Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор)
Проведен анализ свойств и строения аморфных и мелкокристаллических материалов. Описан метод, позволяющий статистически определить структуру аморфных материалов. Благодаря уникальным механическим, электрическим и магнитным свойствам аморфные материалы применяются в качестве постоянных магнитов, элект...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Современная электрометаллургия |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115534 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) / Д.А. Калашник, В.А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю.А. Никитенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 3 (120). — С. 27-34. — Бібліогр.: 41 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-115534 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1155342017-04-07T03:02:35Z Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) Калашник, Д.А. Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Якуша, В.В. Вакуумно-индукционная плавка Проведен анализ свойств и строения аморфных и мелкокристаллических материалов. Описан метод, позволяющий статистически определить структуру аморфных материалов. Благодаря уникальным механическим, электрическим и магнитным свойствам аморфные материалы применяются в качестве постоянных магнитов, электрических датчиков, магнитопроводов трансформаторов, припоев при прецизионной пайке. Особое внимание уделяется перспективной технологии получения постоянных магнитов. Рассмотрены технологические особенности методов получения аморфних и мелкокристаллических материалов с помощью прецизионной металлургии. Проанализированы методы распыления, молота и наковальни, прокатки расплава, поверхностного плавления с помощью электронного луча и лазера, метод Тейлора, спиннингования, экстракции из расплава. Подробно рассмотрен метод диспергирования из расплава с использованием индукционной плавки в секционном кристаллизаторе. Наряду с положительными сторонами этот метод имеет недостатки, одним из которых является невысокая скорость закалки. Нивелировать данный недостаток прогнозируется при исследовании тепловых процессов на диске-холодильнике. Analysis of properties and constitution of amorphous and fine-crystalline materials was made. Described is the method allowing to determine statistically the structure of amorphous materials. Due to unique mechanical, electrical and magnetic properties the amorphous materials are used as permanent magnets, electric sensors, magnetic cores of transformers, brazing alloy in precision brazing. A special attention is paid to the challenging technology of manufacture of permanent magnets. Technological peculiarities of methods of producing amorphous and fine-crystalline materials by using the precision metallurgy were examined. Methods of spraying, hammer and anvil, rolling of melt, surface melting by electron and laser beams, Taylor’s method, spinning, extraction from melt were analyzed. Method of dispersion from melt by using induction melting in a sectional mould was investigated in detail. Alongside with positive sides this method has drawbacks, one of which is a low rate of hardening. It is predicted to level this drawback during investigation of thermal processes on a disc-cooler. 2015 Article Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) / Д.А. Калашник, В.А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю.А. Никитенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 3 (120). — С. 27-34. — Бібліогр.: 41 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115534 669.187.58.001.1 DOI: doi.org/10.15407/sem2015.03.05 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Вакуумно-индукционная плавка Вакуумно-индукционная плавка |
| spellingShingle |
Вакуумно-индукционная плавка Вакуумно-индукционная плавка Калашник, Д.А. Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Якуша, В.В. Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) Современная электрометаллургия |
| description |
Проведен анализ свойств и строения аморфных и мелкокристаллических материалов. Описан метод, позволяющий статистически определить структуру аморфных материалов. Благодаря уникальным механическим, электрическим и магнитным свойствам аморфные материалы применяются в качестве постоянных магнитов, электрических датчиков, магнитопроводов трансформаторов, припоев при прецизионной пайке. Особое внимание уделяется перспективной технологии получения постоянных магнитов. Рассмотрены технологические особенности методов получения аморфних и мелкокристаллических материалов с помощью прецизионной металлургии. Проанализированы методы распыления, молота и наковальни, прокатки расплава, поверхностного плавления с помощью электронного луча и лазера, метод Тейлора, спиннингования, экстракции из расплава. Подробно рассмотрен метод диспергирования из расплава с использованием индукционной плавки в секционном кристаллизаторе. Наряду с положительными сторонами этот метод имеет недостатки, одним из которых является невысокая скорость закалки. Нивелировать данный недостаток прогнозируется при исследовании тепловых процессов на диске-холодильнике. |
| format |
Article |
| author |
Калашник, Д.А. Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Якуша, В.В. |
| author_facet |
Калашник, Д.А. Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Якуша, В.В. |
| author_sort |
Калашник, Д.А. |
| title |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) |
| title_short |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) |
| title_full |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) |
| title_fullStr |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) |
| title_sort |
анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (обзор) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Вакуумно-индукционная плавка |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115534 |
| citation_txt |
Анализ технологических особенностей получения быстрозакаленных сплавов (Обзор) / Д.А. Калашник, В.А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю.А. Никитенко, В.В. Якуша // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 3 (120). — С. 27-34. — Бібліогр.: 41 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT kalašnikda analiztehnologičeskihosobennostejpolučeniâbystrozakalennyhsplavovobzor AT šapovalovva analiztehnologičeskihosobennostejpolučeniâbystrozakalennyhsplavovobzor AT šejkoiv analiztehnologičeskihosobennostejpolučeniâbystrozakalennyhsplavovobzor AT nikitenkoûa analiztehnologičeskihosobennostejpolučeniâbystrozakalennyhsplavovobzor AT âkušavv analiztehnologičeskihosobennostejpolučeniâbystrozakalennyhsplavovobzor |
| first_indexed |
2025-07-08T08:58:22Z |
| last_indexed |
2025-07-08T08:58:22Z |
| _version_ |
1837068560342450176 |
| fulltext |
273/2015
УДК 669.187.58.001.1
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
ПОЛУЧЕНИЯ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ (Обзор)
Д.А. Калашник, В.А. Шаповалов, И. В. Шейко,
Ю.А. Никитенко, В.В. Якуша
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев-150, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Проведен анализ свойств и строения аморфных и мелкокристаллических материалов. Описан метод, позво-
ляющий статистически определить структуру аморфных материалов. Благодаря уникальным механическим,
электрическим и магнитным свойствам аморфные материалы применяются в качестве постоянных магнитов,
электрических датчиков, магнитопроводов трансформаторов, припоев при прецизионной пайке. Особое вни-
мание уделяется перспективной технологии получения постоянных магнитов. Рассмотрены технологические
особенности методов получения аморфних и мелкокристаллических материалов с помощью прецизионной ме-
таллургии. Проанализированы методы распыления, молота и наковальни, прокатки расплава, поверхностного
плавления с помощью электронного луча и лазера, метод Тейлора, спиннингования, экстракции из расплава.
