Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК
Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способом диспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавки и диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленны...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Современная электрометаллургия |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96008 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК / В.А. Шаповалов, И.В. Шейко, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 32-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-96008 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-960082016-03-09T03:02:35Z Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Вакуумно-индукционная плавка Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способом диспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавки и диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленных сплавов. Process of producing the rapidly hardened highly-reactive and high-temperature alloys by the method of melt dispersion during induction melting in a sectional mould was investigated. Technologies of melting and dispersion were optimized and main regularities were obtained. The quality of rapidly hardened alloys was examined. 2009 Article Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК / В.А. Шаповалов, И.В. Шейко, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 32-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96008 669.187.58 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Вакуумно-индукционная плавка Вакуумно-индукционная плавка |
| spellingShingle |
Вакуумно-индукционная плавка Вакуумно-индукционная плавка Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК Современная электрометаллургия |
| description |
Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способом диспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавки и диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленных сплавов. |
| format |
Article |
| author |
Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. |
| author_facet |
Шаповалов, В.А. Шейко, И.В. Никитенко, Ю.А. |
| author_sort |
Шаповалов, В.А. |
| title |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК |
| title_short |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК |
| title_full |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК |
| title_fullStr |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК |
| title_full_unstemmed |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК |
| title_sort |
получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ипск |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Вакуумно-индукционная плавка |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96008 |
| citation_txt |
Получение быстрозакаленных сплавов способом диспергирования при ИПСК / В.А. Шаповалов, И.В. Шейко, Ю.А. Никитенко // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 32-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT šapovalovva polučeniebystrozakalennyhsplavovsposobomdispergirovaniâpriipsk AT šejkoiv polučeniebystrozakalennyhsplavovsposobomdispergirovaniâpriipsk AT nikitenkoûa polučeniebystrozakalennyhsplavovsposobomdispergirovaniâpriipsk |
| first_indexed |
2025-07-07T03:11:33Z |
| last_indexed |
2025-07-07T03:11:33Z |
| _version_ |
1836956143482568704 |
| fulltext |
УДК 669.187.58
ПОЛУЧЕНИЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ
СПОСОБОМ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПРИ ИПСК
В. А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю. А. Никитенко
Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способом
диспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавки
и диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленных сплавов.
Process of producing the rapidly hardened highly-reactive and high-temperature alloys by the method of melt dispersion
during induction melting in a sectional mould was investigated. Technologies of melting and dispersion were optimized
and main regularities were obtained. The quality of rapidly hardened alloys was examined.
Ключ е вы е с л о в а : диспергирование; секционный крис-
таллизатор; высокореакционные сплавы; металлический рас-
плав; диск-холодильник; быстрозакаленные чешуйки
Практически во всех отраслях промышленности ши-
рокое применение находят сплавы с аморфной, на-
но- и микрокристаллической структурами металли-
ческие. В каждом из направлений ставятся свои за-
дачи и требования как к чистоте продукции, так и
к форме получаемых изделий. Достаточно объем-
ные слитки с аморфной структурой изготовляют
только для определенных систем, не всегда имеющих
применение. Основную массу сплавов получают в
виде покрытий с аморфной или микрокристалли-
ческой структурой или изделий, имеющих хотя бы
один микроразмер (лента, провод, чешуйки, порошок).
Наиболее производительными способами изго-
товления металлов и сплавов с аморфной и микрок-
ристаллической структурой являются способы сверх-
быстрой закалки из жидкого состояния. Широко
распространен способ экстракции (диспергирова-
ния) из расплава быстрозакаленного металла вра-
щающимся диском-холодильником (рис. 1) [1]. В
результате получают продукцию в виде чешуек, иго-
лок, коротких лент.
Для накопления объема расплава используют ке-
рамический тигель с резистивным или индукцион-
ным нагревом. Поскольку экстракцию выполняют
сверху, то организовать подпитку ванны и стабиль-
ный уровень расплава осуществить достаточно
сложно, обычно это компенсируют за счет большого
поперечного сечения тигля.
Снижение уровня расплава при экстракции ни-
же какого-то критического размера приводит к по-
паданию расплава на стенки тигля, а не в накопи-
тельный бункер. Это приводит к кратковременности
процесса, применение керамического тигля также
накладывает ограничения на обрабатываемые сос-
тавы сплавов. Взаимодействие расплава с керами-
ческим тиглем способствует его загрязнению неме-
таллическими соединениями, что делает практичес-
ки невозможным обработку сплавов, содержащих
высокореакционные металлы.
