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DESCRIPTION PROCEDE DE COULEE CONTINUE D'UN RUBAN METALLIQUE La présente invention concerne la coulée continue d'un ruban métallique dont la fabrication est particulièrement commode, qui comprend une structure de solidification unidirectionnelle et qui est caractérisée par une longueur sensiblement plus grande que le diamètre ou l'épaisseur, tel que par exemple une bande ou un fil métallique.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé pour la coulée continue d'une bande ou d'un ruban métallique avec alimentation en métal fondu amené sur la surface d'une base ou d'un support de solidification-se déplaçant d'une manière généralement.:continue, dans une direction à un endroit situé le long de son parcours, ce procédé étant caractérisé par le préchauffage de la base de solidification en amont de l'emplacement destiné à recevoir le métal fondu jusqu'à une température supérieure au point de fusion du métal,
afin d'empêcher ainsi le métal coulé de former des noyaux ou des amorces de cristallisation au contact de la surface de support et de refroidir le métal jusqu'à l'état solide sur la-dite surface de support lorsque celle-ci s'écarte de l'endroit d'alimentation de manière à donner aux rubans métalliques solides résultants une structure à solidification unidirectionelle excellente pour faciliter la mise en oeuvre ultérieure.
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Les progrès rapides de l'industrie électronique ont donné lieu récemment à une tendance continue à réduire les dimensions et améliorer la précision des machines et les accessoires utilisés pour celles-ci. Cette tendance s'est accompagnée-d'une recherche de matériaux capables de remplir leur fonction de manière satis- faisante, mais avec des épaisseurs ou des largeurs toujours réduites et une qualité toujours meilleure. Plus particulièrement, il est apparu le besoin de conducteurs fins et de feuilles fines réalisés en, matériaux métalliques présentant une structure de solidification unidirectionnelle exempte de porosités grossières, de bulles ou de joints de grains de cristaux susceptibles de retenir les dépôts d'impureté.
On sait généralement que, si un ruban métallique est soumis à déformation à froid, tel que laminage à froid ou étirage à froid, il subit également un écrouissage et finalement une rupture le long des joints de grains de cristaux primaires qui se sont formés au cours de la solidification du ruban métallique. Par conséquent, il est hautement souhaitable que les rubans métalliques servant de matière première pour les conducteurs extrêmement fins ou les feuilles extrêmement minces présentent une texture exempte de joints de grains de cristaux primaires susceptibles de provoquer l'apparition de fissures au cours du travail décrit ci-dessus.
La présente invention a pour but de proposer un procédé capable de produire en continu un ruban métallique présentant une structure de solidification unidirectionnelle et convenant très bien pour subir une déformation, comme par laminage ou étirage, et qui ne contient pas de défauts internes tels que porosités grossières et bulles, par une opération extrêmement simple d'introduction du métal liquide par une tuyère sur la surface d'une base ou d'un support de solidification qui est déplacée en continu dans une direction.
Jusqu'à présent, on a produit des rubans métalliques sur une large
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échelle pour la fabrication de bandes amorphes en amenant en con- tinu du métal fondu par une tuyère sur la.surface d'une base ou d'un support de solidification refroidie, ayant la forme d'un cylindre ou d'un tambour en rotation dans une direction, ceci permettant au métal fondu d'être refroidi et solidifié immédia- tement.
La mène méthode est utilisée également en général pour la fabrica- tion de bandes métalliques minces, outre les rubans métalliques amorphes précités. La bande métallique obtenue de cette manière présente toutefois une structure polycristalline parce que le métal forme des noyaux ou des amorces de cristallisation au contact de la surface du support de solidification refroidie.
D'autre part, les cristaux ainsi produits sont susceptibles de crottre dans des directions parallèles, essentiellement perpendicu- laires à la surface du support de solidification. Vu que la bande métallique à structure polycristalline est susceptible de provo- quer des fissures le long des joints de grains de cristaux, au cours du travail ultérieur, la fabrication de feuilles extrememt minces et la transformation en conducteurs extrêmement fins n'a pu' être réalisée qu'avec de grandes difficultés.
Plus particulièrement une bande en alliage ayant un large interval- le de température de solidification est très susceptible de provo-. quer des fissurations le long des joints de grains des cristaux.
On a constaté qu'il est donc difficile de réaliser une séparation en douceur de la bande en cet alliage, du support de solidifica- tion incurvé, sans provoquer des fissures dans la bande.
D'une manière totalement différente de la méthode classique de pro- duction d'une bande métallique à structure polycristalline par introduction de métal fondu sur la surface d'un support de solidi- fication refroidi ayant la forme d'un cylindre en rotation dans une direction afin de permettre au métal fondu de se solidifier au contact de la surface, la présente invention concerne un procédé
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pour produire un ruban métallique ayant une structure de solidifica- tion unidirectionnelle et convenant parfaitement pour la mise en oeuvre ultérieure en maintenant la surface du support de solidifica- tion à une temperature supérieure au point de fusion du métal, ceci en-pêchant le métal fondu de former des noyaux de cristallisation au contact de la surface de support.
