UA49891C2

UA49891C2 - Device for despersion of melts

Info

Publication number: UA49891C2
Application number: UA98126743A
Authority: UA
Inventors: Анатолій Григорович Косторнов; Анатолий Григорьевич Косторнов; Юлій Вікторович Мільман; Юлий Викторович Мильман; Олександр Петрович Рачек; Михайло Іванович Черкасов; Михаил Иванович Черкасов; Ірина Владленівна Шаповал; Ирина Владленовна Шаповал
Original assignee: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Hаціональної Академії Hаук України
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2002-10-15

Abstract

The invention relates to powder metallurgy, namely, to the method for dispersion of melts in order to produce quick-cooling amorphous and microcrystal strips, powders, fibers etc. Device contains the case of well and cooled disk - sprayer with rotation drive on which axis the coolant moves. Internal surface of disk - sprayer is made with coating of material having high-porous capillary structure, and as material may be used metal sintered discrete fibers or sintered powders. The invention, due to cooling by passage of a coolant through capillary layers of substrate material with high-porous capillary structure, provides for speed high removal for three orders higher in comparison with the speed of heat removal in hard metal body, and compact layer applied on material of high-porous capillary structure prevents pollution (oxidation) of sprayed material.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до металургії, зокрема до пристроїв для отримання аморфних та мікрокристалічних матеріалів, наприклад, у вигляді металевої стрічки, порошка або волокна із розплавів шляхом надшвидкого охолодження.The invention relates to metallurgy, in particular to devices for obtaining amorphous and microcrystalline materials, for example, in the form of metal tape, powder or fiber from melts by ultra-fast cooling.

Відомий пристрій для швидкого охолодження металевих часточок (АС Мо1405976, 1986 р., МКВ. В22Е9/10), що містить в собі вакуумний і заповнений теплоносіями відцентровий диск, усередині якого під охолоджуючим елементом знаходиться пористий шар, котрий всмоктує теплоносій, що розтікається по всій поверхні охолоджуючого елемента. При нагріванні охолоджуючого елемента та випаруванні теплоносія пористий шар забезпечує його замкнену циркуляцію. Недоліками пристрою є капілярна обмеженість, пов'язана зі здатністю пористого матеріалу забезпечувати транспортування достатньої кількості теплоносія, та обмеження по кипінню, коли бульбашки, що утворюються, стають на заваді притоку рідини до місця випаровування; виходячи з умов рівноваги відцентрової сили та сили поверхневого натягу, існують обмеження по частоті обертання та радіусу 19 охолоджуємого елемента.A known device for rapid cooling of metal particles (AS Mo1405976, 1986, MKV. B22E9/10), which contains a centrifugal disk filled with vacuum and heat carriers, inside of which there is a porous layer under the cooling element, which absorbs the heat carrier, which spreads throughout surface of the cooling element. When the cooling element is heated and the coolant evaporates, the porous layer ensures its closed circulation. Disadvantages of the device are capillary limitation associated with the ability of the porous material to transport a sufficient amount of coolant, and boiling limitation, when the bubbles that are formed become an obstacle to the flow of liquid to the place of evaporation; based on the conditions of equilibrium of the centrifugal force and the surface tension force, there are restrictions on the frequency of rotation and the radius 19 of the cooling element.

Відомо також пристрій для швидкозагартованих металевих порошків (АС Мо1372753, 1986 р. МКВ В22Е9/08).A device for rapidly hardened metal powders is also known (AS Mo1372753, 1986, MKV B22E9/08).

Даний пристрій має індукційну плавильну піч, корпус, метал о приймач, охолоджувач у вигляді валків та очищувач.This device has an induction melting furnace, a body, a metal receiver, a cooler in the form of rolls and a cleaner.

