Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении

Рассмотрены особенности конструкции плазменно-дугового плавильного модуля, предназначенного для получения быстрозакаленных сплавов способом спиннингования. Исследовано тепловое состояние отдельных узлов оборудования в процессе плавки и сверхбыстрой закалки. На примере сплава системы Ni—Si—B определе...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Никитенко, Ю.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Плазменно-дуговая технология
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96149
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:	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении / Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 33-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96149
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-961492025-02-09T11:44:03Z Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении Producing of rapidly-hardened alloys in plasma-arc melting Никитенко, Ю.А. Плазменно-дуговая технология Рассмотрены особенности конструкции плазменно-дугового плавильного модуля, предназначенного для получения быстрозакаленных сплавов способом спиннингования. Исследовано тепловое состояние отдельных узлов оборудования в процессе плавки и сверхбыстрой закалки. На примере сплава системы Ni—Si—B определены технологические параметры получения ленты c аморфной структурой толщиной от 30 до 100 мкм, качество которой подтверждено металлографическими анализами. Peculiar features of design of plasma-arc melting module designed for producing rapidly-hardened alloys by a spinning method are considered. The hot state of separate components of equipment was investigated in the process of melting and super-rapid hardening. On the example of alloy Ni—Si—B, the technological parameters of producing strip with amorphous structure of thickness from 30 up to 100 mm, whose quality was confirmed by metallographic analyses, were determined. 2010 Article Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении / Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 33-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96149 669.187.58 ru Современная электрометаллургия application/pdf 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	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология
spellingShingle	Плазменно-дуговая технология Плазменно-дуговая технология Никитенко, Ю.А. Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении Современная электрометаллургия
description	Рассмотрены особенности конструкции плазменно-дугового плавильного модуля, предназначенного для получения быстрозакаленных сплавов способом спиннингования. Исследовано тепловое состояние отдельных узлов оборудования в процессе плавки и сверхбыстрой закалки. На примере сплава системы Ni—Si—B определены технологические параметры получения ленты c аморфной структурой толщиной от 30 до 100 мкм, качество которой подтверждено металлографическими анализами.
format	Article
author	Никитенко, Ю.А.
author_facet	Никитенко, Ю.А.
author_sort	Никитенко, Ю.А.
title	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
title_short	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
title_full	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
title_fullStr	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
title_full_unstemmed	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
title_sort	получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Плазменно-дуговая технология
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96149
citation_txt	Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении / Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 33-37. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT nikitenkoûa polučeniebystrozakalennyhsplavovpriplazmennodugovomplavlenii AT nikitenkoûa producingofrapidlyhardenedalloysinplasmaarcmelting
first_indexed	2025-11-25T22:32:59Z
last_indexed	2025-11-25T22:32:59Z
_version_	1849803386345488384
