Направленного затвердевания

3. Теория направленного упорядочения возникла в связи с исследованиями явления временного спада проницаемости, объясняемого наличием в твердом растворе атомов внедрения. Если большинство атомов внедрения будет расположено в междуузлиях вдоль одной определенной оси, например [100], то возникнет одноосная анизотропия. В любом твердом растворе, который неполностью упорядочен, имеется совокупность 'пар одинаковых атомов. Эти пары атомов выстраиваются вдоль приложенного магнитного поля. Необходимо показать, что энергии внешнего магнитного поля достаточно для того, чтобы создать направленное упорядочение, а в том случае, если направленное упорядочение уже возникло, то оно может объяснить величину наблюдаемой магнитной анизотропии. Теоретически и экспериментально было показано, что каждая пара атомов обладает энергией, зависящей от угла между локальной намагниченностью и осью пары. При температурах ниже температуры Кюри, но достаточных для того, чтобы диффузия успевала проходить за конечный промежуток времени,, пары одинако-

вых атомов ориентируются в направлении локальной намагниченности. Создается одноосная анизотропия. Эффект термомагнитной обработки зависит от содержания в сплаве кислорода. Выдвинуто предположение, что кислород образует с атомами основных компонентов определенные комплексы, обладающие анизотропией. Теория направленного упорядочения качественно объясняет причину эффективности термомагнитной обработки только для тех материалов, у которых достаточно высокая температура Кюри, и неэффективность этой обработки для чистых металлов.

Перминварность объясняется с помощью направленного упорядочения. Представим границу, разделяющую два соседних домена, она находится в равновесии со структурой. При включении магнитного поля граница смещается на расстояние х за очень короткий промежуток времени. Если нет других возвращающих сил, действующих на границу, кроме тех, которые возникают вследствие анизотропного распределения атомов внедрения (в модели рассматривается раствор с атомами внедрения), то величина внешнего поля служит мерой давления р, которая действует на границу в точке х и стремится возвратить ее в исходное равновесное состояние. Это дав-

Остановимся на некоторых «трудных» проблемах магнитномягких аморфных материалов. Одной из таких проблем, как отмечают авторы книги, является временная нестабильность проницаемости. Эта проблема стоит особенно остро в отношении аморфных сплавов с Я8«0, где пиннинг границ доменов выражен весьма слабо, и поэтому стабилизация границ доменов вследствие направленного упорядочения по сути дела является лимитирующим фактором. В кристаллических материалах эта проблема решается сравнительно легко — путем снижения примесей внедрения углерода и азота. Ранее предполагали, что временная нестабильность проницаемости аморфных сплавов в районе климатических температур обусловлена атомами металлоидов [9]*. Однако исследование сплавов с Яв«О, но не содержащих металлоиды, показало [20 с. 49]*, что и в этих материалах нестабильность проницаемости выражена весьма сильно. По всей видимости, атомной структуре аморфных сплавов, не зависимо от того, содержат ли они атомы металлоидов или нет, присущи некоторые дефекты, перестройка которых в зависимости от направления вектора намагниченности обеспечивает стабилизацию границ доменов и наведение одноосной анизотропии.

В сплавах с Я5«0 и имеющих Го<Гкр высокое значение проницаемости достигается после отжига при Га>Гс с последующим быстрым охлаждением (в воде), предотвращающим стабилизацию границ доменов вследствие направленного упорядочения. Такая термическая обработка не.может считаться технологичной. В том случае, если сплавы с Яа«0 имеют сравнительно низкую точку Кюри (~200°С), медленное охлаждение не только не ухудшает свойства, ио даже оказывается предпочтительным [19, 41]*.

Отмечая недостатки аморфных сплавов, авторы в первую очередь назвали два из них — низкую термическую стабильность и недостаточную временную стабильность. Первый из них связан с развитием процессов кристаллизации и расслоения, второй — с релаксацией атомной структуры аморфной фазы. Негативное влияние временной нестабильности в первую очередь сказывается на таких служебных свойствах, как магнитные. При этом временная нестабильность магнитных свойств во многом является отражением развития в аморфной фазе процессов композиционного направленного упорядочения, приводящих к стабилизации границ доменов. Повышение термической и временной стабильности свойств технически важных аморфных сплавов — одна из важнейших задач, стоящих перед исследователями аморфных сплавов.

1 Описанный процесс перестройки атомов получил название направленного -упорядочения, в отличие от изотропного упорядочения, связанного с химическим взаимодействием. В данном случае речь идет о парном направленном упорядочении., Яриж. ред.

1 В тексте оригинала автор пользуется двумя сходными по смыслу терминами для обозначения понятия «закрепление границ доменов». В первом •случае это английское слово pinning, во втором — это японское слово, допускающее определенную произвольность русской трактовки. При переводе показалось целесообразным разделить эти два термина, учитывая суть вопроса. Там, где речь идет о закреплении границ доменов разного рода дефектами, использованы термины «закрепление» или «пиннинг». Там, где речь идет о закреплении границ доменов вследствие направленного упорядочения, использован термин «стабилизация границ доменов» или «стабилизация доменов», как это принято в отечественной литературе (см. например, [9]*). Прим. ред.

2 Эти эффекты получили название эффектов магнитного последействия. К ним относятся: обратимый временной спад начальной проницаемости, образование перетянутых петель гистерезиса (змеевидные петли), постоянство магнитной проницаемости в малых полях и др. Все они обусловлены одним механизмом — стабилизацией границ доменов вследствие направленного упорядочения. Прим, ред.

На магнитные свойства металлических стекол благоприятно влияет отсутствие кристаллографической анизотропии и протяженных дефектов. Кроме того, в аморфных сплавах в большей степени, чем в сплавах с кристаллическим строением, проявляются эффекты магнитного последействия, что связано со стабилизацией границ доменов вследствие композиционного направленного упорядочения. Для магнитного последействия характерна обратимость магнитных свойств по отношению к магнитному и термическому воздействиям.

