vorteil: während beim Sprühkompaktieren ein Teil des Werkstoffs als sog. "Overspray" verloren geht, ergibt sich beim erfindungsgemässen Verfahren weitgehend ein volles Ausbringen der Schmelzenmenge im produzierten Produkt.
Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren sowie Vorrichtungen zu seiner Durchführung anhand von Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 den grundsätzlichen Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens anhand einer im Querschnitt dargestellten ersten
Ausführungsform einer entsprechenden Vorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig.
1,
Fig. 3a - 3c radiale Temperaturprofile, wie sie bei einer ersten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens auftreten,
Fig. 4a - 4c radiale Temperaturprofile, wie sie bei einer zweiten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens auftreten,
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Querschnitt,
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Querschnitt,
Fig. 7 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Querschnitt,
Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Querschnitt,
Fig. 9 eine sechste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im Längsschnitt,
Fig. 10a eine erste spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens anhand einer entsprechenden Vorrichtung in perspektivischer Darstellung,
Fig. 10b, 10c zwei Phasen der Ausführungsform des
Verfahrens gemäss Fig. 10a im Detail anhand von Längsschnitten,
Fig. 11a eine zweite spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens anhand einer entsprechenden Vorrichtung in perspektivischer Darstellung und
Fig. 11b die Ausführungsform des Verfahrens gemäss
Fig. 11a im Detail anhand eines Längsschnitts.
Fig. 1 und 2 zeigen im Querschnitt bzw. Längsschnitt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Dabei rotiert ein zylindrischer Formkörper 1 in Richtung eines Pfeils 2 um eine Rotationsachse, wobei die Drehbewegung innerhalb von auf Achsen 3 gelagerten Rollen 4 erfolgt, von denen stellvertretend zwei im Bild gezeigt sind. Mindestens eine dieser Rollen muss als Antriebsrolle ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall und auch in den folgenden Bildern ist die Drehachse horizontal angeordnet, jedoch ist auch im Sinne der Erfindung ohne weiteres eine vertikale Anordnung möglich, da die Erdbeschleunigung im Vergleich zur Rotationsbeschleunigung nur einen geringen Einfluss besitzt. An einer Giessstelle 5 trifft ein Strahl 6 von überhitzter Schmelze auf die Innenfläche der im Rahmen der letzten Umdrehung gebildeten äussersten Metallschicht 7 , wobei ein flüssiger Metallfilm 8 gebildet wird. Der Strahl 6 entstammt der in einem Behälter 9 befindlichen Schmelze 10, wobei es sich bei dem Behälter 9 entweder um einen Schmelz- oder Warmhalteofen oder auch nur um einen unbeheizten Zwischenbehälter zur Aufnahme der überhitzten Schmelze handeln kann. Eine Austrittsöffnung für die Schmelze in Form einer Giessdüse 11 kann analog den Verhältnissen beim Schmelzspinnen sowohl in Bezug auf ihre Form wie auch auf ihre Anordnung relativ zur Giessstelle 5 so ausgebildet sein, dass für die Filmbildung optimale hydrodynamische Bedingungen entstehen. Dabei kann die Giessdüse 11 einen kreisförmigen oder auch einen von der Kreisform abweichenden, z. B. rechteckigen Querschnitt haben. Auch ist es - wie bei den Schmelzspinnverfahren bekannt - durchaus möglich, zur Erzeugung breiterer Band- oder Ringstrukturen mehrere Giessdüsen 11 parallel zu schalten. Darüber hinaus kann die Schmelze 10 im Behälter 9 mit einem bestimmten Druck beaufschlagt werden, sodass sie mit einer gewünschten Geschwindigkeit oder Menge pro Zeiteinheit aus der Giessdüse 11 austritt, wobei gleichzeitig erreicht werden kann, dass die Schmelze vor Kontakt mit der Aussenatmosphäre geschützt wird.
Der Strahl 6 kann, wie dargestellt, ähnlich wie beim Schmelzspinnen im wesentlichen geschlossen gegen die Giessstelle 5 geleitet werden oder ähnlich wie beim Sprühkompaktieren durch einen Strom eines fluiden, vorzugsweise- gasförmigen Mediums in Tropfen aufgelöst werden. Im ersteren Fall ergibt sich eine geringere Oberfläche der Schmelze mit entsprechend geringeren Reaktionsmöglichkeiten derselben mit der umgebenden Atmosphäre, im letzteren Fall ein gleichmässigeres Aufbringen der Schmelze. Im Gegensatz zum Sprühkompaktieren dient die Aufspaltung des Strahls 6 jedoch nicht der raschen Abkühlung unter die Erstarrungstemperatur, die Tropfen sollen flüssig bleiben. Kühlflüssigkeit, z. B. flüssiger Stickstoff, wird aus Kühldüsen 12a,b an Stellen 13a,b auf den Metallfilm 8 aufgebracht, wobei sie jeweils einen Kühlmittelfilm 14 auf demselben bildet, welcher an einer Stelle 15 völlig verdampft ist. In vielen Fällen genügt eine einzige
Kühldüse. Wie im Falle der Metallschmelze, so kann auch das Kühlmittel aus mehreren nebeneinander angeordneten Düsen aufgebracht werden, falls ein breiterer Metallfilm 8 erwünscht ist. Die dafür jeweils nötigen Vorrichtungsteile müsste man sich in Fig. 1 deckungsgleich hinter den dargestellten Teilen aufgereiht denken. Sie würden analoge Funktionen wie diese erfüllen. Der Metallfilm 8 ist im vorliegenden Beispiel an einer Stelle 16 völlig erstarrt. In den meisten Fällen befindet sich die Stelle 16 in Drehrichtung vor der Kühlstelle 13, sodass das flüssige Kühlmittel nur mit dem völlig erstarrten Metallfilm 8 in Kontakt kommt.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass der zylindrische Formkörper 1 an seiner Innenwand eine nutartige Vertiefung aufweist, welche durch eine fest mit der Innenwand verbundene Seitenwand 17a und eine entfernbare Seitenwand 17b seitlich begrenzt wird. In diese Vertiefung wird die Schmelze 10 aus der Giessdüse 11 in Form eines Strahls 6 an der Giessstelle 5 unter Bildung des Metallfilms 8 auf die innerste Metallschicht 7 der schon im Laufe der vorherigen Umdrehungen gebildeten Metallschichten aufgebracht.
