Amorphe Metalle - Herstellung nach dem Schmelzspinnverfahren

Das regellose Spiel dieser Kugeln erinnert an eine heftige thermische Bewegung von Molekülen. Es ist gekennzeichnet durch die strukturelle Unordnung, wie sie für Gase und in dichterer Form auch für Flüssigkeiten typisch ist. Die Frage ist nun: Kann man diese Unordnung einfrieren? Die meisten Stoffe bilden ja beim Erstarren Kristalle aus, also Bereiche hoher Ordnung Bild. Metalle tun dies fast wie etwa hier rechts im immer. Nur wenige Stoffe wie zum Beispiel Glas, sind auch im festen Zustand amorph, also molekular ungeordnet, wie etwa in der linken Bildhälfte. Verantwortlich für diese Strukturbildung sind die Bindungsmöglichkeiten der beteiligten Atome und die Art der Abkühlung. Zur Herstellung amorpher Metalle eignen sich deshalb

am besten Legierungen und zwar Legierungen mit Übergangsmetallen. Ungeeignet dagegen sind monoatomare Metalle. Hinzu kommt, daß eine möglichst große Abschreckgeschwindigkeit eine Kristallbildung unterdrückt. Amorphe Metalle haben also keinen regelmäßigen Kristallaufbau. Sie werden deshalb auch als metallene Gläser bezeichnet. In jüngster Zeit gewinnen sie zunehmend an industrieller Bedeutung. Das gängige Herstellungsverfahren ist das sogenannte Schmelzspinnen, dessen

Produkt dünne Metallbänder sind. Amorphe Metalle zeichnen sich durch eine Kombination vorteilhafter Eigenschaften aus, wie z.B. das weichmagnetische Verhalten oder große mechanische Festigkeit. Wie stellt man solche Bänder her? Wichtiger Bestandteil einer Schmelzspinnanlage ist ein

Schmelztiegel aus Bornitrit in dem die Metallegierung aufgeschmolzen wird. Durch eine oder mehrere Reihen von Düsen im Tiegelboden wird dann die Schmelze herausgespritzt und sehr schnell abgekühlt. Oberfläche und Breite des Metallbandes hängen von der Anordnung dieser Düsen ab. So erhält man beispielsweise aus Schmelztiegeln mit nur einem Loch erheblich schmalere Bänder als bei der

Verwendung von Lochreihen. Die Möglichkeiten, die sich aus der Ordnung dieser Lochreihen zur Erstellung breiterer Bänder ergeben, soll Thema diesen Filmes sein. Doch zunächst einige allgemeine Erläuterungen zum Schmelzspinnverfahren. Das Schema zeigt den prinzipiellen Aufbau der Anlage: in der Mitte eine Kupfertrommel, die den größten Teil der beim Abschrecken freiwerdenden Schmelzwärme aufnehmen soll. Sie wird von außen in schnelle Rotation versetzt. Eine Induktions-Heizung - gespeist aus einem Hochfrequenzgenerator - schmilzt die Metallegierung auf, die sich in dem Tiegel befindet. Bornitrit erlaubt Schmelztemperaturen von über 2000 Grad Celsius. Spritzt man nun mit Druck die Schmelze durch die Düsen im Tiegelboden auf die rotierende Kupfertrommel so verweilt die Schmelze einen Moment auf der Trommel, erstarrt im Schmelzfuß sehr schnell und hebt dann als bandförmiges amorphes Metall in einer Dicke von 20 bis

50 Mikrometer ab. Wichtig dabei ist die Abschreckgeschwindigkeit muß groß genug sein - je nach Legierung zwischen 1000 und einigen Millionen Grad pro Sekunde. Die

Schmelze muß laminar ausströmen und im richtigen Winkel auf die Trommel aufgebracht werden, damit ein zusammenhängendes Band von konstanter Dicke entsteht. Hier eine solche Schmelzspinnanlage,

wie sie z.B. im Kristallabor der Physikalischen Institute der Universität

Göttingen angewandt wird. Der untere Teil besteht im Wesentlichen aus einer Hochvakuumpumpe. Der obere Teil aus einem Vakuumkessel in dem sich der eigentliche Vorgang abspielt.

