РАСПЛАВЫ
5 • 2004
УДК 669.046.512:541.1
© 2004 г. В. В. Конашков, В. С. Цепелев, Г. В. Тягунов, Б. А. Баум, К. Ю. Шмакова, Е. Е. Барышев
ВЯЗКОСТЬ АМОРФИЗУЮЩИХСЯ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА
Изучена кинематическая вязкость сплавов Со-Б-81 и промышленных аморфизую-щихся кобальтовых сплавов. Выявлена вязаимосвязь между подготовкой расплава и служебными характеристиками металлопродукции.
Качество металлопродукции определяется всеми этапами ее производства. В большинстве случаев выплавка является обязательной стадией технологической цепи. Традиционно основное внимание уделяется воздействию на твердый металл (закалка, обработка давлением и.т.п.). Задача выплавки нередко рассматривается лишь как получение заданного химического состава. Однако многочисленные экспериментальные данные показывают, что при одинаковом химическом составе и аналогичной термообработке получаемая металлопродукция может иметь разные свойства [1]. Часто причиной этого считают неконтролируемые примеси и непостоянство параметров технологического процесса. Такое объяснение не является полным. Исследования показывают, что в ряде случаев можно существенно улучшить качество металлопродукции, а также добиться стабильности качества путем воздействий на расплав, приводящих к более полному перемешиванию компонентов на микроуровне. Воздействия на расплав могут быть различными - нагрев, продолжительность выдержки, механическое перемешивание, наложение различных физических полей и т.д. Эти воздействия приводят к изменениям свойств расплава, причем без изменений химического состава. Согласно данным работ [2-5], свойства твердых образцов одинакового химического состава зависят от свойств жидкости, из которой они были получены, и наоборот. Замечено например, что наилучшее качество твердых образцов получается тогда, когда вязкость расплава перед разливкой максимальна. Соответственно, и после плавления, образцы лучшего качества имеют большую вязкость.
Таким образом, можно говорить о так называемой металлургической наследственности. Развивается новое прикладное направление - разработка рекомендаций по подготовке расплава к разливке. Как правило, подготовка расплава включает в себя его нагрев до определенной температуры, выдержку в течении определенного времени и охлаждение до возможно низкой температуры разливки. Свойства хорошо подготовленного расплава зависят только от его химического состава и внешних условий, но не от предыстории. Его свойства не меняются со временем. Другими словами, расплав должен быть равновесным.
Изучаемое свойство - кинематическая вязкость V - одно из наиболее информативных структурно-чувствительных свойств металлических расплавов. Для проведения экспериментов был использован метод крутильных колебаний тигля с расплавом Е.Г. Швидков-ского [6].
Неравновесность расплава при исследованиях его вязкости может проявляться в виде следующих особенностей:
- нестабильности значений вязкости во времени при изотермической выдержке;
- аномальном возрастании значений вязкости с повышением температуры;
- несовпадении значений вязкости при нагреве и охлаждении (гистерезис). Отсюда появляется возможность на основе изучения вязкости устанавливать параметры тем-пературно-временного режима плавки, при котором расплав переходит в состояние равновесия. В промышленных условиях чаще всего наиболее приемлемым способом перевода расплава в равновесие является его нагрев до определенной температуры, называемой критической tк.
Эксперименты проводились в режиме снятия температурных зависимостей вязкости в ходе нагрева и последующего охлаждения, а также в режиме изотермических выдержек с целью получения зависимостей вязкости от времени т. Кроме того, были проведены опыты в некотором промежуточном режиме с целью проследить изменения характера временных зависимостей с изменением температуры.
Объект исследования - аморфизующиеся расплавы на основе кобальта. Аморфные сплавы представляют собой новый класс магнитомягких материалов с уникальными магнитными свойствами: малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. В последнее время все большее распространение получают аморфные материалы на кобальтовой основе.
Любой металл или сплав возможно быстро закалить из жидкого состояния, получив аморфную структуру. Однако в большинстве случаев для этого необходимы скорости охлаждения расплава порядка 1012 °С/сек. В промышленной практике такая скорость охлаждения пока не достижима, однако путем изменения химического состава расплава можно добится снижения необходимой скорости охлаждения. Кроме того, известно, что расплавы, имеющие большую вязкость, требуют меньшей скорости охлаждения для получения аморфной структуры.
Для снижения необходимой скорости охлаждения расплава при аморфизации в промышленности используются добавки бора и кремния. Поэтому, прежде всего, было выполнено изучение чистых от примесей тройных сплавов системы Со-Б-Бь Итак, проведенное исследование состояло из двух частей:
- изучение тройных сплавов системы Со-Б-81;
- изучение промышленных образцов аморфизующихся сплавов на основе кобальта.
СПЛАВЫ СИСТЕМЫ Со-В^
Наиболее часто встречающееся содержание бора и кремния в промышленных сплавах: %Б ~ 4 и ~ 4. В специальных композициях интервал концентраций каждого из этих элементов составляет от 0 до 8 мас. %. Для того чтобы охватить весь диапазон практически важных химических составов, была спланирована серия экспериментов (табл. 1).
