автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Взаимосвязь качества быстрозакаленных маталлических лент с динамикой их формирования на вращающемся барабане-холодильнике

МОСКОВСКИЙ I

ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

ЦЫЛ\БАЛ Михаил Анатольевич

ВЗАИМОСВЯЗЬ КАЧЕСТВА БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛЕНТ С ДИНАМИКОЙ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ НА ВРАЩАЮЩЕМСЯ БАРАБАНЕ-ХОЛОДИЛЬНИКЕ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Московском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов на кафедре Теории металлургических процессов.

Научные руководители — доктор технических наук, профессор АРСЕНТЬЕВ П. П., кандидат технических наук, заведующий сектором ЛЕВИН Ю. Б.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ОСТРОВСКИЙ О. И., кандидат технических наук ВАСИЛЬЕВ В. А.

Ведущее предприятие — завод «Электросталь»

Защита состоится 5 декабря 1991 г. в час. на заседании специализированного совета Д 053.08.01 Московского института стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Автореферат разослан « ■/ » 1991 г.

Справки по телефону: 236-99-61

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, профессор

Д. И. БОРОДИН

- Акт^альность_£абогы. Аморфные и мелкокристаллические сплавы,

г4ч.полученные закалкой из жидкого состояния, в частности методом закалки плоского потока расплава, являются перспективными материалами, обладающими уникальными служебными свойствами. Увеличение объемов производства быстрозакалешшх сплавов, а такхе расширение сферы их применения, ввдвигаюг на первый план.задачи повышения выхода годного продукта-и улучшение его качества. Большие потери в условиях полупромышленного п промышленного производства с одной стороны определяются высокой нестабильностью технологии, о другой - повышенными требованиями к геометрическим характеристикам лент. В этой связи весьма актуальной представляется задача построения обшей модели процесса, включающей в себя описание влияния технологических параметров, внешних воздействий и физических свойотв расплавов на динамику формирования быстрозакаленных лент и в конечном итоге, на возникновение и развитие дефектов поверхности лент. ■

Цель и задачи работы заключаются в построении медали процесса формирования ленты, учитывавшей динамические явления и позволяющей разработать технологические рекомендации по улучшению геометрических характеристик и качество поверхности лент.

Достижение поставленной цели требует решения следующего комплекса вопросов:

1. Разработка методик исследования процесса закалки из расплава, позволяющих выявить влияние технологических параметров на дефектность поверхности лент.

2. Создание модели формирования лонт, учитывающей существование зон различной интенсивности теплоотвода.

3. Изучение особ?нностей динамики жидкой ванны, возмояшых механизмов установления автоколебательных и стабильных репимов формирования ленты.

4, Изучение характерных дефектов мелкокристаллических и аморфных лент, определение их связи с динамикой ванны расплава.

5. Получение быстрозакаленных лент сплава А'/ ~Мп и сплавов на основе системы Ас заданными геометрическими характеристиками. ' .

Научная новизна.

I. Разработаны теоретические основы динамики формирования ленты, базирующиеся на представлении технологического процесса как совокупности колебательных мод.

■ 2. Установлена и теоретически обоснована возможность возникновения в жидкой ванне как автоколебательных процессов, так. и колебаний резонансного типа, развивающихся под воздействием внешних возмущений (превде всего вибрационного характера).

3. Развит общий подход к анализу дефектов контактной и свободной поверхности лент, понимаемых как следстаче колебательных процессов в жидкой ванне.

Практическая значимость. Установлены аналитические зависимости, связывающие технологические параметры и физические свойства расплавов с толщиной ланты и геометрическими характерно тиками жидкой ванны. Зти зависимости могут быть использованы в технологии произ- • водства лент при выборе параметров опинингования и при разработке автоматизированных.систем упра&аения процессом. Они прошли апробацию в организациях, производящих быстрозакаленные ленты.

. Получены быстрозакаленные ленты на основе силлуминов и системы №'-Мп, примененные, соответственно, в качестве низкотемпературных припоев и расплавов-растворителей для синтеза алмазов;

Апробация работы. Результаты работы долоканы и обсуждены на XI Всесоюзной конференции по проблемам слитка "Процесоы разливки, кодифицирования и кристаллизации отали и сплавов" (г. Волгоград,

1990 г.), УП Всесоюзной научной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавоз" (г. Челябинск, 1990 г.), в Докладах заседания научного совета ГКНТ СССР "Новые процессы в черной аеталлургЕи" (г. Москва, 1390 г.), на II Европейском симпозиума Запад-Восток по материалам и процессам (г. Хельсинки, 1991 г.).