D'autres objectifs. et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à l'examen de la description détail- lée ci-après et en se référant aux figures en annexe qui représen- tent respectivement:
La figure 1 un diagramme explicatif du principe du procédé de la présente invention.
La figure 2 une vue latérale en coupe longitudinale représen- tant les parties essentielles d'un appareil classique pour la coulée continue d'une bande métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle et en utilisant un cylindre comme surface de solidification.
La figure 3 une vue latérale en élévation en coupe longitudi- nale représentant les parties essentielles d'un appareil classique pour la coulée continue d'une bande métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle et en utilisant une courroie sans fin comme support de solidification.
- Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour produi- re facilement, et en continu, un ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle en déplaçant en continu un sup- port de solidification dans une direction, en préchauffant la sur- face du support de solidification de façon à ce qu'il soit mainte- nu à une température supérieure au point de fusion du métal au point d'introduction de celui-ci, en amenant le métal liquide sur la surface de solidification et en refroidissant ultérieurement le
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métal fondu ainsi amené, tandis que la surface s'écarte du point d'introduction du métal.
Le terme "support de solidification" utilisé ici se rapporte à un dispositif - et. à une surface conçue pour recevoir et solidifier le métal fondu qui est amené. Pour produire une bande métallique, le support de solidification peut avoir la forme d'une plaque lisse, plate et allongée, d'un rouleau ou d'une courroie sans fin. Pour produire un fil ou un conducteur métallique, le support de solidi- fication peut avoir la forme d'une plaque lisse plate et allongée d'un rouleau ou d'une courroie sans fin. Pour produire un conduc- teur ou un fil métallique, le support de solidification peut présenter également la forme d'un moule comportant une ou plu- sieurs rainures ou d'un cylindre dont la périphérie présente une ou plusieurs rainures.
Le principe de la présente invention sera décrit maintenant en se référant à la figure 1. Dana l'appareil représenté à la figure 1, un support de solidification 1 est réalisé en graphite, un ma- tériau réfractaire ou un métal à point de fusion élevé et est dis- posé de manière à se déplacer à une vitesse fixe dans la direction de la flèche. Une tuyère 2 est utilisée pour amener un métal fondu sur le support 1. cette tuyère étant connectée à un réservoir d'alimentation de métal fondu (non représenté). Un dispositif de chauffage 3 est utilisé pour chauffer la tuyère 2 et est constitué d'un élément chauffant à résistance électrique ou d'une bobine d'induction à haute fréquence. La sortie de la tuyère 2 est main- tenue toujours à une température dépassant la température de soli- dification du métal coulé.
Un dispositif de chauffage 4, tel qu'un -brûleur à gaz, est utilisé pour chauffer la surface du support de solidification en amont de la tuyère 2 et peut être constitué d'un élément de chauffage à résistance, d'une bobine d'induction à haute fréquence ou d'un faisceau d'électrons. Le métal fondu 5 est amené en continu depuis le réservoir d'àlimentation du métal fondu vers l'intérieur de la tuyère 2. Le jet d'eau de refroidissement est indiqué par 6. En variante, le refroidissement peut être assuré par un gaz ou un brouillard de refroidissement. Le ruban de
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métal solide enlevé du support 1 est désigné par 7.
Le support de solidification 1 est maintenu en mouvement en direc- tion de la flèche, et le brûleur à gaz 4 est disposé de façon à chauffer sa surface à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. Lorsque le métal fondu sortant de la tuyère 2 est amené sur la surface de support et est refroidi par le jet d'eau de refroidissement 6, les cristaux du ruban métallique 7 croissent de préférence dans la direction longitudi- nale du ruban métallique, si bien que l'on obtient une structure de solidification unidirectionnelle dans le ruban métallique ainsi produit.
Le front de solidification du ruban métallique 7, c'est-à-dire l'interface solide/liquide est située toujours dans l'intervalle entre le côté de sortie de la tuyère 2 et le support de solidifica- tion 1 comme le montre la figure 1. Le ruban métallique peut obte- nir ainsi une structure de solidification unidirectionnelle parfaite, ce qui évite la formation de noyaux de cristallisation nouveaux depuis les cotés latéraux de celui-ci, du fait que la température de la surface du support de solidification 1 sous la tuyère est maintenue supérieure à celle du ruban métallique au contact de la surface précitée et grâce au réglage des températu- res du métal fondu de la tuyère et de la surface de support.
