СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АМОРФНЫХ И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТ СКОРОСТНОЙ ЗАКАЛКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FABRICATING OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE METALLIC STRIPS BY VELOCITY TEMPERING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к металлургии, а именно к области получения металлических лент из расплавов методом быстрого охлаждения.
Известна установка для получения металлических лент, описанная в книге «Метастабильные и неравновесные сплавы» под ред. Ю.В.Ефимова, М., Металлургия, 1988 г., с.107.
Установка содержит тигель-сопло в виде кварцевой трубки диаметром 15-25 мм, оканчивающейся в нижней части щелью. Снаружи трубка охвачена витками высокочастотного индуктора. Тигель-сопло установлено над диском-холодильником, имеющим возможность вращения. Полученный в тигель-сопле аморфный или нанокристаллический расплав при подаче в верхнюю часть тигель-сопла инертного газа под избыточным давлением разливают через щель сопла на поверхность вращающегося диска холодильника.
Недостатком известной установки является возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла, так как при этом весь расплав выливается на вращающийся диск. Кроме того, известная установка не обеспечивает стабильности процесса в начале разлива расплава, так как находящийся в зоне щели сопла расплав «подмораживается».
Известно устройство для получения аморфной металлической полосы по патенту RU 2070472, выбранное заявителем в качестве прототипа вариантов выполнения установки разливки аморфных и нанокристаллических сплавов и способа изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава.
Известное устройство содержит тигель с индуктором, помещенные в герметичную стальную камеру с крышкой, причем в дне тигля отсутствует отверстие. Расплав под избыточным давлением подается в щелевое сопло, перекрываемое шибером, через металлопровод, выполненный в виде П-образной трубки, один конец которой опущен в тигель до дна, а другой конец соединен с соплом.
Известное устройство получения аморфной металлической полосы реализует способ изготовления аморфной полосы скоростной закалкой расплава, включающий плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.
Сущность известного способа, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что расплав подается в сопло через трубку, один конец которой погружен в расплав до дна тигля, а другой конец трубки соединен с соплом, расположенным под тиглем. После расплавления загруженного в тигель металла в расплав погружают трубку-металлопровод так, чтобы короткое плечо трубки опустилось до дна тигля, а длинное плечо вошло в отверстие в днище камеры, после чего отверстие герметизируется огнеупорной прокладкой, прикрепляется рамка с соплом, соединяя сопло с металлопроводом, камера опускается к диску, устанавливая зазор между соплом и диском величиной 0,15-0,5 мм, и в камеру через трубку подается газ под давлением, достаточным, чтобы расплав прошел через металлопровод в щель сопла к вращающемуся диску. Получается металлическая полоса с аморфной структурой.
При аварийном разрушении сопла в камере вместо давления создается разрежение и расплав «всасывается» из металлопровода обратно в тигель, позволяя сменить сопло и вновь «выдавить» расплав на диск.
Конструкция прототипа позволяет устранить недостатки первого аналога, а именно вывести зону разлива расплава из зоны его плавки, что снижает возможность создания аварийной ситуации, и исключить возможность «подмораживания» расплава в зоне щели сопла.
Однако прототипу присущи следующие недостатки: усложнение конструкции установки за счет введения в нее П-образно изогнутого металлопровода и необходимость его периодической замены.
Кроме того, при аварийном разрушении сопла камера должна быть оборудована автоматическим устройством замены режима давления на разрежение.
Техническим результатом предложенных технических решений является устранение недостатков прототипа, а именно:
- упрощение конструкции;
- увеличение межремонтных сроков установки;
- исключение опасной аварийной ситуации и «подмораживания» расплава в зоне отверстия-сопла в период плавки.
Технический результат изобретений направлен на устранение указанных недостатков прототипа и достигается следующими решениями, объединенными общим изобретательским замыслом.