Публикации. По тема диссертации опубликовано 6 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, описка использованных источников. Работа содержат страниц машинописного текота, рисунков,.2 таблицы, список использованных источников из У//" наименований. Обтий объем диссертации страниц.

I. ПОСТАНОВКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ДИНАГШИ ЗОРШРСВАНШ ЛЕНТЫ С ЕЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИ?.!;! ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Анализ современного развития технологии закалки расплава на вращающемся барабане-холодильнике указывает на необходимость более точного контроля значительного.числа технологических парамотроз. Поэтому лабораторная установка, на которой проводилось изучение процесса формирования лент- из расплавов о супэствендо отличашиг.гася физическими свойствами, выявление зависимости геометрических характеристик лент от технологичзоких параметров, имела ряд особенностей. Она была собрана на основе-высокооборотной внутрашлифовальной головки, укрепленной в массивной оправка на станине токарного станка. Применение съемных дисков из различных материалов облегченной конструкции и возможность их центровки и полировки при -насадке на шлифовальную головку позволили свести к минимуму биения и вибрацию. Система лазерного контроля с использованием подачи станка позволяла точно сканировать величину зазора Н между срезом сопла и поверхно-

сию диска по всей длине щели.

Контролировались геометрические размеры щели, шероховатость закалочной поверхности диска, температура расплава и основные технологические параметры, а именно: скорость.вращения диска Уу и величина избыточного давления инертного газа (Ля) в кварцевой ампуле й Р. При этом в подготовке опытов ооновное внимание уделялось стабильности воспроизводства характеристик закалочной поверхности диска, в том числе одинаково высокой степени очистки поверхности от различных загрязнений.

. Параллельно изучались физичеокие овойства спинингуемых расплавов.' Плотность £ и поверхностное натяжение <Г расплавов измерялись методом лехааай кашш с точностью 1,5$ и 3$ соответственно. Кинематическая вязкость.^ металлических расплавов намерялась по методу Швкдковского Е.Г. Относительная ошибка измерений вязкости составляла порядка Ъ%.

Изучение рельефа прилегавшей поверхности лент при различных увеличениях оптического микроскопа дополнялось визуальным наблюдением частоты периодических дефектов по всей длине и ширине ленты, снятием параметров шероховатости вдоль и поперек направления двяке-ния ленты, построением про^ллей толщины.

Нлияние скорости закалки, дефектности прил ающей поверхности на структуру мелкокристаллических лент определялось методами стандартного металлографического и рентгенофазового анализа.

• 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДИНАМИКИ ЗОРШРОВАШН ЛЕНТЫ НА ВРАЩАЩЕМСЯ БАРАБАНЕ-ХОЛОДИЛЬНИКЕ

Процесс формирования ленты на вращающемся барабане-холодильнике мокно. условно разделить на два этапа: начальный период возникно-пения кадкой ванны, а затем уге стационарный сход ленты при относи-

тельно устойчивой конфигурации жидкой ванны.

Формирование ленты толщиной 5 определяется передачей момента импульса за счет сил вязкости и процессом затвердевания. Совместное решение полной системы уравнений тепло и массопереноса численными Методами не представ/яется возможным способом описания этого быст-ропротекающёго процесса. Поэтому описание теплофизической стороны процеоса проводилось на основе критериального анализа и использова-нит извеотных рекений уравнений Фурье для различных упрощенных граничных условий.

Так при рассмотрении процессов теплопередачи в ванне расплава

непосредственно под срезом сопла можно воспользоваться одномерным

решением о граничным условием, выражающим постоянство'температуры

на выхода из июли и теплообмен по Ньютону на границе расплав-диск.

Температура будет близка к стационарной части этого решения через

время х р

+ = п СУ 7

и твпя 12.1/

где £?у- теплоемкость расплава, Лж/м^;

Ос - теплопроводность расплава, Лк/м.К.о;

/•) - толщина пленки расплава.

Время нахождения порции расплава в подсопельной области можно оценить как

t 1 = (2.2) Увых '

I/цЬ1Х - скорость выхода расплава из сопла.

При типичных параметрах процесса спиникгования ¿теШ1 сушест-' венно больше, чем "^ГИдр . т.е. расплав не успевает охладиться до температур, соответствующих стационарной части-решения уравнен.ш:

г = т' Т^вГ ,(2-3)

где То - температура расплава в ампуле;

В} - критерий Еио,

Но и по уравнению (2.3) вследствие малости.6/ температура расплава даже на границе о диоком'не опускается пике температуры затвердевания, по крайней мере для аыорфцзувдихоя либо сильно перегретых расплавов. Это Обстоятельство, как и рда экспериментальных фактов, позволяет принять, что в подсопельной зоне расплав остается жидким.

