facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ
Богдан Олегович Усенко, аспирант

Павленко Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор

Кошлак Анна Владимировна, доцент, кандидат технических наук, доцент

Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Украина";

УДК 621.577

 

Разработан алгоритм решения тепловой задачи скоростного охлаждения тонкого слоя расплава. Технология формирования аморфной структуры реализуются путём быстрого теплоотвода и обеспечения высокой скорости охлаждения расплава. При этом скорость охлаждения не должна быть ниже 104…106 К/с для сплавов и 106 К/с  для чистых металлов. По результатам экспериментального исследования была получена аморфная структура наплавленного металла и определены условия реализации данной технологии.

Ключевые слова: закалка из жидкого состояния, аморфная структура, скорость охлаждения, наплавка.

Developed an algorithm solving the problem of high-speed thermal cooling of a thin layer of melt. The technology of forming the amorphous structure realized by rapid heat transfer and provide a high cooling rate of the melt. The rate of cooling should not be below 104...106 K/s for alloys and 106 K/s for pure metals. Based on the results of experimental study was to obtain an amorphous structure of the deposited metal and the conditions for the implementation of this technology.

Keywords: quenching from the liquid state, the amorphous structure, the cooling rate, melting

 

В технологии закалки из жидкого состояния слой расплавленного металла контактирует с поверхностью массивного тела (телом-холодильником) и охлаждается посредством отведения тепла в его внутренние слои. В этом случае процессы формирования первичной структуры сплавов, а так же дальнейшие твердофазные превращения сопровождаются образованием разных типов метастабильных структурных состояний (аморфной структуры), экспериментальному исследованию которых и посвящена данная работа.

Для получения аморфной структуры металла на установке УД-209 УХЛ4 были наплавлены образцы с низколегированной стали рис. 1. Наплавку образцов проводили проволокой диаметром 3мм на постоянном токе обратной полярности при силе сварочного тока 400 А, напряжении на дуге 32…36 В, скорости подачи проволоки 160 м/час, шаге наплавки 6…8 мм и скорости наплавки 12…16 м/час [1]. 

Структура наплавленного металла определяется условиями охлаждения, которые влияют на процессы затвердения металла и на диффузионные процессы. Поэтому на данной установке предусмотрена система принудительного охлаждения поверхностного слоя расплава. С целью изучения макроструктуры и микроструктуры наплавленного металла, исследования закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрические и другие свойства наплавленного металла после наплавки были выполнены металлографические исследования, в результате которых установлено, что наплавленный слой имеет кристаллическую в основном ферритную структуру. Слой наплавленного металла, представленный на рис. 1 имеет столбчатое строение, так как процесс кристаллизации в наплавленном металле имеет направленность: кристаллы растут в направлении, обратному отведению тепла, вглубь жидкой ванны, и метал, приобретает столбчатую структуру. Кристаллит состоит из отдельных дендритов, которые имеет общую направленность, и могут иметь и разную разветвленность. Группа дендритов образует столбчатый кристаллит. В корне наплавленного слоя, ближе к переходной зоне, дендриты разветвлены минимально. При более высоких скоростях охлаждения в наплавленном металле этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют так же мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Мартенсит определяется в таких сталях как бесструктурный, а бейнит представляет собой ферритокарбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла наплавки. Так как структура исследованных образцов, представленная на рис.1 имеет кристаллическое строение, можно сделать вывод, что без применения

Рис.1.  Структура наплавленного металла

(C%0,12; Mn%2,04; Si%0,48; Cr%0,98; Ni%0,07; S%0,015; P%0,04)

технологических приемов во время наплавки, которые направлены на увеличение скорости охлаждения расплава, с целью быстрого отвода тепла, получить аморфную структуру наплавленного металла невозможно. Известно, что при наплавке скорость охлаждения расплава напрямую зависит от погонной энергии процесса, с уменьшением погонной энергии скорость охлаждения возрастает. Значимым параметром режима наплавки, который влияет на погонную энергию, является скорость наплавки Vн. С увеличением скорости наплавки, снижается погонная энергия, что в свою очередь увеличивает скорость охлаждения процесса [1]. Наплавку последующих образцов проводили с увеличением скорости наплавки Vн,  16…18 м/час, остальные параметры режима оставили без изменений. Наплавку выполняли проволокой диаметром 3мм на постоянном токе обратной полярности при силе сварочного тока 400 А, напряжении на дуге 32…36 В, скорости подачи проволоки 160 м/час, шаге наплавки 6…8 мм [1].

После наплавки выполняли металлографические исследования, результаты которых представлены на рис.2. Полученные результаты структуры наплавленного металла показали, что увеличение скорости наплавки привело к измельчению зерен и улучшению структуры металла.

