DE2462386A1 - Verfahren und vorrichtung zum stranggiessen von draehten oder faeden aus einer schmelze - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum stranggiessen von draehten oder faeden aus einer schmelze

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Description

DIPI..-ING. KLAUS ROPPRECHT
PATENTANWALT
VVESTHNDSTRASSE 94 D-OOOO FRANKFURT (MAIN) TELEFON (0611) 70 22 TELEX 0411 802
Datum: /1 4·
4491-IVa
KRU/EK
BATTELLE DEVELOPMENT CORPORATION COLUMBUS, OHIO (V.St.A.)
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM STRANGGIESSEN VON DRÄHTEN ODER FÄDEN AUS EINER SCHMELZE
(Ausscheidungsanmeldung aus P 24 19 373.5-24)
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Stranggießen von Fäden aus einer Schmelze aus Metall, aus einer Metallegierung oder aus einer solchen anorganischen Verbindung, deren Eigenschaften im Schmelzzustand denen einer Metallschmelze ähnlich sind, bei dem ein schmaler Rand einer rotierenden Scheibe in die Schmelze eintaucht und Schmelze am Rand verfestigt wird.
Es ist bereits eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung fadenförmigen Materials direkt aus geschmolzenem Material bekannt. Die meisten dieser Methoden sind auf Metallprodukte beschränkt und verwenden formende Mündungen, um den Querschnitt des Fadenmaterials zu steuern. Typisch hierfür ist US-PS 2.825.108 (Pond), wonach die Schmelze (ein Metall) durch eine Düse gedrückt wird, um einen freistehenden Strom geschmolzenen Materials zu bilden, der sich auf einem wärmeableitenden rotierenden Bauteil in Fadenform verfestigt.
Verfahren dieser Art haben den Nachteil, daß es überhaupt nicht einfach ist, geschmolzenes Material durch kleine Mündungen zu bringen. Die Mündungen müssen aus außergewöhnlich widerstandsfähigem Material hergestellt sein, wenn die Schmelze einen relativ hohen Schmelzpunkt hat, wie dies praktisch bei allen Metallen der Fall ist, und die Mündungen haben dennoch eine Tendenz zum Erodieren oder Verstopfen.
Eine erfolgreiche Lösung des Problems der Mündungen ist in der US-PS 3.838.185 (Maringer et al) beschrieben, wonach eine wärme-
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ableitende Scheibe das Fadenmaterial bildet, indem Schmelzenmaterial am Außenrand der Scheibe verfestigt wird, während diese in Berührung mit einer Schmelze rotiert. Auf diese Weise wird ein Faden ohne die Verwendung einer Mündung gebildet. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Verwendung einer in einem wannenartigen Behälter gelagerte Schmelze. Dabei ist es notwendig, erhebliche Mengen des Ausgangsmaterials zu schmelzen und schmelzflüssig zu halten. Dies bedeutet einen erhöhten Energieaufwand, da die Schmelze auf ihrer hohen Temperatur gehalten werden muß. Hinzu kommt noch die Wechselwirkung der Schmelze mit der Atmosphäre, wodurch es erschwert wird, eine konstante chemische Zusammensetzung der Schmelze aufrechtzuerhalten, da an der Schmelzenoberfläche Oxydation auftreten kann oder flüchtige Materialien entweichen können.
Schließlich ist aus der DT-OS 1 583 577 (King) ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung kontinuierlicher Erzeugnisse bekannt, wobei eine sich in horizontaler Richtung erstreckende Düse mit einem Schmelzenvorrat in Verbindung steht. Das aus der Düse austretende Metall wird auf eine im Bereich der Düsenöffnung umlaufende Trommel aufgebracht, sodaß es auf der ebenen Mantelfläche der Trommel in Form eines Bandes erstarrt. Die Lehre des Vorerfinders geht dahin, daß zu Beginn des ProduktionsVorganges ein Meniskus an der Düsenöffnung aus dem zu verarbeitenden schmelzflüssigen Material gebildet werden muß, der sodann von der umlaufenden Trommel kontaktiert wird. Ist dies erfolgt, so kann davon ausgegangen werden, daß die Schmelze auf die unmittelbar vor der Düsenöffnung angeordnete Trommel aufströmt. Nach Aufnahme des
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Produktionsvorganges kommt dem Meniskus praktisch keine Bedeutung mehr zu - er ist in der Tat nicht mehr existent. Nichtsdestoweniger ist die Meniskusbildung im Zuge der Aufnahme der Produktion jedoch von entscheidender Wichtigkeit, und es hat sich gezeigt, daß die Bereitstellung eines Meniskus relativ schwierig und zeitaufwendig ist. Ein weiterer entscheidender Nachteil der vorbekannten Vorrichtung besteht aber darin, daß auch sie einer genau bemessenen Düse bedarf, da vom Düsenquerschnitt sowie von der Ausbildung der Düsenmündung die Abmessung des letztlich erzeugten kontinuierlichen Materials abhängt. Naturgemäß treten bei dieser Düse ebenfalls die oben beschriebenen Probleme der Erosion, des Zufrierens und Verstopfens auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen sowohl kontinuierliche, als auch diskontinuierliche Fäden direkt aus der Schmelze ohne Zuhilfenahme einer den Fadenquerschnitt bestimmenden Düse gegossen werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mit der Schmelze ein hängender Tropfen gebildet wird, durch den der Rand der rotierenden Scheibe geführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Fadenquerschnitt im wesentlichen allein von der Ausbildung und Eintauchtiefe der Kante der umlaufenden Scheibe in den hängenden Tropfen bestimmt; Düsenöffnungen oder Düsenquerschnitte sind dabei ohne Belang. Da
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zur Tropfenbildung nur eine sehr geringe Oberfläche der Schmelze freigelegt werden muß, wird auch das Problem der Oxydation und Materialverflüchtigung praktisch ausgeschaltet.