fulltext	УДК 669.187.58 ПОЛУЧЕНИЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ ПРИ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОМ ПЛАВЛЕНИИ Ю. А. Никитенко Рассмотрены особенности конструкции плазменно-дугового плавильного модуля, предназначенного для получения быстрозакаленных сплавов способом спиннингования. Исследовано тепловое состояние отдельных узлов оборудо- вания в процессе плавки и сверхбыстрой закалки. На примере сплава системы Ni—Si—B определены технологические параметры получения ленты c аморфной структурой толщиной от 30 до 100 мкм, качество которой подтверждено металлографическими анализами. Peculiar features of design of plasma-arc melting module designed for producing rapidly-hardened alloys by a spinning method are considered. The hot state of separate components of equipment was investigated in the process of melting and super-rapid hardening. On the example of alloy Ni—Si—B, the technological parameters of producing strip with amorphous structure of thickness from 30 up to 100 mm, whose quality was confirmed by metallographic analyses, were determined. Ключ е вы е с л о в а : плазменно-дуговая плавка; сверх- быстрая закалка; спиннингование; тепловое состояние; спла- вы с аморфной структурой и микрокристаллические Для повышения надежности и долговечности при- боров, машин и механизмов необходимо примене- ние новых материалов с высоким уровнем функцио- нальных свойств. Сплавы с кристаллической струк- турой, широко используемые в качестве конструк- ционных материалов, не всегда могут обеспечить в полной мере высокий уровень эксплуатационных свойств. В связи с этим в течение последних лет отмечен возрастающий интерес к проблеме получе- ния и применения аморфных и микрокристалличес- ких металлических материалов, свойства которых существенно отличаются от таковых тех же сплавов, полученных по стандартной технологии [1]. Наиболее распространенным способом получе- ния аморфных и микрокристаллических структур является сверхбыстрая закалка расплава. Для плав- ления и накапливания расплава в существующих технологиях используют керамические тигли, изго- товленные из огнеупорных материалов, например кварца, что позволяет получать широкую гамму быстрозакаленных сплавов. Однако при плавке высокореакционных сплавов непосредственный контакт керамики с расплавом приводит к химическому взаимодействию и разру- шению тигля. Кроме того, сверхбыстрая закалка сплавов с повышенной температурой плавления ос- ложняется размягчением огнеупора, потерей жест- кости конструкции и, как следствие, дестабилиза- цией процесса. Поэтому получение быстрозакален- ных сплавов из высокореакционных и тугоплавких сплавов с использованием существующих техноло- гий практически невозможно. Решением данной проблемы может послужить создание технологических схем сверхбыстрой за- калки, которые позволят избежать контакта кера- мики с расплавом и на протяжении длительного времени выдерживать высокие температуры. Осно- вой для этого может служить плавка в водоохлаж- даемом тигле с мощным источником нагрева. В данном случае наиболее пригодным видом плавки, который можно эффективно применять, яв- ляется плазменно-дуговая плавка (ПДП) в гарни- сажном тигле. Проблемы могут быть решены за счет использования медного водоохлаждаемого тигля, обеспечивающего жесткость конструкции, и его инертности к расплаву. Для разработки технологии использовали много- летний опыт Института электросварки им. Е. О. Па- тона НАНУ по применению в металлургии ПДП в гарнисажном тигле, который используется в специ- альной электрометаллургии при переплаве высоко- реакционных и тугоплавких металлов и сплавов, титана, вольфрама, сплавов с повышенным содер- жанием азота и других. В институте создали лабораторное оборудование для сверхбыстрой закалки расплава при ПДП. Внешний вид и схема установки представлены на рис. 1 [2]. Плавильная камера 10, оснащена смот- ровой системой и технологическим люком для заг- рузки шихты. В нижней части камеры размещен медный водоохлаждаемый тигель 9, в центре кото- рого установлено сменное сливное сопло 1 из огне- упорного материала. Плавильная камера монтиру- © Ю. А. НИКИТЕНКО, 2010 33 ется на колонне 4, которая перемещается механиз- мом на колонне 2, в верхней части плавильной ка- меры устанавливается плазмотрон прямого дейст- вия постоянного тока 12, снабженный механизмом перемещения 11. На станине 6 размещен барабан- холодильник 5 с приводом вращения и механизмом продольного перемещения. Для установления па- раллельности между срезом сливного сопла и по- верхностью барабана-холодильника камера осна- щена механизмом тонкой настройки 3. Установка подключена к системе газоснабжения, также уста- новлены дополнительный ресивер 7 объемом 1,35 м3 и вакуумная система с механическим насосом 8. Технические характеристики установки ОП-133 Объем тигля, л .................................... 