Подробно рассмотрен метод диспергирования из расплава с использованием индукционной плавки в секцион-
ном кристаллизаторе. Наряду с положительными сторонами этот метод имеет недостатки, одним из которых
является невысокая скорость закалки. Нивелировать данный недостаток прогнозируется при исследовании те-
пловых процессов на диске-холодильнике. Библиогр. 41, ил. 4.
К л ю ч е в ы е с л о в а : аморфные металлические материалы; диспергирование; закалка; индукционная плав-
ка в секционном кристаллизаторе; чешуйки
Строение, свойства аморфных материалов и
их применение. В последние годы появился це-
лый ряд новых типов металлических материалов,
которые активно исследуются с перспективой
промышленного применения. В первую очередь
речь идет об аморфных металлических сплавах
и о нанокристаллических материалах, получае-
мых различными способами. Отсутствие в амор-
фных металлах дальнего порядка в расположении
атомов резко затрудняет изучение и описание их
структуры. В отличие от кристаллических тел в
них нет элементарных ячеек, пусть и достаточно
сложных, определив положение атомов в которых,
можно было бы описать всю структуру. Поэтому
описание такой структуры может быть только ста-
тистическим [1–4].
Для описания структуры аморфных тел ис-
пользуют различные статистические функции: ра-
диальную плотность распределения атомов ρ(r),
т.е. количество атомов в единице объема на расстоя-
нии r от центра атома, принятого за начало отсчета;
безразмерную функцию радиального распределе-
ния атомов (ФРРА) в виде g(r) = ρ(r)/ ρ0 или G(r) =
= 4πrρ(r) – ρ0, где ρ0 — средняя плотность атомов,
и др. Их находят путем сложной математической
обработки спектров рассеивания исследуемым
веществом рентгеновских лучей, нейтронов и т.п.
Положение первого пика ФРРА определяет сред-
нее межатомное расстояние, положения следую-
щих пиков — средние расстояния к более дальним
соседям [5, 6].
Важнейшую роль в исследовании структуры
аморфных металлов играет моделирование, ре-
зультаты которого сопоставляются с эксперимен-
тальными ФРРА. Структуру аморфного сплава
рассматривают как состоящую из полиэдров Бер-
нала или призм, в центре которых находится атом
металлоида, как кристалл с плотностью дефектов,
превышающую некоторую критическую величи-
ну. В качестве дефектов часто рассматривают ком-
плексы дисклинаций разного знака, создающих
невозможные в кристалле поворотные оси 5-го
или 7-го порядка [6, 7].
Следствием уникальности аморфной струк-
туры являются необычные магнитные, механи-
ческие, электрические свойства и коррозионная
стойкость аморфных металлических сплавов. На-
ряду с высокой магнитной мягкостью — такой,
© Д.А. КАЛАШНИК, В.А. ШАПОВАЛОВ, И. В. ШЕЙКО, Ю.А. НИКИТЕНКО, В.В. ЯКУША, 2015
28 СЭМ
что уровень электромагнитных потерь в амор-
фных сплавах с высокой магнитной индукцией
оказывается существенно ниже, чем во всех из-
вестных кристаллических сплавах, эти материа-
лы проявляют исключительно высокие механи-
ческую твердость и прочность при растяжении, в
ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент
теплового расширения, а их удельное электросо-
противление в три-четыре раза выше его значения
для железа и его сплавов [8, 9].
Аморфные сплавы являются высокопрочными
материалами. Предел текучести аморфных спла-
вов Fe40Ni40P14B6, Fe80B20, Fe60Cr6Mo6B28 составляет
соответственно 2400, 3600, 4500 МПа, в то вре-
мя как предел текучести высокопрочных сталей
обычно составляет не более 2500 МПа. Для амор-
фных сплавов характерна четкая линейная связь
между твердостью и прочностью. Для сплавов на
основе Fe, Ni, Co справедливо выражение HV =
= 3,2σm, что позволяет с достаточной точностью
использовать показания твердомера для опреде-
ления прочностных характеристик. Следует обра-
тить особое внимание на то, что наряду с высокой
прочностью аморфные сплавы характеризуются
хорошей пластичностью при сжатии (до 50 %) и
изгибе [10].
