СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ НАНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК
RECEIVING METHOD OF CONTINUOUS NANOMETALLIC BLANKS

Изобретение относится к металлургии, в частности для получения непрерывных нанокристаллических заготовок.
Известен способ получения непрерывных деформированных заготовок из измельченных материалов [1. Патент RU №2198054. Способ получения непрерывных деформированных заготовок из измельченных материалов и устройство для его осуществления. / В.В.Стулов, В.И.Одиноков, В.И.Меркулов, Б.Н.Марьин. Опубл. 10.02.2003. Бюл. №4], принятый заявителем за прототип, включающий засыпку измельченного материала в кристаллизатор, одна пара вертикальных стенок которого выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а вторая пара - с возможностью вращательного движения, и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона к вертикали, распыливание в кристаллизаторе жидкого металла через два ряда струй вдоль стенок второй пары с расширенным в верхней части участком в количестве, не превышающем 40-50% получаемой смеси, подачу инертного газа и металлических лент вдоль стенок второй пары, обжатие смеси, калибровку поверхности заготовки и ее непрерывное выталкивание, причем измельченный материал, распыливаемый металл и металлические ленты изготовлены из однородного металла, две металлические ленты перед засыпкой измельченного материала заводят в кристаллизатор и замыкают в замок, засыпка измельченного материала производится между двумя рядами струй распыливаемого в кристаллизаторе жидкого металла.
Недостатки известного способа [1] заключаются в следующем:
1. Засыпаемый измельченный материал состоит из кристаллов, которые при нагревании, в результате взаимодействия с распыляемым жидким металлом, увеличиваются в размерах.
2. Невозможно равномерно переохладить весь материал ниже температуры кристаллизации.
3. Низкая скорость отвода тепла измельченным материалом от распыляемого жидкого металла.
Известен способ получения наноматериалов в результате нанокристаллизации [2. Суздалев И.П. Нанотехнология: пути развития и перспективы. // Вестник РФФИ. №6 (50). 2006. С.27], который как и в случае атомной кристаллизации, позволяет создавать материалы с высокой степенью упорядочения. На основе молекулярных кластеров создаются монокристаллы, в которых роль атомов и молекул выполняют кластеры металлов.
Предложенный способ направлен на получение непрерывных нанокристаллических заготовок из переохлажденного металла.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого способа, заключается:
1. В возможности получения нанокристаллических заготовок, за счет управления процессом кристаллизации металла.
2. В повышении производительности процесса получения нанокристаллических заготовок за счет организации непрерывного процесса.
Заявляемый способ характеризуется следующим существенными признаками.
Ограничительные признаки: способ получения непрерывных нанокристаллических заготовок в кристаллизаторе, одна пара вертикальных стенок которого выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения, а вторая пара - с возможностью вращательного движения и имеет в верхней части расширенный участок с углом наклона к вертикали, включающий подачу инертного газа вдоль второй пары стенок кристаллизатора, распыливание металла в два ряда струй, обжатие металла, калибровку поверхности заготовки и ее непрерывное выталкивание.
Отличительные признаки: в кристаллизаторе распыливают предварительно подготовленный переохлажденный ниже температуры кристаллизации жидкий металл, находящийся в аморфном состоянии, двумя рядами струй, между которыми, вдоль стенок второй пары кристаллизатора подают перегретый жидкий металл, однородный распыляемому металлу, при этом в кристаллизаторе происходит выравнивание температур перегретого и переохлажденного металлов и их одновременная кристаллизация. При этом количество распыляемого металла в кристаллизаторе составляет 25-40% от общего количества металла в кристаллизаторе. Кроме того, заливку перегретого жидкого металла в кристаллизатор производят периодически. Кроме того, обжатие металла в кристаллизаторе и калибровку поверхности заготовки производят с заданной частотой, зависящей от свойств металла.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Распыливание в кристаллизаторе предварительно подготовленного переохлажденного ниже температуры кристаллизации металла, находящегося в аморфном состоянии, позволяет создать во всем объеме кристаллизатора одинаковые условия для зарождения нанокристаллов.
