авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«М еж дународный научно- теоретический и произ водственный ж урнал № 3 (96) ...»

-- [ Страница 2 ] --

Новая технология позволяет простыми средствами наносить на стенки рабочего канала коррозионно Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев стойкий слой гарантированной толщины с требуе мым химическим составом. При этом стенки рабо- Физ.-мех. ин-т им. Г. В. Карпенко НАН Украины, Львов Поступила 13.07. УДК 669.046:546. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ВАНАДИЯ И НИОБИЯ ИЗ ОКСИДНО-ФТОРИДНЫХ РАСПЛАВОВ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ* С. А. Истомин, В. В. Рябов, Э. А. Пастухов Проведен электрошлаковый переплав электродов из армко-железа на различных электрических режимах для опре деления закономерностей электрохимического восстановления ванадия и ниобия из расплавленных оксидно-фто ридных систем CaF2—Al2O3—V2O5 (Nb2O5). Установлено, что благодаря применению асимметричного тока в элект рошлаковом переплаве существенно улучшаются показатели процесса электролиза. Обнаруженные закономерности объяснены изменением концентраций ионов ванадия и ниобия в пульсирующем слое, согласно механизму нестаци онарной диффузии. Показано, что количеством того или иного восстановленного легирующего элемента можно управлять путем изменения электрических режимов переплава в зависимости от содержания его оксида в составе оксидно-фторидного расплава.

Electroslag remelting of electrodes of Armco-iron was performed at different electrical parameters to define the regularities of electrochemical recovery of vanadium of niobium from molten oxide-fluoride systems CaF2—Al2O3—V2O5 (Nb2O5). It was found that characteristics of electrolysis process are greatly improved by using the asymmetric current in electroslag remelting. The revealed regularities were explained by change in concentrations of ions of vanadium and niobium in a pulsed layer in compliance with a mechanism of a non-stationary diffusion. It is shown that the amount of either recovered alloying element can be controlled by changing the electric parameters of remelting depending on the content of its oxide in the composition of oxide-fluoride melt.

К л ю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковый переплав;

флюс;

можно осуществлять электрохимическое легирова электрохимическое восстановление;

легирование;

ток пере- ние, модифицирование и раскисление металлов [3—5].

менный, постоянный, асимметричный Установлено, что электрошлаковый переплав на постоянном токе несколько отличается от переплава Процесс электрошлакового переплава (ЭШП) су на переменном. Это связано с тем, что жидкая ме ществует уже полвека. В работах [1, 2] описаны таллическая ванна, образующаяся в результате этапы развития и новые технологии ЭШП, исполь плавления расходуемого электрода и являющаяся зуемые в производстве. Отмечается устойчивый одним из электродов, а также изменения в ее составе рост объемов металла ЭШП. Однако увеличение после переплава, зависят от рода тока и определя себестоимости электроэнергии и ферросплавов при ются суммарным вкладом анодного, катодного и переходе к мировым ценам значительно повысило других сопутствующих химических процессов [4].

стоимость металла, получаемого способом ЭШП, Электрошлаковый переплав на переменном или что сказалось на производстве и применении дан постоянном токе хотя и фиксирует различия в вос ного металла. Для снижения себестоимости предла становлении элементов из флюса, однако не позво гается дополнить процесс ЭШП электрохимичес ляет проследить динамику электрохимических про ким легированием металла.

цессов, поскольку дает лишь начальный и конечный При электрохимическом способе ввода легиру результаты. Кроме того, от обычного электролиза ющих элементов в металл не требуется применение ЭШП отличает высокая электродная плотность тока дорогостоящих лигатур и ферросплавов, поскольку (50… 100 А/см2), необходимая для достижения вы восстановление происходит из оксидов и фторидов соких значений температуры (1700… 2000 °С), обес шлаковой фазы, отличающейся оптимальными фи печивающих плавление электрода, наличие трех зико-химическими свойствами. Кроме того, потен стадий процесса с различной поверхностью реаги циал восстановления легирующих элементов дол рования. Катодом и анодом в этом случае служат жен быть более положительным, по сравнению с жидкие металлы почти одного химического состава, потенциалами восстановления компонентов, состав что может привести к протеканию взаимообратимых ляющих основу оксидно-фторидного флюса.

электродных реакций и затруднению с организаци Разработка теории шлаков, выяснение их при ей и управлением электролизными процессами при роды проводимости и других физико-химических ЭШП. Одним из способов решения этой проблемы свойств показали, что путем использования оксид является применение при ЭШП асимметричного то но-фторидных шлаков в качестве электролитов *Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-Урал.

© С. А. ИСТОМИН, В. В. РЯБОВ, Э. А. ПАСТУХОВ, осуществляли на переменном, постоянном и асим метричном токах с изменяющейся долей постоянной составляющей (рис. 1).

Из рис. 2, а, б видно, что при переплаве под флюсом АНФ-6, содержащем 10 мас. % V2O (линии 2, 2), на переменном токе восстановилось 0,2 мас. % ванадия, постоянном (прямая полярность) – 0,32 мас. % и постоянном (обратная полярность) 0,42 мас. % ванадия. При переплаве под флюсом АНФ-6, содержащем 10 мас. % Nb2O5 (рис. 2, в, г линии 4, 4) на переменном токе восстановилось 0,32 мас. % ниобия, постоянном (прямая поляр Рис. 1. Осциллограммы тока при следующих значениях постоян ность) – 0,58 мас. % и постоянном (обратная по ной составляющей, %: а – 0 (переменный ток);

б – 25;

в – 50;

г – 75;

д – 100 (постоянный пульсирующий ток) лярность) – 0,67 мас. % ниобия.

Применение асимметричного тока позволило су ка с изменением симметрии его полупериодов до щественно увеличить количество восстановленных полного выпрямления [5].

в металл ванадия или ниобия. Теория электрохи В данной работе изучали восстановление вана мических процессов, протекающих на электродах дия и ниобия в зависимости от рода и полярности при больших плотностях тока и высоких темпера тока при переплаве армко-железа путем введения в турах, пока не разработана. Поэтому для объясне состав оксидно-фторидного расплава 70 мас. % ния полученных результатов можно принять во вни CaF2—30 мас. % Al2O3 (флюс АНФ-6) добавки со мание следующие соображения.

ответственно 5 и 10 мас. % V2O5 или Nb2O5. Процесс Рис. 2. Восстановление ванадия и ниобия в процессе ЭШП на переменном, постоянном и асимметричном токах при прямой (а, в) и обратной (б, г) полярностях: 1, 1 и 2, 2 – добавки 5 и 10 мас. % V2O5;

3, 3 и 4, 4 – добавки 5 и 10 мас. % Nb2O5 к флюсу АНФ-6;

штриховыми линиями 5, 6 обозначено заданное количество восстановленного элемента;

N – доля постоянной составляющей тока При переплаве на постоянном токе основным то конесущим катодным процессом, по-видимому, яв ляется разряд катионов ванадия или ниобия. Рас плавленный флюс состоит из катионов Ca2+, Al3+, V5+, V3+, V2+ (Nb5+, Nb4+, Nb2+) и анионов F—, O2—.

Потенциалы восстановления катионов ванадия (V2+— 1,36 В, V3+—1,39 В, V5+—0,910 В) и ниобия (Nb2+—1,34 В, Nb4+—1,25 В, Nb5+—1,18 В) более по ложительные, чем у Ca2+— 2,3 В и Al3+— 1,9 В [4].

При ЭШП частично восстанавливается кальций, ко торый хорошо растворяется в оксидно-фторидном расплаве, образуя приэлектродный слой с электрон ной проводимостью. При этом электрически актив ная поверхность электрода смещается в глубь шла кового расплава, что приводит к снижению восста новления легирующих элементов.

При переплаве на переменном токе следует рас сматривать уже не анод и катод, а анодные и катод ные полупериоды на одном и том же электроде.

Рис. 3. Распределение концентраций в пределах диффузионных Электрохимическое взаимодействие металла и шла- SK SK слоев: C Эi, C Эi – поверхностные концентрации соответствен n+ ка в основном сводится к перезарядке ионов на гра но восстановленной и окисленной форм реагента;

CЭi, CЭi – n+ нице раздела металл—шлак. Разрядившись на като концентрации элемента соответственно в металле и шлаке;

де в одном полупериоде, восстановленный элемент S S C Эi, C Эi – поверхностные концентрации реагентов;

анодно окисляется в другом и не будет успевать n+ П П C Эi, C Эi – концентрации элемента в пульсирующем слое;

диффундировать в металл. Степень его перехода в n+ n+ Эi, Эi – эффективные толщины диффузионных слоев;

новую фазу будет почти такой же, как и при пос- П П Эi, Эi – толщины пульсирующих слоев тоянном токе. Решающую роль здесь играет поверх- n+ ность реагирования жидкого металла со шлаком.

ходит по механизму нестационарной диффузии. В Интенсивное гидродинамическое перемешивание течение действия импульса tи толщина пульсирую жидких фаз способствует устранению диффузион щего слоя непостоянна и возрастает, достигая мак ных затруднений и росту площади взаимодействия симальных значений в конечной стадии его действия между металлом и шлаком [6].

(рис. 3).

Переплав на асимметричном токе характеризу В первом приближении толщину пульсирующе ется процессами, протекающими при использо го слоя можно оценить следующим образом [7]:

вании как постоянного, так и переменного токов.

Так, восстановление ванадия, наиболее электропо i = tн, Di (1) ложительного в системе CaF2—Al2O3—V2O5, лими тируется диффузией его ионов к катоду. Примерно где Di – коэффициент диффузии i-го иона.

равное количество восстановленного ванадия при Скорость (ток) i-го элемента при переходе через смене полярности свидетельствует о значительно межфазную поверхность в диффузионном режиме большей скорости массопереноса к поверхности в этих условиях равна плавящегося электрода, поскольку площадь его в 3—4 раза меньше, чем поверхность жидкой метал- Ci ii = niFDi лической ванны., tи Di Аналогичные результаты зафиксированы при переплаве на асимметричном токе в системе CaF2— где Ci – концентрация i-го элемента;

F – число Al2O3—Nb2O5. При этом взаимное движение жидкой Фарадея.

