[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallbändern,
wobei eine metallische Schmelze aus einem Vorratsbehälter durch wenigstens eine Düsenöffnung
ausgepreßt und auf der Oberfläche eines an der Düsenöffnung in unmittelbarer Nähe
vorbeigeführten Kühlkörpers erstarren gelassen wird. Ferner betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
[0002] Verfahren, die eine Herstellung von amorphen Metallbändern direkt aus der Schmelze
gestatten, sind bekannt. Amorphe Bänder werden beispielsweise dadurch hergestellt,
daß man eine entsprechende Schmelze typischerweise mit einer Abkühlgeschwindigkeit
von etwa 10
4 bis 10
6 Kls so rasch abschreckt, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Dabei wird
die geschmolzene amorphe Metallegierung in der Regel unter Druck durch eine oder mehrere
Düsenöffnungen gepreßt und der austretende Schmelzstrahl gegen eine bewegte Kühlfläche
gerichtet. Als Kühlfläche kann hierzu beispielsweise die innere oder äußere Oberfläche
einer rotierenden Walze oder eines endlos umlaufenden Bandes verwendet werden. Die
Dicke der auf diese Weise erhaltenen Bänder kann beispielsweise einige hundertstel
mm, die Breite einige mm bis zu mehreren cm betragen.
[0003] Von den kristallinen Legierungen lassen sich die amorphen Legierungen durch Röntgenbeugungsnessungen
unterscheiden. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, die charakteristische, scharfe
Beugungslinien zeigen, verändert sich bei amorphen Metallegierungen die Intensität
im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel, ähnlich wie dies auch bei
Flüssigkeiten oder gewöhnlichem Glas der Fall ist.
[0004] Je nach den Herstellungsbedingungen können die aus amorphen Legierungen hergestellten
Bänder vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des
kristallinen Zustandes umfassen. Im allgemeinen versteht man unter einer amorphen
Metallegierung eine Legierung, deren Molekülstruktur zu wenigstens 50 %, vorzugsweise
zu wenigstens 80 %, amorph ist.
[0005] Bekannt ist es bereits, bei der Herstellung sehr schmaler amorpher Metallbänder runde
Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm zu verwenden. Der durch die Düsenöffnung
gepreßte Schmelzstrahl trifft bei diesem Verfahren nach Durchlaufen einer freien Strecke
von etwa 1 bis 20 mm auf eine bewegte Kühlkörperoberfläche und weitet sich dort zu
einem stationären Schmelztropfen auf. An der Unterseite entsteht dann das Metallband
durch fortschreitende Erstarrung. Dieses Verfahren läßt sich jedoch nicht ohne weiteres,
beispielsweise unter Verwendung einer größeren Düsenöffnung, auf die Herstellung von
breiten Metallbändern übertragen, da die Bandgeometrie sehr stark von der Ausdehnung
des Schmelztropfens abhängt. Bei zu großen Düsenöffnungen wird nämlich bei entsprechend
höherer Geschwindigkeit der Kühlkörperoberfläche der Schmelztropfen zu lang und damit
instabil. Ferner wird die Bandqualität durch alle Oszillationen des freien Schmelztropfens
nachteilig beeinflußt. Die auch für breitere Bänder geforderten glatten und gleichmäßigen
Oberflächen sowie gleiche Dicke und Breite über die gesamte Länge lassen sich mit
diesem Verfahren nicht erreichen.
