Металлургия черных и цветных металлов

Слепнева Г. А., Глушков И. ТШкурский Г А. Экономика цветной м е­

таллургии С С С Р .— 3-е изд., перераб. и доп .— М.: М еталлургия, 1988.— 488 с.

Снурников А. П. К омплексное использование сырья в цветной м еталлур­

гии.— 2-е изд., перераб. и доп .— М.: М еталлургия, 1986 — 383 с.

v n СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВИДЫ

Раздел А Н МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Г л а в а 1. ПРОБЛЕМЫ КОСМИЧЕСКОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Интенсивное развитие производительных сил, развитие ракетнокосмической техники, уникальные свойства космического про­ странства создают реальные предпосылки к организации произ­ водственно-технических комплексов в космосе. Возникновение космической технологии следует считать следствием бурного развития космической техники и научных исследований, позво­ ливших сделать выводы о возможностях и преимуществах вы­ полнения в космосе различных работ как непосредственно че­ ловеком, так и с помощью автоматических средств.

Специфические свойства космического пространства — вы­ сокий вакуум (10“10— 10~13 Па) в неограниченном объеме, низ­

здают такие условия, которые могут быть использованы для производства уникальных материалов или изделий. Это полу­ проводники, стекла, композиты, кристаллы с улучшенными или особыми характеристиками — с более совершенной структурой, с равномерным или заданным распределением примесей или газов, с пониженной дефектностью. Такого рода условия в на­ земной окружающей обстановке получить невозможно. Учитывая высокую стоимость доставки полезного груза на околоземную орбиту, существенное значение приобретает вопрос определения производств, которые выгодны при их осуществлении в космосе.

Анализ соотношения сил, действующих на тело, расположен­ ное на орбитальной станции, показывает, что практически со­ вершенно неподвижным и «невесомым» будет только тело, центр массы которого совпадает с орбитой, проходящей через центр масс спутника. Все остальные тела будут испытывать притя­ жение или отталкивание. Жидкость на борту космического ап­ парата в период орбитального полета будет стремиться принять форму шара, но тем не менее ее форма будет искажаться вся­ кий раз, когда центр масс .жидкости не будет совпадать с цен­ тром масс станции, а также с ростом объема жидкости. При отсутствии сил тяжести поведение жидкости будет определяться

межмолекулярным взаимодействием и, в частности, силами поверхностного натяжения.

Опыты показали, что перемешивание веществ в невесомости идет, но происходит не всегда равномерно. Причиной этого является то, что на смену термогравиметрической конвекции в невесомости проходит конвекция термокапиллярная, когда центром тяжести, например вкраплений газа, становятся гра­ ницы разделения температурных зон. Понижение гравитацион­ ных сил сказывается и на других процессах.

Технологические порцессы изготовления изделий, связанные с переработкой материалов в космосе в жидком состоянии, бу­ дут иметь отличительные особенности от их протекания в зем­ ных условиях.

При отсутствии внешних сил механическое поведение жид­ кого тела определяется только взаимодействием силы поверх­ ностного натяжения, играющего роль деформирующей силы, и сил межмолекулярногсг сцепления (вязкости), сопротивляю­ щихся этой деформации.

При отсутствии внешних сил скорость деформации жидкости v пропорциональна силе поверхностного натяжения а и коэф­ фициенту формы \х и обратно пропорциональна вязкости г\:

а= Аа|л/т).

Вязкость, илй текучесть, расплавленных металлов сравнима с вязкостью воды, а поверхностное натяжение в 7—20 раз выше. Скорость деформации металла очень высокая. Для железа она составляет 3,7 • 104 см/с, поэтому расплавленные металлы могут принимать сферическую форму в условиях невесомости в корот­ кое время. Расчеты показывают, что расплавленное железо, вы­ литое из цилиндрического сосуда диаметром 0,3 м и длиной 0,3 м. принимает форму шара через 2 мкс. Однако абсолютные величины внутренних сил, действующих на материалы, довольно малы, вследствие чего даже небольшие внешние силы легко деформируют жидкость.

Полностью реализовать преимущества условий невесомости при формообразовании веществ в жидком состоянии можно только в случае, когда управление основным процессом будет осуществляться с использованием внешних сил. Эти внешние силы могут быть получены электромагнитными силами или искусственной силой тяжести, механическим воздействием и др.

