DE3438377A1 - Vorrichtung und verfahren zum stranggiessen eines metallfadens und dabei gewonnener metallfaden - Google Patents

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Strang

gießen eines Metallfadens und dabei
gewonnener Metallfaden

Die Erfindung betrifft das Gießen von Metallen und Metallegierungen mit einem Schmelzspinnverfahren, bei dem ein Strom von geschmolzenem Metall auf der Umfangsflache einer rotierenden runden Kühlwalze abgelagert wird.

Bei der Herstellung von Metallfäden, wie Metallbändern und Metallbögen, wird ein Strom von geschmolzenem Metall gegen eine sich bewegende Abschreckfläche gerichtet oder anderweitig auf ihr abgelagert, wo es sich verfestigt und dann unter der Wirkurig der Zentrifugalkraft von ihr getrennt oder weggeschleudert wird. Herkömmliche Gießsysteme dieser Type verwenden allgemein eine Abschreckfläche, die von einer rotierenden Kühlwalze stammt, und sind geeignet für die Bildung von Fäden von Metallen, die scharfe Schmelzpunkte besitzen, d.h. von Metallen, die sehr enge fest-flüssig-Übergangstemperaturbereiche von etwa 4 bis 6° C haben. Bestimmte amorphe glasartige Metalle und bestimmte kristalline Metallegierungen haben jedoch sehr breite Übergangstemperaturbereiche, die manchmal 10 0° C übersteigen. Solche Metalle erfordern längere Berührung mit der Kühlwalze, um ein zufriedenstellendes Abschrecken zu bewirken.

Herkömmliche Gießsysteme neigen jedoch zu vorzeitigem Wegschleudern des Fadens von der Kühlwalze, und der Punkt, an dem sich der Faden von der Oberfläche der Kühlwalze trennt, variiert, was es schwierig macht, den Faden aufzunehmen und zu einer geeigneten Aufwickeleinrichtung zu führen. Außerdem vermindert die vorzeitige Abtrennung die Kühlgeschwindigkeit des gegossenen Fadens und gestattet übermäßige Oxidation auf den Fadenoberflächen.

Die Probleme einer ungenügenden Fadenrückhaltung auf der Oberfläche der Kühlwalze und des variablen Punktes der Fa-

denabtrennung von der Kühlwalze werden von den herkömmlichen Einrichtungen nur teilweise angesprochen. Die US-PS 3 856 074 betrifft das Zurückhalten von Fäden, die auf der Außenfläche einer rotierenden Kühlwalze gebildet wurden, durch Verwendung von Anpreßeinrichtungen. Die US-PS 3 862 658 betrifft eine Verlängerung der Zeit einer Berührung zwischen dem Faden und der Kühlwalze durch Ausübung einer Kraft gegen die Oberfläche der Kühlwalze, welche radial gegen deren Drehachse gerichtet ist, durch Einrichtungen, wie Gasstrahlen, bewegende Metallbänder und rotierende Räder. In einer speziellen Ausführungsform verwendet diese Patentschrift ein Metallband aus Berylliumkupfer, das über zwei Walzen läuft, um das Band zu begrenzen und eine frühzeitige Abtrennung von der Kühlwalze zu verhindern.

Metallgießmaschinen vom Rad- und Bandtyp für kontinuierliches Gießen von Metallstreifen lagern geschmolzenes Metall in dem Hohlraum ab, der zwischen einem genuteten Gießrad und einem Rückhalteband ausgebildet ist, welches sich zusammen mit dem Gießrad bewegt. Solche Maschinen können mehrere Führungs- und/oder Antriebsräder für das Rückhalteband verwenden, und sie können ein Gießrad mit einer Reihe gleich voneinander beabstandeter Nasen oder Kerne verwenden, die sich in den Gießhohlraum erstrecken, um ein perforiertes Streifenprodukt zu erzeugen.

Die US-PS 4 202 404 beschreibt ein elastomeres flexibles Band, das in Reibverbindung mit der Umfangsflache einer rotierenden ringförmigen Kühlwalze mitgenommen wird. Das elastomere Band wird von wenigstens drei Walzen unterstützt und zwingt einen auf der Kühlwalze gegossenen Faden in längere Berührung mit ihr. Elastomere Bänder können jedoch Betriebstemperaturen höher als 400° C nicht widerstehen. Die Metallbänder, wie jene, die in der US-PS 3 862 658 beschrieben sind, können höheren Temperaturen widerstehen, ' doch fehlt ihnen Dauerhaftigkeit und Wärmebeständigkeit. Die während des Gießens hervorgerufenen Wärmespannungen haben bewirkt, daß das Band sich wirft, defomiert oder vorzeitig

bricht. Infolge der Wärmeeigenschaften des Bandes wurde der gegossene Faden entlang seiner Länge diskontinuierlich und zersplittert und hatte keinen gleichmäßigen Querschnitt.

Außerdem fehlen herkömmlichen Einrichtungen Mittel, die in geeigneter Weise eine Relativbewegung des frisch gegossenen Fadens bezüglich der Kühlfläche verhindern. Eine solche Relativbewegung, die entweder seitlich oder in Längsrichtung verlaufen kann, kann einen frischen Faden brechen oder zersplittern, da die frischen heißen Fäden verminderte Zugfestigkeit und Scherfestigkeit bei ihren erhöhten Solidustemperaturen haben. Selbst wenn der Faden zu einem festen, im wesentlichen nicht viskosen Zustand abgeschreckt wurde, kann ihm ausreichende Zug- oder Scherfestigkeit fehlen, um Spannungen zu widerstehen, die durch sein Mitnehmen zwischen der Gießfläche und einem flexiblen Band erzeugt werden.

Somit fehlte herkömmlichen Gießeinrichtungen unter Verwendung elastomerer oder kontinuierlicher Metallblechbänder ausreichende Dauerhaftigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Wärme oder Wärmebetändigkeit, die erforderlich sind, um zuverlässig eine Kühlberührung zwischen einem hochtemperierten zusammenhängenden Metallfaden und einer Abkühlfläche zu halten. Herkömmliche Einrichtungen verhinderten auch nicht aus-5 reichend eine Relativbewegung des frischen Fadens bezüglich der Gießfläche und des Bandes. Als Ergebnis hiervon waren gegossene Fäden zerbrochen und von ungleichmäßigem Querschnitt und zeigten übermäßige Oxidation auf ihren Oberflächen.

Ältere Einrichtungen wurden verwendet, um verschiedene kristalline Metallegierungen, wie FeSi-Legierungen, zu erzeugen. Besonders FeSi-Legierungen mit einem Gehalt von 6 bis 7 Gewichts-% Si waren besonders erwünscht, da sie hohe Permeabilität, hohe Sättigungsmagnetisierung, niedrige Magnetostriktion und niedrigen Kraftverlust zeigen. Diese Legierungen mit hohem Siliciumgehalt haben aber schlechte Duktilität und sind schwierig zu dünnen Bögen zu verarbeiten, die zu

erwünschten Formen gestanzt oder gewickelt werden können. Versuche, die Duktilität zu verbessern, wurden mit schnell abschreckenden Methoden unternommen, und es wurde eine Masse Literatur über magnetische Eigenschaften schnell abgeschreckter Eisenlegierungen mit hohem Siliciumgehalt (4 bis 7 Gewichts-%) veröffentlicht. In diesen Studien wurde die Verminderung des Kernverlustes durch Glühbehandlungen und durch Kaltwalzen und Glühen betont. Obwohl niedrige Kernverlustwerte erreicht wurden, sind die magnetischen Eigenschaften anisotrop. Die Eigenschaften sind am besten entlang der Längsrichtung des Bandes wegen der ihm eigenen Struktur in dem Metall.

Als Ergebnis hiervon sind solche FeSi-Materialien nicht gut geeignet für die Verwendung in rotierenden elektromagnetischen Einrichtungen, wo die Magnetfelder ständig ihre Richtung ändern.

