Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern aus metallischen Gläsern und eine Vorrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens.
Ein metallisches Glas ist eine metastabile Legierung, die im Gegensatz zu normalen kristallinen Materialien keine Fernordnung aufweist. Seine Struktur ist amorph und ähnelt der einer Flüssigkeit. Um den amorphen Zustand beim Abkühlen zu erhalten, müssen mehrere Bedingungen erfüllt sein. So müssen die Keimbildung und das Keimwachstum unterdrückt werden, um die Struktur der Flüssigkeit einzufrieren. Um dies zu realisieren, muss die metallische Schmelze sehr schnell abgekühlt werden, beispielsweise durch Kontakt mit der Oberfläche eines sehr gut wärmeleitenden Kühlkörpers. Die Güte des Wärmekontaktes und Dicke und Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitsschicht bestimmen die Abkühlrate.
Ein bekanntes und weit verbreitetes Verfahren, um Metalle und auch massive metallische Gläser zu gießen, ist der Abguss in kalte Kokillen. Dabei wird die Schmelze durch unterschiedliche Maßnahmen in die Kokille gezwungen und erstarrt dort in der durch die Kokille vorgegebenen Form.
Um im Falle von metallischen Gläsern hohe Abkühlraten zu erzielen, wird die Kokille aus gut wärmeleitendem Material hergestellt. Der Gießvorgang erfolgt dabei sehr schnell. Zunächst wird das Metall in einem Tiegel aufgeschmolzen, und anschließend wird die Schmelze durch Gasdruck oder Fliehkraft in die Form gezwungen.
Um einen guten Wärmekontakt zwischen der metallischen Schmelze und der Kokille, vorteilhafterweise aus Kupfer, zu gewährleisten, muss die Oberfläche der Form sehr sauber sein. Dies kann durch mechanisches Säubern und Beizen leicht realisiert werden. Außerdem sollte die Schmelze die Form gut benetzen. Die Benetzung hängt im Wesentlichen von der Viskosität und Grenzflächenspannung der Schmelze gegenüber der Kupferkokille und gegenüber der Umgebungsatmosphäre ab. Die Viskosität hängt sehr stark von der Temperatur ab. Sie nimmt exponentiell mit zunehmender Temperatur ab, während die Grenzflächenspannungen linear mit zunehmender Temperatur abnehmen. Kleine Werte von Viskosität und Grenzflächenspannung wie sie für eine gute Benetzung und für eine gute Füllung der Form anzustreben sind, können prinzipiell durch eine hohe Temperatur eingestellt werden. Allerdings bedingt eine Temperaturerhöhung auch eine höhere abzuführende Wärmemenge, was zu einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit führt und deshalb nicht anzustreben ist. Ein Überhitzen der Schmelze führt beim Gießen kristalliner Legierungen zur guten Füllung der Form, aber beim Gießen metallischer Gläser ist die Überhitzung zu vermeiden, um den amorphen Zustand einfrieren zu können.
Es ist außerdem bekannt, dass Verunreinigungen der Schmelze mit Sauerstoff die Herstellbarkeit metallischer Gläser beeinträchtigt und deren Eigenschaften verschlechtert. Dieser Effekt wird durch heterogene Keimbildung an Oxidteilchen in der Schmelze erklärt. Eine Methode zur elektrochemischen Reinigung der Schmelze vor dem Abguss durch einen Stromfluss zwischen einer auf der Schmelze schwimmenden Schlacke und der Metallschmelze wurde von
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahren zur Herstellung von Gusskörpern an metallischen Gläsern und einer Vorrichtung dafür, bei denen neben hohen Abkühlraten auch eine gute Formausfüllung beim Gießen ohne Überhitzen einer metallhaltigen Schmelze erreicht wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine gute Formausfüllung bei hohen Abkühlraten erreicht, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen. Das Anlegen der elektrischen Spannung zwischen der metallhaltigen Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform mindestens während der Einbringung in die Gussform wird die Grenzflächenspannung der metallhaltigen Schmelze erniedrigt. Dies führt zu einem guten thermischen Kontakt zwischen metallhaltiger Schmelze und der elektrisch leitfähigen Gussform, wodurch eine vollkommenere Füllung der Gussform erreicht wird, ohne die metallhaltige Schmelze zu überhitzen. Auch sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung kompliziertere Formteile beispielsweise aus massiven metallischen Gläsern leichter und in größeren Abmessungen herstellen.
Das Einbringen der metallhaltigen Schmelze in die Gussform erfolgt in einem geschlossenen System unter Intertgasatmosphäre. Die induktiv erschmolzene metallhaltige Schmelze wird durch Überdruck der Atmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, in die Form gepresst.
Die Spannung kann je Formgebungsvorgang oder auch während eines Formgebungsvorganges verändert werden. Dabei ist ein Kurzschlussstrom zwischen metallhaltiger Schmelze und elektrisch leitender Gussform vorbestimmt.
Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist die gezielte Veränderbarkeit des Benetzungsverhaltens zwischen Schmelze und Form ohne Überhitzung der Schmelze so, dass die Schmelze die Form besser benetzt und der Kontakt zwischen Schmelze und Form homogener wird. Je nach Art der Schmelze ergeben sich für verschiedene Werkstoffe spezifische Eigenschaftsverbesserungen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch das Anlage der elektrischen Spannung während des Formgebungsvorganges bei weichmagnetischen Werkstoffen die Koerzitivfeldstärke der hergestellten Gusskörper kleiner und deren Magnetisierung höher ist. Dies wird erreicht durch geringere innere Spannungen während der Formgebung, was auf die homogenere Abkühlung zurückzuführen ist und dann zu verbesserten magnetischen und mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Produktes führt. Außerdem werden komplexe Formen besser ausgeformt und die erfindungsgemäß hergestellten Produkte auch werden mechanisch fester.
Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Aus 100 g einer FeCPBSiMn-Legierung (Gusseisen mit Bor- und Phosphorzusatz) wird in einem Induktionsofen unter Argonatmosphäre eine metallische Schmelze hergestellt. In die metallische Schmelze reicht eine Wolfram-Elektrode hinein, die mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Unter dem Induktionsofen ist eine Kupferkokille angeordnet, die Aussparungen zur Ausformung einer gegossenen Ringscheibe enthält. Es soll eine Ringscheibe mit den Abmessungen, innerer Durchmesser = 18 mm, äußerer Durchmesser = 26 mm, Dicke = 1 mm, gegossen werden. Die Kupferkokille ist ebenfalls mit der Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden. Nach Anlegen der Spannung von 230 V wird die Ausflussöffnung im Induktionsofen geöffnet. Gleichzeitig wird ein Argonüberdruck von 200 kPa angelegt. Dadurch wird die metallische Schmelze in die Aussparung in der Kupferkokille gedrückt und füllt diese aufgrund der geringeren Oberflächenspannung vollständig aus. Nach dem Abkühlen und Öffnen der Kupferkokille liegt eine vollständige Ringscheibe mit den gewünschten Abmessungen vor.
Die Legierung Fe65,5Cr4Mo4Ga4P12C5B5,5 kann nach den Verfahren des Standes der Technik nicht amorph zu einer Ringscheibe gegossen werden. Gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 kann nun aus dieser Legierung eine vollständige Ringscheibe hergestellt werden, wobei das Produkt in amorpher Form vorliegt.
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