[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen sowie eine Anwendung des Verfahrens
zur Herstellung band- oder folienartiger Produkte aus metallischem oder metalloxydischem
Material, wobei metallische oder metalloxydische Schmelze aus mindestens einem Vorratsbehälter
durch mindestens eine Düsenöffnung auf die Oberfläche eines mit geregelter Geschwindigkeit
bewegten Kühlkörpers aufgebracht wird.
[0002] Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung .von amorphen Metallbändern
bekannt (EP 00268.12), 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. Ausgegangen
wird dabei von runden Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm, bei deren Verwendung
ein für die Herstellung amorpher Metallbänder optimaler Zusammenhang zwischen der
Düsenöffnung, dem Abstand der Düsenöffnung von der Kühlkörperoberfläche sowie der
Geschwindigkeit der Oberfläche des Kühlkörpers angegeben wird. Damit sollen gleichmässig
ausgebildete Metallbänder bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten hergestellt werden
können. Solche Bänder können entweder vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges
Gemisch des amorphen und des kistallinen Zustandes umfassen. Dabei wird unter einer
amorphen Metallegierung eine Legierung verstanden, deren Molekülstruktur zu wenigstens
50%, vorzugsweise zu wenigstens 80%, amorph ist.
[0003] Es sind ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Metallstreifens
bekannt (DE-PS 27 46 238), wonach verschiedene, in der Praxis jedoch kompliziert herzustellende
Düsenformen zur Herstellung "breiter" Metallstreifen vorgeschlagen werden. Die grösste
damit erzielte Streifenbreite betrug 12 mm. Im Rahmen dieses Vorschlages wird auch
darauf hingewiesen, dass es grundsätzlich möglich sein müsse, eine Vielzahl von parallelen
gleichmässigen Düsen strahlen aus geeignetem Abstand auf ein sich bewegendes Substrat
auftreffen zu lassen, um einen relativ breiten Streifen zu bilden. Dieser Versuch
bereite jedoch Schwierigkeiten, insbesondere da die Düsenstrahlen sich nicht unter
Bildung einer Lache vereinigen, so dass es praktisch schwierig sei, Streifen mit gleichförmigem
Querschnitt zu erhalten. Ausserdem sei-es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, eine
Lache von ausreichend gleichmässiger Dicke zum Ziehen von Streifen mit nur annähernd
gleichmässigem Querschnitt breiter als etwa 7,5 mm zu erhalten. Es wurden gemäss der
DE-PS 27 46 238 zur Ueberwindung solcher Schwierigkeiten Vorrichtungen mit sehr nahe
an der Kühlkörperoberfläche abgestuften Düsenformen vorgeschlagen, mit deren Hilfe
sich Streifen mit gleichförmigeren Abmessungen bezüglich der Breite und Dicke sowie
mit gleichmässigen Festigkeitseigenschaften bis zum Bereich der oben angegebenen Breite
herstellen lassen.
[0004] In Verbindung mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Materialbändern mit hoher
Geschwindigkeit ist ein Düsenkörper mit gekrümmter Oberfläche und einer schlitzartigen
Düsenöffnung zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse zwischen dem Düsenkörper
und der Oberfläche des Kühlkörpers bekannt (EP-0040069). Die damit hergestellten Bänder
weisen vorwiegend amorphe Struktur auf. Es wird auch die Beschichtung der Kühlkörperoberfläche
mit unterschiedlichen Materialien beschrieben, dies jedoch ausschliesslich im Hinblick
auf die Erzielung bestimmter physikalischer Oberflächeneigenschaften, insbesondere
zur einwandfreien und leichten Ablösung der produzierten Bänder von der Kühlkörperoberfläche.
Schliesslich ist aus GB-2083455 ein trommelförmiger Kühlkörper bekannt, welcher eine
Umfangsnut enthält. Die Umfangsnut auf der Trommel dient gewissermassen als Giessform
für einen relativ dicken Materialstreifen, der später quer zu Scheibchen geschnitten
werden kann, wie sie bei der Halbleiterherstellung üblicherweise Verwendung finden.
[0005] Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Bändern der eingangs
erwähnten Art sind mit dem entscheidenden Nachteil behaftet, dass die praktische Herstellung
von Bändern, welche wesentlich breiter sind als etwa 15 cm, bisher nicht möglich war.
Dies trotz eines starken und grossen Bedarfs an solchen Bändern, die bisher immer
noch über aufwendige und kostenintensive Walzverfahren hergestellt werden. Ausserdem
besteht ein Verlangen nach breiteren Bändern mit amorpher Struktur, welche beispielsweise
die Herstellung von Transformatoren ermöglichen. Solche Transformatoren weisen um
ca. 30% , geringere Ummagnetisierungsverluste auf als aus konventionellen Blechpaketen
gefertigte.
[0006] Ferner dienen bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Bändern der
eingangs erwähnten Art ausschliesslich zur Herstellung von Bändern homogener Strukturen.
Es sind weder Verfahren oder Vorrichtungen zur Herstellung von Bändern bekannt, welche
nebeneinander liegende abgegrenzte Bereiche unterschiedlicher metallurgischer Struktur
noch solche unterschiedlicher geometrischer Struktur enthalten. Dies trotz eines starken
und grossen Bedarfs an derartigen Bändern, beispielsweise für Verpackungsfolien, die
bisher immer noch mit dem aufwendigen und kostenintensiven Walzverfahren hergestellt
werden, oder für Massenprodukte, insbesondere Kleinteile, aus Band- oder Folienmaterial,
welche bisher aus geschlossenen Folien oder Bändern ausgestanzt werden mussten. Auch
dieses Stanzverfahrenzstellt einen besonders aufwendigen Verfahrensschritt dar.
