К. ф.-м.н. Белая О.Н.

Белорусский государственный педагогический университет, Беларусь

Д.ф.-м.н. Шепелевич В.Г.

Белорусский государственный университет, Беларусь

СТРУКТУРА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ  In–(15…25) ат. % Pb

В последнее время особый интерес вызывают процессы высокоскоростного затвердевания бинарных сплавов, инициированные глубоким переохлаждением поверхности фазового превращения [1‑4]. В таких условиях процесс затвердевания протекает вдали от локального равновесия, что оказывает существенное влияние на формирование микро- и макроструктуры образующейся твердой фазы, ее физико-химические свойства, распределение примесей и возможных дефектов. При затвердевании глубоко переохлажденного расплава достигаются скорости роста, сопоставимые по величине или превышающие скорость диффузионного распространения компонентов затвердевающей системы.

Сплавы на основе индия имеют широкое прикладное значение, так как могут быть использованы для создания припоев, литейных, подшипниковых, антикоррозионных сплавов. В частности сплавы системы индий ‑ свинец применяют для улучшения антифрикционных свойств подшипников, работающих в условиях повышенных давлений и скоростей скольжения. Процессы получения продукции методом высокоскоростного затвердевания позволяют получать данные сплавы с улучшенным набором характеристик, которые недостижимы при использовании традиционных методов литья. В связи с этим целью работы является исследование структуры и свойств быстрозатвердевших фольг сплавов на основе индия.

Фольги используемых материалов получены при затвердевании капли расплава (~ 0,2 г), инжектированной на внутреннюю поверхность вращающегося медного цилиндра. Линейная скорость поверхность цилиндра 15 м/с. Толщина используемых фольг составляла 30…80 мкм. Скорость охлаждения расплава, как показал расчет, была не менее 106 град/с. Наблюдение топографии фольг проводилось на растровом электронном микроскопе LEO 1445 VP. Для анализа распределения анализируемых элементов осуществлялось сканирование по заданной линии. Рентгеноструктурные исследования выполнялись на дифрактометре ДРОН-3М в медном излучении. Текстура фольг исследовалась методом обратных полюсных фигур. Полюсная плотность дифракционных линий определялась по методу Харриса.

На рентгенограмме фольг индия, содержащих 25 ат. % Pb, наблюдался ряд дифракционных линий 101, 002, 110, 112, 200, 103, 211, 202, 123, которые, как показали расчеты, принадлежат α-фазе. Также были определены угловые положения дифракционных линий, соответствующие межплоскостные расстояния.

Исходя из положения дифракционных линий установлено, что α-фаза является тетрагональной. С увеличением концентрации свинца в α-фазе параметры а и с, а также объем элементарной ячейки Vα возрастают, а отношение с/а изменяется незначительно. Наблюдаемые зависимости а, с, Vα от состава вызваны тем, что металлический радиус атома свинца rPb=0,174 нм [5] превышает металлический радиус атома индия rIn = 0,157 нм и с ростом концентрации свинца происходит увеличение межплоскостного расстояния.

Металлографические исследования показали, что фольги индия имеют микрокристаллическую структуру. Гистограмма распределений максимальных длин хорд поперечных сечений зерен быстрозатвердевших фольг In–20 ат. % Pb по размерным группам представлена на рисунке 1. Обнаружено, что средний размер зерен фольг сплава In–20 ат. % Pb составляет 13 мкм, при этом удельная поверхность межзеренных границ SS равна 250 мм‑1.

Рассчитаны полюсные плотности быстрозатвердевших фольг α-фазы. Наибольшее значение полюсной плотности принадлежит дифракционной линии 202. То есть в фольгах исследуемой фазы формируется текстура (202). При этом текстура более сильно выражена со стороны фольга А, прилегающей к поверхности кристаллизатора, чем к свободной поверхности В. На долю данной текстуры приходится не менее 60 % объема фольги.

 

Рисунок 1 ‑ Распределение максимальных длин хорд поперечных сечений зерен быстрозатвердевших фольг In–20 ат. % Pb по размерным группам

 

Формирование текстуры наблюдалось и в полученных в аналогичных условиях быстрозатвердевших фольгах алюминия, свинца и цинка [6 – 8]. Указанные металлы имеют различные кристаллические решетки, однако текстура в них определяется наиболее плотноупакованными плоскостями, имеющими наибольшие межплоскостные расстояния. В случае фольг In–15…25 ат. % Pb такой плоскостью является плоскость 202.

При высокоскоростном затвердевании зеренная структура фольг находиться в термодинамическом неучтойчивом состоянии, что обусловлено наличием зерен с разным числом сторон и размером зерен, неуравновешенностью стыков границ зерен. Так отжиг при температуре 130 оС фольг индия с концентрацией 15 – 25 ат. % Pb приводит к изменению текстуры. В частности у фольг сплава In–15 ат. % Pb наблюдается незначительное усиление текстуры 202, а в фольгах сплавов In–20 ат. % Pb и In–25 ат. % Pb ослабление текстуры 202 в 1,2 раза и 3 раза соответственно.

Таким образом, при высокоскоростном затвердевании фольги сплавов индия, содержащие 15 – 25 ат. % свинца, характризуются микрокристаллической структурой, наличием тетрагональной α-фазы с текстурой (202). При этом фольги структура фольг находиться в термодинамическом неучтойчивом состоянии, приводящем к изменению текстуры α-фазы при отжиге.

 

Литература

1. Салли, И.В. Кристаллизация при сверхвысоких скоростях охлаждения / И.В. Салли – Киев.: Навукова думка, 1972. – 136 с.

2. Высокоскоростное затвердевание расплава (теория, технология и материалы) / В.А. Васильев [и др.]; под общ. ред. Б.С. Митина. – М.: «СП ИНТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ», 1998. – 400 с.

3. Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото. – М.: Металлургия, 1987. – 328 с.

4. Lavernia, E.I. Rapid solidification processing with specific applications to aluminium alloys / E.I. Lavernia, I.D. Ayers, T.S. Srivatson // Intern. Mater. Rev. – 1992. – Vol. 37, № 1. – P. 1–44.

5. Ормонт, Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллографию полупроводников / Б.Ф. Ормонт. – М.: Высшая школа. – 1968. – 488 с.

6. Лозенко, В.В. Зёренная и субзёренная структура быстрозатвердевших фольг цинка и сплавов на его основе / В.В. Лозенко, В.Г. Шепелевич // Неорганические материалы. – 2007. – Т. 43, № 1. – С. 1–5.

7. Шахрай, О.Н. Текстура быстрозатвердевших фольг свинца и его сплавов / О.Н. Шахрай, В.Г. Шепелевич // Весцi Нацыянальнай Акадэмii навук Беларусi. Серия физико-технических наук. – 2004. – № 3. – С. 32–34.

8. Неумержицкая, Е.Ю. Структура, свойства и термическая стабильность быстрозатвердевших фольг сплавов алюминия с хромом, никелем и марганцем / Е.Ю. Неумержицкая, В.Г. Шепелевич // Перспективные материалы. – 2005. – № 4. – С. 69–73.