Die Erfindung liefert eine Vorrichtung und Methode zum zuverlässigen Gießen eines zusammenhängenden Metallfadens mit im wesentlichen gleichmäßigen Abmessungen und physikalischen Eigenschaften. Die Apparatur besitzt eine sich bewegende Gießoberfläche und eine Extrudier- oder Stranggießeinrichtung zur Ablagerung eines Stromes von geschmolzenem Metall auf der Gießoberfläche unter Bildung des Fadens. Ein metallisches Maschenandrückband, von dem wenigstens ein Teil sich mit einer Geschwindigkeit im wesentlichen gleich der Geschwindigkeit der Gießoberfläche bewegen kann, nimmt den Faden von der Gießoberfläche mit, um zwischen ihnen eine Kühlberührung aufrechtzuerhalten. Zwangseinrichtungen, die das Andrückband gegen den Faden und die Gießoberfläche drükken, liefern einen den Faden mitnehmenden Anpreßdruck, der ausreicht, im wesentlichen eine Relativbewegung des Fadens bezüglich der Gießoberfläche und des Andrückbandes zu verhindern. Steuereinrichtungen steuern den Anpreßdruck, um übermäßige Kräfte in dem Faden während seines Kühlens zu verhindern.

Gemäß der Erfindung bekommt man auch ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen von Metallfaden. Ein Strom von geschmolzenem Metall wird auf eine sich bewegende Gießoberfläche extrudiert oder ausgestoßen, um den Faden zu bilden, und der Faden wird in Anlage an der Gießoberfläche mitgenommen, um zwischen dem Faden und der Gießoberfläche eine Kühlberührung aufrechtzuerhalten. Der Faden wird unter einem mitnehmenden Anpreßdruck gegen die Gießoberfläche gedrückt, wobei dieser Druck ausreicht, um im wesentlichen eine ReIativbewegung des Fadens bezüglich der Gießoberfläche zu verhindern, und der Anpreßdruck wird so gesteuert, daß er übermäßige Spannungen in dem Faden während seines Kühlens verhindert.

Im Vergleich mit herkömmlichen Einrichtungen und Verfahren, die elastomere Bänder oder Metallblechbänder verwenden, gießt die Erfindung zuverlässiger zusammenhängende Fäden aus Legierungen mit sehr hohen Schmelzpunkten. Das metallische Maschen- oder Gitterandrückband ist dauerhafter, ergibt ein gleichmäßigeres Kühlen des Fadens und vermeidet besser Diskontinuitäten in dem Faden. Im Vergleich mit Einrichtungen ohne Steuereinrichtungen zur Steuerung von Spannungen in dem frisch entstandenen Faden gießt die Erfindung wirksamer einen zusammenhängenden Metallfaden mit geringerer Oxidation, gleichmäßigeren Abmessungen und verbesserten physikalischen Eigenschaften, wie verbesserten magnetischen Eigenschaften.

Die Vorrichtung und Methode nach der Erfindung sind besonders brauchbar zum Gießen eines zusammenhängenden Fadens aus kristallinen ferromagnetischen Co-, Ni- und Fe-Legierungen, wie FeSi-Legierungen. Der Faden hat so, wie er in gegossenem Zustand vorliegt, gleichbleibende, gleichmäßige Qualität und läßt sich unter Bildung eines Fadens mit charakteristischen ferromagnetischen Eigenschaften, wie charakteristischer Permeabilität und Koerzitivkraft, verarbeiten. Solche Eigenschaften sind besonders brauchbar für die Konstruktion rotierender elektromagnetischer Einrichtungen,

wie Elektromotoren und Generatoren.

Wenn die Apparatur und Methode nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um kristalline FeSi-Metallfäden herzustellen, die etwa 1 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts-% Si enthalten, haben die Kristallkörner in dem Faden eine säulenförmige Struktur, wobei die säulenförmigen Körner im wesentlichen senkrecht zu der Ebene des gegossenen Fadens im wesentlichen ohne Teilchen einer zweiten Phase an den Korngrenzen ausgerichtet sind. Außerdem hat der Faden geringe Oberflächenrauhheit und ist im wesentlichen frei von Oberflächenoxidation. Ein solcher Faden ist besonders geeignet für weitere Verarbeitung zur Gewinnung verbesserter isotroper Eigenschaften in der Ebene des Fadens.

Man bekommt somit gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Fadens aus FeSi-Metall mit im wesentlichen isotropen ferromagnetischen Eigenschaften in der Ebene des Fadens. Allgemein gesagt enthält das Verfahren die Stufe einer Ausbildung eines kristallinen Fadens aus FeSi-Metall. Der Faden hat eine säulenförmige Kornstruktur, die im wesentlichen normal zu der Ebene des Streifens orientiert ist und im wesentlichen keine Teilchen einer zweiten Phase an ihren Korngrenzen besitzt. Der Faden wird dann in einer Säurelösung gebeizt und erhitzt, um einen Faden mit einer <100>-Faserstruktur zu bekommen, worin die Intensität der Körner, deren <100>-Kristallrichtung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Ebene des Fadens orientiert wenigstens zweifach regellos ist.

Die vorliegende Erfindung liefert weiterhin einen verbesserten kristallinen Faden, der im wesentlichen aus FeSi-Metall besteht und der im wesentlichen isotrope ferromagnetische Eigenschaften in der Ebene des Fadens hat. Der Faden hat eine <100>-Faserstruktur, worin die Intensität von Körnern, deren <100>-Kristallrichtung in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Fadens orientiert ist, wenigstens etwa zweifach regellos ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 erläutert die Verwendung einer Andrückbandapparatur in Verbindung mit einer Kühlwalzengießapparatur.

Fig. 2 erläutert eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Gießoberfläche mit einem Gießendlosband versehen ist.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der • Erfindung, bei der die Gießoberfläche mit einer Kühlwalze versehen ist.

Fig. 4 zeigt eine isometrische Darstellung einer Führungsradanordnung .

Fig. 5 erläutert einen Streifen mit kubischer Struktur. Fig. 6 erläutert einen Streifen mit Goss-Struktur.
Fig. 7a und

Fig. 7b zeigen Polfiguren eines FeSi-Streifens im gegossenen Zustand, der auf einer Stahlunterlage abgeschreckt wurde.
Fig. 8a und

Fig. 8b zeigen Polfiguren eines FeSi-Streifens, der auf einer Stahlunterlage abgeschreckt wurde, nach dem Beizen und Erhitzen.
Fig. 9a und

Fig. 9b zeigen Polfiguren eines FeSi-Streifens im gegossenen Zustand, der auf einer Cu-Be-Unterlage abgeschreckt wurde.
Fig. 10a und

Fig. 10b zeigen Polfiguren eines FeSi-Streifens, der auf einer Cu-Be-Unterlage abgeschreckt wurde, nach dem Beizen und Erhitzen.

Fig. 11 zeigt B-H-Kurven, die mit dem Fe-6,5 Gewichts-% Si-Streifen nach der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.
Fig. 12a und

Fig. 12b zeigen magnetische Eigenschaften des Streifens nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit den magnetischen Eigenschaften von nichtorientiertem Siliciumstahl.

Fig. 13a und

Fig. 13b zeigen die MikroStruktur eines auf einer Stahlunterlage gegossenen Fe-Si-Streifens. Fig. 14a und
Fig. 14b zeigen die MikroStruktur eines auf einer Cu-Be-Un-

terlage gegossenen Fe-Si-Streifens. Fig. 15a und

Fig. 15b zeigen die Miktrpstruktür eines auf einer Stahlunterlage gegossenen Fe-Si-Streifens nach dem Erhitzen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen -

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung und, wie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, ist ein Faden ein schlanker Körper, dessen Querabmessungen viel geringer als seine Länge sind. Solche Fäden können Körper, wie Bänder, Streifen oder Bögen, sowohl schmal als auch breit und von regelmäßigem oder unregelmäßigem Querschnitt sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein Band ein endloser Streifen eines flexiblen Materials und eine Walze eine im wesentlichen zylindrische Struktur.