Скорость охлаждения ленты на выходе из зоны формирования оценивалась из решения одномерного уравнения Фурье при граничных условиях,. соответствующих ньютоновскому теплообмену на границе расплав-диск и теплопотерям за счет излучения на свободной поверхности. Численный расчет по явной разностной схеме показал, что при с1 на границе расплав-диок не меньшем, чем 10^ Дк/м^.К.о можно пренебречь теплопотеряш за'счет излучения, что позволяет получить аналитическое решение: ,

Г=Г0 е~В'гг~^ (2>4)

Таким образом, граница твердой фазы представлявтоя имеющей конфигурацию, изображенную на рио. 1д, причем возможны, хотя бы вследствие локальных различий значений существенные "искажения Формы, возникновение точек перегиба, вызывающих неустойчивость поля скоростей. В дальнейшем, для упрощения былансовых'уравнений граница раздела аппроксимируется прямой линией. Это не может привести к большим погрешностям из-за малости толщины ленты 8 по сравнению о длиной зоны формирования , Подобного рода допущения неизбежны, если учитывать влияние возрастания вязкости расплава вследствие возможного переохлаждения либо образования смесй твердое-жвдкое

вблизи границ раздела.

В конце зоны Формирования выделяется участок длины 2 (см. рис. 1е), на котором происходит затвердевлние слоя расплава толщины X , получившего скорость, равную линейной скорости вращения барабана Уд за счет действия сил вязкости. Ята толщина X описывается уравнением:

4

^ (2.5)

У}

Конфигурация начального участка зоны формирования будет определяться законами динамики жидкости вблизи линии контакта о.движущейся, твердой плоокой поверхность®.

Граница жидкой ванны находилась как линия тока, удовлетворяющая уравнению

с/у _ у * т)

ёХ " X ^Ш^е* •

где их - безразмерные координаты;

-§-\6)~ функция поверхностного натяжения

Численный расчет по этой Формуле, как и расчет по другим моделям, позволяет выделить три возможных типа в зависимости от соотношения параметров Н, Уд , Л Р и физических свойств расплава - \) и сГ (см. рис. I). Тип а) реализуется для расплавов о низкими величинами поверхностного натяжения и вязкости. При такой конфигурации достижение стабильного, уотойчивого"режима формирования ленты невозможно, т.к. любые малые возмущения поверхности будут резко возрастать при приближении к линии контакта. Переход к б) и с) осуществляется при снижении Н, увеличении , и уменьшении У вцх. Конфигурация типа б) реализуется для наиболее широкого набора физических свойств и технологических параметров, что подтверждено экспериментально методами ускоренной киносъемки.-

V

У л

и и

V

н

д

Рис. I,- Форма жидкой ванны

0

1

Все это дает возможность принять следующую общую схему зоны формирования ленты (см. рио. 1е). Расплав под соплом из-за сильного температурного подпора остается полное.ью жидким, по выходе из подсопельной области имеет температуру, практически не отличающуюся от температуры спинингования. Лалее при скорооти охлаждения, оцениваемой из (2.4), происходит образование корочки твердой фазы и на длина зоны сторнирования Ь образуется слоя толщины 5 , движущийся со скоростью . Згтвердевание завершается с той не скоростью но участке длины Z.

Из принятой схемы зоны формирования можно оцепить длительность начального периода возникновения кидкой ванны - так называемое время запуска технологии.

Уйых

+ _ ±и_

V,

ын

(2.7)

~ 2 пп. техн. - ^

где с1 - ширина шели.

Используя геометрическую связь длины зоны формирования Ь , толщины ленты 5 , толщины жидкого слоя в конце зоны формирования X и расстояния ¿Г находится зависимость безразмерной длины

от безилзмерной толщины ленты Х~ £к и параметра О. , отражающего тепло^изические условия:

£ =Хг?\а\ (2.8)

гдо у>(С1}- функция параметра (X =—^— В/

Тст. - температура стеклования (затвердевания) I = -82* Ум

ЬГ ^

£к - толщина ленты при стационарном режиме, определяемая из (2.11).

Найденные соотношения позволяют составить систему балансовых уравнений тепла и м^ссы

с dy » i-ii*£ Шзу

dr " {h+X)£ (2.9)

~

Анализ уравнений (2»8-2.9) позволяет прежде всего выделить два режима формирования ленты. При О.-*""* т.е. при Td^Tcm, большой вя-зкооти расплава \) и малых значениях oL и ¿>к будет наблвдатьоя чисто гидродинамический режим {fla)-"/) :<Э?=Хгилн, в размерных переменных L - ^ ^ - протяженность зоны формирования опрлделяется передачей момента импульса. При Q-~"Of т.е. при Т**Тст , малой вязкости lJ и больших значениях возникает чисто тешхофизический режим: y>la)~—0't <£."^0; L~*~Q , что реально приводит, к разбрызгиванию из-под сопла и нарушению, непрерывности процесса.