[0007] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben,
welche die Herstellung von Bändern aus metallischem oder metalloxydischem Material
jeder beliebigen Breite erlaubt und welche ausserdem die Herstellung von Bändern mit
getrennten Bereichen unterschiedlicher Strukturen (amorph bzw. kristallin) ermöglicht.
Ferner soll die Herstellung von.Bändern oder.Filien mit benachbarten Bereichen unterschiedlicher
metallischer und/oder geometrischer Struktur möglich sein.
[0008] Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen definierten Merkmale gelöst.
Auf diese Weise lassen sich teilweise in Ueberwindung, bisheriger praktischer Schwierigkeiten-und
damit verbundener Vorurteile Bänder nahezu beliebiger Breite herstellen, und es lassen
sich Bänder mit getrennten Bereichen unterschiedlicher Strukturen (amorph bzw. kristallin)
herstellen, für welche sich ein breites Anwendungsspektrum eröffnet. Es ist damit
beispielsweise möglich, eine Folie herzustellen, welche im mittleren Teil amorphe
Struktur aufweist und damit steif und formbeständig oder auch wahlweise luftdurchlässig
bzw. luftundurchlässig ist und in den Randbereichen, in welchen die Folie mit anderen
Elementen verbunden, beispielsweise verfalzt werden soll, eine weiche und biegsame
kristalline Struktur aufweist. Durch kombinierte Steuerung der Verfahrensparameter
für nebeneinander liegende Düsen oder Düsengruppen lassen sich auf vorteilhafte Weise
die Materialeigenschaften der herzustellenden Beänder weitgehend bestimmen. Nach diesem
Verfahren hergestellte Bänder lassen sich auf besonders vorteilhafte Weise zur Verkleidung
oder Auskleidung mechanisch oder chemisch beanspruchter Teile verwenden,beispielsweise
von Rohrleitungen, um sie korrosionsfest zu machen, oder von Gleitlagern. Solche Produkte
lassen sich bei Verwendung von erfindungsgemäss hergestellten Bändern oder Folien
einfacher und billiger herstellen als die nach traditionellen Verfahren hergestellten
Produkte. Ausserdem weisen die nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Produkte
bessere technologische Eigenschaften auf als konventionell, beispielsweise nach einem
pulvermetallurgischen Verfahren, hergestellte Produkte. Nach einem weiteren erfindungsgemässen
Verfahren lassen sich durch Segmentierung, Perforierung oder Profilierung der Kühlkörperoberfläche
geometrisch abgegrenzte Bereiche definieren, so dass sich einerseits Folien mit strukturierter
Oberfläche und andererseits solche mit formbegrenzten Einzelbereichen herstellen lassen.
Damit ist auf einfache und zweckmässige Weise die Massenherstellung von Kleinteilen
aus Band- oder Folienmaterial möglich.
[0009] Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. l die schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Düsenkörper mit mehreren Einzelschlitzen,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer aus Einzeldüsen zusammengesetzten
Schlitzdüse,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit versetzten Einzeldüsen und getrennten Düsenkörpern,
Fig..5 die Aufsicht auf die Vorrichtung gemäss Fig. 4
Fig. 6A bis 6B die Unteransicht unter einen Düsenkörper mit versetzten Düsenschlitzen,
Fig. 7A bis 7C Düsenmodule mit durchgehendem Düsenschlitz,
Fig. 8A bis 8C Düsenmodule mit versetztem Düsenschlitz,
Fig. 9A und 9B Düsenmodule mit schräg verlaufenden Düsenschlitzen,
Fig. 10 die Prinzipdarstellung der Gesamtvorrichtung zur Durchführung eines weiteren
Verfahrens,
Fig. 11 die Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit mehreren Vorratsbehältern,
zur Erzeugung eines Bandes oder einer Folie mit nebeneinander liegenden Bereichen
unterschiedlicher Materialien oder Qualitäten,
Fig.12 die Aufsicht auf eine Kühltrommel mit segmentierter Oberflächenstruktur,
Fig.13 die Trommel gemäss Fig. 11 in Schnittdarstellung,
Fig. 14 die Aufsicht auf eine Kühltrommel mit perforierter Oberflächenstruktur,
Fig.15 die Trommel gemäss Fig. 14 in Schnittdarstellung,
Fig. 16 die Aufsicht auf eine Kühltrommel mit profilierter Oberflächenstruktur,
Fig.17 die Trommel gemäss Fig. 16 in Schnittdarstellung,
Fig.18 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Schnittdarstellung, und
Fig. 19 die Aufsicht auf das Beispiel gemäss Fig. 18.
[0010] Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des.Verfahrens
enthält eine als Kühlkörper wirkende kontinuierlich rotierende Trommel 1, Vorratsbehälter
2, mit einer oder mehreren Düsen 3, beispielsweise mit einem Düsenschlitz, und einer
induktiven Heizvorrichtung 4 zum Aufheizen der in den Vorratsbehältern 2 befindlichen
Schmelze. Anstelle der induktiven Heizvorrichtung kann auch eine beliebige andere
temperaturstabilisierende Vorrichtung verwendet werden.
[0011] In den Vorratsbehältern 2 ist schmelzflüssiges Metall enthalten, welches gegebenenfalls
aus einer Quelle 5 nachgeführt wird. Sowohl der Vorratsbehälter 2 als auch die gesamte
Vorrichtung können an ein Inertgassystem angeschlossen sein, was in Fig. l schematisch
durch einen an die Vorratsbehälter 2 angeschlossenen Gasbehälter 6 angedeutet ist.