Fig. 1 erläutert in repräsentativer Form das Arbeiten nach der vorliegenden Erfindung. Eine Gießkühlwalze 1 rotiert derart, daß sie eine Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 100 bis 4000 m/min ergibt, und ein mit Induktionsheizwicklungen 3 ausgestatteter Behälter 2 enthält eine geschmolzene Metallegierung. Eine Extrudier- oder Stranggießeinrichtung 7 lagert geschmolzenes Metall auf einer sich bewegenden Gießabschreckoberfläche 9 der rotierenden Gießwalze 1 ab, auf der es zu einem Faden 6 sich verfestigt. Ein Metallmaschenandrückband 4 wird von Führungsrollen 5 getragen, und wenigstens ein Teil des Bandes bewegt sich in gleicher Richtung wie die rotierende Walze 1, um den Faden 6 an der Gießwalze zu halten. Wenn das Band 4 breiter als der Faden 6 ist, wird es in direkter Berührung und in Reibverbindung mit der Umfangsflache der Gießwalze 1 geführt. Das Band 4 nimmt

den Faden entlang einem gekrümmten Kühlwalzenteil mit, der einem Winkel von wenigstens etwa 120° gegenüberliegt, um den Faden in Berührung mit der Gießoberfläche zu halten. Eine Hilfseinrichtung einschließlich wenigstens dreier Führungsrollen 5 führt und positioniert das Band in der erwünschten Berührung mit der ringförmigen Kühlwalze.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein gekühltes endloses Gießband 40 eine sich bewegende Gießoberfläche 9 liefert. Ein Metallmaschenandrückband 4 wird von Führungsrollen 5 und 15 getragen, und wenigstens ein Teil des Bandes 4 bewegt sich in gleicher Richtung mit einem benachbarten Teil des Gießbandes 40, um den Faden 6 in Kühlberührung mit der Gießoberfläche mitzuführen und zu halten. Die Geschwindigkeit des Bandes 4 gleicht im wesentlichen der Geschwindigkeit des benachbarten Abschnittes des Gießbandes 40. Wenn das Band 4 breiter als der Faden 6 ist, wird es in direkter Berührung und in Reibschluß mit der benachbarten Oberfläehe des Gießbandes 40 mitgenommen. Eine Spanneinrichtung, wie eine Stelleinrichtung 16 bewegt die Führungsrolle 15 nach außen, um die Spannung in dem Band 4 zu regulieren. Spanneinrichtungen mit Stellantrieben 17 bewegen ein Verschiebeteil 19, das so ausgebildet ist, daß es das Band 4 zu dem Faden 5 und der Gießoberfläche 9 drückt, um einen mitnehmenden Anpreßdruck zu ergeben. Der Anpreßdruck reicht aus, um im wesentlichen eine Relativbewegung des Fadens bezüglich der Gießoberfläche und des Andrückbandes zu verhindern. Steuereinrichtungen 18 steuern den Anpreßdruck, um die Entstehung übermäßiger Spannungen in dem Faden 6 während seines Kühlens zu verhindern.

Fig. 3 erläutert eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine drehbare Kühlwalze 1 eine sich.bewegende Gießoberfläche 9 liefert. Ein Metallmaschenandrückband 4 wird von Führungsrollen 5 und 15 getragen, und wenigstens ein Teil des Bandes 4 ist so ausgebildet, daß es sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die im wesentlichen gleich

der Geschwindigkeit der Gießoberfläche 9 ist, um den Faden 6 an der Gießoberfläche mitzunehmen, um zwischen ihnen eine Kühlberührung aufrechtzuerhalten. Ein Verschiebeteil besitzt eine Spanneinrichtung, wie einen Stellrahmen 12, und Stelleinrichtungen, wie eine pneumatische Stelleinrichtung 14. Die Spanneinrichtung drückt das Andrückband 4 gegen den Faden 6 und die Gießoberfläche 9, um einen mitnehmenden Anpreßdruck zu ergeben, der ausreicht, um eine Relativbewegung des Fadens bezüglich des Bandes und der Gießoberfläche im wesentlichen zu verhindern. Steuereinrichtungen mit Steuerventilen 21 und 22, die mit den pneumatischen Stelleinrichtungen 20 bzw. 14 verbunden sind, steuern den Anpreßdruck, um das Auftreten übermäßiger Spannungen in dem Faden 6 während dessen Kühlung zu verhindern.

Die Kühlwalze 1 ist von üblicher Konstruktion, und die Umfangsfläche der Kühlwalze, die die tatsächliche Kühloberfläche liefert, besteht aus einem Material mit genügender Festigkeit, Wärmebeständigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit.

Bevorzugte Werkstoffe für die Kühlwalze sind beispielsweise Beryllium-Kupfer, sauerstofffreies Kupfer, Stahl mit niedri-. gern Kohlenstoffgehalt und rostfreier Stahl. Um einen Schutz gegen Korrosion, Erosion oder thermische Ermüdung zu bekommen, kann die Umfangsfläche der Kühlwalze mit einem geeigneten Überzug versehen sein, der beständig ist oder hohen Schmelzpunkt besitzt. Beispielsweise kann nach bekannten Verfahren ein keramischer Überzug oder ein Überzug aus einem korrosionsbeständigen Material, wie Chrom, aufgebracht sein.

Das geschmolzene Metall, aus welchem der Faden 6 gebildet wird, wird auf der Umfangsfläche der Kühlwalze mit einer geeigneten Stranggießeinrichtung abgelagert. Eine geeignete Methode, die in Fig. 1 der Zeichnung erläutert ist, besteht im Erhitzen des Metalles, vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, auf eine Temperatur von wenigstens etwa 50° bis 100° C oberhalb seines Schmelzpunktes. Ein Unterdrucksetzen des Behälters 2 mit einem Inertgas extrudiert geschmolzenes Metall durch eine Düse 7 auf die Kühlwalze 1. Nach der AbIa-

gerung auf der Gießoberfläche wird das geschmolzene Metall rasch abgeschreckt und unter Bildung eines Fadens 6 verfestigt.

Beim Gießen eines Metallfadens bestimmer Zusammensetzungen ist es erwünscht, die Berührungszeit zwischen dem Faden und der Oberfläche der Kühlwalze zu verlängern, um ein geeignetes Abschrecken zu erhalten. Auch beim Gießen von Fäden aus glasartigen Metallegierungen oder kristallinen Metallegierungen, die extrem hohe Abkühlgeschwindigkeiten von wenigstens etwa 10"° C/sec erfordern, bewegt sich die Oberfläche der rotierenden Kühlwalze mit sehr hohen Geschwindigkeiten, typischerweise mit wenigstens etwa 25 m/sec. Dies erzeugt hohe Zentrifugalkräfte, die dazu neigen, den Faden von der Gießoberfläche wegzuschleudern, was eine vorzeitige Abtrennung verursacht, die häufig zu Fäden führt, die ungleichmäßig gekühlt und in der Abmessung oder Struktur ungleichmäßig sind. Wenn außerdem ein heißer frisch entstandener Faden abgelagert und an der gekühlten Gießoberfläche mit herkömm-0 liehen Andrückbandsystemen gehalten wird, können in dem Faden unerwünschte Spannungen hervorgerufen werden. Bei erhöhten Temperaturen nahe der Solidustemperatur können die Zug- und Scherfestigkeit'bestimmter Metalle wesentlich herabgesetzt werden. Der heiße Faden kann unfähig sein, den durch das Andrückband hervorgerufenen Spannungen zu widerstehen und kann brechen.

Fig. 3 erläutert ein bevorzugtes Andrückbandsystem, das ein geeignetes Abschrecken gewährleistet und auch Spannungen in dem frisch gebildeten heißen Faden auf ein Minimum herabsetzt. Das System enthält einen Stützrahmen 11 und ein Verschiebeteil, wie einen Stellrahmen 12. Die Rahmen bestehen aus irgendeinem geeigneten Material mit ausreichender Festigkeit und Dauerhaftigkeit, wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl vom Typ 304. Der Stützrahmen 11 besteht allgemein aus zwei parallelen Platten, die den Stellrahmen 12 dazwischen abstützen. Der Stellrahmen 12 ist in dem Stützrahmen 11 auf der Welle 13 verschwenkbar befestigt.