Охолодження гартувальної поверхні валків провадиться зсередини проточною водою через порожній вал валка. Краплі розплаву вдаряються по поверхні валків, що обертаються назустріч один до одного. Більша частина розплавлених крапель, що ударяючись з поверхнею валка-охолоджувача, розтікається в тонкі стрічки і затвердіває, утворюючи луски порошку, деяка частина котрого "залипає" на гартувальній поверхні, прокатується поміж валками і знімається з поверхні очищувачем.Cooling of the hardening surface of the rolls is carried out from the inside with running water through the hollow roll shaft. Drops of melt hit the surface of the rolls, which rotate towards each other. Most of the molten drops, hitting the surface of the cooling roll, spread into thin ribbons and harden, forming flakes of powder, some of which "sticks" on the quenching surface, rolls between the rolls and is removed from the surface by a cleaner.

Недоліком пристрою є низька швидкість охолоджування, котра обмежена теплопровідністю с 29 диска-охолоджувача, налипання на поверхню валків матеріалу, що гартується, 3з-за низької швидкості Го) охолодження, внаслідок чого переривається технологічний процес.The disadvantage of the device is the low cooling rate, which is limited by the thermal conductivity of the cooling disk, the hardening material sticking to the surface of the rolls due to the low cooling rate, as a result of which the technological process is interrupted.

Найбільш близьким по технічній сутності до заявляемого рішення є гранулятор для розпилення розплавленого металу (АС Мо1475776, 1987 р., МКВ В22РО/10). Пристрій має привідний вал з порожниною для подачі холодагенту, закріплений на валу диск, що має внутрішню камеру і робочу поверхню. Робоча поверхня -- перфорована отворами, що сполучаються з внутрішньою камерою. Струмінь розплавленого металу поступає Фу поблизу центральної частини диска, вступає в контакт з робочою поверхнею, розподіляючись по ній стрічковим шаром, товщина якого залежить від витрати металу, частоти обертання диска і напору холодагента. Розмір со гранул залежить від щільності перфорації на одиницю площі. Ге»)The closest in technical essence to the proposed solution is a granulator for spraying molten metal (AS Mo1475776, 1987, MKV В22РО/10). The device has a drive shaft with a cavity for refrigerant supply, a disc fixed to the shaft, which has an inner chamber and a working surface. The working surface is perforated with holes connecting to the inner chamber. The stream of molten metal enters Fu near the central part of the disc, comes into contact with the working surface, being distributed over it by a ribbon layer, the thickness of which depends on the consumption of metal, the frequency of rotation of the disc and the pressure of the coolant. The size of the granules depends on the density of perforation per unit area. Ge")

Недоліками пристрою є: забруднення отримуваного матеріалу холодагентом, коли він торкається гартуємогоThe disadvantages of the device are: contamination of the received material with a coolant when it touches the hardened one

Зо розплаву (окислення); низька швидкість охолодження з-за утворення парової рубашки між розплавом та М поверхнею підкладки; можливості пристрою обмежені отриманням аморфних та мікрокристалічних матеріалів у вигляді порошка.From the melt (oxidation); low cooling rate due to the formation of a vapor jacket between the melt and the M surface of the substrate; the capabilities of the device are limited to obtaining amorphous and microcrystalline materials in the form of powder.

В основу винаходу "Пристрій для розпорошення розплавів" поставлено задачу шляхом нанесення на « внутрішню поверхню диска-розпорошувача шару матеріалу з високопористою капілярною структурою, З 70 використання як матеріалу з високопористою капілярною структурою металевих спечених дискретних волокон, с використання як матеріалу з високопористою капілярною структурою металевих спечених порошків, забезпечитиThe basis of the invention "Device for spraying melts" is the task of applying a layer of material with a highly porous capillary structure to the inner surface of the sputtering disk. of sintered powders, provide

Із» розширення технологічних можливостей при отриманні аморфних та мікрокристалічних матеріалів завдяки підвищенню швидкості охолодження.From" the expansion of technological capabilities in the production of amorphous and microcrystalline materials due to an increase in the cooling rate.

