Способ получения аморфной ленты из металлических сплавов методом спиннингования

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве аморфной ленты при сверхбыстрой закалке жидких сплавов.

Известен способ спиннингования [1], при котором расплавленный в высокочастотном индукторе металл выливается из резервуара через прорезь сопла на поверхность охлаждающей транспортерной ленты, движущейся на двух роликах. Применение транспортера в этом способе приводит (в сравнении со спиннингованием на диске) к увеличению протяженности контакта затвердевающего металла с охлаждающей подложкой, в результате чего достигается увеличение толщины получаемых аморфных лент.

Наиболее близким аналогом заявляемого способа является известный способ получения аморфной ленты на закалочном диске [2], в котором дальнейшее увеличение толщины ленты достигается путем удержания ее на поверхности диска с помощью специальных прижимных приспособлений, увеличивающих длительность и протяженность контакта затвердевающего металла с диском: бесконечного движущегося ремня из сплава меди с бериллием или газовых струй, прижимающих ленту к диску. Этими приспособлениями осуществляется также охлаждение наружных (не прилегающих к диску) слоев ленты.

Однако этим способом можно получать аморфные ленты толщиной не более 0,1 мм. Это объясняется тем, что серхбыстрое охлаждение (со скоростью, большей 10⁶ К/с), приводящее к получению аморфной структуры, происходит только со стороны ленты, прилегающей к диску. При этом с увеличением слоя металла при его затвердевании скорость охлаждения снижается из-за повышения теплового сопротивления и уменьшения плотности теплового потока от расплава к диску. По достижении некоторой толщины слоя (не более 0,1 мм) скорость охлаждения снижается настолько, что металл начинает кристаллизоваться. Охлаждающее действие названных ранее в [2] приспособлений не увеличивает толщину аморфного слоя, т.к. в контакт с ними металл попадает уже затвердевшим.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи дальнейшего значительною увеличения толщины аморфных лент из металлических сплавов. Для решения этой задачи в известном способе [2], включающем плавление сплава в тигле и слив его на поверхность вращающегося охлаждающего диска, через струю жидкого металла и охлаждающий диск пропускают постоянный электрический ток оптимальной плотности и полярности, который, проходя через фронт затвердевания на границе твердой и жидкой фаз, вызывает охлаждающий термоэлектрический эффект Пельтье. В результате скорость охлаждения этого тонкого пограничного слоя превышает минимальную (критическую) величину, необходимую для образования аморфной структуры, и остается такой в течение всей длительности протекания тока. Воздействие тока приводит к значительному увеличению толщины слоя ленты с аморфной структурой со стороны диска практически по всей технологически достижимой толщине ленты.

К отводу теплоты затвердевания путем теплопроводности через слой застывшего на диске металла при пропускании тока добавляется отвод теплоты потоком электронов непосредственно с фронта затвердевания. При этом, как показали расчеты [3], отток теплоты Пельтье от границы раздела между твердой и жидкой фазами превышает приток к ней джоулевой теплоты вплоть до плотности тока в несколько сотен А/см². Поэтому пропускание тока с такой плотностью определяет весь ход затвердевания и получаемую структуру затвердевающего металла по всей поверхности фронта раздела между твердой и жидкой фазами, пересекаемой током.

Для сплавов на основе различных металлов оптимальные величины плотности тока и его направление (полярность), т.е. обеспечивающие максимальный охлаждающий эффект Пельтье, различны. Они зависят от термоэлектродвижущей силы между твердой и жидкой фазами, их электросопротивления и могут быть рассчитаны по этим параметрам для любого сплава по методике [3]. Наши расчеты по этой методике для сплавов железа дали оптимальную плотность тока 390 А/см² и направление его протекания от твердой фазы к жидкой (прямая полярность). Вид полярности для металлических сплавов зависит от элемента основы сплава, За исключением благородных металлов и никеля, она прямая.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. В схеме приняты следующие обозначения: 1 - тигель, 2 - высокочастотный индуктор, 3 - металлический расплав, 4 - охлаждающий диск. 5 - электрод, 6 - аморфная лента, 7 - контактная щетка, 8 - источник тока.