Fig. 3a - c zeigen drei typische Phasen bei einer ersten • Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, der Herstellung eines schnell erstarrenden Bandes in einem Diagramm, welches das radiale Temperaturprofil über mehrere Schichten zeigt.
Dabei wird in Fig. 3a der Moment gezeigt, wo soeben ein neuer Metallfilm 8 mit einer Schmelze der Ueberhitzungstemperatur Tx aufgebracht wurde, was durch das Kurvenstück 18 dargestellt wird. Der Temperaturabfall 19 repräsentiert den Wärmeübergangswiderstand zu der im Laufe der letzten Umdrehung entstandenen und erstarrten innersten Metallschicht 7, deren Temperatur durch das Kurvenstück 20 dargestellt wird. Auch die nächstuntere Schicht - Kurvenstück 21 - zeigt einen schroffen Temperaturabfall zum Kurvenstück 20. In allen Fällen wird dieser schroffe Temperaturabfall durch die Existenz eines Luftspalts verursacht, d. h. durch die Tatsache, dass es - im Sinne der Bandherstellung - nicht zur Verschweissung gekommen ist.
Fig. 3b zeigt eine rasch darauf folgende Phase, kurz nach Aufbringen des flüssigen Kühlmittelfilms 14 mit einer
Temperatur T3 auf die Oberfläche des zumindestens teilweise erstarrten Metallfilms 8. Die infolge der ursprünglichen Ueberhitzung in Fig. 3a gezeigte hohe Temperatur des Kurvenstücks 18.hat sich nun, durch Wärmeübergang an die angrenzende innerste Metallschicht 7, insbesondere jedoch durch Wärmeübergang in den Kühlmittelfilm 14 stark abgesenkt, wobei der Metallfilm 8 in einer Zone 8b unter die Erstarrungstemperatur T2 abgekühlt und somit völlig erstarrt ist. Zwar hat sich während des ganzen Vorgangs die Temperatur der innersten Metallschicht 7 entsprechend
Kurvenstück 20 etwas erhöht, jedoch reicht die Wärme in der flüssigen Restzone 8a nicht aus, um eine Verschweissung mit der angrenzenden innersten Metallschicht 7 herbeizuführen.
Fig. 3c zeigt eine Phase unmittelbar vor Ende einer
Umdrehung, kurz vor Aufbringung des nächsten überhitzten Metallfilms 8 entsprechend Fig. 3a. Die Temperatur des Metallfilms 8 kann in dieser Phase so weit abgesunken sein, dass der Wärmestrom sich umkehrt, d. h. die schon vorher gebildeten Metallschichten geben Wärme an den letztgebildeten Metallfilm 8 abgeben. Es ist klar, dass zwischen Fig. 3c und Fig. 3a, d. h. dem Beginn des nächsten Zyklus mindestens so viel Zeit verstreichen uss, dass der Kühlmittelfilm 14 vollständig verdampft ist. Da das erfindungsgemässe Verfahren einerseits ähnlich wie Schmelzspinnverfahren die Wärme der überhitzten Schmelze an ein Metallsubstrat abgibt, zusätzlich jedoch einen wesentlichen Teil der Wärme in das flüssige tiefkalte Kühlmittel überführt, ergeben sich potentiell höhere Abkühlungsgeschwindigkeiten.
Fig. 4a - c zeigen drei Phasen bei einer zweiten Variante des erfindungsgemässen Verfahrens, der Herstellung eines aus Bändern fortlaufend verschweissten Verbundkörpers quasi in Form eines gegossenen Schichtverbund-Werkstoffs.
Dabei wird in Fig. 4a ein überhitzter Metallfilm 8 mit der Temperatur T- entsprechend dem Kurvenstück 18 der Temperaturkurve aufgebracht. Da es noch nicht zur Verschweissung mit der innersten Metallschicht 7 gekommen ist, besteht ein starker Temperaturabfall entsprechend Kurvenstück 19 zur Temperatur der letzten Schicht entsprechend Kurvenstück 20. Der nach beiden Seiten abfallende Verlauf der Temperaturkurve 20 ergibt sich aus der Tatsache, dass in diesem Bereich das Wärmezentrum der Erstarrung im Laufe der letzten Umdrehung lag. Die Wärme fliesst nun von beiden Seiten in die Senke zwischen Kurvenstücken 19 und 20, sodass es zu einer raschen Aufheizung der Oberfläche der innersten Metallschicht 7 kommt.