В настоящее время для производства автомоби-
лей, промышленных роботов, электродвигателей,
промышленных измерительных приборов и меди-
цинских электрических устройств необходимы та-
кие датчики потока управляющих индукционных
моторов, которые бы удовлетворяли ряд условий:
высокое отношение сигнал/шум, быстродействие
при частотах до 2 кГц, высокая стабильность при
изменениях температуры и максимальной рабо-
чей температуре около 180 оС, миниатюризация
(диаметр <0,6 мм для возможности установки в
пазы статора). Для выполнения этих требований
мало пригодны датчики из кристаллических ма-
териалов, поскольку полупроводниковые датчики
обладают высокой чувствительностью, но низки-
ми термической стабильностью и рабочей темпе-
ратурой, а датчики из магнитных сплавов имеют
высокую стабильность, но низкий уровень быст-
родействия и линейности [11]. Магнитометры, из-
готовленные из аморфной проволоки, отличаются
многофункциональностью и удовлетворяют почти
всем перечисленным требованиям.
Перспективным является применение быстро-
закаленных материалов с нанокристаллической
и аморфной структурой для получения постоян-
ных магнитов [12, 13]. В аморфных сплавах но-
сителями магнетизма являются атомы переход-
ных металлов — железа, кобальта, никеля и др.,
а атомы, стабилизирующие аморфное состояние,
такие, как фосфор, бор, углерод, кремний и др. —
немагнитные. Ферромагнетизм (антиферромагне-
тизм) имеет место при условии положительного
(отрицательного) значения обменного интеграла,
характеризующего особое квантовое (обменное)
взаимодействие между магнитными спиновыми
моментами. В сплавах на основе железа и кобаль-
та магнитный момент уменьшается с увеличением
концентрации металлоидов, и эти сплавы имеют
более низкие значения намагниченности и тем-
пературы Кюри, а в аморфных сплавах никеля с
металлоидами при температурах выше комнат-
ной ферромагнетизм вообще не проявляется. В
кобальтовых сплавах магнитный момент атомов
слабо изменяется с концентрацией металлоида и
практически одинаков для кристаллических твер-
дых растворов, химических соединений и аморф-
ных структур. Магнитный момент атомов железа в
сплавах сильно различается для аморфного и кри-
сталлического состояний, причем эта особенность
характерна для многих сплавов на основе железа.
На величину коэрцитивной силы оказывает
влияние магнитная анизотропия, микрострукту-
ра, наличие или отсутствие определенного типа
дефектов, которые могут выступать либо как цен-
тры зарождения, либо как центры закрепления до-
менных границ [5, 9, 14]. Наиболее существенное
влияние на величину коэрцитивной силы оказыва-
ет микроструктура. Наличие аморфной фазы или
мелкокристаллических зерен варьирует величину
коэрцитивной силы от 100 до 14 000 Э [15–17].
Применение аморфных материалов не огра-
ничивается производством датчиков и постоян-
ных магнитов. Широкое применение в промыш-
ленности нашли аморфные магнитопроводы для
трансформаторов [18, 19]. Магнитопроводы из
аморфных и нанокристаллических сплавов имеют
значительно меньшие удельные магнитные поте-
ри по сравнению с электротехнической сталью,
пермаллоями и ферритами.
При прецизионной пайке сегодня также ис-
пользуют аморфные материалы. Физико-химиче-
ские качества аморфных и мелкокристаллических
сплавов обусловливают значительно более высо-
кую диффузионную и капиллярную активность
по сравнению с кристаллическими аналогами, а
также превосходную гибкость. Быстрое затверде-
вание сужает интервалы плавления и кристалли-
зации, что в сочетании с малой толщиной (20…
...50 мкм) обеспечивает «мгновенное» равномер-
ное плавление припоя по всему объему [5, 20, 21].
Как было показано выше, область применения
аморфных материалов достаточно широка. Но
293/2015
достижение аморфной и мелкокристаллической
структуры во многом обуславливается приме-
нением той или иной технологии производства.
Уникальные физико-химические свойства при
одинаковом методе производства зависят от тех-
нологических режимов.
Технология получения быстрозакаленных ма-
териалов. Одним из первых аморфное состояние
получил П. Дювез [22]. Его метод базируется на
выстреливании небольшой порции жидкого ме-
талла (около 25 мг) на медную мишень. Закалива-
емый материал плавится и удерживается в сопле,
расположенном над охлаждающей поверхностью.
Над соплом расположено устройство для создания
ударной волны. Пушка работает таким образом,
что при повышении в верхней камере давления
газа до уровня 5 МПа подобранная соответствую-
щим образом диафрагма прорывается и создается
ударная волна, выбрасывающая расплавленную
навеску на охлаждающую поверхность. Данным
методом получают образцы в виде неоднородных
чешуек с диаметром не более нескольких санти-
метров и толщиной, колеблющейся от 0,1 до не-
скольких десятков микрометров в пределах одного
образца. К плюсам данного метода можно отнести
высокую скорость закалки (106…5·108 К/с). К ми-
нусам — низкую производительность, дорогосто-
ящее оборудование, неоднородность получаемых
образцов.
Более эффективным с точки зрения произво-
дительности является распыление расплавлен-
ного металла струей воздуха или газа [23, 24]. В
зависимости от температуры плавления металла
возможно распыление в трех системах (рис. 1).
