Спосіб отримання металу із дрібнозернистою структурою

Реферат: Спосіб отримання металу із дрібнозернистою структурою включає нагрівання металу до температури плавлення, кристалізацію. Після нагрівання металу до температури плавлення здійснюють гартування розплаву до аморфного стану та нагрівання металу в аморфному стані із швидкостями від 100 °C/с до 200 °C/с до температур на 300-500 °C вище температури кристалізації в аморфному стані. UA 73235 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ МЕТАЛУ ІЗ ДРІБНОЗЕРНИСТОЮ СТРУКТУРОЮ UA 73235 U UA 73235 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до металургії, зокрема одержання металів із високими механічними властивостями шляхом термообробки, і може бути використана для підвищення міцності та пластичності металів на основі заліза, нікелю, міді, алюмінію та деяких інших металів за рахунок створення дрібнозернистої структури. Сплави на основі Fe, в тому числі сталі, сплави на основі Ni, Ті, Сu, Аl знаходять широке використання в різних галузях техніки, в тому числі, як конструкційні матеріали. Для їх застосування необхідний певний рівень механічних властивостей, до яких в першу чергу відносяться міцність, пластичність, низька крихкість. Ці властивості в значній мірі залежать від розміру зерен металічного сплаву. При великих розмірах зерен, їх неоднорідності по розміру матеріал певною мірою втрачає свої корисні властивості. Малий розмір зерен часто забезпечує необхідний рівень таких механічних властивостей матеріалів, як міцність, пластичність та низьку крихкість, для практичного використання. Наприклад, для дрібнозернистого металу криві "напруга - деформація" при малих деформаціях ідуть значно крутіше, ніж для металу із великими зернами, а при великих деформаціях - паралельно одна одній. Метал із малим розміром зерен характеризується також більш високою межею міцності, а в крупнозернистих матеріалах руйнування йде значно легше та при менших навантаженнях (див. Д. Мак Лин "Механические свойства металлов". Изд-во Металлургия, Москва, 1965, С. 132-186). Суттєво впливає на механічні властивості також однорідність зерен по розміру. Добре відомо, що зародкові тріщини критичних розмірів виникають спочатку у великих зернах. Таким чином, значення граничної міцності металу в значній мірі залежать від ступеня однорідності та розміру зерен. Підвищуючи однорідність зеренної структури та зменшуючи розмір зерен, можна суттєво підвищити граничну міцність. Існує декілька способів зменшення в металі розмірів зерен. Відомий спосіб отримання металу із дрібнозернистою структурою, в якому метал спочатку деформується на 30-60 %, а потім нагрівається до певних температур та витримується певний час для протікання початкових стадій рекристалізації (див. Сун Ху "Рекристаллизация путем коалесценции субзерен". В кн. "Электронная микроскопия и прочность кристаллов". Изд-во "Металлургия", 1968, С. 350-361). Цей спосіб досить широко використовується на практиці. Недоліком способу є необхідність додаткового деформування та проведення тривалих відпалів при підвищених температурах, при яких відбувається рекристалізація. Ці процеси (деформування та відпал) вимагають спеціального, часто досить коштовного обладнання. Суттєвими недоліками способу є труднощі контролю за величиною зерен, неоднорідність по величині зерен та зменшення густини дефектів (наприклад, дислокацій), що призводить до зниження такої характеристики металу, як міцність. Відомий спосіб зміцнення низьковуглецевих сталей за рахунок додаткового подрібнення зерен аустеніту при використанні спеціальної схеми прокатки (див. патент України № 38832А, МКИ В21В45/00, 2000). Недоліками способу є необхідність використання спеціального обладнання, його придатність тільки для певних матеріалів (сталей), значне підвищення в металі густини дефектів, що може приводити до появи тріщин та зниження міцності. Найбільш близьким аналогом способу, що заявляється, вибраним як прототип, є спосіб отримання металу із дрібнозернистою структурою шляхом нагрівання металу до температури плавлення, переохолодження до температури кристалізації за рахунок продування інертного газу та обробки за допомогою спеціального