Прядение расплава - Melt spinning

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, чтобы сформировать лента из аморфного материала (C)
Meltspinning2.JPG

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

Некоторые важные коммерческие применения формования металлов из расплава включают высокоэффективные трансформаторы (Трансформатор из аморфного металла ), сенсорные устройства, телекоммуникационное оборудование и силовая электроника.[2]

Типичный процесс формования из расплава включает литье расплавленного металла путем его впрыскивания во вращающееся колесо или барабан, который охлаждается изнутри, обычно водой или жидкий азот. Расплавленный материал быстро затвердевает при контакте с большой холодной поверхностью барабана. Вращение барабана постоянно удаляет затвердевший продукт, открывая новую площадь поверхности потоку расплавленного металла, обеспечивая 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 104–106 кельвины в секунду (К / с). Следовательно, прядение из расплава используется для разработки материалов, которые требуют чрезвычайно высоких скоростей охлаждения для образования, таких как металлические очки. Из-за быстрого охлаждения эти продукты имеют сильно разупорядоченную атомную структуру, которая придает им уникальные магнитные и физические свойства (видеть аморфные металлы ).[3][5][6]

Некоторые разновидности процесса формования из расплава обеспечивают определенные преимущества. Эти процессы включают плоское литье, двухвалковое прядение из расплава, и прядение расплава с автоматическим выбросом.

Созданная Робертом Пондом в серии связанных патентов 1958–1961 годов (патенты США №№ 2825108, 2910744 и 2976590), нынешняя концепция прядильщика расплава была изложена Пондом и Мэддином в 1969 году, хотя сначала жидкость была закалены на внутренней поверхности барабана. К 1976 году Либерманн и Грэм развили 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

При прядении из расплава сплав или металл сначала плавят в тигель. 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. Обычно скорость поверхности барабана должна составлять от 10 до 60 м / с, чтобы избежать образования глобул (капель) или разрыва ленты соответственно. Как только струя контактирует с поверхностью барабана, образуется небольшая лужа расплава (расплавленного материала). Из-за низкого вязкость расплава, поперечные силы создаваемый относительным движением поверхности барабана под расплавом, распространяется 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 поверхностное натяжение. 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 ° перед центробежная сила от вращения барабана выбрасывает его.[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

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 прядильщика расплава на конкретные сплавы. Например, здесь это 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 ширина и толщина лент.
  • 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 их влияние на окончательные размеры и структуру ленты не все задокументировано.[1][10][11]

Модификации

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

Литье в плоском потоке

Литье в плоском потоке (PFC) - это широко используемый процесс формования из расплава для промышленного изготовления широких металлических листов стекла. Основная модификация этого процесса состоит в том, что для выброса расплава из тигля используется 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 прядение из расплава

При двухвалковом прядении из расплава вместо одного используются два ролика или барабана. Ролики располагаются рядом и вращаются так, что левый вращается по часовой стрелке, а второй - против часовой стрелки. Эта конфигурация приводит к тому, что материал, проходящий между роликами, опускается. 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 валка регулирование толщины ленты затруднено, включая тщательный контроль скорости потока расплава, скорости вращения колеса и температуры расплава. При установке со сдвоенными роликами можно достичь 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

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

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

Товар

Прядение из расплава используется для производства тонких металлических листов или лент, которые аморфный или некристаллический. 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

Обычно, когда металлический материал охлаждается, отдельные атомы затвердевают в виде прочных повторяющихся узоров, образуя кристаллическое твердое тело. Однако при формовании из расплава происходит закалка (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

Аморфный материал, полученный прядением из расплава, считается мягким магнитом. То есть их естественный принуждение меньше 1000 А · м-1, что означает, что магнетизм металла более чувствителен к внешним воздействиям и, как следствие, его можно легко включать и выключать. Это делает аморфные металлы особенно полезными в приложениях, требующих многократного намагничивания и размагничивания материала для функционирования. Некоторые аморфные сплавы также обеспечивают способность увеличивать и / или направлять поток создаются 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 высокий электрическое сопротивление, в то время как те, у кого процент никеля выше, имеют высокий магнитная проницаемость.[15][2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Shirzadi, A. A .; 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. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2018.09.028. ISSN  0924-0136.
  2. ^ а б Хасэгава, Рюсукэ (2 июня 2000 г.). «Современное состояние аморфных магнитомягких сплавов». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 215-216: 240–245. Дои:10.1016 / S0304-8853 (00) 00126-8. ISSN  0304-8853.
  3. ^ а б Кан, Роберт В .; Хаасен, Питер (2014), «Предисловие к третьему изданию», Физическая металлургия, Elsevier, стр. Xv – xvi, Дои:10.1016 / b978-0-444-53770-6.05002-4, ISBN  9780444537706
  4. ^ а б Budhani, R.C .; Goel, T. C .; Чопра, К. Л. (1982-12-01). «Расплавление для изготовления металлических стекол». Бюллетень материаловедения. 4 (5): 549–561. Дои:10.1007 / BF02824962. ISSN  0973-7669.
  5. ^ Voo, N. Y .; Олофиньяна, А. О. (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. Дои:10.1016 / j.proeng.2017.01.204. ISSN  1877-7058.
  6. ^ а б Fedsteel (20 апреля 2016 г.). "Что такое аморфный металл?". FedSteel.com. Получено 2019-10-16.
  7. ^ Liebermann, 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. Дои:10.1109 / TMAG.1976.1059201.
  8. ^ Эгами, Т. (декабрь 1984 г.). «Магнитные аморфные сплавы: физика и технологические приложения». Отчеты о достижениях физики. 47 (12): 1601–1725. Дои:10.1088/0034-4885/47/12/002.
  9. ^ а б Карпентер, Дж. К .; Стин, П. Х. (1 января 1992 г.). «Плоскоструйное центробежное литье расплавленных металлов: поведение процесса». Журнал материаловедения. 27 (1): 215–225. Дои:10.1007 / BF00553859. ISSN  1573-4803.
  10. ^ Steen, Paul H .; Керхер, Кристиан (1997). «Гидравлическая механика центробежного литья металлов». Ежегодный обзор гидромеханики. 29 (1): 373–397. Дои:10.1146 / annurev.fluid.29.1.373.
  11. ^ Павуна, Давор (1981-09-01). «Производство лент из металлического стекла методом кокильного формования из расплава в стабилизированных лабораторных условиях». Журнал материаловедения. 16 (9): 2419–2433. Дои: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. Дои:10.1016 / j.jallcom.2013.04.189. ISSN  0925-8388.
  13. ^ Wright, R. N .; Korth, G.E .; Селлерс, К. Х. (9 сентября 1998 г.), "Двухвалковая система прядения из расплава без контейнера", Обзор научных инструментов (письмо), 61 (12): 3924–3926, Дои:10.1063/1.1141529
  14. ^ Пей, Чжипу; Цзюй, Дунъин (2017-04-17). «Моделирование непрерывного литья и охлаждения металлических стекол». Материалы. 10 (4): 420. Дои:10.3390 / ma10040420. ISSN  1996-1944. ЧВК  5506926. PMID  28772779.
  15. ^ «Магнитные материалы: мягкие магниты» (PDF). Бирмингемский университет.

внешняя ссылка