CC BY
14
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-l-40-42 УДК 621.745.35
НАНОСТРУКТУРНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СИЛУМИНОВ
Поступила 20.12.2021 Received 20.12.2021
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, Институт технологии металлов НАНБеларуси, г. Могилев, Беларусь, ул. Бялыницкого-Бирули, 11. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Показано, что кристаллизация силуминов является наноструктурным процессом. Жидкий силумин состоит из элементарных нанокристаллов алюминия и кремния, свободных атомов алюминия и кремния, алюминиево-кремниевых комплексов. Из них формируются первичные микрокристаллы. Эвтектические микрокристаллы образуются из элементарных нанокристаллов кремния и алюминия, алюминиево-кремниевых комплексов.
Ключевые слова. Силумины, кристаллизация, наноструктурный процесс, нанокристаллы, свободные атомы, микрокристаллы, алюминиево-кремниевые комплексы. Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация силуминов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А.В. Стеценко//Литье и металлургия. 2022. № 1. С. 40-42. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-40-42.
NANOSTRUCTURAL CRYSTALLIZATION OF SILUMINS
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Institute of Technology of Metals of National Academy of Sciences of Belarus, Mogilev, Belarus, 11, Bialynitskogo-Biruli str. E-mail: [email protected] A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
The crystallization of silumins has been shown to be a nanostructured process. Liquid silumin consists of elementary nanocrystals of aluminum and silicon, free atoms of aluminum and silicon, aluminum-silicon complexes. Primary microcrystals are formed from them. Eutectic microcrystals are formed from elementary nanocrystals of silicon and aluminum, aluminum-silicon complexes.
Keywords. Silumins, crystallization, nanostructuralprocess, nanocrystals, free atoms, microcrystals, aluminum-silicon complexes. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructural crystallization of silumins. Foundry production and metallurgy, 2022, no. 1, pp. 40-42. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-40-42
Кристаллизация металлов является наноструктурным процессом [1]. Силумины - это алюминиево-кремниевые сплавы, содержащие эвтектику. Относительно нее различают доэвтектические, эвтектические и заэвтектические силумины. Алюминиево-кремниевая эвтектика формируется при кристаллизации расплава, содержащего 12 ат. % кремния [2].
Силумины можно получать растворением кремния в жидком алюминии. При плавлении алюминия происходит реакция [3]:
А1мк = т1А1эн + «1А1а - АЯпа, (1)
где А1мк - микрокристаллы алюминия; А1а - свободные атомы алюминия; «1 и п - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов алюминия; АНпа - молярная энтальпия плавления алюминия.
АНпа = 10,8 кДж/моль, а молярная энтальпия сублимации (атомизации) алюминия (АН са ) составляет 329,8 кДж/моль [4]. Атомная концентрация свободных атомов алюминия при плавлении определяется следующим уравнением [3]:
П = —. (2)
1 АНса "
Подставляя исходные данные в (2), получаем П1 = 3 ат.%. Соответственно = 97 ат. %.
При плавлении кремния происходит реакция, аналогичная (1):
^мк = т2^эн + п2^а - АНпк , (3)
ЛИТЬЕ И МЕТАЛЛУРГИЯ 12022
41
где SiMK - микрокристаллы кремния; Si3H - элементарные нанокристаллы кремния; Sia - свободные атомы кремния; «2 и «2 - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов кремния; АНпк - молярная энтальпия плавления кремния.
АНпк = 50 кДж/моль, а молярная энтальпия сублимации (атомизации) кремния (ДНск ) составляет 452,5 кДж/моль [4]. Атомная концентрация свободных атомов кремния при плавлении определяется уравнением [3]:
«2 = ——пк . (4)
2 ——ск
Подставляя исходные данные в (4), получаем «2 = 11 ат. %. Соответственно «2 = 89 ат. %. Атомы кремния являются связующими нанокристаллов кремния.
При растворении кремния в жидком алюминии происходит взаимодействие А1а с Sia с образованием алюминиево-кремниевых комплексов (АКК). В результате микрокристаллы кремния распадаются на элементарные нанокристаллы по реакции:
Siмк + Ala = Si3H + АКК. (5)
После растворения кремния в жидком эвтектическом силумине содержится 86,4 ат. % А1эн ; 10,7 ат. % Si3H ; 2,9 ат. % АКК. Элементарными АКК являются соединения AI2SÍ.
