Основные принципы и параметры процесса спиннингования расплава
|
В настоящее время наиболее распространен метод получения аморфных металлических сплавов путем спиннингования расплава на внешней поверхности вращающегося диска (табл. 2.1). Метод состоит в том, что порция исходного материала расплавляется в тигле, под давлением инертного газа струя расплавленного металла выдавливается через сопло и попадает на внешнюю поверхность вращающегося диска, где затвердевает в виде тонкой ленты, которая затем отделяется от диска под действием центробежной силы (рис. 2.7). Основным достоинством этого метода является возможность непрерывного (в случае постоянной подпитки расплава и охлаждения теплоотводящего диска) производства ленты с регулируемой формой поперечного сечения, причем ширина получаемой ленты определяется лишь технологическими факторами. Впервые подобный метод быстрого затвердевания предложили Стрейндж и Пим в 1908 г., затем предлагались различные его видоизменения и усовершенствования. После того как была показана возможность высокопроизводительного получения металлических стекол с помощью закалки расплава на вращающемся диске, интерес к этому методу резко возрос, и в настоящее время большинство важных в научном и практическом отношениях быстрозакаленных аморфных или мелкокристаллических металлических материалов производится с помощью метода спиннингования расплава или его модификаций.  В последние годы в связи с необходимостью получения качественных лент аморфных металлических сплавов шириной до 100 мм и более была разработана и развита методика литья плоской струи расплава (табл. 2.1), отличающаяся от обычного спиннингования струи круглого сечения геометрией сопла и значительно уменьшенным расстоянием между краем сопла и охлаждающей поверхностью (рис. 2.8). Основные характеристики этих методик, а также технологические проблемы, возникающие при их практической реализации, в целом совпадают, за исключением некоторых особенностей, которые будут отмечены ниже. Нагрев и расплавление исходного материала методом спиннингования могут осуществляться с помощью любого из известных способов — высокочастотного (ВЧ), резистивного, электродугового и др. Наиболее широко используют первых два способа. 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 позволяет значительно ускорить 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, однако большие скорости нагрева и охлаждения способствуют появлению значительных термических напряжений, что может вызвать растрескивание тигля. Кроме того, ВЧ нагрев способствует лучшему перемешиванию расплава, что положительно отражается на химической однородности получаемых лент, а также позволяет в случае необходимости (например, при высокой реакционной способности закаляемого материала) исключить контакт расплавленного металла с тиглем, применив плавку во взвешенном состоянии. К недостаткам этого способа можно отнести трудность регулирования температуры расплава в заданных узких пределах. В целом же он наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям, поэтому применяется в большинстве лабораторных и практически во всех полупромышленных и промышленных установках для спиннингования расплава. Резистивный способ используется обычно только для легкоплавких материалов, а также обладающих либо очень большими, либо очень малыми значениями удельного электросопротивления. Для расплавления тугоплавких материалов используются электродуговой и электронно-лучевой способы, требующие создания более сложного технологического оборудования и не позволяющие регулировать и даже контролировать температуру расплава. Измерение температуры расплава производится обычное помощью погружаемой термопары или пирометра излучения. Бесконтактный способ гораздо легче осуществим, однако дает меньшую точность и к тому же весьма инерционен. Применение же термопары в условиях ВЧ нагрева осложняется возможностью влияния электромагнитного поля на ее показания, поэтому часто температуру расплава в тигле оценивают косвенно, например по режиму работы ВЧ генератора, предварительно установленному для данной массы металла. Выбор материала тигля должен основываться на удовлетворении требований химической совместимости с расплавом, термостойкости, стойкости к термоударам, низкой теплопроводности и малой газопроницаемости. Используют обычно плавленый кварц, оксидные (на основе Al2O3, ZrO2, BeO и др.) или бескислородные (BN, AlN, BCN, Si3N4 и др.) керамические материалы. Кварцевые тигли обладают хорошей стойкостью к термоударам, относительно дешевы, удобны в работе и позволяют наблюдать за состоянием металла внутри, однако являются стойкими лишь до ~1500 °С, что накладывает ограничение по составу закаляемых материалов, тем более что со многими расплавами кварц взаимодействует уже при температурах значительно ниже предела его термостойкости. Тигли на основе оксида алюминия совместимы с большинством технических сплавов и работают до температур более 1700 °C, но склонны к растрескиванию при быстром изменении температуры. Для уменьшения газопроницаемости и повышения термостойкости керамических тиглей применяют покрытие их снаружи кремнийорганическими соединениями или плавленым SiO2. Конструктивно тигель и сопло для вылива расплавленного металла могут либо составлять одно целое, либо тигель дополняется отдельным соплом соответствующей формы с цилиндрическим, щелевым или имеющим более сложную конфигурацию отверстием; используются также сопла с несколькими отверстиями. В некоторых случаях для предотвращения преждевременного вылива расплавленного металла используют стопорящие устройства. Охлаждающий диск имеет обычно цилиндрическую форму, но применяются также плоские, вогнутые, выпуклые диски, а иногда и имеющие более сложные профили — в зависимости от требуемого профиля продукта. Материал диска и обработка его поверхности имеют важное значение, поскольку определяют скорость теплоотвода, адгезию расплава и теплопередачу от него к охладителю. Для каждого состава или класса составов закаляемого материала следовало бы подбирать оптимальный, смачиваемый ими материал диска. Наиболее часто используют медь, различные стали, бронзу, другие медные и алюминиевые сплавы, тугоплавкие металлы и т. д. Иногда применяют покрытие охлаждающей поверхности с помощью гальванической или других методик тонкими (порядка 100 мкм) слоями других материалов, например, хрома, железа или сплавов. При работе с большими количествами закаляемого за один цикл материала применяют охлаждение диска жидкостью или газом, контролируя и поддерживая его температуру на постоянном уровне. Центробежная сила способствует более раннему сходу ленты с охлаждающей поверхности. Для получения сплавов в аморфном состоянии необходимо, чтобы температура ленты перед отделением от диска не превышала температуру стеклования Тg. В связи с этим разрабатываются различные способы увеличения протяженности контакта ее с диском: прижим ленты путем обдува ее газом из сопел специальной конфигурации, движущейся синхронно с диском металлический ремень и т. д. В то же время при хорошей адгезии закаляемого сплава к материалу диска, особенно при получении широкой ленты, последняя может удержаться на диске вплоть до завершения полного оборота и повторного попадания под струю расплавленного металла. Во избежание этого применяют специальные устройства для отделения ленты от диска в требуемом месте его окружности.  Метод спиннингования расплава на внешней цилиндрической поверхности диска может быть проиллюстрирован на примере созданной в Институте металлофизики АН Украины базовой установки (рис. 2.9), позволяющей получать быстрозакаленные ленты металлических материалов широкого диапазона систем и составов при возможности варьирования технологических параметров в широких пределах. Указанная установка обеспечивает возможность реализации обеих описанных выше модификаций метода спиннингования — с использованием цилиндрической струи или плоского потока. С ее помощью были получены ленты толщиной 10—100 мкм, шириной 0,4—40 мм и длиной примерно до 200 м. При этом максимальная достигавшаяся скорость vохл составляла не менее 5*10в6 К/с. Для нагрева и расплавления исходного материала используется либо печь сопротивления, либо ВЧ плавильно-закалочная установка мощностью 10 кВ*А, обеспечивающая достижение температур до 1800 °С, чего обычно достаточно для большинства составов аморфизующихся сплавов. Доведение до плавления навески 20—50 г занимает 1—2 мин. Контроль температуры осуществляется непосредственно с помощью погружаемой в расплав в защитной оболочке термопары ВР-5/20 с диаметром электродов 0,3 мм. При используемой обычно в экспериментах рабочей частоте около 440 кГц электромагнитное поле не влияет заметно на показания термопары при диаметре ≤ 0,3 мм. Это совпадает с имеющимися данными об успешном