Спосіб виготовлення об’ємних нанокристалічних сплавів

Спосіб виготовлення об'ємних нанокристалічних сплавів, що включає плавлення компонентів у тиглі та подальше охолодження розплаву шляхом відведення тепла у масивний теплоприймач, який відрізняється тим, що розплав заливають у металеву виливницю, попередньо нагріту до температури, при якій процес кристалізації з утворенням наноструктури проходить в ізотермічному режимі при температурі вище точки склоутворення сплаву на 50-150 К. (19) (21) u201104033 (22) 04.04.2011 (24) 25.11.2011 (46) 25.11.2011, Бюл.№ 22, 2011 р. (72) ЛИСЕНКО ОЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ, КРАВЕЦЬ ОЛЕКСАНДР ЛЕОНІДОВИЧ, КОСИНСЬКА ОЛЬГА ЛЕОНІДІВНА, ЛИСЕНКО ОЛЕКСАНДРА ОЛЕКСАНДРІВНА, ГУБАРЄВ СЕРГІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, КАЛІНІНА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВНА (73) ДНІПРОДЗЕРЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 3 64872 ливість фіксації у таких листах аморфних та нанокристалічних станів. В основу корисної моделі поставлено задачу створення ізотермічного режиму загартування з рідкого стану шляхом лиття розплаву у гарячу металеву виливницю, який забезпечує сполучення близьких до максимальних швидкостей утворювання кристалічних зародків і дуже низьких (  109 м·с ) швидкостей росту кристалів протягом усього періоду масової кристалізації сплавів та формування повністю закристалізованих структур з середніми розмірами кристалів до 150 нм. Поставлена задача вирішується тим, що у спосіб виготовлення об'ємних нанокристалічних сплавів, що включає плавлення компонентів у тиглі та подальше охолодження розплаву шляхом відведення тепла у масивний теплоприймач, розплав заливають у металеву виливницю, попередньо нагріту до температури, при якій процес кристалізації з утворенням наноструктури проходить в ізотермічному режимі при температурі вище точки склоутворення сплаву на 50-150 К. Вихідну температуру виливниці Th, величину перегріву розплаву  та товщину відливків  узгоджують таким чином, щоб тепловий потік, який відводиться у стінки виливниці, компенсувався потоком прихованої теплоти перетворення. Виконання цієї вимоги дозволяє встановити ізотермічний режим твердіння відливків при температурі Тіsо, близькій до точки склоутворення Tg, при якій кінетика кристалізації переважно контролюється процесами зародження кристалів. Змінюючи величину Tiso, можна корегувати загальну тривалість процесу твердіння та забезпечити отримання нанокристалічних відливків з різними найімовірнішими розмірами кристалів. Запропонований спосіб застосовують до матеріалів з високою здатністю до склоутворення, які в умовах звичайних технологій загартування з рідкого стану тверднуть без кристалізації у перерізах  c понад 5 мм при відносно невеликих критичних -1 2 -1 швидкостях охолодження розплаву c  10 К·с . До таких матеріалів, зокрема, відносяться багатокомпонентні сплави на основі заліза [патент US №20050252586, С22С 45/00, 2005], цирконію, магнію [Lu Z.P., Tan H., Li Y., Ng S.C. The correlation between reduced glass transition temperature and glass forming ability of bulk metallic glasses // Scripta mater. - 2000. - Vol. 42, №7. - P. 667-673] та інших металів. Оскільки при литті розплаву у гарячу виливницю процес охолодження уповільнюється, то для запобігання розвитку кристалізації при малих переохолодженнях відносно температури плавлення сплаву Тm максимальну товщину відливків обмежують значеннями - (0,2-0,5)  c . Фіг.1 пояснює принцип реалізації способу. Попередньо виплавлену та гомогенізовану лігатуру заданого сплаву завантажують у тигель (1) з отвором у центрі дна. Плавлення лігатури та наступне перегрівання розплаву на (50-200) К вище точки Тm здійснюють нагрівачем вакуумної електропечі СШВЭ 12.5/25-43 (2). Після досягнення заданого 4 ступеня перегріву  розплав (3) під надлишковим тиском очищеного аргону (4) протискують через отвір тигля у виливницю (5), виготовлену з алюмінієвої бронзи БрАІО. Вихідну температуру виливниці Тb задають за допомогою печі електроопору (6). Конструкція виливниці (Фіг.2) дозволяє