Заливка перегретого жидкого металла, однородного распыливаемому металлу, в кристаллизатор между двумя рядами струй распыливаемого металла вдоль стенок второй пары с расширенным в верхней части участком позволяет управлять процессом кристаллизации всего металла в кристаллизаторе.
Заливка перегретого жидкого металла в кристаллизатор между двумя рядами струй распиливаемого металла исключает его переохлаждение за счет непосредственного контакта со стенками кристаллизатора, то есть создает условия для управления процессом кристаллизации и получения нанометаллических заготовок с высокой степенью упорядочения.
Известно [3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. Учебник для высших технических учебных заведений. - М.: Машиностроение, 1990. 528 с. См. с.31], что кристаллизация переохлажденного с высокой скоростью металла, находящегося в аморфном состоянии, невозможна по причине отсутствия зародышей. Для управления кристаллизацией переохлажденного металла его необходимо сначала подогреть до температуры, близкой к температуре кристаллизации [3. См. с.25, рис.19].
Выравнивание температуры металла в кристаллизаторе создает условия для протекания объемной кристаллизации подготовленного металла.
Одновременная кристаллизация металла в кристаллизаторе исключает возможность получения заготовок с различными зонами и размерами кристаллов, кроме нанокристаллических заготовок.
Раздельная подача в кристаллизатор одного и того же металла с различной температурой приводит к смещению равновесной диаграммы сплава к неравновесной, что уменьшает время пребывания кристаллов в идеальных условиях и требует меньших флуктуации состава для реализации зародышей в объеме расплава. В особенности это касается 2-х и более компонентных систем, в которых составы зародыша и расплава различны и зависят от температуры.
На стадии зарождения кристаллов соотношение в составах твердой и жидкой фаз должно быть таким, чтобы обеспечивалось хорошее смачивание [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. - М.: Металлургия, 1977, с.21].
В двухкомпонентных системах активности компонентов А и В различны и происходит процесс перекачки атомов в системе кристалл - жидкость, который должен приводить к образованию устойчивых зародышей, но для этого, как отмечалось, требуется длительное время и идеально равновесная температура.
Раздельная подача одного и того же металла с различной температурой создает градиент температур в расплаве, необходимый для быстрого развития процесса и его перевода в неравновесное состояние. Кроме этого, отвод тепла в кристаллизаторе изменяет кинетику процесса и создаются условия для реализации неравновесных форм роста.
к
Смешивание перегретого и переохлажденного жидкого металла в кристаллизаторе влияет на размеры и форму зародышей r в однокомпонентной системе, что следует из формулы [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. - М.: Металлургия, 1977, с.16].
,
0
где σ - поверхностное натяжение между твердой и жидкой фазами; М - молекулярная масса; Т - температура равновесия кристалл - жидкость; Т - температура переохлажденного жидкого металла; ρ - плотность зародыша; q - теплота плавления металла.
0
0
к
0
к
к
При прочих равных условиях температуры Т и Т могут изменяться. Из приведенной формулы следует, что при уменьшении (Т) слагаемое (Т-Т) возрастает, а размер зародыша r уменьшается. При увеличении Т r увеличивается. Кроме этого, с ростом температуры расплава изменяется σ, а соответственно изменяется r.
Для гранецентрированной кубической решетки (железо, никель) анизотропия σ не превышает 15% [Голиков И.Н., Маслеников С.Б. Дендритная ликвация в сталях. - М.: Металлургия, 1977, с.21], но этого достаточно, чтобы при направленном теплоотводе получили развитие в форме зародыша те направления, где затраты энергии на образование новой поверхности будут минимальными.
Заполнение разливочной емкости предварительно подготовленным переохлажденным ниже температуры кристаллизации металлом, находящимся в аморфном состоянии, исключает необходимость переохлаждения металла с высокой скоростью в кристаллизаторе до получения аморфного состояния.
Распыливание в кристаллизаторе переохлажденного ниже температуры кристаллизации металла в количестве менее 25% от общего количества металла в кристаллизаторе не позволяет создать во всем объеме кристаллизатора одинаковые условия для зарождения нанокристаллических заготовок.
