Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для получения информации о процессе формирования полимерного волокна см. Прядение (полимеры) .
Металл (A) плавится индукционными катушками (I) и выталкивается давлением газа (P) в струю через небольшое отверстие в тигле (K) над прядильным барабаном (B), где он быстро охлаждается с образованием лента из аморфного материала (C)
Meltspinning2.JPG

Прядение из расплава - это метод формования металла, который обычно используется для формирования тонких лент из металла или сплавов с определенной атомной структурой. [1]

Некоторые важные коммерческие применения металлов, полученных методом формования из расплава, включают высокоэффективные трансформаторы (трансформатор из аморфного металла ), сенсорные устройства, телекоммуникационное оборудование и силовую электронику. [2]

Типичный процесс формования из расплава включает разливку расплавленного металла путем его впрыскивания на вращающееся колесо или барабан, который охлаждается изнутри, обычно водой или жидким азотом . Расплавленный материал быстро затвердевает при контакте с большой холодной поверхностью барабана. Вращение барабана постоянно удаляет затвердевший продукт, открывая новую площадь поверхности потоку расплавленного металла, что обеспечивает непрерывное производство. Полученная лента затем направляется вдоль производственной линии для упаковки или механической обработки в другие продукты. [3] [4]

Скорость охлаждения, достижимая при формовании из расплава, составляет порядка 10 4 –10 6 кельвинов в секунду (К / с). Следовательно, прядение из расплава используется для разработки материалов, для образования которых требуется чрезвычайно высокая скорость охлаждения, таких как металлические стекла . Из-за быстрого охлаждения эти продукты имеют сильно разупорядоченную атомную структуру, которая придает им уникальные магнитные и физические свойства ( см. Аморфные металлы ). [3] [5] [6]

Некоторые варианты процесса формования из расплава обеспечивают определенные преимущества. Эти процессы включают литье с плоской подачей , двухвалковое формование из расплава и формование из расплава с автоматическим выбросом.

Созданная Робертом Пондом в серии связанных патентов 1958–1961 годов (патенты США №№ 2825108, 2910744 и 2976590), нынешняя концепция устройства для прядения расплава была изложена Пондом и Мэддином в 1969 году, хотя сначала жидкость была закалены на внутренней поверхности барабана. К 1976 году Либерманн и Грэхем усовершенствовали этот процесс как технологию непрерывного литья, на этот раз на внешней поверхности барабана. [7] С помощью этого процесса можно непрерывно производить тонкие ленты материала, причем листы шириной в несколько дюймов коммерчески доступны. [8]

Процесс [ править ]

При формовании из расплава сплав или металл сначала плавят в тигле . Затем инертный газ , обычно аргон , используется для струи расплавленного материала из сопла, расположенного на нижней стороне тигля. Образующийся поток жидкости направляется на внешнюю периферийную поверхность вращающегося колеса или барабана, который охлаждается изнутри. Внешняя поверхность барабана расположена очень близко к соплу, но не касается его. Как правило, скорость поверхности барабана должна составлять от 10 до 60 м / с, чтобы избежать образования глобул (капель) или разрыва ленты соответственно. Как только струя соприкасается с поверхностью барабана, образуется небольшая лужа расплава (расплавленного материала). Из-за низкой вязкости расплавапоперечные силы, создаваемые относительным движением поверхности барабана под расплавом, распространяются только на несколько микрон в лужу. Другими словами, только небольшая часть лужи подвержена трению от вращения барабана. Следовательно, когда барабан вращается, большая часть лужи расплава остается удерживаемой между соплом и барабаном за счет поверхностного натяжения . Однако расплав на самом дне лужи, который находится в непосредственном контакте с барабаном, быстро затвердевает в тонкую ленту. Затвердевшая лента уносится из-под сопла на поверхность барабана на угол до 10 °, прежде чем центробежная сила от вращения барабана выбрасывает ее. [1] [4] [9]

Этот процесс происходит непрерывно, так как затвердевший материал удаляется из-под лужи расплава, больше жидкого материала добавляется в лужу из сопла.

Различные факторы [ править ]

Даже в базовом процессе прядения из расплава играет роль множество факторов. Качество и размеры продукта определяются тем, как машина работает и настроена. Следовательно, существует множество исследований, изучающих влияние изменений конфигурации устройства для прядения расплава на конкретные сплавы. Например, вот статья о конкретных условиях, которые, как было установлено, хорошо работают для формования сплавов Fe-B и Fe-Si-B из расплава.

Как правило, прядильные машины для расплава будут работать с некоторыми вариациями следующих переменных в зависимости от желаемого продукта.

