RU2057616C1

RU2057616C1 - Method to produce pieces from amorphous and finely crystalline alloys

Info

Publication number: RU2057616C1
Application number: RU93027082A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Савченко; Михаил Михайлович Савченко
Original assignee: Алексей Михайлович Савченко; Михаил Михайлович Савченко
Priority date: 1993-05-13
Filing date: 1993-05-13
Publication date: 1996-04-10

Abstract

FIELD: metal treatment. SUBSTANCE: method provides for alloy heating over temperature of its smelting and its cooling on carrier. In the case, cooling is exercised in two stages. At the first stage alloy is fed under pressure into intermediate cooler form of which corresponds to form of final piece, and allow alloy to cool to temperature of its solidification and at the second stage alloy is cooled to temperature to allow it to become amorphous in the mould for final piece casting. In the case, as a version, intermediate cooler and mould for final piece casting are made joint and partitioned by heat insulating gasket and their surface is covered with coating, that decreases surface tension of alloy at alloy - coating boundary. EFFECT: increased productivity. 4 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии металлов и сплавов, в частности к способам получения аморфных сплавов (металлических стекол) методом закалки из жидкого состояния. The invention relates to the metallurgy of metals and alloys, in particular to methods for producing amorphous alloys (metal glasses) by quenching from a liquid state.

Известен способ получения аморфного сплава в виде ленты методом закалки на вращающемся диске. A known method of producing an amorphous alloy in the form of a tape by the method of hardening on a rotating disk.

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. In accordance with a known method, the alloy is placed in a quartz crucible and melted. After melting due to excessive gas pressure in the crucible, the alloy is fed to a rapidly rotating disk-cooler, on which the alloy solidifies in the form of a thin tape.

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. Under the action of centrifugal force, the tape breaks off from the disk and is fed into the drive, in which it can be rolled into a roll using special devices. This method is currently widely used throughout the world.

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. The disadvantage of this method is that the products in an amorphous state can be obtained only in the form of an equal thickness along the length of the tape, usually a thickness of 20-40 microns, and only in some cases, the thickness of the tape can be increased to 100 microns. Tape, as a rule, is only a semi-finished product, and not the final product.

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. The known method requires a high quality preparation of the surface of the disk-cooler (for example, the surface roughness should be no worse than grade 10-11), since when cooling the alloy in accordance with the known method, the surface of the disk-cooler has a low thermal diffusivity at the interface, which significantly limits the cooling rate alloy.

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. Moreover, in the known method, it is necessary to ensure the wettability of the surface of the cooling disc by the alloy, which is also aimed at increasing the thermal diffusivity on the specified surface. However, only a small amount of amorphizing alloys based on cobalt and nickel possesses such properties, i.e., the field of application of alloys on a different basis is significantly limited by the possibility of using products with a thickness of not more than 40 μm.

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. The main technical problem solved in the present invention is to increase the cooling rate while creating conditions for facilitating stabilization of the amorphous state of the alloy and making it possible to manufacture products of complex shape from amorphous alloys without subsequent mechanical processing.

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. This technical problem in the present invention is solved in that in a method for producing amorphous and / or fine crystalline alloys, comprising heating the alloy to a temperature higher than the melting temperature, and cooling the alloy on a cold substrate, the substrate is made in a mold for casting a volumetric final product of a given shape and with given the geometry of the amorphous working part, the alloy is preheated to a temperature exceeding the temperature at which the onset of fluctuations in the chemical composition begins to occur, and the alloy is cooled in two stages, while the alloy is pre-fed under pressure to an intermediate cooler for cooling when moving the alloy relative to the intermediate cooler, performed with a mold at the outlet of the intermediate cooler, a congruent mold for casting a volumetric final product, and for final cooling, the alloy is fed under pressure in a mold for casting a bulk final product, and in the first stage, the alloy is cooled to an amorphization temperature of the alloy in the working part of the bulk final product.

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. Moreover, the intermediate refrigerator and the mold for casting the volumetric final product are mechanically aligned, or the intermediate refrigerator and the mold for casting the volumetric final product are separated by a heat insulating gasket.

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. In addition, the intermediate cooler and the mold for casting the volumetric final product are made with a coating that reduces surface tension at the interface between the alloy of the surface of the mold and the intermediate cooler.

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. An alloy located at a temperature significantly higher than the melting temperature is characterized by the following features, namely, the strength of the interatomic bond between atoms of one chemical element is significantly different from the strength of the interatomic bond between atoms of different chemical elements, including between atoms of the base metal and atoms of impurities and alloying components that are distributed in the alloy evenly throughout the volume, which most closely matches the structure of the amorphous state of the alloy. In this case, fluctuations in the chemical composition are not observed. The chaotic thermal vibrations of atoms in the melt at high temperatures also contribute to this. As the temperature of the alloy decreases below the temperature at which the formation of fluctuations in the chemical composition begins, the difference in the binding energy of the atoms of the same type and the binding energy of the atoms of different types decreases and becomes sufficient to group the atoms in pre-separation, which corresponds to the chemical state of the crystalline phases, which is responsible for the crystallization of the alloy during further temperature reduction slow cooling.

