Актуальность темы
исследования. В последние десятилетия интерес к исследованию и практическому применению сплавов, находящихся в двухфазном состоянии, растет из года в год. Литье и штамповка легких сплавов в жидко-твердом и твердожидком состояниях стали определяющими технологиями в развитии заготовительных производств в мировом автомобилестроении [ 1 ].
Жидко-твердое состояние сплава используется при рафинировании металлических сплавов из их отходов, для изготовления порошков [2], а также припоев используемых при пайке многоточечных неразъемных соединений в микроэлектронике и радиотехнике [3]. В технологии неразъемного соединения деталей широкое применение нашла контактно-реактивная пайка [4−6], в процессе которой некоторые авторы используют именно жидко-твердое состояние сплава [7].
Научная и практическая значимость жидко-твердых (тиксотропных) сплавов вызывает неослабевающий интерес к изучению механизмов процессов, происходящих в них, а также исследованию влияния внешних воздействий на их параметры.
В последние годы ряд исследований был посвящен изучению влияния электрического тока на фазообразование жидко-твердых сплавах [8−15]. Установленные в этих исследованиях закономерности позволили расширить и углубить представления о механизме и кинетике процесса контактного плавления.
Эффективными способами воздействия на металлические расплавы являются пропускание постоянного электрического тока, создающего собственное магнитное поле, и приложение внешнего магнитного поля. В металлургии широко применяются электромагнито-термические методы, основанные на использовании скрещенных электрического и магнитного полей (так называемые МГД-технологии) для транспортировки и обработки расплавов при литье, для очистки жидкого металла от неметаллических включений, при кристаллизации слитка и т. д. [16−19].
Изучению влияния постоянного электрического тока на явления переноса в металлах и сплавах посвящен ряд монографических исследований [20−25]. Отметим, что авторы исследовали электроперенос (ЭП) (иногда употребляют термины «электродиффузия», «электромиграция», «электротранспорт») — явление, заключающееся в возникновении потоков ионов в металлах и полупроводниках при пропускании постоянного электрического тока. Эти работы дали важную информацию о вкладе электронов проводимости в механизм массопереносав них разработаны методы нахождения таких характеристик как сечения рассеяния, подвижности и эффективные заряды диффундирующих ионов.
В работах [24,25] впервые был проведен расчет и анализ магнитогидродинамических сил и течений, возникающих при протекании электрического тока через жидкие металлы.
Являясь по сути дела следствиями одного и того же (электромагнитного) воздействия на расплавы, явления, наблюдаемые при пропускании ПЭТ через расплавы, должны в принципе дополнять друг друга. Это обстоятельство особо должно учитываться при исследовании гетерофазных систем типа «жидкость-твердая фаза», где наряду с потоками электропереноса могут возникнуть макротечения жидкости, оказывающие существенное влияние на концентрационное распределение компонентов в расплаве. Кроме того, собственное магнитное поле, индуцируемое электрическим током, может влиять на структуру сплава при его кристаллизации, что будет показано в данной работе.
Управление потоками ионов в металлах и полупроводниках дает возможность для их глубокой очистки от примесей (совместно с зонной перекристаллизацией) [26], концентрирования микропримесей и разделения изотопов [27], выращивания монокристаллов и эпитаксиальных слоев металлов, интерметаллических и полупроводниковых соединений [28].
В научной литературе имеется ряд исследований влияния постоянного электрического тока на процессы фазообразования в твердых [29−31] и жидких металлических и полупроводниковых растворах [32−36].
Установленное в работах [32−36] влияние постоянного электрического тока на кинетику фазообразования в сплавах и их структуру, позволяет сделать вывод о перспективности изучения влияния тока и индуцируемого им собственного магнитного поля на процесс контактного плавления в металлических системах.
Одними из первых работ по изучению влияния электропереноса на фазообразование в жидко-твердых сплавах были исследования [12−14].
Последующие исследования в бинарных системах 1п-Ш, РЬ-Ш, С<1-В1, РЬ-8п [8−11] позволили установить ряд закономерностей. Было установлено, что постоянный электрический ток (ПЭТ), в зависимости от его направления, может существенно изменять структуру сплавов.
К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии ПЭТ на механизм фазообразования в жидко-твердых сплавах, с различным типом проводимости твердых включений.
Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.
К настоящему времени практически неизученными остаются вопросы о влиянии внешних факторов на механизмы фазообразования в жидко-твердых сплавах с различным типом проводимости твердых включений. Дискуссионным остается вопрос о том, в какой момент при плавлении сплавов (кристаллов) образуются твердоподобные кластеры, обнаруживаемые многими авторами в результате электронно-микроскопических и фотоэлектронных данных. Нет однозначного ответа и на механизм формирования твердых включений в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии. Таким образом, изучение процессов, происходящих в сплавах, находящихся в жидко-твердом состоянии, весьма актуально.
Цель работы: установление общих закономерностей влияния электромагнитных полей на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических систем с различной проводимостью твердых включений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Исследовать влияние постоянного электрического тока (ПЭТ) на фазообразование в жидко-твердых сплавах бинарных металлических системах ВьСё, ВИп, ВьБп, РЬ-8п, ВьРЬ.
2. Изучить температурно-концентрационные и временные изменения в исследуемых объектах как в поле силы тяжести, так и при электромагнитном воздействии.