металлической пленки на торце расходуемого элек Чем короче импульс, тем ближе располагается трода и оксидно-фторидного расплава, вероятно, фронт диффузии к поверхности электрода, а сле резко ускоряет массообмен между фазами, что по довательно, выше скорость ii перехода элемента.

вышает предельную плотность тока, а непрерывное Во время паузы тока tп происходит релаксация обновление поверхности металла способствует сни выведенной из равновесия системы электрод—элек жению поляризации электрода.

тролит. С уменьшением tи и увеличением tп потен При переплаве на асимметричном токе степень циал электрода становится электроположительнее, электрохимического восстановления ванадия или что создает условия для более длительного разряда ниобия с вводом 25… 75 % постоянной составляю ионов. Пауза и обратный импульс способствуют щей в 1,5… 2,0 раза выше, чем на постоянном (рис. 2).

предупреждению пассивного состояния металла, Очевидно, дискретный характер асимметричного повышая тем самым значение тока для перехода тока позволяет при изменении длительности им легирующего элемента.

пульсов регулировать расстояние, на которое уда Увеличение степени восстановления ванадия ляется фронт диффузии разряжающихся ионов.

или ниобия из оксиднофторидного расплава проис В приэлектродной области образуется два диф ходит до следующих параметров асимметричного фузионных слоя: пульсирующий (вблизи электро тока: tи = 0,0025 с;

tп = 0,0075 с. В таких условиях да) и стационарный (более удаленный). Изменение зафиксированы максимальные концентрации вана концентрации ионов в пульсирующем слое проис дия и ниобия в металле (рис. 2) как при прямой (0,68 мас. % ванадия и 0,8 мас. % ниобия), так и разработана феноменологическая модель техноло при обратной полярности (0,78 мас. % ванадия и гического процесса, позволяющая корректировать 0,86 мас. % ниобия) тока. При сокращении длитель- электрический режим переплава в зависимости от ности импульса tи продолжительности паузы tп дос- содержания V2O5 или Nb2O5 в оксидно-фторидном таточно для установления стационарного диффу- расплаве с целью достижения заданной концент зионного потока. рации ванадия или ниобия в слитке металла (рис. 2, Определяя расстояние, на которое распростра- линии 5, 6).

няется фронт диффузии при tп = 0,0075 с по фор- При восстановлении, например 0,6 мас. % нио муле (1), а толщину стационарного диффузионного бия (рис. 2, в, штриховая линия 6), из флюса сос слоя – по зависимости тава 90 мас. % АНФ6 – 10 % мас. Nb2O5 (рис. 2, кривая 4) доля постоянной составляющей при пря D0,5 5+) мой полярности составляет 20 и 95 %. В случае за (Me Me5+ =, дания шага вариации концентрации Nb2O5 в шлаке 0,5 % программа для поддерживания постоянного получим условие равенства толщин пульсирующего химического состава по ниобию в слитке позволит и стационарного диффузионных слоев при зна- спрогнозировать изменение электрических парамет чении константы конвекции = 5,88 с—0,5.

Согласно ров технологического процесса. В данном случае, в данным работы [8], = 6,17 с—0,5 для аналогичных пределах уменьшения концентрации Nb2O5 в шлаке от 10 до 5 мас. % программа предлагает для сохра условий (диаметр расходуемого электрода 50 мм, нения концентрации по ниобию в наплавляемом скорость плавления металла 4 г/с), что близко к слитке 0,6 мас. % поддерживать электрические па полученному нами значению, т. е. время паузы раметры технологического процесса в диапазонах асимметричного тока 0,0075 с приблизительно рав 20… 55 и 77… 95 % доли постоянной составляющей но времени установления стационарного диффу- тока при прямой полярности. Применение постоян зионного потока. ного и особенно асимметричного тока в технологи С увеличением tп градиент концентрации в диф- ческом процессе усиливает электролизные явления фузионном слое уменьшается и, соответственно, по- и повышает содержание легирующего элемента в нижается скорость восстановления ванадия или ни- металле слитка ЭШП.

обия и их концентрации в металле (рис. 2). При Следует также отметить, что при электрошлако существенном уменьшении значения tи электролиз вом переплаве на различных электрических режи может прекратиться. Согласно работе [9], процесс мах можно осуществлять электрохимическое вос импульсного электролиза протекает лишь при ус становление одновременно нескольких легирующих ловии, когда длительность импульса превышает не элементов с близкими потенциалами процесса при которое минимальное критическое время для дан соответствующем подборе оптимальных физико-хи ного электролита tкр. Если tи tкр, то сопротивление мических свойств флюсов.

электролита резко возрастает, а количество актив ных ионов, характеризующихся избыточной энер 1. Патон Б. Е., Медовар Л. Б. Совершенствование элект гией и способностью к разряду, уменьшается. рошлакового переплава сталей и сплавов // Сталь. – Наибольшей толщины диффузионного слоя дос- 2008. – № 12. – С. 70—74.

тигают при постоянном токе. В таком случае мини- 2. Патон Б. Е., Медовар Л. Б. Электрошлаковому перепла ву 50 лет // Электрометаллургия. – 2008. – № 11. – мальному (в рассматриваемых условиях) градиенту С. 32—37.

концентрации соответствует меньшая степень вос- 3. Есин О. А., Гельд П. В. Физическая химия пирометал становления легирующего элемента. лургических процессов. – М.: Металлургия, 1966. – Ч.2. – 713 с.

На рис. 2 линия зависимости количества восста 4. Лепинских Б. М., Манаков А. И. Физическая химия ок навливаемого элемента от доли постоянной состав- сидных и оксифторидных расплавов. – М.: Наука, ляющей имеет два излома (при 25 и 75 % доли пос- 1977. – 180 с.

тоянной составляющей асимметричного тока). Это, 5. Лепинских Б. М, Истомин С. А. Электрохимическое ле гирование и модифицирование металла. – М.: Наука, по-видимому, связано с различными скоростями 1984. – 145 с.

протекания процессов, происходящих при перепла- 6. Cambell I. Fluid flow and droplet formation in the electros ве. Лимитирующим процессом на участке от 0 до lag remelting // J. of Metals. – 1970. – № 7. – P. 23—35.

25 % является отвод разрядившихся катионов от 7. Дамаскин Б. Б., Петрий О. А. Введение в электрохими поверхности раздела в металл, а на участке от 25 ческую кинетику. – М.: Высш. шк., 1975. – 388 с.

до 75 % – скорость разряда электроположительных 8. Шанчуров С. М. Разработка математической модели ионов. Свыше 75 % возникают поляризационные прогноза состава металла при электрошлаковом переплаве и сварке: Дис. … канд. техн. наук. – Свердловск: УПИ, явления, затрудняющие процесс электролиза. 1989. – 233 с.

Как следует из приведенного выше, применение 9. Товбин М. В., Товбин А. В. О механизме действия пос асимметричного тока позволяет повысить показате- тоянного тока на растворы электролитов // Укр. хим.

журн. – 1956. – 22, № 2. – С. 146—152.

ли электролиза при ЭШП. При этом количество восстановленного ванадия или ниобия в получаемом Ин-т металлургии УрО РАН, Екатеринбург слитке можно регулировать, изменяя электрические режимы переплава. Для решения этой задачи нами Поступила в редакцию 29.04. УДК 669.187.56.002. ПОЛУЧЕНИЕ РАСХОДУЕМЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ ТИТАНОВОЙ ГУБКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СЛИТКОВ СПОСОБАМИ ЭШП И ДШП Л. Б. Медовар, В. Я. Саенко, В. А. Рябинин Рассмотрены особенности и эффективность использования различных способов прессования титановой губки (хо лодное в глуходонной матрице, изостатическое в контейнере высокого давления, взрывом в металлической оболочке в специальной камере) при изготовлении расходуемых электродов для электро- и дугошлакового переплавов.

Peculiarities and effectiveness of use of different methods of pressing the spongy titanium (cold in a blind-bottom matrix, isostatic in a high-pressure container, explosion in a metal shell using a special chamber) in manufacture of consumable electrodes for electro- and arc-slag remelting are considered.

К л ю ч е в ы е с л о в а : электрошлаковый и дугошлаковый тролитический, металлический марганец, металли переплавы, губчатый прессованный электрод, изостатичес- ческий ванадий и алюминиево-молибденовую лигатуру.

кое прессование, прессование взрывом В результате исследований структуры и механи ческих свойств установлено, что однократная ЭШП Главным препятствием на пути к расширению и ис расходуемых прессованных электродов позволяет пользованию титана в отраслях народного хозяй получать технический титан и сплав ОТ4, по качес ства является его высокая стоимость. Это связано тву не уступающие металлу двойного ВДП.

прежде всего с особенностями технологии получе В процессе создания технологического процесса ния титановой губки, способом и трудоемкостью из выплавки слитков ДШП из титана и его сплавов в готовления из нее расходуемых электродов, слож бескамерных печах ЭШП [2—4] проведены специ ностью и энергоемкостью оборудования.

альные работы по оценке эффективности примене В настоящее время основным способом получе ния при ДШП прессованных электродов, получен ния слитков из титана и его сплавов является ваку ных различными способами. В лабораторных и умно-дуговой переплав (ВДП), предусматриваю опытно-промышленных условиях опробованы сле щий два передела. Для первого используют расхо дующие способы производства расходуемых элект дуемые электроды, полученные способом полуне родов из титановой губки:

прерывного прессования губки и скрапа в проход холодное прессование губки на лабораторном ную матрицу на мощных прессах. Также могут при гидравлическом прессе усилием 200 кН в глуходон меняться комбинированные электроды, изготовлен ные путем прессования брикетов с последующей их сваркой между собой. При производстве титановых сплавов в расходуемый электрод включают различ ные легирующие добавки. Процесс изготовления та ких электродов трудоемкий, дорогостоящий, для его реализации требуются специальные оборудова ние и оснастка.

