Schmelzspinnen - Melt spinning

Das Metall (A) wird durch Induktionsspulen (I) geschmolzen und durch Gasdruck (P) in einem Strahl durch eine kleine Öffnung im Tiegel (K) über der sich drehenden Trommel (B) gedrückt, wo es schnell abgekühlt wird, um das zu bilden Band aus amorphem Material (C)
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Das Schmelzspinnen ist eine Metallumformtechnik, die typischerweise verwendet wird, um dünne Bänder aus Metall oder Legierungen mit einer bestimmten Atomstruktur zu bilden.

Einige wichtige kommerzielle Anwendungen von schmelzgesponnenen Metallen umfassen hocheffiziente Transformatoren ( amorpher Metalltransformator ), sensorische Geräte, Telekommunikationsgeräte und Leistungselektronik.

Ein typischer Schmelzspinnprozess beinhaltet das Gießen von geschmolzenem Metall durch Spritzen auf ein rotierendes Rad oder eine rotierende Trommel, die intern gekühlt wird, üblicherweise mit Wasser oder flüssigem Stickstoff . Das geschmolzene Material verfestigt sich schnell bei Kontakt mit der großen, kalten Oberfläche der Trommel. Durch die Drehung der Trommel wird das erstarrte Produkt ständig entfernt, während dem geschmolzenen Metallstrom eine neue Oberfläche ausgesetzt wird, was eine kontinuierliche Produktion ermöglicht. Das resultierende Band wird dann entlang der Produktionslinie geleitet, um verpackt oder zu weiteren Produkten verarbeitet zu werden.

Die durch Schmelzspinnen erreichbaren Abkühlraten liegen in der Größenordnung von 10 4 –10 6 Kelvin pro Sekunde (K / s). Folglich wird das Schmelzspinnen verwendet, um Materialien zu entwickeln, deren Bildung extrem hohe Abkühlraten erfordert, wie beispielsweise metallische Gläser . Aufgrund ihrer schnellen Abkühlung weisen diese Produkte eine stark ungeordnete Atomstruktur auf, die ihnen einzigartige magnetische und physikalische Eigenschaften verleiht ( siehe amorphe Metalle ).

Verschiedene Variationen des Schmelzspinnprozesses bieten spezifische Vorteile. Diese Verfahren umfassen planares Fließgießen , Doppelwalzenschmelzspinnen und automatisches Auswurfschmelzspinnen.

Ausgehend von Robert Pond in einer Reihe verwandter Patente von 1958–1961 (US-Patente Nr. 2825108, 2910744 und 2976590) wurde das aktuelle Konzept des Schmelzspinners 1969 von Pond und Maddin skizziert, obwohl zunächst flüssig war auf der Innenfläche einer Trommel abgeschreckt. Liebermann und Graham entwickelten das Verfahren 1976 als Stranggusstechnik weiter, diesmal auf der Außenfläche der Trommel. Das Verfahren kann kontinuierlich dünne Materialbänder erzeugen, wobei Blätter mit einer Breite von mehreren Zoll im Handel erhältlich sind.

Prozess

Beim Schmelzspinnen wird die Legierung oder das Metall zuerst in einem Tiegel geschmolzen . Dann wird ein Inertgas , üblicherweise Argon , verwendet, um das geschmolzene Material aus einer Düse zu strahlen, die sich an der Unterseite des Tiegels befindet. Der resultierende Flüssigkeitsstrom wird auf die äußere Umfangsfläche eines rotierenden Rades oder einer rotierenden Trommel geleitet, die innen gekühlt wird. Die Außenfläche der Trommel befindet sich extrem nahe an der Düse, berührt sie jedoch nicht. Im Allgemeinen muss die Geschwindigkeit der Trommeloberfläche zwischen 10 m / s und 60 m / s liegen, um die Bildung von Kügelchen (Tröpfchen) bzw. das Brechen des Bandes zu vermeiden. Sobald der Strom die Oberfläche der Trommel berührt, bildet sich eine kleine Pfütze aus Schmelze (geschmolzenes Material). Aufgrund der niedrigen Viskosität der Schmelze erstrecken sich die Scherkräfte, die durch die Relativbewegung der Trommeloberfläche unter der Schmelze erzeugt werden, nur wenige Mikrometer in die Pfütze. Mit anderen Worten, nur ein kleiner Teil der Pfütze wird durch die Reibung durch die Drehung der Trommel beeinflusst. Folglich bleibt beim Drehen der Trommel der größte Teil der Schmelzpfütze durch die Oberflächenspannung zwischen der Düse und der Trommel gehalten . Die Schmelze ganz unten in der Pfütze, die in direktem Kontakt mit der Trommel steht, verfestigt sich jedoch schnell zu einem dünnen Band. Das erstarrte Band wird bis zu 10 ° Drehung unter der Düse auf der Trommeloberfläche weggetragen, bevor die Zentrifugalkraft aus der Trommeldrehung es auswirft.