[0006] Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallbändern ist aus der DE-OS
27 46 238 bekannt. Eine mit dem Vorratsbehälter für geschmolzenes Metall in Verbindung
stehende Schlitzdüse wird in unmittelbarer Nähe, beispielsweise in einer Entfernung
von 0,03 bis 1 mm, von der Oberfläche eines geeigneten Kühlkörpers angeordnet. Die
Breite des in der Bewegungsrichtung der Kühlflächen gemessenen Schlitzes beträgt dabei
etwa 0,2 bis maximal 1 mm, wobei insbesondere die Breite der beiderseitigen Düsenberandungen
als besonders kritisch angesehen wird. Während der in Bewegungsrichtung der Kühlfläche
angeordnete erste Rand eine Breite aufweist, die wenigstens gleich der Breite des
Schlitzes ist, beträgt die Breite des zweiten Randes etwa das 1,5 bis 3-fache der
Breite des Schlitzes. Ferner liegt der Abstand zwischen der Düsenöffnung und der Kühlfläche
in einem Bereich zwischen der 0,1-fachen und der 1-fachen Breite des Schlitzes. Das
aus einer derartigen Düsenöffnung gepreßte geschmolzene Metall bildet unter diesen
Bedingungen bei der Berührung mit der Kühlkörperoberfläche eine Verfestigungsfront,
die gerade an dem zweiten Rand der Düse vorbeigeht, ohne diesen zu berühren. Die Fließgeschwindigkeit
des geschmolzenen Metalls wird dabei primär durch den viskosen Fluß zwischen dem ersten
Rand der Düse und dem erstarrten Metallband gesteuert. Düsen mit derart kleinen Abmessungen
erfordern aber extrem reine Schmelzen. Sonst besteht nämlich die Gefahr, daß die Düsenöffnung
durch nicht vollständig gelöste beziehungsweise bereits vorzeitig erstarrte Teilchen
der Schmelze verstopft wird. Neben der geringeren Produktionsgeschwindigkeit, die
sich im allgemeinen mit engen Düsenöffnungen erreichen läßt, ist ferner auch ein erheblich
größerer Bearbeitungsaufwand notwendig, um eine derartige Düsenöffnung mit der entsprechenden
Toleranz herzustellen.
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten,
daß gleichmäßig ausgebildete Metallbänder auch bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten
und verringerten Anforderungen an die Reinheit der Schmelze und die Toleranzen der
Düsenöffnung erzielt werden können.
[0008] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Oberfläche des Kühlkörpers mit
einer Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s an einer, gemessen in Bewegungsrichtung
der Oberfläche des Kühlkörpers, 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand
von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-fachen Breite der Düsenöffnung vorbeigeführt wird.
[0009] Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kühlkörper,
dessen Oberfläche um wenigstens eine Achse umläuft und mit wenigstens einer in geringem
Abstand von dieser Oberfläche angeordneten Düsenöffnung, die mit einem Vorratsbehälter
für metallische Schmelze verbunden ist, kann entsprechend derart ausgebildet werden,
daß die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s
an einer 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand vorbeiführbar ist, der
im Bereich von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-fachen Breite der Düsenöffnung liegt.
[0010] Gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur Herstellung amorpher Metallbänder unterscheidet
sich das Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung gemäß der Erfindung durch eine
Kombination vorteilhaft zu wählender Bereiche für die Breite der Düsenöffnung, den
Abstand der Düsenöffnung von der Kühlkörperoberfläche sowie für die Geschwindigkeit
der Oberfläche des Kühlkörpers. Durch diese Merkmalskombination können insbesondere
gleichmäßig ausgebildete Metallbänder bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten erzielt
werden.
[0011] Wie sich ferner überraschend herausgestellt hat, hat die wesentlich breitere Düsenöffnung
den weiteren Vorteil, daß die Düsenform weniger entscheidend für die Bandgeometrie
ist und beim Herstellungsprozess ein Verstopfen sowie bei entsprechend geringerem
Auspreßdruck der Schmelze ein vorzeitiges Verschleißen der Düsenöffnung vermieden
wird. Die vorzugsweise zu wählenden Verfahrensparameter hängen jeweils von der Breite
beziehungsweise Dicke der herzustellenden Metallbänder ab. Als besonders günstig hat
es sich erwiesen, wenn die Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Geschwindigkeit von
etwa 20 bis 40 m/s an einer 2 bis 4 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand vorbeigeführt
wird, der geringer ist als die 0,1-fache Breite der Düsenöffnung.
[0012] Wird jedoch die Düsenöffnung wesentlich breiter als 6 mm gewählt, sind aufgrund der
dann auf die Kühlkörperoberfläche auftreffenden größeren Schmelzmengen nur noch entsprechend
dickere Bänder herstellbar. Dies hängt auch damit zusammen, daß der Wärmeableitung
über die Kühlkörperoberfläche technische Grenzen gesetzt sind. Es wird daher angenommen,
daß bei Düsenöffnungen, die wesentlich breiter als 6 mm sind, Probleme mit der notwendigen
Kühlung des Kühlkörpers beziehungsweise mit der Amorphstruktur der hergestellten Bänder
auftreten können.