Eine erste Stelleinrichtung, wie eine pneumatische Stelleinrichtung 14, ist auf dem Stützrahmen 11 befestigt und mit dem Stellrahmen 12 verbunden, um den Rahmen 12 um die Welle 13 selektiv zu drehen. Die Drehung des Rahmens 12 zwingt das Andrückband 4 gegen den Faden 6 und die Gießoberfläche 9, um einen mitnehmenden Anpreßdruck zu ergeben, der ausreicht, um im wesentlichen eine Bewegung des Fadens gegenüber dem Band und der Gießoberfläche zu verhindern. Der Stellrahmen 12 wird vorzugsweise so ausgebildet, daß er in einer Richtung rotiert, die die Bewegung des Eintrittsabschnittes 25 des Andrückbandsystemes zu der Gießoberfläche 9 im Vergleich mit der Bewegung des Austrittsabschnxttes 26 verstärkt. Um dies zu erreichen, ist die Stelleinrichtung 14 mit dem Rahmen 12 an einem Punkt verbunden, der die Stellkraft entlang einer Linie ausrichtet, die zwischen der Welle 13 und dem Bandexntrittsabschnxtt 25 verläuft. Diese Gestaltung gewährleistet, daß ein geeigneter Anpreßdruck an dem Bandexntrittsabschnxtt erhalten wird.

Außerdem ist der Punkt der Anfangsberührung des Bandes 4 mit der Gießoberfläche 9 so eingestellt, daß ein Berühren des frisch entstandenen Fadens verzögert wird, bis er abgekühlt ist und genügende Festigkeit entwickelt hat, um dem Verfahren des Mitnehmens zwischen dem Band und der Gießoberfläche zu widerstehen. Wenn die Berührung zu schnell erfolgt, kann der heiße Faden brechen. Wenn die Berührung zu lange verzögert wird, kann der Faden die Gießoberfläche verlassen und den Eintrittsabschnitt 25 verfehlen.

Die Höhe des Anpreßdruckes sollte sorgfältig gesteuert werden. Es wurde festgestellt, daß selbst dann, wenn es keinen feststellbaren Schlupf zwischen dem Band 4 und der Gießoberfläche 9 gibt, der Anpreßdruck unzureichend sein kann, um die Entwicklung von übermäßigen Spannungen in dem heißen frisch gebildeten Faden zu entwickeln, was zu Brüchen führt. Überraschenderweise vermindert ein erhöhter Anpreßdruck die Fadenbrüche. Obwohl hier keine Bindung an eine spezielle Theorie erfolgen soll, scheint doch der erhöhte Anpreßdruck

eine innigere Berührung des Fadens mit dem Andrückband und der Gießoberfläche zu ergeben. Diese engere Berührung führt zu einer schnelleren Wärmeüberführung von dem heißen Faden, d.h. eine bessere Kühlung, und gestattet eine schnellere Steigerung der Fadenfestigkeit. Der festere Faden widersteht besser den Spannungen, die durch das Mitnehmeverfahren hervorgerufen werden.

Eine Spanneinrichtung besitzt einen Spannarm 23 und eine zweite Stelleinrichtung, wie eine pneumatische Stelleinrichtung 20. Der Spannarm 23 trägt die Rolle 15 und ist schwenkbar mit dem Stellrahmen verbunden, um um die Welle 24 zu rotieren. Die pneumatische Stelleinrichtung 20 ist auf dem Stellrahmen 12 befestigt und betriebsmäßig so verbunden, daß sie den Arm 23 bewegt und dreht. Die Drehung bewegt die Rolle 15 in Berührung mit dem Band 4 und erzeugt darin die gewählte Spannung. Druckgas wird durch die Steuerventile 22 und 21 zugeführt, um die Stelleinrichtungen 14 bzw. 20 zu betätigen. Durch Steuerung des Gasdruckes zu den Stelleinrichtungen steuert die Gestalt mit Vorteil den Anpreßdruck, um die Entstehung übermäßiger Spannungen in dem Faden 6 während dessen Kühlung durch die Gießoberfläche 9 und das Band 4 zu verhindern.

5 Eine Führungseinrichtung kann an einer oder an mehreren der Führungsrollen befestigt sein, um das Band auf der Rolle auszurichten. Solche Führungseinrichtungen können durch Flansche vorgesehen sein, die an wenigstens einer der Führungsrollen befestigt sind. Beispielsweise trägt in Fig. 4 die Welle 30 die Führungsrolle 20 und gestattet eine Drehung auf ihr. Die Führungsrolle 20 hat Flansche 63 und 65, die das Band dazwischen ausrichten. Schultern 32 und 34 positionieren die Führungsrolle 20 auf der Welle 30, und Stellschrauben 36 und 38 fixieren die Lage der Schultern 32 und 34 entlang der Länge der Welle 30.

Das Band 4 lauft über wenigstens drei Führungsrollen 5, die von dem Stellrahmen 12 getragen werden. Zwei Führungsrollen

positionieren das Band in Berührung . mit der Kühlwalze über die. erwünschte Bogendistanz. Die dritte und möglicherweise weitere Führungsrollen verhindern eine Berührung zwischen jenem Teil des als Schleife ausgebildeten Bandes, der sich in Gegenrichtung zu jenem Teil des Bandes bewegt, der sich in Berührung mit der Kühlwalzenoberfläche bewegt, indem der Weg des entgegengerichteten Teiles des Bandes in einen von der Kühlwalze entfernten Bereich gezwungen wird. Die Verwendung von wenigstens drei Führungsrollen positioniert das Band so, daß es den Faden in Berührung mit einem gekrümmten Abschnitt der rotierenden Kühlwalze hält, welcher einem Winkel im Bereich von etwa 120° bis 320° und vorzugsweise im Bereich von etwa 150° bis 240° gegenüberliegt.

Beim Gießen eines Fadens aus Legierungen, die bei Temperaturen oberhalb etwa 14 50° C extrudiert oder stranggegossen werden, erwiesen sich elastomere Bänder als ungeeignet, da sie höheren Temperaturen als etwa 400° C nicht widerstehen können und sich dann zersetzen oder abbrennen. Flexible Metallblechbänder erwiesen sich auch als ungeeignet, da genügend dünne Bänder, um die erforderliche Flexiblität zu haben, sich unter den Wärmespannungen, die während des Gießens hervorgerufen werden, verwerfen. Außerdem sind die Metallblechbänder nicht in der Lage, Wärme genügend schnell abzuführen, um eine Schwächung zu vermeiden, die durch die während des Gießens absorbierte Wärme verursacht wird. Das Metallblechband kann zu schwach werden, um die Bandspannungen aufzunehmen und aufrechtzuerhalten, die erforderlich sind, um den erforderlichen Anpreßdruck gegen den Faden 6 und die Gießoberfläche 9 zu erzeugen.

Gewebte Metalldrahtmaschenbänder sind flexibel und stark genug, um den hohen Gießtemperaturen zu widerstehen, doch zeigten Erfahrungen in der Vergangenheit, daß die strukturierte Webbandoberfläche Eindrücke auf der Gießoberfläche der Kühlwalze und auf den Oberflächen des gegossenen Fadens hinterlassen würde. Selbst wenn aus dünnem Draht von etwa 0,040 cm Durchmesser dicht gewebte Bänder verwendet wurden,

konnten noch restliche Eindrücke des Bandgewebes auf der Gießoberfläche festgestellt werden. Gewöhnlich würden solche Eindrücke die Oberflächennachbehandlung und Qualität des Fadens beeinträchtigen. Es wurde jedoch überraschenderweise festgestellt, daß während des tatsächlichen Gießens die Oberflächen des gegossenen Fadens durch die Struktur des Bandgewebes nicht zerstört wurden. Die Fadenoberflächen blieben glatt und waren im wesentlichen durch die Webstruktur unbeeinträchtigt.

