CC BY
28
УДК 532.13+546.72 '2728
А. И. Шишмарин, А. Л. Бельтюков, В. И. Ладьянов
ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ Fe-B-Si
Ключевые слова: вязкость, расплав, температурные и концентрационные зависимости вязкости.
Исследованы температурные и концентрационные зависимости кинематической вязкости жидких сплавов FexBySifwo-x-Y) (x=70, 80 и 90 ат.%; y=0-(100-x)). На концентрационных зависимостях квазибинарных систем FeT0B30-FeT0Si30 и Fe30B20rFe80Si20 наблюдается монотонный рост значений вязкости при замене атомов кремния атомами бора. На концентрационной зависимости вязкости квазибинарной системы Feg0B10-FegoSi1o при замене атомов кремния атомами бора значения вязкости расплава практически не изменяются.
Keywords: viscosity, melt, temperature and concentration dependences of the viscosity.
The temperature and concentration dependences of the kinematic viscosity of the liquid alloys of FeXBYSi(100-X-Y) (x=70, 80 and 90 at. %; y=0-(100-x)) have been investigated. Monotonic increase in the viscosity values is observed in concentration dependences of quasi-binary systems of Fe70B30-Fe70Si30 and Fe80B20-Fes0Si20 when replacing silicon atoms by boron atoms. The viscosity values of the melt are not practically changed in concentration dependence of quasi-binary system of FegoB1o-FegoSi1o when replacing silicon atoms by boron atoms.
Введение
Вязкость является важным физико-химическим свойством металлических расплавов и одним из основных технологических параметров в металлургических процессах с их участием. Поскольку промышленные сплавы являются многокомпонентными, исследование их вязкости, особенно при высоких температурах, с варьированием состава сплава затруднительно. В связи с этим для расчета вязкости используют различные модели [1]. Однако построение моделей и проверка их адекватности невозможны без получения надежных данных по вязкости модельных жидких сплавов. Применительно к расплавам аморфообразующей системы Fe-Si-B измерение температурных и концентрационных зависимостей вязкости имеет принципиальный характер, так как, с одной стороны, вязкость оказывает существенное влияние на стеклообразующую способность расплавов [2], а с другой позволяет провести анализ межатомных взаимодействий в них [3].
Сведения о вязкости жидких сплавов тройной системы Fe-Si-B ограничены [3-9]. При этом на политермах расплавов Fe-Si-B некоторых составов были обнаружены особенности в виде резких изменений вязкости [4-9] и ее гистерезис при нагреве и последующем охлаждении [3, 7-9]. Однако наблюдаемые аномалии по данным разных авторов весьма противоречивы как по температурам, так и характеру проявлений. Влияние бора и кремния на вязкость расплавов в тройной системе Fe-Si-B ранее также не изучалось.
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований кинематической вязкости жидких тернарных сплавов Fe70BXSi(30-X) (х=0, 5, 10, 15, 20, 25, 30), Fe80BXSi(20-X) (х=0, 3, 5, 7, 10, 13, 15, 17, 20) и Fe90BXSi(10-X) (x=0, 1, 3, 5, 7, 9, 10).
Экспериментальная часть
Образцы для исследований получали сплавлением соответствующих лигатур Fe-B и Fe-Si в печи вискозиметра при температуре 1650°C в течение 60 мин с последующим медленным охлаждением до комнатной температуры. Лигатуры выплавляли в ва-
куумной печи типа СШВЭ в корундовом тигле при давлении 10-2 Па и температурах на 50-100°С выше ликвидуса в течение 10 мин с последующим медленным охлаждением. В качестве исходных материалов при синтезе лигатур использовали порошки аморфного бора и карбонильного железа и монокристаллический кремний. При расчёте шихты массу Si и B брали с учётом полного связывания ими кислорода, содержащегося в порошках железа и бора. Для растворения SiO2, образующегося при плавке лигатур Fe-Si, в шихту добавляли флюс Al2O3-CaO-SiO2. Исследуемые образцы анализировали на содержание кислорода методом восстановительного плавления в атмосфере гелия в графитовых тиглях при температуре 1700-2000°С и углерода методом сжигания в кислороде. Содержание кислорода составляло не более 0.005 масс.%, углерода - 0.004 масс.%. Содержание бора и кремния в образцах до и после экспериментов по данным химического анализа не изменялось.
Кинематическую вязкость расплавов определяли методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом [10] на автоматизированной установке [11]. Измерения проводили в режиме нагрева от ликвидуса до 1650°С и последующего охлаждения с шагом по температуре 20-30°С после изотермических выдержек на каждой температуре в течение 10 мин. На каждом образце проводили два цикла измерений с охлаждением до комнатной температуры. Температуру расплавов определяли с точностью + 5°С при помощи находящейся под образцом на расстоянии 3-4 мм термопары ВР-5/20, которую калибровали по температурам плавления чистых металлов (Al, Cu, Ni, Co, Fe).