Материалы жидкие при комнатной температуре
можно распылять в полностью замкнутой систе-
ме (рис. 1, а). Такая технология является высо-
коэффективной в отношении передачи энергии
распыляющим газом, однако в процессе работы
на выходе из сопла образуется корка. Металлы с
низкой температурой плавления можно распылять
с использованием полузамкнутой системы, в ко-
торой коаксиально направленная распыляющая
струя сталкивается с расплавом непосредственно
в точке его выхода из сопла (рис. 1, б). Для других
металлов применяют «открытую» систему, в кото-
рой столкновение распыляющей струи с распла-
вом происходит после прохождения некоторого
расстояния в свободном полете (рис. 1, в). Данный
метод позволяет получить порошок с частица-
ми меньше 50 мкм. К положительным сторонам
можно отнести высокую производительность и
относительную однородность образцов. К недо-
статкам — низкую скорость охлаждения, которая
варьируется от 400 до значения 104 К/с.
Другой разновидностью метода распыления
является ротационное распыление. В основе ме-
тода лежит принцип сбрасывания капель расплава
с поверхности быстро вращающегося распылите-
ля — диска, чаши, тигля или электрода.
В методе вращающегося электрода процессы
плавления и образования капель локализуются с
Рис. 1. Системы распыления струей: а — полностью замкнутая с внутренним смешиванием; б — полузамкнутая с внешним
смешиванием; в — открытая со свободным падением струи расплава; А — распыляющая струя; В — распыляемый расплав
Рис. 2. Схема распыления вращающегося электрода с осаж-
дением на вращающийся диск: 1 — держатель; 2 — расхо-
дуемый вращающийся электрод; 3 — электрическая дуга;
4 — водоохлаждаемый вольфрамовый электрод ; 5 — распы-
ленная капля; 6 — сборник закаленного материала; 7 — дви-
гатель; 8 — вращающийся закалочный диск
30 СЭМ
помощью дуги на торце вращающегося кругло-
го стрежня или трубки (рис. 2) [25]. Отсутствие
тигля в данном методе является особенно при-
влекательным в случае использования металлов
с повышенной реакционной способностью и мо-
жет обеспечить среднюю скорость охлаждения
105 К/с, однако низкая производительность делает
его непривлекательным для промышленности.
Более высокую скорость охлаждения мо-
жет дать метод вращающейся чаши [26]. В этом
методе струя расплава поступает внутрь чаши,
вращающейся со скоростью 8…16 тыс. об/мин,
где дробится, а образованные капли с большим
ускорением проходят через слой охлаждающей
жидкости. Такое высокоскоростное перемещение
в сочетании с большим статическим давлением,
препятствующим образованию паровой рубашки,
обеспечивает для частиц сплавов на основе желе-
за размером меньше 50 мкм скорость охлаждения
106 К/с. Но из-за нестабильности технологиче-
ских параметров и низкой производительности
промышленное производство быстрозакаленных
материалов данным методом невозможно.
На основании ротационного метода распыле-
ния разработан центробежный при котором рас-
плав поступает на диск, вращающийся со скоро-
стью до 30 тыс. об/мин и распыляется [22]. Диск
интенсивно обдувают газом, обладающим высо-
кой теплопроводностью (рис. 3). При этом методе
для специальных сплавов достигается скорость
охлаждения порядка 105 К/с. Процесс характери-
зуется непрерывностью, получением чистого по-
рошка и хорошей производительностью.
Существенно отличаются от методов распыле-
ния — быстрая закалка из расплава (БЗР). Методы
БЗР можно разделить на две категории: родствен-
ные литью под давлением при котором расплав
инжектируют в полость фиксированной формы и
размера, либо проковывают его в тонкие сечения
между молотом/поршнем и наковальней/вторым
поршнем и родственные литью полос и прутков. В
этом случае расплав экструдируется на охлажда-
ющую поверхность или экстрагируется контакти-
рующим с ним вращающимся диском/барабаном.
Метод молота и наковальни. Быстрая закалка
осуществляется расплющиванием образца меж-
ду поверхностями неподвижного металлического
тела и перемещающегося с большой скоростью
поршня [26]. Существуют установки в которых
плавление материала осуществляется плазмен-
ным факелом, в других видах оборудования об-
разец плавится в фокусе солнечной печи. Также
можно использовать газовый СО2 — лазер с ми-
нимальной выходной мощностью 400 Вт. Зака-
ленные образцы обычно состоят из двух частей.
Первая — сплошная расплющенная между двумя
металлическими плоскостями и имеющая сред-
нюю толщину 100…300 мкм (в зависимости от
типа материала), и вторая, состоящая из отдель-
ных пластинок толщиной 10…50 мкм, оказыва-
ющихся обычно в наилучших условиях закалки.
Вторая часть образца образуется вследствие того,
что при расплющивании он лопается.
В одной из установок с использованием лазер-
ного луча образцы, предназначенные для закал-
ки, помещают в маленькие плоские углубления
на водоохлаждаемом медном диске, играющем
роль наковальни, и под действием сжатого возду-
ха (давление до 10 МПа) приводится в движение
молот. Лазер представляет собой установку непре-
рывного типа, работающую на СО2 и имеющую
мощность 250 Вт. Луч фокусируется с помощью
германиевых линз, расположенных на стенках ва-
куумной камеры. Диск для образцов вращается и
подводит таким образом очередной образец под
молот. К достоинству данного метода относится
высокая скорость охлаждения. К недостаткам —
низкая производительность, высокая стоимость
оборудования, сложная наладка оборудования.