[0013] Obwohl, wie bereits erwähnt, die genaue Form der Düsenöffnung bei einer Breite oberhalb
von 1,5 mm weniger entscheidend-für die Bandgeometrie ist, ist es besonders günstig,
wenn der Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung kreisförmig oder nahezu kreisförmig
ist. Jedoch können auch andere Düsenformen, beispielsweise Düsen mit rechteckigem
Öffnungsquerschnitt oder Mehrfachdüsen verwendet werden. Bei entsprechend breiterem
Öffnungsquerschnitt lassen sich diese Düsen wegen der verringerten Anforderungen an
die Abmessungstoleranzen wesentlich einfacher herstellen.
[0014] Bei Düsenöffnungen mit einer Breite oberhalb von 2 mm kann die Schmelze normalerweise
nicht mehr allein durch die Oberflächenspannung gegen den Druck des Eigengewichts
am vorzeitigen Auslaufen gehindert werden. Insbesondere wenn die Höhe des schmelzflüssigen
Metalls größer als 4 cm ist, ist es vorteilhaft, wenn die Düsenöffnung bis zum Auspressen
der metallischen Schmelze durch einen im Tiegel beweglichen Stopfen verschließbar
ist. Hierzu kann bei runden Düsenöffnungen vorzugsweise das Schutzrohr eines in die
metallische Schmelze eintauchenden Thermoelementes verwendet werden. Auch bei anderen
Düsenformen, beispielsweise solchen mit rechteckigem Öffnungsquerschnitt, kann ebenfalls
vorteilhaft das Thermoelementschutzrohr bei entsprechender Anpassung an die Ausflußöffnung
der Düse als Stopfen verwendet werden. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich,
daß der Stopfen mit dem Schutzrohr eines in die metallische Schmelze eintauchenden
Thermoelementes verbunden ist; es kann auch ein Stopfen verwendet werden, der völlig
unabhängig von Schutzrohr und Thermoelement ist.
[0015] Anhand einer Figur und einiger Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden.
[0016] Die Figur zeigt schematisch die wesentlichen Teile einer beim erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Vorrichtung. Die Düsenöffnung 1 ist in unmittelbarer Nähe einer Kühlkörperoberfläche
2, beispielsweise der Oberfläche eines Bandes angeordnet, wobei der Pfeil dessen Bewegungsrichtung
andeuten soll. Schmelzflüssiges Metall 3 wird unter Druck eines vorzugsweise inerten
Gases durch die Düsenöffnung 1 gepreßt, wobei auf der Oberfläche des bewegten Kühlkörpers
2 ein Schmelztropfen gebildet wird, an dessen Unterseite das Metallband 4 durch fortschreitende
Erstarrung entsteht. Von entscheidender Bedeutung ist, daß die Breite der Düsenöffnung
1 größer ist als der Abstand a der Düsenöffnung 1 von der Oberfläche des Kühlkörpers
2 . Die durch die Grenzflächen 5 bestimmte seitliche Ausdehnung des Schmelztropfens
wird durch den Auspreßdruck und den Abstand a bestimmt. Bei sehr kleinem a, im Bereich
von etwa 0,03 bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm, ist die Ausdehnung
des Schmelztropfens etwa gleich der in Bewegungsrichtung der Kühlkörperoberfläche
des Kühlkörpers 2 gemessenen Breite der Düsenöffnung 1 . Die Ausdehnung des Schmelztropfens
bestimmt somit neben der Geschwindigkeit des Kühlkörpers 2 vornehmlich die Dicke des
hergestellten amorphen Metallbandes. Als weiterer Einfluß auf die Banddicke kommt
ferner noch die Erstarrungsrate des schmelzflüssigen Metalls hinzu, die einerseits
von der Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials und andererseits aber auch von
dem Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den erstarrten Band 4 und der Oberfläche
des Kühlkörpers 2 abhängt. Insgesamt hat es sich gezeigt, daß mit steigender Wärmeleitfähigkeit
des Kühlkörpermatenals, - zunehmender Breite der Düsenöffnung sowie abnehmender Geschwindigkeit
der Kühlkörperoberfläche die Banddicke erhöht wird.