Ferner kann der Bereich der Düsenöffnung von einer Schutzgasatmosphäre umgeben sein
bzw. unter Vakuum stehen; zur Vermeidung von störenden Grenzschichteinflüssen kann
die Düsenöffnung über elektrostatische Felder beeinflusst werden. Auch kann der Vorratsbehälter
2 mit leichtem Ueberdruck aus dem Gasbehälter 6 beaufschlagt sein. Es können aber
auch beliebige andere Vorrichtungen zur Erzeugung einer Druckdifferenz zwischen dem
Vorratsbehälter und den Düsenöffnungen vorgesehen sein, beispielsweise an sich bekannte
mechanische oder elektromagnetische Druckdifferenzerzeuger. An die induktive Heizvorrichtung
4 ist eine geregelte Stromversorgungseinrichtung 7 angeschlossen. Zum besseren Ablösen
des sich bildenden Bandes 8 von der Trommel 1 kann eine
Abstreiferdüse 90 für Luft oder Schutzgas vorgesehen sein, die an ein Reservoir 100
angeschlossen ist.
[0012] Im gezeigten Beispiel ist die Düsenkonfiguration 3 gegemäss Fig. 1 auf die im folgenden
beschriebene Weise aus mehreren Einzeldüsen zusammengesetzt. Dabei werden im wesentlichen
zwei Ausführungsarten unterschieden, welche jedoch miteinander kombinierbar sind.
In einer ersten Ausführungsart ist, wie in Fig. 2 dargestellt, ein einziger, mit dem
Vorratsbehälter 2 integrierter Düsenkörper vorgesehen, welcher im gezeigten Ausführungsbeispiel
drei Einzelschlitze 3A, 3B, 3C enthält. In einer zweiten Ausführungsart, die in den
Fig. 3, 4 und 5 schematisch dargestellt ist, sind mehrere Düsenkörper vorgesehen,
welche jeweils entweder Einzeldüsen 3 oder Düsengruppen 3A, 3B, 3C enthalten können
und welche jeweils mit getrennten Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C verbunden sind.
[0013] Die sich gemäss den Fig. 2 und 3 aus den Düsenöffnungen ' 3A, 3B, 3C zusammensetzende
Schlitzdüse 3 verläuft senkrecht zur Bewegungsrichtung Y der Trommel 1 und im wesentlichen
parallel zur Oberfläche der Trommel. Die Düsenöffnungen 3A, 3B, 3C sind derart nebeneinanderliegend
angeordnet, dass die aus dem Vorratsbehälter 2 oder den Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C
strömende Schmelze auf der als Substrat dienenden Oberfläche der Trommel 1 eine durchgehende
und geschlossene Schmelze bildet. Die als Kühlkörper ausgebildete Trommel 1 erzeugt
innerhalb der dünnen Schmelzenschicht ein Temperaturgefälle, welches zur
bu-fortigen Erstarrung der Schmelze und zur Bildung einer mechanisch geschlossenen
Materialbahn auf dem Substrat führt. Durch Wahl der Schmelztemperatur, z.B. mit Hilfe
der regelbaren Stromversorgungseinrichtung 7, sowie durch Wahl der Bewegungsgeschwindigkeit
für die Trommel 1, sowie durch Wahl des Temperaturgradienten auf der Substratoberfläche
lassen sich Materialbahnen verschiedener Struktur, also vorwiegend amorph oder auch
kristallin, herstellen. Am erzeugten Produkt lassen sich derartige
Kristallstrukturen beispielsweise durch Röntgenbeugungsmessungen feststellen. Kristalline
Materialien zeigen charakteristische scharfe Beugungslinien, während sich bei amorphen
Materialien die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel
ändert.
[0014] Bei Verwendung von getrennten Düsenkörpern, welche mit getrennten Vorratsbehältern
2A, 2B verbunden sind, lassen sich Materialbahnen herstellen, welche nebeneinander
Amorph/Amorph- oder Amorph/Kristallin-Struktur enthalten. Eine auf diese Weise hergestellte
Folie erscheint als geschlossene Materialbahn, welche jedoch in verschiedenen Bereichen
die bekannten unterschiedlichen Eigenschaften für kristalline bzw. amorphe Strukturen
zeigt. Beispielsweise ist eine auf diese Weise hergestellte Folie im mittleren Bereich
hochelastisch und fest, während sie in den Randbereichen weich und damit leicht verformbar
ist, so dass sie sich hervorragend als Verpackungsfolie eignet. Ein anspruchsvolleres
Anwendungsgebiet wäre die Herstellung von nebeneinanderliegenden und miteinander verbundenen
Leiterbahnen aus normal-und supraleitenden Gebieten auf einer Folie. Derartige Folien
lassen sich zur Herstellung von Hochfeldspulen für Fusionsanlagen verarbeiten.