Метод прокатки расплава. В этом методе жид-
кий металл под некоторым давлением выжима-
ется через сопло и подается в зазор между двумя
вращающимися охлаждаемыми валками [27, 28].
Расплав получают в тигле из огнеупорного мате-
риала, помещенном в индукторе. Скорость изго-
Рис. 3. Схема метода центробежного распыления: 1 — вра-
щающийся распыляющий диск; 2 — охлаждающий газ; 3 —
мелкие частицы
313/2015
товления ленты достигает 30…45 м/с, а скорость
закалки расплава — 105…106 К/с. При прокатке
расплава актуальной является проблема образова-
ния пробок в керамических соплах.
Поверхностное плавление с помощью электрон-
ного луча и лазера. Сущность метода заключает-
ся в плавлении тонкого слоя на поверхности под-
ложки [29]. Небольшие участки можно быстро и
непрерывно расплавлять, используя для этой цели
электронный и лазерный лучи вследствие высо-
кой плотности их энергий (100 кВТ/см2). Типич-
ные значения скорости охлаждения в этом случае
колеблются от 4·104 до 5·106 К/с. Помимо образо-
вания аморфных слоев поверхностное плавление
может быть использовано для создания новых
поверхностных композиций путем плавления тон-
ких пленок или непрерывным подводом материа-
ла в виде проволоки или порошка к поверхности
подложки. Одним из вариантов этого метода явля-
ется инжекция твердых частиц расплавленной до-
рожки на поверхность с помощью лазерного или
электронного луча с целью повышения ее изно-
состойкости. Преимущество — высокая скорость
закалки. Недостаток — высокая стоимость обору-
дования.
Метод Тейлора. Небольшое количество (3…5 г)
металла или сплава, помещенного в стеклянную
трубку, расплавляется в поле высокочастотно-
го индуктора [30, 31]. Часть стеклянной трубки,
примыкающая к расплавленному металлу, размяг-
чается, и из стекла формируется оболочка, об-
волакивающая каплю. Из размягченного стекла
вытягивается стекловолокно, которое заводится и
наматывается на катушку приемного устройства.
При определенных режимах вытяжки возникают
условия затекания металла в образующийся сте-
клянный капилляр. Таким образом формируется
микропровод, состоящий из металлической жилы
и сплошной стеклянной оболочки.
Модификацией капельного является «непре-
рывный» метод литья микропровода [32, 33]. В
этом случае уровень металла в капле (микрован-
не) непрерывно восстанавливается вводимым в
нее стержнем исходного металла или сплава. Этот
метод используется в основном для получения ми-
кропроводов из меди, серебра и ряда их сплавов и
отличается относительной простотой оборудова-
ния. Недостаток — применяется в основном для
меди и ее сплавов.
Метод спиннингования. Спиннингование распла-
ва на вращающемся холодильнике заключается в
том, что жидкий металл под некоторым давлением
Р выжимается через сопло на вращающийся отно-
сительно горизонтальной оси охлаждаемый диск.
Процесс разливки осуществляется в контролиру-
емой атмосфере. Метод позволяет получать тон-
кие ленты толщиной 11…130 мкм со скоростью
20…40 м/с. Скорость кристаллизации при этом
может достигать 8·105…2·106 К/с.
В институте электросварки им. Е.О. Патона
разработана технология и создано оборудование
для получения аморфных и нанокристаллических
материалов с использованием плазменно-дугового
источника плавления металла методом спиннин-
гования [34–38]. Плавка осуществляется в медном
водоохлаждаемом тигле, который выполнен в виде
перевернутого усеченного конуса. Такая форма по-
зволяет обеспечить жесткость конструкции и нако-
пление достаточного объема расплава. Слив распла-
ва происходит через керамическое сливное сопло,
которое устанавливается в донной части тигля. В
качестве материала сопла используется прессован-
ная кварцевая керамика. Закалка расплава осущест-
вляется на медном барабане-холодильнике, который
представляет собой полый цилиндр, внутрь которо-
го заливается вода и удерживается там за счет цен-
тробежной силы при вращении. В результате вода
позволяет повысить общую теплоемкость холодиль-
ника. Несмотря на то, что такая конструкция мало-
пригодна для закалки больших объемов расплава,
она проста в эксплуатации и весьма эффективна в
лабораторных условиях.
Метод экстракции из расплава. Метод заключа-
ется в намораживании тонкого слоя металла на
быстровращающийся охлаждаемый диск слегка
погруженный в металлическую ванну. Сплав для
последующей экстракции также получают в тигле
из огнеупорного материала с применением индук-
ционного источника нагрева. Процесс экстракции
может осуществляться в вакууме или атмосфере
инертного газа. Этот процесс отличается высокой
производительностью намораживания ленты или
проволоки (несколько десятков метров в секун-
ду). При этом скорость кристаллизации достигает
106… 107 К/с.
Так как уровень металлической ванны в тигле
находится ниже верхнего края футеровки тигля,
для осуществления процесса экстракции необ-
ходимо либо подавать жидкий металл из тигля в
промежуточную емкость, либо использовать ти-
гель достаточно большого диаметра, чтобы раз-
местить над металлической ванной вращающийся
диск-кристаллизатор и исключить попадание в
ванну закристаллизовавшейся на диске ленты или
чешуек.