вібруючого стрижня та витримки певний час при температурі кристалізації (див. патент України № 55057А, МПК B22D27/04, 2002). Недоліком способу є складність операцій, необхідність додаткового обладнання, використання інертного газу та неконтрольованість кінцевого розміру зерен. В основу корисної моделі поставлена задача розробки нового, більш простого і технологічного способу подрібнення зерен в різних металевих матеріалах на основі Fe, Ni, Ті, Сu, Аl шляхом отримання аморфного стану та наступного швидкого (надшвидкого) нагріву на 300-500 °C вище температури кристалізації в аморфному стані. Такий спосіб дозволяє отримувати дрібне зерно за рахунок одночасного швидкого росту суттєвої кількості існуючих зародків зерен при великих та надвеликих швидкостях нагріву, при якому зерна не встигають вирости до значних розмірів внаслідок обмеження росту сусідніми зернами. При такому способі окрім малого розміру вдається отримувати і досить однорідні по величині зерна. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в відомому способі отримання металу із дрібнозернистою структурою, що включає нагрівання металу до температури плавлення, кристалізацію, згідно з корисною моделлю, після нагрівання металу до температури плавлення здійснюють гартування розплаву до аморфного стану та нагрівання металу в аморфному стані 1 UA 73235 U 5 10 15 20 25 із швидкостями від 100 °C/с до 200 °C/с до температур на 300-500 °C вище температури кристалізації в аморфному стані. Спочатку вже відомими методами отримують заготовку (масивний матеріал товщиною 0,53,0 мм або стрічку товщиною 50-150 мкм) в аморфному стані, потім її нагрівають з високою швидкістю відомими способами (в термопечі, лазером) до температур на 300-500 °C вище заздалегідь визначеної температури кристалізації матеріалу в аморфному стані для одночасного росту всіх існуючих зародків нових зерен. Внаслідок цього процесу, одночасного росту, зерна не встигають вирости до великих розмірів в результаті взаємодії із сусідніми зернами, що одночасно ростуть із розташованих поблизу даного зерна існуючих в матеріалі зародків, тобто відбувається гальмування взаємного росту сусідніх зерен. В результаті виникає стан із дрібними зернами, що мало відрізняються по розмірам одне від одного, тобто утворюється майже однорідний по розмірам дрібнозернистий стан. Експериментально встановлено, що при швидкості нагріву аморфного стану 100-200 град/с в металевих зразках виникає однорідна зеренна структура із розміром зерен 1-5 мкм. Величина зерен визначається швидкістю нагріву. При застосуванні даного способу відпадає необхідність у наступному контролі розміру зерен та додатковому складному і дорогоцінному обладнанні. Запропонований спосіб дає можливість використовувати існуюче термічне обладнання. Приклад здійснення корисної моделі. Сплав Ti50Ni25Cu25 нагріли до температури утворення 6 розплаву (1400 °C), методом спінінгування загартували із рідкого стану із швидкістю 10 °C/с. При такій швидкості гартування отримали стрічку товщиною 60 мкм, в якій виник аморфний стан, про що засвідчили рентгеноструктурні дані. Далі зразок даного сплаву в аморфному стані нагріли до температури 700 °C із швидкістю 120 °C/с. Температуру нагрівання та його швидкість контролювали системою відбувся перехід структури матеріалу у кристалічний стан. Проведені мікроструктурні дослідження показали, що у зразку виникли зерна розміром 1-2 мкм. Промислова придатність. Пропонований спосіб може бути використано в металургійній промисловості для отримання дрібного, однорідного по розміру зерна в ряді сплавів на основі заліза, міді, титан-нікелі та деяких інших, в яких можна отримувати аморфний стан. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб отримання металу із дрібнозернистою структурою, що включає нагрівання металу до температури плавлення, кристалізацію, який відрізняється тим, що після нагрівання металу до температури плавлення здійснюють гартування розплаву до аморфного стану та нагрівання металу в аморфному стані із швидкостями від 100 °C/с до 200 °C/с до температур на 300-500 °C вище температури кристалізації в аморфному стані. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 2