[0015] Gemäss dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Düsenköpfe
an getrennten Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C in der Bewegungsrichtung Y der Trommel 1
gegeneinander versetzt. Dabei schliessen die Wirkungsbereiche der zu den einzelnen
Vorratsbehältern gehörenden Düsen oder Düsengruppen quer zur Bewegungsrichtung Y der
Trommel 1 nahtlos aneinander an. Mit dieser Anordnung lassen sich unterschiedliche
Materialbahnen mit direkt aneinander anschliessenden Bereichen unterschiedlichen Materials
herstellen, wobei die Uebergänge zwischen den Bereichen längs einer scharfen Trennungslinie
erfolgen. Erreicht wird dies durch Steuerung der Verfahrensparameter, Schmelzentemperatur,
Abstand der Düsen voneinander und Bewegungsgeschwindigkeit der Trommeloberfläche derart,
dass unmittelbar an die bereits erstarrte Schmelze aus dem Vorratsbehälter 2A eine
zweite Schmelze unterschiedlicher Zusammensetzung aus dem zweiten Vorratsbehälter
2B angeschmolzen wird. Dabei bildet sich eine einheitliche Materialschicht, die als
Ganzes von der Trommeloberfläche abgetragen werden kann.
[0016] Zur Erzielung von optimalen Anschlussbereichen zwischen den Düsenöffnungen 3A, 3B,
3C ist es besonders vorteilhaft, nebeneinanderliegende Düsenöffnungen in der.Bewegungsrichtung
Y versetzt zueinander anzuordnen. Die grundsätzliche Ausführung ist in den Fig. 6A
und 6B gezeigt. Dabei können auf der Unterseite eines Vorratsbehälters 2 derartige
Düsenmodule 8A, 8B, 8C einzeln oder zu mehreren formschlüssig nebeneinander eingesetzt
sein. Ein solches Düsenmodul enthält mehrere Düsenöffnungen 3A, 3B, 3C mit einer Schlitzbreite
a, einer Schlitzlänge b, einem Versatz c einer Ueberlappung d. Mit dieser Anordnung
ergibt sich eine besonders vorteilhafte gleichmässige Ueberdeckung der Wirkungsbereiche
der Düsenöffnungen.
[0017] Besonders vorteilhaft haben sich die folgenden Werte erwiesen: a = 0,3 bis 0,8 mm,
b = 20 bis 100 mm, c = 0 bis 5 mm und d = 0 bis 3 mm.
[0018] Die Fig. 7 bis 9 zeigen weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele für derartige Düsenmodule.
Gemäss den Fig. 7A bis 7C weisen die nebeneinander liegenden Düsenmodule einen durchgehenden
Düsenschlitz 3 auf. Gemäss Fig. 7A verläuft die Stossfläche zwischen den Modulen senkrecht
zum Düsenschlitz. Fig. 7B zeigt schräg verlaufende Stossflächen, was in der Praxis
zu besonders guten Uebergängen zwischen den einzelnen Düsenmodulen führt, so dass
die Stossstellen am hergestellten Produkt praktisch nicht erkennbar sind. Gemäss Fig.
7C sind gekrümmte Stossflächen zwischen den Modulen vorgesehen, welche auf besonders
vorteilhafte Weise eine Selbstzentrierung des durchgehenden Düsenschlitzes erlauben.
[0019] Die Düsenmodule nach Fig. 8A enthalten je eine Schlitzdüse und schräg verlaufende
Stossflächen. Gemäss Fig. 8B enthält ein Modul mehrere, im Beispiel zwei versetzt
angeordnete Schlitzdüsen, wobei schräg verlaufende Stossflächen zwischen den Modulen
vorgesehen sind und die Düsenschlitze auch über die Stossstellen versetzt verlaufen.
Demgegenüber verlaufen die Düsenschlitze nach
Fig. 8C durchgehend über rechtwinklig zu den Düsenschlitzen angeordnete Stossflächen.
[0020] Fig. 9
B zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem nebeneinanderliegende,schräg verlaufende
Düsenöffnungen einander derart überlappen, dass die abgeknickten oder erweiterten
Enden der Düsenöffnungen in das benachbarte
Düsenmodul übergreifen; damit werden keine besonderen Anfangs- und Endmodule benötigt.
[0021] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines amorphen Bandes aus
der Legierung
Fe40Ni40B20 wurde eine Vorrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 benutzt, bei welchen eine Mehrfachdüsenanordnung
mit einer Ueberlappung G von 1 mm, einem Versatz D von 3 mm, einer Düsenschlitzbreite
von 0,3 mm und einem Abstand der Düsen von der Substratoberfläche von 0,3 mm eingestellt
wurde. Bei einer Drehgeschwindigkeit der Trommel von 1'200 U/min und einem Durchmesser
der Trommel von 30 cm ergibt sich eine Giess_geschwindigkeit von 1,2 km/min.
[0022] In einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Moduldüse gemäss Fig. 7 verwendet
wurde, betrug die Grösse der Einzeldüse 2,0 x 0,3 x 35 mm, der Düsenabstand von der
Substratoberfläche 0,3 mm. Die Giessgeschwindigkeit wurde gleich gewählt wie im zuvor
erwähnten Beispiel.
[0023] Es hat sich als zweckmässig erwiesen, den Abstand d der Düsen von der Substratoberfläche
so zu wählen, dass er einerseits grösser als die Dicke des herzustellenden Bandes
oder der herzustellenden Schicht ist, andererseits kleiner als 0,5 mm. Zur Herstellung
von amorphen Bänder oder Schichten hat sich eine Giessgeschwindigkeit im Bereich von
1,2 bis 2,0 km/min. als besonders vorteilhaft für die oben erwähnten bevorzugten Ausführungsbeispiele
erwiesen. Es wurden im Beispiel Bänder mit einer Breite von 5 bis 30 cm hergestellt.