Außerdem wurde festgestellt, daß das gewebte Band die von dem heißen Faden absorbierte Wärme wirksam abführte und im wesentlichen selbstkühlend wurde. Selbst wenn das Metallmaschenandrückband verwendet wurde, um Metallegierungen mit Stranggießtemperaturen oberhalb 1600° C zu gießen, gab es wenig oder keine Hitzeverfärbung des Bandes. Dies stand in starkem Gegensatz zu dem Umfang der Hitzeverfärbung, die man auf gewöhnlichen Metallblechandrückbändern beobachtete. Als Ergebnis seiner verbesserten Wärmeabführeigenschaften widerstand das Metallmaschenandrückband besser einem Verwerfen, das durch Wärmespannungen hervorgerufen wird, und ergab ein rascheres und gleichmäßigeres Kühlen des gegossenen Fadens. Der gegossene Faden war im wesentlichen frei von Oberflächenoxidation .

Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet die Apparatur nach der Erfindung ein aus rostfreiem Stahldraht eines Durchmessers von 0,040 cm (16 Mil Gauge) in einer Webstruktur gewebtes Metallmaschenband, die allgemein als "Kordbindung" und·"Universalbindung" bezeichnet wird. Solche Bänder sind' im Handel erhältlich bei der Audubon Metal Wove Belts Corporation, Philadelphia, Pa.

Vorzugsweise wird das Metallmaschenandrückband durch Reibschlüssigkeit mit der Gießoberfläche 9 angetrieben. Das Maschenband ist so bemessen, daß es den Faden 6 überlappt und die Gießoberfläche 9 entlang der Weichen direkt berührt, die in Nachbarschaft zu den Randbereichen des Fadens liegen.

Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß auch getrennte Mechanismen verwendet werden könnten, um das Andrückband und den sich bewegenden Kühlkörper anzutreiben.

Es wurde jedoch gefunden, daß die Stärke des Anpreßdruckes, der gegen den Faden 6 und die Oberfläche 9 durch das Maschenband 4 gerichtet wird, sehr wichtig ist. Ein Druck, der geeignet ist, eine antreibende Reibschlüssigkeit hervorzurufen, .kann nicht geeignet sein, einen zusammenhängenden Faden zu gießen. Wenn der Anpreßdruck zu gering ist, zerbricht der gegossene Faden infolge übermäßiger Spannungen, die darin während des Verfahrens der Mitnahme des Fadens zwischen dem Band 4 und der Gießoberfläche 9 erzeugt werden.

Der Mindestanpreßdruck hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie der Legierungszusammensetzung, der Gießgeschwindigkeit, der Zusammensetzung der Gießfläche, der Zusammensetzung des gewebten Metallmaschenbandes und dem speziellen Maschenwebmuster. Für ein zuverlässiges Arbeiten ist der Anpreßdruck wenigstens etwa 0,5 psi und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,7 bis 4 psi. In der speziellen in Fig. 3 erläuterten Ausführungsform hat die Stelleinrichtung 14 einen Durchmesser von 3/4 inch und wird mit einem Gasdruck unter Druck gesetzt, der wenigstens 20 psi beträgt und vorzugsweise im Bereich von etwa 20 bis 100 psi liegt. Stärker bevorzugt liegt der Druck im Bereich von 50 bis 70 psi. Ähnlich hat die Stelleinrichtung 20 einen Durchmesser von 3/4 inch und wird mit einem Gasdruck von wenigstens 20 psi unter Druck gesetzt. Vorzugsweise liegt der Gasdruck in der Stelleinrichtung 20 im Bereich von 20 bis 100 psi und stärker bevorzugt im Bereich von 50 bis 70 psi. Die in dem Band 4 aufrechterhaltene Spannung sollte 10 % der Bandfetigkeit nicht übersteigen, um längere Bandlebensdauer zu gewährleisten.

Die Erfindung ist geeignet für das Gießen von kritallinem Metallfaden, wie Fäden, die aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Kobalt, Eisen oder Legierungen derselben bestehen. Speziell

ist die Erfindung brauchbar zum Gießen von Fäden aus Eisen-Silicium-Legierungen (FeSi-Legierungen). Diese FeSi-Legierungen haben Zusammensetzungen, die im wesentlichen durch die Formel Fe„_η _„ Si, , „, ausgedrückt in Gewichtsprozenten, bestehen. Vorzugsweise liegt die Siliciummenge im Bereich von etwa 3 bis 7 Gewichts-%, und stärker bevorzugt liegt die Siliciummenge im Bereich von etwa 6 bis 7 Gewichts-%. Solche Legierungen sind besonders erwünscht wegen ihrer günstigen magnetischen Eigenschaften, wie hoher Permeabilität, hoher Sättigungsmagnetisierung, hoher Curietemperatur, niedriger Magnetostriktion und niedrigem Kernverlust. Solche Legierungen sind auch billig.

Erhebliche Anstrengungen wurden bei der Entwicklung von Methoden und Lösungswegen für das Gießen einer FeSi-Legierung mit einem Gehalt von etwa 6,5 Gewichts-% Silicium gemacht. Diese spezielle Legierung hat extrem erwünschte ferromagnetische Eigenschaften, aber schlechte mechanische Eigenschaften. Gewöhnlich hat sie geringe Duktilität und läßt sich nicht leicht zu Bändern oder Bögen formen, die zu ausgewählten Formungen getanzt oder aufgewickelt werden können. Ein Metallfaden wird als duktil angesehen, wenn man ihn um einen Radius des Zehnfachen der Fadendicke ohne Bruch biegen kann. Versuche, die Duktilität zu verbessern, wurden gemacht, indem man das Silicium teilweise durch Aluminium ersetzte und indem man den Faden "direkt" bei Raumtemperatur in Luft zog. Außerdem wurden dünne Fäden mit einer Dicke von etwa 10 bis 40 μ und einer Breite von etwa 1 bis 2 mm nach einer Schmelzspinnmethode hergestellt. Bei dieser Methode wird ein Strom von Legierung durch eine Düse ausgepreßt und dann auf der Umfangsflache einer schnell sich drehenden Scheibe unter Bildung eines duktilen Bandes rasch abgeschreckt. Herkömmliche Schmelzspinnapparaturen enthalten aber keine Einrichtungen für die Verlängerung der Berührung des gegossenen Bandes mit der Gießoberfläche. Folglich waren die Endqualität und die magnetischen Eigenschaften des Fadens, wie er gegossen war, weniger gleichbleibend als erwünscht. Außerdem waren die nach der Schmelzspinnmethode gewonnenen Bänder

sehr schmal, etwa 1 bis 2 mm breit, und ziemlich kurz, 5 bis 10 mm lang.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch in der Lage, einen zusammenhängenden Faden aus duktilen, kristallinen, ferromagnetischen Co-, Ni- und Fe-Legierungen zu gießen, wie aus FeSi-Legierung mit etwa 6,5 Gewichts-% Silicum. Der Faden in seinem Zustand, wie er gegossen ist, ist von gleichbleibender Qualität und kann überraschenderweise verarbeitet.

werden, um ein Material mit charakteristischen ferromagnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Die ferromagnetischen Eigenschaften sind besonders vorteilhaft, wenn man das Material verwendet, um rotierende elektromagnetische Einrichtungen, wie elektrische Motoren und Generatoren, zu konstruieren.

Obwohl hier nicht eine Bindung an eine spezielle Theorie erfolgen soll, wird doch angenommen, daß die verbesserten ferromagnetischen Eigenschaften der verarbeiteten Fäden aus der speziellen Kristallkonstruktur stammen, die in dem Faden 6 durch die Apparatur und die Methode nach der Erfindung erzeugt wird. Die extrem rasche Abschreckgeschwindigkeit und die verlängerte Berührung mit der Abschreckoberfläche wirken vorteilhaft zusammen, die Oxidition auf ein Minimum herabzusetzen und im wesentlichen gleichförmige säulenartige Kristallkörner zu erzeugen, die selektiv modifiziert werden können, um ein Material zu erzeugen, das in rotierenden elektromagnetischen Einrichtungen brauchbar ist. Solche. Körner werden nicht konsequent oder gleichmäßig in FeSi-6,5 %-Legierung gebildet, wenn man sie mit herkömmlichen Apparatüren und Methoden, wie dem Schmelzspinnverfahren, herstellt.