Рис. 2. Структура наплавленного металла

(C%0,22; Mn%2,09; Si%0,28; Cr%1,57; Ni%0,12; S%0,012; P%0,029)

Для получения аморфной структуры наплавленного металла нужно применять технологические приемы, которые обеспечат быстрый отвод тепла от места наплавки, обеспечивать высокую скорость охлаждения 104…105 К/с и выше. С целью быстрого отвода тепла от места наплавки, на наплавочной установке конструктивно было выполнено приспособление для охлаждения расплава, что дало возможность добиться высокой скорости охлаждения расплава.  Исходя из результатов металлографических исследований структура наплавленного металла, представленная на рис. 3 близка к аморфной структуре, на рис. 4 была получена аморфная структура наплавленного металла. 

Рис. 3. Аморфная структура наплавленного металла

Рис. 4. Аморфная структура наплавленного металла

Аморфную структуру наплавленного металла можно достичь только при взаимодействии таких факторов, как скорость охлаждения, толщина слоя расплава и масса наплавленного металла, которые непосредственно влияют на образование аморфной структуры металла. Скорость охлаждения сплавов рассчитывали путем численного решения задачи теплообмена между тонким слоем расплава и массивной металлической пластиной с высокой теплопроводностью. В процессе охлаждения слоя расплавленного металла температура верхних слоев массива повышается и соответствует условиям теплопередачи со стороны расплава, тогда как на большом расстоянии от рабочей поверхности ее температура не изменяется [2,3] (рис.5).

Одномерная схема отведения тепла с условием, что температура расплава изменяется в направлении перпендикулярном контактной поверхности подложки, может быть представлена уравнением теплопроводности в виде [4]:

c1p1·dT1(x1,t)/dt = k1·d2T1(x1,t)/dx12

где T1(x1,t), c1, p1, k1 - соответственно, температура, теплоемкость, плотность и теплопроводность расплава; t - время.

Начальное условие

 T1(x1,0) = Tпл+T

где Tпл - температура плавления исследуемого металла;

       T- степень предыдущего перегрева расплава. 

Рис. 5. Схема охлаждения:

l – толщина слоя расплава; x1 – координата в направлении теплоотвода в границах слоя расплава (0≤ х1l); х2 – координата в направлении теплоотвода в границах подложки (0≤ х2≤ ∞).

Граничные условия:

при х1=0:                -k1·dT1(0,t)/dx1=0

при  х1=l:                -k1·dT1(l,t)/dx1=α[T1(l,t)-T2(0,t)]

где α - коэффициент теплопередачи на границе расплав-массив;

         T2(x2,t) - температура массива.

Для формализации процессов отведения тепла в массив использовали общее уравнение теплопроводности для соответствующего материала,  а так же  условия, отражающие физические аспекты тепловой задачи: 

c2p2·dT2(x2,t)/dt = k·d2T2(x2,t)/dx22

T2(x2,0) = T0

-k2·dT2(0,t)/dx2 = -α[T2(0,t)-T1(l,t)]

где c2, p2, k2- теплоемкость, плотность и теплопроводность подложки;

       T0- начальная температура массива (х=0).

В результате решения уравнений получены графики зависимости скорости охлаждения для алюминия и никеля от толщины расплава при разных значениях коэффициента теплопередачи α (рис.6).

1-α = 107 Вт/(м2·К); 2-α = 5·106 Вт/(м2·К); 3-α = 106  Вт/(м2·К);

4-α = 5·105 Вт/(м2·К); 5-α = 105 Вт/(м2·К); 6-α = 5·104 Вт/(м2·К);

7-α = 104 Вт/(м2·К); 8-α = 5·103 Вт/(м2·К); 9-α = 103 Вт/(м2·К);

Рис. 6. Зависимости скорости охлаждения алюминия и никеля от толщины расплава при разных значениях коэффициента теплопередачи α.

Как видно из графика значение скоростей охлаждения заметно прогрессируют с уменьшением толщины расплава. Другими технологическими факторами, с помощью которых можно управлять режимом скоростного охлаждения расплава, являются степень перегрева расплава и исходная температура массива. При изменении температуры подложки от -200 до 200° С наблюдается снижение скорости охлаждения, таким образом можно прийти к выводу, чем ниже температура подложки тем выше скорость охлаждения.  Теоретические расчеты даже по упрощенной математической модели дают возможность оценить скорость охлаждения расплава и вероятность получения аморфной структуры металла.

 

Литература:

  • 1. Молодык Н.В., Зенкин А.С. Восстановление деталей машин. Справочник. – М.: Машиностроение, 1989. – 480 с.
  • 2. Ruhl R.C. Mater. Sci. Eng., 1967, 1, 313-320.
  • 3. Мирошниченко И.С. Закалка из жидкого состояния. – М.: Металлургия, 1982, 168 с.
  • 4. Predeki P., Mullendore A. W., Grant N.J. A study of the splat cooling technique. – Trans. Met. Soc. AIME, 1965, 233, 1581 – 1586.
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 8 (3 голоса)
Комментарии: 8

Саркисян Генрих Мушегович

Аморфную структуру наплавленного металла можно получить при взаимном заимодействии таких факторов, как скорость охлаждения, толщина слоя расплава и масса наплавленного металла. Проведенные автором теоретические и эксперементальные исследования позволяют уточнить параметры скоростного охлаждения тонкого слоя расплава. Работа имеет практическую ценность. 