[0024] Auf besonders vorteilhafte Weise lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren und
den beschriebenen Vorrichtungen Folien aus Legierungen herstellen, beispielsweise
mit Ni und Pd für katalytische Rekationen, Cu-Ti, Cu-Zr,
Ni-Zr, Mg-Nn-Legierungen, beispielsweise für Wasserstoffspeicher, ferner Lötfolien
auf Fe-Basis zum Schweissen von rostfreiem Stahl und Ni-Legierungen und zum Verbinden
von Keramik mit Metallteilen. Ferner lassen sich
Transformatorenbleche oder Ge- bzw. Si-haltige Legierungen für Halbleiteranwendungen
herstellen bzw. Trägermaterial, z.B. Silizium-Solarzellen, damit beschichten. Auch
Legierungen für die Supraleitung sind auf diese Weise herstellbar. Solche hochwertigen
Folien können gemäss dem beschriebenen Verfahrenan.den Rändern von weniger wertvollen
Transportmaterialien gehalten sein, welche die maschinelle Verarbeitung derartiger
Folien mit Hilfe von am Rand angreifenden Transportvorrichtungen bei Schonung der
Nutzfolie erlauben.
[0025] Mit solchen Produkten bzw. unter Anwendung des beschriebenen Verfahrens lassen sich
Verbundmaterialien verschiedenster Art herstellen, beispielsweise als Sandwich unterschiedlicher
Metall-Legierungen, oder im Rahmen des isostatischen Pressens von Fasermaterialien,
Bändern und dergleichen. Mit den gemäss dem beschriebenen Verfahren hergestellten
Folien oder Bändern lassen sich auch Rohre oder Transportleitungen aus- oder verkleiden,
so dass sie beispielsweise eine korrosionsfeste Oberfläche aus hochwertigem Material
aufweisen, während das Trägermaterial ein einfaches und preiswertes Massenprodukt
sein kann.
[0026] Grossflächige Beschichtungen solcher Art lassen sich durch mehrere aneinanderstossende
Materialbahnen realisieren, wobei die Stossbereiche zwischen den nebeneinander verlaufenden
Materialbahnen in einem zusätzlichen Verfahrensschritt derart nachbehandelt werden
können, dass sich eine homogene Oberfläche gleichmässiger Struktur ergibt. Der zusätzliche
Verfahrensschritt kann beispielsseise mit Hilfe des "Laserglassing" durchgeführt werden.
Dabei werden bis auf eine einstellbare Eindringtiefe die Materialschichten an den
Stossbereichen kurzzeitig örtlich aufgeschmolzen. Das Kühlpotential des umgebenden
Materials reicht dabei aus, um das aufgeschmolzene Volumen mit sehr hohen Kühlraten,
z.B. im Bereich zwischen 10 und 10 5 Grad Celsius pro Sekunde, glasartig erstarren
zu lassen, so dass sich auch dort eine amorphe Materialstruktur erzeugen lässt. Mit
dieser Methode lassen sich beispielsweise Oberflächen von Rohren oder Wellen hochvergüten,
wobei sich auch Werkstücke mit relativ grossen Abmessungen mit einer vergüteten bzw.
gehärteten Oberfläche versehen lassen.
[0027] Die in Figur 10im Prinzip dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
enthält eine als Kühlkörper wirkende kontinuierlich rotierende Trommel 1, einen Vorratsbehälter
2 mit mindestens einer Düsenöffnung 3 und einer induktiven Heizvorrichtung 4 zum Aufheizen
der im Vorratsbehälter 2 befindlichen Schmelze. Die Düsenöffnung 3 ist im Abstand
d gegenüber der Oberfläche der Trommel 1 angeordnet. Im Vorratsbehälter 2 ist schmelzflüssiges
Metall bzw. eine Metallegierung oder Metalloxyd enthalten, welches gegebenenfalls
aus einer Quelle 5 nachgeführt wird. Sowohl der Vorratsbehälter 2 als auch die gesamte
Vorrichtung können als Druck- oder
Inertgassystem betrieben werden, was in Figur 1 schematisch durch einen an den Vorratsbehälter
2 angeschlossenen Druckbehälter 6 angedeutet ist. An die induktive Heizvorrichtung
4 ist eine geregelte Stromversorgungseinrichtung 7 angeschlossen.
[0028] Die aus dem Vorratsbehälter 2 strömende Schmelze bildet auf der als Substrat dienenden
Oberfläche der Trommel 1 eine dünne Schmelzenschicht. Die als Kühlkörper ausgebildete
Trommel 1 erzeugt innerhalb der dünnen Schmelzenschicht ein Temperaturgefälle, welches
zur sofortigen Erstarrung der Schmelze und zur Bildung einer geschlossenen Materialbahn
auf dem Substrat führt. Durch Wahl der Schmelzentemperatur mit Hilfe der regelbaren
Stromversorgungseinrichtung 7 sowie durch Wahl der
Bewegungsgeschwin- digkeit des Substrats, im Beispiel also der Umdrehungsgeschwindigkeit
für die Trommel 1, sowie durch Wahl des Temperaturgradienten auf der Substratoberfläche
lässt sich bestimmen, ob die erzeugte Materialbahn eine vorwiegend amorphe oder kristalline
Struktur aufweisen soll. Am erzeugten Produkt lassen sich derartige Kristallstrukturen
beispielsweise durch Röntgenbeugungsmessungen feststellen. Kristalline Materialien
zeigen charakteristische scharfe Beugungslinien, während sich bei amorphen Materialien
die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel ändert.
