Методы получения аморфных металлов

Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 10 К/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пласти­ну, распыления струи газом или жидкостью, центрифугирования капли или струи, расплавления тонкой пленки поверхности металла лазером с быст­рым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрого охлаждения из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.

Получение ленты.

Наиболее эффективными способами промышлен­ного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатка расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теп­лопроводностью.

На рис. 1 приведены принципиальные схемы этих методов. Рас­плав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающе­гося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит том, что в ме­тодах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение доста­точной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов.

Рис. 1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава:

а - центробежная закалка; б - закалка на диске; в - прокатка расплава; г - центробежная закалка; д - планетарная закачка на диске

Рис. 2. Устройства для увеличения времени контакта затвердевающей ленты с диском: а - использование газовых струй;

б - применение прижимного ремня

Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в ши­роких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров пла­вильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие - до 100 мм, причем точность под­держания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.

Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося хо­лодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью исте­чения расплава, то есть зависит от диаметра сопла и давления газа на рас­плав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодиль­ником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.

Увеличение длительности контакта затвердевающего металла с диском может быть достигнуто с помощью специальных приспособлений: газовых струй, прижимающих ленту к диску или движущегося с одинаковой ско­ростью с диском ремня из сплава меди с бериллием (рис. 13.34). Таким образом, максимальная толщина аморфной ленты зависит от критической скорости охлаждения сплава и возможностей установки для закалки. Если скорость охлаждения, реализуемая в установке, меньше критической, то аморфизация металла не произойдет.

Рис. 3. Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава:

а - протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б - вытягивание нити из вращающеюся барабана; в - вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 -расплав; 2 - охлаждающая жидкость; 3 - стекло; 4 - форсунка; 5 - смотка проволоки

Получение проволоки.

Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

В первом методе (рис. 3, а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей. Во втором (рис. 3.б) - струя расплавленного металла падает в жидкость, удержи­ваемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидко­сти. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис. 3, в). Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной труб­кой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, есте­ственно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.

,Получение порошков. Для производства порошков аморфных сплавов можно воспользоваться методами и оборудованием, применяемым для из­готовления объемных металлических порошков.

На рис. 4 схематично показано несколько методов, позволяющих в больших количествах получать аморфные порошки. Среди них в первую очередь следует отметить хорошо зарекомендовавшие себя методы распы­ления.

Известно изготовление аморфных порошков кавитационным методом, реализуемым прокаткой расплава в валках, и методом распыления расплава вращающимся диском. В кавитационном методе (рис. 4, б) расплавленный

Рис. 4. Методы получения аморфных порошков:

а - метод распыления (спрей-метод); б - кавитационный метод; в - метод распыления рас­плава вращающимся диском; 1 - порошок; 2 - исходное сырье: 3 - форсунка; 4 - охлаж­дающая жидкость; 5 - охлаждаемая плита

металл выдавливается в зазоре между двумя валками (0,2-0,5 мм), изготов­ленными, например, из графита или нитрида бора. Происходит кавитация -расплав выбрасывается валками в виде порошка, который попадает на охла­жденную плиту или в охлаждающий водный раствор. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющие­ся в металле. Метод распыления вращающимся диском (рис. 4, в) в принципе аналогичен ранее описанному методу изготовления тонкой про­волоки, но здесь расплавленный металл, попадая в жидкость, разбрызгива­ется за счет ее турбулентного движения. С помощью этого метода получа­ют порошок в виде гранул диаметром около 100 мкм.