Теоретические и технологические основы производства кобальтовых аморфных магнитно-мягких сплавов специального назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические и технологические основы производства кобальтовых аморфных магнитно-мягких сплавов специального назначения

Специальность 05.02.01. - Материаловедение (металлургия)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Лёвин Юрий Борисович

Москва 2009

Работа выполнена в ФГУП Научно-технологическом центре «Электронтех» РАН и на кафедре ВТПМиА Московского института стали и сплавов.

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор, член-корр. РАН Кведер В.В.

доктор физико-математических наук, профессор Калошкин С.Д.

доктор технических наук, профессор Крапошин В.С.

Ведущее предприятие ЦНИИЧМ им.И.П.Бардина г.Москва

Защита диссертации состоится «21» мая 2009г. в «____» часов на заседании диссертационного совета Д 212. 132. 03 Московского института стали и сплавов.

119049, Москва, ГСП - 1, Ленинский проспект , д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС.

Автореферат разослан «____»_____________2009г.

Справки по телефону (495) 638-46-89.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук профессор Я.М.Муковский

аморфный расплав магнитный

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современной техники требует создания принципиально новых материалов с более высокими служебными характеристиками, чем традиционные кристаллические материалы. Таким новым классом материалов, безусловно, являются аморфные и нано-кристаллические металлические сплавы, получаемые методом закалки из расплава и обладающие уникальным сочетанием физических, механических и химических свойств. Особое место среди аморфных материалов занимают сплавы на основе кобальта с близкой к нулю магнитострикцией, имеющие чрезвычайно низкие потери на перемагничивание и высокие значения магнитной проницаемости. Использование этих сплавов в радиоэлектронной промышленности в качестве магнитопроводов обеспечивает создание устройств нового поколения, параметры которых основываются на уникальности свойств кобальтовых аморфных магнитно-мягких сплавов. Поэтому в производстве аморфных сплавов прослеживается чёткая тенденция к расширению выпуска магнитно-мягких высоко-качественных аморфных лент для изготовления малогабаритных магнитопроводов. Под качеством кобальтовых аморфных лент подразумевается получение лент заданной толщины в сочетании с высоким уровнем их магнитных свойств и минимальным количеством топологических дефектов поверхности, которые являются характерной особенностью лент, получаемых закалкой из расплава.

Однако совершенствование малотоннажного производства аморфных сплавов сдерживается недостаточной разработанностью теоретических основ процесса формирования аморфной ленты. В современных условиях технологические параметры разливки определяются чисто эмпирически, что в значительной мере осложняет этап серийного освоения новых сплавов. До сих пор отсутствуют непротиворечивые представления о механизме образования топологических дефектов на поверхности аморфных лент.

Исходя из реальной ситуации в области производства аморфных сплавов, актуальной задачей является развитие теоретических основ, описывающих метод закалки из расплава, изучение процесса формирования аморфных лент с заданными техническими параметрами. Полученные знания позволят осуществить оптимизацию технологических параметров процесса, а следовательно, регулировать толщину и качество аморфных лент, используемых при изготовлении магнитопроводов ответственного назначения.

Цель работы. Разработка и освоение технологии серийного производства высококачественных аморфных магнитно-мягких лент на основе развития теоретических представлений о динамике формирования ленты в процессе закалки плоской струи расплава на вращающемся барабане-холодильнике. Создание универсального метода расчёта технологических параметров, необходимых для получения высококачественных лент заданной толщины с минимально возможным количеством геометрических дефектов.

Научная новизна:

Впервые на основе балансового подхода к решению уравнений гидродинамики и теплопроводности построена математическая модель процесса формирования аморфной ленты при закалке плоской струи расплава на поверхности вращающегося барабана-холодильника. Модель позволила рассчитать динамику геометрических и тепловых характеристик зоны формирования, включая толщину ленты, среднюю температуру зоны, а также их зависимость от технологических параметров и физических свойств расплава. Полученные расчётные зависимости подтверждены экспериментально.

Установлено, что процесс формирования ленты при закалке плоской струи расплава на начальном этапе определяется затухающими автоколебаниями толщины ленты, средней температуры зоны, скорости выхода расплава из сопла и геометрических характеристик зоны. Показано, что стабильность процесса формирования аморфной ленты непосредственно определяется возможностью получения подсопельной зоны оптимальных пропорций и размеров, зависящих от температурного режима скоростной закалки, выбора материала барабана-холодильника и физико-химических свойств расплава.

Впервые при решении балансовых уравнений в стационарном режиме введён параметр f, величина которого определяет физический режим формирования ленты. При f>1 реализуется гидродинамический режим, затвердевание отсутствует, при f>0 - теплофизический режим формирования, образуется твёрдая фаза по всей толщине ленты. Показано, что оптимальным режимом получения высококачественной аморфной ленты является смешанный режим при f = 0,5.

Предложен механизм формирования геометрических дефектов аморфных лент, из которого следует, что физической причиной образования «воздушных карманов» и волнового рельефа свободной поверхности лент является невозможность соблюдения условий несжимаемости (div=0) в области контакта набегающего потока расплава и движущейся поверхности барабана-холодильника в задней части подсопельной зоны. Из-за большого перепада скоростей в зоне формирования с 1 до 20 м/с на малых расстояниях порядка 100-200 мкм неизбежны локальные разрывы потока расплава, появление каверн у поверхности барабана и заполнение их атмосферным газом. Установлено, что физические характеристики окружающей газовой атмосферы не оказывают заметного влияния на качество поверхности аморфных лент, получаемых в закрытых установках.

Показано, что исходное состояние аморфных лент на основе кобальта определяет способность материала воспринимать различные термообработки, в том числе и термомагнитные. На основе исследований влияния условий получения аморфных лент с близкой к нулю магнитострикцией на их магнитные свойства установлено, что в зависимости от толщины получаемой ленты и длины теплового контакта ленты с барабаном-холодильником можно получать из одного и того же сплава аморфные ленты с прямоугольной, линейной петлёй гистерезиса или с петлёй гистерезиса, характеризующейся коэффициентом прямоугольности 0,5.