La figure 2 est une vue latérale en élévation en coupe longitudina- le des parties essentielles d'un appareil classique pour la pro- duction d'un ruban métallique présentant une structure de solidifi- cation unidirectionnelle dans lequel un cylindre est utilisé comme support de solidification conformément au principe de la présente invention.
Dans l'appareil représenté à la figure 2, le support de solidifica- tion 11 a la forme d'un cylindre et est conçu de manière à tourner dans la direction de la flèche. Une tuyère 12 utilisée pour l'ali- mentation en métal fondu est chauffée par un dispositif de chauf- fage 13 jusqu'à une température dépassant la température de soli- dification du métal coulé. Un brûleur à gaz 14 est disposé de ma-
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nière à qhauffer la surface du support de solidification 11 à l'endroit d'amenée du métal'fondu jusqu'à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. Le métal fondu est désigné par 15, le jet d'eau de refroidissement par 16 et le ruban de métal coulé solidifié par 17. Un couteau 18 sert à séparer le ruban métallique 17 du support de solidification 1.
Le métal fondu, qui est amené de la tuyère 12 à la surface chauf- fée du support de solidification 11, est solidifié de préférence à l'extrémité de guidage de la bande métallique 17 et.peut prendre ainsi une structure de solidification unidirectionnelle. Le ruban métallique solidifié ainsi obtenu peut donc être séparé de la surface du support de solidification 11 sans provoquer de fissure, et en utilisant le couteau 18 pour être repris alors sur un rouleau (non représenté).
La figure 3 est une vue latérale en élévation en coupe longitudi- nale des parties essentielles d'un 'appareil pour la production d'un ruban métallique conforme au principe de la présente inven- tion, en utilisant une courroie sans fin comme support de solidifi- ' cation. Le support de solidification 21 présente donc la forme d'une courroie métallique sans fin et sa surface est revêtue d'une revetement réfractaire servant à protéger la surface de la cour- roie .contre la réaction avec le métal fondu. Les rouleaux 29, 30 permettent de déplacer la courroie métallique en direction de la flèche. Un brûleur à gaz 24 chauffe la courroie métallique 21.
Le métal fondu 25 amené par la tuyère 22 à la courroie métallique chauffée 21 est solidifié de préférence à l'extrémité de guidage d'un ruban métallique 27 qui est refroidi par un jet d'eau de refroidissement 26. Le ruban métallique 27 est entraîné sur des rouleaux de. guidage 31 pour être repris par une bobineuse (non représentés?. Un chevalet de support pour la courroie est désigné par 32. En variante, celui-ci peut être remplacé par des rouleaux de guidage.
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Dans 'le procédé de la présente invention, la formation de nouveaux noyaux cristallins dans le métal fondu en contact avec la surface du support de solidification est complètement empêchée par le chauffage de la surface de la base de solidification, le nombre de cristaux se formant initialement dans le ruban de métal diminuant par suite de leur compétition en cours de croissance lorsque se produit la coulée du ruban métallique. Il en résulte que les cris- taux tendent à former finalement un seul cristal. Cette inventioon permet donc d'obtenir, non seulement un procédé permettant la pro- duction d'un ruban métallique présentant une structure de solidi- fication unidirectionnelle, mais également un procédé susceptible de produire facilement un ruban métallique constitué d'un seul cristal.
D'autre part, si l'on coule en continu un alliage de com- position eutectique, le procédé de la présente invention peut per- mettre de produire facilement un ruban métallique dont la struc- ture est constituée de cristaux eutectiques columnaires disposés régulièrement dans une direction ou une structure constituée d'un seul cristal eutectique..
Pour la mise en oeuvre de la présente invention et pour éviter de courir le risque que le métal fondu ne forme des noyaux de cris- tallisation, la tuyère chauffée doit être maintenue le plus près possible de la surface de la base de solidification. D'autre part, la vitesse de refroidissement du ruban métallique doit être réglée de façon à ce que la température de la surface du support de soli- dification au front de solidification du ruban métallique soit maintenue de manière à ne pas descendre en dessous de la tempéra- ture de solidification du métal coulé.
Comme le matériau constituant la surface du support de solidifica- tion à utiliser pour mettre en pratique le procédé de la présente invention doit être une substance incapable de réagir avec le métal fondu, il peut être choisi parmi les caoutchoucs résistant à la chaleur, le graphite, les matériaux réfractaires et les métaux résistant à la chaleur, tels que l'acier inoxydable, lorsque le ruban
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métallique est constitué d'un métal à bas point.de fusion tel que l'étain ou un alliage de plomb.
