Über Schleudergießverfahren hergestelltes Gießrad Das kommerziell bedeutendste Verfahren zur Herstellung amor- pher und/oder mikrokristalliner Werkstoffe in Band, Draht- oder Folienform ist die rasche Erstarrung von Metallschmelzen über Schmelzspinnverfahren. Bei diesem Herstellverfahren wird eine Metallschmelze durch eine Düse auf eine Gießwalze, Gieß- rand oder Gießtrommel gespritzt, die mit Geschwindigkeiten bis zu 30 m/s rotiert. Die Schmelze kühlt dabei mit Abküh- lungsgeschwindigkeiten zwischen 104-106 K/s ab, erstarrt auf der Gießradoberfläche zu einem kontinuierlichem Band und wird von der Gießwalze abgelöst. Im U. S. Patent 4,142,571 ist eine derartige Apparatur zur Herstellung von metallischen Dünnbändern beschrieben.

Bei dem beschriebenen Herstellverfahren für Metallbänder oder -folien ergeben sich folgende Probleme bzw. Anforderungen an den Gießradwerkstoff : a) Der Gießradwerkstoff muß eine genügend hohe Wärmeleitfä- higkeit aufweisen, um die bei der Erstarrung der Schmelze bzw. bei der weiteren Abkühlung des erstarrten Bandes, Drahtes oder Faser freiwerdende Wärme abzuleiten. Ist dies nicht der Fall, so können sich z. B. folgende Probleme er- geben : Funkenflug, keine Bandbildung, die angestrebte Mik- rostruktur der herzustellenden Metallfolie und damit die angestrebten Eigenschaften werden nicht erreicht (z. B. schlechte magnetische Eigenschaften von amorphen Folien aufgrund partieller Kristallisation) und/oder das herge- stellte Band ist spröde und somit mechanisch nicht weiter- verarbeitbar. b) Der Gießradwerkstoff muß thermisch als auch mechanisch hoch belastbar sein, da die Gießradoberfläche durch die Wechselwirkung mit der Schmelze bzw. mit dem erstarrendem

Band erheblichen Verschleiß ausgesetzt ist. Die Verschlei- ßerscheinungen äußern sich in einer schlechten Qualität des hergestellten Bandes wie z. B. Löchern, rauhen Oberflä- chen etc. Diese mechanischen Defekte beeinträchtigen die mechanischen und magnetischen Eigenschaften des herge- stellten Bandes empfindlich. Der Verschleiß des Gießrades führt ferner zu einem schlechten thermischen Kontakt zwi- schen Gießrad und Band, beziehungsweise zu einer schlech- ten Benetzung der Metallschmelze auf dem Gießrad. Damit wird die Abkühlgeschwindigkeit des Bandes verringert, was die bereits unter a) erwähnten Probleme nach sich zieht.

Die Problematik des eben beschriebenen Gießradverschleißes tritt im besonderen bei längeren Gießzeiten auf und ver- schlechtert sich mit steigender Gießzeit solange, bis schließlich eine vernünftige Bandbildung nicht mehr mög- lich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, einen Werkstoff zu fin- den, dessen Verwendung als Gießradmaterial die problemlose Herstellung von amorphen oder mikrokristallinen, qualitativ hochwertigen Metalllegierungen im besonderen in großen, kom- merziellen Mengen ermöglicht und das die oben beschriebenen Probleme weitgehend minimiert.

Zur Reduzierung des Verschleißes der Gießräder, der maßgeb- lich durch die zyklische thermische Belastung während des Gießprozesses bestimmt wird, müssen diese eine ausreichende mechanische Härte und Festigkeit sowie Ermüdungsbeständigkeit aufweisen. Um die hohen Abkühlgeschwindigkeiten zu erreichen, wie sie für die Herstellung von Werkstoffen mit amorpher Mik- rostruktur notwendig sind, ist außerdem eine gleichmäßig hohe thermische Leitfähigkeit der Gießräder erforderlich.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit und die hohe Festigkeit der Gieß- radwerkstoffe sind dabei nicht unabhängig voneinander ein- stellbar. In der Regel führt eine Erhöhung der Härte, die sich positiv auf das Verschleißverhalten der Gießräder aus-

wirkt, zu einer Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit ; dies bringt für das Gießen von sensiblen amorphen Legierungen Pro- bleme mit sich.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit wird dabei durch die Verwendung von hoch thermisch leitfähigen Stählen, Kupfer oder Kupferle- gierungen erreicht. Dabei kommen neben OF-Kupfer, aushärtbare und dispersionsgehärtete Kupferlegierungen sowie Cu-Be- Bronzen zum Einsatz.