Практическая значимость.

На основе разработанных теоретических представлений и экспериментальных исследований создано технологическое оборудование для получения аморфных лент методом закалки из расплава, которым был оснащён экспериментально-производственный участок НТЦ «Электронтех» РАН и налажен выпуск аморфных лент по техническим условиям ТУ ЖИСД-10-020-92.1., ТУ ЖИСД-10-021-92.3., ВТУ АН.91.1. для изготовления элементов аппаратуры высокоинформативных средств регистрации. Разработанная технология производства аморфных лент была передана в ОАО «Металлургический завод «Электросталь» для организации мелкосерийного производства, а также в ИФТТ РАН для выполнения научно-исследовательских работ в области изучения физических свойств аморфных и нанокристаллических материалов.

Впервые предложен теоретически обоснованный алгоритм расчёта оптимального набора технологических параметров для получения высококачественных аморфных лент в реальных условиях производства. Разработанный метод расчёта техноло-гических параметров является универсальным, прошёл апробацию в условиях опытно-промышленного производства и рекомендован для использования при отработке технологии получения аморфных лент различного состава.

Разработан унифицированный ряд многодорожечных блоков магнитных головок на основе аморфных сплавов, что явилось основой создания новых систем магнитной записи. Создание таких систем отмечено Государственной премией СССР за 1990г.

Результаты проведённых исследований использованы на Ижевском заводе ОАО «Аксион» и НТЦ «Электронтех» РАН при организации серийного выпуска элементов высокоинформативных средств регистрации на основе аморфных сплавов, что послужило основой для создания современных средств объективного контроля действий оперативных и диспетчерских служб.

Апробация работы.

По материалам диссертации опубликовано 53 работы, в том числе получено 5 авторских свидетельств, выпущена монография и опубликовано в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, 12 статей. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: III Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (Самарканд, 1983); Всесоюзной научной конференции «Проблемы исследования структуры аморфных металлических сплавов» (Москва, 1984); Межотраслевом совещании «Производство, обработка и применение аморфных и микрокристаллических сплавов» (Боровичи, 1986); IV Всесоюзном семинаре по аморфному магнетизму (Владивосток, 1986); IV Всесоюзном семинаре «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1987); III Межотраслевом совещании «Производство, обработка и применение аморфных и микрокристаллических материалов» (Аша, 1987); Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы исследования структуры и свойств быстрозакалённых металлических сплавов» (Москва, 1988); III Всесоюзном совещании «Физикохимия аморфных (стеклообразных) металлических сплавов» (Москва, 1989); Седьмой Всероссийской конференции с международным участием «Аморфные прецизионные сплавы: технология - свойства - применение» (Москва, 2000); Thirteenth International Conference on Liquid and Amorphous Metals. (Ekaterinburg, 2007).

Объём диссертации: диссертация изложена на 346 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав и общих выводов, содержит 5 таблиц, 141 иллюстрацию, список литературы из 262 наименований и приложений на 63 листах.

Содержание работы

Моделирование процесса формирования аморфной ленты.

К настоящему моменту накоплен большой экспериментальный материал по скоростной закалке из расплава, достигнуты значительные успехи в совершенствовании технологии спинингования. Однако, вследствие невозможности адекватного воспроизведения всех параметров спинингования на различных установках, сложности и чувствительности процесса к малейшим возмущениям, трудностей измерения состояния расплава в условиях высоких скоростей охлаждения, полученные различными авторами функциональные зависимости отличаются друг от друга как по форме, так и по теоретическому обоснованию. Это вызвано тем, что их рассмотрение проводится в основном по следующим независимым моделям формирования ленты:

гидродинамическая модель формирования ленты, в которой толщину ленты определяет перенос момента импульса: вязкий пограничный слой вытягивается из ванны расплава в виде жидкой плёнки и затем затвердевает;

модель формирования ленты за счёт затвердевания, где контролирующая стадия - теплопередача, и лента образуется за счёт затвердевания непосредственно под ванной.

Таким образом, осуществляется не построение общей модели процесса закалки из расплава, а решаются частные задачи.

В условиях разливки расплава через сопло на поверхность вращающегося барабана-холодильника образуется ванна жидкого металла, которая одновременно охлаждается и вытягивается барабаном. При больших градиентах температуры и скорости протекают сложные, взаимосвязанные друг с другом процессы тепло- и массопереноса.

Теоретически процесс формирования аморфной ленты можно описать системой уравнений неразрывности, Навье-Стокса и теплопроводности, дополненных начальными и граничными условиями.

Учитывая специфику процесса, вводятся следующие допущения:

Поскольку ширина сопла много больше толщины сопла, размер области определения уравнений вдоль оси z значительно превышает размеры области определения вдоль осей x и y, то предполагается, что производные неизвестных величин по координате z равны нулю, т.е. все функции зависят от двух координат «х» и «y».

В связи с высокой скоростью течения расплава под соплом, считается, что влияние силы тяжести на процесс пренебрежимо мало.

Пренебрегается выделением тепла при формировании ленты.

В рассматриваемом приближении принято, что поверхность барабана-холодильника - плоская.

Для проведения расчетов использованы следующие обозначения. Технологические параметры: Н - зазор между соплом и барабаном-холодильником, d - толщина сопла, То - температура разливки, Vд - скорость вращения барабана-холодильника, ДР - приложенное давление. Физические свойства: - плотность расплава, - кинематическая вязкость расплава, - поверхностное натяжение расплава, сv - удельная теплоёмкость единицы объёма расплава, - теплопроводность расплава, - коэффициент теплопередачи от расплава к барабану-холодильнику.

С учётом сделанных допущений система уравнений в координатной форме запишется следующим образом:

(1)

где Vх и Vу - проекции вектора скорости на ось х и у соответственно.