Fig. 4b zeigt den Moment unmittelbar vor der Verschweissung. Die Temperatur der zuletzt erstarrten innersten Metallschicht 7 entspricht nun fast dem Schmelzpunkt, diejenige des flüssigen Metallfilms 8 liegt immer noch oberhalb der Liquidustemperatur T2. Fig. 4c zeigt einen Zeitpunkt einige Zeit nach der Verschweissung, gerade zu Beginn der Aufbringung des flüssigen Kühlmittelfilms 14. Nicht mehr sichtbar ist ein Randbereich der innersten Metallschicht 7, welcher kurzzeitig nochmals aufgeschmolzen wurde, da derselbe inzwischen ebenso wie der neu aufgebrachte Metallfilm 8 erstarrt ist. Infolge der Verschweissung geht die erstarrte Randzone 8 schliesslich ohne Uebergang in die innerste Metallschicht 7 über, was sich im stetigen Verlauf des Kurvenasts 20 der Temperaturkurve manifestiert.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welche Einrichtungen zur Aufbringung von zwei Schmelzen 10a und 10b in Serie im Laufe einer Umdrehung als Metallfilme 8a und 8b aufweist, die anschliessend im Zusammenhang mit Fig. 4a - c erläutert miteinander verschweissen, was durch entsprechende Dosierung des Kühlmittels an der Kühlstelle 13 bewirkt wird. Hinter der Giessstelle 5b erfolgt die nicht gezeigte Aufbringung eines weiteren Kühlmittelfilms mit intensiverer Kühlwirkung. Aufgrund dieser intensiven Kühlwirkung kommt es nur zur Verschweissung der beiden Metallschichten 7a und 7b, jedoch nicht mit der darunterliegenden Metallschicht 7c. Ist die Zusammensetzung der beiden Metallschichten 7a und 7b identisch, so wird auf diese Weise ein dickeres Band bei hoher Abkühlungsgeschwindigkeit erzeugt. Ist die Zusammensetzung dieser Schichten verschieden, so erhält man ein Bimetallband. Selbstverständlich können auch mehr als zwei flüssige Metallfilme in Folge aufgebracht werden, sodass anstelle eines Bimetalls Bänder komplexeren Aufbaus entstehen.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung, welche speziell für die Herstellung dünner, schnell erstarrter Bänder geeignet ist. In Analogie zum
Schmelzspinnverfahren ist dabei die Distanz 22 zwischen der • Giessstelle 5 und der Austrittsöffnung der Giessdüse 11 möglichst .konstant zu halten. Da im Gegensatz zu den Schmelzspinnverfahren die im Laufe der letzten Umdrehung produzierte innerste Metallschicht 7 als Substrat verwendet wird, kommt es zu einer laufenden Verschiebung der
Giessstelle 5 bezüglich der ursprünglichen Oberfäche des Formkörpers l. Die konstante Distanz 22 wird im vorliegenden Beispiel eingehalten, indem eine Distanzrolle 23 auf der zuletzt gebildeten innersten Metallschicht 7 abrollt, welche über eine Haltevorrichtung 24 den Behälter 9 mit der Metallschmelze 10 verschiebt, sodass die Giessdüse 11 die Bewegung des Wicklungsaufbaus mitmacht. In Abweichung von dieser mechanischen Regelung ist es natürlich auch denkbar, den Abstand der Giessdüse 11 von der Giessstelle 5 über eine elektronische Messonde festzustellen, wobei ein Regelkreis dafür sorgt, dass die Position der Giessdüse 11 etwa über ein elektromechanisches Stellglied nachgeführt wird.
Fig. 7 zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemässen
Vorrichtung, welche speziell für die Herstellung dickerer Bänder bzw. von Blech geeignet ist, insbesondere wenn eine grössere Breitenausdehnung gewünscht ist. Während die Geometrie bei sehr dünnen Bändern von der Eigendynamik des Metallfilms, d. h. seinen thermischen und rheologischen Eigenschaften sowie den Beschleunigungskräften beim Auftreffen auf die Fläche bestimmt ist, sodass Breite und Dicke des Bandes in Abhängigkeit von Stoffkonstanten von Fläche und Schmelze, ihren Temperaturen und den Relativgeschwindigkeiten vorgegeben sind, ist dies bei dickeren Bändern bzw. Blech weniger der Fall. Um hier eine gleichmässige Verteilung über die gesamte Breite der Giesszone zu erreichen, bildet man die Giessstelle 5 als Metallbad 25 aus, wobei das Volumen dieses Metallbads einerseits durch die Seitenwände 17a, 17b des rotierenden zylindrischen Formkörpers 1 (Fig. 2) und die Innenfläche der im Rahmen der letzten Umdrehung erzeugten erstarrten innersten Metallschicht 7 nach drei.Raumrichtungen begrenzt wird, während in Drehrichtung eine mittels einer Haltevorrichtung 26 fixierte Stauwand 27 aus einem schmelzenbeständigen Material die Begrenzung bildet, wobei diese Stauwand 27 einerseits seitlich gegen die Wände 17a,b des rotierenden Formkörpers 1 einen minimalen Spalt bildet, welcher ein AbfHessen von Metallschmelze aus dem Bad 25 im wesentlichen verhindert, andererseits nach unten mit der Innenfläche der innersten Metallschicht 7 einen Giessspalt bestimmter Breite bildet, der die Dicke des flüssigen Metallfilms 8 bestimmt. Im Interesse der konstanten Breite dieses Giessspalts können die entsprechend Fig. 6 vorgeschlagenen Massnahmen zur Anwendung kommen, d. h. die Haltevorrichtung 26 der Stauwand 27 kann entweder durch eine Distanzrolle 23 (Fig. 6) oder mit elektronischen Mitteln auf konstanter Distanz von der jeweiligen Innenfläche gehalten werden.