Отримання швидкозагартованих високореакційних та тугоплавких сплавів при індукційному та плазмово-дуговому плавленні

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Підвищення надійності та довговічності приладів, машин і механізмів забезпечується застосуванням нових матеріалів з високим рівнем функціональних властивостей. Проте, сплави з традиційною кристалічною структурою, що широко застосовуються як конструкційні матеріали, інколи вже не забезпечують повною мірою експлуатаційні вимоги. У зв'язку з цим протягом останніх років спостерігається зростаючий інтерес до проблеми застосування аморфних і мікрокристалічних металевих матеріалів, властивості яких істотно відрізняються від властивостей тих же сплавів в кристалічному стані.

Найбільш розповсюдженим методом отримання аморфних і мікрокристалічних структур є надшвидке загартування розплаву. Для плавлення та накопичування розплаву в існуючих технологіях, використовують керамічні тиглі, виготовлені з вогнетривких матеріалів, наприклад кварцу, що дозволяє отримувати широку гамму швидкозагартованих сплавів. Але при плавці високореакційних сплавів безпосередній контакт кераміки з розплавом приводить до хімічної взаємодії, утворення неметалевих включень та руйнування тигля. Крім того, надшвидке загартування сплавів з підвищеною температурою плавлення ускладнюється розм'якшенням вогнетриву, утратою жорсткості конструкції та, як наслідок, дестабілізацією процесу. Тому отримання швидкозагартованих сплавів з високореакційних і тугоплавких сплавів із використанням існуючих технологій практично неможливе.

Вирішенням даної проблеми може бути створення технологій надшвидкого загартування та обладнання, які дозволять уникнути контакту кераміки з розплавом і впродовж тривалого часу витримувати високі температури. Основою для цього може служити плавка у водоохолоджуваному тиглі або кристалізаторі з потужним джерелом нагріву. У даному випадку найбільш придатними видами плавок, які можна ефективно застосувати, є індукційна плавка в секційному кристалізаторі (ІПСК) та плазмово-дугова плавка (ПДП) в гарнісажному тиглі. Проблеми мають бути вирішені за рахунок використання мідного водоохолоджуваного тигля, що забезпечує жорсткість конструкції, та його інертності до розплаву.

Для розробки технологій було використано багаторічний досвід Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ щодо застосування в металургії індукційної плавки в секційному кристалізаторі та плазмово-дугової плавки в гарнісажному тиглі, відзначений у роботах Григоренка Г.М., Лакомського В.Й., Шейка І.В., Торхова Г.Ф., Грановського В.К. Зазначені процеси спеціальної електрометалургії застосовуються при переплаві високореакційних і тугоплавких сплавів, титану, вольфраму, сплавів з підвищеним вмістом азоту та інших.

Останніми роками в інституті було створено лабораторне обладнання для надшвидкого загартування при ІПСК і ПДП та отримані зразки швидкозагартованих сплавів. Проте, для реалізації лабораторних технологій в промисловості необхідно було виконати додаткові дослідження, що вимагали всебічного вивчення та наукового узагальнення результатів. Вивчення закономірностей надшвидкого загартування при індукційній і плазмово-дуговій плавці та визначення технологічних особливостей процесів забезпечить створення новітньої технології отримання швидкозагартованих високореакційних і тугоплавких сплавів.

Мета і завдання дослідження: Метою роботи є дослідження та розробка технологій надшвидкого загартування високореакційних і тугоплавких сплавів із застосуванням індукційної плавки в секційному кристалізаторі та плазмово-дугової плавки у водоохолоджуваному тиглі.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

­ дослідити вплив режимів нагріву на температуру розплаву та визначити основні теплонавантажені вузли устаткування індукційної плавки в секційному кристалізаторі та плазмово-дугової плавки у водоохолоджуваному тиглі;

­ визначити технологічні режими отримання аморфних і мікрокристалічних сплавів методом надшвидкого загартування із застосуванням індукційної плавки в секційному кристалізаторі та плазмово-дугової плавки у водоохолоджуваному тиглі;

­ виконати числове моделювання процесу теплообміну між розплавом і барабаном-охолоджувачем при надшвидкому загартуванні, оцінити теплові навантаження та ефективність роботи конструкції охолоджувача;

­ дослідити якість швидкозагартованих сплавів, оцінити умови, які впливають на форму та стан отриманих виробів, вивчити процес кристалізації аморфної фази та порівняти фізико-механічні властивості в аморфному і кристалічному стані.