Область определения этих уравнений ограничивается соплом, барабаном-холодильником, границами расплав-газ и лента-газ (рис.1). По направлению вращения барабана она заканчивается в точке х1 , правее которой будет жидко-твёрдая (двухфазная) лента постоянной толщины.

Область определения, ограниченную справа вертикальной секущей в точке х1 , назовём зоной формирования ленты. Из рис.1 видно, что введено также допущение о плоской форме фронта затвердевания.

Построение модели процесса формирования аморфной ленты основывается на последовательном решении следующих задач:

Расчет конфигурации зоны формирования с целью определения области интегрирования дифференциальных уравнений, описывающих процесс. Решение уравнения теплопроводности под соплом и в ленте для определения положения начала фронта затвердевания. Интегрирование уравнений (1) по зоне формирования с целью получения усреднённых балансовых уравнений для потоков массы, тепла и компонент импульса. Решение балансовых уравнений при заданных начальных условиях с целью получения зависимостей, позволяющих рассчитывать в стационарном и нестационарном режимах толщину получаемой ленты, среднюю температуру подсопельной области, длину зоны формирования ленты, скорости ее охлаждения в зависимости от технологических параметров разливки и физических свойств расплава.

Такая схема позволяет, во-первых, проанализировать динамику формирования ленты во времени, во-вторых, рассмотреть взаимосвязь гидродинамических и теплофизических процессов и степень их влияния на закалку из расплава, в-третьих, разработать метод расчёта технологических параметров для получения ленты необходимой толщины при стабильно протекающем процессе её формирования.

Рис. 1 Схематическое изображение зоны формирования ленты. Начало системы координат (х,у) выбрано на поверхности барабана-холодильника на расстоянии от проекции обреза сопла на эту поверхность

Для расчёта формы жидкой зоны в подсопельной области была рассмотрена задача о вытекании жидкости из сопла.

Решались гидродинамические уравнения из системы (1) для стационарного случая ( ), в приближении постоянства скорости выхода расплава из сопла. Граничные условия , где - скорость выхода расплава из сопла. Решение уравнений искалось в виде: .

Из граничного условия следует, что . Такой вид поля скоростей обосновывается следующим образом. Без учёта функции f(y) линии тока для поля скоростей и представляют собой гиперболы, что описывает раскрытие потока расплава под соплом. Функция f(y) учитывает влияние вязких сил на скорость, которые в основном зависят от расстояния Н до барабана-холодильника.

Задача была сведена к дифференциальному уравнению

 (2)

Решение уравнения (2) для формы границы зоны формирования на отрезке было получено с использованием программного комплекса MathCad 13.

Наиболее заметное влияние на форму задней части зоны оказывают поверхностное натяжение расплава и избыточное давление, которые связаны формулой Пуассона , где r - радиус кривизны. Результаты расчёта представлены на рис.2 и 3. Цифрами в подрисуночных подписях обозначен номер графика на рисунках в порядке слева направо. На каждом графике все параметры, кроме одного, фиксированы. Для остальных параметров брались следующие значения: Н = 200мкм, d = 500мкм, Vд = 25 м/с, ДР = 0,2 атм., = 6800 кг/м3, = 10-6 м2/с, = 1 Дж/м2.

Рис. 2 Форма задней поверхности зоны для различных значений поверхностного натяжения: 1 - 0,8 Дж/м2, 2 - 1,2 Дж/м2, 3 - 1,6 Дж/м2



Рис. 3 Форма задней поверхности зоны для различных значений приложенного давления: 1 - 0,25 атм., 2 - 0,22 атм., 3 - 0,2 атм.

Для определения координаты начала фронта затвердевания хо (рис.1) рассматривалась задача об одномерном стационарном распределении тепла под соплом. Конвективный перенос в горизонтальном направлении не учитывался, т.к. предполагается, что движение расплава под соплом происходит в основном в вертикальном направлении.

Решалось уравнение теплопроводности из системы (1) с граничными условиями Ту=Н = Т0 , Т(+0)=Т(-0), , где л1 и л2 - теплопроводность расплава и барабана-холодильника соответственно. Эти условия вытекают из непрерывности температуры и теплового потока через границу расплава и барабана-холодильника.

Решение этой задачи позволило сделать вывод о распределении температуры внутри зоны формирования под соплом (рис.4).

Рис. 4 Распределение температуры вдоль зазора в зоне формирования ленты для величины зазора H = 200мкм.

Из графика видно, что температура на границе с барабаном-холодильником отличается от температуры у сопла не больше чем на 250 градусов. Из чего следует, что затвердевание расплава под соплом не происходит. Причем практически постоянное распределение температуры в этой области достигается только благодаря конвекции, т.е. переносу тепла за счёт переноса массы. Из-за высокой скорости выхода расплава из сопла (приблизительно 1м/с) барабан не успевает поглотить такое количество тепла, поэтому температура нa его поверхности остается достаточно высокой, чтобы расплав начал затвердевать. Однако справа от сопла основное течение расплава происходит параллельно поверхности барабана-холодильника, поэтому перенос тепла в вертикальном направлении происходит только за счет теплопроводности, что оказывается недостаточным для поддержки высокой температуры на поверхности барабана. А это значит, что здесь происходит быстрое охлаждение расплава. В связи с чем, в качестве координаты начала фронта затвердевания была выбрана проекция обреза сопла на поверхность барабана (рис.1).

Для определения координаты окончания фронта затвердевания х2 была решена задача об охлаждении ленты в приближении отсутствия теплопереноса за счёт теплопроводности в направлении движения ленты. Последнее основано на том факте, что скорость вращения барабана достаточно велика (~25 м/с), что позволяет пренебречь теплопроводностью в направлении механического движения системы по сравнению с конвективным потоком тепла. .

Решалось уравнение теплопроводности из системы (1) с граничными условиями ; и

где д - толщина ленты, Т(х,0) - температура ленты, усреднённая по сечению ленты вертикальной прямой, проходящей через точку х. Охлаждение излучением на границе с газом не учитывалось, т.к. оно пренебрежимо мало по сравнению с теплоотводом на границе с барабаном-холодильником.