Die Apparatur und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung sind auch in der Lage, breite und zusammenhängende Fäden zu erzeugen. Der erzeugte Faden war wenigstens etwa 0,7 cm breit und 1 m lang. Typischerweise war der Faden wenigstens 1,0 cm breit und 10 m lang. Das breitere Material ist besonders vorteilhaft zum Ausstanzen größerer komplexer

Formlinge, und das längere Material ist besonders vorteilhaft zum Aufwickeln von Magnetkernen.

Es ist bekannt, daß Einkristalle von Eisen eine kubische kristalline Struktur haben und am leichtesten in der <100>Richtung magnetisiert werden, weniger leicht in der <110>Richtung und am wenigsten leicht in der <111>-Richtung magnetisiert werden. Diese magnetische Anisotropie hat eine starke Wirkung auf den statischen Hystereseverlust von Transformatorkernen während der Änderung der Magnetisierung. So werden die Walz- und Glühbehandlungen, die bei der Herstellung von Transformatorstahlblech angewendet werden, so ausgewählt, daß entweder eine willkürliche Struktur erzeugt wird, um die magnetische Anisotropie auf ein Minimum zu reduzieren, oder eine feste Struktur erhalten wird, in der möglichst viele Körner mit ihrer < 100 >-Richtung parallel zu der Walzrichtung ausgerichtet sind.

Die Ebenen und Richtungen werden nach der kristallographisehen Standardbezeichnung ausgedrückt. Beispielsweise für die Orientierung (00I)[IOO] ist die [100]-Streifenrichtung entlang der Länge oder Walzrichtung (RD) des Metallstreifens; die [010]-Richtung ist entlang der Querbreitenrichtung (TD) des Streifens, und die [001]-Richtung ist entlang der Dickenabmessung oder der Richtung senkrecht zu der Ebene des Streifens. Siehe Fig. 5 und 6.

Zwei Strukturtypen wurden für orientiertes elektrisches Stahlblech entwickelt, die kubische Struktur und die Goss-Struktur. In der kubischen Struktur kann die Orientierung als (001) [100] beschrieben werden, d.h. kubisch auf der Stirnfläche, siehe Fig. 5. Im letzteren Fall kann die Orientierung als (OH)[IOO] beschrieben werden, d.h. kubisch auf der Kante, siehe Fig. 6.

Herkömmlicher kornorientierter elektrischer Stahl für Kernlaminierung von Krafttransformatoren war ein Stahl mit 3,5 Gewichts-% Silicium, der behandelt war, um eine starke Goss-

Struktur in der Form einer sekundären rekristallisierten Struktur zu zeigen, die durch ein kompliziertes Verfahrensschema erzeugt wurde, das Kaltwalzen und Glühen einschloß.

Bei Kernen für sich drehende Maschinen ist das Magnetfeld in der Ebene des Bogens, doch der Winkel zwischen dem Feld und der Längsrichtung des Bogens variiert, wenn der Kern rotiert. Somit ist es in diesem Fall nicht erforderlich, die "leichte" (am leichtesten magnetisierte) Richtung in der Längsrichtung des Bogens zu haben, und eine zufriedenstellende Struktur wäre {100}<uvw>, die die "harte" (am schwierigsten magnetisierbare) <111>-Richtung außerhalb der Ebene des Bogens hält. Eine <100>-"Faser"-Struktur wäre noch besser (d.h. eine Struktur, bei der alle Körner eine <100>Richtung senkrecht zu der Bogenoberfläche und in allen möglichen Drehstellungen um diese Normale haben), da der Bogen dann in seiner eigenen Ebene isotrope ferromagnetische Eigenschaften hätte.

Der Ausdruck "Struktur", wie er hier in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet die vorherrschende Ausrichtung der Kristallkörner in dem Metall im Vergleich mit einer Vergleichsprobe mit willkürlich orientierten Kornkristallen. Die Struktur kann mit herkömmlichen Methoden, wie Rontgenstrahlenbeugungs- und Elektronenstrahlenbeugungsanalyse, bestimmt werden.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Behandlung von Bändern von Fe-Si-Legierung (vorzugsweise mit einem Gehalt von 6 bis 7 Gewichts-% Si) im Zustand wie gegossen, um eine säulenförmige Kornstruktur mit einer <100>-Faserstruktur zu erhalten. Dieses Verfahren besteht darin, daß man das Band in einem Säurebad beizt und anschließend in einer sauerstoffbegrenzten Atmosphäre, wie in einem Vakuum oder einer Wasserstoffatmosphäre, erhitzt. Das resultierende Material hat ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften (z.B. niedrigen Kraftverlust und Isotropie in der Ebene bezüglich seiner ferromagnetischen Eigenschaften). Ein Materi-

al hat im wesentlichen isotrope ferromagnetische Eigenschaften, wenn seine ferromagnetischen Eigenschaften, bestimmt durch seine B-H-Kurve, nicht mehr als 20 % um die betreffenden Richtungen herum variieren.
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Das Wachstum von Körnern mit spezieller Ausrichtung kann erhalten werden, indem man 1. die Matrixstruktur, 2. die Oberflächenenergie und 3. den Korngrenzenaufprall steuert. Die Matrixstruktur ergibt eine selektive Wachstumshemmung, die nur das Wachstum bestimmter Körner gestattet. Wegen der speziellen Orientierungsverhältnisse zwischen den einzelnen Körnern und seinen Nachbarkörnern können bestimmte Körner schneller als die anderen Körner wachsen. Die Oberflächenenergie beeinflußt das Kornwachstum, da es Unterschiede in der Oberflächenenergie an der Gas-Metall-Grenzfläche gibt. Jene Körner mit der niedrigen Oberflächenenergie wachsen mit größerer Wahrscheinlichkeit. Korngrenzenaufprall hemmt das Kornwachstum. Wegen des Aufpralls isolierter gelöster Atome, von Teilchen einer zweiten Phase oder von Effekten eines Abschleifens freier Oberfläche können nur jene Körner wachsen, die genügend groß sind, das Abschleifen zu überwinden.

Bei der vorliegenden Erfindung werden die Matrixstruktur und die Effekte eines Abschleifens freier Oberfläche in dem Streifen, wie er gegossen ist, gesteuert, indem man eine ausgewählte Gießunterlage und Apparatur verwendet und indem man ein ausgewähltes Gießverfahren verwendet. Um die magne-

• tischen Eigenschaften zu optimieren, erhalten dann die Bänder, wie sie gegossen sind, eine Oberflächenbehandlung und werden folgendermaßen geglüht:

1. Säurebeizen in verschiedenen Lösungen, vorzugsweise 0 bis 16 min,
2. Oberflächenbeschichtung mit MgO,

3. Glühen im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 900° C und 1200° C während.einer Zeitdauer von 5 min bis 17 h.

— ί. I ~

Für ein Glühen bei Temperaturen von nicht mehr als 1000° C braucht die Stufe 2. nicht erforderlich zu sein.

Säurebeizen führt ein Ausgleichsabschleifen um die Oberflachenkörner herum ein, was das Wachstum bestimmter Matrixkörner hemmt und das Wachstum von Körnern mit erwünschten Ausrichtungen fördert. Der Ätzgrad (Säureangriff) auf die Körner hängt stark von ihrer kristallographischen Orientierung ab. So gibt es einen bevorzugten Angriff, der Körner mit unerwünschten Kristallorientierungen ätzt. Dieser bevorzugte ■ Angriff erzeugt eine Ausgleichshöhe, die ihrerseits eine Ausgleichsabschleifung um die Körner herum erzeugt. In dem Glühverfahren wachsen jene bevorzugten Körner mit größerer Größe und kleinerer Abschleifung (drag) schneller als andere Körner und entwickeln dabei die erwünschte Struktur. Außerdem hilft das Beizen bei der Entfernung von Oxidschicht, die auf der Bandoberfläche vorhanden sein kann, sowie von regellos kristallisierten Körnern, die in der Kühlzone des Bandes, d.h. nahe der Abschreckunterlage, vorhanden sein können.