Задача вирішується тим, що пристрій для розпорошення розплавів містить корпус металоприймача і охолоджуваний диск-розпорошувач з приводом обертання, по вісі якого подається холодоагент, внутрішня е поверхня диска-розпорошувача виконана з матеріалу з високопористою капілярною структурою, наприклад із (Те) спечених металевих дискретних волокон або спечених металевих порошків.The problem is solved by the fact that the device for spraying melts contains a metal receiver body and a cooled atomizing disk with a rotation drive, along the axis of which the coolant is supplied, the inner surface of the atomizing disk is made of a material with a highly porous capillary structure, for example, from (Te) sintered metal discrete fibers or sintered metal powders.

Охолодження, яке здійснюється шляхом проходження холодоагента по капілялрним шарам матеріалу со підкладки з високопористою капілярною структурою характеризується більш високою (на три порядки) швидкістю (Те) 20 тепловідводу в порівнянні з тепловідводом в твердому металевому тілі При використанні примусового що охолодження рідиною дисків-розпорошувачів швидкість тепловідводу має величину 30 - бОВт/см 2: в пристрої, що містить в собі відвакуумований та заповнений теплоносієм диск-розпорошувач, усередині якого під охолоджуючим елементом знаходиться пористий шар, швидкість тепловідводу - 140 - 180Вт/см 2, в вв пропонованому пристрої на поверхні диска-охолоджувача досягається швидкість тепловідводу 25 - 27кВт/см 2, що значно збільшує швидкість охолодження розплаву. (Ф. Щоб запобігти забруднення (окислення) холодоагентом отримуваного матеріалу, тобто покращити якість ко матеріалу, а також для розширення технологічних можливостей, тобто отримання не тільки порошків, але й стрічки, волокон і т.д. підкладку з високопористою капілярною структурою розміщують так, щоб між розплавом та бо Холодоагентом знаходився поверхневий компактний шар. Відомі різні форми поверхневих шарів - гладкий, для отримання стрічок, та рифлений, для отримання волокон, порошків і т.д.Cooling, which is carried out by the passage of the refrigerant through the capillary layers of the material with a substrate with a highly porous capillary structure, is characterized by a higher (by three orders of magnitude) heat removal rate (Te) 20 compared to heat removal in a solid metal body. has a value of 30 - bWt/cm 2: in the device, which contains a vacuumed and filled with heat carrier atomizer disk, inside of which there is a porous layer under the cooling element, the heat removal rate is 140 - 180W/cm 2, in the proposed device on the surface of the disk -cooler achieves a heat removal rate of 25 - 27 kW/cm 2 , which significantly increases the cooling rate of the melt. (F. In order to prevent contamination (oxidation) of the received material with a refrigerant, that is, to improve the quality of the material, as well as to expand technological possibilities, that is, to obtain not only powders, but also tapes, fibers, etc., a substrate with a highly porous capillary structure is placed so so that there is a surface compact layer between the melt and the coolant. Different forms of surface layers are known - smooth, for obtaining tapes, and corrugated, for obtaining fibers, powders, etc.

Підвищення швидкості охолодження завдяки теплопровідності в шарі матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою не тільки підвищує якість отримуваної продукції, але й дає можливість випускати її в більшій кількості без ушкодження робочої поверхні диска-охолоджувача. Висока швидкість охолодження д5 Виключає перегрів матеріалу поверхневого компактного шару до температури плавлення, отже запобігає розплавленню цього шару та налипання на ньому загартованого матеріалу.Increasing the cooling rate due to thermal conductivity in the layer of the substrate material with a highly porous capillary structure not only increases the quality of the obtained products, but also makes it possible to produce them in larger quantities without damaging the working surface of the cooling disk. High cooling rate d5 It excludes the overheating of the material of the surface compact layer to the melting temperature, therefore it prevents the melting of this layer and the sticking of the hardened material on it.