Эффективность применения способов электрош лакового (ЭШП) и дугошлакового (ДШП) пере плавов для производства слитков из титана и его сплавов, как и других переплавных способов, во многом определяется и трудоемкостью изготовле ния расходуемых электродов. В работе [1] описано применение расходуемых электродов, прессован ных из титановой губки, и лигатуры для получения слитков ЭШП из технического титана и сплава ОТ4.

Для выплавки слитков диаметром 130 мм применяли круглые прессованные электроды диаметром 100 мм, а для плоских слитков сечением 175 75 мм – плоские прямоугольного сечения 45 135 мм. Электроды прессовали на вертикальном гидравлическом прессе с применением губки различных марок. В качестве легирующих добавок использовали алюминий элек- Рис. 1. Электроды из губчатого титана, полученные способом холодного прессования в матрице © Л. Б. МЕДОВАР, В. Я. САЕНКО, В. А. РЯБИНИН, Рис. 2. Установка холодного изостатического прессования: а – внешний вид;

б – схема;

1 – насос высокого давления;

2 – камера;

3 – титановая губка;

4 – эластичная оболочка;

5 – манометр;

6 – крышка ной матрице, в качестве которой применяли сталь- 160 МПа. Полученные расходуемые электроды ди ную трубу. После прессования трубу разрезали и аметром 150 и 400 мм (рис. 3) имели правильную полученные брикеты (диаметром 40… 80 мм) из- цилиндрическую форму. После прессования обо влекали из оболочки (рис. 1). Однако получить лочка легко отделялась от брикета. Плотность прес плотные брикеты, а также сварить их между собой сованного губчатого электрода была одинаковой по в один цельный электрод не удалось;

всему объему. Следует отметить, что в применяемой холодное изостатическое прессование. Для из- для прессования губчатых электродов эластичной готовления губчатых титановых электродов исполь- оболочке в процессе многократного использования зовали контейнер высокого давления для холодного появлялись микротрещины. Поэтому перед загруз изостатического прессования, применяемый на за- кой губки необходимо производить контроль обо воде «Днепроспецсталь» при производстве высоко- лочки на герметичность для исключения ее возмож легированной быстрорежущей стали. Общий вид ного разрыва и попадания рабочей жидкости в тело установки для холодного изостатического прессова- электрода при прессовании. Расходуемый электрод ди ния приведен на рис. 2. Отработку технологии прес- аметром 400 мм, полученный способом изостатического сования осуществляли с применением титановой прессования из губки ТГ-120, использовали для вып губки марки ТГ-ТВ, ТГ-120, находившейся в метал- лавки опытного слитка ДШП в кристаллизаторе се лической и эластичной оболочке*. Опробовано так- чением 565 565 мм с флюсовым затвором на печи же изостатическое прессование электродов из губки ЭШП-5ВГ. Внешний вид слитка показан на рис. 4;

с закладной стальной бобышкой для облегчения их прессование титановой губки осуществляли сварки с инвентарной головкой. Давление на прессе способом взрыва* в специальной камере в усло холодного изостатического прессования составляло виях опытного производства ИЭС им. Е. О. Патона.

Рис. 3. Электроды длиной 1450 мм, диаметром 400 мм (а, б) и длиной 380 мм, диаметром 150 мм (в, г), полученные способом изостатического прессования: а – губка ТГ-ТВ;

б – губка ТГ-120;

в – губка ТГ-ТВ;

г – губка ТГ- *В работе принимали участие С. С. Казаков, Ю. Г. Габуев, В. Н. Макогон (з-д «Днепроспецсталь»).

Рис. 4. Слиток из титана, выплавленный способом ДШП в крис таллизатор 565 мм Рис. 6. Слиток из титана, выплавленный способом ДШП в крис таллизатор 200 мм Процесс ДШП составного электрода из прессо ванной способом взрыва губки проходил стабильно.

Внешний вид торца электрода после окончания плавки (рис. 5) свидетельствует о равномерности плавления электрода. Слиток имел хорошую повер хность, покрытую тонким слоем гарнисажа (рис. 6).

Исследование содержания газов в электроде и слит ке показало, что в процессе ДШП прирост кисло рода составил всего 0,012, а азота – 0,003 %.

Результаты проведенных механических испыта ний показали, что литой металл слитка ДШП (в = = 490 МПА, т = 377 МПа, = 18 %, = 25 % – даны средние значения) соответствуют требованиям ГОСТ 23755—79 к прокату из металла ВТ1-0 ВДП толщиной 60… 150 мм (в 294 МПа, 10 %;

Рис. 5. Торец составного электрода диаметром 65 мм, получен остальные показатели не регламентируются).

ного способом взрыва после плавки в режиме ДШП Таким образом, расходуемые электроды, полу Титановую губку марки ТГ-120 помещали в металли- ченные из титановой губки путем изостатического ческую оболочку. После взрывной обработки оболочка прессования, а также прессования взрывом, отли отделялась от брикета. Брикеты, полученные способом чаются высокой технологичностью и могут быть эф взрыва, отличались высокой плотностью. Сварку таких фективно использованы для выплавки слитков ти брикетов при изготовлении составных расходуемых тана способами ЭШП и ДШП.

электродов проводили без особых затруднений.

Прессованные способом взрыва губчатые элект- 1. Свойства технического титана и сплавов типа ОТ4, полу ченных электрошлаковой плавкой / С. М. Гуревич, роды использовали для одностадийного производ В. П. Дидковский, Ю. К. Новиков и др. // Автомат.

ства слитков титана способом ДШП. Переплав про- сварка. – 1963. – № 4. – С. 29—33.

водили на установке Р-951 в кристаллизаторе сече- 2. Переплав губчатых титановых расходуемых электродов методами ЭШП и ДШП / Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, нием 200 200 мм, оснащенном флюсовым затво В. Я. Саенко и др. // Пробл. спец. электрометал ром. Для переплава использовали расходуемый лургии. – 1994. – № 3-4. – С. 7—11.

электрод, сваренный по длине из трех брикетов дли- 3. Arc-slag remelting of steel and alloys / B. I. Medovar, ной 300 мм и диаметром 65 мм каждый, собранных V. Ja. Saenko, G. M. Grigorenko et al. // Cambridge In ternational Science Publishing. – 1996. – P. 1—160.

в трехпалый пучок.

4. Arc-slag remelting – state- of-the-art and prospects of deve Составной электрод крепили к инвентарной го- lopment / B. E. Paton, V. Ja. Saenko, Yu. M. Pomarin et ловке диаметром 130 мм, проходящей через флю- al. // Proc. of Intern. symp. on ESR technology & equip ment (Kyiv, 15—17 May, 2001). – Kyiv, 2001. – P. 177—185.

совой затвор без нарушения герметизации плавиль ного пространства кристаллизатора. В качестве за Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев щитного газа использовали аргон, подаваемый под крышку флюсового затвора. Поступила в редакцию 08.07. *В работе принимали участие Л. А. Волгин, Л. С. Гаврилюк (ИЭС им. Е. О. Патона).

УДК 539.21:621.39. НАНОЧАСТИЦЫ МАГНЕТИТА, ПОЛУЧЕННЫЕ СПОСОБОМ КОНДЕНСАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКОВ В ВАКУУМЕ Ю. А. Курапов, Г. Г. Дидикин, С. М. Романенко, С. Е. Литвин Приведены результаты исследования структуры конденсатов, фазового состава и размеров наночастиц Fe3O4 в зависимости от температуры подложки при осаждении их из паровой фазы с использованием электронно-лучевой технологии испарения и конденсации в вакууме. Показана возможность получения стабилизированной коллоидной системы наночастиц магнетита Fe3O4. Исследовано распределение по размерам наночастиц Fe3O4 в водном растворе декстрана.

Results of investigation of structure of condensates, phase composition and sizes of nanoparticles Fe3O4 depending on temperature of substrate during their deposition from a vapor phase using electron beam technology of evaporation and condensation in vacuum are given. The feasibility of producing the stabilized colloid system of nanoparticles of magnetite Fe3O4 is shown. Distribution of nanoparticles of Fe3O4 in water solution of dextran was investigated.

К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевое испарение и частицы из-за небольших размеров находятся в осаждение;

наночастицы;

магнетит жидких средах в интенсивном тепловом движении.

Непокрытые металлические наночастицы агрегиру Прогресс в области нанотехнологий способствовал ют в водной среде. При введении в организм жи разработке наноматериалов для аэрокосмической, вотного они образуют тромбы сосудов, приводят к автомобильной и электронной отраслей промыш разрыву и некрозу тканей. Чтобы добиться агрега ленности. Перспективной областью применения на тивной стойкости, биосовместимости и снижения нотехнологий является также медицина. Больше токсичности, наночастицы стабилизируют.

всего изучены и применяются в электронике и ме Для создания адсорбционных слоев, препятству дицине наночастицы оксидов железа—магнетита ющих укрупнению частиц вследствие их слипания, (Fe3O4) и маггемита (-Fe2O3). Магнетит использу в коллоид вводят стабилизатор – поверхностно-ак ют для синтеза магнитных жидкостей и магнитных тивное вещество (ПАВ), в качестве которого, как лекарственных препаратов. В отличие от многих правило, используют вещества, состоящие из по металлов и их соединений, магнетит практически лярных органических молекул, создающих на по безвреден для организма человека. Впервые мето верхности дисперсных частиц адсорбционно-соль дику получения стабилизированного коллоидного ватные слои [6].

раствора магнетита предложил В. Элмор [1].

Согласно работе [7], коллоидные частицы маг Традиционно для приготовления наночастиц нитной жидкости являются агрегатами однодомен применяют химические способы [2]. Как правило, ных частиц. Агрегаты образуются из крупных час наночастицы производят путем смешивания водных тиц, имеющихся в магнитной жидкости, при отсут растворов солей соответствующих металлов с вос ствии магнитного поля [8, 9]. В стойких коллоидах становителями, при этом получают растворы, в ко размер частиц не превышает 10… 15 нм.

