Формование расплава — это метод формования металла, который обычно используется для формирования тонких лент из металла или сплавов с определенной атомной структурой. [1]
Некоторые важные коммерческие применения расплавленных пряденых металлов включают высокоэффективные трансформаторы ( трансформаторы из аморфных металлов ), сенсорные устройства, телекоммуникационное оборудование и силовую электронику. [2]
Типичный процесс формования расплавленного металла включает литье расплавленного металла путем его струйной подачи на вращающееся колесо или барабан, который охлаждается изнутри, обычно водой или жидким азотом . Расплавленный материал быстро затвердевает при контакте с большой холодной поверхностью барабана. Вращение барабана постоянно удаляет затвердевший продукт, одновременно открывая новую поверхность для потока расплавленного металла, что позволяет осуществлять непрерывное производство. Полученная лента затем направляется по производственной линии для упаковки или обработки в другие продукты. [3] [4]
Скорости охлаждения, достигаемые при спиннинге расплава, составляют порядка 10 4 –10 6 Кельвинов в секунду (К/с). Следовательно, спиннинг расплава используется для разработки материалов, требующих чрезвычайно высоких скоростей охлаждения для формирования, таких как металлические стекла . Из-за быстрого охлаждения эти продукты имеют сильно разупорядоченную атомную структуру, которая придает им уникальные магнитные и физические свойства ( см. аморфные металлы ). [3] [5] [6]
Несколько вариаций процесса прядения расплава обеспечивают определенные преимущества. Эти процессы включают литье в плоскостном потоке , прядение расплава в двухвалковом режиме и прядение расплава с автовыталкиванием.
Текущая концепция прядильной машины для расплава, разработанная Робертом Пондом в серии связанных патентов с 1958 по 1961 год (патенты США №№ 2825108, 2910744 и 2976590), была изложена Пондом и Мэддином в 1969 году. Сначала жидкость охлаждалась на внутренней поверхности барабана. Либерман и Грэм к 1976 году усовершенствовали этот процесс как метод непрерывного литья, на этот раз на внешней поверхности барабана. [7] Этот процесс позволяет непрерывно производить тонкие ленты материала, а листы шириной в несколько дюймов имеются в продаже. [8]
При спиннинговании расплава сплав или металл сначала плавят в тигле . Затем инертный газ , обычно аргон , используется для струйной подачи расплавленного материала из сопла, расположенного на нижней стороне тигля. Полученный поток жидкости направляется на внешнюю окружную поверхность вращающегося колеса или барабана, который охлаждается изнутри. Внешняя поверхность барабана расположена очень близко к соплу, но не касается его. Как правило, скорость поверхности барабана должна составлять от 10 м/с до 60 м/с, чтобы избежать образования глобул (капель) или разрыва ленты соответственно. Как только поток соприкасается с поверхностью барабана, образуется небольшая лужа расплава (расплавленного материала). Из-за низкой вязкости расплава сдвигающие силы, создаваемые относительным движением поверхности барабана под расплавом, распространяются только на несколько микрон в лужу. Другими словами, только небольшая часть лужи подвергается воздействию трения от вращения барабана. Следовательно, при вращении барабана большая часть расплавленной ванны остается удерживаемой между соплом и барабаном поверхностным натяжением . Однако расплав на самом дне лужи, который находится в непосредственном контакте с барабаном, быстро затвердевает в тонкую ленту. Затвердевшая лента уносится из-под сопла на поверхность барабана на 10° вращения, прежде чем центробежная сила от вращения барабана выталкивает ее. [1] [4] [9]
Этот процесс происходит непрерывно, так что по мере того, как затвердевший материал удаляется из-под лужи расплава, в лужу из сопла добавляется больше жидкого материала.
Даже в базовом процессе прядения из расплава задействовано множество факторов. Качество и размеры продукта определяются тем, как работает и настраивается машина. Следовательно, существует множество исследований, изучающих влияние изменений в конфигурации прядильного устройства для расплава на конкретные сплавы. Например, вот статья о конкретных условиях, которые, как было установлено, хорошо подходят для прядения из расплава сплавов Fe-B и Fe-Si-B.