. Анализ уграктериотичеокого уравнения системы балансовых уравнений (2.9) показывает, что для предельных случаев - гвдродинамиче-ского и теплофизического режимов особой точкой дпяамичеокой системы будет устойчивый узел. В общем случае, при смешанном режиме формирования а зависимости от значения f Id). в критичеокой точка возможно возникновение затухающих автоколебаний. Условием существования устойчивого фокуса динамической системы (2.9) будет:

Fmin< F' < Fmax (2.10)

где F >f~min ъах - известные функции параметров, отражающих характеристики теплопереноса и обезразмеренную величину зазора Н.

Таким образом, данный анализ показывает, что возникновение автоколебаний генерируется определенным набором технологических параметров (Л£,Н ,То, d , аР ),•физичеоких свойотв раоплава (\J , j7, CviTCf/r ), а также величиной коэффициента теплопередачи на границе

расплав-даак. В зависимости от всех этих условий возможны как гладкие, монотонные изменения температуры и толщины ленты от времени спинингования, так и затухавшие .колебанш" , физической причиной которых являются следующие конкурирующие процессы. Повышение доли .Твердой фазы в зона ¿армирования уменьшает длину зоны и ее объем. Это приводит к увеличению температуры зоны и, соответственно, к уменьшению доли твердой фазы, увеличению длины и объема зоны. Наличие внешних периодических возмущений может перевести затухающий автоколебательный процесс в вынужденные колебания. .

Толщина ленты при стационарном протекании процесса <?*'(?. е. при £р/1т)язляшдаясЯ важнейшей величиной, определяющей служебные . свойства ленты, находилась на основа закона баланса масс

Уух^дгуа:.^ л (2Л1,

где ^ - плотность расплава;

1,с - длина щели.

о

В этой Формуле учитываются потери на вязкое трение в оопле, коэффициент да резкое оужение потока и зависимость толщины ленты от величины зазора Н, отраткающая влияние резкого изменения направления потока. Приведенная формула достаточно хорошо описывает экспериментальные результаты при Н не менее 200 икы. Дальнейшее снижение Н приводит к более резкому возрастанию потерь на сужение потока и расчетные значения 8 оказываются завышенными.

3. ДЕФЕКТЫ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕНТЫ КАК СЛЕДСТВИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ВАННЫ.РАСПЛАВА ■

Учитывая ранэе выявленные особенности процесса формирования ленты, стабильность процесса и однородность свойотв продукта в решающей степени определяется .динамикой поверхности раоплава вблизи

линий контакта. Особую роль имеют периодические возмущения поверхности, так как объяснить возникновение строгой периодичности дефектов контактной поверхности лент типа "воздушных каверн" (В.К.) можно только при принятии механизма захвата газа между поверхностью расплава и диска. А именно дефекты типа "рыбьей чешуи" - периодическое чередование полос крупных В.К., характерны для тонких лент и вызывают резкое увеличение разнотолшинности.

Прежде всего выявляется возможность возникновения собственных капиллярных колебаний выпуклой поверхности ванны. Не они достаточно низкочастотна и приводят к регулярным изменениям толтины ленты ■ с периодом 0,02 м и более. Причиной колебаний, способных вызывать изменения контактного угла о частотой, соответствующей частоте реально наблвдаеыых полоо дефектов, следует считать явления, происходящие вблизи линии контакта раоплава о быстро движущейся поверхностью диска.

Для определения общих закономерностей поведения поверхности жидкости непосредственно вблизи линии контакта можно воспользоваться аналогией о механической моделью типа маятника Фроуда:

тх*Вх*сх=Тж (зл)

где ш - эффективная масса жидкости, смещаемая вдоль оси X по направлению движения поверхности диска;

В - коэффициент сопротивления, отражающий действие сил вязкости расплава;

С — коэффициент'жесткости, отражающий силы поверхностного натяжения;

■ Тх - сила, с которой диск действует на вццеленный объем жидкости массы щ , нелинейно зависящая от Ур (аналог силы трения).

