РАСПЛАВЫ
3 • 2012
УДК 532.13+546.72'27'28
© 2012 г. А. Л. Бельтюков1, В. И. Ладьянов, А. И. Шишмарин ВЯЗКОСТЬ РАСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА С БОРОМ И КРЕМНИЕМ
Исследованы температурные зависимости вязкости расплавов Ре80Бх8120 _ х и построена концентрационная зависимость вязкости квазибинарной системы
Ре80^120—Ре80Б20-
Ключевые слова: вязкость, расплав, температурные и концентрационные зависимости вязкости.
Система Fe—B—Si является основой мирового промышленного производства аморфных и нанокристаллических сплавов, которые успешно заменяют многие традиционные кристаллические магнитомягкие материалы (ферриты, пермаллои, трансформаторные стали), применяемые в электронике, электро- и радиотехнике [1, 2]. Дальнейшее повышение уровня и термовременной стабильности магнитных свойств связано как с оптимизацией химического состава, так и с возможностью направленного воздействия на формирование структуры сплава непосредственно в процессе сверхбыстрой закалки расплава [3], т.е. на стадии их получения. Для реализации этой возможности необходимо детальное изучение особенностей структурно-чувствительных свойств жидких сплавов, в частности вязкости при варьировании химического состава и температуры.
Вязкость расплавов бинарных систем Fe—B [4—6] и Fe—Si [7, 8] изучена достаточно подробно. Однако сведения о вязкости жидких сплавов тройной системы Fe—Si—B ограничены. В работах [3, 5, 9, 10] на политермах расплавов Fe-Si-B некоторых составов обнаружены особенности в виде резких изменений вязкости и ее гистерезис при нагреве и последующем охлаждении [3, 5, 10]. Однако данные разных авторов противоречивы как по абсолютным значениям вязкости, так и по температурам и характеру наблюдаемых аномалий. Влияние бора и кремния на вязкость расплавов в тройной системе Fe—Si—B ранее не изучалось.
В данной работе исследованы температурные зависимости вязкости расплавов Fe80BxSi20 _х (х = 0, 3, 5, 7, 10, 13, 15, 17, 20) и построены графики концентрационных зависимостей вязкости квазибинарной системы Fe80B20—Fe80Si20.
Экспериментальная часть. Образцы для проведения исследований получали сплавлением лигатур Fe—Si (11.2 мае. % Si) и Fe—B (4.6 мас. % B) в вакууме при остаточном давлении 10-2 Па в печи вискозиметра при температуре на 50—100°С выше ликвидуса в течение 10 мин с последующим медленным охлаждением. Лигатуры Fe80Si20 и Fe80B20 выплавляли в вакуумной печи типа СШВЭ в корундовом тигле при давлении 10-2 Па. В качестве исходных материалов для синтеза лигатур выбраны порошки аморфного бора и карбонильного железа, а также монокристаллический кремний. При расчете шихты массу Si и B брали с учетом полного связывания ими кислорода, содержащегося в порошках железа и бора. Для растворения SiO2, образующегося при плавке Fe80Si20, в ших-
1 albeltyukov@mail.ru.
ту добавляли флюс А1203—Са0—8Ю2. Полученные смеси нагревали до температуры 900°С с выдержкой 30 мин для удаления кислорода и расплавляли при 1450°С (для Ре80В20) и 1470°С (для Ре8(^20).
Вязкость расплавов определяли методом затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля с расплавом [11] на автоматизированной установке [12]. Перед измерением образцы переплавляли при 1650°С в течение 30 мин и медленно охлаждали до комнатной температуры. Измерения проводили в атмосфере очищенного гелия в режиме нагрева от ликвидуса до 1630°С и последующего охлаждения с шагом по температуре 20—30°С после изотермических выдержек на каждой температуре в течение 10 мин. Длительность изотермических выдержек выбрана по временным зависимостям вязкости расплавов при различных температурах. В качестве тиглей использовали цилиндрические стаканчики из А1203.
С целью исключения влияния на процесс измерения образующейся на поверхности сплава оксидной пленки в тигель поверх образца помещали крышку, выполняющую роль второй торцевой поверхности. Крышка свободно перемещалась вдоль вертикальной оси тигля и двигалась вместе с ним при совершении крутильных колебаний. Температуру определяли вольфрам-рениевой термопарой и поддерживали на заданном уровне с точностью ±0.5°С при помощи высокоточного регулятора ВРТ-3. Регистрацию параметров колебаний тигля с расплавом осуществляли оптическим способом с помощью лазера и прецизионного фотодатчика. Расчет вязкости проводили с помощью численного метода, предложенного в работе [13]. Общая ошибка определения вязкости не превышает 4% при ошибке единичного эксперимента 1%.
Результаты и их обсуждение. Типичные температурные зависимости вязкости расплавов Ре—81—В показаны на рис. 1. Видно, что данные зависимости для всех исследованных жидких сплавов имеют монотонный характер. При этом политермы вязкости, полученные в режимах нагрева и последующего охлаждения, в пределах ошибки единичного эксперимента совпадают во всем исследованном интервале температур (гистерезис отсутствует) и хорошо воспроизводятся при повторных экспериментах.
