DE1945094A1

DE1945094A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von uniaxial orientierten Kobaltfasern

Info

Publication number: DE1945094A1
Application number: DE19691945094
Authority: DE
Inventors: Sahm Dr Peter
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1969-07-09
Filing date: 1969-09-05
Publication date: 1971-01-14
Also published as: CH515337A

Description

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von uniaxial orientierten Kobaltfasern Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von uniaxial orientierten Kobaltfasern in einer eutektischen legierung, die Kobalt und mindestens ein magnetisch nichtleitendes anderes Metall enthält, sowie eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Kobaltfasern sind mikroskopische Strukturkomponenten in eutektischen Kobalt-Legierungen, die z.B. Gold und Kobalt oder Wismut und Kobalt enthalten. Unter unkontrollierten Erstarrungsbedingungen scheiden sich diese Kobaltfasern in regelloser makroskopischer Orientierung ab, unter kontrollierten Bedingungen Jedoch in uniaxial orientibrter Form. Die Eontrollparameter fttr die Herbeiführung einer uniaxial orientierten Krlstalllsation.lassen sich am einfachsten durch zwei experiment eil bestAtlgte Formeln umschreiben: R?v = K1 (Cn) (1) und G/v = K2 (Ce-Cn), (2) wobei R = Faserabstand v = Wachstumsgeschwindigkeit G = Temperaturgradient an der Grenzfläche flüssig-fest Ce = eutektische Zusammensetzung der Legierung Cn = nominale Zusammensetzung der Legierung Ki, K2 = Konstanten Die Gleichung (1) beschreibt die Abhängigkeit der Faserdurchmesser von der lllachstumsgeschwindigkeit, die Gleichung (2) hingegen den Stabilitätsbereich der eutektischen Eristal-.
lisation als Funktion der Legierungszusammensetzung Cn.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die durch obige Gleichungen eingeengten Kristallisationsbedingungen derart auszuweiten, dass erstens die Herstellung gröberer Fasern als gemäss der Gleichung (1) möglich wird und zweitens der Kompositstrukturwachstumsbereich bis zu höheren Co-Gehalten als gemäss der Gleichung (2) ausgedehnt werden kann.
Das zur Lösung dieser Aufgabe gefundene Verfahren besteht erfindungsgemäss zur Hauptsache darin, dass eine sänrtliche Legierungskomponenten enthaltende Schmelze in einem unipolaren Magnetfeld von den Erdmagnetisml übersteigender FEldStAr9Ce durch Äbktihiung zum Erstarren gebracht wird. Die solcherart erzeugten Kobaltfasern haben einen bis zu 10 mal grösseren Durchmesser als die ohne Magnetfeld gewonnenen Fasern.
Vorzugsweise wird die Erstarrung der Schmelze bei einer magnetischen Feldstärke von mindestens 1000 Oe herbeigeführt, wobei die Abkühlung der Schmelze mit einem Temperaturgradienten zwischen, 10 und 300 deg/cm an der Grenzläche flüssig-fest durchgeführt werden kann. Dabei erweisen sich für die Kristalle der Legierungskomponenten Wachstumsgeschwindigkeiten von 0,3 bis 3 cm/h als besonders günstig. Die Legierung kann beispielsweise eine Gold-Lobalt-Legierung mit mit 27 bis 40 Gew.% Kobalt oder eine Wismut-Eobalt-Legierung mit bis zu 15 Gew.% Kobalt sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Legierungskomponenten vor dem Einbringen in das Magnetfeld miteinander vorlegiert werden.
Die angestrebte Durchmesservergrösserung der Kobaltfasern kann noch dadurch begünstigt werden, dass die Legierung im IJIagnetfeld zuerst durch eine Heizzone und anschliessend durch eine Kühlzone bewegt wird, so dass die Erstarrung der zuvor über die Liquidustemperatur erhitzten Schmelze in einer Richtung stetig fortschreitet. Dabei ist eine geringe Ueberhitzung über die Liquidustemperatur der Schmelze von Vorteil. Vorzugsweise kann die Erhitzung der Schmelze mittels einer elektrischen Widerstandsheizung erfolgen. Es ist zweckmässig, die erwähnte Bewegung der Legierung längs den Feldlinien des Magnetfeldes auszuführen. Diese Verfahrensweise kann gegebenenfalls kontinuierlich durchgeführt werden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum"Durchführen des Verfahrens gemäss der Erfindung ist zur Hauptsache gekennzeichnet durch eine Magnetanordnung mit einem ein unipolares Magnetfeld enthaltenden Hohlraum, einen im Magnetfeld angeordneten Behälter zur Aufnahme einer die Legierungskomponenten enthaltenden Schmelze und eine ebenfalls im Magnetfeld angeordnete Kühivorrichtung zum Herbeiführen der Erstarrung der Legierung.
Ebenfalls im Hohlraum der Magnetanordnung kann eine den Behälter für die Legierung umgebende Heizvorrichtung, vorzugsweise ein elektrischer Widerstandsheizkörper, zum Erhitzen der Schmelze vorhanden sein. Der Zweck dieser Massnahme wurde bereits erwähnt.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, aus der.nun folgenden Beschreibung von Aiisführungsbeispielen des Verfahrens und der Einrichtung sowie aus der beigefügten Zeichnung. Die einzige Figur der Zeichnung veranschaulicht rein beispielsweise einen axialen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die dargestellte Einrichtung weist eine Magnetanordnung 10 auf, die beispielsweise ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet mit einem zentralen, zylinderförmigen Hohlraum 11 ist, in welchem sich ein unipolares Magnetfeld mit in axialer Richtung verlaufenden Feldlinien befindet. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel haben die magnetischen Feldlinien vertikalen Verlauf, und das Magnetfeld ist im Zentrtun des Hohlraumes 11 homogen. Zum Schutze der Magnetanordnung 10 gegen schädliche Wärmeeinflüsse ist die Wandung des Hohlraumes 11 mit einem Kühlmantel 12 ausgekleidet, durch den ein Kühl medium, z.B. Wasser, geleitet wird.