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit ähnlicher Zielsetzung wie dies bei derjenigen nach Fig. 7 der Fall ist. Dabei findet die Zuführung des Strahls 6 der Metallschmelze ebenfalls in ein Bad 25 statt, wobei die seitliche Begrenzung in Drehrichtung jedoch in diesem Fall durch eine Stauwalze 28 gebildet wird, welche in gleicher Weise wie die in Fig. 7 beschriebene Stauwand 27 einen Giessspalt mit der während der letzten Umdrehung gebildeten innersten Metallschicht 7 bildet. An der Kühlstelle 13 wird die Kühlflüssigkeit über eine Kühldüse 12 zugeführt, wobei die Verteilung der Kühlflüssigkeit, ähnlich wie dies im vorliegenden Beispiel für die Metallschmelze der Fall ist, durch eine Walze 29 bewerkstelligt wird. Es ist auch eine - in Fig. 7 nicht dargestellte - Anordnung denkbar, bei der die Zuführung der Kühlflüssigkeit in Drehrichtung hinter der Walze 29 erfolgt. In einem solchen Fall dient die Walze 29 einerseits dazu, den teil- oder vollerstarrten Metallfilm 8 in die Ebene zu walzen und verhindert ausserdem ein Rückfluten von flüssigem oder gasförmigem Kühlmittel in den Bereich des noch flüssigen Metallfilms 8.
Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche speziell zur Herstellung komplex geformter im wesentlichen rotationssymmetrischer Teile dient. Zu diesem Zweck sind die Giessdüse 11 und die Kühldüse 12 an einer gemeinsamen Haltevorrichtung 30 befestigt und können in Richtung eines Pfeils 31 im Inneren des rotierenden Formkörpers 1 bewegt werden. Im vorliegenden Beispiel ist die Kühlstelle 13 im Interesse der Uebersichtlichkeit der Darstellung um eine halbe Drehung gegenüber der Giessstelle 5 in Drehrichtung versetzt. Selbstverständlich sind auch andere Versetzungswinkel möglich, es muss nur dafür gesorgt sein, dass die Zeitspanne vor der Aufbringung des Kühlmittels ausreicht, eine ausreichende Vorerstarrung des Metallfilms 8 zu gewährleisten, sodass Beeinträchtigungen durch die eventuell heftige Kühlreaktion vermieden werden und dass die Zeitspanne nach Aufbringung des Kühlmittels ausreichend gross ist, damit das Kühlmittel vor Aufbringung des nächsten Metallfilms verdampft ist.
Im vorliegenden Beispiel besitzt der Formkörper 1 abgesehen von zwei stirnseitigen Seitenwänden 17a,b eine formgebende Innenwand 32, welche aus einem Material bestehen muss, welches thermisch und mechanisch dem Angriff der Schmelze widerstehen kann. Da der Wärmeabzug in wesentlichen Teilen nach innen, über das verdampfende Kühlmittel erfolgt, kann die Innenwand 32 zumindestens in einem der Oberfläche benachbarten Bereich aus einem keramischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit bestehen. In einem solchen Fall besteht der rotierende Formkörper 1 dann etwa aus einer Aussenwandung, welche aus einem Material besteht, welches die beim Rotationsvorgang auftretenden mechanischen Kräfte aufnehmen kann, z. B. Metall, sowie aus einem inneren Teil, welcher thermische Belastungen ertragen kann. Dabei kann . der innere Teil ein Einwegteil sein, der nach jedem Gussvorgang ersetzt wird. Das hat den Vorteil, dass auch Geometrien mit Hinterschneidungen ohne Trennlinie giessbar sind, da das keramische Formmaterial nach dem Giessvorgang zusammen mit dem im wesentlichen zylindersymmetrischen Gussstück dem Formkörper 1 entnommen werden kann.
Der Aufbau eines im wesentlichen rotationssymmetrischen Verbundkörpers geht dann so vor sich: die an der Giessstelle 5 aufgebrachte Metallschmelze bildet einen Film 8, welcher im Verlaufe der weiteren Drehung am schon deponierten Metall anschweisst und zumindestens teilweise erstarrt. Nach einem bestimmten Drehwinkel wird das flüssige Kühlmittel, z. B. flüssiger Stickstoff, aufgebracht, wobei die Menge so gewählt wird, dass nach vollständiger Verdampfung des Kühlmittels im neu aufgebrachten Metallfilm 8 eine Restwärme verbleibt, welche im Verlauf folgender Drehungen eine Verschweissung mit neu deponiertem Material gestattet. Die Haltevorrichtung 30 kann längs der Rotationsachse, in Richtung des Pfeils 31, mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, es ist aber auch eine auf die Menge des deponierten Metalls abgestimmte Hin- und Herbewegung möglich, bei der die Innenfläche des Verbundkörpers in kontrollierter Weise aufgebaut wird. Im einfachsten Fall kann eine solche Vorrichtung zum Aufbau eines Rohres dienen. Sowohl in diesem Fall wie in allen beschriebenen Beispielen ist es ohne weiteres möglich, andere Werkstoffe, z. B. keramische oder metallische Phasen in Form von Pulvern oder Fasern o. dgl. vor, während oder nach der Bildung des flüssigen Metallfilms aus einer nicht dargestellten Vorrichtung, z. B. unter Verwendung eines pneumatischen Fördermittelε, auf die rotierende Innenfläche des entstehenden Verbundkörpers aufzubringen, sodass ein Verbundwerkstoff entsteht.