3. Изучить влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (1п-Сте, 1п-№).
4. Исследовать полученные сплавы методами микротвердости, электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) и рентгеновской дифрактометрии.
Объекты исследования.
Объектами исследования являлись бинарные системы: ВьСс1, Вь8п, РЬ-8п, Вь1п, ВьРЬ, 1п-Ое, 1п-№.
Научная новизна.
1. Впервые проведены исследования влияния электромагнитных полей на микроструктуру жидко-твердых сплавов бинарных металлических систем с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями (1п-ве, 1п-№). Обнаружено изменение структуры образцов, подвергнутых электромагнитной обработке по-сравнению со структурой образца без внешних воздействий.
2. Впервые проведены исследования температурно-концентрационных и временных изменений микроструктуры исследуемых объектов. Установлено значительное влияние электромагнитных полей на структуру и фазовый состав исследованных жидко-твердых сплавов.
3. Впервые проведено исследование фазообразования в жидко-твердых сплавах с переменой полярности тока на образцах. Обнаружено, что в системе Bi-Cd после образования конгломерата на аноде, перемена полярности ведет к значительным изменениям структуры закристаллизованных сплавов.
Практическая значимость.
— жидко-твердое состояние сплавов совместно с пропусканием постоянного электрического тока может применяться в практике рафинирования сплавов, очистки от низкопроводящих включений и получения металлических или полупроводниковых (моно-) кристаллов;
— результаты исследований влияния электромагнитных воздействий на жидко-твердые сплавы могут быть использованы для интенсификации процессов плавления (растворения) в процессах пайки и для совершенствования структуры и фазового состава сплавов и зон пайки при неразъемном соединении разнородных материалов.
На защиту выносятся:
— экспериментальное подтверждение предела выполнимости выражения И. М. Лифшица и В. В. Слезова для зависимости роста частиц от времени в жидко-твердых сплавах;
— результаты экспериментов по изучению температурно-концентрационных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов;
— результаты одновременного влияния ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с полупроводниковыми и ферромагнитными твердыми включениями.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на II Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)», п. Эльбрус (2006), I Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2007), IV Российской конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург (2007), I Международном.
Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и поверхностей», п. JIoo (2008), TT Международном Междисциплинарном симпозиуме «Плавление и кристаллизация металлов и оксидов», п. Лоо (2009), XVI Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых (г.Волгоград, 2010), И Международном Междисциплинарном симпозиуме «Физика низкоразмерных систем и. поверхностей», п. Лоо (2010), а также на научных конференциях и семинарах физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета (г. Нальчик, 2006;2011 гг.).
Основные этапы работы составили содержание исследовательских проектов, подтвержденных проектом в рамках программы «УМНИК», а также гранта РФИИ 06−08−96 801-рюгофи.
Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением современных экспериментальных методик, воспроизводимостью результатов, согласованностью данных, полученных экспериментально, с теоретическими оценками, а также имеющимися литературными данными.
Личный вклад автора. В диссертации приводятся результаты в основном полученные лично автором. Цели и задачи исследования сформулированы научным руководителем проф. A.A. Ахкубековым. Он же принимал участие в выборе объектов исследования, обсуждении результатовнаписании статей. Рентгенодифракционные исследования образцов проведены на базе физического факультета ЮФУ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, из которых 4 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, основных выводов. Изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 54 рисунка и список литературы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
1. Экспериментально установлено, что в системах ВьСё, ВьБп, ВьРЬ, Вь1п, РЬ-Бп ПЭТ интенсифицирует процессы растворения частиц с Я<�Якр критический размер зародыша) и роста частиц с за счет электродиффузионного переноса ионов расплава.
2. Показано, что выражение Я3(т) = /?03 + к-т, предложенное И. М. Лифшицем и В. В. Слезовым, выполняется до определенной стадии процесса.
— начала седиментации. Видимо, это связано с тем, что оно было получено при условии неподвижности частиц.
3. Экспериментальное изучение температурно-концентрационных и временных зависимостей структурного состояния исследуемых сплавов позволяет предположить, что кластеры, подобные микрокристаллам, равновесно существуют в расплавах при температурах близких к ликвидусным.
4. Впервые обнаружено, что для жидко-твердого сплава, содержащего слабопроводящие твердые включения германия (система Тп-Ое), характерной особенностью при пропускании ПЭТ является вытеснение этих включений перпендикулярно оси к периферии образца. Это связано с возникновением сил, обусловленных значительной разностью электропроводностей включения и окружающего его металлического расплава (а0е «о1п).
5. Впервые изучено влияние ПЭТ и внешнего магнитного поля на микроструктуру жидко-твердых сплавов с ферромагнитными твердыми включениями (система 1п-№). Обнаружена зависимость формирования микроструктуры от соотношения направлений ПЭТ и внешнего магнитного поля. Перемещение частиц никеля к аноду позволяет заключить, что эффективный заряд никеля в данном сплаве Z*<0.
6. Электронно-зондовый микроанализ показал, что конгломерат, образующийся при пропускания ПЭТ через сплав В1 + 44% Сё, является твердым раствором висмута (~1−2% Сё). Обнаружено, также влияние ПЭТ изменение параметров кристаллических ячеек компонентов сплавов В1 + 44% Сё и В1 + 30% Эп.