Распыливание в кристаллизаторе переохлажденного ниже температуры кристаллизации металла в количестве более 40% от общего количества металла в кристаллизаторе создает условия, затрудняющие протекание процесса кристаллизации и образование нанокристаллов по причине нецелесообразного дополнительного переохлаждения металла в кристаллизаторе.
Периодическая заливка перегретого жидкого металла в кристаллизатор расширяет возможности процесса кристаллизации с образованием нанокристаллических заготовок в кристаллизаторе.
Обжатие металла в кристаллизаторе и калибровка поверхности заготовки с заданной частотой, зависящей от свойств металла, позволяет дополнительно управлять процессом образования нанокристаллических заготовок.
На фиг.1 приведен внешний вид устройства для реализации заявляемого способа, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Устройство состоит из разливочной емкости 1 с переохлажденным жидким металлом, отверстиями 2, перемещающейся решетки 3 со щелями 4, механизмов 5 перемещения решеток, емкости 6 с перегретым жидким металлом, стопора 7, погружного разливочного стакана 8, кристаллизатора 9 с одной парой вертикальных стенок 10 и второй парой стенок 11 с расширенным в верхней части участком 12 с углом наклона к вертикали и вертикальным нижним участком 13, термопар 14 и 15, подключенных в систему автоматического управления работой кристаллизатора. Вертикальные стенки 10 выполнены в виде тепловых труб с каналами 16 и оснащены нагревательными устройствами 17 и устройством охлаждения 18, термопарой 19.
Перед заполнением кристаллизатора 9 металлом вторая пара стенок 11 устанавливается в положение, при котором вертикальные нижние участки 13 оказываются на минимальном расстоянии друг от друга. Системой автоматического управления работой кристаллизатора 9 включаются нагревательные устройства 17 с разогревом вертикальных стенок 10 до температуры, зависящей от марки разливаемого металла и контролируемой по показаниям термопары 19.
Способ осуществляется следующим образом.
п
Параметры процесса: скорость разливки 3 м/мин; толщина заготовки 1-3 мм; ширина заготовки 2500 мм; массовый расход железа 3 кг/с, в том числе расход распыляемого железа 1,18 кг/с; температура перегрева железа Δt=30°С; температура переохлаждения железа Δt=50°С; температура плавления железа 1535°С; диаметр распыляемых струй железа 4 мм; количество струй 20, в том числе 10 струй в каждом ряду; частота обжатия железа в кристаллизаторе и калибрования поверхности заготовки равняется 300 в минуту. Высота кристаллизатора 1,5 м; ширина кристаллизатора 2,5 м. Последовательность действий при реализации способа. Из разливочной емкости 1 через отверстия 2 диаметром 4 мм и щели 4 в решетке 3 механизмом 5 перемещения решеток переохлажденное железо с температурой 1485°С поступает в кристаллизатор 9 на расширенные в верхней части участки 12 с углом наклона 10° к вертикали второй пары стенок 11. Одновременно из емкости 6 при помощи стопора 7 через погружной разливочный стакан 8 перегретое железо с температурой 1565°С периодически через 10 секунд поступает в центр кристаллизатора 9. После заполнения кристаллизатора 9 перемешанным железом и получения сведений о его температуре по показаниям термопар 14 и 15, системой автоматического управления работой кристаллизатора 9 отключаются нагревательные устройства 17 в вертикальных стенках 10 с каналами 16. Включается привод стенок кристаллизатора 9. В результате вторая пара стенок 11 совершает сложное вращательное движение с обжатием кристаллизующегося железа (число обжатий 300 за 1 мин) на расширенных в верхней части участках 12 с углом наклона 10° к вертикали и калиброванием поверхности нанокристаллической заготовки на вертикальных низких участках 13, а пара вертикальных стенок 10 совершает возвратно-поступательное перемещение с выталкиванием заготовки из кристаллизатора. В зависимости от температуры железа в кристаллизаторе системой автоматического управления работой кристаллизатора 9 устанавливается расход охлаждающей среды в устройстве охлаждения 18, а также скорость привода стенок кристаллизатора, обеспечивающие получение непрерывной нанокристаллической заготовки длиной 3 м за 1 мин.