ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 2, с. 205-212
=ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
УДК 532.13+546.72'28
ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ Fe-Si С СОДЕРЖАНИЕМ КРЕМНИЯ ДО 45 АТ. %
© 2014 г. А. Л. Бельтюков, В. И. Ладьянов, А. И. Шишмарин
Физико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск E-mail: albeltyukov@mail.ru Поступила в редакцию 01.03.2013 г.
Исследованы температурные и концентрационные зависимости кинематической вязкости расплавов системы Fe—Si с содержанием кремния от 3 до 45 ат. %. Политермы вязкости жидких сплавов в режиме нагрева и охлаждения совпадают (гистерезис отсутствует) и удовлетворительно описываются уравнением Аррениуса. Концентрационные зависимости вязкости и энергии активации вязкого течения имеют немонотонный характер с минимумом вблизи 5% и максимумом около 25% кремния.
DOI: 10.7868/S0040364414010049
ВВЕДЕНИЕ
Результаты исследований структуры и свойств расплавов системы Fe—Si указывают на их сложное микронеоднородное строение [1—3], обусловленное наличием в жидкости атомных микрогруппировок различного химического состава и упаковки атомов в зависимости от содержания кремния. Формирование в расплаве микрогруппировок разносортных атомов обычно проявляется в виде особенностей (максимумов, минимумов или изломов) на концентрационных зависимостях (изотермах) структурно-чувствительных свойств, в частности вязкости, плотности, электропроводности, магнитной восприимчивости и др.
По результатам дифракционных исследований [3—7] в жидких сплавах Fe—Si наиболее достоверно выявлено наличие микрогруппировок, близких по своему составу и строению к силициду FeSi. В области равноатомного состава наблюдаются также эффекты на концентрационных зависимостях их свойств, такие, как максимум удельного электросопротивления [8, 9], минимум магнитной восприимчивости [10], максимум [9] или излом [11] на изотерме вязкости, максимум энергии активации вязкого течения [11], излом на изотерме молярного объема [12—14].
Литературные данные по структуре расплавов Fe—Si с содержанием кремния до 50% (здесь и далее содержание кремния указано в ат. %) являются более неоднозначными. Авторы работ [5—7, 15], основываясь на результатах рентгенострук-турного анализа [5—7], а также моделирования методами молекулярной динамики [15] и обратного метода Монте-Карло [7], предполагают, что в жидком сплаве Fe75Si25 реализуется ближнее упорядочение по типу соединения Fe3Si. Однако в работе [3] отмечается, что в жидком сплаве Fe3Si
наиболее вероятно реализуется квазиэвтектическая структура, составляющими которой являются группировки атомов железа и железокремние-вые комплексы состава, близкого к стехиометрии FeSi. Неоднозначность в интерпретации дифракционных данных дополняется противоречивостью результатов исследований свойств жидких сплавов. Так, на изотермах электросопротивления [8, 9] и плотности [12—14] расплавов в этом интервале концентраций особенностей не обнаружено. На концентрационной зависимости магнитной восприимчивости [10], напротив, имеются два минимума при содержании кремния, соответствующем соединениям Fe3Si и Fe5Si2. Еще более противоречивыми как по характеру концентрационной зависимости, так и по абсолютным значениям являются результаты исследований вязкости [9, 11, 16—21]. Между тем вязкость представляет собой одно из наиболее структурно-чувствительных свойств расплавов [1, 2] и часто используется при анализе их строения.
Изотермы кинематической вязкости v жидких сплавов Fe—Si, полученные ранее [9, 11, 16—21], представлены на рис. 1. Для вычисления значений кинематической вязкости по изотермам динамической вязкости [16—18] использовали линейную зависимость плотности расплава от содержания кремния:
d = 6.9744 - 0.0411CSi (при 1600°C),
где d — плотность расплава в г/см3, CSi — концентрация кремния в ат. %. Данное уравнение получено линейной аппроксимацией температурной и концентрационной зависимостей плотности, приведенных в работе [13]. Данные по плотности [13] хорошо согласуются с результатами исследований других авторов [14, 22]. Разброс абсолютных значений кинематической вязкости распла-
Si, ат. %
Рис. 1. Изотермы кинематической вязкости жидких сплавов Fe—Si при температуре 1600°С по данным работ разных авторов: 1 - [9], 2 - [11], 3 - Kriger W. (по [16]), 4 - [17], 5 - [18], 6 - [19], 7- [20], 8 - [21].