Es ist jedoch wichtig festzustellen, daß das Vorhandensein einer übermäßigen Oxidschicht die Wirksamkeit der Säurebeizstufe wesentlich vermindern kann. Wenn es eine übermäßige Oxidation der Streifenoberflächen gibt, haben die nach der Entfernung der Oxidschicht freiliegenden Kristallkörner eine ungleichmäßige Höhe. Die freiliegenden Körner mit den unerwünschten Kristallorientierungen können wesentlich höher als die freiliegenden Körner mit den erwünschten Kristall-Orientierungen sein. Als Ergebnis hiervon kann die Säurebeizstufe das Wachstum der unerwünschten Körner nicht in geeigneter Weise hemmen, um die erwünschte Faserstruktur zu entwickeln.

Das Überziehen der Oberfläche mit MgO liefert eine Isolierschicht, um das Band daran zu hindern, durch Oberflächendiffusion während des Glühens aneinandergeschweißt zu werden. Außerdem kann der Oberflächenüberzug Zugfestigkeit entlang

der Längsrichtung des Bandes einführen, was die Kornorientierung während des Glühens beeinflußt.

Das Glühen erzeugt eine optimale Korngröße und Kornstruktur für bessere magnetische Eigenschaften. Die Oberflächenenergie (γ) der Körner ist ein Schlüsselfaktor, um die erwünschte Struktur zu erhalten, und durch die Änderung von Parametern, wie des Ofenatmosphärendruckes, des verwendeten Gases und der Zusammensetzung der Legierung kann die dominierende sekundäre Rekristallisationskomponente gesteuert werden. Die (100)[001]-Körner wachsen bevorzugt, wenn genügend Sauerstoff in der Metallgrenzfläche vorhanden ist, der Y₁₀₀ am niedrigsten macht. Wenn wenig oder kein Sauerstoff (d.h. eine sauerstoffbegrenzte Atmosphäre) an der Gas-Metall-Grenzfläche vorhanden ist, ist das γ,., das niedrigste, und es wachsen bevorzugt die (110) [001 ] -Körner. Wenn das γ,_ηη und das Y_{1 nn} etwa gleich sind, aber unter allen (h k 1)-Oberflächenenergien die niedrigsten sind, wie dies in einer Wasserstoffatmosphäre eintritt, wachsen sowohl die (10O)[OOl]- als auch die (110)[001]-Körner gleichzeitig bevorzugt. Außerdem ist eine Wasserstoffatmosphäre das wirksamste Reduktionsmittel, um eine Hochtemperaturoxidation zu verhindern und Verunreinigungen in den Zwischenräumen, wie Kohlenstoff, in der· Fe-Si-Legierung vermindern zu helfen . Somit liefert ein Glühen im Vakuum und/oder ein Glühen im Wasserstoff 1. die niedrigste Oberflächenenergie für bevorzugte Körner mit der erwünschten Ausrichtung und bewirkt, daß jene Körner wachsen, 2. verhindert Hochtemperaturoxidation und 3. entfernt die Verunreinigungen in den Zwischenräumen in dem Material.

Beispiele

Ein Streifen von FeSi-Legierung mit einem Gehalt von etwa 6,5 Gewichts-% Si wurde auf der Apparatur der vorliegenden Erfindung gegossen, die repräsentativ in Fig. 3 gezeigt ist. Das Gießrad hatte eine Gießunterlage aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und rotierte, um eine Umfangsgießoberfla-

chengeschwindigkeit von etwa 2500 fpm zu bekommen. Ein Gasdruck von etwa 55 psi wurde auf die pneumatischen Stelleinrichtungen angewandt, um das Metallmaschenandrückband zu spannen. Der Streifen, wie er gegossen war, hatte eine 100 % säulenartige Kornstruktur mit einer mittleren Korngröße von 2,3 χ 10 m, und es gab im wesentlichen keine Teilchen einer zweiten Phase an den Korngrenzen, wie in Fig. 13a, 13b gezeigt ist. Der Streifen hatte eine nahezu regellose Struktur, wie repräsentativ in der Polfigur der Fig. 7a, 7b gezeigt ist.

Das Material wurde in 100 %iger Phosphorsäure 4 min gebeizt und 4 h im Vakuum bei 1000° C geglüht. Wie in Fig. 15a, 15b bezeigt ist, hatte die geglühte Probe eine säulenartige Kornstruktur mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 mm, gemessen entlang der Ebene des Streifens. Die Strukturanalyse unter Verwendung herkömmlicher Röntgenstrahlenbeugungsmethoden (z.B. Strukturgoniometer) zeigte eine <100>-Faserstruktur mit einer Intensität von 20fach regellos senkrecht zu der Ebene des Bandes, siehe Fig. 8a, 8b.

Ein Streifen wurde auch auf der Apparatur unter Verwendung einer Cu-Be-Ünterlage gegossen. Der Streifen im gegossenen Zustand hatte eine 100 % säulenartige Kornstruktur mit einem mittleren Korndurchmeser von 1,5 χ 10 ^J m, wie in Fig. 14a, 14b gezeigt ist. Die Strukturanalyse zeigte starke < 200> (äquivalent zu < 100 >)-Faserstruktur mit einer Intensität so hoch wie zehnfach regellos plus eine < 211 >-Komponente mit einer Intensität so hoch wie vierfach regellos, siehe Fig. 9a, 9b.

Nach dem Glühen bei 1120° C während 2 h in einer Wasserstoff atmosphäre hatte die Probe eine mittlere Korngröße von

— 4
7 χ 10 m und eine <200> (äquivalent zu <100>)-Faserstruktür mit einer Intensität so hoch wie achtmal regellos, siehe Fig. 10a, 10b.

Der Ausdruck "Intensität", wie er hier in der Beschreibung

und den Ansprüchen verwendet wird, bedeutet die relative Anzahl von Kristallkörnern mit einer bestimmten Kristallorientierung im Vergleich mit der Anzahl der Körner mit einer solchen Kristallorientierung in einer Vergleichsprobe, in der die Kornkristalle regellos orientiert sind. Die Intensität einer bestimmten Kristallorientierung wird durch herkömmliche Methoden, wie Röntgenstrahlenbeugungs- und Elektronenstrahlbeugungsanalyse bestimmt. Ein geeignetes Meßinstrument ist ein Strukturgoniometer.

Da das Endprodukt die Faserstruktur hatte, hatte der Streifen magnetische Eigenschaften, die in der Ebene des Streifens im wesentlichen isotrop waren, siehe Fig. 11. Bei B = 1,0 T, f = 60 Hz zeigte der Streifen einen Kernverlust von etwa 0,46 W/kg und eine Erregerkraft von 0,62 VA/kg. Fig. 12a zeigte den mittleren Kernverlust des Streifenmaterials im Vergleich mit einem nichtorientierten elektrischen Stahl, der derzeit für Motoren verwendet wird. Fig. 12b zeigt einen Vergleich der mittleren Erregerkraft des Streifenmaterials und von nichtorientiertem elektrischem Stahl. Es ist klar ersichtlich, daß ein niedrigerer Kernverlust und die isotrope Natur des verbesserten Streifenmaterials eine, wesentliche Verbesserung gegenüber nichtorientiertem Siliciumstahl ergibt, der gewöhnlich für Motoren und Generatoren benutzt wird.

Außerdem wird die Sättigungsmagnetostriktion des FeSi-Materials der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der Magnetostriktion herkömmlicher Materialien, die gewöhnlich für Motoren und Generatoren eingesetzt werden, erheblich herabgesetzt. Wenn ein magnetisches Material magnetisiert wird, verändern sich seine Abmessungen etwas. Das Verhältnis der Veränderung in der Länge in der Richtung parallel zur Magnetisierung in Bezug auf seine Ursprungslänge wird als Magnetostriktion, λ, bezeichnet, d.h. λ = Δ 1/1.