В целом, расплавные прядильные машины будут работать с некоторыми вариациями следующих переменных в зависимости от желаемого продукта.
Поскольку каждый материал действует по-разному, точная причинно-следственная связь между каждой из этих переменных и полученной лентой обычно определяется экспериментально. Существуют и другие, менее часто регулируемые переменные, но их влияние на конечные размеры и структуру ленты не все задокументировано. [1] [10] [11]
На основе прядения из расплава были разработаны различные процессы и технологии, которые обеспечивают преимущества для промышленного применения и однородности продукции.
Литье в плоскостном потоке (PFC) — это широко используемый процесс прядения расплава для промышленного изготовления широких листов металлического стекла. В этом процессе основная модификация заключается в том, что для выталкивания расплава из тигля используется гораздо более широкое сопло. В результате расплавленная ванна покрывает большую площадь барабана, что, в свою очередь, образует большую площадь ленты. [9] PFC обычно отливают в вакууме, чтобы избежать окисления расплавленного материала, что может повлиять на качество конечного продукта. Ленты шириной до 200 мм были получены в промышленных масштабах с использованием PFC. [12]
В двухвалковом прядении расплава используются два ролика или барабана вместо одного. Ролики размещаются рядом и вращаются таким образом, что тот, что слева, вращается по часовой стрелке, а тот, что справа, вращается против часовой стрелки. Такая конфигурация приводит к тому, что материал, проходящий между роликами, тянется вниз. Расплав впрыскивается между роликами, где он охлаждается и выбрасывается в виде ленты. Преимущество двухвалкового прядения расплава заключается в том, что оно обеспечивает высокую степень контроля толщины получаемой ленты. С одним роликом контроль толщины ленты усложняется, включая точный контроль скорости потока расплава, скорости вращения колеса и температуры расплава. При установке двух роликов можно добиться определенной и постоянной толщины, просто изменяя расстояние между роликами.
На сегодняшний день двухвалковое прядение расплава по-прежнему ограничивается почти исключительно лабораторными масштабами. [13] [14]
Автоматическое выталкивание расплава (AEMS) — это тип выталкивания расплава, при котором выталкивание расплава происходит сразу после его разжижения, что устраняет необходимость для техника вручную контролировать скорость потока, температуру и/или время выпуска потока расплава. [1]
Эта модификация обеспечивает гораздо более высокую однородность ленты между проходами и более высокий уровень автоматизации процесса.
Формование расплава используется для производства тонких металлических листов или лент, которые являются почти аморфными или некристаллическими . Уникальные полученные электрические и магнитные свойства металлов, полученных формованием расплава, являются следствием этой структуры, а также состава сплава или металла, который использовался для формирования ленты.
Обычно, когда металлический материал охлаждается, отдельные атомы затвердевают в прочных, повторяющихся узорах, образуя кристаллическое твердое тело. Однако при спиннинге расплав закаливается (охлаждается) так быстро, что атомы не успевают сформировать эти упорядоченные структуры до того, как они полностью затвердеют. Вместо этого атомы затвердевают в положениях, напоминающих их жидкое состояние. Эта физическая структура обуславливает магнитные и электрические свойства аморфных металлов. [6]
Аморфный материал, полученный методом спиннингования расплава, считается мягким магнитом. То есть его естественная коэрцитивная сила составляет менее 1000 Ам-1, что означает, что магнетизм металла более чувствителен к внешним воздействиям и, как следствие, может легко включаться и выключаться. Это делает аморфные металлы особенно полезными в приложениях, требующих повторного намагничивания и размагничивания материала для функционирования. Некоторые аморфные сплавы также обладают способностью усиливать и/или направлять поток , создаваемый электрическими токами, что делает их полезными для магнитного экранирования и изоляции.
Точные магнитные свойства каждого сплава в основном зависят от атомного состава материала. Например, сплавы никеля и железа с меньшим содержанием никеля имеют высокое электрическое сопротивление , в то время как сплавы с большим содержанием никеля имеют высокую магнитную проницаемость . [15] [2]