Измерения проводили в атмосфере очищенного гелия в цилиндрических тиглях из Al2O3. С целью исключения неконтролируемого влияния на процесс измерения оксидной пленки, образующейся на поверхности сплава, в тигель поверх образца помещали крышку, конструкция которой приведена в [12]. В процессе измерений крышка выполняла роль второй торцевой поверхности
трения [13]. Она плотно прилегала к верхней границе расплава и двигалась вместе с тиглем при совершении крутильных колебаний. Возможность вращения крышки относительно тигля была исключена. Методика расчета вязкости и погрешности эксперимента подробно изложены в [11]. Относительная погрешность определения вязкости не превышает 4 % при погрешности в единичном эксперименте 2 %.
Результаты измерений
Типичные температурные зависимости (политермы) кинематической вязкости исследованных тернарных жидких сплавов Ре-81-В приведены на рис. 1. При этом политермы вязкости расплавов Ре-В-81 с содержанием бора до 20 % (здесь и далее химический состав сплавов указан в ат.%), полученные в режимах нагрева и последующего охлаждения, в пределах ошибки единичного эксперимента совпадают во всем исследованном интервале температур (гистерезис отсутствует) и имеют монотонный характер. На температурных зависимостях вязкости жидких сплавов с содержанием бора более 20 % в режиме нагрева наблюдается резкое изменение значений вязкости вблизи определенных температур и в ряде случаев гистерезис вязкости при последующем охлаждении.
Рис. 1 - Типичные температурные зависимости вязкости расплавов системы Ре-81-Б: нагрев (•), охлаждение (о)
При анализе политерм вязкости проводили их аппроксимацию экспоненциальной зависимостью по уравнению Аррениуса [10]:
V = А ■ ехр^
где А - постоянная величина; Я - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Бу - энергия активации вязкого течения. Зависимости логарифма вязкости (1п^) расплавов от обратной температуры (Т1) приведены на рис. 2. Из рисунка видно, что в пределах погрешности эксперимента температурные зависимости вязкости с содержанием бора до 20 % удовлетворительно описываются уравнением Аррениуса. При содержании бора более 20 % наблюдается отклонение температурных зависимостей вязкости от уравнения Аррениуса.
Рис. 2 - Типичные политермы жидких сплавов Ре-81-Б в виде зависимости 1п V от Т : нагрев (•), охлаждение (о)
По температурным зависимостям были определены значения вязкости расплавов при фиксированных температурах и построены концентрационные зависимости вязкости квазибинарных систем Ре7оВзо-Ре7о31эо, Ре8оВ2о-Реао812о и Ре9о81ю-Ре9оВю (рис. 3). Из рисунка видно, что значения вязкости расплавов квазибинарных систем Ре7оВзо-Ре7о81зо и Ре8оВ2о-Ре8о812о при замене атомов кремния атомами бора монотонно возрастают.
На концентрационных зависимостях вязкости квазибинарной системы Ре9о811о-Ре9оВ1о при замене в расплавах атомов кремния атомами
бора значения вязкости в пределах погрешности эксперимента не изменяются.
Рис. 3 - Концентрационные зависимости вязкости расплавов квазибинарных систем Fe70SÍ30-Fe70B30 (▲), Fe80SÍ20-Fe80B20 (•) и Fe90SÍi0-Fe90Bi0 (■) при температуре 1600oC
Имеющиеся данные о структуре жидких сплавов системы Fe-B-Si, полученные методами рентгенодифракционного анализа [14, 15] и молекулярной динамики [16, 17], свидетельствуют об их микронеоднородном строении с образованием атомных микрогруппировок различного химического состава, в частности, микрогруппировок, состоящих из атомов железа и бора и микрогруппировок из атомов железа и кремния. При этом в [16] показано, что для атомов Si и B наблюдается тенденция к взаимному отталкиванию, т. е. атомы Si и B имеют в ближайшем окружении только атомы Fe и не образуют связей Si-B.
Опираясь на результаты исследования структуры многокомпонентных сплавов на основе железа в жидком состоянии [14-17] и отсутствие особенностей на концентрационных зависимостях вязкости квазибинарных систем FeB-FeSi, можно полагать, что в расплавах системы Fe-B-Si сохраняются микрогруппировки, которые существуют в соответствующих концентрационных интервалах в жидких бинарных сплавах Fe-B и Fe-Si [18]. Изменение концентрации бора и кремния при фиксированном содержании железа сопровождается только изменением объемной доли микрогруппировок каждого типа.
Резкие изменения значений на политермах вязкости жидких сплавов Fe-B-Si с содержанием бора более 20 %, по-видимому, обусловлены структурным превращением в расплаве (изменением типа ближнего упорядочения), подобного тому, что ранее наблюдалось для жидких сплавов Fe-B [19]. При этом температура резкого изменения вязкости и характера политермы, полученного в данной работе, совпадает с результатами опубликованными нами ранее.