 

На основании эксперементальных исследовании и математической обработки данных путем использования компютерных средств Exel и Mathcadопределены свойства композитов на нетканой основе в заимности от условий эксплуатации. Выявлено положительное влияние механических характеристик нетканой основы на прочностные свойства композитов. Работа имеет практическую ценность. Проф. Саркисян Г.М.

 

отредактировано модератором

Артамонова Елена Николаевна

Очень актуальная статья: посвящена разработке технологии получения материалов с необычной структурой (аморфные металлы). И интересно узнать, какими методами осуществлены металлографические исследования наплавленного металла и алгоритм методики решения приведенных в работе уравнений теплопроводности.

Адамбаев Мурат Джамантаевич

08/13/2013-эксперт М.Д.Адамбаев Экспериментальные исследования образования метастабильных структурных состоянии (аморфной структуры) в технологиях закалки металлов позволили получить оригинальный алгоритм решения тепловой задачи скоростного охлаждения слоя расплава. Практическое применение этой технологии вполне реализуема. Оценка - 9 баллов.

Лысенко Виктор

Работа весьма актуальна и имеет практическую значимость.

рахимбеков сармантай мадиевич

08 / 12 / 2013 - — эксперт С.М. Рахимбеков. Образование метастабильных структурных состояний и их достоверное экспериментальное исследование с помощью математических моделей дают достоверную и более полную оценку факторов, с помощью которых можно управлять режимом скоростного охлаждения расплава и далее адекватно оценить скорость охлаждения расплава и вероятность получения аморфной структуры металла. Полученные теоретические расчеты убедительны и перспективы данной технологии вполне приемлемы.

Трещалин Михаил Юрьевич

Статья написана легко, доступно, интересно, хорошо и подробно описаны процессы.

Степанов Андрей Александрович

Интересная статья. Какова погрешность расчета по моделям? Как изменяются показатели прочности материала при ускоренном охлаждении?

Усенко Богдан Олегович

При ускоренном охлаждении происходит процесс закалки расплава металла и в конечном итоге показатели прочности и твердости возрастают. Прочность аморфных сплавов достигает – выше 4000 МН/м2
Комментарии: 8

Саркисян Генрих Мушегович

Аморфную структуру наплавленного металла можно получить при взаимном заимодействии таких факторов, как скорость охлаждения, толщина слоя расплава и масса наплавленного металла. Проведенные автором теоретические и эксперементальные исследования позволяют уточнить параметры скоростного охлаждения тонкого слоя расплава. Работа имеет практическую ценность. 

 

На основании эксперементальных исследовании и математической обработки данных путем использования компютерных средств Exel и Mathcadопределены свойства композитов на нетканой основе в заимности от условий эксплуатации. Выявлено положительное влияние механических характеристик нетканой основы на прочностные свойства композитов. Работа имеет практическую ценность. Проф. Саркисян Г.М.

 

отредактировано модератором

Артамонова Елена Николаевна

Очень актуальная статья: посвящена разработке технологии получения материалов с необычной структурой (аморфные металлы). И интересно узнать, какими методами осуществлены металлографические исследования наплавленного металла и алгоритм методики решения приведенных в работе уравнений теплопроводности.

Адамбаев Мурат Джамантаевич

08/13/2013-эксперт М.Д.Адамбаев Экспериментальные исследования образования метастабильных структурных состоянии (аморфной структуры) в технологиях закалки металлов позволили получить оригинальный алгоритм решения тепловой задачи скоростного охлаждения слоя расплава. Практическое применение этой технологии вполне реализуема. Оценка - 9 баллов.

Лысенко Виктор

Работа весьма актуальна и имеет практическую значимость.

рахимбеков сармантай мадиевич

08 / 12 / 2013 - — эксперт С.М. Рахимбеков. Образование метастабильных структурных состояний и их достоверное экспериментальное исследование с помощью математических моделей дают достоверную и более полную оценку факторов, с помощью которых можно управлять режимом скоростного охлаждения расплава и далее адекватно оценить скорость охлаждения расплава и вероятность получения аморфной структуры металла. Полученные теоретические расчеты убедительны и перспективы данной технологии вполне приемлемы.

Трещалин Михаил Юрьевич

Статья написана легко, доступно, интересно, хорошо и подробно описаны процессы.

Степанов Андрей Александрович

Интересная статья. Какова погрешность расчета по моделям? Как изменяются показатели прочности материала при ускоренном охлаждении?

Усенко Богдан Олегович

При ускоренном охлаждении происходит процесс закалки расплава металла и в конечном итоге показатели прочности и твердости возрастают. Прочность аморфных сплавов достигает – выше 4000 МН/м2
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.