Quand le ruban métallique est un métal à point de fusion élevé tel que aluminium, cuivre ou alliage ferreux, on peut choisir comme substance réfractaire inca- pable de réagir avec les oxydes fondus du métal constituant le ruban métallique une substance choisie parmi les matériaux réfrac- taires, tels que càrbure de silicium, nitrure de silicium, nitrure de bore, alumine, magnésie et zircone. Pour permettre une utilisa- tion efficace pour le procédé de la présente invention, le support de solidification doit comporter uniquement un élément transpor- teur en métal et un revêtement déposé sur la surface de l'élément transporteur et réalisé en matériaux réfractaire incapable de réagir avec le métal fondu.
En particulier, lorsque le support de solidification doit se présenter sous forme d'une courroie sans fin, on peut prévoir une courroie métallique comportant un re- vêtement de substance réfractaire ou de carbone incapable de réagir avec le métal fondu et qui peut être utilisé avantageu- sement pour empêcher le collage du ruban métallique à la courroie sans fin qui pourrait, sinon, se produire.
Pour produire un ruban métallique à point de fusion élevé et afin d'empêcher le métal de s'oxyder au cours de la fusion ou au cours de l'introduction du métal fondu, il suffit de maintenir l'orifice de la tuyère enveloppé et protégé, si nécessaire, par un gaz iner- te tel que par l'argon ou par l'azote ou bien par un gaz réducteur tel que l'hydrogène ou le monoxyde de carbone.
Pour chauffer la tuyère et le support de solidification, on peut utiliser un élément chauffant à faible résistance tel que, par exemple, nichrome ou carbure de silicium lorsque le ruban métal- lique doit être constitué d'un métal à bas point de fusion tel que étain, zinc, plomb ou aluminium. Lorsque le ruban métallique doit être constitué d'un métal à haut point de fusion, on peut utiliser un élément chauffant à haute résistance tel que tantale, tungs- tène, molybdène, platine ou carbure de silicium. Comme dispositif de chauffage on peut utiliser une bobine d'induction chauffante à
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haute fréquence à brûleur à gaz ou à éléments chauffants à faisceaux d'électrons.
Le front de solidification du ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle obtenu par le procédé de la présente invention ne peut pas former des noyaux de cristallisa- tion au contact de la surface du support de solidification si la surface du support en dessous de l'extrémité de sortie de la tuyère est chauffée à une température supérieure à la température de solidification. De ce fait le ruban de métal coulé peut présenter une structure de solidification parfaitement unidirec- tionnelle. Par conséquent, le ruban métallique est d'excellente qualité et est exempt de défauts tels que porosités fines ou grossières, bulles de gaz et ségrégations macroscopiques du métal.
Cette invention peut donc être considérée comme un dispositif remarquable pour la production, par une simple opération et avec grande facilité, de matériaux tels que les matériaux magnétiques qui doivent présenter une structure dé solidification unidirec- tionnelle ainsi que les feuilles très minces et les fils très fins.
Le procédé de la présente invention permet d'éliminer facilement les défauts de coulée tels que porosités grossières et bulles de gaz qui sont inévitables quand on utilise les méthodes de coulée classiques. Si le métal fondu entraine une substance non-métalli- que quelconque, cette substance est contenue dans le ruban métalli- que ainsi produit. Pour que le ruban métallique final soit de haute qualité et exempt de matières étrangères de ce genre, ces matières étrangères doivent être éliminées du métal fondu d'une manière appropriée avant la solidification. A cet effet, il est nécessaire que le métal fondu traverse un tamis en métal réfractai- re ou un filtre en céramique poreuse, soit à l'intérieur de la tuyère, soit à un endroit précédant la tuyère.
Le métal fondu amené à la tuyère est fondu d'avance dans le réser- voir d'alimentation de métal fondu et maintenu à une température fixe afin de pouvoir être fourni en continu avec un débit d'alimen- tation fixé et réglé et sous pression augmentée ou diminuée. Le
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métal peut être également fourni sous forme de poudre ou de fil introduits ainsi dans la tuyère où il est fondu et amené ensuite au support de solidification.
La largeur et l'épaisseur du ruban métallique peuvent être modi- fiées à volonté en changeant comme il convient la largeur des ex- trémités de sortie de la tuyère et la distance de la tuyère et le support de solidification.
L'invention sera décrite maintenant d'une manière plus détaillée en se référant à un exemple pratique.
Exemple 1: Dans l'appareil construit suivant la figure 1, du cuivre fondu est amené à une tuyère d'alumine ayant un diamètre intérieur de 3 mm à l'extrémité de sortie de celle-ci et chauffée à 1100 C. La tuyère est disposée de manière à ce.que son extrémité de sortie soit maintenue à une distance de 1 mm de la surface supérieure du support de solidification d'aluminium ayant la forme d'un ruban de 30 mm de largeur et de 2000 mm de longueur. Ce support de solidifi- cation se déplace à la vitesse de 200 mm/min. en direction d'un dispositif de refroidissement. Simultanément, la surface du métal fondu progressant sous forme d'une couche depuis la tuyère sur la surface du support de solidification est refroidie par du gaz argon refroidi à 5 C et injecté au débit de 10 1/mn obliquement dans une direction s'écartant de la tuyère.