[0029] Bei Verwendung von getrennten Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C gemäss Figur
11 lassen sich Materialbahnen herstellen, welche nebeneinander unterschiedliches Material
oder gleiches Material mit unterschiedlicher Kristallstruktur (kristallin bzw. amorph)
enthält. Eine auf diese Weise hergestellte Folie erscheint als mechanisch einheitliches
Band. In den einzelnen Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C sind beispielsweise unterschiedliche
Metalle oder Legierungen enthalten, welche auf der Trommel 1 zu einem einheitlichen
Band erstarren.
[0030] Gemäss einer Ausführungsvariante sind gemäss Figur 11 drei Kühlvorrichtungen 8A,
8B und 8C vorgesehen, welche die Trommel 1 in Bereichen 1A, 1B und 1C mit Hilfe eines
fluiden Kühlmediums, beispielsweise mit Luft oder Inertgas anströmen. Durch Wahl geeigneter
Kühlleistungen mit Hilfe der Kühlvorrichtungen 8A, 8B und 8C lassen sich damit auf
der Trommeloberfläche in den Bereichen 1A, 1B und 1C unterschiedliche Temperaturbereiche
schaffen. Damit werden die aus den Vorratsbehältern 2A, 2B, 2C ausströmenden Schmelzen
beim Auftreffen auf die Trommeloberfläche unterschiedlich stark abgeschreckt, wodurch
sich eine gewünschte Kristallstruktur auf einem der Trommelbereiche 1A, 1B und 1C
innerhalb der entstehenden geschlossenen Materialbahn erzielen lässt.
[0031] Nach dem zuvor_beschriebenen Verfahren lässt sich auch eine geschlossene Materialbahn
aus nebeneinander liegenden Bereichen unterschiedlichen Materials herstellen. In diesem
Fall wird in die Vorratsbehälter 2A, 2B, 2C die entsprechende Schmelze des gewünschten
Materials eingefüllt und auf der Trommeloberfläche eine nahtlos ineinander übergehende
geschlossene Bahn mit nebeneinander liegenden Bereichen unterschiedlichen Materials
erzeugt. Die Kühlbedingungen auf der Trommeloberfläche werden dabei über die , Kühlvorrichtungen
8A, 8B, 8C nach an.sich bekannten Kriterien derart eingestellt, dass sich die Erstarrungsbedingungen
auf der Trommeloberfläche an die gewählte Abzugsgeschwindigkeit, also an die Umdrehungszahl
der Trommel, anpasst.
[0032] Gemäss den Figurenl2 und 13 ist die Trommeloberfläche mit Trennrippen 9A, 9B, 9C
versehen, welche dazwischen liegende Substratbereiche 10A, 10B, voneinander trennen.
In den Substratbereichen 10A,10B, bilden sich Foliensegmente, welche in den Bereichen
der Trennrippen 9A, 9B, 9C nur schwach voneinander getrennt sind, so dass sich das
entstehende bandförmige Material als Ganzes von der Trommel 1 abziehen lässt und sich
die Segmente in einer späteren Verarbeitungsstufe, beispielsweise bei der Endverarbeitung
der Folien, leicht voneinander trennen lassen.
[0033] Gemäss dem in den Figuren14 undl5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in der Trommel
Perforationen llA, llB, 11C angebracht, welche beliebige Formen aufweisen können.
Die perforierten Bereiche der Trommeloberfläche werden von der aufgebrachten Schmelze
nicht benetzt, so dass sich im entstehenden bandförmigen Material entsprechende Aussparungen
bilden. Auf diese Weise lassen sich bisher übliche zusätzliche Verfahrensschritte,
wie Stanzen, vermeiden. Es wird damit direkt bei der Herstellung der Folien bzw. Bänder
ein hohes Mass an Weiterverarbeitungsfähigkeit erzielt. In Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels
können auf der Trommeloberfläche anstelle von Aussparungen auch als Matrizen vorstehende
Bereiche vorgesehen sein, so dass das gebildete bandförmige Material eine entsprechende
Form aufweist.
[0034] Auch in dem anhand der Figurenl4 undl5 beschriebenen Ausführungsbeispiel lassen sich
unterschiedliche Materialien oder Materialeigenschaften in nebeneinander liegenden
Bereichen kombinieren.
[0035] In dem in den Figuren16 undl7 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Kühltrommel sind
auf der Trommeloberfläche Profile 12A, 12B, beispielsweise Rippenprofile, angebracht,
welche im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren 3 und 4 sanfte Uebergänge
aufweisen, so dass die Rippen gleichmässig von der Schmelze überzogen sind und ein
entsprechendes folien- oder bandförmiges Material bilden. Auch ein solches folien-
oder bandförmiges Material dient als hochwertiges Halbzeug, beispielsweise für die
Herstellung von Katalysatorfolien in der chemischen Verfahrenstechnik.
[0036] In einem Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren 18 und
19 weist die Trommel 1 periodische Quernuten 13 auf. Bei Verwendung einer feinen Düsenöffnung
3 lassen sich damit Materialfasern herstellen, deren Länge dem Abstand zwischen den
Quernuten entspricht. Im Beispiel wies die Trommel 1 einen Durchmesser von 280 mm
auf. Die Faserlänge von 2 cm wurde durch ein Segmentieren des Rades im Abstand von
2 cm erreicht. Die V-förmige Quernut 13 hatte eine Vertiefung von 1 mm und einen Winkel
von 60°. Die Umdrehungszahl der Trommel betrug 1500 U/min, was einer Giessgeschwindigkeit
von 1,32 km/min entspricht. Die verwendete Düse hatte ein Loch von 0,5 mm Durchmesser.