Axial durch den Hohlraum 11 und den EwSlmantel 12 erstreckt sich ein aus Quarz bestehender rohrförmiger Behälter 13 zur Aufnahme einer Charge 14 der zu behandelnden Legierung, die Kobalt und mindestens ein magnetisch nichtleitendes anderes Metall, z.B. Gold oder Wismut, enthält. Der Behälter 13 ist von einer Heizvorrichtung 15 umgeben, die einen bifilar gewickelten elektrischen Widerstandsheizkörper 16 mit Anschlussdrähten 17 und einen zweiten, ebenfalls bifilar gewickelten elektrischen Widerstandsheizkörper 18 mit Anschlussdrähten 19 aufweist. Die Heizkörper 16 und 18 sind mit axialem Abstand voneinander in ein trommelförmiges Gehäuse 20 aus Aluminiumoxyd eingeschlossen, welches Gehäuse sich im oberen Teil des Hohlraumes 11 innerhalb des Kühlmantels 12 befindet und mit axial angeordneten Oeffnungen zum Durchlassen des rohrförmigen Behälters 15 versehen ist. Der GlÙhdraht der Widerstandsheizkörper 16 und 18 besteht z.B. aus einer Platin-Rhodium-Legierung. In den Heizkörper 16 ist ein elektrisches Thermoelement 21 zur Temperaturkontrolle eingebaut. Im unteren Teil des Hohlraumes 11 und ebenfalls lnnerhalb des Kühimanteis 12 befindet sich eine Kühivorrichtung 22, die den Behälter 13 in einigem Abstand umgibt und als Hohlkörper zum Durchlassen eines Kühlmediums, wie z.B. Wasser, ausgebildet ist. In dem Zwischenraum 23 zwischen dem Behälter 15 und der Eühlvorrichtung 22 ist im Betrieb der Einrichtung ein weiteres Kühlmedium eingebracht, das beispielsweise Luft, Wasser oder eine flüssige eutektische Gallium-Indium-Legierung sein kann. Sämtliche innerhalb des Hohlraumes 11 der Magnetanordnung 10 angeordneten Bauteile der Einrichtung bestehen aus magnetisch nichtleitendem Material, damit sie die weitgehend homogene Verteilung der magnetischen Feldlinien im Hohlraum 11 nicht beeinflussen.
Mittels der beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Einrichtung lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von uniaxial orientierten Kobalt fasern beispielsweise wie folgt durchführen: Mit Hilfe der Magnetanordnung 10 wird in dem Hohlraum 11 ein unipolares, im Zentrum homogenes Magnetfeld erzeugt, dessen Feldstärke den Erdmagnetismus bei weitem übersteigt.
und s.B. 1500 Oe beträgt. Die Charge 14 wird zweckmässig in der Form von vorlegierten Stücken, die bereits sämtliche Legierungsbestandteile enthalten, in den rohrförmigen Behälter 15 eingefüllt und mit diesem in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum in der Zeichnung von oben her axial zunächst in die Heizvorrichtung 15 und dann in die Kühlvorrichtung 22 abgesenkt.
Die Charge 14 besteht z.B. aus einer Gold-Eobalt-Legierung mit einem nominalen Kobaltgehalt von 29 Ges.%. Die Liquidustemperatur dieser Legierung beträgt 1013°C. Durch die Wirkung des Heizkörpers 16 wird die Legierung geschmolzen und in geringem Mass, z.B. 10 bis 500C, über die Liquidustemperatur der Schmelze erhitzt. Anschliessend wird die Schmelze durch kontrollierte Bewegung in die Kühlvorrichtung 22 und in das Kühlmedium 23 hinab bewegt, wo durch Abkhhlung die Legierung zum Erstarren g-bracht wird. Die Temperaturen der Kühlvorrichtung 22 und des Kühlmediums 23 werden derart gewählt, dass sich an der Grenzfläche zwischen der flüssigen und der festen Phase der Legierung ein Temperaturgradient von Dispielsweise 30 deg/c einstellt. Der zweite Heizkörper 18, dessen Temperatur unabhangig von Jener des Heizkörpers 16 regulierbar ist, erlaubt ebenfalls eine Beeinflussung des Temperaturgradienten im gewAtaschten Sinne an der Grenzfläche flüssig-fest. Bei den angegebenen Parametern kann die Wachstumsgeschwindigkeit v der festen Phase an der Grenzfläche flüssig-fest mit etwa 1 cm/h gewählt werden.
Bei der Erstarrung der Legierung bilden sich uniaxial orientierte Kobaltfasern, deren Durchmesser bis zu 10 mal grösser ist als dies bei Abwesenheit des Magnetfeldes der Fall wäre. Da faserige Eutektika normalerweise nur kleine Volumenanteile der festigenden Komponente, nämlich der Kobaltfasern, aufweisen, sind die durch das Magnetfeld ermöglichte Erhöhung des ::obaltgehaltes und Vergröberung der Kobaltfasern von besonderer Bedeutung.
Das beschriebene Verfahren ist beispielsweise bei der Kompositstrukturherstellung anwendbar, wo es darauf ankommt, einen möglichst hohen Gehalt an festigenden Fasern zu erzielen. Es ist auch möglich, die jetzt mit grösserem Durchmesser herstellbaren Kobaltfasern durch geeignete, z.B. chemische, Trennungsmethoden aus der matrix der übrigen Legie@@ oskomponenten herauszulösen und f;-r sich zu verwer,den beispielsweise als stark anisotrope magnetische Bauelemente.
Die vorlegierten Stücke der Charge 14 können anstatt aus einer Gold-Kobalt-Legierung aus einer Wismut-Kobalt-Legierung bestehen. Obwohl die Löslichkeit des Kobalts in Wis@@@@ sehr gering ist und dar eutektische Punkt bei einem Kobaltgehalt von nur 0,04 Gew.% liegt, isz es nft hilfe der oben beschriebenen Vorrichtung unter den folgenden Bedingungen möglich, den Kobaltgehalt bis zu 15 Gew. r*u steigern und eine faserartige, gerichtete Kobaltabscheidung beim Erstarren der Legierung zu erzielen: a) magnetische Feldstärke über 1000 Oe b) Ueberhitzung der Schmelze über 1103°C c) Temperaturgradient beim Abkühlen über 100 deg/cm d) Wachstumsgeschwindigkeit unter 3 cm/h.
Diese Verfahrensvariante ist für die gleichen Zwecke.
anwendbar, wie sie oben mit Bezug auf die Behandlung einer Gold-Kobalt-Legierung erwähnt wurden.