Fig. 10a zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Herstellung eines Endlosrohrs, wobei die Fig. 10b und 10c in schematischer Weise zwei charakteristische Situationen aus dem Ablauf des Herstellungsprozesses demonstrieren. Dabei sind die Giessdüse 11 und die Kühldüse 12 wie in Fig. 9 an einer gemeinsamen Haltevorrichtung 30 befestigt, wobei die Giessstelle 5 und die Kühlstelle 13 um einen bestimmten Drehwinkel gegeneinander versetzt sind. Dabei müssen besagte Stellen nicht unbedingt in der gleichen Drehebene angeordnet sein, sondern können in Richtung der Rotationsachse gegeneinander verschoben sein. Die Haltevorrichtung 30 und mit ihr die Giessdüse 11 und die Kühldüse 12 führt relativ zum rotierenden Formkörper 1 eine Oszillationsbewegung in axialer Richtung gemäss Doppelpfeil 34a aus. Das Rohr 33 wird in Richtung des Pfeils 35 abgezogen.
Fig. 10b zeigt den Zeitpunkt des Aufbaus einer neuen Aussenschicht des Endlosrohrε, wobei dieser Moment in der vorliegenden Darstellung ungefähr dem linken Endpunkt der Oszillationsbewegung der Haltevorrichtung 30 in Richtung des Pfeils 34c entspricht. Die Schmelze gelangt aus der Giessdüse 11 in Form eines Strahls 6 auf die Innenfläche des rotierenden Formkörpers 1, wobei ein flüssiger Metallfilm 8 gebildet wird, der in unmittelbarem Kontakt mit dem von aussen gekühlten zylindrischen Formkörper 1 eine feste Randschicht 7a ausbildet, welche mindestens zu einem wesentlichen Teil erstarrt ist, sodass sie eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist. Diese weitgehend erstarrte Zone 7a geht in den anschliessenden voll erstarrten Teil des Rohrs 33 über.
Fig. 10c zeigt einen Zeitpunkt nach den Vorgängen in Fig. 10b. Dabei hat die Haltevorrichtung 30 eine Bewegung entsprechend Pfeil 34d nach rechts ausgeführt und befindet sich kurz vor dem Umkehrpunkt. Gleichzeitig hat das Rohr 33 eine Drehbewegung ausgeführt wie in Fig. 10a angedeutet. Die Giessstelle 5 befindet sich demgemäss weiter rechts innerhalb des rotierenden Formkörpers 1, desgleichen ist die Kühlstelle 13 nach rechts gerückt, wobei die Kühldüse 12 im Interesse der Einfachheit der Darstellung wie die Giessdüse 11 in die Bildebene gelegt wurde, obwohl sie tatsächlich um einen bestimmten Drehwinkel in Drehrichtung versetzt ist. Die Wirkung des Kühlmittels führt zu einer starken Abkühlung der Anfangszone des Rohrs 33, sodass die Erstarrung nun weitgehend den ganzen im Laufe der Vorgänge entsprechend Fig. 10b aufgebauten Rohrquerschnitt erfasst. Gleichzeitig wird mittels der nach rechts verschobenen Giessdüse 11 für die Aufbringung der Schmelze das Rohr 33 bis zur Erreichung des endgültigen Innendurchmessers des Rohrs 33 aufgebaut. Die weitgehende Erstarrung des Rohrs 33 aufgrund des Wärmeentzugs von innen durch das Kühlmittel führt zu einer Schwindung des Aussendurchmesserε deε Rohrε 33, wodurch es zur Ausbildung eines Giessspalts 36 gegenüber dem rotierenden Formkörper l kommt. Dieεer Vorgang spielt sich zwischen den Zeitpunkten entsprechend Fig. 10b und 10c, also im Verlauf der Bewegung der Haltevorrichtung 30 in Richtung des Pfeils 34d ab.
Sobald der Kontakt zwischen der friεch gebildeten Aussenmantelflache des Rohrs 33 und dem rotierenden Formkörper 1 verloren geht, wird die Drehbewegung des Rohrs nur noch durch mehrere auf Achsen 38 gelagerte Auszugrollen 37 gestützt. "Die AusZugrollen 37 sind in Richtung der Rotationsachse beweglich und führen im Moment des Kontaktverlusts des Rohres 33 zum rotierenden Formkörper 1 eine kurze Bewegung in Richtung deε Pfeilε 34b durch, wobei das Rohr 33 um eine Strecke, welche in der Grössenordnung der Oszillationεamplitude liegt, aus dem zylindrischen Formkörper 1 herausgezogen wird. Sobald ein neuer Metallfilm 8 an der Stirnseite des Rohrs entsprechend Fig. 10b aufgebaut wurde, können die Auszugrollen 37 kurzzeitig vom Rohr 33 abgehoben und um den gleichen Betrag nach links verschoben werden, wo sie dann wieder mit dem Rohr 33 in Kontakt gebracht werden. Vom Endlosrohr müεsen mit einer nicht dargestellten Schneidvorrichtung in bestimmten Zeitabständen Stücke der gewünschten Länge abgetrennt werden ähnlich wie dieε auch beim klassischen Strangguss der Fall ist.