Из данной системы уравнений путём усреднения решения по у получено уравнение распределения температуры ленты Т(х) вдоль поверхности барабана

,

где ТБ - средняя температура барабана.

Полученное решение было использовано для нахождения расстояния М = х2 - х1.

Это фактически длина двухфазного участка сформировавшейся ленты толщиной д, на котором контактная область ленты уже твёрдая, свободная ещё жидкая. Было сделано предположение, что температура, усреднённая по вертикальному сечению ленты в точке х1, равна средней температуре зоны формирования , а температура, усреднённая по вертикальному сечению ленты в точке х2 , где лента уже полностью сформировалась, равна температуре затвердевания расплава Тзатв.

Тогда

(3)

Длина фронта затвердевания по оси «х» будет равна (L+M). Фронт затвердевания принимается плоским. При этом область твёрдой фазы имеет вид прямоугольного треугольника с катетами д и L+M, что учитывалось при построении модели процесса формирования аморфной ленты.

Используя полученные форму жидкой зоны и положение фронта затвердевания, уравнения неразрывности, Навье-Стокса и теплопроводности были проинтегрированы по всему сечению зоны формирования и, таким образом, сведены к системе дифференциальных уравнений:

(4)

где , и - средние величины.

С учётом сделанных допущений:

Давление на линии обреза сопла определяется формулой Бернулли:

Давление под соплом линейно по координате «у»

Из решения гидродинамических уравнений следует

, т.к. , получим

4. Так как поток расплава через сопло d равен потоку расплава через зазор Н, получим

.

Система (4) преобразуется следующим образом:

(5)

Из полученной формы твёрдой фазы имеем соотношение

где дL - толщина пограничного слоя на поверхности твердой ленты, равная, согласно формуле Блазиуса,

.

Тогда

К системе уравнений (5) добавим геометрическое соотношение, т.е. площадь трапеции, которой апроксимируем зону . Перейдя к безразмерным переменным:



окончательно получили следующую систему уравнений:

(6)

Таким образом, построена модель процесса формирования аморфной ленты, описывающая форму жидкой зоны, и зависимость толщины ленты от технологических параметров и физических свойств в стационарном и нестационарном режимах. Модель также описывает теплофизические и гидродинамические процессы, протекающие внутри зоны формирования ленты.

Неизвестными здесь являются безразмерная скорость выхода расплава из сопла u, безразмерная толщина ленты X, безразмерная средняя температура зоны Y, безразмерная длина зоны формирования Z.

Система уравнений (6) для стационарного режима будет иметь вид

 (7)

Для упрощения расчётов система (7) преобразована путём подстановки выражения .

Таким образом, получена система балансовых уравнений, имеющих достаточно простой вид и дающих зависимость u, X, Y от четырёх параметров h, Р, C, b

(8)

Введённый через подстановку параметр f зависит только от температуры, определяет режим формирования ленты.

Так как , то , следовательно

(9)

Величина f показывает, какие процессы определяют формирование ленты.

При f > 1 - это гидродинамический режим, когда на выходе из зоны имеем «жидкую» ленту.

При f > 0 - это теплофизический режим, когда на выходе из зоны «твёрдая» лента.

С практической точки зрения гидродинамический режим не реализуем технологически, «жидкая» лента просто не будет держаться на вращающемся барабане. Теплофизический режим является слишком жёстким из-за вынужденной синхронизации подачи расплава и процесса затвердевания. Поэтому в первом случае барабан работает как вентилятор, разбрызгивая расплав, во втором - из-под сопла пойдёт поток затвердевших чешуек. Следовательно, разумно говорить о неком оптимальном смешанном режиме для процесса получения аморфной ленты, когда в процессе переноса импульса от барабана в зону формирования теплоперенос и гидродинамика вносят равный вклад, т.е. f ? 0,5.

Из уравнений 1 и 2 системы (8) для режима свободного истечения расплава, когда , получено соотношение или .

Это соотношение является границей перехода, когда Н >, процесс закалки из расплава характеризуется свободным режимом формирования подсопельной зоны, при Н < - принудительный режим. В режиме свободного формирования зоны уравнения (6) решались для неизвестных h, Z и Y с параметрами Р, b, С и Re.

Для режима принудительного формирования подсопельной зоны неизвестными являются Z, u и Y. Результаты решения представлены на рисунках 5 и 6.



Рис. 5 Зависимость длины зоны (Z ___ ), высоты подъема (ht …….), средней температуры (Y -----) от времени для режима свободного истечения

Рис. 6 Зависимость длины зоны (Z…..), скорости выхода расплава из сопла (u____), температуры (Y -----) от времени для режима принудительного формирования подсопельной зоны

Из графиков видно, что временные зависимости всех функций представляют собой затухающие автоколебания. Время затухания колебаний, оно же время перехода процесса в стационарный режим, составляет 10-3 - 10-2 с и зависит от значений технологических параметров и физических свойств расплава. Именно на старте разливки устанавливается баланс гидродинамической и теплофизической составляющих динамики формирования подсопельной зоны и ленты. Вследствие этого, запуск технологии продолжительностью порядка 10-2 с является определяющим для дальнейшего стабильного хода процесса разливки. Интенсивность колебаний растёт с увеличением вклада процесса затвердевания в формирование ленты, т.е. с увеличением б или уменьшением перегрева.

Для режима принудительного формирования подсопельной зоны на зависимостях толщины ленты д и средней температуры зоны от времени проявляется только первый максимум д = д(t) и первый минимум на кривой =(t) (рис.7). На каждом графике (рис.7-10) приведена зависимость от одного технологического параметра или физического свойства. Все параметры, кроме одного, фиксированы. Для параметров, которые не изменялись, брались следующие значения: =200 мкм, =500 мкм, =12500С, =25 м/с, =0,20 атм, =6800 кг/м3, =10-6 м2/с, =Дж/град·м3, =105 Вт/град·м2, =950 0С.

Так как при производстве аморфной ленты используется режим принудительного формирования подсопельной зоны, все дальнейшие результаты приводятся только для этих условий разливки.