Claims

PatentansprUche

1. Verfahren zur Herstellung von uniaxial orientierten Kobalt fasern in einer eutektischen Legierung, die Kobalt und minder stens ein magnetisch nichtleitendes anderes Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, dass eine sämtliche Legierungskomponenten enthaltende Schmelze in einem unipolaren Magnetfeld von den Erdmagnetismus übersteigender Feldstärke durch Abkühlung zum Erstarren gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung der Schmelze bei einer magnetischen ;eldstärke von mindestens 1.000 Oe herbeigefUhrt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkuhlung der Schmelze mit einem Temperaturgradienten zwischen 10 und 500 deg/cm an der Grenzfläche zwischen der flUssgen und der festen Phase durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aie Legierung eine Gold-Kobalt-Legierung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4 durch gekennzeichnet, das die Legierung 27 bis 40 @@@ @ @@@@@@ enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Wismut-Kobalt-Legierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet1 dass die Legierung bis 15 Gew.% Kobalt enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungskomponenten yor dem Einbringen in das Magnetfeld miteinander vorlegiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze vor der Abkühlung im Magnetfeld über die Liquidustemperatur der Schmelze erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung der Schmelze mittels einer elektrischen Widerstandsheizvorrichtung erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung im Magnetfeld zuerst durch eine Heizzone und anschliessend durch eine KUhlzone bewegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Legierung entlang den magnetischen Feldo linien erfolgt.

15. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Magnetanordnung (10) mit einem ein unipolares Magnetfeld enthaltenden Hohlraum (11), einen im Magnetfeld angeordneten Behälter (13) zur Aufnahme einer die Legierungskomponenten enthaltenden Schmelze (14) und eine ebenfalls im Magnetfeld angeordnete Kühlvorrichtung (22) zum Herbei fUhren der Erstarrung der Legierung.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine ebenfalls im Magnetfeld angeordnete Heizvorrichtung (15) zum Erhitzen der Schmelze.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (15) mindestens einen elektrischen Widerstandsheizkörper (16 bzw. 18) aufweist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zum Bewegen der Legierung durch die Heizvorrichtung (15) und anschliessend durch die KUhlvorrichtung (22).

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldlinien des Magnetfeldes entlang der Bewegung richtung der Legierung verlaufen.

L e e r s e i t e