ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 315-318
УДК 532.13+546.72'27'28
ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ Fe90BxSi(10- x)
© 2015 г. А. Л. Бельтюков, А. И. Шишмарин, В. И. Ладьянов
ФГБУНФизико-технический институт УрО РАН, г. Ижевск E-mail: albeltyukov@mail.ru Поступило в редакцию 29.04.2014 г.
Исследованы температурные зависимости вязкости жидких сплавов Fe90BX(i0 _ x) в режиме нагрева и последующего охлаждения. Температурные зависимости вязкости расплавов, полученные в режиме нагрева и охлаждения, совпадают (гистерезис отсутствует), имеют монотонный характер и описываются экспоненциальным уравнением Аррениуса. Получена концентрационная зависимость вязкости квазибинарной системы Fe90Bi0—Fe90Sii0. При замене атомов кремния атомами бора значения вязкости расплава практически не изменяются.
DOI: 10.7868/S0040364415020064
Вязкость является важным физико-химическим свойством, необходимым при разработке большинства металлургических процессов, связанных с прохождением через жидкую фазу. Большинство промышленных сплавов содержат большое количество легирующих элементов, и экспериментальное изучение их вязкости с варьированием состава, особенно при высоких температурах, весьма затруднительно. В этом случае для расчета вязкости расплава применяют различные модели [1]. Для построения этих моделей и проверки их адекватности необходимы надежные экспериментальные данные по вязкости модельных жидких сплавов. К настоящему времени накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных по вязкости бинарных жидких сплавов (см., например, [2]), однако данные по вязкости расплавов трех- и более компонентных систем весьма ограниченны. Кроме этого, измерения температурных и концентрационных зависимостей вязкости имеют большое значение при изучении особенностей структурного состояния расплавов и анализе межатомных взаимодействий в них [3, 4].
Сплавы системы Бе—В—81 являются основой промышленного производства аморфных и нано-кристаллических сплавов с высокими магнитными свойствами. Изучению вязкости жидких сплавов системы Бе—В—81 посвящено немало работ, однако в основном — это исследования температурных зависимостей вязкости расплавов отдельных составов с содержанием легирующих элементов из области концентраций с легкой аморфизацией (например, [5—7]). Концентрационные зависимости вязкости тернарной системы Бе—В—81 изучены мало [8—10]. В работах [9, 10] получены концентрационные зависимости вязкости расплавов квазибинарных систем Бе808120—Бе80В20 и Ре708130—Ре70В30, согласно которым замена атомов кремния атома-
ми бора приводит к практически линейному росту значений вязкости. Вместе с тем, концентрационные зависимости вязкости жидких бинарных сплавов Fe—B [6, 11] и Fe—Si [12] имеют немонотонный характер с существенными изменениями вязкости в интервале концентраций с содержанием железа более 80 ат. %. Исследования совместного влияния содержания бора и кремния на вязкость тернарных жидких сплавов Fe—B—Si в этом интервале концентраций ранее не проводились.
В настоящей работе исследованы температурные зависимости кинематической вязкости расплавов Fe90BxSi(10_ x) (x = 0, 1, 3, 5, 7, 9, 10) и построены концентрационные зависимости вязкости квазибинарной системы Fe90B10—Fe90Si10.
Вязкость расплавов определяли методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом [13] на автоматизированной установке [14]. Для исключения химической неоднородности по высоте все образцы перед измерениями переплавляли при температуре 1650°С в течение часа с последующим охлаждением до комнатной температуры. Измерения проводили в режиме нагрева от ликвидуса до 1650°C и последующего охлаждения с шагом по температуре 20—30°C после изотермических выдержек на каждой температуре в течение 10 мин. При этом на каждом образце проводили два цикла измерений с охлаждением до комнатной температуры. Температуру расплавов определяли с точностью ±5°C при помощи находящейся под образцом на расстоянии 3—4 мм термопары ВР-5/20, откалиброванной по температурам плавления чистых металлов (Al, Cu, Ni, Co, Fe).
Измерения проводили в атмосфере очищенного гелия в цилиндрических тиглях из Al2O3. С
316
БЕЛЬТЮКОВ и др.
V, 10 10 г
9 -8.1 9 -
8 -10~ 9 -10~ 9 -
10 -9 -8.1 9 -8 -9 -8 -7 -
1400 1500 1600
г, °с
Рис. 1. Температурные зависимости вязкости расплавов системы Ре90Вх81(10- Х) в режиме нагрева (1) и охлаждения (2).
целью исключения неконтролируемого влияния на процесс измерения оксидной пленки, образующейся на поверхности сплава, в тигель поверх образца помещали крышку, конструкция которой приведена в [15]. Крышка в ходе измерений плотно прилегала к верхней границе расплава, обеспечивая надежную поверхность трения [16]. Возможность вращения крышки относительно тигля была исключена. Методика расчета вязкости и погрешности эксперимента подробно изложены в [14]. Среднеквадратичная погрешность определения вязкости не превышает 4% при погрешности в единичном наблюдении 2%.
Температурные зависимости (политермы) кинематической вязкости расплавов системы Ре90БХ81(10_ Х) приведены на рис. 1. Вязкость жидких сплавов при увеличении температуры монотонно снижается. При этом значения, полученные в режимах нагрева и последующего охлаждения, в пределах ошибки единичного наблюдения совпадают во всем исследованном интервале тем-
5.2 5.4 5.6 5.8 6.0
Т—1, 10—4 К
Рис. 2. Политермы вязкости жидких сплавов в координатах 1п V— Т-1 в режиме нагрева (1) и охлаждения (2).