Beispiel 1
[0017] Zur Herstellung eines amorphen Metallbandes diente zunächst eine Legierung der Zusammensetzung
Fe
40Ni
40B
20, deren Schmelztemperatur bei etwa 1050°C liegt. 500 g dieser Legierung wurden in
einem Vorratsbehälter, beziehungsweise Tiegel aus Quarzglas auf eine Temperatur etwa
50 bis 100°C oberhalb ihres Schmelzpunktes induktiv erhitzt. Die am unteren Ende des
Vorratsbehälters angebrachte Düse hatte eine Öffnung mit kreisförmigem Querschnitt
und einem Durchmesser von 2,5 mm . Während des Aufheizens verhinderte ein an die Form
der Ausflußöffnung angepaßtes Schutzrohr eines in die metallische Schmelze eintauchenden
Thermoelementes als Stopfen das vorzeitige Ausfließen der Schmelze. Nach Erreichen
der erforderlichen Temperatur der Schmelze wurde der Stopfen herausgezogen und sofort
anschließend ein Überdruck zum Auspressen der Schmelze angelegt. Hierzu wurde eine
Argonatmosphäre mit einem Überdruck von 0,18 bar verwendet. Der schmelzflüssige Strahl
traf auf die 0,2 mm entfernte Oberfläche einer bewegten Kühlwalze aus saueratoffreiem
Kupfer. Die verwendete Kühlwalze hatte einen Durchmesser von 42 cm. Sie rotierte mit
einer Geschwindigkeit von etwa 1400 U/min entsprechend einer linearen Geschwindigkeit
der Kühlwalzenoberfläche von etwa 30 m/s. Die aus der Düse ausgepreßte metallische
Schmelze erstarrte auf der Oberfläche der Kühlwalze zu einem 3 mm breiten und 0,04
mm dicken Band. Röntgenstrahlbeugungsmessungen ergaben, daß das erzeugte Band vollständig
amorph war. Bei der Kontrolle der Bandgeometrie wurde eine äußerst gleichmäßige Breite
und Dicke über die gesamte Länge des Bandes festgestellt.
Beispiel 2
[0018] In Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde die Umfangsgeschwindigkeit der
Kühlwalze auf 48 m/s erhöht. Es wurde ebenfalls ein amorphes, 3 mm breites Band erhalten,
dessen Dicke nunmehr 0,03 mm betrug.
Beispiel 3
[0019] In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit kreisförmigem
Düsenöffnungsquerschnitt von 3 mm gewählt. Die Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze
wurde auf 60 m/s erhöht. Bei einem Auspreßdruck von 0,13 bar wurde ein amorphes Band
von 3 mm Breite erhalten, dessen Dicke nur noch 0,022 mm betrug.
Beispiel 4
[0020] Bei sonst gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 1 wurde ein Vorratsbehälter
mit einer kreisförmigen Düsenöffnung von 4 mm Durchmesser gewählt und die Umfangsgeschwindigkeit
auf 50 m/s eingestellt. Das erzeugte amorphe Band war 5 mm breit und 0,04 mm dick.
Beispiel 5
[0021] Bei gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit
einer kreisförmigen Düsenöffnung von 1,5 mm Durchmesser verwendet. Die Umfangsgeschwindigkeit
wurde auf 20 als erniedrigt. Es wurde ein amorphes Metallband erhalten, dessen Breite
2 mm und dessen Dicke 0,04 mm betrug.
Beispiel 6
[0022] In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit einer
kreisförmigen Düsenöffnung von 5,5 mm Durchmesser verwendet. Bei einem Auspreßdruck
von 0,13 bar und einer Geschwindigkeit der Kühlwalzenoberfläche von 30 m/s wurde ein
7 mm breites und 0,05 mm dickes amorphes Band erhalten.
Beispiel 7
[0023] In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde ein Quarztiegel mit einer
kreisförmigen Düsenöffnung von 6 mm Durchmesser gewählt. Bei einem auf 0,06 bar reduzierten
Auspreßdruck und einer Umfangsgeschwindigkeit der Kühlwalze von 45 m/s erstarrte der
Schmelzstrahl zu einem 6 mm breiten und 0,04 mm dicken amorphen Band.
Beispiel 8
[0024] In weiterer Abänderung des Verfahrens nach Beispiel 1 wurde statt der Kühlwalze aus
reinem Kupfer eine Kühlwalze gleichen Durchmessers aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung
mit etwa 1,7 Gew.% Berylliumgehalt verwendet, deren Wärmeleitfähigkeit mit 1,13 W/cm
. K etwa um den Faktor 3 kleiner ist als die reinen Kupfers. Bedingt durch die geringere
Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze auf dieser Kühlwalzenoberfläche wurde ein
3 mm breites amorphes Band erhalten, dessen Dicke nur noch 0,03 mm betrug.