Quand la surface du métal ruban ainsi obtenue est décapée et que la structure du ruban métallique,est examinée, on constate qu'il s'agit d'une structure de-solidification parfaitement unidirection- nelle. Ce résultat indique que le procédé de la présente invention est très efficace pour produire un ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle.
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Exemple 2 : Dans l'appareil disposé comme l'indique la figuré 2, il est prévu un cylindre rotatif dont la surface présente une rainure ayant une largeur de 8 mm et une profondeur de 3 mm, et qui est utilisé comme support de solidification; de l'étain fondu est amené à une tuyère de quartz ayant un diamètre intérieur de 1 mm à son ex- trémité de sortie et qui est chauffée à 25 . La tuyère est disposée au-dessus de la surface de la rainure pratiquée sur le cylindre rotatif, qui a été chauffé précédemment à 250 C. si bien que l'extrémité de sortie de la tuyère est maintenue à une distance de 1 mm du support de solidification. Le cylindre rotatif tourne à la vitesse de 100 mm/min. en direction d'un dispositif de refroidissement.
A ce moment, la surface du métal fondu progres- sant sous forme d'un ruban depuis la tuyère sur la surface du cylindre rotatif est refroidie par un fluide de refroidissement qui est insufflé obliquement dans une direction s'écartant de la tuyère.
Quand la surface de la bande métallique résultante, ayant une épaisseur de 2 mm et une largeur de 6 mm, est décapée et que la structure de la bande métallique est examinée, on constate que cètte structure de solidification est parfaitement unidirection- nelle. De plus, lorsque la bande de métal ainsi obtenue est lami- née pour obtenir une feuille métallique d'une épaisseur de 50 um, on n'observe aucune fissure à la surface de la feuille métallique ainsi formée. Le laminage de la bande métallique ainsi obtenue est facilement réalisé. Les résultats indiquent que le procédé de la présente invention est très efficace pour produire une feuille métallique continue.
La présente invention propose donc un procédé capable de couler un ruban métallique de faible diamètre ou de faible épaisseur, présen- tant de bonnes qualités de mise en oeuvre, directement au départ du métal fondu et par une opération très simple d'introduction du métal fondu sur un support de solidification déplacé dans une di-
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rection. Du point de vue des économies d'énergie et de main d'oeuvre également, ce procédé constitue une méthode réelle- ment remarquable et économique.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation particuliers, il est bien entendu que de nombreuses modifications et variantes peuvent y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de l'invention telle que décrite dans les revendications en annexe.
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The present invention relates to the continuous casting of a metal strip, the manufacture of which is particularly convenient, which comprises a unidirectional solidification structure and which is characterized by a length substantially greater than the diameter or thickness, such as for example a strip or a metallic wire.
More particularly, the present invention relates to a method for the continuous casting of a metal strip or ribbon with a supply of molten metal brought to the surface of a solidifying-moving base or support generally .: continuous, in a direction at a place situated along its path, this process being characterized by the preheating of the solidification base upstream of the place intended to receive the molten metal up to a temperature above the point metal smelting,
in order to thus prevent the cast metal from forming cores or primers of crystallization in contact with the support surface and to cool the metal to the solid state on said support surface when the latter deviates from the supply location so as to give the resulting solid metal ribbons an excellent unidirectional solidification structure to facilitate subsequent processing.
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Rapid advances in the electronics industry have recently resulted in a continuing trend to reduce dimensions and improve the accuracy of the machines and accessories used therein. This trend has been accompanied by a search for materials capable of fulfilling their function satisfactorily, but with ever reduced thicknesses or widths and ever better quality. More particularly, the need has arisen for fine conductors and thin sheets made of metallic materials having a unidirectional solidification structure free of coarse porosities, bubbles or grain boundaries of crystals capable of retaining deposits of impurity.
It is generally known that, if a metal strip is subjected to cold deformation, such as cold rolling or cold drawing, it also undergoes work hardening and finally a rupture along the grain boundaries of primary crystals which have formed during solidification of the metallic strip. Therefore, it is highly desirable that the metal ribbons used as raw material for the extremely fine conductors or the extremely thin sheets have a texture free of primary crystal grain boundaries which can cause the appearance of cracks during the work described above. -above.
The object of the present invention is to propose a process capable of continuously producing a metallic strip having a unidirectional solidification structure and very suitable for undergoing deformation, such as by rolling or drawing, and which does not contain internal defects such as porosities. coarse and bubbles, by an extremely simple operation of introduction of the liquid metal by a nozzle on the surface of a base or of a solidification support which is continuously moved in one direction.