Рис. 7 Зависимость толщины ленты д (мкм) и средней температуры зоны от времени ф (миллисек)

В рамках модели были найдены зависимости толщины ленты д и средней температуры зоны для стационарного режима от технологических параметров Н, ДР, Vд и Т0 (рис.8).



Рис. 8 Зависимость д и от технологических параметров процесса закалки

На рис.9 представлены зависимости толщины ленты д и средней температуры зоны от коэффициента теплопередачи б.

Рис. 9 Зависимость д и от от коэффициента теплопередачи б ·105 Вт/град · м2.

На рисунке 10 даны зависимости толщины ленты д и средней температуры зоны от типа разливаемого расплава.



Рис. 10 Зависимость д и от вязкости н · 10-6 м2/с и плотности с · 103 кг/м3

Влияние технологических параметров и физических свойств, зависящих от типа разливаемого расплава, на стационарную толщину и среднюю температуру зоны определяется их ролью в процессах формирования гидродинамических потоков и затвердевающей корки в подсопельной зоне. Избыточное давление, скорость вращения барабана и величина зазора при данной плотности расплава регулируют материальный баланс зоны через скорости выхода Vв и выхода расплава из зоны (Vв· d = Vд · д ). Поэтому их изменение естественным образом приводит к увеличению или уменьшению толщины ленты. Уменьшение вязкости расплава приближает его по характеру истечения к идеальной жидкости, что приводит к уменьшению потока импульса от барабана к расплаву. Последнее приводит к увеличению толщины ленты. Теплоёмкость и коэффициент теплопередачи определяют интенсивность теплоотвода и, следовательно, скорость нарастания твёрдой фазы в подсопельной области. Развитие этого процесса приводит к увеличению скорости выхода расплава из сопла за счёт снижения гидро-динамического сопротивления.

В то же время, все перечисленные параметры влияют на среднюю температуру зоны, поэтому простое их разделение на некоторые группы, отвечающие за гидродинамику или теплофизику, некорректно. Наиболее наглядно это видно на примере влияния температуры разливки Т0 на толщину ленты (рис.8).

В расчётах не учитывалось температурное изменение физических свойств расплава. Поэтому механизм влияния температуры разливки на толщину определяется тем, что увеличение перегрева приводит к сдвигу фронта затвердевания в конец зоны формирования, что, в свою очередь, усиливает чисто гидродинамические факторы формирования ленты и приводит к уменьшению её толщины.

Таким образом, из анализа расчётных данных следует, что ни одним из рассмотренных факторов нельзя пренебречь при расчёте технологии и выборе того или иного набора технологических параметров. Все они в значительной мере влияют на толщину ленты, среднюю температуру и конфигурацию зоны формирования. Следует также учитывать, что выбранные технологические параметры определяют как стабильность процесса разливки, так и качество получаемой ленты.

Влияние внешних условий на качество аморфных металлических лент.

На условия закалки существенное влияние оказывают технологические параметры процесса, при этом влияние одних параметров может нивелироваться изменением других. Поэтому необходимо проводить достаточно большое количество экспериментов, чтобы обеспечить контролируемое изменение одного из параметров при сохранении других неизменными.

В связи с этим, была разработана специальная методика, позволяющая надёжно определять влияние технологических параметров на свойства получаемых аморфных лент. Способ заключается в одновременном или последовательном получении образцов лент для исследований из одного и того же расплава при одних и тех же параметрах разливки, кроме изучаемого (рис.11).

Рис. 11 Схема получения образцов лент: а - с различной длиной теплового контакта, б - на различных подложках

Например, для исследования влияния длины теплового контакта и толщины получаемой ленты на её магнитные свойства были изготовлены специальные «двойные» ампулы. Расплав одновременно через оба формирователя плоской струи выдавливался на поверхность барабана-холодильника, а принудительный съём осуществлялся с помощью специальных ножей при различной длине теплового контакта. Применение разработанных методик позволило значительно сократить время проведения эксперимента и повысить достоверность получаемых результатов. Для исследований использовались как установки открытого типа для закалки на воздухе, так и установки закрытого типа для проведения технологического процесса при различном давлении и химическом составе атмосферы. Было исследовано несколько материалов, из которых изготовлялись барабаны-холодильники. На рис.12 представлена фотография контактной поверхности аморфной ленты, соседние участки которой закаливались на медном и стальном барабане соответственно по методике, представленной на рис.11(б).

Рис. 12 Контактная поверхность аморфной ленты, полученной на составном барабане: а - стальной барабан, б - медный барабан

Экспериментально установлено, что в начале процесса ленты, получаемые как на медной, так и на стальной подложках, сходят самопроизвольно с длиной теплового контакта 3 - 6 см. В дальнейшем картина меняется. Уже на пятом обороте лента, получаемая на стальном барабане, «залипает», и съём ленты в течение оставшегося времени процесса ведётся принудительно с помощью ножей. Это обстоятельство позволяет регулировать длину теплового контакта ленты со стальным барабаном, в отличие от медного, что является важным условием проведения исследований. Резкое отличие морфологии поверхности участков лент, закалённых на разных барабанах (рис.9) (Sвк на меди >> Sвк на стали), также делает более предпочтительным использование стального барабана в ампульной технологии получения аморфных лент.

Исследования показали, что морфология контактной стороны ленты сильно изменяется по её длине. На первых оборотах барабана «воздушные карманы» (далее «В.К.») крупные и равноосные, начиная с 7-10 оборотов, «В.К.» приобретают форму вытянутых в направлении движения треугольников, обращённых малоугловой вершиной к началу ленты, с размером основания ?20-30 мкм и высотой ? 80-100 мкм. Отношение площади, занятой «В.К.», к общей площади ленты (Sвк /S), уменьшается от 0,6 до 0,2 после 7-10 оборотов. Таким образом, процесс взаимодействия расплав-поверхность барабана стабилизируется к 10 обороту барабана, что составляет порядка 0,3 - 0,5с. Данное время на два порядка больше, чем гидродинамическое время запуска технологии (рис.6), что, с одной стороны, подтверждает возможность использования технологических параметров как констант, с другой - показывает незначительность степени длительности времени запуска для характеристики реальной нестационарности процесса.