Из базового портрета этой динамической системы следует, что определяющим параметром у является величина, включающая в себя

характеристики функциональной зависимости Т* от ^ и значение В. При возрастании ^ возможен переход от абсолютной устойчивости линии контакта к возникновению автоколебаний при сильном отклонении от равновесного положения и далее к рениму, при котором возможны только автоколебания. Автоколебания зарождаются по "жесткому" механизму - сразу с конечной амплитудой. Все эти закономерности совпала т с закономерностями возникновения периодических дефектов типа "рыбьей чешуи", подтверждая общность явлений.

Автоколебания должны возникнуть за счет действия лапласовского давления и противоположных ему по направлению сил вязкости, сообщающих слою жидкости скорость У $, вблизи равновесного положения при

малых отклонениях возникают гармонические колебания с частотой:

(з-2)

где 9 - динамический контактный угол.

Значения иГ при типичных параметрах процесса - порядка ГО^Гц. Периодические углубления и выступы, вытянувшиеся узкими, часто прерывающимися полосками могут служить источником информации о величине д или до крайней мере о ее относительных изменениях.

Описанные механизмы контактных колебаний, возникающие на поверхности расплава вследствие различных внешних воздействий нейтральные волны, различного рода неустойчивости дополняются возможностями модуляции колебаний, вхождением их в резонанс, что делает еще более разнообразной динамику поведения ванны, а следовательно, и картины смачивания. При этом ярко выражена зависимость собственных частот колебаний от физических свойств расплавов. Даже при постоянства всех технологических параметров малое изменение- поверх :ос?ного натяжения либо вязкости расплава способно резко изменить характер динамических процессов в приконтактной области, привеоти к существен-

ному отличию рельефа прилегающей поверхности лент'и, как следотвио, к различаю значений коэффициента теплопередачи ,

Систематический контроль промышленных заготовок аморфизирую-щихся сплавов показал, чЛ дахе при одинаковых составах возможны существенные расхождения физических свойств в зависимости от технологии выплавок шихты, условий кристаллизации при получении заготовок, термовременного режима подготовки расплава к спинингованшо, наличия'микродобавок в лигатура и гааонаоьшюнности. Так вакуумный перешшв, сопровождающийся активной дегазацией, повысил значенье 6 сплава С^Ге^^В^почти в два раза. Полигермы поверхностного натяжения заэвтектических аыорфизуюаихся раоплавов на основа Ге и Со имеют одинаковый характерный вид и отличаются по абсолютной величине ¿Г. Но при этом нельзя не учитывать неизбежное влияние взаимодействия .расплава о/ окружающей атмосферой. Поверхностное окисление приводит к резкому снижению ¿Г , значит и кинетика взаимодействия о атмосферой ыогет существенно влиять па динамику поверхности жидкой ванны.

Опиоанпые. закономерности динамики формирования ленты только совместно о изучением физических свойогв конкретных расплавов и измерением всех технологических параметров позволяют выявить возможные механизмы возникновения дефектов поверхности лент, причины и особенности ~волвции рельефа прилегающей поверхности. ■

Таким образом, в течение начального периода порядка £зап.техн# идет формирование жидкой ванны, причем объем ванны и температура могут изменяться монотонно, либо с затухающими автоколебаниями. В установившемся квазиотационарном процессе формирования ланты ее толщина 5 определяется из уравнения (2.11), полученного из закона баланса масс. При отом вследствие различных внешних возмущений, не-.

однородности и непостоянства условий смачивания и вытекания расплава, из-за периодических смещений линии контакта расплава с диском возникают изменения динамического контактного угла, приводящие к образованию дефекта типа "воздушных каверн", ¡фупные дефекты такого типа привносят существенные изменения в локальные условия теплопередачи и, учитывая особенности динамики системы, описываемой уравнением (2.8), способны возбуждать автоколебательный режим формирования ленты.

Периодическая разнотолщинность лент, характеристики структур дефектов поверхности дают возможность определить собственные частоты процесса, зависящие от сочетания технологических параметров и физических свойств расплава. Это выявляет существенные стороны самого физического явления, позволяя, за счет выбора технологических параметров, управлять качэотвоа быстрозакйлэнных лент.

4. ЗАВИСИМОСТЬ ДЕФЕКТНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ АМОРФНЫХ ЛЕНТ ОТ ДИНАМИКИ ФОРШРОВАНЩ

Периодические структуры являются наиболее заметным типом распределения дефектов поверхности тонких аморфных лент нззависимо от состава сплйва. Мевду тем, совершенно:недостаточной представляется имеющаяся в литературе методология описания.структуры и типов периодических дефектов. Вцделяетоя, по-оушеотзу, только так называемый дефект "рыбьей чешуи", определяемый как повторяющиеся через фиксированный период ряды крупных В.К.