Суть заявленого рішення відображена на фіг.1 і фіг.2. На фіг.1: 1 - поверхневий компактний шар диска-охолоджувача, 2 - шар матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою, З - ємність з соплом для подачі холодоагента, 4 - тигель з соплом для подачі розплаву, 5 - вал електроприводу. На фіг. 1 зображений диск-охолоджувач, розташований в горизонтальній площині. В центрі диска-охолоджувача, виконаного у вигляді поверхневого компактного шару та матеріалу підкладки (під цим компактним шаром) з високопористою структурою, поверхневий компактний шар відсутній. Тут розташована ємність з соплом та холодоагентом. Далі по радіусу від центру диска-охолоджувача розташований тигель з соплом та розплавленим металом. 70 На фіг.2: 1 поверхневий компактний шар диска-охолоджувача; 2 шар матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою;The essence of the proposed decision is shown in Fig. 1 and Fig. 2. In Fig. 1: 1 - the surface compact layer of the cooling disk, 2 - a layer of substrate material with a highly porous capillary structure, C - a container with a nozzle for supplying the refrigerant, 4 - a crucible with a nozzle for supplying the melt, 5 - an electric drive shaft. In fig. 1 shows a cooling disk located in a horizontal plane. In the center of the cooling disk, made in the form of a surface compact layer and a substrate material (under this compact layer) with a highly porous structure, there is no surface compact layer. There is a container with a nozzle and a refrigerant. Further along the radius from the center of the cooling disk is a crucible with a nozzle and molten metal. 70 In Fig. 2: 1 surface compact layer of the cooling disk; 2nd layer of substrate material with a highly porous capillary structure;

З тигель з соплом для подачі розплаву;With a crucible with a nozzle for feeding the melt;

А вал електроприводу; 5 посадочна втулка з отворами; 6 притискна гайка з отворами; 7 камера.And the electric drive shaft; 5 landing sleeve with holes; 6 clamping nut with holes; 7 camera.

На фіг.2 зображений диск-охолоджувач, розташований у вертикальній площині, призначений для отримання аморфної стрічки.Fig. 2 shows a disk-cooler, located in a vertical plane, intended for obtaining an amorphous tape.

Пристрій складається з поверхневого компактного шару 1, розташованого на бічній зовнішній поверхніThe device consists of a surface compact layer 1 located on the lateral outer surface

П-подібного колеса. До внутрішньої поверхні П-подібного колеса-охолоджувача кріпиться шар матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою 2. Ця конструкція кріпиться до посадочної втулки 5 з сч ре радіальними отворами, притискною гайкою 6 з отворами.U-shaped wheel. A layer of substrate material with a highly porous capillary structure 2 is attached to the inner surface of the U-shaped cooler wheel. This structure is attached to the seat sleeve 5 with radial holes, the clamping nut 6 with holes.

Посадочна втулка 5 насаджена на вал 4 електропривода. Утворюється система сполучених отворів, отвір на (о) притискній гайці 6, камера 7 та радіальні отвори посадочної втулки 5 утворюють канал для подачі холодагента до шару 2 матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою. Над бічною поверхнею П-подібного колеса розташований тигель з соплом З для подачі розплаву на поверхневий контактний шар 1. «- 20 Пристрій працює таким чином. Диск-охолоджувач приводиться до обертання приводом. По досягненню сталої швидкості обертання через отвір в притискній гайці б в камеру 7 подається рідкий холодагент, котрий (о) під дією віддентрових сил проходить через рівномірно розташовані отвори в посадочній втулці 5 і далі по со капілярним каналам капілярною структурою вздовж поверхні компактного шару диска-охолоджувача 1.The bushing 5 is mounted on the shaft 4 of the electric drive. A system of connected holes is formed, the hole on (o) the clamping nut 6, the chamber 7 and the radial holes of the seating sleeve 5 form a channel for supplying the refrigerant to the layer 2 of the substrate material with a highly porous capillary structure. Above the side surface of the U-shaped wheel is a crucible with a nozzle C for supplying the melt to the surface contact layer 1. "- 20 The device works as follows. The disc cooler is driven by the drive. Upon reaching a constant speed of rotation, through the hole in the clamping nut b, a liquid refrigerant is fed into the chamber 7, which (o) under the action of external forces passes through the evenly spaced holes in the seating sleeve 5 and further along the capillary channels with a capillary structure along the surface of the compact layer of the cooling disk 1.