Der Abstand d der Düsenöffnung zum Rad betrug ca. 2 mm. Das Ausführungsbeispiel wurde
mit einer.Fe40Ni40B20-Legierung durchgeführt. Typische Dimensionen der Fasern waren:
Breite 0,5 mm, Länge 20 mm, Dicke 30 µm.
[0037] Solche kurzen Fasern aus metallischen Gläsern lassen sich zur Verstärkung von Kunststoffen,
Keramik oder Zement verwenden. Sie bilden ferner ein Ausgangsmaterial zum Pressen
und Sintern-bei der Herstellung kompakter, glasartiger oder feinkristalliner Werkstücke.
[0038] Gemäss einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Düsenöffnung 3 als
Schlitz ausgebildet war, wurden breite Folienstücke hergestellt. Es wurde eine Schlitzdüse
mit 20 mm Breite benutzt. Der Abstand d betrug ca. 0,3 mm. Als Legierung wurde Fe
40Ni
40B
20 verwendet. Die Dimensionen eines Folienstückes: 20 mm breit, 20 mm lang und 60 pm
dick.
[0039] In einem weiteren Ausführungsbeispiel zur Herstellung profilierter Bänder oder Bandstücke
gemäss den Fig. 16 und 17 wies die Trommel 1 einen Durchmesser von etwa 320 mm auf.
Die Trommeloberfläche war mit einem leicht abgerundeten Längsprofil der Breite 1,5
mm und einer Erhebung von 0,2 mm versehen. Die Umdrehungszahl betrug 1500 U/min. Die
verwendete Düse war als Schlitzdüse ausgebildet und hatte eine Breite von 9 mm. Der
Abstand zwischen Düsenöffnung und Profiloberfläche betrug 0,3 mm. Typische Werte für
die Dimensionen des Bandes mit profiliertem Querschnitt waren gemäss Fig. 11: Breite
9 mm, Dicke an den Enden 45 pm, Dicke in der Mitte: 35 pm.
[0040] Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden zuvor erzeugte Folien und anderes
Halbzeug unter mehrfacher Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens mehrfach beschichtet,
so dass sich Halbzeug mit mehreren Schichten von unterschiedlichem Material bzw. unterschiedlicher
Kristallstruktur ergab. Beispielsweise wurde die als Kühlkörper dienende Trommel 1,
welche als Substrat für die herzustellenden Bänder oder Schichten dient, durch ein
geeignetes Halbzeug, beispielsweise durch Rohre oder andere Werkstücke ersetzt, welche
mit Hilfe der beschriebenen Einrichtung und dem beschriebenen Verfahren zu beschichten
sind. Das zu beschichtende Halbzeug wird unter Einhaltung einer kontinuierlichen Ziehgeschwindigkeit
unter dem Düsenkörper fortbewegt und je nach Materialeigenschaften bzw.
Wärmeleiteigenschaften des als Substrat dienenden Halbzeugs gekühlt, so dass sich auf
der Oberfläche eine Beschichtung mit der gewünschten Kristallstruktur (kristallin
oder amorph) bildet. Auf diese Weise hergestellte Rohre mit einer amorphen Beschichtung
weisen bei geeigneter Wahl des Beschichtungsmaterials ein besonders hohes Mass an
Korrosionsfestigkeit auf. Sie lassen sich besonders vorteilhaft auf dem Gebiet des
chemischen Apparatebaus einsetzen. Dabei sind sie wesentlich preiswerter als bisher
verwendete Vollmaterialrohre für diesen Zweck, da als Halbzeug einfaches und billiges
Material verwendet werden kann..
1. Verfahren zur Herstellung band- oder folienartiger Produkte aus metallischem oder
metalloxydischem Material, wobei metallische oder metalloxydische Schmelze aus mindestens
einem Vorratsbehälter durch mindestens eine Düsenöffnung auf die Oberfläche eines
mit geregelter Geschwindigkeit bewegten Kühlkörpers aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
dass aus mehreren nebeneinander liegenden Düsenöffnungen (3A, 3B, 3C) ausströmende
Schmelzen beim Auftreffen auf die Kühlkörperoberfläche zu einem geschlossenen Schmelzenbad
vereinigt und dass die Schmelze im Augenblick der Vereinigung zum Erstarren gebracht
wird, derart, dass sich eine geschlossene Materialschicht der gewünschten Breite bildet.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach
Erstarren der Schmelze aus mindestens einer quer zur Bewegungsrichtung der Kühlkörperoberfläche
versetzten Düse mindestens eine von der ersten Schmelze verschiedene zweite Schmelze
auf die gleiche Kühlkörperoberfläche aufgebracht wird, wobei die zweite Schmelze unmittelbar
an das aus der ersten Schmelze gebildete Teilband angeschmolzen wird, derart, dass
sich eine geschlossene Materialschicht mit nebeneinander liegenden Bereichen unterschiedlicher
Zusammensetzung ergibt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere nebeneinanderliegende Düsenöffnungen (3A, 3B, 3C) mit einem oder mehreren
Vorratsbehältern (2A, 2B, 2C) verbunden sind, derart, dass die Wirkungsbereiche der Düsenöffnungen auf der Oberfläche
des Kühlkörpers (1) direkt aneinander anschliessen oder einander überlappen.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen
(3A, 3B, 3C) in der Bewegungsrichtung (Y) des als Substrat wirkenden Kühlkörpers (1)
gegeneinander versetzt angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzdüse
(3) aus mehreren nebeneinander liegenden Düsenkörpern (2A, 2B, 2C) gebildet ist, wobei
jeder Düsenkörper eine oder mehrere Düsenöffnungen (3A, 3B, 3C) enthält.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzdüse
(3) durch mehrere, formschlüssig aneinandergefügte Düsenmodule (Fig. 6, 7, 8) gebildet
ist.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzdüse
(3) aus einer ungeraden Anzahl von Düsenöffnungen (3A, 3B, 3C) besteht, derart, dass
die beiden randäusseren Düsenöffnungen (3A, 3C) bezüglich der Bewegungsrichtung (Y)
der Substratoberfläche in einer Linie liegen.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nebeneinander-liegende
Vorratsbehälter (2A, 2B) mit getrennt geregelten Steuerungseinrichtungen (7) verbunden
sind, zur getrennten Regelung der Verfahrensparameter bezüglich der beiden Vorratsbehälter
(2A, 2B).