So far, we have produced metallic ribbons over a wide
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ladder for making amorphous strips by continuously feeding molten metal through a nozzle onto the surface of a cooled base or solidification support, in the form of a rotating cylinder or drum in one direction, this allows the molten metal to be cooled and solidified immediately.
The same method is also used in general for the manufacture of thin metallic strips, in addition to the aforementioned amorphous metallic ribbons. The metal strip obtained in this way however has a polycrystalline structure because the metal forms nuclei or primers of crystallization in contact with the surface of the cooled solidification support.
On the other hand, the crystals thus produced are capable of crusting in parallel directions, essentially perpendicular to the surface of the solidification support. Since the metal strip with polycrystalline structure is likely to cause cracks along the grain boundaries of crystals, during subsequent work, the production of extremely thin sheets and the transformation into extremely fine conductors could not be realized that with great difficulty.
More particularly, an alloy strip having a wide solidification temperature range is very likely to provoke. cracks along the grain boundaries of the crystals.
It has been found that it is therefore difficult to gently separate the strip of this alloy from the curved solidification support without causing cracks in the strip.
In a completely different manner from the conventional method of producing a metal strip having a polycrystalline structure by introducing molten metal onto the surface of a cooled solidification support in the form of a cylinder in rotation in a direction in order to allow the molten metal to solidify on contact with the surface, the present invention relates to a method
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to produce a metallic strip having a unidirectional solidification structure and perfectly suitable for subsequent processing by maintaining the surface of the solidification support at a temperature above the melting point of the metal, this by preventing molten metal to form crystallization nuclei in contact with the support surface.
Other goals. and characteristics of the present invention will become more clearly apparent on examining the detailed description below and with reference to the appended figures which represent respectively:
Figure 1 an explanatory diagram of the principle of the method of the present invention.
Figure 2 is a side view in longitudinal section showing the essential parts of a conventional apparatus for the continuous casting of a metal strip having a unidirectional solidification structure and using a cylinder as the solidification surface.
Figure 3 is a side elevational view in longitudinal section showing the essential parts of a conventional apparatus for the continuous casting of a metal strip having a unidirectional solidification structure and using an endless belt as a solidification support.
- More particularly, the invention relates to a method for easily and continuously producing a metal strip with a unidirectional solidification structure by continuously moving a solidification support in one direction, by preheating the surface of the support solidification so that it is maintained at a temperature above the melting point of the metal at the point of introduction thereof, bringing the molten metal onto the solidification surface and subsequently cooling the
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molten metal thus fed, while the surface deviates from the point of introduction of the metal.
The term "solidification support" used here refers to a device - and. to a surface designed to receive and solidify the molten metal which is supplied. To produce a metal strip, the solidification support can be in the form of a smooth, flat and elongated plate, a roller or an endless belt. To produce a wire or metallic conductor, the solidification support can be in the form of a smooth flat plate and elongated with an endless roller or belt. To produce a conductor or a metal wire, the solidification support may also have the form of a mold comprising one or more grooves or of a cylinder whose periphery has one or more grooves.
The principle of the present invention will now be described with reference to FIG. 1. In the apparatus shown in FIG. 1, a solidification support 1 is made of graphite, a refractory material or a metal with a high melting point. and is arranged to move at a fixed speed in the direction of the arrow. A nozzle 2 is used to bring a molten metal onto the support 1. this nozzle being connected to a supply tank of molten metal (not shown). A heating device 3 is used to heat the nozzle 2 and consists of an electric resistance heating element or a high frequency induction coil. The outlet of the nozzle 2 is always maintained at a temperature exceeding the solidification temperature of the cast metal.
A heating device 4, such as a gas burner, is used to heat the surface of the solidification support upstream of the nozzle 2 and may consist of a resistance heating element, a coil of high frequency induction or electron beam. The molten metal 5 is continuously fed from the supply tank for the molten metal towards the interior of the nozzle 2. The jet of cooling water is indicated by 6. As a variant, the cooling can be ensured by a gas or a cooling mist. The ribbon
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solid metal removed from support 1 is designated by 7.
The solidification support 1 is kept in movement in the direction of the arrow, and the gas burner 4 is arranged so as to heat its surface to a temperature exceeding the solidification temperature of the cast metal. When the molten metal coming out of the nozzle 2 is brought to the support surface and is cooled by the jet of cooling water 6, the crystals of the metallic ribbon 7 preferably grow in the longitudinal direction of the metallic ribbon, so that a unidirectional solidification structure is obtained in the metal strip thus produced.