Особые свойства аморфных сплавов как магнитно-мягких материалов обусловлены механизмом диссипации энергии при подведении внешней энергии. В силу своего структурного состояния они не способны дис-сипировать энергию путем пластической деформации, и поэтому их можно деформировать упруго в достаточно широком интервале напряжений без ухудшения магнитных свойств (пластическая деформация ухудшает магнитные свойства материала). Этим в значительной мере обусловлена достаточно широкая область применения аморфных сплавов как ма-терилов с особыми магнитными свойствами. Кроме того, в аморфных сплавах в большей степени, чем в сплавах с кристаллическим строением проявляются эффекты магнитного последействия [493]. Это связано со стабилизацией границ доменов вследствие композиционного направленного упорядочения. Для магнитного последствия характерны обратимость магнитных свойств по отношению к магнитному и термическому воздействиям. Стабилизация границ доменов (магнитного последействия) влияет на гистерезисные свойства аморфных сплавов, что является важным способом улучшения комплекса гистерезисных магнитных свойств аморфных материалов. Улучшенным комплексом магнитных свойств обладают и мелкокристаллические сплавы с размером зерна менее 10-50 мкм.

На выходе из кристаллизатора слиток охлаждается водой из форсунки в зоне 6' вторичного охлаждения. Затем затвердевший слиток попадает в зону 7 резки, где он разрезается газовым резаком 8 на куски заданной длины. Таким способом отливают слитки е прямоугольным поперечным сечением (150x500—300x2000 мм), с квадратным сечением (150X150—400X100 мм), круглые, в виде толстостенных труб. Вследствие направленного затвердевания и непрерывного j итания при усадке слитки непрерывной разливки имеют плотное строение и мелкозернистую структуру, в них отсутствуют усадочные раковины. Выход годных заготовок может достигать 96— 98 % массы разливаемой стали.

При 'подаче напряжения между расходуемым электродом-катодом 3 и затравкой-анодом 8 возникает дуга. Выделяющаяся теплота расплавляет конец электрода; капли 4 жидкого металла, проходя зону дугового разряда, дегазируются, заполняют изложницу и затвердевают, образуя слиток 7. Дуга горит между расходуемым электродом и жидким металлом 5 в верхней части слитка на протяжении всей плавки. Сильное охлаждение слитка и разогрев дугой ванны металла создают условия для направленного затвердевания слитка, вследствие чего неметаллические включения сосредоточиваются в верхней части слитка, а усадочная раковина в слитке мала. Слитки ВДП содержат мало газов, неметаллических включений, отличаются высокой равномерностью химического состава, повышенными механическими свойствами. Из слитков изготовляют ответственные детали турбин, двигателей, авиационных конструкций. Масса слитков достигает 50 т.

Процесс непрерывного литья осуществляется следующим образом (рис. 4.36, а). Расплавленный металл из металлоприемника / через графитовую насадку 2 поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор 3 и затвердевает в виде отливки 4, которая вытягивается специальным устройством 5. Длинные отливки разрезают на заготовки требуемой длины. Этим способом получают различные отливки (рис. 4.36, б) с параллельными образующими из чугуна, медных, алюминиевых и других сплавов. Отливки, полученные этим способом, не имеют неметаллических включений, усадочных раковин и пористости благодаря созданию направленного затвердевания сплава,

Высокая усадка чугуна вызывает необходимость создания условий направленного затвердевания отливок для предупреждения образования усадочных раковин и пористости в массивных частях отливки путем установки прибылей и использования холодильников.

При направленном затвердевании (рис. 4.56, б) верхние сечения отливок питаются от прибылей. Принцип направленного затвердевания применяют при конструировании литых деталей с повышенными требованиями по плотности и герметичности отливок, работающих иод давлением.

а — одновременного; б — направленного затвердевания

Для отливки деталей из сплавов с пониженными- литейными качествами применяют способ направленного затвердевания. Стенкам придают сечения, прогрессивно увеличивающиеся кверху' (см. рис. 93, б). Затвердевание идет снизу вверх; нижние сечения по мере/ затвердевания питаются жидким металлом из расположенных выше сечений; верхние сечения, застывающие в последнюю очередь, питаются из массивных прибылей, располагаемых сверху отливки. Поперечные стенки делают наклонными, расширяющимися кверху, и соединяют со смежными стенками плавными галтелями. Усадочная раковина сосредоточивается* в прибыли. В прибыль уходят неметаллические включения, шлаки, плены, засоры. ' -

Недостатки способа направленного затвердевания:

Способ направленного затвердевания применяют преимущественно для стальных отливок, притом в тех случаях, когда масса детали не имеет большого значения. Этим способом отливают (в горизонтальном положении) детали дискового типа небольшой высоты (колеса, диафрагмы и др.). Для таких деталей принцип направленного затвердевания сводится к утолщению стенок, приданию дискам конической формы и увеличению галтелей на участках сопряжений.

С помощью литниково-питающей системы можно регулировать режим затвердевания и охлаждения отливки. Для создания направленного затвердевания от тонких к более массивным частям отливки и далее к прибыли, которая затвердевает последней, питатели необходимо подводить к массивным частям или непосредственно в прибыль. Для обеспечения одновременного затвердевания и снижения напряжения питатели подводят к тонким стенкам отливки.

Литниково-питающие системы по варианту 1 получили наибольшее распространение для отливок массой до 1,5 кг из высоколегированных чугунов и сталей, жаропрочных сплавов. При использовании этих систем создаются благоприятные условия для направленного затвердевания отливок и получения плотных литых изделий.