Dieser Prozess findet kontinuierlich statt, so dass, wenn verfestigtes Material unter der Schmelzpfütze entfernt wird, mehr flüssiges Material aus der Düse in die Pfütze gegeben wird.

Unterschiedliche Faktoren

Selbst bei einem grundlegenden Schmelzspinnprozess spielen viele Faktoren eine Rolle. Die Qualität und die Abmessungen des Produkts werden durch die Bedienung und Konfiguration der Maschine bestimmt. Folglich gibt es viele Studien, die die Auswirkungen von Variationen in der Konfiguration des Schmelzspinners auf bestimmte Legierungen untersuchen. Zum Beispiel ist hier ein Artikel über die spezifischen Bedingungen, die sich beim Schmelzspinnen von Fe-B- und Fe-Si-B-Legierungen als gut erwiesen haben.

Im Allgemeinen laufen Schmelzspinner mit einigen Abweichungen in den folgenden Variablen in Abhängigkeit vom gewünschten Produkt.

  • Düsenspalt: Der Abstand zwischen der Düse und der gekühlten Trommel. Beeinflusst in erster Linie die Banddicke.
  • Düsenform: Die Form der Düse, die das geschmolzene Material auf die Trommel ausstößt. Düsen, die eine größere Schmelzpfütze auf der Trommeloberfläche ermöglichen, führen zu breiteren Bändern.
  • Durchflussrate: Die Durchflussrate der Schmelze auf die Trommel. Die Durchflussrate hängt normalerweise eng mit der Drehzahl der Trommel zusammen. Beeinflusst hauptsächlich die Breite und Dicke der Bänder.
  • Drehzahl: Die Geschwindigkeit, mit der sich die Trommel dreht. Im Allgemeinen macht eine schnellere Trommel dünnere Bänder.
  • Trommeltemperatur: Die Temperatur, bei der die Trommel arbeitet. Beeinflusst hauptsächlich die Atomstruktur des resultierenden Bandes. Bei bestimmten Temperaturen bilden sich am besten verschiedene Legierungen.

Da jedes Material anders wirkt, wird die genaue Ursache-Wirkungs-Beziehung zwischen jeder dieser Variablen und dem resultierenden Band normalerweise experimentell bestimmt. Es gibt andere weniger häufig angepasste Variablen, aber ihre Auswirkungen auf die endgültigen Abmessungen und die Struktur des Menübands sind nicht alle dokumentiert.

Änderungen

Rund um das Schmelzspinnen wurden verschiedene Verfahren und Techniken entwickelt, die Vorteile für die industriellen Anwendungen und die Produktkonsistenz bieten.

Planar Flow Casting

Planar Flow Casting (PFC) ist ein häufig verwendetes Schmelzspinnverfahren zur industriellen Herstellung von breiten metallischen Glasscheiben. Bei diesem Verfahren besteht die Hauptmodifikation darin, dass eine viel breitere Düse verwendet wird, um die Schmelze aus dem Tiegel auszuwerfen. Infolgedessen bedeckt die Schmelzpfütze einen größeren Bereich der Trommel, der wiederum einen größeren Bereich des Bandes bildet. PFC wird üblicherweise im Vakuum gegossen, um eine Oxidation des geschmolzenen Materials zu vermeiden, die die Qualität des resultierenden Produkts beeinträchtigen würde. Mit PFC wurden industriell Bänder mit einer Breite von bis zu 200 mm hergestellt.