In einer magnetischen Einrichtung, wie einem Transformator oder einem Motor, die einem alternierenden Magnetfeld ausge-

setzt wird, ergibt die Veränderung der Flußdichte, B, bezüglich des Koerzitivfeldes, H, eine Hysteresekurve (siehe beispielsweise Fig. 12). Gleichzeitig jedoch ergibt die Veränderung von λ bezüglich H eine Doppelkurve, da die Magnetostriktionsbelastung unabhängig vom Sinn (der Richtung) der Magnetisierung ist. Das Material vibriert daher beim Doppelten der Frequenz des Magnetfeldes, dem es ausgesetzt wird. Diese Vibration ist die Hauptquelle für das Brummgeräusch, das von Transformatoren oder Motoren ausgesandt wird. Die Vibrationsbewegungen können auch die magnetischen Eigenschaften des Materials verschlechtern. Um das Geräusch zu vermindern und die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Materials zu verbessern, sollte die Magnetostriktion auf einem Minimum gehalten werden.

Der Metallstreifen nach der Erfindung hat eine Sattigungsmagnetostriktion im Bereich von etwa 4 ppm (Teile je Million). Im Gegensatz dazu hat kornorientierte Fe-3,2 Gewichts-% Si-Legierung eine Sattigungsmagnetostriktion von 23 ppm, und polykristallines Eisen mit regelloser Struktur hat eine Sattigungsmagnetostriktion von 7 ppm.

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Claims (12)

Dr. Dieter Weber Klans Seiffert Patentanwi 1438377 DipL-Chem.Dr.DleterWeber-Dipl.-Phye.KlausSeiffert Postfach Θ145-62Ο0 Wiesbaden German Patent Office Zweibrückenstr. 8000 München 81-2033 D-6200 Wiesbaden 1 Gustav-Freytag-Straße 25 Telefon O 6121 /37 2720 + 37 25 80 Telegrammadresse: Willpatent Telex:4-ise247 TelokopicTer Gn IH 06121/372111 Postscheck: Frankfurt/Main 67 83-602 Bank: Dresdner Bank AG. Wiesbaden, Konto-Nr.27680700 (BLZ51080060) Datum 17. Okt. 1984 We/Wh Allied Corporation Columbia Road and Park Avenue Morristown, New Jersey 07960, USA 10 Vorrichtung und Verfahren zum Stranggießen eines Metallfadens und dabei gewonnener Metallfaden 15 Priorität: Serial No. 545 569 vom 26. Oktober 1983 in USA Patentansprüche 20

1. Vorrichtung zum Stranggießen eines Metallfadens mit

a) einem sich bewegenden Kühlkörper mit einer Gießober-25 fläche und

b) Extrudiereinrichtungen zur Ablagerung eines Stromes von geschmolzenem Metall auf der Gießoberfläche unter Bildung des Fadens, gekennzeichnet durch

c) ein Metallmaschenandrückband, von dem wenigstens ein Teil so ausgebildet ist, daß er sich mit im wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die Geschwindigkeit der Gießoberfläche bewegt und so den Faden gegen die Gießoberfläche gedruckt mitnimmt und zwischen ihnen eine Kühlberührung aufrechterhält,

d) Andrückeinrichtungen, die das Andrückband gegen den Faden und die Gießoberfläche drücken und so einen mitnehmenden Anpreßdruck erzeugen, der ausreicht, um eine Relativbewegung des Fadens bezüglich der Gießoberfläche und des Andrückbandes im wesentlichen zu verhindern, und

e) Steuereinrichtungen zur Steuerung des Anpreßdruckes, um übermäßige Spannungen in dem Faden während seines Kühlens zu verhindern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper eine runde drehbare Kühlwalze mit einer auf dem Außenumfang ringsum laufenden Gießoberfläche ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch

a) einen Kühlkörper, der aus einer runden, drehbaren Kühlwalze mit einer auf ihrem Umfang ringsum laufenden Gießoberfläche besteht,

b) einem flexiblen Metallmaschenandrückband, das durch Reibschluß mit der Gießoberfläche entlang eines gekrümmten Teils derselben angetrieben wird, wobei dieser Reibschluß an einem Punkt vor dem Punkt beginnt, an dem der Faden sich unter der Wirkung der Zentrifugalkraft von der Gießoberfläche trennen würde,

c) einen Stellrahmen, der einen Satz von wenigstens drei Führungarädern trägt und bewegt, die das Andrückband zu der Gießoberfläche hin drücken,

d) Andrückeinrichtungen, die aus einer ersten pneumatischen Stelleinrichtung bestehen, die betriebsmäßig mit dem Stellrahmen verbunden ist und so ausgebildet ist, daß sie den Stellrahmen und das Andrückband zu der Gießoberfläche bewegen und so den Anpreßdruck erzeugen,

e) eine Spanneinrichtung, die eine zweite pneumatische Stelleinrichtung besitzt, die betriebsmäßig so verbunden ist, daß sie einen Spannarm bewegt und eine ausgewählte Spannung auf das Andrückband ausübt, und

f) Steuereinrichtungen, die Steuerventile besitzen, welche mit der ersten und zweiten pneumatischen Stelleinrichtung verbunden sind und den Druck eines den Stelleinrichtungen zugeführten Gases regeln, um den Anpreßdruck zu steuern.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaschenandrückband ein Drahtmaschenband mit Kordbindung ist, das aus einem Draht von nicht mehr als etwa 16 Mil Gauge gewebt wurde.

5. Verfahren zum Stranggießen eines Metallfadens, indem man 25

a) einen Strom von geschmolzenem Metall auf eine Gießoberfläche eines sich bewegenden Kühlkörpers unter Bildung des Fadens extrudiert, dadurch gekennzeichnet, daß man

b) den Faden gegen die Gießoberfläche gedrückt mitnimmt und so zwischen ihnen eine Kühlberührung aufrechterhält,

c) den Faden gegen die Kühloberfläche unter einem mitnehmenden Anpreßdruck drückt, der ausreicht, um eine Relativbewegung des Fadens bezüglich der Gießoberfläche im wesentlichen zu verhindern, und

d) den Anpreßdruck so steuert, daß die Entstehung übermäßiger Spannungen in dem Faden während seines Abkühlens verhindert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faden gegen die Gießoberfläche unter einem mitnehmenden Anpreßdruck von wenigstens 0,5 psi drückt.

7. Faden im gegossenen Zustand, der im wesentlichen aus einem kristallinen FeSi-Metall besteht und im wesentlichen isotrope ferromagnetische Eigenschaften in der Ebene dieses Faden besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden im wesentlichen säulenartige Kristallkörner hat, die im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerichtet sind, und eine <100>-Faserstruktur hat, bei der die Intensität der Körner, deren <100>-Kristallrichtung in einer Richtung im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerichtet ist, wenigstens zweifach regellos ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Metallfadens, der im wesentlichen aus FeSi-Metall besteht und im wesentlichen isotrope ferromagnetische Eigenschaften in der Ebene des Fadens besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen kristallinen Faden, der im wesentlichen aus FeSi-Metall besteht, herstellt, wobei dieser Faden eine säulenartige Kornstruktur besitzt, die im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerichtet ist, und im wesentlichen keine Teilchen einer zweiten Phase an seinen Korngrenzen aufweist,

b) den Faden in einer Säurelösung beizt und

c) den Faden glüht und so den Faden mit einer <100^Faser struktur bekommt, worin die Intensität von Körnern, deren <100>-Kristallrichtung in einer Richtung im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerich-

tet ist, wenigstens zweifach regellos (2 times random) ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faden in einer sauerstofffreien Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1200° C glüht.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß man den Faden während einer Zeitdauer im Bereich von 5 Minuten bis 17 Stunden glüht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man den Faden vor dem Glühen mit MgO beschichtet.

12. Faden, der im wesentlichen aus kristallinem FeSi-Metall mit im wesentlichen isotropen ferromagnetischen Eigenschaften in der Ebene des Faden besteht, dadurch gekenn zeichnet, daß der Faden im wesentlichen säulenartige Kristallkörner hat, die im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerichtet sind, und eine <100>-Faserstruktur hat, worin die Intensität von Körnern, deren <100>-Kristallrichtung in einer Richtung im wesentlichen lotrecht zu der Ebene des Fadens ausgerichtet ist, wenigstens zweifach regellos ist.