В результате эвтектической реакции расплав распадается на 11 % в -фазы с концентрацией алюминия 0,5 ат. % и 89 % а -фазы с концентрацией кремния 1,6 ат. % [2, 5, 6]. Тогда образование микрокристаллов а -фазы (амк ) при эвтектической реакции происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы а -фазы (асн) :
А1эн + Siэн + АКК = асн. (6)
Затем образуются центры кристаллизации а -фазы (ацк ) :
асн + АКК = ацк . (7)
Заканчивается процесс формированием амк по следующей реакции:
ацк +асн + АКК = амк . (8)
Образование микрокристаллов /3Si -фазы (вмк ) при эвтектической реакции происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы /3Si -фазы (всн) по следующей реакции:
Siэн + А1эн + АКК = всн. (9)
Затем образуются центры кристаллизации eSi -фазы (вцк):
всн + АКК = вцк . (10)
Заканчивается процесс образованием Дмк по реакции:
вцк +всн + АКК = вмк . (11)
Можно считать, что кристаллизация эвтектического силумина происходит по реакциям (6) - (11). При кристаллизации доэвтектического силумина в первую очередь образуются микрокристаллы первичной а-фазы (амкп ) , а затем - алюминиево-кремниевая эвтектика. амкп формируются следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы первичной а -фазы (аснп ) по реакции:
А1эн + А1а+АКК = аснп. (12)
Затем формируются центры кристаллизации первичной а -фазы (ацкп ) :
аснп + А1а + АКК = ацкп . (13)
Заканчивается процесс образованием амкп по реакции:
ацкп +аснп + А1а + АКК = амкп . (14)
Алюминиево-кремниевая эвтектика формируется по реакциям (6) - (11).
При кристаллизации заэвтектического силумина в первую очередь формируются микрокристаллы первичной eSi -фазы (вмкп ), а затем - алюминиево-кремниевая эвтектика. вмкп образуются следующим
образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы первичной в -фазы (вснп) по реакции:
Si3H+Sia + АКК = вснп . (15)
Затем образуются центры кристаллизации первичной в -фазы (вцкп ) :
вснп + Sia + АКК = вцкп. (16)
Заканчивается процесс формированием Дмкп по следующей реакции:
вцкп +вснп + Sia + АКК = вмкп . (17)
Алюминиево-кремниевая эвтектика образуется по реакциям (6) - (11).
ЛИТЕРАТУРА
1. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Наноструктурная кристаллизация металлов // Литье и металлургия. 2021. № 2. С. 23-26.
2. Строганов Г. Б., Ротенберг В. А., Гершман Г. Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 272 с.
3. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Наноструктурная теория металлических расплавов // Литье и металлургия. 2020. № 3. С. 7-9.
4. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства: справ. / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976. 660 с.
5. Эллиот Р. П. Структура двойных сплавов:справ. М.: Металлургия, 1970. 456 с.
6. Немененок Б. М. Теория и практика комплексного модифицирования силуминов. Минск: Технопринт, 1999. 272 с.
REFERENCES
1. Marukovich E. 1, Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya metallov [Nanostructured crystallization of metals]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2021, no. 2, pp. 23-26.
2. Stroganov G. B., Rotenberg V. A., Gershman G. B. Splavy alyuminiya s kremniem [Aluminium-silicon alloys]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1977, 272 p.
3. Marukovich E. 1, Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostructural theory of metal melts]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
4. Svojstva elementov. Ch. 1. Fizicheskie svojstva: Spravochnik [Item Properties. Part 1. Physical Properties: Book]. Pod red. G. V. Samsonova. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 660 p.
5. Elliot R. P. Struktura dvojnyh splavov: Spravochnik [Double Alloy Structure: Book]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1970, 456 p.
6. Nemenenok B. M. Teoriya ipraktika kompleksnogo modificirovaniya siluminov [Theory and practice of complex modification of silumins]. Minsk, Tekhnoprint Publ., 1999, 272 p.