1. Способи отримання та властивості аморфних і мікрокристалічних матеріалів

У першому розділі дисертації приведено загальні властивості металів та сплавів з аморфною структурою, указані галузі застосування аморфних і дрібнокристалічних металів. Проведено літературний огляд існуючих технологій та устаткування для отримання аморфного стану у сплавах, приведені деякі характеристики способів та одержаних матеріалів, проаналізовані переваги й недоліки кожного способу. Зроблені висновки про необхідність розробки нової високоефективної технології, яка б забезпечила виробництво швидкозагартованих високореакційних сплавів та тих, що мають температуру плавлення більшу температури розм`якшення вогнетривів.

Наприкінці розділу зроблені висновки про доцільність застосування індукційної плавки у секційному кристалізаторі та плазмово-дугової плавки в гарнісажному тиглі для отримання високореакційних і тугоплавких металевих сплавів у аморфному та мікрокристалічному стані, поставлені задачі дослідження.

2. Устаткування та методики для відпрацювання технологічних режимів отримання швидкозагартованих металевих сплавів

Другий розділ присвячено опису лабораторного обладнання, а саме, вибору форми та технологічної схеми обладнання, створенню методики підготовки та проведення процесу плавки і надшвидкого загартування розплаву, опису методик виміру та контролю температури розплаву, опису методик вивчення структури швидкозагартованих сплавів та формування кристалічної структури внаслідок відпалу.

Особливістю реалізації процесу диспергування стало використання ефекту, відтискання розплаву при індукційній плавці. У процесі плавлення металевий розплав відтискається від стінок секційного кристалізатора під дією електромагнітних сил, що обумовлено взаємодією струмів, які протікають у секціях кристалізатора та струмів, індукованих у поверхневому шарі розплаву. Внаслідок цього розплав не має контакту зі стінками кристалізатора, а ванна своєю основою спирається на витратну заготовку. Відтиснення розплаву та безперервна подача заготовки знизу, приводить до підняття рівня ванни вище індуктора та кристалізатора, що дає змогу проводити процес диспергування без перешкод.

Такий спосіб плавки та диспергування розплаву повністю виключає можливість взаємодії розплаву з будь-якими чужорідними матеріалами. Також у процесі плавки можливе рафінування розплаву за рахунок витримки металу в рідкому стані, активного його перемішування, використання активних шлаків.

При проектуванні модуля для диспергування розглядалось три варіанта - без охолодження, з проточною водою та газовим охолодженням. Перші два не знайшли застосування внаслідок технологічних труднощів при експлуатації, тому подальші досліди проводилися на диску з газовим охолоджуванням, який показав задовільну експлуатаційну спроможність. Обладнання та технологія дозволяють отримувати швидкозагартовані сплави у вигляді луски.

Для отримання швидкозагартованної стрічки з розплаву застосовується спосіб спінінгування при індукційній плавці в керамічному тиглі, але ця схема непридатна для тугоплавких і високореакційних сплавів. Рішенням стає плазмово-дугова плавка в мідному водоохолоджуваному тиглі та зливі розплаву через керамічне сопло у донній частині тигля. Плавка відбувається в камері в середовищі аргону, а злив на барабан, що знаходиться у навколишньому середовищі. При необхідності загартування високореакційних сплавів барабан-охолоджувач також поміщають в камеру з інертною атмосферою.

Для необхідного перегріву розплаву та оптимальної форми і об'єму рідкого металу, експериментально установлено, що коефіцієнт форми тигля повинен дорівнюватися 0,4 (відношення глибини до діаметру), що забезпечить донний злив через сопло. Застосування змінного керамічного сопла не позбавило від проблем контакту розплавленого металу з керамікою, але значно скоротило площу контакту. Невеликі розміри та значна товщина стінки сопла дозволяє використовувати стандартні вогнетриви при більш високих температурах. У проведених дослідах в якості матеріалу сопла використовувалася пресована кварцова кераміка «керсил». Для процесу загартування застосовувалися барабани-охолоджувачі з міді та сталі з пасивним охолодженням.

Для проведення експериментів було обрано дослідні сплави, які складно отримувати, а іноді неможливо, за допомогою існуючих технологій. Насамперед це стосується сплавів, що містять високореакційні елементи та мають високу температуру плавлення. Основні досліди виконані на модельних сплавах, які легко оброблюються та відносно яких є літературні дані.