При русі в шарі матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою загальний потік рідини (о) розбивається на багаточисельні потоки згідно з гідравлічними діаметрами капілярних каналів, і виникає « інтенсивний теплообмін між поверхневим компактним шаром матеріалу та шаром матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою, а також між останнім та холодагентом завдяки високій каркасній теплопровідності пористих матеріалів із дискретних металевих часточок (М.Г.Семена, А.Г.Косторнов,When moving in a layer of substrate material with a highly porous capillary structure, the total fluid flow (o) is divided into multiple flows according to the hydraulic diameters of the capillary channels, and intense heat exchange occurs between the surface compact layer of the material and the layer of the substrate material with a highly porous capillary structure, as well as between the latter and refrigerant due to the high framework thermal conductivity of porous materials made of discrete metal particles (M.G. Semena, A.G. Kostornov,

В.К.Зарипов. Каркасная теплопроводность металловолокнистих фитилей.ИФЖ, 1976, Т31, Мо1,с.581-586). « 20 Пар, що утворюється, разом з нагрітою рідиною викидається під дією відцентрової сили з торця шару -в матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою. На зовнішню поверхню компактного шару с матеріалу диска-охолоджувача через сопло тигля виливається струмінь металу, при охолодженні котрого :з» утворюється стрічка, порошок або волокно.VK Zaripov. Framework thermal conductivity of metal fiber wicks. IFZ, 1976, T31, Mo1, p. 581-586). « 20 The generated steam, together with the heated liquid, is ejected under the action of centrifugal force from the end of the layer - in the substrate material with a highly porous capillary structure. On the outer surface of the compact layer of the material of the cooling disk through the nozzle of the crucible, a jet of metal is poured, upon cooling of which a ribbon, powder or fiber is formed.

Як матеріал з високопористою капілярною структурою використовуються матеріали з високою каркасною теплопровідністю, наприклад, спечені дискретні волокна міді (ТУ 16.К71.087-90) або ж спечений порошок міді ї» (ГОСТ 4960-75).As a material with a highly porous capillary structure, materials with a high framework thermal conductivity are used, for example, sintered discrete copper fibers (TU 16.K71.087-90) or sintered copper powder" (GOST 4960-75).

Як матеріал поверхневого компактного шару повинен використовуватись матеріал з високою (Се) теплопровідністю, наприклад, мідна фольга (марки МОО), при чому компактний шар повинен добре контактувати со з матеріалом підкладки. Поверхневий компактний шар можливо виготовити на поверхні шару матеріалу 5р підкладки з високопористою капілярною структурою нанесенням покриття гальванічним чином. (Се) Основна вимога - відсутність в контактному шарі відкритих пор, які б сполучалися з відкритими порами ще матеріалу підкладки з високопористою капілярною структурою, щоб уникнути контакту холодагента з розплавленим металом та погіршенням якості отримуваного матеріалу, - досягнута.A material with high (Ce) thermal conductivity should be used as the material of the surface compact layer, for example, copper foil (MOO brand), and the compact layer should be in good contact with the substrate material. The surface compact layer can be produced on the surface of the layer of material 5p of the substrate with a highly porous capillary structure by galvanic coating. (Se) The main requirement - the absence of open pores in the contact layer, which would communicate with the open pores of the substrate material with a highly porous capillary structure, in order to avoid the contact of the coolant with the molten metal and deterioration of the quality of the obtained material - has been achieved.

Claims

The formula of the invention F)

7 1. A device for spraying melts containing a body of a metal receiver and a cooled atomizer disk with a rotation drive, along the axis of which coolant is supplied, which is characterized by the fact that the inner surface of the atomizer is made of a coating of material with a highly porous capillary structure. bo 2. The device according to claim 1, which differs in that metal sintered discrete fibers are used as a material with a highly porous capillary structure.

C. The device according to claim 2, which differs in that sintered metal powders are used as a material with a highly porous capillary structure. b5