32 СЭМ
В институте электросварки им. Е.О. Патона
разработан процесс диспергирования расплава,
в котором огнеупорный тигель заменен секци-
онным охлаждаемым кристаллизатором, т.е. для
приготовления расплава используется известный
процесс индукционной плавки в секционном кри-
сталлизаторе (рис. 4) [39, 40]. Совмещение индук-
ционной плавки в секционном кристаллизаторе и
сверхбыстрой кристаллизации металла позволя-
ет исключить контакт металлического расплава
с огнеупорами и, тем самым, решить вопрос по-
лучения быстрозакаленных металлических мате-
риалов из высокореакционных металлов, а также
сплавов, содержащих эти металлы в качестве ле-
гирующих элементов.
Особенностью этого процесса является то, что
для получения расплава и его последующего дис-
пергирования применяется расходуемая металли-
ческая заготовка заданного химического состава.
Заготовка вводится снизу в секционный кристал-
лизатор, в котором производится расплавление ее
части на уровне индуктора. Образующаяся метал-
лическая ванна опирается на нерасплавившуюся
нижнюю часть заготовки. В зоне индуктора ме-
таллический расплав под действием электромаг-
нитного поля отжимается от стенки секционного
кристаллизатора и принимает куполообразную
форму. При частоте тока 66 кГц и плавке сплава
ВТ1-0 ванна расплава достигает максимального
объема и оптимальной формы купола для процес-
са диспергирования. Уменьшение частоты спо-
собствует образованию конусообразной формы
купола, усложняющего процесс перемешивания
и, как следствие, охлаждению верхней части рас-
плава, что негативно отражается на диспергирова-
нии. Установлено, что для обеспечения процесса
диспергирования высота купола над секционным
кристаллизатором должна составлять 0,2...0,3
диаметра кристаллизатора, т.е. около 10...18 мм.
Повышение высоты выпуклого мениска приводит
к пространственной нестабильности положения
купола, нарушающей процесс диспергирования.
Минимальная высота купола, при которой закан-
чивается процесс диспергирования, составляет
0,1 диаметра кристаллизатора, что равняется 5...
...6 мм. Поскольку процесс диспергирования про-
исходит непрерывно или циклически в зависимо-
сти от сплава, скорость подачи заготовки регули-
руется от 0 до 10 мм/мин [41].
Подбором электрической мощности, подводи-
мой к индуктору, выпуклый мениск расплава мож-
но приподнять над верхним срезом кристаллиза-
тора и стабильно удерживать в этом положении.
Вращающийся диск-кристаллизатор опускают до
его касания с поверхностью мениска расплава и
осуществляют диспергирование жидкого металла.
Намороженный на рабочей дорожке диска тонкий
слой металла под действием центробежных сил
отрывается от дорожки и в виде чешуек попадает
в специальный накопитель в плавильной камере
установки.
Для стабильного процесса диспергирова-
ния необходимо создать модуль с вращающим-
ся диском-холодильником, температура рабочей
дорожки которого не изменялась бы в процессе
диспергирования. Первые эксперименты по дис-
пергированию металлического расплава выпол-
няли с использованием неохлаждаемого медного
диска-холодильника диаметром 170 и толщиной
основания 20 мм. Из-за постоянного контакта
расплава с неохлаждаемым диском время работы
составляет 20…40 с. При увеличении рабочего
времени происходит неконтролируемое намора-
живание металла на диск и он не отрывается от
рабочей дорожки. Следующим этапом в разви-
тии предложенного Институтом электросварки
им. Е.О. Патона НАНУ способа диспергирования
были разработка и создание модуля с водоохла-
ждаемым диском-холодильником. Диаметр дис-
ка составлял 170, толщина — 6 мм. Применение
водяного охлаждения сняло ограничения по дли-
тельности контакта диска-холодильника с метал-
лической ванной, в результате возросла скорость
Рис. 4. Принципиальная схема процесса экстракции из рас-
плава: 1 — диск-кристаллизатор; 2 — индуктор; 3 — ме-
таллическая ванна; 4 — секционный кристаллизатор; 5 —
расходуемая заготовка; 6 — быстрозакаленные чешуйки,
7 — камера для сбора быстрозакаленных чешуек
333/2015
закалки металла до 106...107 град/с. Тем не менее
рабо тоспособность модуля в целом оказалась
недоста точной, поскольку через 6...8 мин рабо-
ты (вращения диска) происходила разгерметиза-
ция модуля. Последующие отработки режимов
диспергирования выполняли с использованием
модуля, имеющего газовое охлаждение. Данный
модуль состоит из медного диска-холодильника,
на котором с двух сторон выполнены концентри-
ческие выступы в виде цилиндров. Диск жестко
закреплен на валу, который в свою очередь через
муфту связан с валом электродвигателя посто-
янного тока. Цилиндрические концентрические
выступы диска входят в соответствующие пазы,
выполненные в неподвижных охлаждаемых эле-
ментах. Между цилиндрическими выступами дис-
ка-холодильника и пазами в неподвижных охлаж-
даемых элементах есть конструктивные зазоры
размером не более 1 мм, которые позволяют дис-
ку-холодильнику свободно вращаться в охлажда-
емых элементах. Охлаждаемые боковые элемен-
ты жестко закреплены на плите основы. Подвод
и отвод воды к элементам происходят с помощью
водяной магистрали. Для интенсификации охлаж-
дения диска-холодильника во время диспергиро-
вания расплава в зазоры между цилиндрическими
выступами диска и соответствующими пазами
элементов производится подача инертного газа.