Технический результат достигается тем, что в установке разливки аморфных и нанокристаллических сплавов, содержащей систему тигель-сопло, индуктор, диск-холодильник, блок подачи инертного газа, согласно первому варианту установки система тигель-сопло содержит две соединенные плавными переходами кварцевые трубки, расположенные под углом друг к другу, в одной из которых, расположенной горизонтально и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, выполнено отверстие-сопло для разливки металла на поверхность диска-холодильника, установка оборудована блоком создания разрежения в тигель-трубке, служащей для расплавления металла.
Кварцевые трубки могут быть расположены под прямым углом друг к другу.
Длина горизонтальной трубки, выполняющей функцию подвода металла к диску-холодильнику, может превышать ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.
Отверстие-сопло выполнено на периферии горизонтальной трубки и расположено над диском-холодильником и за пределами индуктора.
Диаметр тигель-трубки, выполняющей функцию тигля, превышает диаметр горизонтальной трубки, снабженной отверстием-соплом.
Отверстие-сопло для разлива расплава на диск-холодильник может быть выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.
Технический результат достигается также тем, что в установке разливки аморфных и нанокристаллических сплавов, содержащей систему тигель-сопло, индуктор, диск-холодильник, блок подачи инертного газа, согласно второму варианту установки система тигель-сопло содержит изогнутую под углом кварцевую трубку, одно плечо которой расположено горизонтально, снабжено отверстием-соплом и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику и разливки через отверстие-сопло металла на поверхность диска-холодильника, установка оборудована блоком создания разрежения в другом плече трубки, снабженном индуктором и выполняющем функцию тигля, служащего для расплавления металла.
Горизонтальное плечо кварцевой трубки может быть расположено под прямым углом к другому плечу трубки, снабженному индуктором и выполняющим функцию тигля, служащего для расплавления металла.
Длина горизонтального плеча трубки, выполняющего функцию подвода металла к диску-холодильнику, может превышать ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза.
Отверстие-сопло выполнено на периферии горизонтального плеча трубки и расположено над диском-холодильником и за пределами индуктора.
Диаметр плеча трубки, выполняющего функцию тигля, превышает диаметр горизонтального плеча трубки, снабженного отверстием-соплом.
Отверстие-сопло для разлива расплава на диск-холодильник может быть выполнено в виде щели шириной 0,4-0,6 мм.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава, включающем плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника, согласно предлагаемому способу плавку ведут в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, во время расплавления металла над поверхностью расплава создают разрежение 0,2-0,6 атм и формируют в плавильном пространстве тигель-трубки столб расплава, затем в тигель-трубку подают инертный газ под давлением 0,1-0,3 ати и расплав перемещают из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки и через отверстие-сопло выпускают на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.
Высота в плавильном пространстве тигель-трубки висящего столба расплава может составлять не более 30-60 мм.
3
Плотность расплава в тигель-трубке может составлять не менее 7-7,5 г/см.
Согласно первому варианту установки выполнение системы тигель-сопло в виде двух соединенных плавными переходами кварцевых трубок, расположенных под углом друг к другу, в одной из которых, расположенной горизонтально и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, выполнено отверстие-сопло для разливки металла на поверхность диска-холодильника, обеспечивает упрощение конструкции установки, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в период плавки и разливки и аварийную ситуацию, т.к. весь расплав в процессе плавки и разливки находится вне зоны диска-холодильника. Кроме того, увеличиваются межремонтные сроки установки, так как отпадает необходимость периодической замены П-образного металлопровода и керамического щелевого сопла, что требуется по прототипу.
Расположение кварцевых трубок под прямым углом друг к другу является наиболее предпочтительным с точки зрения исключения аварийной ситуации, возможны варианты расположения трубок под тупым углом друг к другу.
Оборудование установки блоком создания разрежения в тигле над расплавом позволяет удерживать расплав во время его разогрева в трубке тигля, что исключает «подмораживание» расплава в щели сопла и повышает стабильность процесса разлива сплава.
Превышение диаметра кварцевой тигель-трубки над диаметром кварцевой трубки-сопла обеспечивает стабильность подачи расплава из тигля в сопло, что повышает качество получаемой металлической ленты.
