СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНЫХ И МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК B22D11/12 

Изобретение относится к металлургии металлов и сплавов, в частности к способам получения аморфных сплавов (металлических стекол) методом закалки из жидкого состояния.

Известен способ получения аморфного сплава в виде ленты методом закалки на вращающемся диске.

В соответствии с известным способом сплав размещают в кварцевом тигле и расплавляют. После расплавления за счет избыточного давления газов в тигле сплав подается на быстро вращающийся диск-холодильник, на котором сплав затвердевает в виде тонкой ленты.

Под действием центробежной силы лента отрывается от диска и подается в накопитель, в котором возможно ее сматывание в рулон с помощью специальных приспособлений. Этот способ в настоящее время получил широкое распространение во всем мире.

Недостатком известного способа является то, что изделия в аморфном состоянии могут быть получены только в виде равнотолщинной по длине ленты, обычно толщиной 20-40 мкм, и только в отдельных случаях толщина ленты может быть увеличена до 100 мкм. Лента, как правило, является лишь полуфабрикатом, а не конечным изделием.

Известный способ требует высокого качества подготовки поверхности диска-холодильника (например шероховатость поверхности должна быть не хуже 10-11 класса), так как при охлаждении сплава в соответствии с известным способом на границе сплав поверхность диска-холодильника имеется низкая температуропроводность, что существенно ограничивает скорость охлаждения сплава.

Более того, в известном способе необходимо обеспечить смачиваемость поверхности диска-холодильника сплавом, что также направлено на повышение температуропроводности на указанной поверхности. Однако такими свойствами обладает лишь небольшое количество аморфизирующихся сплавов на основе кобальта и никеля, т. е. область применения сплавов на другой основе существенно ограничена возможностью применения изделий с толщиной не более 40 мкм.

Основной технической задачей, решаемой в настоящем изобретении является повышение скорости охлаждения при одновременном создании условий для облегчения стабилизации аморфного состояния сплава и обеспечения возможности изготовления изделий сложной формы из аморфных сплавов без последующей механической обработки.

Данная техническая задача в настоящем изобретении решается тем, что в способе получения аморфных и/или мелкокристаллических сплавов, предусматривающем нагрев сплава до температуры, превышающей температуру плавления, и охлаждение сплава на холодной подложке, подложку выполняют в форме для отливки объемного конечного изделия заданной формы и с заданной геометрией аморфной рабочей части, сплав предварительно нагревают до температуры, превышающей температуру начала появления флуктуаций химического состава, а охлаждение сплава проводят в два этапа, при этом сплав предварительно подают под давлением в промежуточный холодильник для охлаждения при перемещении сплава относительно промежуточного холодильника, выполняемого с формой на выходе из промежуточного холодильника, конгруентной форме для отливки объемного конечного изделия, а для окончательного охлаждения сплав подают под давлением в форме для отливки объемного конечного изделия, причем на первом этапе сплав охлаждают до температуры аморфизации сплава в рабочей части объемного конечного изделия.

Более того, промежуточный холодильник и форму для отливки объемного конечного изделий выполняют механически совмещенными, или промежуточный холодильник и форму для отливки объемного конечного изделия выполняют разделенными теплоизолирующей прокладкой.

Кроме того, промежуточный холодильник и форму для отливки объемного конечного изделия выполняют с покрытием, снижающим поверхностное натяжение на границе сплав поверхность формы и промежуточного холодильника.

Сплав, находящийся при температуре, значительно превышающей температуру плавления, характеризуется следующими особенностями, а именно, сила межатомной связи между атомами одного химического элемента значительно отличается от силы межатомной связи между атомами разных химических элементов, в том числе между атомами металла-основы и атомами примесей и легирующих компонентов, которые распределяются в сплаве равномерно по всему объему, что наиболее точно соответствует структуре аморфного состояния сплава. В этом случае флуктуаций химического состава не наблюдается. Этому также способствуют хаотичные тепловые колебания атомов в расплаве при высоких температурах. При снижении температуры сплава ниже температуры начала образования флуктуаций химического состава, разница в энергии связи однотипных атомов и энергии связи разнотипных атомов уменьшается и становится достаточной для группирования атомов в предвыделения, что соответствует химическому состоянию кристаллических фаз, ответственному за кристаллизацию сплава в процессе дальнейшего снижения температуры при медленном охлаждении.

Для подавления процесса кристаллизации и для обеспечения аморфизации в соответствии с настоящим изобретением необходимо проводить быстрое охлаждение, начиная с температуры, превышающей температуру начала флуктуации химического состава сплава, тем более, что резкое снижение температуры сплава сопровождается существенным снижением вязкости сплава и затрудняет кристаллизацию сплава.

Перемещение сплава на первом этапе охлаждения в промежуточном холодильнике вдоль охлаждающей поверхности позволяет увеличить коэффициент теплопередачи, и следовательно, скорость его охлаждения. Аморфизация при быстром охлаждении сплава с температуры, превышающей температуру флуктуации химического состава, до температуры, близкой к температуре застывания, позволяет кратковременно стабилизировать высокотемпературную структуру сплава, наиболее близкую к аморфному состоянию сплава.