использовании термопар диаметром не более 0,254 мм в полях частотой 450 кГц. При повышении частоты необходимо применять более тонкие термопары. Малое время нагрева и выдержки расплавленного металла перед выливом, а также то, что в случае индукционного нагрева температура тигля не превышает температуру расплава, позволили использовать тонкостенные (1,2—2,0 мм) кварцевые тигли вплоть до температур около 1600 °С, т. е. с учетом необходимого перегрева для закалки сплавов с температурой плавления до 1400—1500 °С. При работе с более тугоплавкими материалами использовались тигли из окиси алюминия, а также наконечники из карбонитрида бора и нитрида кремния. Применение сопла с круглым отверстием позволяет получать ленты шириной (1,1—2,5) doтв. что при обычном диапазоне диаметров отверстий doтв = 0,4/1,2 мм (увеличение dотв может приводить к самопроизвольному истечению расплава) составляет 0,4—3 мм. При использовании щелевых сопел (ширина щели 0,4—1,2 мм, длина 6—40 мм) ширина ленты совпадает с длиной щели. Затвердевание расплава происходит на боковой цилиндрической поверхности диска диаметром 300 мм и шириной 60 мм. Использовались сменные диски, изготовленные из меди, углеродистой или нержавеющей стали, а также меди с нанесенным электролитически на поверхность слоем хрома толщиной порядка 100 мкм. Электромотор постоянного тока мощностью 0,8 кВт обеспечивает вращение диска со скоростью до 4600 об/мин, что соответствует максимальной линейной скорости поверхности диска более 60 м/с. Скорость вращения измерялась с помощью фотоэлектрического цифрового тахометра. Все диски были тщательно отбалансированы для снижения уровня вибраций, биение ка рабочей поверхности диска составляло не более 0,01 мм даже в области собственных резонансных частот установки. Предусмотрена возможность токарной доводки и шлифовки диска непосредственно в рабочем положении. Устройство крепления тигля обеспечивает четыре степени свободы и позволяет с достаточно большой точностью устанавливать угол наклона а тигля по отношению к нормали к поверхности диска и расстояние Δhc между концом сопла и этой поверхностью. Геометрия, структура и другие характеристики получаемых лент определяются совокупностью ряда технологических параметров процесса спиннингования, к наиболее важным из которых можно отнести следующие: температура расплава; форма, сечение, наклони скорость подачи струи расплава; материал, температура, скорость движения и состояние поверхности охлаждающего диска; расстояние между соплом и этой поверхностью; состав и давление окружающей газовой среды. Повышение температуры расплава перед выливом может оказывать двоякое влияние на достигаемую скорость vохл: с одной стороны, перегрев расплава несколько уменьшает ее за счет локального разогрева охлаждающей поверхности (разница в на 100 °С вызывает изменение vохл на 5—7 %), с другой — вследствие уменьшения вязкости и поверхностного натяжения расплав растекается в более тонкую ленту, что приводит к увеличению vохл. Относительно величины оптимального перегрева расплава перед выливом единого мнения пока нет. Использовались перегревы ΔTр = Tp - Tпл порядка 75—100 °С для получения аморфных сплавов на основе Ni, 30—200 °С — на основе Fe, Co и Ni, 100—450 °С — для сплавов системы Fe—В. Отмечено, что достаточно высокая вязкость расплава перед выливом способствует получению аморфных лент большей толщины и улучшенного качества. Исследования процесса образования ленты с помощью высокоскоростной киносъемки показали, что для получения однородной по толщине и ширине ленты необходимо формирование в месте попадания струи на поверхность диска стабильной лужицы расплавленного металла, являющейся локальным резервуаром, из которого непрерывно вытягивается лента. На форму и стабильность лужицы в основном влияют форма и площадь сечения, скорость и стабильность струи, состояние поверхности закалочного диска, а также окружающая газовая среда. Возможные явления нестабильности струи (нестабильности Рэлея, Марангони, капиллярные волны), хотя они экспериментально и не наблюдались; по-видимому, нарушения течения струи до определенного предела как бы поглощаются лужицей и не распространяются на ленту. Увеличение скорости струи, которую можно регулировать изменением прикладываемого для выдавливания расплава избыточного давления Рв, способствует уменьшению или устранению нестабильностей. При типичных для спиннингования