The solidification front of the metal strip 7, that is to say the solid / liquid interface is always located in the gap between the outlet side of the nozzle 2 and the solidification support 1 as shown in the figure 1. The metal strip can thus obtain a perfect unidirectional solidification structure, which avoids the formation of new crystallization nuclei from the lateral sides thereof, because the temperature of the surface of the solidification support 1 under the nozzle is kept higher than that of the metal strip in contact with the aforementioned surface and by adjusting the temperatures of the molten metal of the nozzle and the support surface.
FIG. 2 is a side elevational view in longitudinal section of the essential parts of a conventional apparatus for the production of a metal strip having a unidirectional solidification structure in which a cylinder is used as a solidification support in accordance with the principle of the present invention.
In the apparatus shown in FIG. 2, the solidifying support 11 has the shape of a cylinder and is designed so as to rotate in the direction of the arrow. A nozzle 12 used for the supply of molten metal is heated by a heating device 13 to a temperature exceeding the solidification temperature of the cast metal. A gas burner 14 is arranged in ma-
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in order to heat the surface of the solidification support 11 at the place of supply of the molten metal to a temperature exceeding the solidification temperature of the cast metal. The molten metal is designated by 15, the cooling water jet by 16 and the solidified cast metal strip by 17. A knife 18 is used to separate the metallic strip 17 from the solidification support 1.
The molten metal, which is brought from the nozzle 12 to the heated surface of the solidification support 11, is preferably solidified at the guide end of the metal strip 17 and can thus take a unidirectional solidification structure. The solidified metal strip thus obtained can therefore be separated from the surface of the solidification support 11 without causing cracking, and by using the knife 18 to then be taken up on a roller (not shown).
Figure 3 is a side elevational view in longitudinal section of the essential parts of an apparatus for producing a metallic ribbon according to the principle of the present invention, using an endless belt as a solidifying support. - 'cation. The solidification support 21 therefore has the form of an endless metal belt and its surface is coated with a refractory coating serving to protect the surface of the belt against reaction with the molten metal. The rollers 29, 30 move the metal belt in the direction of the arrow. A gas burner 24 heats the metal belt 21.
The molten metal 25 supplied by the nozzle 22 to the heated metal belt 21 is preferably solidified at the guide end of a metal strip 27 which is cooled by a jet of cooling water 26. The metal strip 27 is driven on rolls of. guide 31 to be taken up by a winder (not shown ?. A support for the belt is designated by 32. Alternatively, it can be replaced by guide rollers.
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In the process of the present invention, the formation of new crystalline nuclei in the molten metal in contact with the surface of the solidification support is completely prevented by heating the surface of the solidification base, the number of crystals initially forming in the metal ribbon decreasing as a result of their growing competition when the metal ribbon flows. As a result, the crystals tend to ultimately form a single crystal. This inventioon therefore makes it possible to obtain, not only a process allowing the production of a metallic strip having a unidirectional solidification structure, but also a process capable of easily producing a metallic strip made up of a single crystal.
On the other hand, if an alloy of eutectic composition is continuously poured, the process of the present invention can make it possible to easily produce a metallic ribbon, the structure of which consists of columnar eutectic crystals regularly arranged in a direction or structure made up of a single eutectic crystal.
For the implementation of the present invention and to avoid running the risk that the molten metal forms crystallization nuclei, the heated nozzle must be kept as close as possible to the surface of the solidification base. On the other hand, the cooling speed of the metal strip must be adjusted so that the temperature of the surface of the solidifying support at the solidification front of the metal strip is maintained so as not to drop below the solidification temperature of the cast metal.
As the material constituting the surface of the solidification support to be used for practicing the process of the present invention must be a substance incapable of reacting with the molten metal, it can be chosen from heat-resistant rubbers, graphite , refractory materials and heat-resistant metals, such as stainless steel, when the tape
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metallic consists of a metal with a low melting point such as tin or a lead alloy.
When the metallic ribbon is a metal with a high melting point such as aluminum, copper or ferrous alloy, it is possible to choose as refractory substance incapable of reacting with the molten oxides of the metal constituting the metallic ribbon, a substance chosen from refractory materials. silences, such as silicon carbide, silicon nitride, boron nitride, alumina, magnesia and zirconia. To allow efficient use for the process of the present invention, the solidification support must comprise only a metal transport element and a coating deposited on the surface of the transport element and made of refractory materials incapable of reacting with molten metal.
In particular, when the solidification support must be in the form of an endless belt, provision may be made for a metal belt comprising a coating of refractory substance or carbon incapable of reacting with the molten metal and which can be used advantageously. - carefully to prevent sticking of the metal tape to the endless belt which could otherwise occur.
To produce a high melting metal tape and to prevent the metal from oxidizing during melting or during the introduction of molten metal, simply keep the nozzle opening wrapped and protected , if necessary, by an inert gas such as argon or nitrogen or by a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide.