ператур, т.е. гистерезис вязкости отсутствует. При повторных измерениях политермы воспроизводятся в пределах погрешности эксперимента.
При анализе политерм вязкости проводили их аппроксимацию экспоненциальной зависимостью по уравнению Аррениуса [13]:
V = А ехр (),
\ят)
где А — постоянная величина; Я — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура; Ev — энергия активации вязкого течения. Зависимости логарифма вязкости 1пу от обратной температуры Т-1 приведены на рис. 2. Из рис. 2 видно, что температурные зависимости вязкости описываются уравнением Аррениуса во всем исследованном интервале температур. Параметры аппроксимирующих уравнений приведены в таблице.
По температурным зависимостям были определены значения вязкости расплавов при фиксированных температурах и построены концентрационные зависимости вязкости квазибинарной системы Ре908110—Ре90Б10 (рис. 3). Видно, что при замене в расплавах атомов кремния атомами бора значения вязкости в пределах погрешности эксперимента не изменяются. Энергия активации вязкого течения расплавов этой системы, рассчитанная по уравнению Аррениуса (см. таблицу),
—7 „2
м2/с
• 1 *
° 2
°""»-г> Ре90в17В3
Ре90§15В5
" """""С»- Ре^в^В;}
^ Ре90В10
1п V 14.0
14.2 14.0
• 1
о 2
14.2 14.0
90 10
90Д19Б1
ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ Fe90BxSi(10-
x)
317
v, 10-7 м2/с 10
4-f-
I 2 * f 4-i—i
8
B, ат. %
Рис. 3. Концентрационная зависимость вязкости расплавов квазибинарной системы Ре9о81ю—Ре9оВ1о при температурах 1500°С (1) и 1600°С (2); незакрашенными символами отмечены значения вязкости расплава Ре908110, полученные в [12].
также практически не зависит от соотношения бора и кремния.
Результаты исследований структуры жидких сплавов системы Бе—В—81 методами рентгеноди-фракционного анализа [17] и молекулярной динамики [18, 19] указывают на их микронеоднородное строение 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 [18] отмечено, что для атомов 81 и В существует тенденция к взаимному отталкиванию, т.е. атомы 81 и В имеют в ближайшем окружении только атомы Бе и не образуют связей 81—В. Принимая во внимание отсутствие особенностей на концентрационных зависимостях вязкости квазибинарной системы Ре9081ю—Ре9пВ
90В10 и результаты исследования структуры [17—19], можно полагать, что в расплавах системы Бе90Вх81(10 _ Х) сохраняются микрогруппировки, существующие в этом интервале концентраций в жидких сплавах Бе—В и Бе—81 [20]. Изменение концентрации бора и кремния при фиксированном содержании железа сопровождается изменением объемной доли микрогруппиро-
Параметры аппроксимирующих уравнений политерм вязкости жидких сплавов Ре90ВХ81(10- Х)
x, ат. % At, °C А х 108, м2/с Ev, кДж/моль
0 1460- 1650 5.32 40.5 ± 1.2
1 1450- -1640 5.63 39.8 ± 1.3
3 1420- 1650 5.01 41.5 ± 1.2
5 1400- 1650 4.99 41.4 ± 1.1
7 1420- 1650 4.85 42.1 ± 1.2
9 1370- -1640 5.34 40.4 ± 1.0
10 1370- 1650 5.17 40.9 ± 1.0
вок каждого типа. При нагревании структура расплавов не претерпевает существенных изменений, что подтверждается сохранением характера концентрационной зависимости вязкости и отсутствием гистерезиса политерм.
Таким образом, в работе исследованы температурные зависимости вязкости расплавов Fe90BxSi(10- x) и получена концентрационная зависимость вязкости квазибинарной системы Fe90B10—Fe90Si10. Полученные политермы вязкости демонстрируют отсутствие гистерезиса и хорошо описываются уравнением Аррениуса. Замена атомов кремния атомами бора практически не оказывает влияния на значения вязкости расплавов квазибинарной системы Fe90Si10—Fe90B10.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zivcovic Dragana. A New Approach to Estimate the Viscosity of the Ternary Liquid Alloys using the Budai-Benko-Kaptay Equation // Metall. Mater. Trans. B. 2008. V. 39B. P. 395.
2. Лепитских Б.М., Белоусов А.А., Бахвалов С.Г., Востряков А.А., Пастухов Э.А., Попова Э.А. Транспортные свойства металлических и шлаковых расплавов: Спр. изд. под ред. Ватолина Н.А. М.: Металлургия, 1995. 649 с.
3. Константинова Н.Ю., Попель П.С., Ягодин Д.А. Кинематическая вязкость жидких сплавов медь-алюминий // ТВТ. 2009. Т. 47. № 3. С. 354.
4. Стерхова И.В., Камаева Л.В., Ладьянов В.И. Исследование вязкости расплавов Fe-Cr в области от 2 до 40 ат. % хрома // ТВТ. 2014. Т. 52. № 6. C. 836.
5. Филонов М.Р., Аникин Ю.А., Левин Ю.Б. Теоретические основы производства аморфных и нанокри-сталлических сплавов методом сверхбыстрой закалки. М.: МИСИС, 2006. 328 с.
6. Tomut M., Chiriac H.
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.