Скорость предварительного охлаждения сплава можно регулировать как выбором исходной температуры сплава перед предварительным охлаждением, так и изменением скорости теплоотвода через стенки промежуточного холодильника. При выполнении промежуточного холодильника с толстыми стенками из теплопроводящего металла за время предварительного охлаждения они не успевают прогреться, и скорость охлаждения остается максимальной. Если же существует вероятность затвердевания сплава в промежуточном холодильнике за время его заполнения сплавом формы, то скорость предварительного охлаждения снижают, например путем снижения теплоотвода. Для этого промежуточный холодильник выполняют в виде тонкостенной стальной трубки. В этом случае появляется необходимость размещения между промежуточным холодильником и формой для отливки объемного конечного изделия теплоизолирующей прокладки для снижения паразитного нагрева формы и за счет этого обеспечения необходимой скорости охлаждения сплава в форме.

При этом для перехода сплава в кристаллическое состояние при температуре застывания необходимо некоторое время, в течение которого происходит флуктуационное поглощение энергии. Интенсивное охлаждение, начиная с температуры застывания, проводят в форме для отливки объемного конечного изделия, что улучшает условия стабилизации аморфного состояния в объемном изделии. Наиболее благоприятные условия для стабилизации аморфного состояния создаются в рабочей части объемного изделия, характеризующейся меньшим поперечным сечением и наиболее приближенной к поверхности формы.

Давление, необходимое для подачи сплава в промежуточный холодильник и затем предварительно охлажденного сплава из промежуточного холодильника в форму для конечного охлаждения, может быть создано, например, за счет энергии сжатого газа, за счет центробежных сил при вращательном движении промежуточного холодильника и формы, а также за счет надвигания стенок промежуточного холодильника и формы на сплав.

На чертеже приведена схема установки для реализации настоящего изобретения.

Установка для получения изделий из аморфных и/или мелкокристаллических сплавов содержит тигель 1 с нагревательными элементами 2, при этом тигель 1 каналами 3 связан гидравлически с промежуточным холодильником 4, который выполняют механически совмещенным с формой 5 для отливки объемного конечного изделия. При этом промежуточный холодильник 4 выполнен с формой на выходе 6, конгруентной на входе форме 5 для отливки объемного конечного изделия. На выходе 6 из промежуточного холодильника 4 может быть дополнительно установлена теплоизолирующая прокладка 7. Для создания давления в процессе подачи сплава из тигля 1 в промежуточный холодильник 4 и форму 5 для отливки конечного изделия используют поршень 8, передающий давление на сплав для его вытеснения в промежуточный холодильник 4 и форму 5 для отливки объемного конечного изделия.

Способ реализуется следующим образом.

Предварительно сплав помещают в тигель 1 с нагревательными элементами 2, в котором сплав нагревают выше температуры начала образования флуктуаций химического состава сплава. Затем сплав подают под давлением в промежуточный холодильник 4 и после снижения температуры при интенсивном охлаждении с высокой скоростью до температуры застывания в форму 5 для отливки объемного конечного изделия, в которой сплав окончательно охлаждают также с высокой скоростью. Технические характеристики примеров конкретной реализации настоящего изобретения приведены в таблице.

При изготовлении скальпелей по примеру 1 промежуточный холодильник 4 и форма 5 для отливки конечного изделия была выполнена с покрытием из циркония для снижения поверхностного натяжения на границе поверхность формы и промежуточного холодильника.

При изготовлении бритвенных лезвий по примеру 2 промежуточный холодильник 4 и форма 5 для отливки конечного изделия была выполнена с покрытием из циркония для снижения поверхностного натяжения на границе сплав поверхность формы и промежуточного холодильника.

При изготовлении пружинных контактов по примеру 3 промежуточный холодильник 4 и форма 5 для отливки конечного изделия была выполнена с покрытием из циркония для снижения поверхностного натяжения на границе сплав поверхность формы и промежуточного холодильника, а между промежуточным холодильником 4 и формой 5 для отливки конечного изделия была установлена теплоизолирующая прокладка, выполненная из пористой керамики.

Использование: изготовление изделий сложной формы из аморфных сплавов без последующей механической обработки, например: скальпилей, бритвенных лезвий, пружинных контактов и тому подобное. Сущность изобретения: способ включает нагрев сплава выше температуры плавления и охлаждения на подложке. При этом охлаждение осуществляют в два этапа. На первом - сплав подают под давлением в промежуточный холодильник, форма которого конгруэнтна форме конечного изделия, и охлаждают до температуры застывания, а на втором этапе сплав охлаждают до температуры аморфизации в форме для отливки конечного изделия. Причем, промежуточный холодильник и форма для отливки конечного изделия могут быть выполнены совмещенными и разделенными теплоизолирующей прокладкой, а на их поверхность целесообразно нанести покрытие, снижающее поверхностное натяжение сплава на границе сплав-покрытие. 3 з. п. ф-лы, 1 ил. , 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНЫХ И МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ, включающий нагрев сплава выше температуры плавления и охлаждение на подложке, отличающийся тем, что охлаждение осуществляют в два этапа: на первом сплав подают под давлением в промежуточный холодильник, форма которого конгруэнтна форме для конечного изделия, и охлаждают до температуры застывания, а на втором этапе сплав охлаждают до температуры аморфизации в форме для отливки конечного изделия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный холодильник и форму для отливки конечного продукта-изделия выполняют совмещенными. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный холодильник и форму разделяют теплоизолирующей прокладкой. 4. Способ по каждому из пп.1 3, отличающийся тем, что промежуточный холодильник и форму для отливки конечного изделия выполняют с покрытием, снижающим поверхностное натяжение на границе сплав-покрытие.