торых наряду с наночастицами присутствуют при меси ионов компонентов, участвующих в реакциях. Материалы и методика эксперимента. Наночасти Физические способы получения наночастиц поз- цы получали путем испарения и последующей кон воляют в большинстве случаев избавиться от пос- денсации смешанных молекулярных потоков маг торонних примесей, как при эрозионно-взрывных нетита Fe3O4 (или маггемита -Fe2O3) и соли NaCl способах [3, 4]. Однако их производительность не в вакуумной электронно-лучевой установке по ме может, по-видимому, конкурировать со способом тодике, описанной в работе [5]. Температура по молекулярных пучков, осуществляемым в элект верхности конденсации (стальной или медной под ронно-лучевых испарительных установках [5].

ложки) составляла 50… 200 °С. Конденсат, отделен В медицине магнетит используют в качестве дис ный от подложки, исследовали в исходном состо персной фазы в магнитных жидкостях. Дисперсные янии и в виде коллоидных водных систем.

© Ю. А. КУРАПОВ, Г. Г. ДИДИКИН, С. М. РОМАНЕНКО, С. Е. ЛИТВИН, зоне значений температуры 20… 650 °С. Структуру и химический состав конденсатов исследовали на растровом сканирующем электронном микроскопе «CamScan 4D» в режиме вторичных и упругоотра женных электронов и энергодисперсионной систе мы рентгеноспектрального микроанализа «INCA- Energy». Структуру и фазовый состав частиц ана лизировали методами просвечивающей электрон ной микроскопии на микроскопе «Hitachi H-800»

при ускоряющем напряжении 100 кВ. Распределе ние наночастиц по размерам в коллоидной системе определяли методом фотон-корреляционной спект Рис. 1. Кинетика окисления Fe (1), Fe3O4 (2) и Fe2O3 (3) на роскопии [10, 11] на лазерном корреляционном воздухе при нагреве и охлаждении спектрометре «Zeta Sizer-3» (фирма «Malvern», Ве ликобритания).

Кинетику окисления железа, магнетита и магге мита изучали в атмосферной среде с помощью тер Результаты исследований. Процессы окисления могравиметрического анализатора TGA7 («Perkin железной стружки, магнетита и маггемита на воз Elmer», США) чувствительностью до 0,1 мкг при духе с увеличением температуры исследовали тер скорости нагрева/охлаждения 10 °С/мин в диапа Рис. 2. Микроструктура (а—в) и рентгенограммы (г—е) наночастиц Fe3O4 в зависимости от температуры осаждения конденсатов, °С:

а, г – 30;

б, д – 100;

в, е – 220;

400000, уменьш. 1, Рис. 3. Изменение среднего размера частиц Fe3O4 в зависимости Рис. 4. Количественное (1) и объемное (2) распределения частиц от температуры подложки Tп;

A – размер частиц Fe3O в водном растворе декстрана могравиметрическим методом. На рис. 1 приведены кривые окисления этих материалов. Как видно, про- наночастиц с учетом их объема – максимумы при цесс окисления железа начинается при температуре 18 и 400 нм (рис. 4, кривая 2). Максимум при около 350 °С (рис.1, кривая 1). Образец магнетита нм свидетельствует о наличии крупных агрегатов, доокисляется, увеличивая свою массу, от температу- хотя количество их практически равно нулю, на что ры 340 °С и продолжает окисляться до 650 °С;

при указывает функция распределения частиц по количес охлаждении масса образца остается практически не- тву (рис. 4, кривая 1). Этими крупными агрегатами, изменной (рис. 1, кривая 2). Масса образца маггеми- по-видимому, могут быть отдельные комплексы, та, высшего оксида железа, в процессе нагрева на состоящие из молекул самого ПАВ.

воздухе до 650 °С и при последующем охлаждении Таким образом, синтез наночастиц магнетита спо практически не изменяется (рис. 1, кривая 3). собом конденсации молекулярных пучков в вакууме позволяет производить сухую медицин-скую субстан Маггемит в процессе нагрева и расплавления в цию, исключить обязательную операцию совмещения вакууме разлагается с выделением кислорода и по процесса синтеза со стабилизацией наночастиц при следующим переходом в магнетит. Процесс испаре приготовлении коллоидных систем. Этот способ дает ния магнетита в вакууме проходит стабильно, поэ возможность получать, консервировать, сохранять и тому исследованные конденсаты были получены транспортировать наночастицы. Последующая стаби при использовании магнетита.

лизация наночастиц при помощи ПАВ, в частности Изготовленный на подложке с градиентом тем декстраном, открывает перспективы приготовления пературы конденсат композиции Fe3O4 + NaCl из дисперсных растворов с заданной фракцией расп меняет свою окраску по мере увеличения темпера ределения магнетита для нужд медицины.

туры подложки от 50 до 200 °С от светло-коричневой до черной. Химическим анализом установлено при- 1. Elmore W. C. Ferromagnetic colloid for studing magnetic сутствие железа, натрия, хлора и кислорода, при structures // The Physical Review. – 1938. – 54, № 4. – P. 309.

этом массовые доли железа и кислорода отвечают 2. Бибик Е. Е., Бузунов О. Е. Достижения в области полу стехиометрическому составу Fe3O4. чения и применения магнитных жидкостей. – М.: ЦНИИ «Электроника», 1979. – 60 с.

В ходе исследования методом просвечивающей 3. Каплуненко В. Г., Косинов Н. В., Поляков Д. В. Получе электронной микроскопии взвеси частиц, получен- ние новых биогенных и биоцидных наноматериалов с по мощью эрозионно-взрывного диспергирования метал ных путем растворения конденсата в воде, зафик- лов// Сб. тр. по материалам науч.-практич. конф. с сировано присутствие наноразмерной субстанции междунар. участием. – Новосибирск, 2007. – С. 134— 137.

(рис. 2, а—в). Средний размер частиц возрастал от 4. Месяц Г. А., Баренгольц С. А. Сильноточная вакуумная 3… 4 до 15… 20 нм при увеличении температуры дуга как коллективный многоэктонный процесс // Докл.

РАН. – 2000. – 375, № 4. – С. 462-465.

подложки от 20 до 200 °С (рис. 3). По мере увели 5. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая нанотехнология и но чения размеров частиц дифракционные кольца ста- вые материалы в медицине – первые шаги // Вісник фармакології та фармації. – 2007. – № 12. – С. 5—13.

новятся четкими (рис. 2, г—е). Фазовый состав час 6. Нечаева О. А. Структурная организация магнитных кол тиц соответствует Fe3O4. лоидов в электрическом и магнитном полях: Дис. … канд.

Конденсат с наночастицами магнетита исследо- физ.-мат. наук. – Ставрополь, 2003. – 120 с.

7. Майоров М. М. Измерение вязкости феррожидкости в вали на предмет их стабилизации водным раствором магнитном поле // Магнитная гидродинамика. – декстрана. При растворении конденсата с частица- 1980. – № 4. – С. 11—18.

ми магнетита в воде наночастицы слипались в агре- 8. Krueger D. A. Theoretical estima tes of equilibrium chain Lenghts in Magnetic colloids // Colloid and Interfase Sci гаты и выпадали в осадок. В случае стабилизации ence. – 1979. – 70, № 3. – P. 558—563.

наночастиц декстраном некоторая доля частиц маг- 9. Krueger D. A. Review of agglomeration in ferrofluids // IEEE Transactions of Magnetics. – 1980. – 16, № 2. – нетита покрывалась адсорбционным слоем ПАВ и P. 251—256.

зависала в растворе, изменяя его окраску и проз- 10. Лазерная корреляционная спектроскопия и биология / А. Д. Лебедев, Ю. Н. Левчук, А. В. Ломакин, В. А. Нос рачность. Остальные частицы образовали агрегаты, кин. – Киев: Наук. думка, 1987. – 256 с.

выпадающие на дно сосуда [8, 9]. 11. Применение лазерной корреляционной спектроскопии для ЭФ биологических объектов в растворах / А. Д. Лебедев, На рис. 4 показано распределение по размерам А. В. Ломакин, В. А. Носкин и др. // Инструменталь наночастиц Fe3O4 в водном растворе декстрана (с ные методы в физиологии и биофизике. – Л.: Наука, 1987. – С. 90—95.

учетом соотношения количества), определенное с помощью фотонкорреляционной спектроскопии.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Количественная кривая распределения частиц име ла один максимум при 18 нм (рис. 4, кривая 1), а Поступила в редакцию 19.05. УДК 669.187.526:51.001. РАФИНИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ В. А. Березос, А. Г. Ерохин Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено со держание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичных постионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быть эффективным способом рафинирования кремния от примесей.

Experiment on silicon refining was made using the method of electron beam melting of impurities. The content of impurities was measured in samples of silicon before and after EBM in unit INA-3 by the method of mass spectrometry of secondary post-ionized neutral particles. It is shown that the electron beam remelting can be a rather effective method of silicon refining from impurities.

К л ю ч е в ы е с л о в а : кремний;

примеси;

рафинирование;

спрос в ближайшем будущем. Кроме того, при по электронно-лучевой переплав лучении поликристаллических кремниевых слитков путем плавления из отходов полупроводникового Для развития солнечной энергетики требуется соз кремния возникает проблема загрязнения расплава дание новых технологий производства кремния, примесями из материала тигля.

обеспечивающих радикальное снижение его стои Избежать этого можно за счет существенного мости. В настоящее время 80 % солнечных элемен улучшения качества кристаллического кремния, по тов как наземного, так и космического назначения лучаемого способом карботермического восстанов изготовляют на основе монокристаллического крем ления в электродуговых печах, который после пос ния. Более половины себестоимости монокристалла ледующей относительно простой и недорогой очист составляет стоимость кремниевого сырья – поли ки станет пригодным для изготовления солнечных кристаллического кремния высокой чистоты, про элементов. Исключение из цикла производства изведенного по технологии водородного восстанов кристаллического кремния хлорсиланового переде ления хлоридов кремния [1].

ла и водородного восстановления позволит сущес Полный цикл производства кремния, включая твенно уменьшить его стоимость.

получение поликремния, существует лишь в трех Среди всех современных способов специальной странах: США, Японии и Германии. Всего семь кор электрометаллургии электронно-лучевая плавка пораций из этих стран контролируют мировой ры (ЭЛП) является наиболее эффективным способом нок, что позволяет им держать цены и прибыль на рафинирования металлов, широко применяемых в довольно высоком уровне [2]. Поэтому другие стра исследовательской практике и промышленности ны крайне заинтересованы в собственном производ [3]. Традиционное использование технологии ЭЛП стве кремния.

