Сплави на основі системи Cu-Fe є перспективними високо тепло- і електропровідними зміцненими матеріалами з вельми високим магнітним опором для застосування, зокрема, у новітніх пристроях для електромагнітного екранування, випромінювачів з прискоренням часток, сховищах ядерних відходів, тощо. Сплави при певних умовах охолодження виявляють тенденцію до незмішування рідких фаз за рахунок чого в мідній основі можливе формування емульсованих або суспензійних зміцнюючих вкраплень на основі заліза. Саме вивченню особливостей утворення вкраплень приділяється основна увага дослідників багатьох розвинених країн світу, а стосовно зерен основи сплавів існують лише окремі дані. Відомо, що зерна основи є важливою структурною складовою полікристалічних металевих матеріалів. Для збільшення однорідності структури, механічних і спеціальних властивостей сплавів, дисперсності зерен основи і протяжності їх границь кращим є формування рівновісної морфології зерен зі співвідношення довжини до ширини (l/b) 1,0 – 1,3. У виливках при певних умовах теплопередачі від розплаву до форми утворюється зона стовбчастих напрямлених зерен з l/b ~ 10. В об’ємі разорієнтованих зерен значення l/b для окремого кристаліта неоднакове і може складати діапазон від 1,0 до 4,0. Також різним є співвідношення кількості зерен в структурі, що мають співвідношення l/b характерне для рівновісних, подовжених (1,3< l/b ≤ 4,0) і стовпчастих. Така різниця у пропорціях зерен обумовлена градієнтами температури між локальними мікрооб’ємами у мікронеоднорідному розплаві.

Мета даної роботи полягала у встановленні режиму охолодження розплаву системи Cu-Fe, при якому в сплаві формується найбільша кількість зерен при найчисельнішій кількості рівновісних і реалізації визначених умов охолодження в процесі отримання безперервно литої стрічки у валковий кристалізатор методом рідкої прокатки.

На сплавах міді з вмістом заліза 2 % мас., що відповідало рівню розчинності заліза в литій основі сплаву, було проведено дослідження по впливу режиму охолодження на кількість зерен в сплавах (видимих на поверхні шліфів – N, мм^-2), а також число зерен з різними величинами  l/b. Зі сплавів було отримано зразки товщиною 40 – 320 мкм у вигляді дисків шляхом скидання порції розплаву на сталеву поліровану поверхню. Були реалізовані швидкості охолодження (1 – 250)·10³ °С/с, шляхом варіювання товщиною зразка і величиною перегріву розплаву (~50 – 300°С), які розраховані по рівнянню Ньютона-Ріхмана. Режим охолодження розплаву описувався безрозмірними числами Біо (Bi) і Фур’є (Fo). Число Bi характеризувало величину градієнту температури між поверхнями зразка, які контактували з охолоджувачем і повітрям. Число Fo показувало темп зміни кількості тепла, що містилось в металі. В ході досліджень реалізовані умови охолодження зразків сплавів відповідно до значень чисел Bi = 0,02 – 0,30; Fo = 0,1 – 39,0. Зразки сплавів досліджувались на травлених шліфах металографічним методом.

Аналіз литих структур отриманих зразків показав, що вони складались з мідної основи і вкраплень на базі заліза компактної форми. Було виявлено, що з підвищенням швидкості і зміною режиму охолодження кількість зерен основи змінювалась нелінійно, а їх форма трансформувалась і  мала 7 характерних типів – 4 основних і 3 перехідних. У цих типах змінювався відсоток зерен з відповідними величинами l/b, їх кількість і орієнтування. Основними типами структури були:                                   1 – утворення 85 % подовжених разорієнтованих зерен з  1,3< l/b ≤2,5 (решта рівновісні, рис. 1, а); 2 – виникнення 84 % рівновісних зерен і рештою подовжених (l/b аналогічна попередньому типу, рис. 1, б); 3 – формування 94 % подовжених орієнтованих по тепловідводу зерен і рештою рівновісних (l/b, як у попередніх випадках, рис. 1, в); 4 – кристалізація 100 % стовпчастих зерен з 4,0≤l/b≤14,0 орієнтованих по тепловідводу (рис. 1, г). Між основними типами структура мала ознаки, як попереднього типу так і наступного.

20 мкм

а                         б                           в                          г                         д

Рисунок 1. Форма зерен сплаву Cu-Fe в залежності від умов охолодження: подовжені разорієнтовані (а); рівновісні (б); подовжені орієнтовані (в); стовпчасті (г); рівновісні зерна в стрічці; отриманій литтям у валковий кристалізатор (д)

Встановлено, що максимальна кількість зерен у сплавах відповідала діапазону (2,7–3,5)·10⁵ мм^-2. Це відбулось при формуванні 3 і 4 типів структури, реалізованих у режимах охолодження Bi = 0,28 – 0,30; Fo = 4 – 8. Зниження N супроводжувалось зменшенням числа рівновісних зерен до 34 %.

При отриманні стрічки зі сплаву Cu – 20 % Fe товщиною 0,9 мм реалізовано режим охолодження Bi ~ 0,39 і Fo ~ 6. Швидкість охолодження була ~10³ °С/с. З теорії тепловідводу відомо, що в діапазоні  0,2<Bi≤10 характер зміни температури в тілі є подібним, тому режими охолодження дослідних зразків і стрічки були аналогічними. Аналіз литої структури стрічки показав, що вона складалась з зерен основи сплаву з середнім розміром 15 мкм і компактних суспензованих вкраплень на базі заліза (рис. 1, д). Кількість зерен була 6,9·10⁵ мм^-2, більшість з яких мала рівновісну морфологію (74 %), решта – подовжені з 1,3< l/b ≤ 2,0. Збільшення кількості зерен в стрічці і зменшення  їх середнього розміру в порівнянні з дослідними зразками (в 2 рази), вірогідно, пов’язане з більшою інтенсивністю перемішування розплаву при заливанні у допоміжні проміжні ємності кристалізатора і витікання струменя у щілину між валками та їх деформаційної дії на метал, що здійснювало фізичне модифікування сплаву.