В настоящее время возник интерес к получению
сплавов с аморфной и микрокристаллической
структурой с более высокой температурой плавле-
ния и реакционной активностью, для которых плав-
ка в керамическом тигле уже недопустима. К ним
© В. А. ШАПОВАЛОВ, И. В. ШЕЙКО, Ю. А. НИКИТЕНКО, 2009
Рис. 1. Традиционная технология диспергирования (экстракции)
расплава из керамического тигля
32
относятся сплавы, содержащие титан, цирконий,
хром и др. Кроме того, существует проблема умень-
шения неметаллических включений в специальных
сплавах для электронной и авиакосмической отрас-
лей промышленности. Для решения поставленной
задачи необходимо создание технологических про-
цессов, максимально защищающих расплав от кон-
такта с инородными материалами.
В ИЭС им. Е. О. Патона создана лабораторная
установка для получения быстрозакаленных метал-
лов и сплавов на базе существующей установки для
индукционной плавки в секционном кристаллиза-
торе (ИПСК) с диаметром кристаллизатора 68 мм
(рис. 2) [2, 3].
Особенностью реализации процесса диспергиро-
вания стало использование при индукционной плав-
ке эффекта отжатия расплава от стенок тигля. В
процессе плавления металлический расплав отдав-
ливается от стенок секционного кристаллизатора
под действием электромагнитных сил, обусловлен-
ных взаимодействием токов, протекающих в секци-
ях кристаллизатора, и токов, индуцируемых в по-
верхностном слое расплава.
В результате расплав не имеет контакта со стен-
ками кристаллизатора, а ванна своей основой опи-
рается на расходуемую заготовку. Отжатие распла-
ва и непрерывная подача заготовки снизу приводит
к поднятию уровня ванны выше индуктора и крис-
таллизатора, что дает возможность осуществлять
процесс диспергирования без препятствий.
Такой способ плавки и диспергирования пол-
ностью исключает возможность взаимодействия
расплава с любыми инородными материалами. Так-
же в процессе плавки возможно
рафинирование расплава путем
выдержки металла в жидком сос-
тоянии, его перемешивания и ис-
пользования активных шлаков.
При проектировании модуля
для диспергирования рассматри-
вались три следующих варианта:
без охлаждения, с охлаждением
проточной водой и газовым охлаж-
дением. Первые два не нашли при-
менения из-за технологических
трудностей при эксплуатации, по-
этому последующие опыты прово-
дили на диске с газовым охлаждением, показавшем
удовлетворительную работоспособность [4].
Для проведения экспериментов выбраны опыт-
ные сплавы, которые сложно, а иногда и невозмож-
но, получать с помощью существующих технологий.
В первую очередь это касается сплавов, содержа-
щих высокореакционные элементы, сплавы с высо-
кой температурой плавления, а также модельные
сплавы (табл. 1).
Исследования показали, что на форму поверх-
ности ванны расплава, отжимающегося от стенок
кристаллизатора, влияет мощность и частота тока
высокочастотного генератора. В отличие от класси-
ческого ИПСК, для осуществления процесса диспер-
Т а б л и ц а 1 . Диспергирование при ИПСК
Марка сплава
Массовая доля элементов, %
Fe Al Ni Cr Ti Mn Tпл, °С
Д16 0,3 Основа Cu = 4,2 — Mg = 1,6 0,7 660
ЭП 648 Mo = 2,4 1,06 Основа 31,6 W = 4,4 0,3 1550
Нитинол — — »» — 49,1 — 1550
ВТ1-0 0,2 — — — Основа — 1660
Nd—Fe—B Основа — Nd = 33,8 — B = 0,9 — 1550
RSR Mo = 13,2 7,50 Основа — W = 3,6 — 1350
Рис. 2. Схема диспергирования при ИПСК: 1 – диск-холодиль-
ник; 2 – быстрозакаленные чешуйки; 3 – расплав; 4 – рас-
ходуемая заготовка; 5 – индуктор; 6 – секционный кристал-
лизатор
Рис. 3. Отжатая часть металлической ванны в секционном кристаллизаторе (а) и ее
температура (б) в зависимости от частоты тока, кГц: 1 – 2,5; 2 – 8; 3 – 66
33
гирования необходимо создание условий для под-
нятия уровня расплава над секционным кристалли-
затором. В результате дей-ствия электромагнитного по-
ля в расплаве возникает интенсивное перемешивание,
приводящее к усреднению состава и температуры.