с промежуточной емкостью при выплавке слитков Возрастающие потребности в фотоэлектричес обеспечивает удаление из металлов неметалличес ких преобразователях и модулях для солнечных ких включений, газов и примесей с высокой упру электростанций формируют неудовлетворенный гостью пара.

спрос на поликремний для их производства. Прог В литературе отсутствуют данные о попытках нозируемый дефицит на ближайшую перспективу рафинирования кремния способом ЭЛП.

колеблется от 5 до 15 тыс. т поликремния в год [2].

В данной работе использовали ЭЛП для рафини В этих условиях расширение мощностей по произ рования кристаллического кремния от примесей.

водству поликремния имеет хорошую экономичес Исследования проводили на электронно-луче кую перспективу.

вой установке УЭ-208 [3]. В качестве исходного В настоящее время в целях снижения стоимости материала использовали кристаллический кремний солнечных элементов при их изготовлении исполь марки Кр0 ГОСТ 2169-69, поставленный ООО зуются отходы полупроводникового кремния, кото «Солнечная энергетика» (г. Омск, Россия). С рые образуются при производстве изделий микро целью предотвращения загрязнения расплава крем электроники. Однако количество таких отходов ог ния в ходе экспериментальных плавок изготовили раничено и не сможет удовлетворить растущий двухсекционную промежуточную емкость, сливной © В. А. БЕРЕЗОС, А. Г. ЕРОХИН, Рис. 2. Процесс плавления кремния в электронно-лучевой уста новке УЭ- расплавленной являлась некоторая небольшая часть образца. Такая расплавленная зона передвига лась по образцу с помощью электронно-лучевого нагрева, что приводило к перераспределению примесей между твердой и жидкой фазами.

Суммарная мощность электронно-лучевого на грева составляла 50 кВт. Поскольку у большинства примесей растворимость в жидкой фазе выше, чем в твердой [4], то в зоне кристаллизации примеси в жидком состоянии перемещались в торец слитка, где затем находились в твердом состоянии до окон чания формирования слитка в изложнице. Осты вание слитка производилось в вакууме, после чего он извлекался из кварцевой изложницы. Загрязнен Рис. 1. Двухсекционная промежуточная емкость (1), сливной лоток (2) и изложница (3) из кварцевого стекла (а) и кварцевого ный примесями торец слитка отрезали. Из цент стекла в графитовой форме (б) ральной части полученного слитка отобрали образ цы для количественного элементного анализа.

лоток и изложницу из кварцевого стекла, в которых С этой целью изготовляли образцы с плоской происходил процесс плавления, рафинирования и областью исследования диаметром 15 мм и шерохо кристаллизации (рис. 1, а). Кварцевую двухсек ватостью поверхности не более 0,2 мм. Попытки ционную промежуточную емкость, сливной лоток и изготовить сколы с необходимыми параметрами для изложницу помещали в графитовую форму (рис. 1, б).

измерений были неудачными. Поскольку материал Во время экспериментов кремний сплавлялся в представляет собой поликристалл, его скол отлича кварцевую двухсекционную промежуточную ем ется развитой поверхностью с неоднородностями на кость электронными лучами, а расплав поддержи- уровне 0,5… 1,0 мм. В неоднородностях скапливаются вался в жидком состоянии (рис. 2). примеси, которые при измерениях вносят значительные Рафинирование кремния в процессе плавки про- погрешности. Поэтому для получения ровной поверх исходило в трех зонах: в первой секции промежу- ности перед проведением анализа образцы подвергались точной емкости – путем осаждения включений вы- сухой механической шлифовке с последующим трав лением анализируемой поверхности.

сокой плотности (таких как карбид кремния), во Измерения образцов кремния до и после ЭЛП второй секции – за счет испарения примесных эле проводили на установке INA-3 (Leybold-Hearues, ментов с высокой упругостью пара и в кварцевой Германия) методом масс-спектрометрии вторичных изложнице – путем зонной очистки от примесей с постионизированных нейтральных частиц (МСВНЧ) различной растворимостью в твердой и жидкой фазах.

После выдержки расплава при температуре при- при следующих параметрах измерения:

уровень вакуума – 5 10—3 Па;

мерно 1500 °С в течение 10 мин в кварцевой двух секционной промежуточной емкости производили область распыления плазмы – диаметр 8 мм;

слив через сливной кварцевый лоток в изложницу область сканирования ионного пучка – 2 2 мм;

из кварцевого стекла, где происходила кристалли- энергия первичных ионов – 1,5 кэВ;

зация расплава кремния. Во время формирования первичный ионный ток – 1 мA;

слитка по поверхности кристаллизующегося рас- рабочий газ – аргон 99,998, %;

плава производили медленное сканирование элект- глубина области анализа – 0,8… 1,5 мкм;

ронным лучом в одном направлении вдоль большей диапазон исследованных масс – 1,6610—24… стороны кварцевой изложницы со скоростью … 3,3210—22 г;

движения жидкого расплава v = 5 мм/мин. Скани масс- разрешение – 4,9810 (лучше 9,910—25 г);

— рование осуществляли от левого борта кварцевой чувствительность – не более 210—6 %.

изложницы к правому, причем при достижении пос Типичный вид спектра образца после ЭЛП при леднего луч резко возвращался к противоположно веден на рис. 3.

му краю, в результате чего в каждый момент времени Сэлп – массовая доля примесей в материале после ЭЛП, %.

Анализ химического состава выплавленных слитков показал, что в процессе ЭЛП происходит рафинирование кремния от газов и металлических примесей. Для большинства примесей в кремнии характерны очень низкие значения эффективного коэффициента распределения (Al – 2,810—3, Ti – 210—6, Fe – 6,410—6) [5], поэтому при кристалли зации они переходили из твердой фазы кристалли зующегося слитка в жидкую зону расплава, пере мещаемую электронно-лучевым нагревом на торец слитка. Из этого следует, что кристаллизацию мож но использовать в качестве эффективного способа очистки кремния при ЭЛП. Бор, у которого давле ние паров меньше, чем у кремния, и коэффициент распределения составляет 0,8, практически не уда лялся. Благодаря высокой температуре процесса ра финирования и наличию вакуума содержание фосфо ра и алюминия уменьшилось в ходе ЭЛП в два, мышь яка – в четыре, кальция – в семь, магния – в девять раз.

Таким образом, процесс ЭЛП может быть эф фективным способом рафинирования кремния от примесей.

Рис. 3. МСВНЧ спектра образца после ЭЛП;

I – интенсивность;

m – атомная масса элементов Выводы 1. Предложено использовать электронно-лучевую Содержание примесей в кристаллическом кремнии Кр плавку для улучшения качества кристаллического до и после ЭЛП кремния.

Сэф, % Массовая доля примесей, % 2. Разработана конструкция двухсекционной Элемент промежуточной емкости из кварцевого стекла для Сисх Сэлп плавки и рафинирования кремния способом ЭЛП.

— 4,210— B 4, 3. Установлено, что для рафинирования крем —4 — Mg 910 ния при ЭЛП дополнительно использовали меха Al 0,30 0,16 47 низм зонной очистки.

—4 — P 1810 910 4. Определено, что при переплаве кремния спо собом ЭЛП происходит эффективное удаление та Ca 0,11 0,015 3,110—2 2,510—2 ких примесей, как магний, алюминий, фосфор, Ti кальций, мышьяк и др.

8,410—3 7,410— Cr 5. Показана необходимость продолжения иссле —2 — Mn 1,110 0, дований по интенсификации процессов удаления Fe 0,62 0,49 бора, углерода, никеля, меди из кремния при ЭЛП.

8,210—3 7,610— Ni 9,710—3 9,610— Cu 1 1. Полупроводниковый кремний: Теория, технология произ водства / Ю. Н. Таран, В. З. Куцова, И. Ф. Червоный и —5 — As 3,410 0,810 др. – Запорожье: ЗГИА, 2004. – 344 с.

2. Наумов А. В. Производство фотоэлектрических преобра зователей и рынок кремниевого сырья в 2006—2010 гг. // Технология и конструирование в электронной аппарату При расчетах концентраций использовались коэф- ре. – 2006. – № 4. – С. 3—8.

3. Электронно-лучевая плавка / Б. Е. Патон, Н. П. Тригуб, фициенты элементной чувствительности стандартной Д. А. Козлитин и др. – Киев: Наук. думка, 1997. – 265 с.

программы обработки данных установки INA-3. 4. Зонная плавка / Под ред. В. Н. Вигдоровича: Сб. науч.

Результаты элементного анализа примесей при- тр. – М.: Мир, 1970. – 366 с.

5. Способы получения особо чистых неорганических веществ / ведены в таблице. Эффективность рафинирования Б. Д. Степин, И. Г. Горштейн, Г. З. Блюм и др. – Л.:

определяли по следующей формуле: Химия, 1969. – 480 с.

Cэф = (Cисх — CЭЛП) 100 Cисх, Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАНУ, Киев Поступила 06.04 где Сэф – эффективность рафинирования, %;

Сисх – массовая доля примесей в исходном материале, %;

УДК 669.187. ПОЛУЧЕНИЕ БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВОВ СПОСОБОМ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПРИ ИПСК В. А. Шаповалов, И. В. Шейко, Ю. А. Никитенко Исследован процесс получения быстрозакаленных высокореакционных и высокотемпературных сплавов способом диспергирования расплава при индукционной плавке в секционном кристаллизаторе. Отработаны технологии плавки и диспергирования, получены основные закономерности. Исследовано качество быстрозакаленных сплавов.

Process of producing the rapidly hardened highly-reactive and high-temperature alloys by the method of melt dispersion during induction melting in a sectional mould was investigated. Technologies of melting and dispersion were optimized and main regularities were obtained. The quality of rapidly hardened alloys was examined.