Дослідження технології отримання швидкозагартованої луски та стрічки вимагало розробки методик вивчення закономірностей плавлення металу, його витікання через щілину сопла та процесу загартування розплаву на поверхні барабана, що швидко обертається, проведення дослідів щодо поглинання теплової енергії елементами обладнання та розплавом. Для визначення структурних особливостей отриманого металу було розроблено методику для вивчення властивостей матеріалу, а саме, дослідження макроструктури поверхні та у переріз зразка, мікроструктури за допомогою електронних мікроскопів, рентгено-структурного аналізу, ВДТА; визначення фізичних властивостей та порівняння їх у швидкозагартованному стані та після відпалу.

3. Технологічні особливості плавлення та надшвидкого загартування сплавів

У третьому розділі стосовно диспергування розплаву при індукційній плавці в секційному кристалізаторі вивчено вплив режимів роботи індуктора на форму та температуру розплаву. Основні дослідження класичного переплаву при ІПСК виконані Григоренком Г.М., Шейком І.В, Висоцьким Г.А. Дослідження показали, що на поверхню форми ванни розплаву, який відтискається від стінок кристалізатора, впливає потужність та частота струму високочастотного генератора. На відміну від класичного ІПСК, для здійснення процесу диспергування необхідно було створити умови для підняття рівня розплаву над секційним кристалізатором. Внаслідок дії електромагнітного поля в розплаві виникає інтенсивне перемішування, що приводить до усереднення хімічного складу та температури ванни. У результаті досліджень установлено, що при частоті струму 66 кГц, при плавці сплаву ВТ1-0, ванна розплаву досягає максимального об'єму та оптимальної форми - купола. Зменшення частоти приводить до конусоподібної форми купола, що ускладнює процес перемішування та як наслідок охолодження верхньої частини розплаву, що негативно позначається на диспергуванні.

Було установлено, що для забезпечення процесу диспергування висота купола над секційним кристалізатором повинна становити ?h = (0,2-0,3)D кристалізатора, близько 10-18 мм. Підвищення висоти випуклого меніска більше 0,3D приводило до нестабільності просторового положення купола, що порушувало процес диспергування. Мінімальна висота купола, при якій закінчують процес диспергування, становить ?h = (0,1)D кристалізатора, що дорівнюється 5-6 мм. Оскільки процес диспергування відбувається безперервно або циклічно, в залежності від сплаву, швидкість подачі заготовки регулюється від 0 до 10 мм/хв.

Теплові режими роботи обладнання при створенні технології відіграють вирішальну роль, впливаючи на конструкцію основних вузлів печі, тому виникла необхідність їх дослідження та порівняння з класичним ІПСК. Передача енергії електромагнітного поля, яке створюється струмом індуктора при ІПСК, відбувається за більш складною схемою, ніж звичайна індукційна плавка. Теплова енергія, яка виділилась в металевій ванні, складає лише частину електричної енергії, підведеної до індуктора. Значна частина електричної енергії втрачається в секційному кристалізаторі та індукторі в результаті протікання електричного струму в указаних елементах. Проведені досліди показали, що утрати в самому індукторі складають 16 - 17 відсотків потужності.

Сумарні утрати в секційному кристалізаторі є сума електричних утрат на передачу енергії і передачу тепла від розплаву до стінок кристалізатора, яка становить біля 50% загальної потужності. Дослідження теплового та електричного стану плавильного модулю показало, що в розплаві Qр виділяється ? 50% потужності індуктора. Перерозподіл теплоти, що виділилося в розплаві здійснюється між стінками кристалізатора Qкр, утратами вглиб витратної заготовки Qз та конвективними та променистими утратами в атмосферу камери Qк (табл. 3). Дослідження показали незначну відмінність у перерозподілі тепла в елементах обладнання в порівнянні з класичним ІПСК. За рахунок підняття рівня розплаву над рівнем кристалізатора на 1 - 3% збільшились утрати в навколишнє середовище камери.