Twin Roll Melt Spinning

Beim Twin Roll Melt Spinning werden zwei Walzen oder Trommeln anstelle von einer verwendet. Die Rollen werden nebeneinander platziert und so gedreht, dass sich die linke im Uhrzeigersinn und die rechte gegen den Uhrzeigersinn dreht. Diese Konfiguration führt dazu, dass Material zwischen den Walzen nach unten gezogen wird. Die Schmelze wird zwischen die Walzen gespritzt, wo sie abgekühlt und als Band ausgeworfen wird. Der Vorteil des Doppelwalzenschmelzspinnens besteht darin, dass ein hohes Maß an Kontrolle über die Dicke des resultierenden Bandes gegeben ist. Mit einer einzelnen Walze ist die Steuerung der Banddicke kompliziert, da die Durchflussrate der Schmelze, die Drehzahl des Rads und die Temperatur der Schmelze genau gesteuert werden. Mit dem Doppelrollenaufbau kann eine bestimmte und gleichmäßige Dicke erreicht werden, indem einfach der Abstand zwischen den Rollen geändert wird.

Bis heute ist das Doppelwalzen-Schmelzspinnen fast ausschließlich auf Laborwaagen beschränkt.

Auto Ejection Melt Spinning

Auto Ejection Melt Spinning (AEMS) beschreibt eine Art des Schmelzspinnens, bei der das Auswerfen der Schmelze erfolgt, sobald sie sich verflüssigt hat, sodass kein Techniker die Durchflussrate, die Temperatur und / oder den Freisetzungszeitpunkt des Schmelzestroms manuell steuern muss .

Diese Modifikation ermöglicht eine viel höhere Farbbandkonsistenz zwischen den Läufen und einen höheren Automatisierungsgrad im Prozess.

Produkt

Schmelzspinnen wird verwendet, um dünne Metallbleche oder -bänder herzustellen, die nahezu amorph oder nicht kristallin sind . Die einzigartigen resultierenden elektrischen und magnetischen Eigenschaften von schmelzgesponnenen Metallen sind eine Folge dieser Struktur sowie der Zusammensetzung der Legierung oder des Metalls, die zur Bildung des Bandes verwendet wurde.

Struktur

Wenn ein metallisches Material abkühlt, verfestigen sich die einzelnen Atome normalerweise in starken, sich wiederholenden Mustern und bilden einen kristallinen Feststoff. Beim Schmelzspinnen wird die Schmelze jedoch so schnell abgeschreckt (abgekühlt), dass die Atome keine Zeit haben, diese geordneten Strukturen zu bilden, bevor sie sich vollständig verfestigen. Stattdessen werden die Atome in Positionen verfestigt, die ihrem flüssigen Zustand ähneln. Diese physikalische Struktur führt zu den magnetischen und elektrischen Eigenschaften amorpher Metalle.

Elektrische und magnetische Eigenschaften

Das durch Schmelzspinnen erzeugte amorphe Material wird als weicher Magnet angesehen. Das heißt, dass ihre natürliche Koerzitivkraft weniger als 1000 Am-1 beträgt, was bedeutet, dass der Magnetismus des Metalls stärker auf äußere Einflüsse reagiert und daher leicht ein- und ausgeschaltet werden kann. Dies macht amorphe Metalle besonders nützlich in Anwendungen, die die wiederholte Magnetisierung und Entmagnetisierung eines Materials erfordern, um zu funktionieren. Bestimmte amorphe Legierungen bieten auch die Möglichkeit, den durch elektrische Ströme erzeugten Fluss zu verbessern oder zu kanalisieren , wodurch sie für die magnetische Abschirmung und Isolierung nützlich sind.

Die genauen magnetischen Eigenschaften jeder Legierung hängen hauptsächlich von der atomaren Zusammensetzung des Materials ab. Beispielsweise weisen Nickel-Eisen-Legierungen mit einer geringeren Nickelmenge einen hohen elektrischen Widerstand auf , während solche mit einem höheren Nickelanteil eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen .

Siehe auch

Verweise

Externe Links