К л ю ч е в ы е с л о в а : диспергирование;

секционный крис- Наиболее производительными способами изго таллизатор;

высокореакционные сплавы;

металлический рас товления металлов и сплавов с аморфной и микрок плав;


диск-холодильник;

быстрозакаленные чешуйки ристаллической структурой являются способы сверх быстрой закалки из жидкого состояния. Широко Практически во всех отраслях промышленности ши распространен способ экстракции (диспергирова рокое применение находят сплавы с аморфной, на ния) из расплава быстрозакаленного металла вра но- и микрокристаллической структурами металли щающимся диском-холодильником (рис. 1) [1]. В ческие. В каждом из направлений ставятся свои за результате получают продукцию в виде чешуек, иго дачи и требования как к чистоте продукции, так и лок, коротких лент.

к форме получаемых изделий. Достаточно объем Для накопления объема расплава используют ке ные слитки с аморфной структурой изготовляют рамический тигель с резистивным или индукцион только для определенных систем, не всегда имеющих ным нагревом. Поскольку экстракцию выполняют применение. Основную массу сплавов получают в сверху, то организовать подпитку ванны и стабиль виде покрытий с аморфной или микрокристалли ный уровень расплава осуществить достаточно ческой структурой или изделий, имеющих хотя бы сложно, обычно это компенсируют за счет большого один микроразмер (лента, провод, чешуйки, порошок).

поперечного сечения тигля.

Снижение уровня расплава при экстракции ни же какого-то критического размера приводит к по паданию расплава на стенки тигля, а не в накопи тельный бункер. Это приводит к кратковременности процесса, применение керамического тигля также накладывает ограничения на обрабатываемые сос тавы сплавов. Взаимодействие расплава с керами ческим тиглем способствует его загрязнению неме таллическими соединениями, что делает практичес ки невозможным обработку сплавов, содержащих высокореакционные металлы.

В настоящее время возник интерес к получению сплавов с аморфной и микрокристаллической структурой с более высокой температурой плавле ния и реакционной активностью, для которых плав Рис. 1. Традиционная технология диспергирования (экстракции) ка в керамическом тигле уже недопустима. К ним расплава из керамического тигля © В. А. ШАПОВАЛОВ, И. В. ШЕЙКО, Ю. А. НИКИТЕНКО, Т а б л и ц а 1. Диспергирование при ИПСК Массовая доля элементов, % Марка сплава Fe Al Ni Cr Ti Mn Tпл, °С 0,3 Основа Cu = 4,2 — Mg = 1,6 0,7 Д Mo = 2,4 1,06 Основа 31,6 W = 4,4 0,3 ЭП — — »» — 49,1 — Нитинол 0,2 — — — Основа — ВТ1- Основа — Nd = 33,8 — B = 0,9 — Nd—Fe—B 7,50 Основа — W = 3,6 — Mo = 13, RSR относятся сплавы, содержащие титан, цирконий, хром и др. Кроме того, существует проблема умень шения неметаллических включений в специальных сплавах для электронной и авиакосмической отрас лей промышленности. Для решения поставленной задачи необходимо создание технологических про цессов, максимально защищающих расплав от кон такта с инородными материалами.

В ИЭС им. Е. О. Патона создана лабораторная установка для получения быстрозакаленных метал лов и сплавов на базе существующей установки для индукционной плавки в секционном кристаллиза торе (ИПСК) с диаметром кристаллизатора 68 мм (рис. 2) [2, 3].

Особенностью реализации процесса диспергиро вания стало использование при индукционной плав- Рис. 2. Схема диспергирования при ИПСК: 1 – диск-холодиль ник;

2 – быстрозакаленные чешуйки;

3 – расплав;

4 – рас ке эффекта отжатия расплава от стенок тигля. В ходуемая заготовка;

5 – индуктор;

6 – секционный кристал процессе плавления металлический расплав отдав- лизатор ливается от стенок секционного кристаллизатора дили на диске с газовым охлаждением, показавшем под действием электромагнитных сил, обусловлен удовлетворительную работоспособность [4].

ных взаимодействием токов, протекающих в секци Для проведения экспериментов выбраны опыт ях кристаллизатора, и токов, индуцируемых в по ные сплавы, которые сложно, а иногда и невозмож верхностном слое расплава.

но, получать с помощью существующих технологий.

В результате расплав не имеет контакта со стен В первую очередь это касается сплавов, содержа ками кристаллизатора, а ванна своей основой опи щих высокореакционные элементы, сплавы с высо рается на расходуемую заготовку. Отжатие распла кой температурой плавления, а также модельные ва и непрерывная подача заготовки снизу приводит сплавы (табл. 1).

к поднятию уровня ванны выше индуктора и крис Исследования показали, что на форму поверх таллизатора, что дает возможность осуществлять ности ванны расплава, отжимающегося от стенок процесс диспергирования без препятствий.

кристаллизатора, влияет мощность и частота тока Такой способ плавки и диспергирования пол высокочастотного генератора. В отличие от класси ностью исключает возможность взаимодействия ческого ИПСК, для осуществления процесса диспер расплава с любыми инородными материалами. Так же в процессе плавки возможно рафинирование расплава путем выдержки металла в жидком сос тоянии, его перемешивания и ис пользования активных шлаков.

При проектировании модуля для диспергирования рассматри вались три следующих варианта:

без охлаждения, с охлаждением проточной водой и газовым охлаж дением. Первые два не нашли при менения из-за технологических трудностей при эксплуатации, по Рис. 3. Отжатая часть металлической ванны в секционном кристаллизаторе (а) и ее этому последующие опыты прово- температура (б) в зависимости от частоты тока, кГц: 1 – 2,5;

2 – 8;

3 – Т а б л и ц а 2. Перераспределение тепла в элементах обо рудования Qинд Qр Qкр Qк Qс Сплав % кВт Д-16 35… 40 17… 18 70… 75 3… 5 20… ВТ1-0 36… 39 80… 82 1… 2 16… 84… сическим ИПСК. Передача энергии электромагнит ного поля, создаваемого током индуктора при ИП СК, происходит по более сложной схеме, чем обыч ная индукционная плавка.

Тепловая энергия, выделившаяся в металличес кой ванне, составляет лишь часть электрической Рис. 4. Потери тепла из расплава при ИПСК энергии, подведенной к индуктору Qинд. Значитель гирования необходимо создание условий для под- ная ее часть теряется в секционном кристаллизаторе нятия уровня расплава над секционным кристалли- и индукторе в результате протекания электрическо затором. В результате дей-ствия электромагнитного по- го тока в указанных элементах. Проведенные опыты ля в расплаве возникает интенсивное перемешивание, показали, что потери в самом индукторе составляют приводящее к усреднению состава и температуры. 16… 17 % мощности.

В ходе исследований установлено, что при час- Суммарные потери в секционном кристаллиза тоте тока 66 кГц и плавке сплава ВТ1-0 ванна рас- торе являются суммой электрических потерь на пе плава достигает максимального объема и оптималь- редачу энергии и тепла от расплава к стенкам крис ной формы – купола (рис. 3). Уменьшение частоты таллизатора, составляющих около 50 % общей мощ способствует образованию конусообразной формы ности. Исследование теплового и электрического купола, усложняющего процесс перемешивания и, состояния плавильного модуля показало, что в рас как следствие, охлаждения верхней части расплава, плаве выделяется около 50 % мощности индуктора.

что негативно отражается на диспергировании. Перераспределение теплоты, выделившейся в рас Установлено, что для обеспечения процесса дис- плаве Qр, осуществляется между стенками кристал пергирования высота купола h над секционным лизатора Qкр, потерями в глубь расходуемой заго кристаллизатором должна составлять (0,2… 0,3) D товки Qс, конвективного и лучистого теплообмена кристаллизатора (около 10… 18 мм). Повышение с атмосферой камеры Qк (рис. 4). Исследования высоты выпуклого мениска приводило к простран- показали незначительное перераспределение тепла ственной нестабильности положения купола, нару- в элементах оборудования, по сравнению с класси шающей процесс диспергирования. Минимальная ческим ИПСК (табл. 2). За счет поднятия уровня высота купола h, при которой заканчивают про- расплава над уровнем кристаллизатора на 1… 3 % уве цесс диспергирования, составляет (0,1) D кристал- личились потери в окружающую атмосферу камеры.

лизатора, что равняется 5… 6 мм. Поскольку про- Особенно сложно осуществить диспергирование цесс диспергирования происходит непрерывно или сплавов, в состав которых входят высокоактивные циклически в зависимости от сплава, скорость по- элементы, образующие на поверхности металличес дачи заготовки регулируется от 0 до 10 мм/мин. кой ванны плотную пленку. Наличие пленки в зна Тепловые режимы работы оборудования в соз- чительной мере усложняет, а иногда делает невоз дании технологии имеют решающее значение, влияя можным ведение процесса диспергирования, пос на технологию процесса, экономичность и конструк- кольку она предотвращает прямой контакт метал цию основных узлов печи. Таким образом, возникла лического расплава с рабочей дорожкой диска-хо необходимость их исследования и сравнения с клас- лодильника.

Рис. 5. Общий вид чешуек, полученных диспергированием при ИПСК: а – ВТ1-0;

б – Ni-Ti;

в – RSR В результате исследований предложен под ход для решения технологической про-блемы очистки поверхности расплава Nd—Fe—B от плен ки оксидов с помощью разработанных легкоп лавких шлаковых систем на основе фторидов:

лития, калия и магния. Для устранения ок сидной пленки на поверхности металлической ванны во время диспергирования жаро прочного сплава ЭП 648 и нитинола (Ni—Тi) Рис. 6. Микроструктура сечения быстрозакаленных чешуек: а – Д16;

б – ВТ1- предложено использование гидрида титана.

Рис. 7. Рентгенограммы образцов чешуек, полученных при ИПСК: а – Д16;

б – Nd—Fe—B;

I — интенсивность ленных сплавов системы Nd—Fe—B, а также опреде Изучение технологических особенностей плавки ление средних размеров кристаллитов.

и диспергирования расплава при ИПСК позволило В ходе металлографических исследований не ус получать чешуйки из указанных сплавов (рис. 5).

тановлено загрязнение металла посторонними приме Скорость получения чешуек составляет, г/ч: для Д16 140… 180, для Nd—Fe—B 300… 350, для RSR сями и неметаллическими включениями.