Заключение
Обнаружено, что температурные зависимости вязкости расплавов Fe-B-Si с содержанием бора до 20 %, полученные в режиме нагрева и последующего охлаждения, совпадают и имеют монотонный характер. На политермах вязкости жидких сплавов Fe-B-Si с содержанием бора более 20 % в режиме нагрева наблюдается ее изменение вблизи определенных температур и в ряде случаев гистерезис вязкости при последующем охлаждении. На концентрационных зависимостях вязкости квазибинарных систем Fe7oB3o-Fe7oSi3o и Fe8oB2o-Fe8oSi2o наблюдается практически монотонный рост значений вязкости при замене атомов кремния атомами бора. На концентрационной зависимости вязкости квазибинарной системы Fe9oBio-Fe9oSiio при замене в расплавах атомов кремния атомами бора значения вязкости практически не изменяются.
Литература
1. Dragana Zivcovic, Metall. Mater. Trans. B, 39B, 395-398 (2008).
2. К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото, Аморфные металлы. Металлургия, Москва, 1987. 328 с.
3. V.V. Konashkov, V.S. Tsepelev, V.Ya. Belozerov, and Yu.N. Starodubtsev, Steel in Translation, 42, 9, 679-681 (2012).
4. V.I. Lad'yanov, A.L. Bel'tyukov, V.V. Maslov, A.I. Shishmarin, M.G. Vasin, V.K. Nosenko, V.A. Mashira, J. Non-Cryst. Solids, 353, 3264-3268 (2007).
5. H. Chiriac, M. Tomut, M. Marinescu and A. Stantero, in Rapidly Quenched & Metastable Materials 9. Supplement. Elsevier, Amsterdam, 1997. P. 132-135.
6. К.Ю. Шмакова, Б.А. Баум, Г.В. Тягунов, В.С. Цепелев, В.Ю. Бодряков, Расплавы, 5, 20-25 (2000).
7. M. Tomut, H. Chiriac, Mater. Sci. Eng. A, 304-306, 272276 (2001).
8. А.Л. Бельтюков, В.И. Ладьянов, В.В. Маслов, А.И. Шишмарин, В.К. Носенко, В.А. Машира, Расплавы, 2, 86-92 (2004).
9. В.И. Ладьянов, В.В. Маслов, А.Л. Бельтюков, А.И. Шишмарин, В.К. Носенко, В.А. Машира, Металлофиз. новейшие технол., 25, 12, 1533-1541 (2003).
10. Е.Г. Швидковский, Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. Гостехиздат, Москва, 1955. 208 с.
11. А.Л. Бельтюков, В.И. Ладьянов, ПТЭ, 2, 155-161 (2008).
12. Н.В. Олянина, А.Л. Бельтюков, О.Ю. Гончаров, В.И. Ладьянов, Расплавы, 2, 83-90 (2012).
13. А.Л. Бельтюков, В.И. Ладьянов, Н.В. Олянина, Расплавы, 6, 19-27 (2009).
14. Л.Е. Власенко, Т.М. Христенко, А.П. Бровко, Г.М. Зелинская, А.В. Романова, Металлофиз. и новейшие технол., 20, 7, 75-82 (1998).
15. О.И. Слуховский, Т.М. Христенко, Ю.В. Лепеева, В.В. Маслов, В.К. Носенко, А.Г. Ильинский, А.П. Шпак, Металлофиз. и новейшие технол., 30, 7, 971-981 (2008).
16. J.Y. Qin, T.K. Gu, L. Yang, X.F. Bian, Appl. Phys. Lett., 90, 201909-1-201909-3 (2007).
17. B.S. Dong, S.X. Zhou, J.Y. Qin, S.P. Pan, Z.B. Li, Progress in Natural Science: Mater. Inter., 23, 2, 216-219 (2013).
18. Э.А. Пастухов, Н.А. Ватолин, В.Л. Лисин, В.М. Денисов, С.В. Качин, Дифракционные исследования
строения высокотемпературных расплавов. УрО РАН, Екатеринбург, 2003. 353 с.
19. В.И. Ладьянов, А. Л. Бельтюков, А.И. Шишмарин, Расплавы, 4, 34-40 (2005).
© А. И. Шишмарин, младший научный сотрудник, отдел структурно-фазовых превращений, ФГБУН Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук, shishg@mail.ru; А. Л. Бельтюков, к.ф.-м.н., старший научный сотрудник, отдел структурно-фазовых превращений, ФГБУН Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук, albeltyukov@mail.ru; В. И. Ладьянов, д.ф.-м.н., директор, ФГБУН Физико-технический институт Уральского отделения Российской академии наук, direct@ftiudm.ru.
© A. I. Shishmarin, Junior Researcher, Department of structural phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; A. L. Bel'tyukov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences (Ph.D), Senior Researcher, Department of structural phase transformations, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; V. I. Lad'yanov, Doctor of Physical and Mathematical Sciences (Sc.D.), Director, Physical-Technical Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