Метод диспергирования сочетает в себе высо-
кую скорость закалки, относительную простоту
оборудования, высокую производительность и
возможность диспергирования высокореакцион-
ных расплавов. Однако на сегодняшний момент
не полностью исследовано затвердевание чешуек
в процессе экстракции из расплава. Важнейшим
фактором получения аморфной структуры явля-
ется теплообмен между расплавом металла и вра-
щающимся диском-холодильником. Оптимизация
формы и геометрических размеров диска-холо-
дильника является следующим этапом модерни-
зации модуля диспергирования. Выбор этих па-
раметров диска-холодильника должен увеличить
скорость закалки и увеличить стабильность тех-
нологического процесса диспергирования.
Выводы
1. Аморфные металлы благодаря уникальным, в
основном электромагнитным свойствам, нашли
применение в промышленности в качестве элек-
трических датчиков и сердечников трансформато-
ров. Перспективным является применение аморф-
ных материалов в постоянных магнитах.
2. На сегодняшний момент разработано боль-
шое количество методов получения аморфных
материалов. В зависимости от метода можно по-
лучать материалы в виде порошка, лент, прово-
локи, чешуек. Методы распыления ограничены
в применении из-за невысокой скорости охлаж-
дения. В промышленности применяются методы
закалки из расплава. Среди них особое внимание
заслуживает метод диспергирования из секци-
онного кристаллизатора, в котором отсутствует
контакт расплава с тиглем, что дает возможность
диспергировать высокореакционные материалы.
Недостатком метода является невысокая скорость
закалки. Оптимизация формы и геометрических
размеров диска-холодильника позволит устранить
этот недостаток.
1. Кекало И.Б. Атомная структура аморфных сплавов и ее
эволюция. — М.: Высш. шк., 2006. — 340 с.
2. Жукова Л.А. Строение и свойства двойных металличе-
ских сплавов в жидком и аморфном состояниях. — Екате-
ринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. — 74 с.
3. Белащенко Д.К. Структура жидких и аморфных метал-
лов. — М.: Металлургия, 1985. — 192 с.
4. Татаринова Л.И. Структура твердых аморфных и жидких
веществ. — М.: Наука, 1983. — 151 с.
5. Судзуки К., Фудзимори Х., Хасимото К. Аморфные ме-
таллы. — М.: Металлургия, 1987. — 328 с.
6. Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей и
аморфных тел. — М.: Высш. шк., 1980. — 221 с.
7. Рябов А.В., Окишев К.Ю. Новые металлические матери-
алы и способы их производства. Уч. пособие. — Челя-
бинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. — 64 с.
8. Верещагин M.H., Горанский Г.Г., Кукареко В.А. Строение
и триботехнические свойства аморфных сплавов на ос-
нове железа и никеля при трении // Трение и износ. —
2012. — № 3. — С. 232–235.
9. Быстрозакаленные металлические сплавы / Под ред.
С. Штиба, Г. Варлинта. — М.: Металлургия, 1989. — 376 с.
10. Зборщик А.М. Новые материалы в металлургии. — До-
нецк: ГВУЗ ДонНТУ, 2008. — 253 с.
11. Mohri K. Review on sensors and transducers / IEEE Trans.
Mag. MAG-20. — 1984. — № 5. — P. 942–947.
12. Сергеев B.B., Булыгина Т.П. Магнитотвердые материа-
лы. — М.: Энергия, 1980. — 224 с.
13. Магнитные свойства и микроструктура порошков Nd–Fe–B,
полученных обработкой сплава в водороде / H.B. Мушни-
ков, В.Б. Демин, A.M. Зеткин и др. // Физика металлов и
металловедение. — 1994. — 77. — Вып. 6. — С. 53–59.
14. Ramesh R., Thomas G. Interrelationships between structure
and property in magnetic materials // Mater. Sci. Eng. —
1989. — B3. — P. 435–441.
15. Croat J.J. Manufacture of Nd–Fe–B permanent magnet by
rapid solidification // J. Less.–Comm. metals. — 1989. —
148. — P. 7–15.
16. Wecker J., Schultz L. Coercivity after heat treatment of
overquenched and optimally quenched Nd–Fe–B // J. Appl.
Phys. — 1987. — № 3. — P. 990–993.
17. Croat J. J. Neodymium–iron–boron permanent magnets pre-
pared by rapid solidification // J. Mater. Sci. Eng. — 1988. —
10. — P. 7–13.
34 СЭМ
18. Новые материалы / Под ред. Ю.С. Карабасова. — М.:
МИСИО, 2002. — 736 с.
19. Материаловедение. Технология конструкционных мате-
риалов / Под ред. B.C. Чередниченко: 2-е изд., перераб. —
М.: Омега-Л, 2006. — 752 с.
20. Особенности активной прецизионной пайки изделий
атомной техники быстрозакаленными припоями / Б.А. Ка-
лин, В.Т. Федотов, О.Н. Севрюков и др. // Сб. докл. VI рос.
конф. по реакторному материаловедению (г. Димитров-
град, 11–15 сентября 2000 г.) в 3-х т. — Димитровград,
2001. — Т. 3. — Ч. 2. — С. 103–114.
21. De Christofaro N.J., Datta A. Rapidly solidified filler metals
in brazing and soldering applications // Rapidly Quenched
Metals. — 1985. — P. 1715–1721.