Особливі труднощі виникають при диспергуванні сплавів, до складу яких входять високоактивні елементи, що утворюють на поверхні металевої ванни щільну плівку. Наявність плівки значною мірою ускладнює, а інколи унеможливлює ведення процесу диспергування, оскільки вона запобігає прямому контакту металевого розплаву з робочою доріжкою диска-охолоджувача. У результаті досліджень запропоновано підхід для вирішення технологічної проблеми очищення поверхні розплаву Nd-Fe-B від плівки оксидів за допомогою розроблених легкоплавких шлакових систем на основі фторидів літію, калію та магнію. Для усунення окисної плівки з поверхні металевої ванни під час диспергування жароміцного сплаву ЕП648 та нітінолу (Ni-Тi) запропоновано використання гідриду титану, що відновлює оксиди.

Вивчення технологічних особливостей плавки та диспергування розплаву при ІПСК дозволило отримувати луску з наведених сплавів (рис.4), швидкість утворення луски для Д16 становить 140 - 180 г/год, для Nd-Fe-B ? 300 - 350 г/год, для сплаву RSR ? 440 - 450 г/год, Ni-Ti ? 500-550 г/год, ВТ1-0 ? 230-300 г/год.

У багатьох випадках застосування швидкозагартованої луски обмежено, а більш технологічними є вироби у вигляді стрічки. Основним способом отримання швидкозагартованих стрічок є спосіб спінінгування. Для вирішення поставленої задачі наведений спосіб було реалізовано на базі плазмово-дугової плавки в водоохолоджуваному тиглі, що розроблена в ІЕЗ ім. Є.О. Патона.

Плазмова дуга є потужним джерелом теплової енергії, тому її вплив на температуру розплаву та на працездатність обладнання дуже значний. Проведений тепловий аналіз плавильної камери плазмово-дугової печі показав, що самим теплонавантаженим вузлом є мідний водоохолоджуваний тигель, який поглинає більш 55 % усієї енергії, що виділяється плазмовою дугою. Інші елементи є менш теплонавантаженими, а саме бокова та верхня стінки камери ? 19 та ? 6% відповідно. Тепловий ККД плазмотрону склав зпл = 86 - 88 %, ефективний ККД процесу зеф = 44 - 45 %.

Досліджено розподіл температури розплаву за глибиною ванни (Рис. 5) при плавленні сплаву Ni-Si-B. При потужності, що виділилася в плазмовій дузі, більше ніж 25 кВт, шар гарнісажу біля зливної щілини стає мінімальним або взагалі зникає, а метал утримується тільки за рахунок сил поверхневого натягу. Перегрів розплаву в поверхневому шарі, відносно температури металу біля зливної щілини, склав понад 700 оС. На базі проведених експериментів визначено, що питома утрата електроенергії становить (И = 4 - 5 кВт·год/кг).

При подальшому аналізі процесу плавки та зливу розплаву було вивчено теплове навантаження на керамічне сопло. Термопара вмонтовувалася в сопло, товщина стінки між зливним каналом та спаєм термопари становила 3 -4 мм. Із проведених дослідів видно, що теплова рівновага настає після 5 - 6 хвилин від початку включення плазмотрону. Після розплавлення металу у тиглі під зливну щілину підводиться барабан-охолоджувач, що швидко обертається, та установлюється відповідний зазор між соплом та барабаном. У цей момент барабан, що обертається, приводить до руху великі об'єми газів навколишнього середовища, які інтенсивно обдувають виступаючу частину зливного сопла, що приводить до його охолодження, тому злив необхідно виконувати в мінімальний час. Наступним технологічним кроком є подача надлишкового тиску в камеру, що приводить до витискання розплаву через сопло, та надходження перегрітих порцій розплаву до зливної щілини. Після закінчення зливу барабан знову відводили від сопла.

Із проведених дослідів установлено, що на температуру виступаючої частини сопла інтенсивно впливають потоки навколишніх газів, які інтенсивно його охолоджують. Це пов'язано з властивістю «прилипання» частинок газів до твердої поверхні барабана, що обертається. При великій швидкості обертання барабана захоплюються великі об'єми газу. Дослідження газового потоку показали, що його швидкість, на рівні сопла (5 мм від поверхні), досить велика і складає не менш 7 - 8 м/с. Надалі для зменшення потоку, що нагнітається, був розроблений захисний чохол, який установлюється безпосередньо над поверхнею барабана, перед зливним соплом. Приведена конструкція забезпечує захисні функції зливного сопла, окрім приграничного шару, на який дане пристосування дії практично не має. Це визначено після проведення повторних вимірювань швидкості потоку, що набігає, з установленим захисним чохлом, які показали зменшення швидкості до 2 - 3 м/с.