регулювати величину перерізу робочої порожнини у межах від 0,5 до 10 мм шляхом змінювання плоскопаралельних П-подібних укладок (1). Відливки, що отримують за допомогою описаного способу, мають форму пластин прямокутного перерізу з лінійними розмірами (4015 (0,5-10))мм. Вони можуть використовуватися як для структурних досліджень, так і для вимірювань фізико-механічних властивостей. Спосіб, що заявляється, характеризується наступним прикладом конкретного виконання. Лігатуру сплаву Mg65Cu25Y10, який, за даними [Lu Z.P., Tan H., Li Y., Ng S.C. The correlation between reduced glass transition temperature and glass forming ability of bulk metallic glasses // Scripta mater. - 2000. - Vol. 42, №7. - P. 667-673], має температуру плавлення Tm=727,9 К і значення критич-1 них параметрів  c =8 мм,  c =50 К·с , розплавляли в робочій камері електропечі СШВЭ 12,5/25-43 в атмосфері очищеного аргону. Температуру розплаву підвищували до 830 К, після чого методом лиття під тиском заливали у виливницю з зазором між стінками  =1 мм. У трьох різних експериментах використовували такі значення вихідної температури виливниці Tb=350,400,450 К. Температурний режим твердіння відливків та параметри їх мікроструктури контролювали за методикою роботи [Лысенко А.Б., Кравец О.Л. Борисова Г.В. Моделирование параметров микроструктуры быстрозакристаллизованных металлов // Физика и техника высоких давлений. - 2007. - Т. 17, №3. - С. 52-62] шляхом узгодженого чисельного розв'язання рівнянь теплопровідності та кінетики масової кристалізації. На Фіг.3-5 наведені розрахункові залежності від часу t температури розплаву Т1, виливниці Т2 та частки закристалізованого об'єму х для відливків товщиною 1 мм, виготовлених при трьох указаних вище значеннях початкової температури виливниці Tb. Як видно з Фіг.3, при найменшому значенні Tb=350K розплав безперервно охолоджується аж до точки Tg і далі твердне без кристалізації з утворюванням аморфної структури сплаву. При підвищенні температури виливниці до 400 К термічний режим і кінетика твердіння якісно змінюються (Фіг.4). За проміжок часу ~10 с температури розплаву та виливниці зближуються і подальші етапи перетворення здійснюються в ізотермічних умовах при переохолодженні розпла400 ву  =0,39Тm, яке відповідає швидкості заро16 -3 -1 дження   10 м ·с та швидкості росту кристалів -12 -1 10 м·с . Така комбінація параметрів I, u u спричиняє дуже повільне нарощування закристалізованого об'єму, внаслідок чого загальний час . 4 твердіння розплаву te складає приблизно 7,8 10 с. 5 64872 20 За цей час в одиниці об'єму виникає ~8·10 кристалів, середній розмір котрих дорівнює ~ 65 нм. Ізотермічний режим виготовлення відливків фіксується також при попередньому нагріванні виливниці до температури 450 К (Фіг.3). Однак у цьому випадку величина переохолодження розп450 знижулаву на стадії масової кристалізації  ється до 0,33Tm, що призводить до одночасного 17 прискорення процесів зародження (   4,3·10 m 3 -1 -9 -1 ·c ) та росту ( u  1,5·10 м·с ) кристалів. У свою чергу, збільшення параметрів I та u супроводжується значним скороченням загальної тривалості 2 перетворення (tе  4·10 с) та формуванням менш дисперсної структури з найімовірнішими розмірами кристалів ~150 нм. Наведений приклад підтверджує досягнення передбачуваного технічного результату, котрий полягає у створенні ізотермічного режиму загарту 6 вання металевих розплавів і отриманні за допомогою цього режиму повністю закристалізованих відливків з розмірами кристалів до ~150 нм. Перевагами заявленого способу над прототипом є: - значне продовження терміну теплового контакту розплаву з кристалізатором; - виведення додаткової операції низькотемпературного відпалу з технологічного циклу виробництва масивних нанокристалічних матеріалів; - можливість контрольованого змінення температури кристалізації сплавів та параметрів їх мікроструктури; - отримання більш однорідних нанокристалічних структур безпосередньо в процесі твердіння розплаву. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 64872 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601