Проведение цикла экспериментов с разливками кобальтовых сплавов при давлении в камере 1 атм. в различных газах: воздухе, аргоне, гелии, смеси азота с 10% водорода - не выявило заметного влияния плотности и вязкости газа на морфологию контактной поверхности получаемых лент.

Характерно, что проведение закалки при различном давлении газа в рабочей камере приводит к значительному изменению микрогеометрии получаемых лент. На лентах, полученных при давлении воздуха в рабочей камере в 1,5 атм. наблюдались крупные «В.К.» вплоть до образования сквозных отверстий в ленте. Было найдено, что существует интервал давлений в рабочей камере 0,2-0,3 атм, при котором, с одной стороны, обеспечивается достаточно продолжительный контакт ленты с диском, а с другой - существенно улучшается качество поверхности ленты, которое, в соответствии с ГОСТом, определялось как среднее арифметическое отклонение профиля Rа=0,2-0,3 мкм.

Проведение процесса в вакууме приводит к получению ленты с очень низкой шероховатостью контактной поверхности Rа?0,1 мкм, соответствующей шероховатости поверхности барабана, и отсутствием «В.К.». В то же время, электронные микро-фотографии, полученные на большом увеличении, выявляют контраст типа складок поверхности, что связано со специфическими условиями растекания расплава на поверхности движущегося барабана-холодильника (рис.13). Отметим также, что даже при закалке в вакууме на свободной поверхности ленты имеется продольная по длине ленты регулярная волнистость поверхности, связанная с осцилляциями длины зоны формирования аморфной ленты. К сожалению, ленты, получаемые в вакууме, как правило, сильно охрупчены, что является следствием маленькой длины теплового контакта ленты с барабаном-холодильником, а следовательно, как показало численное моделирование тепловых полей в ленте, высокой температурой схода ленты ~500оС.

Наличие дефектов на поверхности барабана-холодильника может привести к образованию «В.К.», которые в общем случае принимают форму и распределение этих дефектов. Поэтому подготовке барабана к разливке в наших экспериментах уделялось особое внимание. Поверхность барабана механически полировалась Rа?0,15 мкм, а затем создавался различный рельеф путём обработки алмазными абразивами. Созданный таким образом рельеф поверхности, т.е. риски на поверхности барабана явились не только местом зарождения «В.К.», но и местом закрепления их краёв. Это дало возможность управлять формой и размерами «В.К.». Нанесение на поверхность барабана пересекающихся рисок под углом 30-45о обеспечило получение ленты с равноосными, равномерно расположенными «В.К.».

Дальнейшим направлением исследований явилось определение зависимостей величин параметров шероховатости контактной поверхности ленты от величины параметров шероховатости закалочной подложки. Обнаружено, что эти зависимости имеют минимум при значениях шероховатости подложки Rа?0,15 мкм Rmax< 2 мкм, что обеспечивает получение ленты с Rа?0,45 мкм. Подшлифовка барабана под углом к направлению вращения позволила сократить относительную площадь «В.К.» с 30% до 15%. Полученные результаты были использованы при разработке технических условий серийного производства аморфных лент.

100мкм 10мкм

Рис. 13 Микрофотографии контактной поверхности ленты, полученной разливкой в вакууме

Гидродинамическое описание процесса возникновения поверхностных дефектов аморфных лент.

При производстве аморфных лент методом закалки плоской струи расплава на вращающемся барабане-холодильнике в подсопельной области образуется двухфазная зона, в которой происходит формирование аморфной ленты. Конфигурация данной зоны и её структура, в смысле распределения твёрдой и жидкой фаз и гидродинамических потоков, являются крайне важными характеристиками процесса.

В точке 2 (рис.1) происходит контакт струи расплава и движущейся поверхности барабана-холодильника. При этом кривая 1-2 является линией тока, которая определяется уравнением при условии div=0. Если предположить, что кривая 1-2 описывается четвёртой частью окружности, то Vу в точке 1 должна быть равна Vх в точке 2. Но касательная скорость в точке 1 не может быть больше скорости выхода расплава (Vв). Максимальное значение Vв можно оценить по формуле для свободного истечения расплава , где ДР - приложенное давление.

При обычно применяемых технологических режимах Vд=20-30 м/с, Vв=2 м/с. Т.е. при огибающих, близких по форме к окружности, скорость расплава из-за условия полного прилипания в области точки 2 должна возрастать в 10-15 раз. Более «гладкие» варианты возможны при огибающих, близких по форме к эллипсу, но и они дают аналогичные результаты.

Таким образом, в области контакта расплав-барабан условие несжимаемости расплава не выполняется. Также теряют смысл такие понятия как линия тока и устойчивая граница расплав-газ, расплав-поверхность барабана. Область в точке касания расплава барабана характеризуется развитой турбулентностью, а следовательно, разрывами сплошности расплава, образованием каверн и захватом воздушных пузырьков окружающей атмосферы.

При разливке в вакууме «В.К.» полностью исчезают. Этот факт говорит о том, что процесс образования и исчезновения «В.К.» происходит до появления развитого фронта затвердевания, т.е. непосредственно под соплом. Следовательно, и локальные разрывы потока расплава в задней части зоны формирования имеют масштаб не более толщины сопла d. Так как слой, который выдёргивается барабаном из-под «пятки», должен иметь скорость барабана, то его толщину можно оценить формулой . Этот слой движется вместе с барабаном вглубь зоны, оставляя за собой воздушную пору (рис.14) .