  • Зазор сопла: расстояние между соплом и охлаждаемым барабаном. В первую очередь влияет на толщину ленты.
  • Форма сопла: форма сопла, выбрасывающего расплавленный материал на барабан. Форсунки, позволяющие образовывать большую лужу расплава на поверхности барабана, позволяют получить более широкие ленты.
  • Скорость потока: скорость потока расплава на барабан. Скорость потока обычно тесно связана со скоростью вращения барабана. В основном влияет на ширину и толщину ленты.
  • Скорость вращения: скорость, с которой вращается барабан. Как правило, чем быстрее барабан, тем тоньше ленты.
  • Температура барабана: температура, при которой работает барабан. В основном влияет на атомную структуру получаемой ленты. Различные сплавы лучше всего образуются при определенных температурах.

Поскольку каждый материал действует по-разному, точная причинно-следственная связь между каждой из этих переменных и полученной лентой обычно определяется экспериментально. Существуют и другие, менее часто настраиваемые переменные, но не все их влияние на окончательные размеры и структуру ленты задокументировано. [1] [10] [11]

Модификации [ править ]

Вокруг прядения из расплава были разработаны различные процессы и технологии, которые обеспечивают преимущества для промышленных применений и консистенцию продукта.

Литье в плоском потоке [ править ]

Литье в плоском потоке (PFC) - это широко используемый процесс формования из расплава для промышленного изготовления широких металлических листов стекла. Основная модификация этого процесса заключается в том, что для выброса расплава из тигля используется гораздо более широкое сопло. В результате лужа расплава покрывает большую площадь барабана, который, в свою очередь, образует большую площадь ленты. [9] ПФУ обычно разливают в вакууме, чтобы избежать окисления расплавленного материала, которое может повлиять на качество получаемого продукта. Ленты шириной до 200 мм были получены в промышленности с использованием PFC. [12]

Двухвалковое производство из расплава [ править ]

При двухвалковом прядении из расплава вместо одного используются два ролика или барабана. Ролики располагаются рядом и вращаются таким образом, что левый вращается по часовой стрелке, а второй - против часовой стрелки. Эта конфигурация приводит к тому, что материал, проходящий между роликами, опускается вниз. Расплав впрыскивается между валками, где он охлаждается и выбрасывается в виде ленты. Преимущество двухвалкового формования из расплава заключается в том, что он дает высокую степень контроля толщины получаемой ленты. При использовании одного ролика регулирование толщины ленты затруднено, включая тщательный контроль скорости потока расплава, скорости вращения колеса и температуры расплава. При установке со сдвоенными роликами можно добиться определенной и постоянной толщины, просто изменив расстояние между роликами.

На сегодняшний день двухвалковое прядение из расплава все еще ограничено почти исключительно лабораторными масштабами. [13] [14]

Автоматическое выталкивание расплава [ править ]

Автоматическое прядение расплава с выталкиванием (AEMS) описывает тип прядения расплава, при котором выталкивание расплава происходит сразу после его превращения в жидкость, что устраняет необходимость в техническом обслуживании вручную контролировать скорость потока, температуру и / или время выпуска потока расплава. . [1]

Эта модификация обеспечивает гораздо более высокую согласованность ленты между прогонами и больший уровень автоматизации процесса.

Продукт [ править ]

Прядение из расплава используется для производства тонких металлических листов или лент, которые являются почти аморфными или некристаллическими . Уникальные результирующие электрические и магнитные свойства металлов, полученных формованием из расплава, являются следствием этой структуры, а также состава сплава или металла, который использовался для формирования ленты.

Структура [ править ]

Обычно, когда металлический материал охлаждается, отдельные атомы затвердевают в виде прочных повторяющихся узоров, образуя кристаллическое твердое тело. Однако при формовании из расплава происходит резкое охлаждение (охлаждение) расплава настолько быстро, что атомы не успевают сформировать эти упорядоченные структуры, прежде чем они полностью затвердеют. Вместо этого атомы затвердевают в положениях, напоминающих их жидкое состояние. Эта физическая структура определяет магнитные и электрические свойства аморфных металлов. [6]

Электрические и магнитные свойства [ править ]

Аморфный материал, полученный прядением из расплава, считается мягким магнитом. То есть их естественная коэрцитивная сила составляет менее 1000 А · м-1, что означает, что магнетизм металла более чувствителен к внешним воздействиям и в результате может быть легко включен и выключен. Это делает аморфные металлы особенно полезными в приложениях, требующих повторного намагничивания и размагничивания материала для функционирования. Некоторые аморфные сплавы также обеспечивают способность увеличивать или направлять поток, создаваемый электрическими токами, что делает их полезными для магнитного экранирования и изоляции.