Таким образом, в космосе возможно производить тела совер­ шенной формы. Но для этого необходимо подавить в достаточ­ ной степени посторонние явления, главным образом колебатель­ ные свойства больших масс жидкости. Для расплавленного металла отклонение от сферической формы возрастает пропор­ ционально квадрату диаметра и обратно пропорционально корню квадратному из ускорения, которому подвергается дефор­

мирующаяся масса. Расчеты показывают, что отклонение сфер от идеальных форм в условиях невесомости составляет 10~7— 10~9 см для сфер диаметром 10“2 см.

На станции «Салют» были проведены эксперименты по полу­ чению шариков из расплавленного сплава. Капля расплавлен­ ного металла выталкивалась в лавсановый мешок, длина кото­ рого рассчитана таким образом, чтобы капля успела остыть, не коснувшись стенок. Но образец, доставленный на землю космо­ навтами, не представлял идеальной сферы, а имел сложную форму поверхности:

В настоящее время считается перспективным использование космического пространства применительно к металлургии в сле­ дующих направлениях.

Бесконтейнерное плавление сплавов или плавка во взвешен­ ном состоянии. Дает возможность плавить, охлаждать и кри­ сталлизовать металл без соприкосновения с огнеупорным мате­ риалом тигля.

Литье металлов и сплавов. При плавке металлов в земных

условиях хорошую отливку, принимают ряд мер, требующих больших затрат.

В условиях невесомости отсутствуют плавучесть и конвекция. Вещества с различной плотностью на земле в условиях пони­ женной гравитации становятся как бы одинаковой плотности. Это дает возможность получить отливку с желаемыми характе­ ристиками, без внутренних дефектов — без ликвации, дефектов кристаллической решетки и внутренних напряжений. Считается, что при плавке металлов в условиях невесомости молекулярные силы могут использоваться как средство обработки металлов. Это позволяет уменьшить допуски на изготовление изделий на несколько порядков.

При затвердевании металла можно использовать и другие явления: контролируемое радиоционное охлаждение без тепло­ вой конвекции, контролируемое зарождение центров кристалли­ зации путем равномерного распределения в жидком металле порошкообразных или волокнистых материалов. Можно полу­ чить армированные материалы, материалы с анизотропными или изотропными свойствами.

В условиях невесомости возможно получение толстостенных сфер с однородной структурой, недостижимых в земных усло­ виях, литье тонкостенных полых сфер с критической толщиной стенок в пределах нескольких ме^молекулярных расстояний.

Получение композиционных материалов. Некоторые резуль­ таты уже получены экспериментально на спутниках. Так, на

кораблях «Прогресс» разработали электронагревательные уста­ новки, которые обеспечивали нагрев материалов на 900—1000 °С, предназначенные для выращивания полупроводников в ^виде слитков или эпитаксиальных структур из рас-плава, паровой или газовой фаз. Здесь оказалось много нового и неожиданного. Так, кристаллы, выращенные из растворов, отличались от кри­ сталлов, полученных на земле, по внешней огранке и внутрен­

ней структуре.

Эксперимент на станции «Салют» по кристаллизации раство­ ров Cd — Hg впервые показала принципиальную возможность осуществления в невесомости направленной кристаллизации веществ с высоким давлением паров и склонных к ликвац1Тй. Был получен поликристаллический слиток. Регеноспектральный анализ отдельных участков выявил высокую микрооднород­ ность в каждом участке.

Опыт показал, что в невесомости изменяется температура плавления некоторых материалов, что приводит к отклонению формы кристалла от ожидаемой, к перераспределению баланса сил, определяющих его рост вблизи поверхности и в погранич­ ном слое. Эти особенности, очевидно, и приводят к тому, что наблюдается выделение газовых пузырьков только на поверх­ ности кристаллов при полном отсутствии их внутри материала. Наблюдается резкое изменение у ряда сложных полупроводни­ ков состава и структуры в поверхностном слое толщиной 30— 49 мкм. Этот эффект не имеет земных аналогов.

Доказана принципиальная возможность изготовления в не­ весомости ряда материалов для электронной и оптической тех­ ники с характеристиками лучше, чем у полученных на земле. Таким образом, следующим этапом является организация их производства в космосе.