Выполнение длины горизонтальной трубки-сопла превышающей в 1,8-2,0 раза ширину диска холодильника обеспечивает вынесение зоны разлива расплава из зоны его плавки, при этом плавильное пространство тигель-трубки будет находиться вне зоны диска-холодильника и снизит возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла.
Расположение отверстия-сопла на периферии горизонтальной трубки и над диском-холодильником, т.е. за пределами индуктора, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в начале периода разливки, обеспечивает стабильность литья на вращающийся диск-холодильник, а также исключает аварийную ситуацию в случае разрушения сопла.
Наиболее предпочтительной шириной отверстия-сопла, выполненного в виде щели, является ширина, равная 0,4-0,6 мм.
Согласно второму варианту установки выполнение системы тигель-сопло в виде изогнутой под прямым углом кварцевой трубки, одно плечо которой расположено горизонтально, снабжено отверстием-соплом и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику и разливки металла через отверстие-сопло на поверхность диска-холодильника, позволяет упростить конструкцию установки, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в период плавки и разливки, снижает аварийность ситуации, так как весь расплав в процессе плавки и разливки находится вне зоны диска-холодильника.
Кроме того, второй вариант выполнения установки по сравнению с первым вариантом выполнения проще в изготовлении, прочнее и обеспечивает увеличение межремонтных сроков.
Оборудование установки блоком создания разрежения в тигле над поверхностью расплава, позволяющим удерживать расплав во время его разогрева в тигель-трубке, исключает «подмораживание» расплава в щели сопла и повышает стабильность процесса разлива сплава.
Расположение изогнутых плеч кварцевых трубок под углом друг к другу, преимущественно под прямым углом, является наиболее предпочтительным с точки зрения исключения аварийной ситуации, одновременно возможны варианты расположения плеч трубки под другим углом друг к другу.
Выполнение длины горизонтального плеча трубки превышающей ширину диска-холодильника в 1,8-2 раза обеспечивает вынесение зоны разлива расплава из зоны его плавки, что снижает возможность создания аварийной ситуации в случае разрушения сопла.
Выполнение отверстия-сопла на периферии горизонтального плеча трубки и расположение его над диском-холодильником исключает «подмораживание» расплава в щели сопла в начале периода разливки и обеспечивает стабильность литья на вращающийся диск-холодильник, а также исключает аварийную ситуацию в случае разрушения сопла.
Превышение диаметра плеча тигель-трубки над диаметром плеча трубки-сопла обеспечивает стабильность подачи расплава из тигля в сопло, что повышает качество получаемой металлической ленты.
Наиболее предпочтительными размерами отверстия-сопла, выполненного в виде щели, являются длина, равная ширине получаемой ленты, и ширина, равная 0,4-0,6 мм.
Создание разрежения 0,2-0,6 атм на время расплавления металла в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с горизонтальной трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику, над поверхностью расплава позволяет сформировать в плавильном пространстве тигель-трубки столб расплава, не перемещаемого из него заданное время расплавления.
За время расплавления расплав «висит» в тигель-трубке до момента подачи в нее инертного газа под избыточным давлением 0,1-0,3 ати к атмосферному, не перемещаясь в разливочное пространство горизонтальной трубки. Подача в тигель-трубку инертного газа под давлением 0,1-0,3 ати обеспечивает перемещение расплава из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки и выпуск его через отверстие-сопло на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.
Как показали опытные испытания способа, наиболее оптимальной высотой столба расплава в плавильном пространстве тигель-трубки является высота в пределах 30-60 мм.
3
3
Плотность расплава железистых сплавов, например 5БДСР, в тигель-трубке составляет 7,3 г/см, плотность расплава кобальтовых сплавов, например 84КХСР, в тигель-трубке составляет 7,5 г/см.
Сущность предложенных изобретений поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема установки (первый и второй варианты выполнения) в процессе плавки металла.
На фиг.2 показана схема установки (первый и второй варианты выполнения) в процессе литья ленты.