Дослідження впливу потужності дуги на коефіцієнт зливу показали, що найбільший коефіцієнт зливу 0,72 спостерігався при потужності ? 40 кВт. Подальше збільшення потужності не приводить до змінення об'єму ванни та злитого металу, це пояснюється перерозподілом тепла в інших елементах плавильної камери, а частина, що залишається, відповідає розмірам гарнісажного шару. Вивчення процесу розливки металу показало, що основними факторами, які впливають на товщину стрічки при її формуванні, є об'ємна швидкість витікання розплаву та швидкість обертання барабана-охолоджувача. За результатами експериментів визначено технологічну область значень, що забезпечує отримання якісних аморфних стрічок товщиною від 30 до 100 мкм.

Подальші дослідження було спрямовано на вивчення теплових навантажень барабана-охолоджувача в процесі надшвидкого загартування розплаву. Вимірювання температури барабана, що обертається, з великою швидкістю, уявляється не вирішуваним завданням при використанні приладів пірометрії, також ускладнені й контактні методи вимірювання. Як правило, неможливість провести вимірювання пов'язані з тим, що зовнішня поверхня барабана контактує зі стрічкою. Тому вимірювання виконувались з внутрішньої сторони контактної стінки барабана. За основу була взята ідея жорстко закріпленого на поверхні досліджуваного об'єкту вимірювального датчика, який передає результати вимірювання за допомогою контактних кілець та графітованих контактів до стаціонарної вимірювальної установки. Упроваджена схема дозволила здійснити, замір температуру всередині барабана-охолоджувача, який швидко обертається, в момент спінінгування сплаву Ni-Si-B. Проведені дослідження показали, що з початку зливу до його закінчення температура внутрішньої стінки зросла з 12,5 до 31 єС за період 2,8 секунди загартування, та, зважаючи на інерційність системи, ще продовжувала зростати біля 1 секунди до 45єС.

Аналізуючи експериментальні данні, розроблено двомірну математичну модель теплового стану барабана-охолоджувача в процесі надшвидкого загартування розплаву (Рис. 9), де: 1 - температура на зовнішній поверхні барабана; 2 - температура на внутрішній поверхні; 3 -температурі води на відстані 0,4 мм; 4 - залежність, одержана експериментально; 5 - температура води на межі з повітрям. У результаті моделювання визначено значення коефіцієнтів теплообміну та їх вплив на швидкість загартування стрічки: зміна коефіцієнта теплообміну між розплавом і барабаном у межах 5·102 до 5·106 Вт/(м2°С) приводить до зміни швидкості загартування від 1·105 до 6,5·105 °С/с. Зміна коефіцієнта теплообміну між барабаном і водою в діапазоні 8·102 - 8·108 Вт/(м2 °С), показала його незначний вплив на швидкість загартування. На підставі вимірів та результатів математичного моделювання показано, що з метою оптимізації конструкції барабана його товщина контактної стінки повинна бути більше 10 мм, а зовнішній діаметр повинен бути ?0,3 м, для даного об'єму розплаву.

У результаті вивчення технологічних особливостей надшвидкого загартування при спінінгуванні розплаву отримані зразки аморфних і мікрокристалічних стрічок.

4. Дослідження якості та структури сплавів, отриманих надшвидким загартуванням розплаву

У четвертому розділі наведені результати досліджень макро та мікроструктури отриманих сплавів у швидкозагартованому стані та в процесі формування кристалів внаслідок відпалу, проведено порівняльний аналіз фізичних властивостей в аморфному та кристалічному стані.

У результаті диспергування отримано луску довжиною 5 - 10 мм та шириною 1 - 2 мм, товщина складає 15 - 50 мкм. Структура луски має дрібнокристалічний стан, що пояснюється хімічним складом обраних сплавів, а саме відсутністю елементів - аморфізаторів.

Вивчення структури швидкозагартованої луски Д16 показало наявність мікрокристалічної структури з присутністю невеликої кількості аморфної фази. Основа швидкозагартованної луски становить Al, крім цього присутні: Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg та більш складні сполуки Al5Cu6Mg2.