Neben der Werkstoffauswahl und einer Optimierung der Werk- stoffeigenschaften können die Gießräder mit geeigneten Be- schichtungen (siehe European Patent No. EP 0 024 506) verse- hen werden, um das Verschleißverhalten während des Gießpro- zesses zu verbessern.

Zur Einstellung einer hohen mechanischen Festigkeit in Ver- bindung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hat sich ein fein- körniges Gefüge der Gießradwerkstoffe bewährt (siehe Abbil- dung 1), was sich günstig auf die Gießeigenschaften, insbe- sondere in Bezug auf den Verschleiß und die Lebensdauer der Gießräder, auswirkt. Solche Gefüge lassen sich durch einen Umformprozeß (in der Regel Heiß-bzw. Kaltschmieden oder Ringwalzen) in Verbindung mit einer Wärmebehandlung realisie- ren.

Gießräder für die rasche Erstarrung werden daher in der Regel zunächst aus gegossenen Blöcken geschnitten und mit verschie- denen Schmiede- (Freiformschmieden, Gesenkschmieden) oder an- deren Umformverfahren (z. B. Ringwalzen) umgeformt.

Zu derartigen Schmiede-und Wärmebehandlungsverfahren für Gießradwerkstoffe existieren bereits verschiedene Verfahrens- patente : In JP 62-097 748 wird z. B. an einem gegossenen Cu-Cr-Zr- Gießrad durch eine bestimmte Wärmebehandlung, welche die Aus- bildung von groben Körnern verhindert, ein Gefüge mit einer Korngröße < 1000 Um eingestellt.

In der WO 96/33828 sind Gefüge sowie Schmiede-und Glühpro- zesse für Gießwalzen beschrieben, mit denen eine gleichmäßige Korngröße < 1000 Um eingestellt werden kann, um eine ausrei- chende Härte und Verschleißbeständigkeit in Verbindung mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu erreichen.

In der WO 98/07535 wird durch Schmiedevariationen eine Korn- größe < 500 m in Verbindung mit einer äquiaxialen Korngeo- metrie eingestellt, um die Gießräder dem Anforderungsprofil (hohe Festigkeit, Verschleißbeständigkeit, hohe Wärmeleitfä- higkeit) anzupassen. Durch die Korngeometrie können der Ver- schleiß und die Lebensdauer der Gießräder weiter verbessert werden. Neben dem Beitrag der Ausscheidungshärtung wird durch diese Kornfeinung die Festigkeit nach der Hall-Petch-Bezieh- ung erhöht (siehe z. B. Grafen H. : VDI-Lexikon Werkstofftech- nik, VDI-Verlag, Düsseldorf 1993).

Trotz dieser vielfältigen Bemühungen lösen entsprechend dem Stand der Technik hergestellte Gießräder die eingangs be- schriebene Problematik bei der Bandherstellung nicht in zu- friedenstellender Weise.

Bei diesen geschmiedeten und wärmebehandelten Gießrädern tre- ten dabei noch verschiedene Probleme auf.

In der Praxis erweist es sich in der Regel jedoch als schwie- rig, die als günstig erkannte homogene und feine Kornstruktur herzustellen. So kann durch eine ungleichmäßige Verformung während des Schmiedeprozesses in den Gießrädern eine inhomo- gene Gefügestruktur, wobei sehr grobe Körner neben kleinen Körnern vorliegen, entstehen. Im Einsatz führt dies zu einem verstärkten und inhomogenen Verschleiß der Gießradoberfläche.

Während des Gießprozesses bilden sich vornehmlich an diesen Inhomogenitäten Oberflächenrisse oder es werden teilweise komplette Körner aus dem Substratwerkstoff herausgerissen.

Die Gießräder müssen daher nach einer relativ kurzen Be- triebszeit zwecks der Beseitigung der Oberflächendefekte

nachgearbeitet werden. Für das Überarbeiten muß der Gießvor- gang unterbrochen werden.