Beispiel 9
[0025] Für die Herstellung eines amorphen Metallbandes der Zusammensetzung Fe
40Ni
40B
20 wurde ein Tiegel aus Bornitrid verwendet, an dessen unterem Ende eine Düse mit rechteckigem
Öffnungsquerschnitt eingesetzt war. Die Öffnung dieser Schlitzdüse wies in der Bewegungsrichtung
der Kühlkörperoberfläche eine Breite von 2,5 mm auf, während ihre Längsabmessung quer
hierzu 10 mm betrug. In einem Abstand von 0,15 mm vom Tiegel befand sich die bewegte
Kühlwalze, deren Umfangsgeschwindigkeit auf etwa 30 m/s eingestellt war. Bei einem
über der Schmelze herrschenden Gasdruck von 0,12 bar erstarrte der ausgepreßte Schmelzstrahl
zu einem 10 mm breiten amorphen Band mit einer Dicke von 0,04 mm.
Beispiel 10
[0026] Unter gleichen Verfahrensbedingungen wie beim Beispiel 9 wurde eine Legierung der
Zusammensetzung Co
75Si
15B
10 verwendet, die vor dem Auspressen auf etwa 1200
0C erhitzt wurde. Das erzeugte Metallband war 10 mm breit und 0,04 mm dick.
Beispiel 11
[0027] In weiterer Abänderung des Beispiels 9 wurde eine Düse mit rechteckiger Ausflußöffnung
verwendet, deren Breite in der Bewegungsrichtung des Kühlkörpers 2 mm und deren Länge
quer hierzu 20 mm betrug. Das mit dieser Düse erzeugte Band war 20 mm breit und 0,035
mm dick. Seine Struktur konnte mit Hilfe von Röntgenbeugungsmessungen als vollständig
amorph bestimmt werden.
[0028] Das erfindungsgemäße Verfahren kann an Luft, in einem Vakuum oder in irgendeiner
anderen geeigneten Atmosphäre, wie zum Beispiel einer Inertgasatmosphäre, durchgeführt
werden. Wenn ein oxidativer Angriff auf die Oberfläche von amorphen Metallbändern
während des Herstellungsvorgangs vermieden werden soll, wird man vorzugsweise unter
Vakuum beziehungsweise unter Luftabschluß mit einem Inertgas arbeiten.
1. Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallbändern, wobei eine metallische Schmelze
aus einem Vorratsbehälter durch wenigstens eine Düsenöffnung ausgepreßt und auf der
Oberfläche eines an der Düsenöffnung in unmittelbarer Nähe vorbeigeführten Kühlkörpers
erstarren gelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kühlkörpers
mit einer Geschwindigkeit von mindestens 5 m/s an einer, gemessen in Bewegungsrichtung
der Oberfläche des Kühlkörpers, 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung in einem Abstand
von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-faehen Breite der Düsenöffnung vorbeigeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kühlkörpers
mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 40 m/s an einer 2 bis 4 mm breiten Düsenöffnung
in einem Abstand vorbeigeführt wird, der geringer ist als die 0,1-fache Breite der
Düsenöffnung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung
bis zum Auspressen der metallischen Schmelze mittels eines Stopfens verschlossen wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit
einem Kühlkörper, dessen Oberfläche um wenigstens eine Achse umläuft und mit wenigstens
einer in geringem Abstand von dieser Oberfläche angeordneten Düsenöffnung, die mit
einem Vorratsbehälter für metallische Schmelze verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Kühlkörpers (2) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 5
m/s an einer 1,5 bis 6 mm breiten Düsenöffnung (1) in einem Abstand vorbeiführbar
ist, der im Bereich von etwa der 0,005-fachen bis 0,6-fachen Breite der Düsenöffnung
(1) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Kühlkörpers
(2) mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 40 m/s an einer 2 bis 4 mm breiten Düsenöffnung
(1) in einem Abstand vorbeiführbar ist, der geringer ist als die 0,1-fache Breite
der Düsenöffnung (1).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Düsenöffnung (1) einen etwa kreisförmigen Querschnitt aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung
(1) mittels eines Stopfens verschließbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stopfen das Schutzrohr
eines in die metallische Schmelze (3) eintauchenden Thermoelementes vorgesehen ist.