Smältspinning

Metallen (A) smälts av induktionsspolar (I) och trycks av gastryck (P), i en stråle genom en liten öppning i degeln (K) över den snurrande trumman (B) där den snabbt kyls för att bilda band av amorft material (C)

Smältspinning är en metallformningsteknik som vanligtvis används för att bilda tunna band av metall eller legeringar med en speciell atomstruktur.

Några viktiga kommersiella tillämpningar av smältspunna metaller inkluderar högeffektiva transformatorer ( Amorf metalltransformator ), sensoriska enheter, telekommunikationsutrustning och kraftelektronik.

En typisk smältspinningsprocess involverar gjutning av smält metall genom att spruta den på ett roterande hjul eller en trumma, som kyls internt, vanligtvis med vatten eller flytande kväve . Det smälta materialet stelnar snabbt vid kontakt med trummans stora, kalla ytarea. Rotationen av trumman tar ständigt bort den stelnade produkten samtidigt som ny ytarea exponeras för den smälta metallströmmen, vilket möjliggör kontinuerlig produktion. Det resulterande bandet riktas sedan längs produktionslinjen för att förpackas eller bearbetas till ytterligare produkter.

De kylhastigheter som kan uppnås genom smältspinning är i storleksordningen 10 ⁴ – ^{10 6} kelvin per sekund (K/s). Följaktligen används smältspinning för att utveckla material som kräver extremt höga kylningshastigheter för att bildas, såsom metalliska glas . På grund av sin snabba kylning har dessa produkter en mycket oordnad atomstruktur som ger dem unika magnetiska och fysikaliska egenskaper ( se amorfa metaller) .

Flera variationer av smältspinningsprocessen ger specifika fördelar. Dessa processer inkluderar gjutning med plant flöde , smältspinning med tvillingvalsar och smältspinning med automatisk utstötning.

Med sitt ursprung med Robert Pond i en serie relaterade patent från 1958 till 1961 (US-patent nr 2825108, 2910744 och 2976590), skisserade Pond och Maddins nuvarande koncept av smältspinnaren 1969, men till en början var flytande släckt på insidan av en trumma. Liebermann och Graham vidareutvecklade processen som en kontinuerlig gjutteknik 1976, denna gång på trummans yttre yta. Processen kan kontinuerligt producera tunna band av material, med ark flera tum breda kommersiellt tillgängliga.

Bearbeta

Vid smältspinning smälts legeringen eller metallen först i en degel . Sedan används en inert gas , vanligtvis argon , för att spruta ut det smälta materialet ur ett munstycke på undersidan av degeln. Den resulterande vätskeströmmen riktas mot den yttre periferiella ytan av ett roterande hjul eller en trumma som kyls internt. Trummans yttre yta är placerad extremt nära munstycket, men rör det inte. Generellt måste hastigheten på trummans yta vara mellan 10 m/s och 60 m/s för att undvika bildning av kulor (droppar) respektive bryta bandet. När strömmen väl kommer i kontakt med trummans yta bildas en liten pöl av smälta (smält material). smältans låga viskositet sträcker sig de skjuvkrafter som genereras av den relativa rörelsen av trummans yta under smältan endast några mikrometer in i pölen. Med andra ord, endast en liten del av pölen påverkas av friktionen från trummans rotation. Följaktligen, när trumman snurrar, förblir det mesta av smältpölen kvar mellan munstycket och trumman av ytspänning . Smältan på själva botten av pölen, som är i direkt kontakt med trumman, stelnar dock snabbt till ett tunt band. Det stelnade bandet förs bort från under munstycket på trummans yta i upp till 10° rotation innan centrifugalkraften från trummans rotation stöter ut det.

Denna process sker kontinuerligt, så när stelnat material avlägsnas från undersidan av smältpölen, tillsätts mer flytande material till pölen från munstycket.

Varierande faktorer

Det finns många faktorer som spelar in även i en grundläggande smältspinningsprocess. Produktens kvalitet och dimensioner bestäms av hur maskinen manövreras och konfigureras. Följaktligen finns det många studier som undersöker effekterna av variationer i smältspinnarens konfiguration på specifika legeringar. Här är till exempel en artikel om de specifika förhållanden som visade sig fungera bra för smältspinning av Fe-B och Fe-Si-B-legeringar.

I allmänhet kommer smältspinnare att köras med viss variation i följande variabler beroende på den önskade produkten.

Munstycksgap: Avståndet mellan munstycket och den kylda trumman. Påverkar främst bandtjockleken.
Munstycksform: Formen på munstycket som sprutar ut det smälta materialet på trumman. Munstycken som möjliggör en större smältpöl på trummans yta resulterar i bredare band.
Flödeshastighet: Flödeshastigheten för smältan på trumman. Flödeshastigheten är vanligtvis nära relaterad till trummans rotationshastighet. Påverkar främst bredd och tjocklek på banden.
Rotationshastighet: Den hastighet med vilken trumman roterar. I allmänhet gör en snabbare trumma tunnare band.
Trumtemperatur: Temperaturen vid vilken trumman arbetar. Påverkar främst atomstrukturen hos det resulterande bandet. Olika legeringar bildas bäst vid specifika temperaturer.