Fig. Ha zeigt eine weitere Auεführungεform einer erfindungsgemäεεen Vorrichtung, welche zur Erzeugung eines Endlosrohrs geeignet ist. Während das Rohr 33 im letzten Beispiel jedoch die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Formkörpers 1 annahm, ist hier ein Fall gezeigt, wo nur die eigentliche Zone des Aufbaus die Rotationsbewegung mitmacht, während das erstarrte Rohr 33 keine Drehbewegung ausführt. Aehnlich wie bei der Vorrichtung entsprechend Fig. 10a werden die Giessdüεe 11 und die Kühldüεe 12 mittels einer gemeinsamen Haltevorrichtung 30 in Richtung der Rotationsachse des Formkörpers 1 beweglich angeordnet, wobei die Kühlstelle 13 in Richtung der Drehung um einen bestimmten Winkel versetzt ist und auch in Abzugsrichtung entsprechend Pfeil 35 um einen gewissen Betrag gegenüber der Giessstelle 5 verschoben sein kann. Während die Rolle 4 stellvertretend für alle Rollen εteht, welche den rotierenden Formkörper 1 in seiner Bewegung halten, stehen die beiden Auszugrollen 37 stellvertretend für eine grössere Anzahl von
Auszugrollen, welche das Rohr 33 aus dem rotierenden Formkörper 1 herausbewegen.
Fig. 11b zeigt den in Fig. 11a dargeεtellten Vorgang in prinzipieller Weiεe in einem schematischen Schnitt. Der rotierende Formkörper 1 hat eine Seitenwand 17, welche vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist und welche den Abfluss der Schmelze, welche einen - flüssigen Metallfilm 8 bildet, nach links verhindert. Da der rotierende Formkörper 1, welcher vorzugsweise aus einem metallischen Kokillenmaterial besteht, von ausεen gekühlt ist, bildet sich eine teilerstarrte Zone 7a aus, bei welcher es jedoch noch nicht zu einer Vernetzung der Dendriten gekommen ist, sodass sie noch die Eigenschaften einer thixotropen Flüssigkeit besitzt. Gleichzeitig wird aus einer Kühldüse 12* eine Kühlflüssigkeit auf die
Innenfläche des weitgehend erstarrten Rohrs 33 aufgebracht, wobei man sich den Ort der Bildung des Kühlmittelfilms 14' in Drehrichtung hinter der Bildebene, in welcher die Giessdüse 11 liegt, vorzustellen hat. Die Abziehbewegung des Rohrs 33 kann im vorliegenden Fall in kontinuierlicher Weise erfolgen, da es unter der starken Kühlwirkung des flüssigen Kühlmittels zur Ausbildung einer teilerstarrten Zone 7b kommt, welche jedoch infolge ihres höheren Erstarrungsgrades und der damit erfolgten Vernetzung der Dendriten am erstarrten Rohr 33 haftet und die Drehbewegung der Zone 7a, welche zusammen mit dem flüssigen Metallfilm 8 von der-Rotationsbewegung des Formkörpers 1 mitgenommen wird, deshalb nicht mitmacht. Man εollte εich den Uebergang zwischen den teilerstarrten Zonen 7a und 7b übrigens nicht als scharfen Uebergang, wie in Fig. 11b der Einfachheit halber dargestellt, vorstellen, sondern eher als graduellen Uebergang von einer teilflüssigen und noch leicht verformbaren Zone in eine teilfeste und im wesentlichen starre Zone vorstellen.
Wenn in allen vorherigen Ausführungsformen von einem flüssigen Kühlmittel die Rede war, so war damit im allgemeinen ein verflüssigtes tiefkaltes Gas, z. B. flüssiger Stickstoff oder flüsεiges Argon gemeint, denn in den meisten Fällen kommt dem Kühlmittel zusätzlich auch noch die Aufgabe zu, die frischgebildete Oberfläche des Metallfilms 8 vor Kontakt mit Luft zu εchützen. Fallε es sich jedoch um. Materialien handelt, welche infolge ihrer geringen Oxidationsbereitschaft z. B. im Rahmen der Pulvermetallurgie mit Wasser verdüst werden können, z. B. bestimmte Buntmetalle, so kann beim erfindungsgemässen Verfahren auch Wasser eingesetzt werden. Die Verwendung einer reaktiven Atmosphäre, welche zur Ausbildung von Metallverbindungen führt, kann dort angebracht sein, wo ein Verbundkörper hergestellt werden soll, bei dem z. B. zwischen den metallischen Schichten keramische
Zwischenschichten eingelagert sind. Die keramischen Zwischenεchichten entsprechen dann den ehemaligen Oberflächen des flüsεigen Metallfilms 8, welcher vor Aufbringung einer weiteren Schicht mit Sauerstoff teilweise zu einer Oxidschicht reagieren konnte.