Для получения образцов заданного химического состава использовали следующие исходные материалы:
- кобальт катодный: %Со = 99.98;
- специально приготовленную лигатуру Со-Б: %Со = 88.6, %Б = 10.5 и = 0.3;
- чистый кремний в виде монокристалла.
Исходные материалы помещались в тигель экспериментальной установки в соответствующей пропорции. Сплавление происходило в ходе опыта. С каждым из выбранных составов проводили по несколько опытов. Результаты опытов представлены на рис. 1. Видно, что бор и кремний в исследованном интервале концентраций в основном увеличивают вязкость расплава. Более резкий рост вязкости с увеличением концентрации Б и наблюдается при малых их концентрациях (2-4%Б и 0-4%Б1).
По результатам опытов методом наименьших квадратов получены уравнения поверхностей v(%B и %Б1) в тройной системе координат:
Таблица 1
Химический состав изученных образцов Со-Б-81, мае. %
< п.п. % Б % 81 Сумма % (Б + 81)
1 2 0 2
2 2 6 8
3 2 8 10
4 4 0 4
5 4 2 6
6 4 4 8
7 4 6 10
8 4 8 12
9 6 0 6
10 6 2 8
11 6 4 10
12 6 8 14
13 8 0 8
14 8 8 16
при 1400°С
V = (0.0074 ■ [%Б]2 - 0.0516 ■ [%Б] + 0.0564) ■ [%Б1]2 + (-0.0386 ■
■ [%Б]2 + 0.204 ■ [%Б] + 0.1006) ■ [%Б1] - 0.1711 ■ [%Б]2 + (1)
+ 2.3583 ■ [%Б] + 2.0731;
при 1500°С
V = (0.0002 ■ [%Б]2 + 0.0043 ■ [%Б] - 0.03) ■ [%Б1]2 +
+ (-0.0399 ■ [%Б]2 + 0.2336 ■ [%Б] + 0.0344) ■ [%Б1] + (2)
+ 0.0006 ■ [%Б]2 + 0.725 ■ [%Б] + 3.9928.
По этим уравнениям построены соответствующие поверхности (рис. 2).
Исследованные сплавы характеризуются нестабильностью вязкости сразу после плавления. Эта нестабильность сохраняется и при более высоких температурах. Подобный разброс точек на других объектах исследования отмечен в работе [7]. Фиксируемая нестабильность иногда сохраняется в течение нескольких часов. Вместе с тем, время релаксации изучаемой системы зависит от температуры. Так, начиная с определенной температуры ^ стабилизации) время релаксации расплава становится настолько малым, что не удается зафиксировать нестабильность (рис. 3). Погрешность измерений значительно меньше, чем наблюдаемый разброс точек, что видно по стабильным участкам временных зависимостей v(т). Кроме того, погрешность измерения вязкости увеличивается при повышении температуры, а нестабильность вязкости во времени уменьшается с ростом температуры. Макроскопические процессы (конвективные потоки, установление стационарного распределения температуры в образце, доплавление исходных материалов образца, изменение химического состава в ходе опыта) не могут привести к такой нестабильности. Эти процессы заканчиваются раньше, чем прекращается нестабильность, или способны изменять вязкость лишь в каком-то одном направлении (увеличивать или уменьшать). Нестабильность вязкости во времени, вероятно, связана с микронеоднородностью расплава.
81, мас. %
Рис. 1. Кинематическая вязкость V сплавов Со-В-81 в зависимости от содержания В и 81 при 1500 (А) и 1400°С (Б).
Обнаружено, что для разных образцов одного и того же химического состава степень нестабильности значений вязкости во времени может быть различной. (под степенью нестабильности подразумевается среднее квадратичное отклонение экспериментальных точек от интерполирующей прямой, проведенной методом наименьших квадратов). При этом температуры стабилизации для этих образцов также отличались. Для изучения этого явления было проведено специальное исследование. Проверялось влияние различных факторов на степень нестабильности и температуры стабилизации.
Установлено заметное влияние на степень нестабильности и значения температур стабилизации скорости нагрева образца при его плавлении, а также размера кусков (степени измельчения) шихты.
Если перед плавлением образец нагревался с малой скоростью (10-25°С/мин), степень нестабильности после плавления оказывалась максимальной, а температура стабилизации более высокой. Если же перед плавлением образец нагревался быстро (80-140°С/мин, хотя такая скорость в производственных условиях практически не достижима) нестабильность вязкости после плавления могла совсем отсутствовать. Наблюдались и промежуточные случаи. Обнаруженный эффект быстрого нагрева перед плавлением, возможно связан с подобием ударного (теплового и электромагнитного) воздействия на концентрацию дефектов, размеры и структуру зерен и.т.п.
11
10
98 7 6 5
4 %81
0 2 4 6
%81
Рис. 2. Зависимость вязкости V сплавов Со-В-81 от содержания В и 81 при 1500 (А) и 1400°С (5).
С уменьшением размера кусков шихты до 1мм и менее степень нестабильности снижается (табл. 2). Для крупной шихты (размеры превышают 5 мм) в исследованном интервале 1200-1350°С изменени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.