В структуре прилегающей поверхности аморфных лент на оснозз железа можно выявить два.возможных варианта появления строго периодических рядов крупных В.К.: I - когда мевду строчками З.К. топология поверхности ленты практически неизменна (рис. 2а) и П - когда возникают чередующиеся о той ка частотой участки о существенно р?з-

личной плотностью, формой и размераыг мелких неглубоких В.К. В последнем случае при визуальном наблюдении они выгладят как система матовых и блестящих полоо.

Рис. 2. Характерные дефекты прилегающей повеохности лент .

Учитывая, что возможность захвата газа между поверхностью расшива к закалочным диском определяется величиной динамического контактного угла, модно сделать вывод о значительном регулярном изменении динамического угла в одном случае и практическом постоянстве в другом. Иными словами, либо имеет место изменение конфигурации всей приконтактной области при периодическом смещении линии контакта со скоростью 1^(тип II), либо обшая конфигурация остается той же (тип I). При этом изгибы и любые отклонения матовых и блестящих полоо от строго поперечного направления отражают неоднород-' ность обшей формы обращенной к диску поверхности жидкой ванны. Строчки-В.К. при неизменной обшей топологии, характеризующиеся в 3-9 раз большей чаототой, должны в полной мере соответствовать

мгновенному положению линии контакта.

Реакция этих двух типов периодических структур на сильные внешние возмущения, например, на прохождение крупной риски на диске, характер их наложения друг на друга, зависимость от параметров технологии позволяют заключить, что для описания I типа дефектов применима динамическая модель с разрывными колебаниями. Тогда частота возникновения дефектов, равная для сплава 9КСР 5-10-10 Гц оказывается прямо пропорциональна , действующему значению & и в решавшей мере определяется характеристиками сил адгезии расплава и охлаждающей подложки.

Регулярное возрастание в 1,3-2 раза частоты периодических дефектов по длине лент, полученных на медном диске, являотся результатом прсяде всего изменения микрогоометрли поверхности диска, что в свою очередь опредоляется первоначальной обработкой поверхности и сочетанием материала диска и расплава. Чередование блестящих и "матовых" полос подчиняется закономерностям поведения динамической системы типа маятника Яроуда, что на практике позволяет по структуре я изменению характеристик этого дефекта судить о динамике жидкой ванны вблизи линии.контакта, определить пути оптимизация тех-нологичеоких параметров.

Я. ПОЛУЧЕНИЕ МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСИН ЛЕНТ СПЛАВОВ АЕ-.57 И СВЯЗЬ ИХ СТРУКТУРЫ С ЛОХАЛЬНЫШ УСЛОВИЯМИ ТЕПЛООТБОДА

Основной задачей при закалке сплавов Ы^Мпйоз применения защитной атмосферы язлялооь обеспечение минимальней окисленности, однородности структуры и свойств на всей длине ленты. Использование лент сплавоз на основе системы АВ-М в качестве низкотемпературных припоев требовало достижения высоких скоростей охлаждения

и одновременно минимальной разнотолшпнности. Все это в конечном итоге определяется стабильностью процесса формирования ленты, устойчивостью конфигурации ванны расплава.

Дополнительные технические мероприятия необходимы таете для преодоления специфических технологических трудностей. Вследствие слабой смачиваемости время контакта ленты Ni'Mn о диском обычно очень мало. Для лент сплавов на основе ABS/ время контакта очень сильно зависит от сочетания состава сплава и материала диска, температуры на границе расплав-диск, причем возможно приваривание ленты к поверхности барабана-холодильника. Поэтому особое значение имеет правильный подбор материала и качества обработки закалочного диска.

Физические свойства расплавов М-Мп и сплавов AESi существенно отличны от овойств аморс;лзующихся сплавов, что вызывает принципиальные различия процесса формирования быстрозакаленной ленты. Прежде всего для этих расплавов невозможно глубокое переохлаждение, а для системы Ni'Mn чисто технологически затруднены большие перегревы расплава из-за высокого значения температуры плавления (Ю20°С). Вместе с тем, для них характерны меньшие по сравнению с аморфизующимися расплавами величины вязкости и поверхностного натяжения.

Таким г"1разом, из предыдущего анализа динамики формирования ленты следует, что процесс формирован.^ мелкокристаллических'лент протекает преимущественно по теплофизическому режиму. В этом случае вопросы смачивания и растекания-расплава по охлаждающей подложке приобретают все большее, если не решающее значение.

Структура дефектов прилегающей к барабану поверхности го прежнему определяется динамикой поверхности расплава вблизи контакт-

ной линии. При этом от распределения и характера дефектов прилегающей поверхности зависит время контакта лентн с диском, величина коэффициента теплопередачи я, следовательно, структура быстрозага-ленного материала.

