1.4.Закалка жидкого состояния

Рассмотренные выше методы получения аморфного и нанокристаллического состояния металлов малопроизводительны и не относятся к металлургическим технологиям производства. Для массового, в том числе промышленного металлургического, производства более пригодны методы, основанные на закалке жидкого состояния. Закалка жидкого состояния позволяет получать аморфные металлы в виде тонких чешуек и порошков, тонкой проволоки, тонкой ленты или полосы бесконечной длины.

Простейший из методов закалки расплава в виде чешуек был использован ещё П. Дювецом при разработке самих принципов закалки жидкого состояния: мелкие капельки жидкого сплава выстреливаются струёй газа на охлаждаемую медную подложку и отвердевают в виде тончайшей фольги толщиной от 0,1 до 10 мкм. Есть и другие варианты, например, расплющивание свободно падающей капли между двумя массивными медными поршнями (метод сплеттингования, рис. 3). При использовании этого метода фольга получается более однородной по толщине. Методы получения аморфных металлов в виде пластинок позволяют создать исключительно высокие (до 109…1010 К/с) скорости охлаждения капель расплава, обеспечивая аморфизацию даже некоторых чистых элементов, например Ge, Ni.

Изготовление аморфных металлов в виде пластинок массой до нескольких сотен миллиграммов применяется преимущественно в экспериментальных целях для получения образцов, на которых можно было бы изучать некоторые свойства аморфных металлов.

Рис.3. Получение тонких аморфных пластинок методом молота и наковальни:

1 – газ под давлением,

2 – расплав,

3 - капля расплава,

4 – плиты,

5 – холодильник

Практическое использование этого метода ограничено не только малой производительностью, но и нерегулярной формой аморфных пластинок, которая затрудняет их дальнейшую обработку.

Для получения аморфных порошков могут быть использованы методы и оборудование, применяемые для изготовления обычных металлических порошков. На рис. 4 показаны методы распыления расплава потоком газа (рис. 4а) и кавитационный (рис. 4б). В последнем случае расплав выдавливается газом в зазор (0,2…0,5 мм) между двумя валками, изготовленными из огнеупорного материала, например графита или нитрида бора. При больших значениях скорости движения в струе расплава возникает кавитация, в результате выделения при этом пузырьков газа струя разрывается, и расплав из валков выбрасывается в виде мелких капель. Попадая на холодильник, капли расплава аморфизируются.

Рис. 4. Получение аморфных порошков методом распыления расплава: газовым потоком (а) и методом кавитации (б):

1– расплав сплава,

2 – газовый поток,

3 – распылённый расплав,

4 – плита-холодильник

Из аморфных порошков, как и из обычных металлических порошков, можно получать изделия путём компактирования на прессах или взрывом. Однако область применения таких изделий пока чётко не определилась.

Более удобными в использовании являются аморфная проволока и аморфная лента.

Рис. 5. Получение аморфной проволоки методом экструзии (а) и в стеклянном капилляре (б):

1 – стеклянный тигель.

2 – сплав,

3 – горелка,

4 – аморфная проволока

Методы получения тонких аморфных проволок специфичны – получить проволоку круглого сечения на поверхности холодильника невозможно. Известны два способа получения проволоки из расплава: экструзии (выдавливания) расплава через круглое отверстие с охлаждением в круглой трубке, погруженной в охлаждающую жидкость, и вытягивание расплава вместе с вытягиванием стеклянного капилляра, формирующегося из стеклянного плавильного тигля (рис. 5). Эти методы обеспечивают скорость охлаждения порядка 105К/с и позволяют получать аморфное волокно диаметром 2…5 мкм.

Достаточно распространенным и имеющим наибольшее практическое значение методом получения аморфных материалов в большом количестве и в пригодном для использования виде является метод получения аморфной ленты путём закалки расплава на поверхности быстро вращающегося цилиндра-холодильника (метод спиннингования, рис. 6а). Этот и другие методы, например прокатка струи расплава (рис. 6б), основанные на контакте расплава с поверхностью массивных, часто принудительно охлаждаемых, вращающихся с большой скоростью теплоприёмников обеспечивают скорость охлаждения до 106К/с.

Рис.6. Методы получения ленты:а – закалка на диске (спиннингование),б ­– прокатка струи расплава.

1 – плавильный тигель,

2 – индуктор,

3 – закалочный валок,

4 – съёмник ленты,

5 – лента

Закалке в валках присуща более высокая начальная скорость охлаждения расплава и более высокое качество поверхности ленты вследствие двустороннего теплоотвода. Однако короткое время контакта ленты с подложкой обуславливает резкое замедление теплоотвода после выхода ленты из валков. Поэтому прокатка струи расплава в двухвалковых машинах получила применение в производстве кристаллической стальной полосы толщиной 1…3 мм при ширине более 1 м. Для получения бесконечной (длиной сотни метров) аморфной ленты или полосы толщиной 15…25 мкм при ширине до 300 мм более удобным оказался метод спиннингования.

Производство аморфной ленты и аморфной проволоки является принципиально новой металлургической технологией. Её преимуществом является получение конечной металлургической продукции в виде тонкой проволоки, тонкой ленты или полосы в процессе одной технологической операции – непрерывной разливки, минуя трудоёмкий и энергоёмкий многоступенчатый технологический цикл, включая выплавку, разливку, ковку или прокатку.