вов по данным разных авторов (рис. 1) достигает 30% при заявленной погрешности в 4-5%. При этом наиболее значительное различие наблюдается для жидкого железа и расплавов с содержанием кремния до 10%. Причинами таких расхождений могут быть как различная чистота исследуемых образцов, так и разные условия эксперимента (защитная атмосфера, материал тигля и др.) [23]. Кроме этого, необходимо учитывать особенности применяемых методик исследований. В частности, при использовании метода крутильных колебаний важно правильно определить граничные условия, поскольку в ходе измерений на верхней границе расплава возможно образование оксидной пленки, неучет которой приводит к ошибке в определении значений вязкости [24, 25]. Из рис. 1 также видны различия в характере концентрационных зависимостей вязкости жидких сплавов Fe-Si, полученных разными авторами. В частности, согласно результатам работы [11], в этом концентрационном интервале вязкость монотонно снижается при увеличении содержания кремния. В работе [9] зафиксирован максимум вязкости при 20% кремния только вблизи температуры ликвидуса, что, по мнению ее авторов, свидетельствует о сохранении соединения Fe3Si в жидком состоянии лишь при небольших перегревах над ликвидусом. Авторы [16, 17], напротив, получили немонотонную изотерму вязкости с максимальными значениями вблизи 20% кремния. Вместе с тем при более подробном изучении влияния кремния на вязкость жидкого железа в области малых его концентраций (до 10%) [18-21] в большинстве работ [19-21] обнаружено относительно резкое сни-
жение вязкости при увеличении содержания кремния в расплаве до 8-10%.
В связи с этим в настоящей работе проведены подробные исследования влияния кремния на вязкость жидких сплавов Fe-Si для концентраций до 45% Si.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Образцы для исследований получены сплавлением карбонильного железа марки ОСЧ 13-2 и лигатуры Fe-Si (45% Si) в печи вискозиметра при температуре 1650°C в течение 60 мин с последующим медленным охлаждением. Лигатура выплавлялась в вакуумной печи в корундовом тигле при давлении 10-2 Па и температуре 1500°С. В качестве исходных материалов при выплавке лигатуры использовались порошок карбонильного железа и монокристаллический кремний. При расчете шихты масса Si бралась с учетом полного связывания им кислорода, содержащегося в железе. Для растворения образующегося при плавке SiO2 в шихту добавлялся особо чистый CaF2. Исследуемые образцы анализировались на содержание кислорода методом восстановительного плавления в атмосфере гелия в графитовых тиглях при температуре 1700-2000°C и углерода -методом сжигания в кислороде. Содержание кислорода составляло не более 0.0006 мас. %, углерода - 0.002 мас. %. Содержание кремния в образцах до и после экспериментов по данным химического анализа не изменялось.
Кинематическая вязкость расплавов определялась методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом в варианте Е.Г. Швидковского [26] на автоматизированной установке [27]. Измерения проводились в атмосфере очищенного гелия в режиме нагрева от ликвидуса до 1700°C и последующего охлаждения с шагом по температуре 20-30°C. При этом на каждом образце проводились два цикла измерений с охлаждением до комнатной температуры. Температура расплавов определялась с точностью ±5°C при помощи находящейся под образцом на расстоянии 3-4 мм термопары ВР-5/20, откалиб-рованной по температурам плавления чистых металлов (Al, Cu, Ni, Co, Fe).
Для исключения химической неоднородности по высоте все образцы перед измерениями были переплавлены при температуре 1650°С в течение 1 часа. После переплава на ряде образцов был проведен химический анализ на содержание кремния в нижней и верхней частях образца. Изменений состава по высоте образца не обнаружено. С целью достижения расплавом равновесного состояния перед измерениями на каждой температуре проводились изотермические выдержки не менее 20 мин и сам процесс измерения длился около 10 мин (12 измерений). В течение этого времени существенных
изменении значении вязкости при постоянной температуре не обнаружено. На отсутствие химической неоднородности также указывает совпадение политерм вязкости, полученных при нагреве и последующем охлаждении.
В качестве тиглей использовались цилиндрические стаканчики из ВеО внутренним диаметром ~14 мм и высотой 42 мм. Все тигли проверялись на отсутствие эллиптичности и конусности измерением внутреннего диаметра вблизи дна и на полувысоте тигля. При измерениях использовались тигли с изменениями диаметра не более 0.05 мм на одной высоте и 0.1 мм на разных высотах. В тигель поверх образца помещалась крышка, изготовленная из цилиндрического стаканчика из ВеО с внешним диаметром, на 1 мм меньшим внутреннего диаметра тигля, и высотой ~12 мм. Конструкция крышки [25] позволяет ей в ходе эксперимента плотно прилегать к верхней границе расплава и двигаться вместе с тиглем при совершении крутильных колебаний.
Роль крышки в процессе измерений подробно рассмотрена в работах [24, 25]. Обычно измерения вязкости проводятся в тиглях со свободной верхней границей расплава и при расчете вязкости, соответственно, учитывается наличие одной торцевой поверхности трения расплава с тиглем. Однако на поверхности расплава может формироваться окисная пленка сложного состава с участием продуктов его взаимодействия с материалом тигля и газовой атмосферой. В этом случае при вычислении вязкости расплава необходимо учитывать наличие двух торцевых поверхностей трения, поскольку вязкость этой пленки на много порядков выше вязкости самого расплава и в пределе она может быть рассмотрена как неподвижная. Экспериментальное наблюдение образования такой пленки в ходе опыта практически невозможно, поэтому выбор граничных условий н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.