Для сплава М'Мп наличие крупных В.К. приводит к сильным различиям локальных скоростей охлаждения, концентрации больших внутренних напряжений и возникновонкю трещин над В.К, Это исключает возможность получения длинных нопрзрывных лент. Довольно высокое сродство сплава к кислороду потребо-.гло подбора технологических параметров для увеличения степени контакта расплава с диском и д> зтпда-ння максимальных скоростей охлаждения.

Бо'льшая скорость охлавдения обеспечивалась снижением. 8 согласно (2.11) за счет уменьшения зазора «езду соплом и поверхностью диска II до величин порядка 100 мкм и применения щелей шириной с] = 300 мкм. Наилучшее подлипанио ленты наблюдалось для диска из стали Х18Н5Т со средними характеристиками шероховатости поверхности /т^-0,2 мкм,/?та^= 1,7 мкм. Степень контакта расплава с диском увеличивалась путем использования повышенных (0,6-0,7-10° Па) величин избыточного давления Л Р в ампуле и достаточно высоких скоростей вращения 4$. (19-21 м/с).

Структура сплавов системы являющихся анормальной эвте-

ктикой, и сплавов на этой основе, также решающим образом зависит от локальных скоростей охлаждения и достигаемых переохлаждений. В зависимости от условий теплоотвода по толщине ленты возможно образование зон закаленного твердого раствора на основе А9 либо эвтек-тик различной морфологии. В этих условиях размеры и распределение дефектов на прилегающей поверхности имеют первостепенное значение.

Вместе с тем, процесс сплнингования расплавов на основе А£~$

характеризуется наибольшей макроскопической неустойчивостью. Расчет формы жидкой ванны при присущих этим расплавам малых величинах вязкости, плотности и поверхностного натяжения показывает установление профиля, изображенного на рис. 1а) в случае значений Н более 200 мкм.

Лаже при минимально возможных величинах Н, если не удается предотвратить взаимодействие расплава с материалом сопла,будет наблюдаться постепенный переход от конфигурации рис. 1с) к б) и даже а), сопровождающийся резким увеличением толщины S и нестабильности процесса. Столь кардинальные изменения условий формирования ленты приводят к существенно различным типам рельефа поверхности лент.

При конфигурации ванны рис. 1с) поперечные ряды крупных В.К. превращаются в ряды сквозных просечек о постоянной частотой чередования. При установлении конфигурации рис. 1а) наблюдаются отбросы расплава в направлении, противоположном сходу ленты, и прилегающая поверхность отличается точечным контактом с диском, г.'сста контакта имеют округлую форму, занимают порядка 25-40$ общей площади. Конфигурация рис. 16) приводит к разнообразному рельефу, сходному с описанным ранее для аморфных сплавов и включающему последствия пластической деформации.

Для сплава N'fMn, как и для ряда других мелкокристаллических лент, ярко выделяется.следующая особенность дефектов прилегающей поверхности (рис. 26). В месте закрытия крупных вытянутых В.К. образуется характерная полосчатая структура, представляющая собой замороженную картину развития волнового возмущения, возникшего при . ударе прописавшей над В.К. поверхности о движущийся диск. Особенности распространения этих возмущений, выравнивания Фронта движения поверхности расглапа после закрытия В.К. определяются прежде всего

- яз -

величиной динамического контактного угла и обшей формой обращенной к диску поверхности ванна, отражая главным образом степень неустойчивости конфигурации вблизи контактной линии.

В зависимости от достигаемых скоростей охлаждения изменяется Фазовый состав и структура бпстрозакалзнного сплава /V'-Мп. При максимальных скоростях охлаждения /V/' /Ул,. на дифрактограы.пх набла-

и а

дались только линии ^ -твердого раствора № с увеличенным периодом рошэтки вслодствиа большого содержания растворенного Мп. Отл образцы характеризовались и наличием ярко вырагянной текстуры. Пк: более низких скоростях охлаядения текстуры ослабевала, начинался распад £ -твердого раствора по границам зереп. На дз?рзктогра:.'!.«ах выявлялись дополнительные линии, соответствующие 1Ц тетрагональной упорядоченной по тилу Си'Аи Л азе МпМ(э'). Дальнейшее уменьшение скорости охлаждения приводит к полному отсутствию столбчатых кристаллов, снижению доли закаленного ^ твердого раствора вплоть до ее полного исчезновения.