To heat the nozzle and the solidification support, it is possible to use a heating element with low resistance such as, for example, nichrome or silicon carbide when the metallic strip must be made of a metal with a low melting point such as tin, zinc, lead or aluminum. When the metal strip must be made of a metal with a high melting point, a high resistance heating element such as tantalum, tungsten, molybdenum, platinum or silicon carbide can be used. As a heating device, a heating induction coil can be used.
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high frequency gas burner or electron beam heating elements.
The solidification front of the metal strip with a unidirectional solidification structure obtained by the process of the present invention cannot form crystallization nuclei in contact with the surface of the solidification support if the surface of the support below the end the nozzle outlet is heated to a temperature above the solidification temperature. As a result, the cast metal strip can have a perfectly unidirectional solidification structure. Consequently, the metal strip is of excellent quality and is free from defects such as fine or coarse porosity, gas bubbles and gross metal segregation.
This invention can therefore be considered as a remarkable device for the production, by a simple operation and with great facility, of materials such as magnetic materials which must have a unidirectional solidification structure as well as very thin sheets and very thin wires. purposes.
The process of the present invention makes it possible to easily eliminate the casting defects such as coarse porosities and gas bubbles which are inevitable when using the conventional casting methods. If the molten metal entails any non-metallic substance, this substance is contained in the metallic tape thus produced. In order for the final metallic tape to be of high quality and free of such foreign matter, such foreign matter must be removed from the molten metal in an appropriate manner before solidification. For this purpose, it is necessary that the molten metal passes through a refractory metal screen or a porous ceramic filter, either inside the nozzle or at a place preceding the nozzle.
The molten metal supplied to the nozzle is molten in advance in the molten metal supply tank and kept at a fixed temperature so that it can be supplied continuously with a fixed and regulated supply flow rate and under pressure. increased or decreased. The
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metal can also be supplied in the form of powder or wire thus introduced into the nozzle where it is melted and then brought to the solidification support.
The width and thickness of the metal strip can be changed as desired by suitably changing the width of the nozzle exit ends and the distance of the nozzle and the solidification support.
The invention will now be described in more detail with reference to a practical example.
Example 1: In the apparatus constructed according to FIG. 1, molten copper is brought to an alumina nozzle having an internal diameter of 3 mm at the outlet end thereof and heated to 1100 C. The nozzle is arranged so that its outlet end is kept at a distance of 1 mm from the upper surface of the aluminum solidification support in the form of a strip 30 mm wide and 2000 mm long. This solidification support moves at a speed of 200 mm / min. towards a cooling device. Simultaneously, the surface of the molten metal progressing in the form of a layer from the nozzle on the surface of the solidification support is cooled by argon gas cooled to 5 C and injected at a rate of 10 1 / min obliquely in a direction deviating nozzle.
When the surface of the metal strip thus obtained is etched and the structure of the metal strip is examined, it is found that it is a perfectly unidirectional de-solidification structure. This result indicates that the process of the present invention is very effective in producing a metallic strip with a unidirectional solidification structure.
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Example 2: In the apparatus arranged as shown in FIG. 2, there is provided a rotary cylinder whose surface has a groove having a width of 8 mm and a depth of 3 mm, and which is used as a solidification support; molten tin is brought to a quartz nozzle having an internal diameter of 1 mm at its outlet end and which is heated to 25. The nozzle is arranged above the surface of the groove formed on the rotary cylinder, which has been previously heated to 250 C. so that the outlet end of the nozzle is kept at a distance of 1 mm from the support. solidification. The rotary cylinder rotates at a speed of 100 mm / min. towards a cooling device.
At this time, the surface of the molten metal advancing in the form of a ribbon from the nozzle on the surface of the rotary cylinder is cooled by a coolant which is blown obliquely in a direction away from the nozzle.
When the surface of the resulting metal strip, having a thickness of 2 mm and a width of 6 mm, is etched and the structure of the metal strip is examined, it is found that this solidification structure is perfectly unidirectional. In addition, when the metal strip thus obtained is laminated to obtain a metal sheet with a thickness of 50 μm, no crack is observed on the surface of the metal sheet thus formed. The metal strip thus obtained is easily rolled. The results indicate that the process of the present invention is very effective in producing a continuous metal sheet.
The present invention therefore provides a method capable of casting a metallic ribbon of small diameter or of small thickness, having good processing qualities, directly from the molten metal and by a very simple operation of introducing the molten metal. on a solidification support moved in a di-
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rection. From the point of view of energy and manpower savings also, this process constitutes a truly remarkable and economical method.
Although the present invention has been described with reference to particular embodiments, it is understood that many modifications and variants can be made without departing from the spirit and the scope of the invention as described in the claims appended.