У процесі дослідження установлено, що система Fe-Nd-B безпосередньо після надшвидкого загартування з розплаву також має аморфно-кристалічну структуру, що вміщує разом з аморфною складовою (? 23 %) кристалічну фазу Nd2Fe14B. У системі Nd-Fe-B можливе формування безлічі рівноважних і нерівноважних фаз. Із-за неповної симетрії їх решітки, а також великих значень її періодів на рентгенограмах цих фаз присутня велика кількість дифракційних піків. Крім того, інтенсивність цих ліній мала і багато з них зміщені. Усе це надзвичайно ускладнює фазовий аналіз швидкозагартованих сплавів системи Nd-Fe-B, а також визначення середніх розмірів кристалітів.

Металографічними дослідженнями не виявлено забруднення металу сторонніми домішками.

Надшвидке загартування позитивно вплинуло на функціональні параметри матеріалів з ефектом «пам'яті» форми. При виготовленні пружних елементів з пресованого нітінолу робоча циклічність підвищилася майже на 40%.

Випробування дослідних зразків постійних магнітів, які було виготовлено з подрібненої луски Nd-Fe-B, показало, що за рівнем коерцитивної сили вони більше ніж в два рази, перевищили показники магнітів, виготовлених за традиційною технологією.

При формуванні металевої стрічки при спінінгуванні сплаву на її контактній та вільній поверхні може створюватися досить розвинений макрорельєф, що насамперед пов'язано з рельєфом поверхні барабана-охолоджувача. Установлено, що в процесі загартування стрічки її товщина збільшується від 30 до 60 мкм, а розмір дефектів зменшується. Отримана стрічка Ni-Si-B відрізняється досить щільною структурою та при дослідженні зі збільшенням Ч 1000, по всій довжині неметалевих включень та пор не виявлено. Аморфність отриманої структури підтверджено дослідженнями на електронному просвічувальному мікроскопі з мікродифракційним аналізом та рентгено-структурним аналізом.

За допомогою растрового електронного мікроскопа “Quanta 200 3d” вивчено мікроструктуру в перерізі зразків, поверхню якого отримували розривом в рідкому азоті. У зразку, який відпалено при температурі 200 єС, виявлені наноструктури у вигляді хвиль з поперечним перетином 20 - 200 нм, що є результатом релаксаційного процесу аморфного сплаву, а також нано- та мікрокристали сферичної форми розмірами від 10 в центрі до 640 нм в поверхневому шарі стрічки. Характерним для цих зразків сплавів є хвилеподібне розташування мікрокристалів, обумовлене початком зародження центрів кристалізації на поверхні стрічки та подальшим і повільнішим їх зростанням в центральній області. При температурах 350° та 400°С в центральній частині перерізу зразків спостерігали нанокристали та мікрокристали розмірами 75 - 100 нм і 300 нм, відповідно. Така особливість зростання мікрокристалів забезпечувала їх розрощування до декількох мкм у поверхневому шарі зразків. Найбільші мікрокристали розміром до 7 мкм було виявлено в зразках, що відпалюють при температурі 400 єС.

Процес зародження кристалітів та подальша кристалізація, аморфної стрічки, відбувається у два етапи, що засвідчив високотемпературний диференціальний термічний аналіз. Можна відзначити, що слабкі ендотермічні реакції на кривій (ВДТА) при температурах (420, 500 °С) відповідають температурі повної кристалізації та утворенню окремих фаз. Рентгеноструктурний аналіз відпалених стрічок показав, що при температурі відпалу 380 - 390 єС доля аморфної фази становить 50 відсотків об'єму. При повному відпалі стрічки установлено, що основними фазами, які утворюються при кристалізації структури є: Ni (5, 10), а також тугоплавкі бориди CrB (6), Ni2B (13), Ni3B (інші).

Проведений аналіз корозійної стійкості аморфного та кристалічного сплаву, не виявив різкого підвищення чи зменшення захисних властивостей металу, а показники відрізняються між собою в межах абсолютної похибки.

Стрічки сплавів на основі заліза та міді загартовані на сталевому барабана-охолоджувачі мали мікрокристалічну структуру з наявністю аморфної фази 24 та 16 % відповідно.

Результати наукового дослідження дозволяють рекомендувати ці технології для отримання високореакційних та тугоплавких аморфних і мікрокристалічних сплавів.

Висновки

теплонавантажений індукційний кристалізатор плазмовий

1. У процесі наукового дослідження вирішено важливе завдання - розроблені технології отримання аморфних і мікрокристалічних сплавів, в основу яких покладено плавку металу під дією потужного джерела нагріву у водоохолоджуваному тиглі, що дало змогу захистити розплав від забруднення. Вивчено процес диспергування при індукційній плавці в секційному кристалізаторі та процес спінінгування при плазмово-дуговій плавці. Виконана робота дозволяє рекомендувати ці технології до подальшого розвитку для отримання високореакційних та тугоплавких аморфних і мікрокристалічних сплавів.