Точные магнитные свойства каждого сплава в основном зависят от атомного состава материала. Например, никель-железные сплавы с меньшим содержанием никеля имеют высокое электрическое сопротивление , тогда как сплавы с более высоким процентом никеля имеют высокую магнитную проницаемость . [15] [2]

См. Также [ править ]

  • Гашение брызг
  • Аморфный металл

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Ширзади, АА; Козел, Т .; Cios, G .; Бала, П. (01.02.2019). «Разработка автоматического выталкивающего прядения из расплава (AEMS) и его применение в производстве лент на основе кобальта» . Журнал технологий обработки материалов . 264 : 377–381. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2018.09.028 . ISSN  0924-0136 .
  2. ^ a b Хасэгава, Рюсукэ (2000-06-02). «Современное состояние аморфных магнитомягких сплавов». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 215–216: 240–245. DOI : 10.1016 / S0304-8853 (00) 00126-8 . ISSN 0304-8853 . 
  3. ^ a b Кан, Роберт В .; Хаасен, Питер (2014), «Предисловие к третьему изданию», Physical Metallurgy , Elsevier, стр. Xv – xvi, doi : 10.1016 / b978-0-444-53770-6.05002-4 , ISBN 9780444537706
  4. ^ a b Budhani, RC; Гоэль, ТК; Чопра, KL (1982-12-01). «Расплавильная техника для изготовления металлических стекол» . Вестник материаловедения . 4 (5): 549–561. DOI : 10.1007 / BF02824962 . ISSN 0973-7669 . 
  5. ^ Ву, Нью-Йорк; Олофиньяна, АО (01.01.2017). «Многопоточная разливка проволоки прямо из расплава» . Разработка процедур . 13-й Глобальный конгресс по производству и менеджменту Чжэнчжоу, Китай, 28–30 ноября 2016 г. 174 : 195–205. DOI : 10.1016 / j.proeng.2017.01.204 . ISSN 1877-7058 . 
  6. ^ a b Fedsteel (20 апреля 2016 г.). "Что такое аморфный металл?" . FedSteel.com . Проверено 16 октября 2019 .
  7. ^ Либерманн, H .; Грэм, К. (ноябрь 1976 г.). «Производство лент из аморфных сплавов и влияние параметров аппаратов на размеры ленты». IEEE Transactions on Magnetics . 12 (6): 921–923. DOI : 10,1109 / TMAG.1976.1059201 .
  8. ^ Егами, T. (декабрь 1984). «Магнитные аморфные сплавы: физика и технологические приложения». Отчеты о достижениях физики . 47 (12): 1601–1725. DOI : 10.1088 / 0034-4885 / 47/12/002 .
  9. ^ a b Карпентер, JK; Стин, PH (1992-01-01). «Плоскоструйное центробежное литье расплавленных металлов: поведение процесса». Журнал материаловедения . 27 (1): 215–225. DOI : 10.1007 / BF00553859 . ISSN 1573-4803 . 
  10. ^ Стин, Пол Х .; Керхер, Кристиан (1997). «Гидромеханика центробежного литья металлов». Ежегодный обзор гидромеханики . 29 (1): 373–397. DOI : 10.1146 / annurev.fluid.29.1.373 .
  11. ^ Pavuna Давор (1981-09-01). «Производство лент из металлического стекла методом кокильного формования из расплава в стабилизированных лабораторных условиях». Журнал материаловедения . 16 (9): 2419–2433. DOI : 10.1007 / BF01113578 . ISSN 1573-4803 . 
  12. ^ Сейно, Рю; Сато, Юичи (2014-02-15). «Наблюдение за поведением лужи расплава при разливке в воздухе в плоском потоке». Журнал сплавов и соединений . SI: ISMANAM 2012. 586 : S150 – S152. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2013.04.189 . ISSN 0925-8388 . 
  13. ^ Райт, RN; Korth, GE; Продавцы, СН (1998-09-09), "А containerless плавления твин-роликового формования из расплава системы", обзор научных инструментов (письмо), 61 (12): 3924-3926, DOI : 10,1063 / 1,1141529
  14. ^ Пей, Чжипу; Цзюй, Дунъин (2017-04-17). «Моделирование непрерывного литья и охлаждения металлических стекол» . Материалы . 10 (4): 420. DOI : 10,3390 / ma10040420 . ISSN 1996-1944 . PMC 5506926 . PMID 28772779 .   
  15. ^ «Магнитные материалы: мягкие магниты» (PDF) . Бирмингемский университет .

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео на YouTube о процессе прядения из расплава.
  • Пример прядильщика расплава http://www.arcastinc.com/meltspin.htm .