Гл а в а 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

ВМЕТАЛЛУРГИИ

3. Экологическое несоверш енство классического металлургического произ­

позволит снизить расход органического топлива до стехиометрического мини­

ционных видов топлива. Безусловно, обеспечение безопасной работы ядерны х

1) получение нагретых восстановительных газов; 2) получение электроэнергии и ее использование для энергетических и техно­ логических нужд металлургического комбината; 3) получение и использование низкотемпературного тепла. В атомных реакто­ рах осуществляется выработка электроэнергии, а использова­ ние электроэнергии в металлургии вполне отработано. Однако современное металлургическое производство еще недостаточно подготовлено к существенному увеличению доли процессов и аппаратов, потребляющих электроэнергию. Для этого необхо­ димо развивать новые металлургические процессы, основанные на эффективном использовании электроэнергии — электротер­ мические, плазменные, электрохимические, гидрометаллургиче­ ские и другие процессы.

В связи с этим представляет интерес непосредственное ис­

не просто количество тепла, а тепло с определенной температу­ рой, главным образом высокотемпературное тепло.

В атомном реакторе для охлаждения ядерного горючего (урановых стержней) используют различные теплоносители: воду, жидкие металлы (Na, Bi) при 550—600 °С. Для металлур­ гии эта температура низкая. Считается, что при использовании для охлаждения гелия можно получить температуру до 1400 °С. Таким образом, решение задачи использования в металлургии тепла за счет атомной энергии тесно связано с задачей разра­ ботки высокотемпературного реактора с газовым охлаждением (ВТГР). ВТГР может обеспечить получение тепла с нужной температурой для металлургического производства.

Примерные температурные области, в которых целесообразно осуществление различных процессов в области металлургии,

к принципиально новому классу материалов, отличающихся от обычных металлов и сплавов отсутствием упорядоченной струк­ туры, которая свойственна кристаллическим телам. Причем структура аморфных сплавов неравновесна, и они по своему строению гораздо ближе к жидким, чем к твердым кристалли­ ческим металлам. В них существует так называемый ближний порядок в расположении частиц, но отсутствует регулярность структуры, т. е. дальний порядок.

Неравновесность структуры аморфных металлов обусловлена способом их получения, а именно, сверхбыстрой закалкой из жидкого состояния со скоростью охлаждения до 106 К/с и выше. Аморфные металлы и сплавы обладают универсальными физи­ ко-химическими свойствами. Им свойственны высокая твердость

как для обычных даже легированных сталей эта величина не превышает 200—1500 МПа. Аморфные сплавы имеют малый термический коэффициент удельного электрического сопротив­ ления. Ряд сплавов относится к материалам с высокими маг­ нитными свойствами. Некоторые из них имеют высокую корро­ зионную стойкость, в несколько раз превышающую стойкость коррозионностойких сталей.

По своему составу аморфные сплавы относятся в большинстве своем к эвтектическим системам на основе железа, кобальта, никеля с добавками легирующих элементов (хрома, молибдена, вольфрама и др.), а также металлоидов (углерода, кремния, бора, фосфора, германия), причем атомная доля неметаллов может достигать 20 %, например сплавы Fe8oPi3C7, Fe70CrioPi3C7,

(например, Аи — Si).

Аморфные металлы преимущественно получают в виде тон­ кой (20—40 мкм) и сравнительно узкой (максимум 150— 200 мм) ленты. Ленту применяют для изготовления различного типа магнитных экранов, магнитных головок магнитофонов, трансформаторов, режущих инструментов (в том числе бритвен­ ных лезвий и пластинок для наконечников буров), упаковочной фольги. Из нее делают также пружины, мембраны, стрелки при­ боров и т. д. Аморфную ленту можно использовнать для арми­ рования композиционных материалов, для электрохимических электродов и для других целей. Наряду с лентой получают аморфные 'пленки и слои на специальных подложках или гото­ вых изделиях. Они используются для магнитной записи, кон­ тактной печати, для защиты от коррозии различных деталей и

конструкций, для повышения износостойкости пар трения тяжелонагруженных изделий. Кроме того, из амфорных и микро­ кристаллических сплавов получают порошки и волокна, кото­ рые широко используют для получения композитов и различных изделий методами порошковой металлургии с повышенными эксплуатационными свойствами. Недостатком аморфных спла­ вов, ограничивающим их применение, является сравнительно низкая термическая стабильность. Их расстекловывание, т. е. переход в кристаллическое состояние, происходит при 400— 600 °С в зависимости от состава. Это обстоятельство сужает их область применения, а также затрудняет, а порой исключает изготовление изделий традиционными методами порошковой металлургии. В этом отношении более перспективны микрокри­ сталлические сплавы, получаемые теми же способами, что и аморфные. Микрокристаллические сплавы имеют более высокий температурный предел эксплуатации, из них легче формировать изделия (из порошков) и, кроме того, в микрокристаллическом состоянии можно получить любой металл или сплав.