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nebeneinander liegende
Düsenöffnungen (3A, 3B, Fig. 9) einander überlappen, wobei alle Anfangsbereiche der
Düsenöffnungen in einer ersten Linie senkrecht zur Bewegungsrichtung (Y) der Substratoberfläche
liegen und alle Endbereiche der Düsenöffnungen in einer zweiten Linie senkrecht zur
Bewegungsrichtung (Y, Fig. 9B).
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die zu unterschiedlichen Schmelzen gehörenden Düsen oder Düsengruppen in der
Bewegungsrichtung der Kühlkörperoberfläche um einen derartigen Abstand versetzt angeordnet
sind, dass die Wirkungsbereiche der Düsen oder Düsengruppen quer zur Bewegungsrichtung
der Kühlkörperoberfläche nahtlos aneinander anschliessen.
ll. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnungen
(3A, 3B, 3C) eine Schlitzbreite (a) zwischen 0,3 und 0,8 mm und eine Schlitzlänge
(b) zwischen 20 und 100 mm aufweisen.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige
Versatz (c) der Düsenöffnung (3A, 3B, 3C) maximal.5mm beträgt.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, unter Anwendung
einer Druckdifferenz zwischen Vorratsbehältern und Düsenöffnungen, dadurch gekennzeichnet,
dass der gegenseitige Versatz. (c) der Düsenöffnungen (3A, 3B, 3C) in der Bewegungsrichtung (Y) des Kühlkörpers (1) im Bereich zwischen 5 mm
und 12 mm liegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Bereich der Düsenöffnungen (3, 3A, 3B, 3C) von einer Schutzgasatmosphäre umgeben ist
bzw. unter Vakuum steht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der
Bereich der Düsenöffnungen (3, 3A, 3B, 3C) elektrostatischen Feldern ausgesetzt ist.
16. Anwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich
bewegte Kühlkörperoberfläche durch zu beschichtendes Halbzeug gebildet ist.
17. Anwendung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere
der Materialschichten durch Aufbringen zusätzlicher Materialschichten gleicher oder
unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder Struktur oder durch isostatisches Pressen
zu Verbundwerkstoffen weiterverarbeitet werden.
18. Anwendung nach Patentanspruch 16 zur Oberflächenveredlung von Halbzeug, dadurch
gekennzeichnet, dass Stossbereiche zwischen nebeneinander verlaufenden Materialbahnen in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt lokal kurzzeitig aufgeschmolzen werden und dass das aufgeschmolzene
Volumen zum glasartigen Erstarren gebracht wird.
19. Anwendung nach Patentanspruch 18, dadurch gekennzeichnet; dass das Aufschmelzen
mit Hilfe eines Lasers vorgenommen wird und dass das aufgeschmolzene Material mit
einem Temperaturgradienten zwischen 10 4 und 105 Grad Celsius pro Sekunde zum glasartigen Erstarren gebracht wird.
20. Verfahren zur Herstellung band- oder folienartiger Produkte aus metallischem oder
metalloxydischem Material, wobei metallische oder metalloxydische Schmelze aus mindestens
einem Vorratsbehälter durch mindestens eine Düsenöffnung auf die Oberfläche eines
mit geregelter Geschwindigkeit bewegten Kühlkörpers aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
dass der Erstarrungsvorgang der Schmelze durch Wahl oberflächenbezogener Verfahrensparameter
hinsichtlich unterschiedlicher Kühlleistungen auf verschiedenen Oberflächenbereichen
und/oder hinsichtlich unterschiedlicher Strukturierung verschiedener Oberflächenbereiche
beeinflusst wird, und dass nach Erstarren der Schmelze das metallische oder metalloxydische
Produkt von der Kühlkörperoberfläche getrennt wird.
21. Verfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung
der Kühlleistung durch Zwangskühlung erfolgt, und dass die Kühlleistung in quer zur
Bewegungsrichtung des Kühlkörpers verteilten benachbarten Kühlzonen unterschiedlich
bemessen wird.
22. Verfahren nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung der Kühlleistung durch Beaufschlagung
unterschiedlich gut wärmeleitender Bereiche innerhalb der Kühlkörperoberfläche aus
einem gemeinsamen Kühlmittelpotential erfolgt.
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
dass quer zur Bewegungsrichtung des Kühlkörpers verlaufende nebeneinander liegende
Bereiche unterschiedlichen Kühlkörpermaterials mit unterschiedlichen Wärmeleitungseigenschaften
vorgesehen sind.
24. Vorrichtung nach Patentanspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche unterschiedlichen
Kühlkörpermaterials an einen gemeinsamen Kühlkreis mit einem fluiden Kühlmedium angeschlossen
sind.
25. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörperoberfläche mit einer segmentierten und/oder
perforierten und/oder profilierten Oberflächenstruktur versehen ist.