В ходе исследований установлено, что при час-
тоте тока 66 кГц и плавке сплава ВТ1-0 ванна рас-
плава достигает максимального объема и оптималь-
ной формы – купола (рис. 3). Уменьшение частоты
способствует образованию конусообразной формы
купола, усложняющего процесс перемешивания и,
как следствие, охлаждения верхней части расплава,
что негативно отражается на диспергировании.
Установлено, что для обеспечения процесса дис-
пергирования высота купола Δh над секционным
кристаллизатором должна составлять (0,2…0,3) D
кристаллизатора (около 10…18 мм). Повышение
высоты выпуклого мениска приводило к простран-
ственной нестабильности положения купола, нару-
шающей процесс диспергирования. Минимальная
высота купола Δh, при которой заканчивают про-
цесс диспергирования, составляет (0,1) D кристал-
лизатора, что равняется 5…6 мм. Поскольку про-
цесс диспергирования происходит непрерывно или
циклически в зависимости от сплава, скорость по-
дачи заготовки регулируется от 0 до 10 мм/мин.
Тепловые режимы работы оборудования в соз-
дании технологии имеют решающее значение, влияя
на технологию процесса, экономичность и конструк-
цию основных узлов печи. Таким образом, возникла
необходимость их исследования и сравнения с клас-
сическим ИПСК. Передача энергии электромагнит-
ного поля, создаваемого током индуктора при ИП-
СК, происходит по более сложной схеме, чем обыч-
ная индукционная плавка.
Тепловая энергия, выделившаяся в металличес-
кой ванне, составляет лишь часть электрической
энергии, подведенной к индуктору Qинд. Значитель-
ная ее часть теряется в секционном кристаллизаторе
и индукторе в результате протекания электрическо-
го тока в указанных элементах. Проведенные опыты
показали, что потери в самом индукторе составляют
16…17 % мощности.
Суммарные потери в секционном кристаллиза-
торе являются суммой электрических потерь на пе-
редачу энергии и тепла от расплава к стенкам крис-
таллизатора, составляющих около 50 % общей мощ-
ности. Исследование теплового и электрического
состояния плавильного модуля показало, что в рас-
плаве выделяется около 50 % мощности индуктора.
Перераспределение теплоты, выделившейся в рас-
плаве Qр, осуществляется между стенками кристал-
лизатора Qкр, потерями в глубь расходуемой заго-
товки Qс, конвективного и лучистого теплообмена
с атмосферой камеры Qк (рис. 4). Исследования
показали незначительное перераспределение тепла
в элементах оборудования, по сравнению с класси-
ческим ИПСК (табл. 2). За счет поднятия уровня
расплава над уровнем кристаллизатора на 1…3 % уве-
личились потери в окружающую атмосферу камеры.
Особенно сложно осуществить диспергирование
сплавов, в состав которых входят высокоактивные
элементы, образующие на поверхности металличес-
кой ванны плотную пленку. Наличие пленки в зна-
чительной мере усложняет, а иногда делает невоз-
можным ведение процесса диспергирования, пос-
кольку она предотвращает прямой контакт метал-
лического расплава с рабочей дорожкой диска-хо-
лодильника.
Т а б л и ц а 2 . Перераспределение тепла в элементах обо-
рудования
Сплав
Qинд Qр Qкр Qк Qс
кВт %
Д-16 35… 40 17…18 70… 75 3…5 20… 27
ВТ1-0 84… 89 36… 39 80…82 1… 2 16… 19
Рис. 4. Потери тепла из расплава при ИПСК
Рис. 5. Общий вид чешуек, полученных диспергированием при ИПСК: а – ВТ1-0; б – Ni-Ti; в – RSR
34
В результате исследований предложен под-
ход для решения технологической про-блемы
очистки поверхности расплава Nd—Fe—B от плен-
ки оксидов с помощью разработанных легкоп-
лавких шлаковых систем на основе фторидов:
лития, калия и магния. Для устранения ок-
сидной пленки на поверхности металлической
ванны во время диспергирования жаро-
прочного сплава ЭП 648 и нитинола (Ni—Тi)
предложено использование гидрида титана.