Eftersom varje material agerar på olika sätt, bestäms det exakta orsakssambandet mellan var och en av dessa variabler och det resulterande bandet vanligtvis experimentellt. Andra mindre vanligt justerade variabler finns, men deras effekter på bandets slutliga dimensioner och struktur är inte alla dokumenterade.

Olika matematiska modeller för numerisk simulering utvecklades för att erhålla relevanta egenskaper hos banden enligt tangentiella hastigheter för hjulrotation, munstycksgap och utstötningstryck.

Ändringar

Olika processer och tekniker har utvecklats kring smältspinning som erbjuder fördelar för industriella tillämpningar och produktkonsistens.

Planar Flow Casting

Planar Flow Casting (PFC) är en vanlig smältspinningsprocess för industriell tillverkning av breda metalliska glasskivor. I denna process är den primära modifieringen att ett mycket bredare munstycke används för att spruta ut smältan från degeln. Som ett resultat täcker smältpölen en större yta av trumman, som i sin tur bildar en större yta av bandet. PFC gjuts vanligtvis i vakuum för att undvika oxidation av det smälta materialet, vilket skulle påverka kvaliteten på den resulterande produkten. Band upp till 200 mm breda har uppnåtts industriellt med PFC.

Twin Roll Smältspinning

I Twin Roll Melt Spinning används två rullar eller trummor istället för en. Rullarna placeras sida vid sida och roteras så att den till vänster snurrar medurs och den till höger snurrar moturs. Denna konfiguration resulterar i att material som passerar mellan rullarna dras ned. Smältan sprutas mellan rullarna där den kyls och sprutas ut som ett band. Fördelen med dubbelvalssmältspinning är att det ger en hög grad av kontroll över tjockleken på det resulterande bandet. Med en enda vals är det komplicerat att kontrollera bandtjockleken, vilket innebär noggrann kontroll över smältans flödeshastighet, hjulets rotationshastighet och smältans temperatur. Med dubbelvalsuppsättningen kan en speciell och konsekvent tjocklek uppnås genom att helt enkelt ändra avståndet mellan valsarna.

Hittills är smältspinning av tvillingvalsar fortfarande begränsad nästan uteslutande till laboratorieskala.

Auto Ejection Smältspinning

Auto Ejection Melt Spinning (AEMS) beskriver en typ av smältspinning där utstötning av smältan sker så snart den har blivit flytande, vilket eliminerar behovet av en tekniker att manuellt kontrollera flödeshastigheten, temperaturen och/eller frigöringstiden för smältströmmen .

Denna modifiering möjliggör en mycket högre bandkonsistens mellan körningar och en högre grad av automatisering i processen.

Produkt

Smältspinning används för att tillverka tunna metallplåtar eller -band som är nästan amorfa eller icke-kristallina . De unika resulterande elektriska och magnetiska egenskaperna hos smältspunna metaller är en följd av denna struktur såväl som sammansättningen av legeringen eller metallen som användes för att bilda bandet.

Strukturera

Normalt, när ett metalliskt material svalnar, stelnar de individuella atomerna i starka, upprepande mönster för att bilda ett kristallint fast ämne. Men vid smältspinning släcks (kyls) smältan så snabbt att atomerna inte hinner bilda dessa ordnade strukturer innan de stelnar helt. Istället stelnas atomerna i positioner som liknar deras flytande tillstånd. Denna fysiska struktur ger upphov till de magnetiska och elektriska egenskaperna hos amorfa metaller.

Elektriska och magnetiska egenskaper

Det amorfa materialet som produceras genom smältspinning anses vara en mjuk magnet. Det vill säga att deras naturliga koercitivitet är mindre än 1000 Am-1, vilket gör att metallens magnetism är mer känslig för yttre påverkan och som ett resultat enkelt kan slås på och av. Detta gör amorfa metaller särskilt användbara i tillämpningar som kräver upprepad magnetisering och avmagnetisering av ett material för att fungera. Vissa amorfa legeringar ger också förmågan att förbättra och/eller kanalisera flöde som skapas av elektriska strömmar, vilket gör dem användbara för magnetisk skärmning och isolering.

De exakta magnetiska egenskaperna hos varje legering beror mest på materialets atomära sammansättning. Till exempel har nickel-järnlegeringar med en lägre mängd nickel en hög elektrisk resistans , medan de med en högre procent nickel har en hög magnetisk permeabilitet .

Se även

externa länkar

YouTube-video om smältspinningsprocessen.
Ett exempel på en smältspinnare http://www.arcastinc.com/meltspin.htm .