Металлический сплав помещают в тигель 1, имеющий в нижней части отверстие для стока расплава, и плавят с помощью высокочастотного индуктора 2. Расплавленный металл 3 выталкивают инертным газом под высоким давлением на внешнюю поверхность вращающегося диска - холодильника 4. На пути струи помещают электрод 5, с которым расплав контактирует в течение всего времени отливки ленты 6. Одновременно с попаданием струи расплава 3 на диск 4 к цепи струя расплава - диск 4 подводят постоянный электрический ток от генератора 8 через электрод 5 и контактную щетку 7. Направление и плотность тока определяют для каждого конкретного сплава, используя методику [3].

Предлагаемый способ испытывали на сплаве железа эвтектического состава Fe 83 В 17 (ат.%), из которого были получены ленты толщиной 60 и 1000 мкм. Для сравнения были изготовлены такие же ленты из этого сплава по известному традиционному способу спиннингования без пропускания тока.

Силу тока I, проходящего через фронт затвердевания, рассчитывали по формуле

где j=390 A/см² - оптимальная плотность тока, b=0,43 см - ширина ленты, L=0,45 см - длина ванночки металла на диске.

Структуру отлитых лент контролировали двумя методами: рентгено-стрктурным и методом мессбауэровской спектроскопии резонансных электронов конверсии и характеристического рентгеновского излучения. Глубина выхода конверсионных электронов с энергией 6,8-9,1 кэВ составляла 0,15 мкм, толщина слоя вещества, проходимого без поглощения характеристическим рентгеновским излучением с энергией 6,46 кэВ, была 15-20 мкм. Для выявления структуры сплава по всей толщине ленты проводили ее послойный анализ с постепенным удалением слоев с внешней поверхности с помощью ионного травления. Рентгеноструктурный анализ выполняли на дифрактометре Дрон-2 на Cu Кα-излучении. Подтверждением аморфной структуры являлось наличие диффузного гало в области углов 30-50°, характерного для аморфного состояния. Мессбауэровскую спектроскопию выполняли на пропорциональном детекторе конверсионных электронов и рентгеновского излучения при резонансном поглощении τ - квантов с энергией 14,4 кэВ ядрами 57 Fe. Регистрацию конверсионных электронов проводили при прокачке через детектор газовой смеси Не+5% СН₄; регистрацию характеристического рентгеновскою излучения - при прокачке смеси Ar+10% СН₄. Наличие аморфной структуры определяли по типичному для аморфных ферромагнетиков шестилинейчатому спектру со значительно уширенными мессбауэровскими линиями (размытой сверхтонкой магнитной структуре).

Результаты испытаний сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что предлагаемый способ дает значительное увеличение толщины аморфного слоя ленты (на 20-940 мкм для лент различной толщины). Одновременно доля аморфного слоя возрастает с 50 до 97%. Однако тонкий наружный слой (10-30 мкм) из-за специфики процесса остается кристаллическим (фазовый состав его: α-Fe, Fe₃B, Fe₂В) из-за малых скоростей охлаждения за счет теплоотдачи в окружающую газовую среду.

Предлагаемый способ производства лент большой толщины существенно расширяет номенклатуру сплавов, способных к объемной аморфизации, и изделий из них для измерительной и специальной бытовой техники, как непосредственно в аморфном состоянии, так и особенно после их обработки на наноструктурное состояние с особенно высоким комплексом физико-механических свойств.

Литература

1. Патент США №4221257, кл. 164-87, 1980.

2. Патент США №3862658, кл. 164-87, 1975.

3. Шоршоров М.Х., Манохин А.И. Теория неравновесной кристаллизации плоского слитка. - М.: Наука, 1992, 112 с.

Способ получения аморфной ленты из металлических сплавов методом спиннингования, включающий плавление сплава в тигле и слив его на поверхность вращающегося охлаждающего диска, отличающийся тем, что через струю расплава и охлаждающий диск пропускают постоянный электрический ток с плотностью и полярностью, обеспечивающими максимальный охлаждающий эффект Пельтье.