Ранее на температурной зависимости вязкости расплавов Бе80В20 [6], Бе80816В14 и других жидких сплавов на основе системы Ре—81—В [10] в режиме нагрева были обнаружены аномалии в виде резкого снижения значений в узком температурном интервале. В работе [14] при исследовании расплава Со70В30 методом крутильных колебаний с крышкой и без нее на верхней границе показано существенное влияние пленочных эффектов на результаты измерений, неучет которых может приводить к появлению ложной аномалии на политерме. В работах [6, 10] исследования вязкости проводили без крышки на верхней границе расплава, и, следовательно, обнаруженные на политермах аномалии могли быть следствием изменения состояния поверхности расплава при его нагреве. Для выявления условий возникновения аномалий на политермах вязкости расплавов Бе—В и Ре—81—В и их природы требуется постановка специальных исследований.
По полученным политермам построены графики концентрационной зависимости вязкости (рис. 2) при 1400 и 1600°С и кривые равного перегрева над ликвидусом (рис. 3) для квазибинарной системы Ре80В20—Бе808120. Из рис. 2 видно, что при замене в сплаве атомов кремния атомами бора вязкость расплава Бе80(81, В)20 возрастает немонотонно. Относительно быстрый рост значений вязкости наблюдается в интервале составов от Бе808120 до Ре808115В5. В интервале от Рг80815В15 до Рг808110В10 вязкость расплава практически не меняется. Дальнейшее увеличение содержания бора и уменьшение содержания кремния в сплаве приводит к небольшому росту значений вязкости расплава. На графике концентрационной зависимости вязкости квазибинарной системы (рис. 2) приведе-
Рис. 1. Типичные температурные зависимости вязкости расплавов: • — нагрев, О — охлаждение.
В, ат. %
Рис. 2. Концентрационная зависимость вязкости квазибинарной системы Ее80Б20—Ре808120 при 1400°С (•) и 1600°С (■). Светлыми точками приведены значения V для расплавов Ее8оБ2о [6] и Ее8оБ14816 [10].
ны также значения вязкости жидких сплавов Бе80Б20 и Бе80816Б14, полученные в работах [6, 10] соответственно. Они хорошо согласуются с данными, полученными в настоящей работе.
На концентрационной зависимости вязкости расплавов квазибинарной системы Ре80Б20—Ре808120 при температурах равного перегрева над ликвидусом (рис. 3) наблюдается максимум значений вблизи состава Бе80817Б13. Максимум вязкости наиболее хорошо проявляется вблизи ликвидуса и сглаживается с повышением температуры. Данный максимум обусловлен относительно низкой температурой ликвидуса расплава Бе80817Б13 и высокими значениями энергии активации вязкого течения. Концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения, вычисленная по уравнению Аррениуса [11] вблизи температуры ликвидуса (перегрев выше ликвидуса до 150°С), приведена на рис. 4. Видно, что изотермы энергии активации вязкого течения расплавов имеют немонотонный характер с максимумом, соответствующим жидкому сплаву Бе80817Б13. Высокие значения вязкости и энергии активации вязкого течения являются критериями легкой аморфизации расплава [15]. В связи с этим можно пола-
2 Расплавы, № 3
20 г
0 4 8 12 16 20
В, ат. %
Рис. 3. Концентрационная зависимость вязкости квазибинарной системы Fe8oB2o—Fe8oSi2o при температурах равного перегрева над ликвидусом.
гать, что вероятность аморфизации исследованных расплавов возрастает с приближением к составу Бе8С^7В13.
Выводы. Таким образом, в работе исследованы температурные зависимости вязкости расплавов Бе80В_^20 _ х и получена концентрационная зависимость V квазибинарной системы Бе80В20—Бе8С^20. Политермы вязкости, полученные в режимах нагрева и последующего охлаждения, совпадают и имеют монотонный характер. На концентрационной зависимости наблюдается немонотонный рост значений вязкости при замене в сплаве атомов кремния атомами бора.
Работа выполнена при финансовой поддержке программы Президиума РАН (проект № 09-П-2-1024).
55 г
40 -1-1-1-1-1
0 4 8 12 16 20
В, ат. %
Рис. 4. Концентрационная зависимость энергии активации вязкого течения расплавов вблизи температур ликвидуса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аморфные металлические сплавы (Под ред. Ф.Е.Люборского). - М.: Металлургия, 1987. — 137 с.
2. Yoshizawa Y. , Oguma S., Yamauchi K. New Fe-based soft magnetic alloys composed of ultraflne graine structure. - J. Appl. Phys., 1988, 64, № 10, p. 6044-6046.
3. Молоканов В.В., Петржик М.И., Михайлова Т.Н. и др. Влияние термической обработки расплава на свойства и стеклообразующую способность магнитомягкого сплава Fe76.6Ni13Si86B13.5. - Расплавы, 2000, № 4, с. 40-48.
4. Конев С.Н., Довгопол С.П., Гельд П.В. Диаграмма состояния системы Fe-B в расплаве. - Докл. АН СССР, 1982, 262, № 1, с. 88-90.
5. Шмакова К.Ю., Баум Б.А., Тягунов Г. В. и др. Вязкость сплавов системы железо-бор-кремний. - Расплавы, 2000, № 5, с. 20-25.
6. Ладьянов В.И., Бельтюков А.Л., Шишмарин А. И. Температурные и концентрационные зависимости вязкости расплавов системы Fe-B. - Расплавы, 2005, № 4, с. 34-40.
7. Баум Б.А., Гельд П.В., Кочеров П.В., Рысс М.А. Вязкость железа, кремния и их сплавов. - Изв. АН СССР, Металлы, 1968, № 5, с. 60-66.
8. Туровский Б.М., Любимов А. П. Вязкость и электросопротивление жидких сплавов системы железо-
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.