Рис. 14 Схематическое изображение образования шероховатости на контактной поверхности аморфных лент

За счёт вертикальной составляющей скорости расплава в зоне над каверной она равномерно захлопывается и превращается в воздушный карман. Время захлопывания поры . Учитывая сделанное ранее допущение Vу ?Vв , окончательно получим для высоты и длины поры:

и (10)

Уравнения (10) позволяют сделать оценку влияния скорости вращения барабана Vд, вязкости расплава н и скорости выхода расплава из сопла Vв на длину и высоту образующихся «В.К.», а следовательно, оценить качество контактной поверхности аморфной ленты.

Процесс образования «В.К.» будет сопровождаться периодическим изменением потока импульса, направленными перпендикулярно контактной поверхности ленты, что в свою очередь вызовет колебания толщины ленты д и, следовательно, длины зоны формирования. Рассматривая этот процесс в приближении гармонических колебаний и предполагая, что температура зоны существенно не изменяется в процессе колебаний, было получено уравнение для длины зоны

где , а безразмерные величины введены с учётом принятых выше обозначений. Для упрощения расчётов была сделана подстановка .

Окончательно для приведённой толщины ленты получим

(11)

На рисунках 15 и 16 представлены рассчитанная профилограмма свободной поверхности аморфной ленты и профилограмма свободной поверхности ленты, полученной в вакууме.

Рис. 15 Профилограмма свободной поверхности аморфной ленты (формула 11).

Vд = 20 м/с , ?=0,000002 м2/с, d=0,0005 м, С=1,2, u=0,040, xст=0,040.

Рис. 16 Профилограмма свободной поверхности ленты, полученной в вакууме (направление ощупывания вдоль ленты)

Следует учитывать, что кривая на рис.15 соответствует профилю свободной поверхности ленты. Профиль контактной стороны определяется процессом закрытия поры и режимом обрушения свода воздушного кармана под действием давления в расплаве. В первой фазе за время t = T образуется пора длиной lп и высотой и захлопывается её задняя часть с образованием «В.К.» (рис.14). Во второй фазе идёт образование следующей поры и одновременное частичное затягивание расплавом полученного в предыдущей фазе «В.К.». При этом процесс деления и уменьшения воздушных пор будет продолжаться до тех пор, пока давление в «В.К.» и в расплаве не сравняются. Детально процесс захлопывания поры и затягивания «В.К.» определяется затвердеванием расплава и выдавливанием воздушной массы из «В.К.» и поры. Можно лишь утверждать, что частота шероховатости на контактной поверхности лент будет в 2-3 раза больше, чем на свободной поверхности, а амплитуда колебаний будет около 0,51 мкм.

Предполагаемый механизм образования шероховатости свободной и контактной поверхности лент позволяет ввести в теорию и практику закалки из расплава на вращающемся барабане-холодильнике такое понятие, как оптимальная длина зоны формирования. Так, слишком короткая зона приводит к преждевременной фиксации формы «В.К.» и колебаний свободной поверхности. Чрезмерное удлинение зоны приводит к выходу газа из «В.К.» в верхние слои зоны формирования вплоть до образования следов лопнувших пузырей на свободной поверхности лент. Длину зоны при прочих равных определяет перегрев расплава перед разливкой и теплоотвод через барабан-холодильник в процессе разливки.

В заключение следует отметить, что предложенный механизм формирования поверхностных дефектов аморфных лент хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными.

Технологические особенности получения аморфных металлических лент на основе кобальта.

Исследования процесса формирования аморфных металлических лент осуществлялись на сплавах, предназначенных для изготовления малогабаритных магнитопроводов, в частности, для магнитных головок. Выбор такого подхода к исследованиям обусловливался тем, что повышенные требования к качеству материала для магнитных головок, в частности, обеспечение возможности изготовления рабочего зазора, равного 0,5 мкм, ставят задачу детального изучения процесса формирования толщины, дефектной структуры поверхности и магнитных свойств аморфных лент.

В подавляющем большинстве публикаций, посвящённых головкам из аморфных сплавов, речь идёт в первую очередь об аморфных сплавах на основе Со. Решающим при этом стал фактор близкой к нулю магнитострикции, благодаря которому можно получить высокие магнитные характеристики в широком диапазоне частот.

Ранее была отмечена особая роль влияния физических свойств на динамику формирования аморфной ленты в процессе быстрой закалки из расплава. Поэтому проведена серия экспериментов по измерению вязкости, плотности и поверхностного натяжения аморфизирующихся расплавов системы Со-Fe-Si-B. Было исследовано более 20 композиций сплавов Со-Fe-Si-B с различным содержанием Si и В, c добавками Ni, Mo, Mb, Cr. Анализ полученных политерм вязкости, плотности и поверхностного натяжения в интервале температур 1100-1500оС позволил выявить характерные особенности их изменения с температурой и составом. Во всех случаях плотность системы практически линейно уменьшается с ростом температуры. Более сложный вид имеют политермы поверхностного натяжения. Некоторые из политерм имеют купол при температурах 1400оС, что объясняется перераспределением бора, как поверхностно активного компонента, между поверхностным слоем и объёмом расплава при нагреве (рис.17). На вершине купола концентрации бора в поверхностном слое и объёме становятся равными.

Рис. 17 Физические свойства расплава состава Co57Fe5Ni10Si11B17 - нагрев, х - охлаждение.

Характер политерм вязкости описывается гиперболической зависимостью. Причём, при температуре 1400оС кинематическая вязкость аморфизирующихся расплавов составляет 10-6 м2/с, что примерно равно вязкости жидкого кобальта. Однако, при температурах, близких к температурам плавления, вязкость аномально увеличивается в 23 раза и составляет 23 ·10-6 м2/с.

Зависимость физических свойств от температуры предполагает определённую процедуру отбора конкретных значений при проведении расчётов технологических параметров. Плотность расплава влияет на скорость выхода расплава из сопла, поэтому должно выбираться её значение, соответствующее температуре Т0. Поверхностное натяжение влияет на форму задней части зоны формирования и также должно соответствовать Т0, т.к. температура под соплом мало отличается от температуры разливки. Вязкость, теплоёмкость и коэффициент теплопроводности определяют потоки импульса и тепла на границе расплав-барабан и соответствуют ТL, т.к. разумно ожидать, что на границе расплав-твёрдая фаза температура близка к температуре затвердевания. На основе полученных экспериментальных данных физических свойств расплава, а также изучения магнитных свойств аморфных лент был выбран базовый сплав Co57Fe5Ni10Si11B17 с близкой к нулю магнитострикцией для дальнейших исследований.