440… 450, Ni—Ti 500… 550, ВТ1-0 230… 300. Сверхбыстрая закалка положительно повлияла на функциональные параметры материалов. При В результате диспергирования получены чешуй изготовлении упругих элементов из прессованого ки длиной 5… 10 мм, шириной 1… 2 мм и толщиной нитинола (сплава с эффектом «памяти» формы) ра 15… 50 мкм. Структура чешуек имеет мелкокрис бочая цикличность повысилась почти на 40 %.

таллическое строение (рис. 6), которое объясняется Испытание опытных образцов постоянных маг химическим составом обрабатываемых сплавов, нитов, изготовленных из молотых и спеченных че т. е. отсутствием элементов – аморфизаторов.

шуек Nd—Fe—B, показало, что уровень их коэрци Изучение структуры быстрозакаленных чешуек тивной силы увеличился более чем в два раза, по Д16 показало наличие микрокристаллической сравнению с показателями магнитов, полученных структуры с присутствием небольшого количества по традиционной технологии.

аморфной фазы. Основу полученных образцов сос тавляет алюминий. Кроме того, присутствуют 1. http://www.ifam- dd.fraunhofer.de/fhg/ifam_dd/EN/ge Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg и более сложные соедине- biete/faser/schmelz/index.jsp Dresden branch lab powder ния типа Al5Cu6Mg2 (рис. 7, а). metallurgy and composite materials of the fraunhofer institu te for manufacturing and advanced materials (IFAM).

В процессе исследования чешуек Nd—Fe—B уста- 2. Никитенко Ю. А., Шаповалов В. А., Шейко И. В. Полу новлено, что в системе непосредственно после сверх- чение аморфных металлов методами специальной электро металлургии // Современное материаловедение: дости быстрой закалки из расплава также существует жения и проблемы: MMS-2005: Матер. междунар. конф.

аморфно-кристаллическая структура, вмещающая (Киев, сент. 2005 г.). – Киев: ИПМ им. И. Н. Франце вича, 2005. – С. 650—651.

вместе с аморфной составляющей (около 23 %) 3. Получение быстрозакаленных металлических материалов кристаллические фазы Nd2Fe14B (рис. 7, б). с применением процесса индукционной плавки в секцион В системе Nd—Fe—B возможно формирование ном кристаллизаторе / Б. Е. Патон, Ю. В. Латаш, И. В. Шейко и др. // Пробл. спец. электрометал множества равновесных и неравновесных фаз. Из- лургии. – 1993. – № 2. – С. 50—55.

за неполной симметрии их решетки, а также боль- 4. Шаповалов В. А., Шейко И. В., Никитенко Ю. А. Неко торые особенности создания устройств для диспергирова ших значений ее периодов на рентгенограммах этих ния металлического расплава // Современ. электроме фаз присутствует большое количество дифракцион- таллургия. – 2009. – № 2. – С. 35—38.

ных пиков. Кроме того, интенсивность данных ли ний мала и многие из них смещены. Все это чрез- Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев вычайно усложняет фазовый анализ быстрозака- Поступила 01.07. УДК 669.187. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ПОЛЯ ИНДУКТОРА НА КОЭФФИЦИЕНТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСИ В КРЕМНИИ С. Г. Егоров, И. Ф. Червоный, Р. Н. Воляр Исследован процесс выращивания монокристаллов кремния способом индукционной бестигельной зонной плавки с применением подогревающего индуктора. При помощи математического моделирования установлены параметры электромагнитного поля подогревающего индуктора и определены условия, при которых электромагнитное поле подогревающего индуктора оказывает влияние на условия выращивания монокристаллов.

Process of growing single crystals of silicon by the method of induction crucible-free zonal melting with use of preheating inductor was investigated. Using the mathematical modeling, the parameters of electromagnetic field of phreheating inductor were established and conditions, at which the electromagnetic field of preheating inductor has an influence on the conditions of single crystal growing, were defined.

К л ю ч е в ы е с л о в а : бестигельная зонная плавка, по- плавки составляет 2,8 МГц. Однако для обеспече догревающий индуктор, электромагнитное поле, эффектив ния оптимальных тепловых условий выращивания ный коэффициент распределения примеси монокристалла частоту тока подогревающего индукто ра необходимо снижать [3], поскольку проникающая Введение. Для улучшения условий охлаждения способность электромагнитного поля при этом возрас выращиваемого монокристалла кремния способом тает.

бестигельной зонной плавки применяют подогрева ющий индуктор [1, 2]. Значение тока, подаваемого Цель. Исследовали электромагнитное поле подогре на подогревающий индуктор, меньше поступающе вающего индуктора при выращивании монокристал го на плавильный индуктор в 5… 17 раз. Как лов кремния способом индукционной бестигельной правило, частота тока подогревающего индуктора зонной плавки и его влияние на диффузионный слой совпадает с таковой тока плавильного индуктора и вблизи фронта кристаллизации, а также эффектив при выращивании монокристаллов кремния большо ный коэффициент распределения примеси.

го диаметра (75 мм) способом бестигельной зонной Основная часть. Подогревающий индуктор обеспе чивает подогрев монокристаллов кремния, являю щегося диэлектрическим материалом. Глубину про никновения тока в диэлектрический материал можно определить по следующему уравнению [4]:

1 (1) =, тв + — 2f 2 2f где тв – электропроводность твердого кремния, (Омм)—1;

– магнитная проницаемость вещества, 12,5610—7 Гн/м;

f – частота электромагнитного поля, Гц;

– диэлектрическая проницаемость ве щества, = Si0 = 1,0610—10 Ф/м;

Si – относительная Рис. 1. Геометрическая схема математической модели с нанесен диэлектрическая проницаемость кремния, Si = 12;

ной сеткой конечных элементов: 1 – исходный поликристалли 0 – диэлектрическая постоянная, 0 = 8,8510—12 Ф/м.

ческий стержень;

2 – зона расплава;

3 – фронт плавления;

4 – фронт кристаллизации;

5 – монокристалл;

6 – витки подогревающего индуктора;

7 – плавильный индуктор © С. Г. ЕГОРОВ, И. Ф. ЧЕРВОНЫЙ, Р. Н. ВОЛЯР, Для уменьшения радиального градиен та температуры необходимо обеспечить прогрев большей части выращиваемого монокристалла за счет увеличения про никновения электромагнитного поля. Вы полнить эту задачу можно путем снижения частоты тока подогревающего индуктора.

Однако для создания оптимальных тепловых условий выращивания монок ристалла требуется максимум объемной удельной мощности, зафиксированный при отношении диаметра монокристалла к глубине проникновения тока dкр/ = 3, [4]. Поэтому для диаметра монокристал ла dкр = 150 мм значение составляет 42,86 мм. Рис. 2. Электромагнитное поле подогревающего индуктора при различных час Для обеспечения заданной глубины проник- тотах. Здесь и на рис. 3, 5: а – fпод = fпл = 2,8 МГц;

б – fпод = fр = 2,35 кГц;

новения частота электромагнитного поля контурные линии соответствуют напряженности электрического поля (В/м) плавильного индуктора, а длина стрелок пропорциональна магнитному полю согласно формуле (1) должна составлять fр (А/м) подогревающего индуктора) 2,35 кГц (fр – расчетная частота тока).

Для расчета температурного градиента в выра Физические свойства материалов щиваемом монокристалле и его зависимости от час Твердый Расплав тоты тока подогревающего индуктора необходимо Параметр Медь Аргон кремний кремния рассчитать электромагнитное поле, генерируемое 5,0104 1,2106 5,99107 — подогревающим индуктором при разных частотах. Электропроводность, — С целью изучения электромагнитного поля по- (Омм) догревающего индуктора построили математичес- 12,1 1,0 1,0 1, Относительная диэлект кую модель, в основе которой лежат уравнения рическая проницаемость Максвелла: 2330 2530 8950 1, Плотность, кг/м 22 67 400 0, Коэффициент тепло E = — B t, (2) проводности, Вт/(мК) B = 0 j, 703 1000 385 Теплоемкость, B = 0, Дж/(кгК) j = E, где E – напряженность электрического поля, В/м;

B – магнитная индукция, Тл;

j – плотность элек электромагнитного поля подогревающего индукто трического тока, А/м2.

ра, осуществляли по следующей формуле [5]:

Решение системы (2) осуществляли путем вве дения электрического ф и векторного магнитного A Q = 2 f E2 0 tg, потенциалов:

где tg – тангенс угла поглощения. Принимаем E = — ф — A t, tg = 1.

B=A. Для решения поставленной задачи применяли математический пакет «Femlab», реализующий ме Расчет мощности, выделяемой в единице объема тод конечных элементов. Схема математической мо выращиваемого монокристалла при воздействии дели представлена на рис. 1.

Рис. 3. Распределение индукции B магнитного поля подогревающего индуктора вблизи фронта кристаллизации;

Rкр – радиус монокристалла Рис. 4. Скорость движения расплава вблизи фронта кристалли зации при выращивании монокристаллов кремния диаметром Рис. 6. Расчетное значение эффективного коэффициента рас 76 мм способом индукционной бестигельной зонной плавки пределения примеси на фронте кристаллизации: 1 – f = 2, МГц;

2 – f = 2,35 кГц В рассматриваемой области находятся плавиль тическая вязкость расплава, для расплава кремния ный индуктор и элементы подогревающего индук = 3,510—7 м2/с [6];

Re – критерий Рейнольдса.

тора (рабочая среда – аргон), выращиваемый мо нокристалл и зона расплава. Ток плавильного ин Rкр (5) дуктора и его частота в расчетах имели следующие Re =, vp значения: Iпл = 1700 А и fпл = 2,8 МГц. Отношение тока плавильного индуктора к току подогревающего где vр – скорость потоков расплава, м/с.

составляло Iпл/Iпод = 5 [1, 2]. Частоту тока подогре Распределение скорости движения потоков рас вающего индуктора принимали равной fпод = fр. Фи плава вблизи фронта кристаллизации показано на зические свойства рассматриваемых материалов рис. 4 [9]. Резкое падение скорости движения рас приведены в таблице [6, 7].