Abschliessend soll das erfindungsgemäεse Verfahren an zwei konkreten Beispielen erläutert werden, wobei es im einen Fall um die Herstellung eines Stahlbands, im anderen um die Herstellung eines ringförmigen Verbundkörpers aus Stahl geht. In beiden Fällen wurde eine Vorrichtung verwendet, welche im Prinzip der in Fig. 1 und 2 dargestellten entsprach. Bei dem rotierenden Formkörper 1 handelte es sich um einen Stahlzylinder mit 600 mm Innendurchmesser, wobei die Breite der seitlich durch die Seitenwände 17a,b begrenzten Giessnut 5 mm betrug. In beiden Fällen wurde ein rostfreier Chromnickelεtahl als Versuchsschmelze verwendet. Da es im Kleinversuch infolge des ungünstigen Oberfläche/Volumen-Verhältnisses schwierig ist, eine Stahlschmelze über eine Stopfenstangenvorrichtung oder einen miniaturisierten Schieberverschluss ähnlich wie im industriellen Massstab zu dosieren, wurde eine spezielle Lösung für den Kleinversuch gefunden. In der Präzisionsgusstechnik sind sogenannte Schaukelöfen bekannt, mit denen Stahl unter Schutzgas in reiner Form erschmolzen und direkt - ohne Kontakt mit der Aussenatmosphäre und ohne die Notwendigkeit einer Giesspfanne - in heisse Präzisionsformen vergossen werden kann. Der Schaukelofen bestand aus einem um eine horizontale Achse drehbaren Schmelzenbehälter in Form einer zylindrischen Tonne aus hochtemperaturbeεtändigem Magnesit, welcher an den beiden seitlichen Stirnflächen i der Drehachse zwei gegeneinander verschiebbare Graphitelektroden zur Bildung eines Lichtbogens enthielt. Ueber eine Oeffnung der Tonne, welche beim Schmelzvorgang nach oben gerichtet war, wurde die Stahllegierung in Form von 15 mm Stangenmaterial eingebracht. Während des EinschmelzVorgangs wird der Ofen hin- und hergeschaukelt, damit die Wände im Kontakt mit der Schmelze ihre Ueberhitzungswärme loswerden können. Die nach oben gerichtete Beschickungsöffnung des Ofens dient normalerweise im Moment des Abgusses auch zur Befestigung des Eingusstrichters der nach oben gerichteten und vorgeheizten Keramikform. Im vorliegenden Fall wurde anstelle einer vorgeheizten Form ein vorgeheizter^. Giesstrichter mit angesetztem Düsenrohr aus Zirkonoxyd mit einem Innendurchmesser von 5 mm angebracht. Der ganze
Schaukelofen war im Inneren des rotierenden Formkörpers l angebracht, wobei die Drehebene des Schaukelofenε mit der Drehebene deε Formkörperε identisch war und die Gieεεdüse 11 des Ofens bei Drehung desεelben um 180° genau in die Mitte der Giessnut, in gleichem Abstand zwischen den Seitenwänden 17a und 17b einschwenkte.
Nachdem die Schmelze im Ofen auf eine Temperatur von 1550βC gebracht worden war, wurde der zylindrische Formkörper 1 auf eine Tourenzahl von 1200 U/min gebracht. Die um 100° gegenüber der Giesεεtelle 5 versetzte Kühldüse 12 war zu diesem Zeitpunkt noch aus der Giessvorrichtung ausgeklappt und wurde einige Sekunden vor Beginn des eigentlichen Experiments mit flüssigem Stickstoff beschickt, biε der anfänglich aus Gas und Flüsεigkeit bestehende Strahl nur noch in flüssiger Form austrat, wobei dies mit einer Rate von 380 g/εec geεchah. Daraufhin wurde der Schaukelofen auf den Kopf gestellt, womit der Giesεvorgang einεetzte und unmittelbar darauf - etwa 0.5 εec εpäter, wurde die Kühldüse 12 in die Drehebene des Formkörpers 1 eingeschwenkt, sodass die Kühlflüssigkeit in die Giessnut gelangte. Innerhalb der nächsten 7 Sekunden entstanden bei diesem Experiment 1050 g Stahl in Form eines Bands von 0.09 mm Dicke und 5 mm Breite, wobei entsprechend der Höhe der Wicklung von ca. 14 mm 140 übereinanderliegende Schichten entstanden. In derselben Zeit ergab sich ein Verbrauch an ca. 4 1 flüssigen Stickεtoffs. Eine εofortige Meεεung deε Metallwicklung ergab eine Temperatur unterhalb von 250°C.
Bei einem zweiten Experiment wurde mit derselben Einrichtung ein ringförmiger Verbundkörper aus rostfreiem Stahl hergestellt. Allerdings war die Bodenfläche der Giessnut mittels eines Plasmaspritzvorgangs vorgängig mit Kalziumzirkonat beschichtet worden, um eine unerwünschte Wärmeabfuhr über den Formkörper 1.zu verhindern, welche einer schnellen Einstellung eines stationären
Verschweissungszustandes bei einem Kurzzeitversuch im Wege steht. In dieεem Fall wurde die Schmelze im Schaukelofen auf 1800*C überhitzt und der Formkörper 1 auf eine Drehzahl von 772 U/min gebracht. Die Kühlstelle 13, an der als Kühlmittel Flüssigstickstoff aufgebracht wurde, war um eine Dreivierteldrehung des Rads gegenüber der Giesεεtelle 5 verεetzt. In gleicher Weiεe wie vorher wurde im Rahmen einer Vorlaufzeit, d. h. nachdem sich eine stetige Strömung der Kühlflüssigkeit eingestellt hatte, der Schaukelofen auf den Kopf gestellt und Sekundenbruchteile danach auch die Kühldüse 12 eingeschwenkt. Während 9 sec wurde der Vorgang aufrechterhalten, wobei ein Ring mit einer Breite von 4.5 mm, einem Innendurchmeεεer von 530 mm und einem Auεsendurchmesser von etwas weniger alε 600 mm entεtand. Die optiεche Meεεung der Temperatur der Ringoberfläche unmittelbar nach Abεchluεε deε Verεuchε ergab eine Oberflächentemperatur von 1200 C. Durch die εofort anεchlieεsend wieder aufgenommene Kühlung wurde der Ring schnell auf tiefere Temperaturen gebracht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder
Verbundkörpers aus Metall, bei welchem mindestenε ein Strahl (6) von überhitzter Metallεchmelze gegen eine quer zur Strahlrichtung bewegte Fläche geleitet und dadurch ein anfänglich flüεεiger Metallfilm (8; 8a, 8b) auf derεelben erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet/ dass auf den Metallfilm (8; 8a, 8b) flüssiges Kühlmittel aufgebracht und derselbe durch Verdampfung des letzteren biε mindestens in den Erstarrungεbereich abgekühlt wird.