Установка получения ленты из аморфных и нанокристаллических сплавов по первому варианту выполнения содержит систему тигель-сопло 1, выполненную из двух соединенных плавным переходом кварцевых трубок 2 и 3, расположенных под прямым углом друг к другу. Вертикальная трубка 2 выполняет функцию тигля, а горизонтальная трубка 3 выполняет функцию сопла. Трубка 2 снаружи охвачена витками 4 высокочастотного индуктора 5. В трубке 3 выполнено щелевое отверстие-сопло 6 для разлива сплава, а круглое отверстие на конце трубки закрыто керамической пробкой 7. Система тигель-сопло 1 устанавливается таким образом, чтобы щелевое отверстие-сопло 6 горизонтальной трубки 3 было расположено над диском-холодильником 8. Установка снабжена блоком создания разрежения в трубке 2 и блоком подачи в нее инертного газа (на чертежах не показаны).
Установка получения ленты 10 из аморфных и нанокристаллических сплавов по второму варианту выполнения содержит систему тигель-сопло 1, выполненную из изогнутой под прямым углом кварцевой трубки 2, одно плечо 3 которой расположено горизонтально, снабжено щелевым отверстием-соплом 6 и выполняет функцию провода расплавленного металла к диску-холодильнику 8 и разливки через отверстие-сопло 6 расплавленного металла на поверхность диска-холодильника 8.
Установка оборудована блоком создания разрежения и блоком подачи в нее инертного газа (на чертежах не показаны) в плече 9 трубки 2. Плечо 9 трубки 2 снаружи охвачено витками 4 высокочастотного индуктора 5 и выполняет функцию тигля, служащего для расплавления металла.
Установка (первый и второй варианты выполнения) работает следующим образом.
В трубку 2 тигель-сопла 1 загружают шихту, включают в работу блок создания в трубке 2 разрежения. Затем подают ток на витки 4 индуктора 5. Образующийся в тигле 2 расплав за счет разрежения в верхней части тигля удерживается в нем. После полного расплавления шихты приводят во вращение диск-холодильник 8, в тигель 2 подают под избыточным давлением инертный газ, например аргон. Расплав по трубке 3 поступает к разливочной щели 6 и выливается на диск-холодильник 8, где мгновенно охлаждается, превращаясь в металлическую ленту 10.
Способ изготовления малых партий ленты скоростной закалкой расплава включает плавку сплава в тигле с индуктором, подвод расплава к диску-холодильнику и разливку его под давлением на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника. Плавку ведут в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику.
Во время расплавления металла над поверхностью расплава создают разрежение 0,2-0,6 атм и формируют не перемещаемый из плавильного пространства тигель-трубки столб расплава. Затем в тигель-трубку подают инертный газ под давлением 0,1-0,3 ати, избыточным к атмосферному, расплав под действием избыточного давления перемещают из плавильного пространства тигель-трубки в разливочное пространство горизонтальной трубки, затем через отверстие-сопло его выпускают на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.
Пример конкретного осуществления способа
3
Изготавливали единичные партии развесом до 250 г аморфной ленты марок 5БДСР и микрокристаллической ленты марок 84ЛХСР скоростной закалкой расплава. Расплав получали при разрежении 0,25 атм в плавильном пространстве тигель-трубки, снабженной индуктором и выполняющей функцию тигля, соединенной с расположенной горизонтально трубкой, имеющей отверстие-сопло и выполняющей функцию подвода расплавленного металла к диску-холодильнику. Формировали столб расплава высотой 60 мм и плотностью 7,3 г/см, не перемещаемый из плавильного пространства тигель-трубки.
В тигель-трубку подавали инертный газ под давлением 0,23 ати, избыточным к атмосферному, и перемещали расплав по горизонтальной трубке к щелевому отверстию-соплу шириной 0,45 мм. Через щелевое отверстие расплав разливали на наружную поверхность вращающегося диска-холодильника.
Предложенные изобретения опробованы на опытной установке в лаборатории по разработке и контролю аморфных и микрокристаллических сплавов ОАО «Ашинский металлургический завод».