An dem großen Flansch links ist im Experiment der Auffangtubus für die Bänder montiert. Für die Beobachtung ist ein Fenster in der Mitte des Kessels

angebracht. Zur Montage des Schmelztiegels ist der Deckel des Kessels abgenommen worden. Der Tiegel wird in seine Halterung eingeschraubt. Der obere Schlauch führt Edelgas zum Auspressen der Schmelze - die beiden unteren Schläuche führen das Kühlwasser der Halterung. Jetzt wird

der Tiegel in die Hochfrequenzspule

abgesenkt und in die richtige Position zu der Kupfertrommel gebracht. Die mechanisch polierte Kupfertrommel wird von außerhalb der Vakuumkammer über eine Drehdurchführung angetrieben. Nach der Montage wird die Vakuumkammer mit

dem Deckel geschlossen und der Kessel auf wenigstens 10^-5 mbar abgepumpt und zwar zunächst durch

eine mechanische Vorpumpe und anschließend durch eine Öl-Diffussionspumpe. Damit ist

die Anlage betriebsbereit. Wir beobachten jetzt den eigentlichen Schmelzspinnvorgang aus der Sicht des Fensters. Die Kupfertrommel dreht sich bereits mit einer Umfangsgeschwindigkeit von ca. 50 m pro Sekunde. Jetzt wird die Legierung in dem Tiegel induktiv aufgeschmolzen und herausgespritzt. Der Vorgang ist in Realzeit so kurz, daß das Band kaum zu sehen ist. Deshalb hier noch einmal dieselbe Szene wobei der Moment der Bandentstehung festgehalten wird. Der Inhalt des Tiegels von einigen Gramm Metallegierung ergibt ein Band von einigen Metern Länge. Beobachten wir jetzt einmal den Vorgang in starker Zeitdehnung. Erste Tropfen kündigen die Schmelze an und nun stabilisieren sich

die Schmelzstrahlen. Sie treffen auf die Kupfertrommel auf und vereinigen sich dort in dem sogenannten Schmelzfuß. Aus dem Schmelzfuß zieht die rotierende Trommel nach links ein Band heraus, das dann von der Trommel abhebt. Da in diesem Versuch das Flugrohr zum Auffangen der Bänder abmontiert wurde, fliegt das Band in der Vakuumkammer frei herum und wird jetzt zufällig von den Schmelzstrahlen zerschnitten. Im nächsten Versuch beobachten wir den Vorgang aus der Sicht des Flugrohres. Der Tiegel spiegelt sich in der

polierten Kupfertrommel. Sobald die Schmelzstrahlen auf die Trommelauftreffen, entsteht ein Band. Eine Markierung auf der linken Seite der mit rund 100 Umdrehungen pro Sekunde rotierenden Trommel vermittelt eine Vorstellung von der Geschwindigkeit des Geschehens. Ein weiterer Versuch aus derselben Sicht. Die Trommel ist lediglich im mittleren Bereich zur Verbesserung der Haftung poliert. Gut zu beobachten ist in diesem Versuch, wie die Schmelzstrahlen zusammenfließen und einzelne Schmelzstrahlen kurzzeitig turbulent werden können. Löcher in der Schmelze ziehen Löcher im Band nach sich. Die Filmaufnahmen - mit etwa 8000 Bildern pro Sekunde gedreht

- ermöglicht also einen guten Einblick in die Prozeßabläufe. Hier nun eine Aufnahme mit unpolierter Trommel. Aus rein optischen Gründen sollten dadurch die Reflexionen verhindert, d.h. ein besserer Blick auf die Oberfläche des Bandes ermöglicht werden. Obwohl damit gleichzeitig auch die Haftung auf der Trommel gemindert wurde, entsteht hier ein fast ideales Band. Das war nicht unbedingt zu erwarten, denn die Haftung bestimmt den Wärmeübergang in die Kupfertrommel und damit die Abschreckgeschwindigkeit der Schmelze. Da unter diesen Umständen oft überhaupt kein Band entsteht, zeigt der nächste Versuch. Auch hier ist die Trommel überall mattiert. Darüber hinaus fließen die Schmelzstrahlen nicht sehr gut, und wegen der

geringen Haftung bildet sich kein geeigneter Schmelzfuß. Die Schmelze wird dadurch nicht schnell genug abgeschreckt und fliegt in Form von Tropfen frei durch die Vakuumkammer. Die Tropfen nahmen im Laufe der Zeit Kugelgestalt an und hier und da kann man beobachten wie sich Tropfen vereinigen. Die hier gezeigten Versuche sollten - im Labormaßstab - Einblick geben in die Herstellung von Bändern mittlerer Breite durch Zusammenfließen von Schmelzstrahlen. Bei allen Versuchen wurde eine Eisen-Nickel-Bor-Legierung verwandt. Im industriellen Maßstab werden mit modifizierten Anlagen metallene Gläser für vielfältige Anwendungen hergestellt - insbesondere für magnetische Anwendungen.