Verfahren nach Anεpruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüεεigkeit erεt nach einer mindestens oberflächlichen Vorerstarrung desεelben auf den Metallfilm (8; 8a, 8b) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ dass der Strahl (6) von überhitzter Metallschmelze im wesentlichen geschlossen auf die Fläche auftrifft.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl (6) von überhitzter Metallschmelze vor dem Auftreffen auf die Fläche mittels eines fluiden Mediums in Tropfen aufgelöst wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 biε 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche eine rotierende, um die Rotationεachεe annähernd symmetrische Innenfläche ist. 6. Verfahren nach Anεpruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche jeweils mindestens zum Teil-von während voraufgehender Umdrehungen erzeugten erstarrten Metallschichten (7; 7a, 7b) gebildet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6 zur Herεtellung einer Bandwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch das Kühlmittel so eingestellt wird, dass keine Verschmelzung zwiεchen dem neu aufgebrachten Metallfilm (8; 8a, 8b) und während voraufgehender Umdrehungen erzeugten erεtarrten Metallεchichten (7; 7a, 7b) eintritt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Verbundkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abkühlung durch das Kühlmittel so eingestellt wird, dasε der neu aufgebrachte Metallfilm (8) mit mindeεtens einer der während der voraufgegangenen Umdrehungen aufgebrachten erstarrten Metallschichten (7) verschmilzt.
9. Verfahren nach Anspruch 8 zur Herεtellung eineε Rohres (33) , dadurch gekennzeichnet, dass der neu aufgebrachte Metallfilm (8) mindeεtenε intermittierend durch Abziehen der während der voraufgehenden
Umdrehungen erzeugten miteinander verschmolzenen Metallschichten (7) in der Richtung der Rotationsachεe gegenüber denεelben verschoben, jedoch mit ihnen überlappend angelegt wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit mindestenε einem Behälter (9; 9a, 9b) zur Aufnahme von Metallεchmelze (10; 10a, 10b), dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (9; 9a, 9b) mit einer im Inneren eines um eine
Rotationsachεe rotierbaren hohlen Formkörpers (1) angebrachten Giesεdüεe (11; Ha; 11b) verbunden iεt, welche gegen die Innenwand des For körperε (1) gerichtet ist und im Inneren des Formkörpers (1) mindestens eine Kühlmitteldüse (12; 12a, 12b; 12') in Drehrichtung gegen die mindestens eine Giessdüse (11; Ha, 11b) versetzt angeordnet ist, welche ebenfalls gegen die Innenfläche deε Formkörperε (1) gerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Giesεdüεen (11; Ha, 11b) und mehrere Kühlmitteldüεen (12; 12a, 12b) in axialer Richtung aufeinanderfolgend nebeneinander angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestenε zwei Giessdϋεen (Ha, 11b) sowie zwischen denselben mindestens eine Kühlmitteldüse (12) in Drehrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Giesεdüεe (11) jeweils mindestens in radialer Richtung beweglich aufgehängt und starr mit einem Abstandhalter verbunden ist, welcher mit einer gegen die Innenwand des
Formkörpers (1) gerichteten Kraft beaufschlagt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter alε Diεtanzrolle (23) ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Bildung eineε Badε (25) ein mit dem Abεtandhalter εtarr verbundeneε, in Drehrichtung gegenüber der mindeεtens einen Giessdüse (11) versetzt angeordneteε Stauelement aufweiεt, welches mit der jeweiligen Innenfläche einen axial gerichteten Schlitz konstanter Breite bildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stauelement als Stauwand (27) ausgebildet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Stauelement als Stauwalze (28) auεgebildet iεt.
18. Vorrichtung nach einem der Anεprüche 10 biε 14, dadurch gekennzeichnet, dass εie eine Einrichtung zum Abziehen deε bereitε erstarrten Abschnittε eineε in der Vorrichtung erzeugten Verbundkörperε in Richtung der Rotationsachse aufweist.
19. Vorrichtung nach Anεpruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Giessdüse (11) und die mindestens eine Kühlmitteldüse (12) auf einer gemeinsamen Halterung (30) befestigt ist, welche geeignet iεt, eine mit der Rotation deε Formkörperε (1) synchronisierte oszillatorische Bewegung in axialer Richtung auszuführen.
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