0,5 Скорость вращения барабана, об/мин ... 50… 3000 Толщина ленты, мкм ............................ 10… 100 Количество плазмотронов, шт ............... 1 Расход плазмообразующего газа, м3/ч ... 0,5 Максимальный рабочий ток, А .............. 1000 Медный вододоохлаждае- мый тигель выполнен в форме перевернутого усеченного ко- нуса, что позволяет обеспе- чить жесткость конструкции и накопление достаточного объема расплава (рис. 2, а). Для поддержания оптимально- го объема жидкого металла и обеспечения необходимого пе- регрева всего расплава коэф- фициент формы тигля равнял- ся 0,4 (отношение глубины к среднему диаметру). Как указывалось ранее, слив осуществляется через ке- рамическое сопло. Примене- ние сменного керамического сопла не устранило проблему контакта расплавленного ме- талла с керамикой, но позволи- ло значительно сократить пло- щадь контакта с расплавом. Небольшие размеры и значительная толщина стен- ки сопла также дали возможность использовать стандартные огнеупоры при более высоких темпе- ратурах. В качестве материала сопла можно использовать различные виды керамик и композитов в зависимости от состава сплава для получения быстрозакаленных лент. В наших экспериментах использовали сопло, выполненное из прессованной кварцевой керамики «керсил» (рис. 2, б), для сплава Cu—P – из графита. «Керсил» показал хорошую стойкость и жесткость во всем температурном диапазоне вплоть до 1400 °С. Техническая характеристика кварцевой керамики «керсил» Прочность на изгиб, МПа ..................... 15… 45 Плотность кажущаяся, г/см3 ................ 1,9… 2,0 Открытая пористость, % ....................... 5… 15 КЛТР, 1/°С ........................................ 5,8⋅10—7 Термостойкость к перепаду температур, °С ..................................... 20… 1300 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅°С) ........................................... 0,7… 1,0 Рис. 1. Внешний вид (а) и схема (б) плазменно-дуговой установки ОП-133 Рис. 2. Медный водоохлаждаемый тигель (а) и сменное керамическое сопло (б) 34 Установка оборудована сменными барабанами- холодильниками различных диаметров, изготов- ленными из разных материалов (таблица). Барабан представляет собой полый цилиндр, внутрь кото- рого заливается вода и удерживается там за счет центробежной силы при вращении. В данной работе эксперименты проводили с использованием медного и стального барабанов диаметром 300 мм (рис. 3). Расплавление шихты и дальнейшая плавка про- исходят в герметичной камере в аргоне. Для упрощения процесса исследования представленной технологии слив расплава осуществляли на враща- ющийся барабан, который находился снаружи ка- меры, т. е. на воздухе (рис. 4). При необходимости закалки высокореакционных сплавов барабан-хо- лодильник также может быть помещен в камеру с контролируемой атмосферой. Исследования прово- дили на модельных сплавах, отличающихся срав- нительно низкой температурой плавления, инерт- ных к окружающей атмосфере, мас. %: Ni – основа; 7 Si; 3,5 B; 1 Cr; 0,5 Fe; Fe – основа; 19 Cr; 11 Ni; 9 B; Cu – основа; 9 – P. Исследование теплового состояния плавильной камеры показало, что с увеличением мощности плазмотрона в диапазоне 20…40 кВт зафиксирова- но повышение эффективного КПД процесса пере- плава. Последующее увеличение мощности плаз- мотрона (W > 40 кВт) практически не отражается на эффективном КПД и потерях теплоты в плаз- мотроне и плавильной камере установки. Однако при мощности плазмотрона более 50 кВт отмечена тенденция к снижению эффективного КПД