Beim Überarbeiten (Überdrehen) des Gießrades kann sich dabei das Problem ergeben, daß die Kornstruktur inhomogen und/oder gröber wird, wodurch sich das Verschleißverhalten verschlech- tert. Dieses Problem ist mit der Herstelltechnik konventio- neller Räder verknüpft, welche eine reproduzierbare Gefüge- struktur letztlich nur an der Oberfläche garantieren kann.

Durch die teilweise inhomogene Gefügestruktur über den Umfang der geschmiedeten Gießräder entstehen außerdem Bereiche auf der Gießradoberfläche mit unterschiedlicher thermischer Leit- fähigkeit. Dies führt bei amorphen Legierungen, die ein sehr sensibles Gießverhalten aufweisen (z. B.

Fe-y CuNbSi 5B9), durch lokal verzögertes Abkühlen der Schmelze zu unerwünschten Versprödungserscheinungen ; damit sind diese amorphen Dünnbänder für eine Weiterverarbeitung nicht mehr geeignet.

Neben den Problemen beim Gießprozeß treten bei der Herstel- lung derartiger geschmiedeter Gießräder weitere Schwierigkei- ten auf.

Beim Aufheizen großer Teile für das Heißschmieden (Gießräder weisen Durchmesser bis zu 1,2 m auf) können Spannungsrisse im Werkstoff entstehen, wodurch der Gießring vollständig zer- stört wird. Zudem sind bei großen Bauteilen lange Aufheizzei- ten anzuwenden, um eine gleichmäßige Durchwärmung und damit homogene Verformung zu erreichen. Bei bestimmten Bauweisen der Gießräder, bei denen ein Ring der hoch thermisch leitfä- higen Legierung auf eine Stahl-oder Aluminiumnabe aufge- schrumpft wird, können während des Aufschrumpfprozesses durch die inhomogene Gefügestruktur oder andere Schmiedefehler Ris- se oder Materialtrennungen entstehen, wodurch das Gießrad e- benfalls nicht eingesetzt werden kann.

Die Herstellung der geschmiedeten Gießräder nach dem Stand der Technik ist aufgrund der dargestellten Schwierigkeiten sehr kostenintensiv und apparativ aufwendig. Aufgrund der Herstellungsprobleme sind nur wenige Firmen in der Lage der- artige Gießräder mit dem für die rasche Erstarrung erforder- lichen Anforderungsprofil herzustellen bzw. eine gleichblei- bende Qualität der Gießräder zu gewährleisten. Die Beschaf- fung ist daher schwierig und teuer.

Es hat sich gezeigt, dass die eingangs beschriebene Aufgabe in besonders vorteilhafter Weise durch die Verwendung eines Gießwalzenwerkstoffes welcher nicht äquiaxiale, langgestreck- te Kristallkörner aufweist, deren lange Achse in Radialrich- tung des Gießrades orientiert ist, gelöst werden kann. Diese Gefügetextur verhindert ein Ausbrechen gesamter Körner aus der Gießradoberfläche, da die Körner durch ihre längliche Struktur fest in der Gießradoberfläche verankert sind.

Ferner begünstigt die längliche Struktur der Körner die Wär- meabfuhr von der Gießradoberfläche. Eine derartig texturierte Gefügestruktur begünstigt ferner die Ausbildung einer gleich- mäßigen Kornstruktur sowohl in Radialrichtung als auch in Um- fangsrichtung. Damit ergeben sich keine lokalen Verschleiß- nester über den Umfang, welche lokal die Bandqualität beein- trächtigen. Ferner bleibt die gleichmäßig feine Gefügestruk- tur auch nach dem Überarbeiten des Gießrades (Überdrehen) be- stehen.

Gießräder mit einer derartigen Gefügestruktur können über Schleudergießverfahren realisiert werden. Bei diesem Her- stellverfahren wird die Schmelze unter der Wirkung einer sehr hohen Radialbeschleunigung (bis zu 120facher Erbeschleuni- gung) erstarrt. Durch den entstehenden Druck tritt eine star- ke Entgasung der Schmelze auf, wodurch aller Verunreinigungen der flüssigen Schmelze verhindert werden. Durch diese Erstar- rungscharakteristik entsteht ein sehr reines, hochverdichte- tes Gefüge, das bereits im gegossenen Zustand sehr günstige

mechanische Eigenschaften aufweist. Die schleudergegossenen Bauteile zeichnen sich zudem durch ein sehr homogenes, fein- strukturiertes Gussgefüge, welches frei von Einschlüssen, Blasen und Lunkern ist, aus. Dieses vor allem an der Oberflä- che sehr homogene Gussgefüge reduziert zusätzlich Verschlei- ßerscheinungen und ist somit ein weiteres Merkmal unserer Er- findung.