круглой струи условиях капиллярные нестабильности подавляются при скорости струи vc ≥ 0,13 Δho(σ/ρжrc3)1/2 =0,41 м/с (σ и ρж — соответственно поверхностное натяжение и плотность жидкого металла; rc — радиус струи). Связь скорости струи с давлением Pв определяется уравнением Бернулли и при направлении движения струи вдоль радиуса диска может быть приближенно представлена в виде  где Р0 — давление на выходе из сопла; H — высота столба жидкого металла над срезом сопла. Условием получения непрерывной ленты является равенство количества подаваемого в единицу времени расплава количеству образующейся за то же время ленты:  где Sс и Sл — площади сечения струи и ленты. Из (2.19) и (2.20) видно, что диапазон допустимых скоростей диска вполне определенным образом связан с избыточным давлением над расплавом. На рис. 2.10 показана область расчетных значений vд и (Pв — Р0) для получения непрерывных аморфных лент толщиной от 20 до 60 мкм в сопоставлении с экспериментальными результатами. Повышение давления над выливаемым расплавом приводит к увеличению толщины ленты и к большей производительности процесса, однако здесь необходимо учитывать, что с ростом увеличивается и параллельная поверхности диска пульсационная составляющая скорости vп, возникающая вследствие возмущений потока в лужице. Превышение критической величины vп, определяемой давлением Лапласа в лужице, приводит к потере геометрической устойчивости последней и в итоге — к фонтанированию расплава в сторону, противоположную вращению диска. Из (2.20) следует, что формирование постоянной по сечению ленты возможно только при постоянной скорости истечения струи. Поскольку высота столба расплава в процессе литья непрерывно уменьшается, то для поддержания постоянства (см. (2.19)) необходимо либо компенсировать это уменьшение путем увеличения либо поддерживать Н постоянной, непрерывно подпитывая расплав.  При закалке небольших масс расплава в лабораторных условиях изменение за счет изменения Н обычно невелико (3 % при 20 г сплава в тигле диаметром 15 мм), и им обычно пренебрегают, чтобы не усложнять оборудование, однако в условиях промышленного получения широких лент этой проблеме приходится уделять серьезное внимание. Кроме значительной массы расплава, это связано также с тем, что плоская струя обладает гораздо меньшей устойчивостью по сравнению с цилиндрической (при обычных сечениях щели сопла с отношением ее длины к ширине в диапазоне 20—100 характеризующее устойчивость струи давление Лапласа меньше в 15—100 раз, чем для цилиндрической струи), поэтому необходимо минимизировать расстояние Δhc до —0-6 мм. В этом случае лужица расплавленного металла механически ограничена краем сопла и поверхностью диска, и ее роль в качестве промежуточного резервуара в значительной степени ослабляется. Эти особенности накладывают более жесткие рамки на биение закалочного диска, постоянство расстояния Δhc и скорости подачи расплава. Для обеспечения последнего разработаны специальные устройства, основанные как на поддержании постоянного уровня расплава, так и на автоматическом регулировании давления. Влияние внешних воздействий на геометрию лужицы и локальные изменения толщины образующейся ленты может быть проиллюстрированно изменением коэффициента теплопередачи через границу раздела h. Возможные причины локального уменьшения h и, следовательно, уменьшения толщины ленты показаны на рис. 2.11 (2 — струя расплавленного металла). Такими причинами могут быть частицы пыли 4, 10, попадающие на расплав и на диск 11 из окружающей атмосферы; кусочки ленты 5, приставшие к диску при предшествовавших его оборотах; продукты реакции расплава с окружающей средой 3, 6; газовые пузырьки 9, захваченные в пространство между лентой 7 и диском из окружающего вращающийся диск газового пограничного слоя либо образующиеся по другим механизмам; а также несовершенства поверхности диска 8 (неоднородность физических свойств материала, царапины и т. п.). Кроме того, возможны периодические изменения величины h во времени, связанные с колебаниями лужицы 1 и изменениями давления в ней, вызванными вибрациями и т. п. Как видно, в основном большинство перечисленных причин обусловлено окружающей атмосферой. Склонные к окислению расплавы следует закалять в инертной среде или вакууме, а к изменению состава в результате испарения — в инертной среде. Параметры газового пограничного слоя существенно влияют не только на