Изучение технологических особенностей плавки
и диспергирования расплава при ИПСК позволило
получать чешуйки из указанных сплавов (рис. 5).
Скорость получения чешуек составляет, г/ч: для
Д16 ≈ 140…180, для Nd—Fe—B ≈ 300…350, для RSR ≈
≈ 440…450, Ni—Ti ≈ 500…550, ВТ1-0 ≈ 230…300.
В результате диспергирования получены чешуй-
ки длиной 5…10 мм, шириной 1…2 мм и толщиной
15…50 мкм. Структура чешуек имеет мелкокрис-
таллическое строение (рис. 6), которое объясняется
химическим составом обрабатываемых сплавов,
т. е. отсутствием элементов – аморфизаторов.
Изучение структуры быстрозакаленных чешуек
Д16 показало наличие микрокристаллической
структуры с присутствием небольшого количества
аморфной фазы. Основу полученных образцов сос-
тавляет алюминий. Кроме того, присутствуют
Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg и более сложные соедине-
ния типа Al5Cu6Mg2 (рис. 7, а).
В процессе исследования чешуек Nd—Fe—B уста-
новлено, что в системе непосредственно после сверх-
быстрой закалки из расплава также существует
аморфно-кристаллическая структура, вмещающая
вместе с аморфной составляющей (около 23 %)
кристаллические фазы Nd2Fe14B (рис. 7, б).
В системе Nd—Fe—B возможно формирование
множества равновесных и неравновесных фаз. Из-
за неполной симметрии их решетки, а также боль-
ших значений ее периодов на рентгенограммах этих
фаз присутствует большое количество дифракцион-
ных пиков. Кроме того, интенсивность данных ли-
ний мала и многие из них смещены. Все это чрез-
вычайно усложняет фазовый анализ быстрозака-
ленных сплавов системы Nd—Fe—B, а также опреде-
ление средних размеров кристаллитов.
В ходе металлографических исследований не ус-
тановлено загрязнение металла посторонними приме-
сями и неметаллическими включениями.
Сверхбыстрая закалка положительно повлияла
на функциональные параметры материалов. При
изготовлении упругих элементов из прессованого
нитинола (сплава с эффектом «памяти» формы) ра-
бочая цикличность повысилась почти на 40 %.
Испытание опытных образцов постоянных маг-
нитов, изготовленных из молотых и спеченных че-
шуек Nd—Fe—B, показало, что уровень их коэрци-
тивной силы увеличился более чем в два раза, по
сравнению с показателями магнитов, полученных
по традиционной технологии.
1. http://www.ifam- dd.fraunhofer.de/fhg/ifam_dd/EN/ge-
biete/faser/schmelz/index.jsp Dresden branch lab powder
metallurgy and composite materials of the fraunhofer institu-
te for manufacturing and advanced materials (IFAM).
2. Никитенко Ю. А., Шаповалов В. А., Шейко И. В. Полу-
чение аморфных металлов методами специальной электро-
металлургии // Современное материаловедение: дости-
жения и проблемы: MMS-2005: Матер. междунар. конф.
(Киев, сент. 2005 г.). – Киев: ИПМ им. И. Н. Франце-
вича, 2005. – С. 650—651.
3. Получение быстрозакаленных металлических материалов
с применением процесса индукционной плавки в секцион-
ном кристаллизаторе / Б. Е. Патон, Ю. В. Латаш,
И. В. Шейко и др. // Пробл. спец. электрометал-
лургии. – 1993. – № 2. – С. 50—55.
4. Шаповалов В. А., Шейко И. В., Никитенко Ю. А. Неко-
торые особенности создания устройств для диспергирова-
ния металлического расплава // Современ. электроме-
таллургия. – 2009. – № 2. – С. 35—38.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 01.07.2009
Рис. 6. Микроструктура сечения быстрозакаленных чешуек: а – Д16; б –
ВТ1-0
Рис. 7. Рентгенограммы образцов чешуек, полученных при ИПСК: а – Д16; б – Nd—Fe—B; I — интенсивность
35
|