Das überraschende Moment der Erfindung liegt darin begründet, daß es möglich ist, trotz des Umlaufs des Randes der rotierenden Scheibe im Tropfen, diesen aufrecht zu erhalten und ihn in seiner Stabilität also nur unwesentlich zu stören, so daß es nicht zu einem ungehinderten AbfLießen der Schmelze an der Scheibe kommt.
Gemäß der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der Rand der Scheibe diskontinuierlich durch den hängenden Tropfen geführt wird. Ein solches Verfahren ermöglicht die Herstellung von Drahtabschnitten oder Stapelfasern anstelle von langen und unendlichen Fäden oder Drähten.
Die Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der hängende Tropfen an einer Mündungsöffnung gebildet wird, die mit der Schmelze verbunden ist. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber den herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung von Filamenten aus Schmelzen hoher Temperatur liegt darin begründet, daß die gemäß der Erfindung verwendete Mündungsöffnung durchaus erodieren kann. Wie erwähnt ist die hierdurch gegebene Änderung der Mündung für die Erfindung ohne Belang, da der Querschnitt des gebildeten Stranges praktisch ausschließlich von den Parametern der Scheibe"
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abhängt.
Gemäß der Erfindung empfiehlt es sich hierbei, die Mündungsöffnung an einem Schmelzenbehälter vorzusehen. Hierdurch wird eine Vorrichtung vergleichsweise geringen Aufwandes erhalten.
Die diskontinuierliche Kontaktierung des hängenden Tropfens mit der Scheibe kann dann ohne großen Aufwand an Vorschub und Steuerungseinrichtungen erzielt werden, wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung der Rand der Scheibe mit Einkerbungen versehen ist. Die Scheibe kann mit ihrem Rand so in den hängenden Tropfen eingeführt werden, daß ihre Berührung mit dem Tropfen jeweils durch die Einkerbungen unterbrochen wird. Ist der Rand der Scheibe V-förmig ausgebildet, so beträgt der Krümmungsradius an der Spitze des V vorzugsweise 0,0012 bis 0,25 cm. Diese Abmessung ergibt im Verein mit der Scheibendrehzahl, der Eintauchtiefe des Randes der Scheibe in den Tropfen und der normalerweise vorliegenden Viskosität der Schmelze des Tropfens Stränge des gewünschten Querschnitts.
Der relativ einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung schafft sogleich die Voraussetzung dafür, daß bei der Verarbeitung besonders empfindlicher Schmelzen die Vorrichtung mit einer Schutzgaseinrichtung versehen werden kann, insbesondere im Bereich des hängenden Tropfens. Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung kann die Vorrichtung auch in einer Vakuumkammer angeordnet sein.
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Mit besonderem Vorteil kann das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung einmal beim Stranggießen von Fäden aus Eisen-, Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierungen als auch Chrom-, Titan-, Niob-, Tantal-, Zirkon-, Molybdänoder Magnesiumlegierungen und auch zum Stranggießen von Fäden aus Al3O verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich bei der Bildung von fadenförmigen Endprodukten aus Materialien, die mechanisch schwer zu formen sind. Die Einführung faserverstärkter Verbundkörper hat einen Bedarf für fadenförmiges Material aus hochschmelzenden Metallen und Legierungen geschaffen, doch sind diese mechanisch extrem schwierig in Fadenform zu bringen. Die vorliegende Erfindung hingegen kann solche Materialien sowohl zu kontinuierlichen als auch zu abgelängten Fäden in Größen bis hinunter zu 15 Mikron effektivem Durchmesser liefern. Da die Erfindung also fadenförmige Materialien liefert, die bisher nur durch teure und schwierige mechanische Bildung erhältlich waren, wird durch die Erfindung der mögliche Anwendungsbereich von faserverstärkten Materialien stark erweitert.
Die Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung sowie der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine in einem an einer Mündung hängenden Tropfen mit ihrem Rand umlaufende wärmeableitende Scheibe im Querschnitt und
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Fig. 2 eine Seitenansicht des Gegenstands der Fig. 1.
