РАЗДЕЛ 2
СОЗДАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СВЕРХБЫСТРОЙ ЗАКАЛКИ РАСПЛАВА, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Экспериментальное оборудование для сверхбыстрой закалки расплава
Для реализации процесса сверхбыстрой закалки расплава в процессе выполнения работы были созданы лабораторные установки, различающиеся по техническим решениям.
В основу разработки установки для закалки капель расплава был положен принцип быстрого охлаждения капель расплавленного металла в контакте с внутренней поверхностью вращающегося цилиндрического барабана [153]. Блок-схема и внешний вид созданной лабораторной установки представлены на рис. 2.1.
Работа установки осуществляется следующим образом: навеска исходного материала массой 0,4-0,6 г помещается в кварцевую или керамическую (оксид алюминия) трубку, подсоединенную с одного конца шлангом к выходному штуцеру электропневматического клапана, соединенного с баллоном с инертным газом (аргон или гелий). Путем регулировки электропневматического клапана достигается продувка трубки слабым потоком инертного газа с целью предотвращения окисления образца. Расплавление образца осуществляется путем индукционного нагрева с помощью высокочастотного генератора типа ГЛ-15, время расплавления весьма мало - 6 - 10 сек. Капля расплава выбрасывается избыточным давлением инертного газа в диапазоне 5 - 8 ати на внутреннюю поверхность вращающегося со скоростью 3000 - 6000 об/мин медного или стального цилиндра диаметром 140 мм под углом в диапазоне -300 - +300 к нормали к поверхности. При ударе капля расплющивается в тонкую фольгу, которая дополнительно растекается и прижимается к поверхности цилиндра под действием центробежных сил.
Получаемые фольги имеют обычно вытянутую овальную форму, с размерами 2-10 мм на 20-50 мм, толщиной от десятых долей до нескольких десятков мкм. Оценка скорости охлаждения показала, что при толщине фольг 10 - 30 мкм она
а
б
Рис. 2.1. Установка для закалки капель расплава:
а - блок-схема, б - общий вид;
1 - высокочастотный генератор, 2 - ЛАТР, 3 - коллекторный электродвигатель, 4 - поворотное зеркало, 5 - закалочный цилиндр,
6 - индуктор, 7 - трубка-тигель, 8 - стробоскоп, 9 - блок питания электропневмоклапана, 10 - электропневмоклапан,
11 - баллон с инертным газом
составляла 105 - 5?106 град/с.
Такая геометрическая форма и размеры образцов позволяют проводить исследования структуры, электрических, магнитных, коррозионных и других свойств. Однако получаемые фольги неоднородны по толщине и, соответственно, по структуре, имеют неправильную форму, характеризуются высокой шероховатостью поверхностей; в итоге они не удовлетворяют требованиям некоторых экспериментальных исследовательских методик и, кроме того, имеют лишь весьма ограниченную область практического применения. В связи с этим была поставлена задача разработки и изготовления установки для скоростной закалки из жидкого состояния, обеспечивающей получение однородных и удобных в обращении аморфных материалов.
В основу разработки установки для спиннингования расплава был положен описанный в разделе 1.3 принцип закалки струи расплава на внешней цилиндрической поверхности вращающегося диска [77]. Следует отметить, что при всех его неоспоримых достоинствах, в этом методе СБЗР тепловой контакт затвердевающего металла с охлаждающей поверхностью обычно несколько хуже по сравнению с закалкой на внутренней стороне цилиндра, а время соприкосновения меньше, вследствие чего максимальная достижимая величина скорости охлаждения несколько снижается.
Созданная (совместно с А.Г.Ильинским) установка позволяет получать быстрозакаленные ленты металлических материалов широкого диапазона систем и составов, а также обеспечивает возможность варьирования параметров процесса в широких пределах. Важно, что она позволяет реализовать обе упоминавшиеся выше основные модификации метода спиннингования - литье цилиндрической струи или плоского потока. С использованием этой установки были получены быстрозакаленные ленты толщиной от 10 до 180 мкм, шириной от 0,4 до 40 мм и длиной до 100 - 200 м. Достигаемая максимальная скорость охлаждения составляет не менее 5?106 К/с. Блок-схема и внешний вид установки приведены на рис. 2.2, описание установки изложено в [69].
а
б
Рис. 2.2. Установка для спиннингования расплава:
а - блок-схема, б - общий вид;
1 - система подачи газа, 2 - система перемещения в трех измерениях и наклона тигля, 3 - система измерения и регистрации температуры расплава, 4 - тигель с соплом, 5 - нагреватель, 6 - система стабилизации лужицы расплава на диске, 7 - диск, 8 - система измерения скорости вращения диска, 9 - электродвигатель
Для нагрева и расплавления исходного материала в установке предусмотрены два способа - резистивный либо индукционный. Резистивный нагрев обеспечивает возможность достаточно точного контроля и стабилизации температуры расплава перед закалкой, однако он требует значительных затрат времени и создания защитной атмосферы для нагревателя при высоких температурах. Применение индукционного способа ускоряет процесс нагрева, что способствует увеличению производительности и уменьшению взаимодействия закаляемого расплава с материалом тигля и окружающей средой. Условия работы материала тигля в этом случае более благоприятны, так как его температура меньше температуры расплавляемого металла. Кроме того, высокочастотный нагрев способствует лучшему перемешиванию расплава, что положительно отражается на химической однородности получаемых лент. К недостаткам этого метода можно отнести то, что большие скорости нагрева и охлаждения способствуют появлению значительных термических напряжений, что может вызвать растрескивание тигля, а также определенные трудности регулирования температуры расплава в заданных узких пр