процес- са плавки при незначительном увеличении потерь в плазмотроне и камере. Расчет, выполненный на базе экспериментальных данных, позволил определить удельный расход электроэнергии (4…6 кВт⋅ч/кг). Тепловой КПД плазмотрона составил 86…88 %, эф- фективный КПД процесса – 44…45 % [3]. Плазменная дуга является достаточно мощным и концентрированным источником нагрева, поэтому в расплаве существует температурный градиент по высоте ванны, умение управлять которым позволит контролировать и прогнозировать процесс плавки и спиннингования. Измерения температуры расплава при плазменно-дуговой плавке показали, что перегрев Размеры и свойства материалов барабана-холодильника Материал Диаметр, мм Ширина, мм Коэффициент теп- лопроводности, Вт/(м⋅°С) Твердость НВ, МПа Медь 350 71 400 370…420 —"— 315 67 400 370…420 —"— 300 80 400 370…420 —"— 260 65 400 370…420 Сталь 45 300 47 47 800… 900 Рис. 3. Внешний вид барабанов-холодильников, изготовленных из меди (а) и стали 45 (б) Рис. 4. Фотография слива расплава на барабан-холодильник: 1 – барабан-холодильник; 2 – лента; 3 – защитный чехол; 4 – фторопластовый «нож» Рис. 5. Распределение температуры расплава Ni—Si—B по высоте h ванны (а) в зависимости от мощности плазменной дуги, кВт: 1 – 12,3; 2 – 19,5; 3 – 33,3; б – сечение плавильного тигля 35 верхних слоев ванны может достигать 500 °С отно- сительно температуры возле сливной щели (рис. 5). Коэффициент слива расплава из гарнисажного тиг- ля в зависимости от мощности плазменной дуги при- веден на рис. 6. Максимальное его значение (около 0,72) зафиксировано при мощности около 40 кВт. Последующее увеличение мощности не приводит к изменению объема ванны и слившегося металла, что объясняется перераспределением тепла в других элементах плавильной камеры. Представляет интерес исследование тепловой нагрузки на керамическое сопло в процессе разлив- ки расплава. Измерена температура сопла непос- редственно возле сливной щели в процессе спин- нингования и сверхбыстрой закалки (рис. 7) [4]. Как видно из графика, стабилизация темпера- туры наступает через 5…6 мин после включения плазмотрона и выхода на оптимальный технологи- ческий режим. Дальнейшая выдержка режимов плавки не име- ет смысла, поскольку видимых температурных из- менений уже не происходит, и система приближа- ется к стационарному состоянию. При выходе на заданный стабильный режим осу- ществляется подведение вращающегося барабана- холодильника под сливное сопло с заданным зазо- ром. В этот момент перекрывается магистраль сбро- са газа из камеры плавления, и из ресивера подается газ (аргон) с избыточным давлением. При подводе вращающегося барабана в короткий промежуток времени охлаждается выступающая часть сопла в результате обдува потоком воздуха, ув- лекаемого при вращении. На рис. 7, 3 виден резкий спад температуры, составляющий 300…350 °С. Од- нако из-за большой скоротечности процесса и малой теплопроводности керамики это не успевает значи- Рис. 6. Коэффициент η слива металла в зависимости от мощности W плазмотрона Рис. 7. Изменение температуры сливного сопла в процессе спинин- гования сплава Ni—Si—B: 1 – подвод барабана-холодильника; 2 – корректировка зазора; 3, 4 – начало и окончание слива, отключение плазмотрона; 5 – отвод барабана-холодильника Рис. 8. Изменение температуры внутренней стенки медного ба- рабана-холодильника в процессе спиннингования сплава Ni—Si—B: а – начало; б – окончание слива Рис. 9. Изменение технологических параметров в процессе спи- нингования сплава Cu—P: 1 – избыточное давление в камере; 2 – количество оборотов барабана; 3 – температура внутренней поверхности стального барабана-холодильника: а – начало сли- ва расплава; б – окончание 36 тельно повлиять на температуру расплава. При дальнейшем истечении расплава в щель подаются новые перегретые объемы металла, и сопло разог- ревается, что соответствует резкому подъему тем- пературы с общим перепадом примерно 900 °С. Слив осуществляется за несколько секунд. Главным узлом оборудования для получения сплавов с аморфной структурой является барабан- холодильник, поэтому дальнейшие исследования направили на определение его теплового