Из экспериментальных результатов, полученных-для сплавов //•//« и можно заключить, что при закалке расплавов с малыми повер-

хностным натяжением, вязкостью и плотностью необходимы меры по стабилизации гидкой ванны: предельное уменьшение зазора Н между соплом и поверхностью диска, зкекция расплава под углом 100-165° к направлению схода ленты. Эти условия совместно с требованием постоянства значения К по всей длина пели, требуют специальных технических мероприятий по изготовлению сопел о соответствующим скосом. Подбор материала и качества обработки охлаждающего бграбана-холодильника возможен только экспериментальным путем, обеспечивая при этом оптимальные степени смачивания и растекания расплава, близость к гидродинамическому режиму Нормирования.

Они® вывода

1. Изучен механизм формирования ленты при закалке плоского потока расплава на вращающемся барабане-холодильника при получении аморфных и мелкокристаллических сплавов. Предложена модель формиро-гания лэнты, учитывающая гидродинамические и теплофизические явления в кадкой ванне и разработаны технологические рекомендации по улучшению геометрических характеристик и качества поверхности ленты.

2. Установлено, что характер Формирования ленты определяется колебательными процессами трех основных типов: автоколебаниями температуры и объема кадкой зоны, собственными капиллярными колебаниями поверхности ванны расплава и колебаниями б области контакта струи расплава с поверхностью барабана-холодильника.

3. Разштие колебательных процеосов, их интенсификация вплоть до резонансных явлений определяется конкретным набором физических свойств расплава: вязкостью \) , поверхностным натяжением 6, адгезией его к поверхности барабана-холодильника, а таете технологическими параметрами спишнгования {¿¡Р, , Н, е} , шероховатостью по-верности диска).

4. Анализ дефектов контактной поверхности лент, а также теоретический анализ гидродинамики и .теплофизики процесса спининговашш дает возможность 'предположить, что твердая фаза при спининговании расплава появляется в конце зоны формирования. Возможно также .наличие двухфазной области с диспергированной твердой фазой, начинающейся в подсопзльной области. Последнее подтверждается примерно . одинаковой длиной зоны формирования всех исследованных сплавов, значение вязкости которых различалось в 5-6 раз.

5. Установлено соответствие особенностей рельефа прилагающей поверхности лент о динаиичесхсими характеристиками процесса формирования. Появление специфической полосчатой структуры в местах закрытия крупных воздушных каверн свидетельствует о резком локальном пс-менепии конфигурации задней поверхности яидкой ванны. Развитие л структура периодических дефектов прилегавшей поверхности соответствуют автоколебательному регяму смешения линии контакта расшюв-диок.

6. На основе предложенной модели формирования быстрозакдлепной ленты впервш разработана технология получения п выпушена опытная партия.широких мелкокристаллических лент силлушна с высоким (до 30% ат.) содержанием кремния, использованных в качестве припоев.

Основное содержание диссертации опубликовано.в работах:

1. Арсентьев П.Я., Аникин ¡O.A., Михайлов М.А., Филонов Ц.Р., Цымбал М.А. Физические свойства аморфизуюоихся расплавов //I Советско-чехословацкий симпозиум по теории металлургических процессов. Тез. докл.- Москва, 1989. - ч. I. - С. 12-14. -

2. Арсентьев П.П., Филонов М.Р., Цимбал М.А., Михайлов М.А. Усадочные явления в двойных сшивах железа и меди //XI-я Всесоюзная конференция по проблемам слитка "Процессы разливки, модифицирования и кристаллизации стали и сплавов": Тез. докл. - Волгоград, 1990. -ч. I. - С. 153-154. .

3. Арсентьев П.П., Цымбал М.А.,.Михайлов М.А. Газы (кислород, азот) в аморфных сплавах //УП Всесоюзная конференция "Строенио и свойства металлических и илаковых расплавов": Тез. докл. - Челябинск, .1990. - т. П. - ч. Ш. - 404 с.

4. Аникин Ю.А., Дзидзигури Э.Л., Михайлов М.А., Цымбал М.А. Влияние структурной неоднородности заготовок аморфных сплавов на их физические свойства в видком состоянии //Там же - 405 с. . .

5. Арсентьев П.П., Овчаров В.П., Аникин Ю.А., Михайлов ¡.I.A., Мухин А.Н., Цымбал М.А. Влияние состояния расплава на динамику вотирования аморфной ленты при спининговашш /Доклады заседания научного созота ГКНТ СССР "Новые процессы в черной металлургии". -Москва, 1990. - С. 61-65.

G.CLtuc-ipn Yh., CL-uuwtjisxr P.P., OircAasiev V.Р.. Jufuuj-lo-o J\.f!.%it-o~