На сплаве Co57Fe5Ni10Si11B17 было проведено комплексное изучение влияния длины теплового контакта и толщины аморфных лент на их магнитные свойства. Как показали результаты скоростной киносъёмки, в начале процесса лента самопроизвольно сходит с барабана, при этом длина теплового контакта не превышает 3-6 см. Поэтому начальные участки всех лент имеют приблизительно одинаковый уровень свойств. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса этих лент Вr/Bs~0,5, коэрцитивная сила Нс?0,8-1,2 А/м, начальная магнитная проницаемость 5000-7000. Но уже на пятом обороте лента «залипает» на поверхности подложки, что даёт возможность контроля и поддержания заданной длины теплового контакта.

Было установлено, что для каждой толщины ленты существует некоторая длина контакта, превышение которой приводит к резкому изменению магнитных свойств ленты.

Ленты толщиной 10<д<20мкм (тонкие ленты), полученные на длине теплового контакта lт=5 см, обладали следующими свойствами: Вr/Вs~0,5, Нc~0,8 А/м, е~7000, которые практически не изменялись по всей длине ленты. В случае получения лент с lт=24 см, наблюдалось резкое увеличение Вr/Вs до значений, близких к 1, увеличивалась величина и разброс значений Нc до 2,4 А/м и падение магнитной проницаемости до 400.

Ленты толщиной 25<д<35мкм (толстые ленты), полученные с коротким сходом lт = 5 см имели практически такую же форму петли гистерезиса, что и тонкие ленты, однако наблюдалось ухудшение и увеличение разброса Нc и е. У лент с длинным сходом lт = 24 см, наблюдались изменения, противоположные изменениями в тонкой ленте. Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса понижался до 0,1 и петля гистерезиса становилась практически линейной. Значительно повышалась начальная магнитная проницаемость до е=18000.

Таким образом, свойства начала всех лент разной толщины и длины схода приблизительно одинаковы. Это связано с тем, что во всех случаях мы фактически имеем короткий сход. На основе численного моделирования тепловых полей в процессе получения аморфной ленты было установлено, что температура схода ленты возрастает с уменьшением длины теплового контакта и особенно резко при lт < 3 см. Аморфные ленты при коротком сходе, независимо от их толщины, сходят с барабана при достаточно высокой температуре, что приводит к развитию процессов структурной релаксации.

На рисунке 18 представлена рассчитанная на основе численного моделирования тепловых полей зависимость температуры схода ленты Тсх от длины теплового контакта lт для разной толщины ленты: 10,20,30 мкм. Как видно из графиков, температура схода ленты возрастает с уменьшением длины теплового контакта и особенно резко при lт < 3см.

Рис. 18 Зависимость температуры схода аморфной ленты от длины теплового контакта и толщины получаемой аморфной ленты. 1-30мкм, 2- 20мкм, 3 - 10мкм

Тонкие ленты, при большой длине теплового контакта, имеют низкую Тсх , а следовательно, процесс структурной релаксации затруднён, что подтверждается проведёнными калориметрическими исследованиями. В толстых лентах, несмотря на сильный теплоотвод на большой длине lт , температура схода относительно высокая, что приводит к частичному протеканию процессов структурной релаксации. Следовательно, наиболее неравновесное состояние имеют ленты с прямоугольной петлёй гистерезиса, а наиболее релаксированные - ленты с петлёй гистерезиса, характеризующейся отношением Вr/Вs=0,5. Ленты с линейной петлёй гистерезиса соответствуют промежуточному состоянию. Если это так, тогда при получении лент с большой длиной теплового контакта, при переходе от состояния Вr/Вs~0,5 в начале ленты к состоянию Вr/Вs~1 должен быть участок ленты с петлёй гистерезиса, приближающейся к линейной. Для подтверждения этого вывода лента, на которой происходило это изменение, разрезалась на более мелкие образцы, на которых измерялась петля гистерезиса. Обнаружено, что коэффициент прямоугольности образцов по длине ленты сначала уменьшался от значения 0,5 до значения ~0,2, а затем резко увеличивался до 1,0.

Следовательно, для получения материала с прямоугольной петлёй гистерезиса подачу расплава необходимо осуществлять таким образом, чтобы толщина ленты была не более 20 мкм, а длина теплового контакта lт > 20 см.

Для получения ленты с линейной петлёй гистерезиса, необходимо увеличивать подачу расплава так, чтобы получать ленты толщиной более 25 мкм.

Для получения лент, характеризующихся коэффициентом прямоугольности петли гистерезиса ~0,5 и с равномерными по длине свойствами, подачу расплава необходимо осуществлять таким образом, чтобы толщина получаемых лент была порядка 20 мкм, а съём ленты с поверхности барабана происходил на расстоянии lт ? 5-6 см.

Так как длина теплового контакта lт определяется до начала процесса закалки из расплава, то с практической точки зрения важнейшей задачей является расчёт технологических параметров, обеспечивающих получение аморфных лент заданной толщины.

Расчёт технологических параметров для получения аморфных лент на основе кобальта.

Алгоритм расчёта технологических параметров для получения аморфных лент на основе кобальта заданной толщины с минимально возможным количеством геометрических дефектов был построен на решении практической задачи, а именно: какие ограничения накладываются на величину технологических параметров при получении ленты определённой толщины д0 из данного типа расплава с физическими свойствами н0, с0, у0, сVo.

Систему уравнений (8) можно переписать в виде

Обозначив , В = bX Re, получим

(12)

при следующем выражении А и В:

и В = (13)

Исключая «Y» из уравнений (12), получим неявную функциональную зависимость А=А(В) при различных перегревах «С» (рис.19).