плава в средней части объясняется наличием в зоне Рассчитано электромагнитное поле подогреваю расплава двух конвекционных ячеек, вращающихся щего индуктора (рис. 2), а также распределение его в противоположные стороны. Именно в области их магнитной индукции вблизи фронта кристалли встречи скорость движения расплава уменьшается.

зации для различных значений рабочей частоты то Результаты расчетов, выполненных по форму ка (рис. 3).

лам (3)—(5), представлены на рис. 5. При снижении Согласно работе [8], влияние электромагнитного рабочей частоты тока подогревающего индуктора поля на толщину диффузионного слоя можно оце увеличиваются степень проникновения электромаг нить по следующему выражению:

нитного поля в зону расплава и его воздействие на диффузионный слой. Это способствует увеличению В (3) Ha =, толщины диффузионного слоя (рис. 5, а).

Re Влияние изменения толщины диффузионного где В – толщина диффузионного слоя при наличии слоя на эффективный коэффициент распределения электромагнитного поля, м;

– толщина диффу- примеси kэф на фронте кристаллизации определяли по следующей формуле [10]:

зионного слоя без электромагнитного поля, м;

Hа – критерий Гартмана k kэф =, k0 = (1 — k0) exp (—f в D) р (4) H a = BRкр, где k0 – равновесный коэффициент распределения где Rкр – радиус монокристалла, м;

р – элект- примеси, k0 = 0,35;

vкр – скорость выращивания монокристалла, f = 510—5 м/с (3 мм/мин);

D – ропроводность расплава, для расплава кремния р = коэффициент диффузии, D = 110—8 м2/c.

= 1,23106 Омм [6];

– плотность расплава, для расплава кремния = 2530 кг/м3 [6];

– кинема- Изменение толщины диффузионного слоя на фронте кристаллизации под воздействием электро магнитного поля влияет на значение эффек тивного коэффициента распределения приме си (рис. 6). В случае равенства рабочей час тоты тока подогревающего и плавильного ин дукторов электромагнитное поле не оказыва ет влияния на эффективный коэффициент распределения примеси (рис. 6, кривая 1). При снижении рабочей частоты тока до уровня fр обнаружено неравномерное распределение эффективного коэффициента распределения примеси вдоль радиуса монокристалла Рис. 5. Изменение толщины диффузионного слоя на фронте кристалли- (рис. 6, кривая 2). Это дает возможность уп равлять степенью очистки монокристаллов зации при воздействии электромагнитного поля докл. 4-й междунар. науч.-техн. конф. (Харьков, 19— кремния от примесей при выращивании их способом мая 2003 г.) – Харьков, 2003. – С. 320—323.

индукционной бестигельной зонной плавки. 4. Глуханов Н. П. Физические основы высокочастотного нагрева. – Л.: Машиностроение, 1979. – 64 с.

5. Высокочастотная электротермия: Справочник / Под Выводы ред. А. В. Донского. – М.: Машиностроение, 1965. – 564 с.

1. Проведенные исследования показали, что сниже 6. Numerical study of transient behavior of molten zone during ние частоты тока подогревающего индуктора дает industrial FZ process for large silicon crystal growth // J.

Cryst. Growth. – 2004. – V. 266. – P. 54—59.

возможность контролировать толщину диффузион 7. Interface shape, heat transfer and fluid flow in the floating ного слоя на фронте кристаллизации. zone growth of large silicon crystals with the needle-eye tech 2. Появляется возможность управлять эффек- nique // Ibid. – 1995. – V. 151. – P. 66—79.

8. Выращивание полупроводниковых монокристаллов с элек тивным коэффициентом распределения примеси и, тромагнитным воздействием на расплав / Ю. М. Гель следовательно, степенью очистки монокристаллов фгат, В. С. Земсков, М. Р. Раухман, М. З. Соркин // Процессы роста полупроводниковых кристаллов и пле от примесей в процессе их выращивания.

нок. – Новосибирск: Наука, 1988. – 300 с.

Muehlbauer A., Muznieks A., Raming G. System of mathe 9.

1. Бронникова Л. П., Добровольская В. И., Ратников Д. Г.

matical models for the analysis of industrial FZ-Si-crystal Определение температурных градиентов в слитках крем growth processes // Cryst. Res. Technol. – 1999. – ния при бестигельной зонной плавке // Промышленное V. 34. – P. 217—226.

применение токов высокой частоты: Тр. ВНИИ ТВЧ. – 10. Мюллер Г. Выращивание кристаллов из расплава. Кон 1974. – Вып. 14. – С. 65—74.

векция и неоднородности / Пер. с англ. – М.: Мир, 2. Добровольская В. И., Ратников Д. Г. Исследование ин 1991. – 143 с.

дукционных систем вертикальной бестигельной зонной плавки // Там же. – 1974. – Вып. 14. – С. 78—85.

3. Егоров С. Г., Червоный И. Ф., Колобов Г. А. Анализ вли- Гос. инж. акад., Запорожье яния магнитного поля подогревающего индуктора на рас Поступила в редакцию 07.10. плавленную зону при БЗП // Оборудование и техно логии термической обработки металлов и сплавов: Сб.

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОСВАРКИ им. Е. О. ПАТОНА НАН УКРАИНЫ Объявляет ежегодный набор по следующим специальностям:

ДОКТОРАНТУРА сварка и родственные технологии автоматизация технологических процессов металловедение и термическая обработка металлов металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов АСПИРАНТУРА сварка и родственные технологии автоматизация технологических процессов металловедение и термическая обработка металлов металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов Прием документов проводится в сентябре.

Контактный телефон: 289-84-11.

Подробная информация на сайте института (раздел аспирантура): www: paton.kiev.ua Документы направлять по адресу:

03680, Украина, Киев-150, ГСП, ул. Боженко, 11, Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, ученому секретарю УДК 621.793.18. МОДИФИЦИРОВАННАЯ ВАКУУМНО-ДУГОВАЯ УСТАНОВКА «БУЛАТ-3Т»

А. В. Демчишин, В. А. Миченко, Г. А. Автономов, О. A. Токарев Представлены данные относительно выполненных изменений в конструкции вакуумно-дуговых испарителей метал лов, электрической схеме привода вращения подложек, откачном оборудовании установки и улучшении защиты фланцев, смотровых систем от тепловых нагрузок с целью обеспечения осаждения функциональных покрытий на длинномерные изделия и формирования многослойных конденсатов с микро- и наноструктурой общей толщиной до 100 мкм и больше.

Data are presented as regards to changes made in the design of vacuum-arc evaporators of metals, electrical diagram of drive of substrates rotation, pumping equipment of the installation and improvement of protection of flanges, viewing window systems from heat loads to provide the deposition of functional coatings on long products and formation of multi-layer condensates with a micro- and nanostructure of total thickness of up to 100 m and higher.

К л ю ч е в ы е с л о в а : вакуумная дуга;

торцевой цилинд- хности катода и вращает их с высокой скоростью рический катод;

планарный катод;

привод вращения подло по круговым орбитам на указанной поверхности.

жек;

реле времени;

многослойное покрытие Такие источники генерируют неоднородный, ограни ченный определенными размерами, плазменный по Появление источников низкотемпературной плазмы ток, что сужает возможности их практического при на основе катодной формы вакуумной дуги, разви менения. В этом случае максимальная скорость осаж вающейся в парах материала эродирующего элект дения пароплазменного потока зафиксирована вблизи рода, открыло большие возможности для формиро оси катода в пределах небольших телесных углов.

вания функциональных покрытий с разными свой Однако для современного машиностроения зачас ствами на поверхности подложек. Такая ситуация тую требуется обработка длинномерных и крупнога предопределила разработку оборудования с исполь баритных изделий, для чего необходимо получение зованием дугового разряда в вакууме для нанесения равномерного в продольном сечении плазменного по ионно-плазменных покрытий на детали ответствен тока, что не всегда возможно посредством увеличения ного назначения. Анализ серийного вакуумно-дуго количества отдельных точечных источников катодно вого оборудования для осаждения покрытий, изго дуговой плазмы. В связи с этим одной из актуаль товляемого ведущими фирмами в области вакуум ных проблем является создание и использование ного машиностроения, показал, что наиболее рас планарных электродуговых испарителей.

пространенным типом катодно-дугового источника Кроме того, целесообразнее изготовлять катоды являются испарители с цилиндрическими катодами, в виде пластин, вырезаемых из листового проката, где дуговой разряд осуществляется на торцевой по а не сплошных цилиндров, особенно при использо верхности отрицательного электрода. Испарители вании катодов больших размеров. Для этого вместо такого типа используют в серийных установках точечных электродуговых испарителей разработа «Булат» (Украина), ННВ-6.6, «Пуск», ИЭТ (Рос ны, изготовлены и установлены в установке «Бу сия), ВУ-1БС, ВУ-2МБС (Белоруссия), MR-333, лат-3Т» источники металлической плазмы планар MR-383 (США), BAI-1200 (Лихтенштейн). В дан ного типа с магнитным удержанием катодных пятен ных испарителях внешняя электромагнитная систе на рабочей поверхности катода, испытания которых ма удерживает катодные пятна на торцевой повер © А. В. ДЕМЧИШИН, В. А. МИЧЕНКО, Г. А. АВТОНОМОВ, О. О. ТОКАРЕВ, показали, что катодные пятна перемещаются по эл липтической траектории вдоль продольной оси ка тода. Повышение тока дугового разряда способ ствует увеличению катодных пятен и скорости их перемещения на рабочей поверхности катода и, в результате, возрастанию скорости эрозии катодного материала.

На рис. 1 представлены фотографии катодных пятен на поверхности титанового планарного като да, образовавшихся при разных значениях тока ду гового разряда. Приведенные данные свидетель ствуют об увеличении плотности катодных пятен в случае роста разрядного тока. После полной выра ботки планарный катод имеет корытоподобную форму и высокий коэффициент использования ма териала катода.

Рис. 1. Катодные пятна на поверхности титанового планарного Особенностью указанных испарителей является катода при Iд, A: а – 100;



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.