22. Аморфные металлические сплавы / Под ред. Ф.Н. Любор-
ского. — М.: Металлургия, 1987. — 584 с.
23. Beddow J.K. The production of metal powders by atomiza-
tion. — London: Heyden, 1978. — 375 p.
24. Sudarshan T.S., Srivatsan T.S. Rapid Solidification Technolo-
gy: An Engineering Guide. — Technomic Publishing Compa-
ny, Lancaster, USA, 1993. — 725 p.
25. Pat. 3099041 USA. Method and apparatus for making pow-
der / A.R. Kaufmann – Publ. 30.06.1963.
26. Сверхбыстрая закалка жидких сплавов / Под. ред. В.Т. Бо-
рисова. — М.: Металлургия, 1986. — 375 с.
27. Кан Р.У. Сплавы, быстрозакаленные из расплава // Физи-
ческое металловедение: Изд. 3-е в 3 т. — М.: Металлур-
гия, 1987. — Т. 2. — С. 406–469.
28. Немошкаленко В.В. Аморфные металлические сплавы. —
Киев: Наук. думка, 1987. — 248 с.
29. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металли-
ческих материалов. — М.: Металлургия, 1986. — 176 с.
30. Taylor G.F. Method of drawing metallic filaments and a dis-
cussion of their properties and uses // Physical Review. —
1924. — 23. — P. 655–660.
31. А.с. 61325 СССР, МКИ G 01 С 29/00. Способ изготовле-
ния металлической микропроволоки / A.B. Улитовский,
Н.М Аверин. — Опубл. 19.03.64; Бюл. № 7.
32. A.c. 128427 СССР, МКИ Н 01 В 13/06. Способ непрерыв-
ного изготовления микропроволоки в стеклянной изоля-
ции / A.B. Улитовский, И.М. Маянский, А.И. Аврамен-
ко. — Опубл. 15.05.60; Бюл. № 10.
33. A.с. 149138 СССР МКИ Н 01 В 13/06. Способ непрерыв-
ного изготовления литых микропроводов в сплошной
стеклянной изоляции / В.Г. Красиньков, Л.В. Рейман,
В.В. Трояновский. — Опубл. 05.02.65; Бюл. № 3.
34. Плазменно-дуговая установка для производства ленты
из аморфных материалов / Г.Ф. Торхов, В.К. Грановский,
Н.В. Рейда и др. // Пробл. спец. электрометаллургии. —
1990. — № 2. — С. 78–80.
35. Получение аморфных и нанокристаллических материалов
с применением плазменно-дугового нагрева / М.Л. Жад-
кевич, В.А. Шаповалов, Г.Ф. Торхов и др. // Современ.
электрометаллургия. — 2003. — № 4. — С. 29–35.
36. Никитенко Ю.А. Получение быстрозакаленных сплавов
при плазменно-дуговом плавлении // Там же. — 2010. —
№ 3. — С. 33–37.
37. Никитенко Ю.О. Швидкозагартований метал, отриманий
при плазмово-дуговому нагріві і спінінгуванні та його
структура // Наносистеми, наноматеріали, нанотехноло-
гии. — 2006. — Вып. 4. — С. 797–801.
38. Influence of annealing on nanocrystal formation in Ni amor-
phous alloy / G.N. Kozhemyakin, V.A. Shapovalov, Yu.A. Ni-
kitenko et al. // Crystallography Reports. — 2009. — 54,
№ 7. — P. 142–144.
39. Пат. 69514 України. МПК 8 В 22 D 27/00. Спосіб отри маних
аморфних та дрібнозернистих металів / Б.Є. Пaтон, Ю.В. Ла-
таш, І.В. Шейко та ін. — Опубл. 15.09 2004; Бюл. №. 9.
40. Получение быстрозакаленных металлических матери-
алов с применением процессов индукционной плавки в
секционном кристаллизаторе / Б.Е. Патон, Ю.В. Латаш,
И.В. Шейко и др. // Пробл. спец. электрометалургии. –
1993. — № 2. — С. 50–55.
41. Шаповалов В.А., Шейко И.В., Никитенко Ю.А. Получение
быстрозакаленных сплавов способом диспергирования
при ИПСК // Современ. электрометаллургия. — 2009. —
№ 3. — С. 32–35.
Analysis of properties and constitution of amorphous and fine-crystalline materials was made. Described is the method
allowing to determine statistically the structure of amorphous materials. Due to unique mechanical, electrical and
magnetic properties the amorphous materials are used as permanent magnets, electric sensors, magnetic cores of
transformers, brazing alloy in precision brazing. A special attention is paid to the challenging technology of manufacture
of permanent magnets. Technological peculiarities of methods of producing amorphous and fine-crystalline materials
by using the precision metallurgy were examined. Methods of spraying, hammer and anvil, rolling of melt, surface
melting by electron and laser beams, Taylor’s method, spinning, extraction from melt were analyzed. Method of
dispersion from melt by using induction melting in a sectional mould was investigated in detail. Alongside with positive
sides this method has drawbacks, one of which is a low rate of hardening. It is predicted to level this drawback during
investigation of thermal processes on a disc-cooler. 41 Ref., 4 Figures.
K e y w o r d s : amorphous metallic materials; dispersion; hardening; induction melting in a sectional mould; flake
Поступила 15.06.2015
|