захват газовых пузырьков (который, естественно, уменьшается с понижением давления, но и, что не менее важно, на геометрию ленты. Так, показано, что турбулентность пограничного газового потока в области лужицы, возникающая при числах Рейнольдса (Re = [vгwP/R0Т]х[М/η], где vг —скорость газа, предполагаемая равной скорости поверхности диска vд, w — ширина лужицы расплавленного металла, примерно равная ширине ленты; P — давление; T — температура; М — молекулярная масса; η — вязкость газа) больше критического значения Re = 2000 (нестабильность Кельвина — Гельмгольца), приводит к резкому ухудшению качества кромок ленты (возникновению «елочки»). Такой подход позволяет определить условия (предельные значения Pв и vд), при которых в атмосфере различных газов при разных давлениях могут быть получены ленты аморфных сплавов определенной ширины с ровными краями. Следует отметить, что хотя оптимальной средой при таком подходе является вакуум, использование гелия при давлении вплоть до атмосферного практически не ухудшает геометрию ленты. Это имеет важное практическое значение, поскольку закалка в вакууме приводит к улучшению смачивания диска расплавом (что в определенных пределах оказывает благоприятное влияние) вплоть до возможного приваривания ленты к поверхности диска. Предложена более простая возможность получения лент не худшего качества, чем в вакууме или гелии, с помощью коаксиального обдува струи газом или сжатым воздухом, который стабилизирует струю и разрушает пограничный газовый слой. Другой способ стабилизации струи, заключающийся в создании вокруг лужицы локальной защитной атмосферы, также позволяет существенно уменьшить влияние пограничного слоя и практически устранить взаимодействие расплава с воздухом. Как показано в наших экспериментах, этот способ эффективен не только для цилиндрической, но и для плоской струи, причем подача гелия в зону вокруг лужицы приводит к лучшим результатам по сравнению с аргоном. Благоприятно влияет также применение устройства для отсекания газового потока, увлекаемого поверхностью диска, даже без создания защитной атмосферы.  Исследование контактировавшей с диском стороны лент показывает, что и в условиях закалки при пониженном давлении или в вакууме на ней образуются полости. Это означает, что захват газа из пограничного слоя является не единственной причиной образования таких полостей. Источником газовых включений может быть также остаточный адсорбированный слой газа на поверхности диска или газ, растворенный в жидком металле. Кроме того, образование полостей, возможно, обусловлено и кавитацией, вызванной нестабильностями лужицы или шероховатостями поверхности диска. Механизмы образования неконтактных (lift-off) областей и результирующие картины смачивания подробно рассмотрены в работе. В случае литья на гладкую поверхность диска полости образуются в местах флуктуаций угла смачивания (меньше некоторого критического значения), вызванных нестабильностями лужицы. Наличие периодических колебаний лужицы будет в этом случае приводить к формированию в ленте повторяющихся поперечных несовершенств, называемых «рыбья чешуя» (fish scale) и представляющих собой вытянутые вдоль ленты полости, которые располагаются рядами поперек ленты. При литье на шероховатую (до 5—10 мкм) поверхность диска полости формируются на впадинах поверхности, причем размер полостей при этом меньше и распределены они обычно более равномерно. Относительная площадь контакта ленты с диском в этом случае больше, что обусловливает увеличение среднего коэффициента теплопередачи h (примерно на 40 %). Применение поперечной шлифовки диска округляет образующиеся полости и способствует их равномерному распределению. Возрастание площади контакта наблюдается также при увеличении линейной скорости поверхности диска vд (от 60 до 85 % при изменении vд от 15 до 26,6 м/с). Следует подчеркнуть, что скорость поверхности диска относится к наиболее важным технологическим параметрам, так как она весьма сильно влияет на толщину ленты (d ~ vд-(0,8-1)) и соответственно на vохл. Структура и свойства получаемых лент, как отмечалось выше, определяются главным образом именно vохл в процессе ЗЖС. С целью воздействия на режим охлаждения в ходе закалки для достижения различным образом релаксированных состояний материала в ряде случаев использовали принудительное ограничение длины контакта ленты с диском или повышение температуры диска. |
