СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ ИЛИ МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ МЕТОДОМ СВЕРХБЫСТРОЙ ЗАКАЛКИ РАСПЛАВА
PRODUCTION OF AMORPHOUS OR FINE-GRAIN MATERIALS FOR FABRICATION OF SINTERED PERMANENT MAGNETS BY ULTRA RAPID QUENCHING OF MELT

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве материалов с аморфной или мелкокристаллической структурой методом сверхбыстрой закалки жидких сплавов, которые, в свою очередь, могут быть использованы в самых различных областях техники, в том числе, для изготовления высокоэффективных спеченных постоянных магнитов Fe-Nd-B.
Известен способ получения аморфных или мелкокристаллических материалов, который может быть использован для изготовления спеченных постоянных магнитов, методом сверхбыстрой закалки расплава, в котором осуществляют расплавление сплава, подают его в виде струи расплава на вращающийся охлаждающий валок, а продукты кристаллизации получают при сходе ленты или чешуек с этого валка в направлении движения струи расплава (см. патент РФ на изобретение №2277995, МПК B22D 11/06, 2005). К недостаткам известного способа можно отнести недостаточно большую скорость охлаждения расплава из-за небольшой длительности и протяженности контакта затвердевающего расплава с охлаждающим валком, что не позволяет получить достаточно мелкокристаллическое структурное состояние материала, обладающее высоким комплексом физико-механических свойств. Кроме того, известный способ не обеспечивает высокую производительность получения аморфных или мелкокристаллических материалов в виду того, что охлаждение и кристаллизация расплава происходит только на одном охлаждающем валке, и производительность ограничена возможностью эффективного теплоотвода одним валком. Также в известном способе струя расплава создается путем принудительной ее подачи из тигля, что усложняет способ.
Наиболее близком по технической сущности к предлагаемому является способ получения аморфных или мелкокристаллических материалов для изготовления спеченных постоянных магнитов методом сверхбыстрой закалки расплава, в котором осуществляют расплавление сплава в тигле, подают его в виде струи расплава в зазор между двумя охлаждающими валками, вращающимися навстречу друг другу, и по направлению движения струи расплава, а продукты кристаллизации получают при сходе ленты или чешуек с обоих валков по направлению первоначального движения струи расплава (см. патент на изобретение ЕР 0633581 В1, МПК B22F 3/04, 1998). К недостаткам известного способа можно отнести недостаточно большую скорость охлаждения расплава в виду того, что при охлаждении и кристаллизации расплава на вращающихся в направлении движения струи расплава валках и получении продуктов кристаллизации при сходе ленты или чешуек с обоих валков в том же направлении, имеет место лишь небольшое налипание расплава на валки и быстрый сход продукта кристаллизации с валков, практически непосредственно после прохождения расплавом зазора между валками. Это приводит к небольшой длительности и протяженности контакта затвердевающего расплава с охлаждающими валками, что не позволяет получить достаточно мелкокристаллическое структурное состояние материала, обладающее высоким комплексом физико-механических свойств. Кроме того, в силу указанного выше обстоятельства, известный способ не обеспечивает высокую производительность получения аморфных или мелкокристаллических материалов, так как его производительность ограничена тем, что из-за небольшой длительности и протяженности контакта затвердевающего расплава с охлаждающими валками можно охладить с достаточной скоростью ограниченное количество расплава. Также в известном способе струя расплава формируется путем верхнего слива из тигля при использовании дополнительного разливочного валка, и требуется водяное охлаждение, что усложняет способ.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи, состоящей в получении мелкокристаллической структуры материала за счет высокой скорости охлаждения расплава в виде свободно падающей струи, а также в повышении производительности получения целевого продукта и упрощении способа.
Данная задача решается тем, что в способе получения аморфных или мелкокристаллических материалов для изготовления спеченных постоянных магнитов методом сверхбыстрой закалки расплава, в котором осуществляют расплавление сплава в тигле, подают его в виде струи расплава в зазор между двумя охлаждающими валками, вращающимися навстречу друг другу, и по направлению движения струи расплава, а продукты кристаллизации получают при сходе ленты или чешуек с обоих валков по направлению первоначального движения струи расплава, формируют свободно падающую струю расплава путем донного слива из тигля, а подачу ее осуществляют в зазор между постоянно перемещающимися относительно друг друга вдоль оси вращения валками, вращающимися с различными окружными скоростями, причем окружная скорость одного валка составляет 0,4-0,6 от окружной скорости вращения другого валка.
При этом предпочтительно, чтобы окружные скорости вращения валков составляли 0,3-3 м/с, струю расплава подавали на вращающиеся валки, диаметры которых составляют 200-1000 мм, а длина - 50-1000 мм. Также возможно, чтобы струю расплава подавали на вращающиеся валки, диаметры которых отличаются друг от друга.
Струя расплава может иметь круглое сечение диаметром 3-15 мм, а также прямоугольное сечение с толщиной 3-15 мм и шириной 3-1000 мм, а расстояние от места истечения расплава до оси валков может составлять 100-1000 мм.
Целесообразно, чтобы минимальный зазор между поверхностями валков составляло 0,5-1,5 мм.
Температура расплавов может составлять 500-2000°С.
Закалка расплавов может производиться на воздухе, в вакууме, в инертной среде, такой как аргон, гелий, азот, двуокись углерода.
Расплавление сплава может производиться индукционным нагревом, а разлив производиться через нижний слив.
Также расплавление сплава может производиться в печах сопротивления или любыми известными другими методами.