§ 2. Способы получения аморфных сплавов

Существует четыре группы способов получения аморфных ме­ таллов и сплавов: 1) закалка из жидкого состояния, т. е. охлаж­ дение со сверхвысокими скоростями расплавленного металла (106 К/с и выше); 2) осаждение атомов металла из газовой фазы на охлаждаемую подложку; 3) разрушение кристаллической структуры твердого металла за счет внешних воздействий; 4) методы химического и электролитического осаждения аморфных слоев. Наиболее распространенными являются методы первой группы — закалка из жидкого состояния. Ими получают аморф­ ную ленту методом литья расплава на диски и прокаткой ра­ сплава. Так же используют для получения порошков и волокон метод высокоскоростного затвердевания расплава (экстракции). Вторая группа методов позволяет получать тонкие аморфные пленки в основном вакуумным напылением. Они включают ге­ нерацию потока частиц (атомов или молекул) осаждаемого вещества; перенос частиц от источника к подложке и осаждение (конденсация) на подложке. Для испарения используют резис­ торный, электронно-лучевой, дуговой, лазерный нагревы. Эти методы имеют низкую производительность и требуют сложную аппаратуру. Третья группа способов предусматривает использо­ вание ионной имплантации для получения аморфных слоев на готовых изделиях или механических воздействий (пластической деформации, ударных воздействий, нейтронной бомбардировки), которые приводят к разрушению кристаллической решетки. Эти методы имеют небольшое распространение. Четвертая группа

тод молота и наковальни; прокатка расплавленного металла; экструзия расплава; вытягивание микропровода; напыление капель на теплоотводящую подложку, лазерное глазурова­ ние, получение аморфных порошков методом электроэрозии и распылением расплава.

Наибольшее распространение для получения аморфной ленты получил метод литья струи расплава на внешнюю поверхность диска. Созданы промышленные высокопроизводительные уста­ новки для получения ленты шириной до 200 мм. Схема уста­ новки представлена на рис. XII.2. В ампулу 1, изготовленную из кварца или нитридной керамики, помещают навеску твердого сплава и расплавляют с помощью индуктора 2 высокочастот­ ного генератора. Верхняя часть ампулы подсоединена к системе подачи инертного газа, который подается под избыточным да­ влением 0,02—0,06 МПа. В нижней части ампулы имеется отвер­ стие размером 150—200 x500—600 мкм. Через отверстие жид­ кий металл выдавливается на барабан 3. Диск изготовляют из высокотеплопроводного материала (меди, алюминия, коррозион­ ностойкой стали), он должен обеспечить высокую скорость охлаждения жидкого металла. Обычно применяют диски диа­ метром 300 мм. Окружная скорость вращения диска 20—40 м/с (число оборотов 1200—1400 в минуту). Струя жидкого металла падает под углом к поверхности, быстро затвердевает на бара­ бане, образуя непрерывную тонкую ленту 4 (толщиной 20— 40 мкм). Ширина образующейся ленты обычно составляет от

2 до 200 мм и зависит от длины щели. Получаемая лента сма­ тывается в виде рулона. Она имеет блестящую поверхность и довольно ровные кромки. Все устройство помещено в герметич­ ную камеру с регулируемой атмосферой, что уменьшает или исключает возможность окисления ленты. На толщину ленты влияют длина жидкой ванны на диске и угол подачи расплава, также скорость вращения диска. Время затвердевания 10-4с,

.что обеспечивает высокую скорость охлаждения до 106 К/с. Для получения аморфных частиц, используемых в порошко­

вой металлургии, применяют барабаны с рифленой поверхно­

В этом случае расплав из ампулы выдавливают через отверстие на внутреннюю поверхность барабана. Этот способ сложен конструктивном отношении, поэтому его применяют при произ­ водстве ленты из высокоактивных расплавов, содержащих легкоокисляющиеся элементы, причем для защиты используют дополнительное охлаждение диска в силиконовом масле.

Рекомендательный библиографический список

Беляков И. Г Борисов Ю. Д. Технология в космосе.— М.: Машинострое­ ние, 1974.— 291 с.

Готланд К. Космическая техника.— М.: Мир, 1986.— 295 с. Мазурин О. В. Стеклование.— Л.: Наука, 1986.— 235 с.