состояния в процессе сверхбыстрой закалки. Для этого разработали методику и приспособле- ние для контактного измерения температуры враща- ющегося барабана с внутренней стороны контактной поверхности при закалке сплава Ni—Si—B (рис. 8) [5]. При спиннинговании сплава медь—фосфор на стальной барабан получены общие зависимости из- менения давления в камере, скорости вращения ба- рабана и температуры внутренней поверхности дис- ка (рис. 9). Поскольку сплав медь—фосфор в расплавленном состоянии является жидкотекучим, то слив осущес- твляется при небольшом избыточном давлении в камере. Минимизация расстояния между сливным соплом и барабаном-холодильником в пределах 0,6…0,2 мм приводит к тому, что при резком изме- нении вязкости расплава из-за быстрого затверде- вания возникают некоторые нагрузки, препятству- ющие свободному движению барабана и вызываю- щие его кратковременное торможение. На основе натурных экспериментов создали ма- тематическую модель, позволяющую описать про- цесс распространения тепла в теле барабана и оп- ределить пути дальнейшего усовершенствования его формы [6]. В результате проведенных исследований опре- делены оптимальные технологические параметры процесса плавки и разливки расплава, получены образцы быстрозакаленных лент, имеющих как полностью аморфную структуру (Ni—Si—B) (рис. 10, 11) [7], так и микрокристаллическую (Fe—Cr—Ni—B, Cu—P). В ходе металлографических исследований изу- чены структура аморфного сплава Ni—Si—B и влия- ние отжига на формирование нанокристаллов. Обна- ружено неоднородное распределение нанокристаллов в приповерхностном слое и уменьшение их количества и размеров от поверхности в глубь ленты [8, 9]. Результаты научных исследований позволяют рекомендовать разработанную технологию для полу- чения высокореакционных и тугоплавких сплавов с аморфной структурой и микрокристаллических. 1. Молотилов Б. В. Аморфные и нанокристаллические спла- вы – перспективы и проблемы // Сталь. – 2001. – № 1. – С. 79—83. 2. Плазменно-дуговое плавильное устройство для получения аморфных и нанокристаллических материалов методом спиннингования / В. А. Шаповалов, Г. Ф. Торхов, Ю. А. Никитенко, В. Р. Бурнашев // Вестник Восточно- укр. нац. ун-та им. В. Даля. – 2003. – № 11. – С. 80—88. 3. Плазменно-дуговая установка ОП-133 для получения аморфных лент методом спиннингования и ее тепловой ба- ланс / М. Л. Жадкевич, В. А. Шаповалов, Г. Ф. Торхов и др. // Донбас. гос. машиностр. акад. – 2006. – № 1. – С. 160—163. 4. Исследование технологических параметров плазменно-ду- гового нагрева при плавке и спиннинговании расплава / М. Л. Жадкевич, В. А. Шаповалов, Г. Ф. Торхов и др. // Современ. электрометаллургия. – 2005. – № 1. – С. 26—29. 5. Измерение температуры барабана-холодильника в процес- се сверхбыстрой закалки металла, расплавляемого в плаз- менной печи / В. А. Шаповалов, Ю. А. Никитенко, В. Р. Бурнашев, Г. Ф. Торхов // Там же. – 2007. – № 4. – С. 27—29. 6. Шаповалов В. А., Никитенко Ю. А., Мельник А. С. Теп- ловое состояние барабана-холодильника плазменно-дуго- вой установки в процессе сверхбыстрой закалки // Там же. – 2008. – № 3. – С. 42—46. 7. Никитенко Ю. О. Швидкозагартований метал, отрима- ний при плазмово-дуговому нагріві і спінінгуванні та його структура // Наносистеми, наноматеріали, нанотехно- логії. – 2006. – 4, вип. 4. – С. 797—801. 8. Изменение структуры при отжиге быстрозакаленного сплава плазменно-дуговой выплавки / Г. Н. Кожемякин, Н. Н. Луговой, В. А. Шаповалов и др. // Современ. электрометаллургия. – 2008. – № 4. – С. 48—49. 9. Influence of annealing on nanocrystal formation in Ni amor- phous alloy / G. N. Kozhemyakin, V. A. Shapovalov, Yu. A. Nikitenko et al. // Crystallography reports. – 2009. – 54, № 7. – P. 142—144. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила 03.04.2010 Рис. 10. Область значений линейной скорости v барабана и из- быточного давления P, которое обеспечивает получение лент с аморфной структурой Рис. 11. Быстрозакаленная лента с аморфной структурой шири- ной 15 мм, толщиной 50 мкм Ni—Si—B 37

Получение быстрозакаленных сплавов при плазменно-дуговом плавлении

Institution

Ähnliche Einträge