Подача струи расплава между валками, вращающимися с различными окружными скоростями обеспечивает большую скорость охлаждения расплава в виду того, что при попадании струи в зазор между валками, расплав с одной стороны подтормаживается более медленно вращающимся валком, тонким слоем налипает на движущиеся валки, а затвердевающий расплав на большой протяженности длительное время контактирует с охлаждающими валками и быстро охлаждается при этом. Большая скорость охлаждения позволяет получить мелкокристаллическое структурное состояние материала, обладающее высоким комплексом физико-механических свойств. Высокая производительность получения аморфных или мелкокристаллических материалов достигается при этом за счет того, что при наличии большой скорости охлаждения имеется возможность за одно и то же время охладить и отвести от валков большее, по сравнению с прототипом, количество целевого продукта.
Оптимальность выбора окружной скорости одного валка, составляющей 0,4-0,6 от окружной скорости вращения другого валка, обусловлена тем, что, как показали наши экспериментальные исследования, при относительной скорости одного валка относительно другого менее 0,4 продукты кристаллизации просто не сходят с медленно вращающегося валка, а при относительной скорости одного валка относительно другого более 0,6 практически не происходит налипания затвердевающего расплава на валки и, соответственно, не достигается большой скорости охлаждения из-за небольшой протяженности и малого времени контакта расплава с охлаждающими валками.
Формирование свободно падающей струи расплава путем донного слива из тигля обеспечивает возможность быстрой подачи материала непосредственно в зону ускоренного охлаждения без потери тепла с последующей аморфизацией, а также получение мелкого размера зерен при кристаллизации, что упрощает способ и повышает качество целевого продукта.
Подача струи расплава в зазор между постоянно перемещающимися относительно друг друга вдоль оси вращения валками повышает эффективность охлаждения струи за счет того, что струя постоянно попадает на новое место поверхности валков не только в окружном, ни и в осевом направлении.
На фиг.1 представлена схема установки, при использовании которой может быть реализован предлагаемый способ получения аморфных или мелкокристаллических материалов методом сверхбыстрой закалки расплава.
Установка содержит тигель 1, имеющий в нижней части донное отверстие для формирования свободно падающей струи 3 расплава, снабженный устройством 2 для нагрева, например, высокочастотным индуктором. Под донным отверстием размещены два валка 4, вращающихся навстречу друг другу, и по направлению движения струи 3 расплава. Окружная скорость одного валка составляет 0,4-0,6 от окружной скорости вращения другого валка. Кроме того, валки 4 постоянно перемещаются относительно друг друга вдоль оси их вращения.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Металлический сплав помещают в тигель 1 и плавят с помощью устройства 2 для нагрева. Расплав подают в виде свободно падающей струи 3 через донное отверстие в зазор между двумя охлаждающими ватками 4, вращающимися навстречу друг другу и по направлению движения струи, а также постоянно перемещающимися относительно друг друга вдоль оси их вращения. При попадании струи в зазор между валками 4, расплав с одной стороны подтормаживается более медленно вращающимся валком, тонким слоем налипает на движущиеся валки, а затвердевающий расплав на большой протяженности длительное время контактирует с охлаждающими валками 4 и быстро охлаждается при этом. Причем струя расплава постоянно попадает на новое место поверхности валков 4 не только в окружном, но и в осевом направлении, что способствует эффективному ее охлаждению. Расплав кристаллизуется на поверхности обоих валков 4, происходит его сверхбыстрая закалка, и продукты сверхбыстрой закалки 5 отделяются от валков 4 под действием термических напряжений и центробежной силы. Продукты кристаллизации получают при сходе ленты или чешуек с обоих валков 4 по направлению первоначального движения струи расплава.
Пример реализации 1.
Сплав, имеющий состав Fe - 31% Nd - 1,3% B - 1% Ti, расплавляли при помощи высокочастотного индукционного нагрева в вакуумной индукционной печи с донным сливом и подавали в виде струи круглого сечения диаметром 8 мм в зазор (минимальный зазор составлял 0,5 мм) между валками диаметром 300 мм и длиной 300 мм, окружная скорость одного из которых составляла 1,5 м/с, а другого 0,7 м/с. Валки перемещали относительно друг друга вдоль направления оси вращения со скоростью 0,2 м/с. Полученные чешуйки толщиной 0,7 мм использовали при изготовлении спеченных постоянных магнитов Fe-Nd-В. Получены магнитные свойства Br - 1,35 Тл, iHc - 880 кА/м.
Пример реализации 2.
Сплав, имеющий состав Fe - 34% Nd - 1,3% B - 1% Ti, расплавляли при помощи высокочастотного индукционного нагрева в вакуумной индукционной печи с донным сливом и подавали в виде струи круглого сечения диаметром 8 мм в зазор (минимальный зазор составлял 0,5 мм) между валками диаметром 300 мм и длиной 300 мм, окружная скорость одного из которых составляла 1,5 м/с, а другого 0,7 м/с. Валки перемещали относительно друг друга вдоль направления оси вращения со скоростью 0,2 м/с. Полученные чешуйки толщиной 0,7 мм использовали при изготовлении спеченных постоянных магнитов Fe-Nd-B. Получены магнитные свойства Br - 1,3 Тл, iHc 880 кА/м.
Предлагаемый способ получения аморфных или мелкокристаллических материалов методом сверхбыстрой закалки расплава обеспечивает получение материалов, имеющих мелкокристаллическую структуру за счет высокой скорости охлаждения расплава, а также имеет высокую производительность получения целевого продукта.