Розділ 2
Розробка методІв одержання і дослідження квазікристалічних галійованих сплавів
системи Al-Cu-Fe
В даному розділі наведено характеристики вихідних матеріалів, викладено методи
отримання та технологічної обробки зразків й обґрунтовано вибір комплексу
використаних методів досліджень.
Обґрунтування і вибір об’єктів досліджень
Вибір компонентів сплаву системи Al-Cu-Fe. Об’єктами для досліджень було обрано
сплави системи Al-Cu-Fe з хімічним складом Al65Cu20Fe15 та Al62Cu21Fe17 в
області формування квазікристалічної структури (згідно діаграми стану).
у приладах, обладнанні та устаткуванні об’єктів машинобудування,
приладобудування, радіотехнічної та радіоелектронної галузей широко
застосовуються як електроконтактні матеріали сплави на основі алюмінію, міді,
срібла, заліза [144] тощо. Тому, виходячи з того, що матеріали системи
Al-Cu-Fe, що досліджуються в дисертаційній роботі, мають нетрадиційну будову зі
значним вмістом квазікристалічної компоненти [10], що спричинює отримання
високого рівня фізико-механічних, електричних, антифрикційних властивостей,
було привабливим здійснити спробу одержання матеріалів електротехнічного
призначення з варійованим рівнем властивостей. До того ж вибір цих компонентів
пояснюється їх розповсюдженістю та недефіцитністю.
Для отримання сплавів використовували чисті метали (чистота 99,998%). В
табл.2.1. наведений хімічний склад вихідних матеріалів згідно сертифікатів
виробника.
Основні фізико-механічні характеристики вихідних матеріалів наведені в табл.
2.2.
Таблиця 2.1.
Хімічний склад матеріалів згідно сертифікатів виготовлення
Домішки, мас %
Матеріал
Al
Cu
Fe
Bi
4Ч10-6
Fe
2Ч10-5
3Ч10-6
Mn
4Ч10-6
5Ч10-6
6Ч10-5
Si
7Ч10-7
4Ч10-5
7Ч10-5
Ni
3Ч10-7
2Ч10-5
3Ч10-5
Таблиця 2.2.
Фізико-механічні характеристики алюмінію, міді та заліза [145, 146].
Характеристика
Матеріал
Al
Cu
Fe
Кристалографічні параметри:
- тип гратки
- постійні гратки, нм
ГЦК,
а=0,4041
ГЦК,
а=0,3615
ОЦК (a-Fe),
а=0,2866
Температура плавлення, К
933
1356
1809
Температура кипіння, К
2673
2853
3173
Щільність, кг/м3
2700
8940
7870
Твердість, МПа
НВ 245
НВ 343
Нм 841
НВ 400
Нм 600
Пружні сталі, ГПа
Е=68,5
G=26,2
н=0,34
Е=119
G=42,2
н=0,34
Е=206
G=82
н=0,29
Питомий електричний опір, с , ОмЧсм
2,7Ч10-6
1,7Ч10-6
8,9Ч10-6
Обґрунтування вибору галію. Враховуючи можливість застосування
квазікристалічних сплавів не лише як покриттів різного технологічного
призначення, а й спроби використання об’ємних деталей, необхідно було розробити
заходи, щодо підвищення пластичності квазікристалічних матеріалів. Аналізуючи
можливі галузі використання досліджуваних сплавів, звернули увагу на значне
збільшення швидкодії елементів мікропроцесорної техніки при легуванні
відповідних матеріалів галієм. До того ж Ga має широке застосування в
виробництві напівпровідникових приладів в основному як легуючу домішку
(наприклад, як акцептор для германію). Так, для збільшення ефективності емітера
галій додають в електродний емітерний сплав. Крім того, його додають в багато
електродних сплавів для омічних контактів з достатньо низьким питомим
електричним опором.
Поряд із зазначеними цінними властивостями галій є достатньо розповсюдженим
хімічним елементом. Так, на думку спеціалістів U.S. Geological Surveys світові
ресурси галію, що пов’язані з родовищами бокситів, складають 1 млн. тон [147].
Значні запаси галію мають Китай, США, Росія, Україна, Казахстан. За оцінками
спеціалістів U.S. Geological Surveys в 2003 році було одержано 69 т первинного
галію. Основними виробниками первинного галію є Китай, Німеччина, Японія,
Казахстан та Україна. Промислові потужності з виробництва первинного галію в
2004 році оцінювались в 165 т, високочистого галію – 140 т, вторинного галію –
68 т. Як згадувалося раніше, структура споживання галію [143] на дві третини
складається з потреб мікроелектроніки (застосовуються в військовому обладнанні,
комп’ютерах й телекомунікаційних системах зв’язку) та на третину з використання
в новітніх технологічних напрямках - оптоелектронних приладах (світлодіодах,
лазерних діодах, фотодіодах й сонячних батареях.
З огляду на недефіцитність галію в Україні та на його корисні властивості (про
що буде викладено нижче), виявляється доцільним дослідити вплив Ga як
ефективного легуючого елементу для сплавів системи Al-Cu-Fe з квазікристалічною
структурою.
Для досліджень використовували чистий галій (чистота 99,998 %). В табл.2.3.
наведений його хімічний склад згідно сертифікатів виробника, а основні фізичні
властивості галію наведені в табл. 2.4.
Таблиця 2.3
Хімічний склад галію згідно сертифікатів виготовлення
Домішки, мас %
Bi
Fe
Mg
Mn
Si
Al
Zn
Cu
Ni
Pb
Cr
1Ч10-6
4Ч10-5
3Ч10-5
1Ч10-6
7Ч10-5
3Ч10-5
5Ч10-5
6Ч10-7
8Ч10-6
5Ч10-6
3Ч10-6
Таблиця 2.4
Фізичні властивості галію [145, 146]
Назва
Величина
Зовнішній вигляд
твердий і крихкий блискучий метал з сіро-зеленоватим відтінком
Знаходження в природі
Не утворює власних мінералів. Звичайно він міститься в алюмінієвих і цинкових
рудах.
Вміст в земній корі - 1,5·10–3 мас. %
Кристалографічні параметри:
- тип гратки
- постійні гратки
Ромбічна гратка
а=0,45197 нм, b=0,76601 нм
c=0,45257 нм
Температура плавлення, К
302,8
Температура кипіння, К
2523,0
Окислення
На повітрі при звичайній температурі стійкий. Вище 260 0С в сухому кисні
спостерігається повільне окислення.
Щільність
5,9 мг/м3 –твердий Ga (при 200С)
6, 095 мг/м3 – рідкий Ga
Твердість, МПа
НВ 24,5 – 68,6
Нм 110
Пружні сталі, ГПа
Е = 10
G = 4,3,
м= 0