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. To suppress the crystallization process and to ensure amorphization in accordance with the present invention, it is necessary to carry out rapid cooling, starting from a temperature higher than the temperature at which the chemical composition of the alloy fluctuates, especially since a sharp decrease in the temperature of the alloy is accompanied by a significant decrease in the viscosity of the alloy and hinders the crystallization of the alloy.

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. The movement of the alloy at the first stage of cooling in the intermediate refrigerator along the cooling surface allows to increase the heat transfer coefficient, and therefore, its cooling rate. Amorphization during rapid cooling of the alloy from a temperature exceeding the fluctuation temperature of the chemical composition to a temperature close to the pour point allows one to stabilize for a short time the high-temperature structure of the alloy, which is closest to the amorphous state of the alloy.

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. The rate of preliminary cooling of the alloy can be controlled both by choosing the initial temperature of the alloy before preliminary cooling, and by changing the rate of heat removal through the walls of the intermediate refrigerator. When performing an intermediate refrigerator with thick walls of heat-conducting metal during the pre-cooling, they do not have time to warm up, and the cooling rate remains maximum. If there is a possibility of solidification of the alloy in the intermediate cooler during its filling with the alloy of the mold, then the pre-cooling rate is reduced, for example, by reducing the heat sink. For this, the intermediate refrigerator is made in the form of a thin-walled steel tube. In this case, it becomes necessary to place a heat-insulating gasket between the intermediate cooler and the casting mold for the bulk of the final product to reduce spurious heating of the mold and thereby ensure the necessary cooling rate of the alloy in the mold.

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. In this case, for the transition of the alloy to the crystalline state at the pour point, some time is required during which fluctuation absorption of energy occurs. Intensive cooling, starting from the pour point, is carried out in the mold for casting the volumetric final product, which improves the conditions for stabilization of the amorphous state in the volumetric product. The most favorable conditions for stabilization of the amorphous state are created in the working part of the bulk product, characterized by a smaller cross section and the shape closest to the surface.

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. The pressure required to supply the alloy to the intermediate cooler and then the pre-cooled alloy from the intermediate cooler to the final cooling mold can be created, for example, due to the energy of the compressed gas, due to centrifugal forces during the rotational movement of the intermediate cooler and the mold, as well as due to the pushing of the walls of the intermediate refrigerator and the form on the alloy.

На чертеже приведена схема установки для реализации настоящего изобретения. The drawing shows a diagram of an installation for implementing the present invention.

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. The apparatus for producing articles from amorphous and / or small crystalline alloys contains a crucible 1 with heating elements 2, and the crucible 1 is connected by channels 3 hydraulically to an intermediate cooler 4, which is mechanically combined with the mold 5 for casting a volumetric final product. In this case, the intermediate refrigerator 4 is made with a mold at the outlet 6, congruent at the inlet of the mold 5 for casting a volumetric final product. An insulating gasket 7 can be additionally installed at the outlet 6 from the intermediate cooler 4. To create pressure in the process of supplying the alloy from the crucible 1 to the intermediate cooler 4 and mold 5, a piston 8 is used for casting the final product, which transfers pressure to the alloy to displace it into the intermediate cooler 4 and mold 5 for casting a volumetric final product.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

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. Previously, the alloy is placed in a crucible 1 with heating elements 2, in which the alloy is heated above the temperature at which the formation of fluctuations in the chemical composition of the alloy begins. Then, the alloy is supplied under pressure to the intermediate cooler 4 and after the temperature has been reduced under intensive cooling at high speed to the pour point in mold 5 for casting a volumetric final product, in which the alloy is finally cooled also at high speed. Technical characteristics of examples of specific implementations of the present invention are shown in the table.

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. In the manufacture of scalpels in example 1, an intermediate cooler 4 and mold 5 for casting the final product were made with a zirconium coating to reduce surface tension at the boundary between the surface of the mold and the intermediate cooler.

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. In the manufacture of razor blades according to example 2, the intermediate cooler 4 and the mold 5 for casting the final product were made with a zirconium coating to reduce surface tension at the interface between the alloy surface of the mold and the intermediate cooler.

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. In the manufacture of spring contacts in example 3, an intermediate cooler 4 and mold 5 for casting the final product were made with a zirconium coating to reduce surface tension at the interface between the alloy surface of the mold and the intermediate cooler, and between the intermediate cooler 4 and mold 5 for casting the final product heat insulating pad made of porous ceramic.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING PRODUCTS FROM AMORPHIC AND SMALL-CRYSTAL ALLOYS, including heating the alloy above the melting temperature and cooling on the substrate, characterized in that the cooling is carried out in two stages: on the first alloy is supplied under pressure to an intermediate cooler, the shape of which is congruent with the shape for the final product, and cooled to pour point, and in the second stage, the alloy is cooled to amorphization temperature in the mold for casting the final product.

2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate refrigerator and the mold for casting the final product product are combined.

3. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate refrigerator and the shape are separated by a heat insulating gasket.

4. The method according to each of claims 1 to 3, characterized in that the intermediate refrigerator and the mold for casting the final product are performed with a coating that reduces surface tension at the alloy-coating interface.