2. Вивчено особливості формування металевої ванни при індукційній плавці в секційному кристалізаторі. Установлено, що частота струму повинна бути не менше 66 кГц, висота купола розплаву над секційним кристалізатором повинна становити не більше ?h = (0,2 - 0,3)D кристалізатора, що може призвести до просторової нестабільності, та не менше 0,1D коли луска може опинитися на кристалізаторі.

3. Досліджено тепловий стан плавильної камери плазмово-дугового переплаву, установлено, що ККД плазмотрона зпл = 86 - 88 %, ефективний ККД процесу зеф = 44 - 45 %. Визначено питомі утрати енергії (И = 4 - 6 кВт?год/кг), що забезпечують повне розплавлення металу та максимальний коефіцієнт зливу.

4. Установлено, що при ІПСК температура розплаву на 50 - 150 єС вище температури плавлення. При ПДП сплаву Ni-Si-B перегрів верхнього шару розплаву становить близько 700єС, а в процесі спінінгування температура зливного сопла короткочасно підвищується на 250 - 300 єС вище температури плавлення металу.

5. Розроблено методику та проведено дослідження температури барабана-охолоджувача, що швидко обертається, та створено математичну модель теплового стану барабана в процесі надшвидкого загартування розплаву при спінінгуванні. В результаті моделювання установлено значення коефіцієнтів теплообміну та їх вплив на швидкість загартування стрічки. Показано, що з метою оптимізації конструкції барабана його товщина контактної стінки повинна бути більше 10 мм, а зовнішній діаметр повинен бути ?0,3 м, для даного об'єму розплаву.

6. Запропоновано підхід для вирішення технологічної проблеми очищення поверхні розплаву ІПСК від оксидних плівок за допомогою розроблених шлакових систем, що дало змогу отримати якісні швидкозагартовані сплави. Для магнітів з Nd-Fe-B коерцитивна сила збільшилась, ніж в 2 рази, а у деталей з нітінолу робоча циклічність підвищилася майже на 40%.

7. Досліджено процес кристалізації аморфного сплаву системи (Ni-Si-B) після відпалу. Показано, що процес кристалізації починається з зародження нанокристалів на поверхні стрічки та поширюється углиб у вигляді хвиль з періодом 20 - 200 нм. При температурі відпалу 400 °С розмір кристалів на поверхні стрічки становить біля 7 мкм, загальна доля аморфної фази становить менш 50%. Основні фази, що утворюються в процесі відпалу, є наступні: Ni, Ni2B, Ni3B, CrB.

Література

1. Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Торхов Г.Ф., Грановский В.К., Никитенко Ю.А. Установка с плазменно-дуговым нагревом для получения аморфных металлических материалов // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: тем. зб. наук. пр.- Краматорськ: ДГМА, 2003. - С. 517-522.

2. Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Торхов Г.Ф., Грановский В.К., Никитенко Ю.А. Получение аморфных и нанокристаллических материалов с применением плазменно-дугового нагрева // Современная электрометаллургия, 2003. - №4. - С. 29-35.

3. Шаповалов В.А., Торхов Г.Ф., Никитенко Ю.А., Бурнашев В.Р. Плазменно-дуговое плавильное устройство для получения аморфных и нанокристаллических материалов методом спиннингования // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля, 2003. - №11. - С. 80-88.

4. Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Торхов Г.Ф., Бурнашев В.Р., Никитенко Ю.А. Перспективные керамические материалы для быстрой закалки сплавов при плазменно-дуговой гарнисажной плавке // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: тематич. зб. наук. пр. Краматорськ: ДГМА, 2004. - С. 416-421.

5. Шаповалов В.А., Никитенко Ю.А., Бурнашев В.Р. Применение донного слива при плазменно-дуговой гарнисажной плавке // Современная электрометаллургия. - 2004. - №4. - С. 12-17.

6. Жадкевич М.Л., Шаповалов В.А., Никитенко Ю.А. Аморфные и микрокристаллические металлические материалы. Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні: тематич. зб. наук. пр. - Краматорськ: ДГМА, 2005. - С. 521-523.

Размещено на Allbest.ru