Gemäß Fig. 1 befindet sich an einer Mündung 1 eines Schmelzenbehälters 2 ein Tropfen 3 einer Schmelze 4, die im Schmelzenbehälter 2 angeordnet ist. Der hängende Tropfen muß keinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sondern er kann auch länglich ausgebildet sein und zwar infolge Bildung an einer länglichen öffnung. Eine solche Ausbildung ermöglicht es, eine Vielzahl von fadenbildenden Rändern durch den hängenden Tropfen 3 zu führen.
Erstreckt sich die in Fig. 1 gezeigte Ausbildung der Kante 5 der Scheibe 30 in der gezeigten Weise um die gesamte Scheibe 30 herum, so kommt es zur Bildung eines kontinuierlichen Fadens, der in Drehrichtung der Scheibe 30 aus dem Bereich des Tropfens abgeführt wird, nachdem sich ein Anteil der Schmelze 4 des Tropfens 3 an der Kante 5 verfestigt hat. Ein solcher verfestigter Faden ist in Fig. 1 mit 6 bezeichnet.
Die Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Gegenstands der Fig. 1, wobei jedoch die Kante 5 der Scheibe 30 mit Ausnehmungen oder Einkerbungen 7 versehen ist, die in der dargestellten Weise den Kontakt mit dem Tropfen 3 beim Umlauf der Scheibe jeweils unterbrechen. Auf diese Weise werden diskontinuierliche Stränge 11^ wie Drahtabschnitte oder Stapelfasern, erzeugt.
überraschenderweise ist die Oberflächenspannung der Schmelze im
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Bereich des Tropfens 3 hinreichend groß, um seine Stabilität aufrecht zu erhalten, selbst wenn der Rand 5 der Scheibe 30 in den Tropfen eindringt und dort eine Scherströmung erzeugt.
Bei den meisten Ausführungsformen der Erfindung dringt der Rand 5 weniger als 0,25 mm in den Tropfen ein. Bevorzugte Umfangsgeschwindigkeiten der Scheibe beim Stranggießen liegen in der Größenordnung von 1,5 bis 18 m/sec. Es wurden hiermit Fadenstücke mit einer Länge von 0,45 bis 61 cm bei einem effektiven Durchmesser zwischen 0,025 und 0,25 mm erzeugt. Insgesamt gesehen kann die Erfindung zur Erzeugung von Strängen mit einem effektiven Durchmesser im Bereich von 0,001 bis 0,075 cm herangezogen werden, wobei mit effektivem Durchmesser der Durchmesser eines nicht kreisrunden Fadens bezeichnet wird, der dem Durchmesser eines Fadens kreisrunden Querschnitts gleicher Querschnittsfläche entspricht.
Die Erfindung ist anwendbar, wenn die Lineargeschwindigkeit des Randes 5 der wärmeableitenden Scheibe 30 im Bereich von 0,9 bis 30 m/sec liegt, wobei jedoch die obere Geschwindigkeitsgrenze keine Grenze der Erfindung an sich darstellt, sondern lediglich durch die dann eintretende hohe Beanspruchung der verwendeten Einrichtung im wesentlichen bedingt ist. Bei der Durchführung der Erfindung wurden insbesondere Scheiben aus Kupfer und Stahl mit einem Durchmesser von etwa 20 cm und einer Dicke von etwa 1,25 cm eingesetzt.
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Falls die Ausbildung des Schmelzenbehälters 2 so gewählt ist, daß sich seine öffnung 1 auf einer Temperatur befindet, die wesentlich geringer als die Temperatur der eigentlichen Schmelze 4 ist, dann kann der Tropfen 3 an der öffnung 1 zusätzlich erwärmt werden.
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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Stranggießen von Drähten oder Fäden aus einer Schmelze aus Metall, aus einer Metallegierung oder aus einer solchen anorganischen Verbindung, deren Eigenschaften im Schmelzzustand denen einer Metallschmelze ähnlich sind, bei dem ein schmaler Rand einer rotierenden Scheibe in die Schmelze eintaucht und Schmelze am Rand verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schmelze ein hängender Tropfen gebildet wird, durch den der Rand geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand diskontinuierlich durch den hängenden Tropfen geführt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hängende Tropfen (3) an einer Mündungsöffnung (1) gebildet wird, die mit der Schmelze (4) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsöffnung (1) an einem Schmelzenbehälter (2) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Randes (5) der Scheibe (30) Einkerbungen (7) vorgesehen sind.
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6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Scheibe längs ihres Umfangs einen im Querschnitt V-förmigen Rand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius an der Spitze des V 0,0012 bis 0,25 cm beträgt.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Schutzgaseinrichtung versehen ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Vakuumkammer vorgesehen ist.
9. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus Eisen-, Aluminium-, Kupfer- oder Nickellegierungen.
10. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus Chrom-, Titan-, Niob-, Tantal-, Zirkon-, Molybdän- oder Magnesiumlegierungen.
11. Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3 auf das Stranggießen von Fäden aus AIjO-.
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