Durch die gleichmäßige, gerichtete Erstarrung von der Kokil- lenwand zur Bohrung entsteht das für den Gießprozeß günstige, gerichtete Korngefüge, bei dem die langgestreckten Körner in Radiusrichtung orientiert sind. Diese sehr homogene Gefüge- struktur bewirkt einen über den gesamten Gießradumfang gleichmäßig geringen Verschleiß und liefert damit einen Bei- trag zur Prozeßsicherheit der raschen Erstarrung. Durch diese Gefügestruktur sind die Körner außerdem fest in der Gießrad- oberfläche verankert und ein Ausbrechen kompletter Körner, wie sie bei geschmiedeten Gießrädern beobachtet werden kann, tritt bei derartigen Gefügen nicht mehr auf.

Bedingt durch die sehr gleichmäßige Gefügestruktur treten keine unerwünschten Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit über den Gießradumfang auf, wodurch sensible, amorphe Legierungen mit einer höheren Prozeßsicherheit und verbesserter Qualität (Duktilität) gegossen werden können. Die Korngeometrie und Kornorientierung in radialer Richtung bedingt darüber hinaus eine beschleunigte Wärmeabfuhr von der Gießradoberfläche, was für die Rasche Erstarrung von Metallschmelzen signifikante Vorteile mit sich bringt.

Neben den Vorteilen der Gefügestruktur entfallen durch die endformnahe Formgebung beim Schleuderguß, mit dem rotations- symmetrische Gußteile bis zu 6000 mm Durchmesser hergestellt werden können, die kostenintensiven Umform-und Schmiedepro- zesse. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung des Fer- tigungsaufwandes und damit sehr günstigen Herstellungskosten.

Zudem entfallen die im Abschnitt 2 beschriebenen Fertigungs- und Verfügbarkeitsschwierigkeiten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei- spieles und anhand von drei Schliffbildern beschrieben.

Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, setzt sich das Gefüge eines schleudergegossenen Gießrades bei der Verwendung einer Cu-Cr- Zr-Legierung aus einer oberflächennahen Feinkornzone mit ei- ner Tiefe von bis zu ca. 15 mm mit einer Korngröße zwischen 100 und 2000 Hm und einer sich daran anschließenden Sten- gelkristallzone, die in Radiusrichtung orientierte Körner mit einer Korngröße zwischen ca. 1000 Hm und 6000 Um aufweist.

Die Körner sind sowohl in der oberflächennahen Feinkornzone als auch in der sich daran anschließenden Stengelkristallzone mit sogenannten Dendriten durchsetzt, was in der Figur 2 dar- gestellt ist. Dies ist für Gussgefüge, die nicht weiter umge- formt werden, charakteristisch. Diese Dendriten führen zu ei- ner mechanischen Verstärkung des Gussgefüges. Durch diese me- chanische Verstärkung des Gussgefüges werden die in der Be- schreibungseinleitung erwähnten sehr guten Gießeigenschaften der erfindungsgemäßen schleudergegossenen Gießräder maßgeb- lich erzielt.

In der Figur 3 wird noch einmal ein Ausschnitt aus einem Gussgefüge aus einem Cu-Cr-Zr-Gießradwerkstoffes gezeigt.

Hierbei sind wiederum deutlich die in Radiusrichtung orien- tierten Körner mit langgestreckter Korngeometrie erkennbar.

Es wird angemerkt, dass die in den Figuren 1,2 und 3 gezeig- ten Fotografien von Schliffen an Cu-Cr-Zr-Gießradwerkstoffen lediglich zur Veranschaulichung eines einzelnen Gießradwerk- stoffes dienten. Schliffbilder und metallurgische Aufnahmen von Cu-Ni-Si-Gießradwerkstoffen sowie von Gießradwerkstoffen aus Cu-Be-Bronzen zeigen ähnliche Gussgefüge, die ebenfalls die typischen Dendriten aufweisen.