Термист Термомеханическое упрочнение арматурного проката технология, средства, разработка

Как очистить металл от примесей?

Очень тонка невидимая грань, отделяющая науку о фазовых диаграммах от практических задач материаловедения. Установленный сегодня элемент диаграммы, будь то область существования новой фазы, более точное проведение линии или даже корректировка положения отдельной точки, может завтра трансформироваться в создание уникального по свойствам материала или в разработку эффективного и экономичного технологического процесса.

Даже то немногое, что мы узнали о фазовых диаграммах, достаточно для решения важнейшей практической задачи получения чистых химических элементов. Нам уже известно, как сильно сказывается иногда содержащаяся даже в ничтожном количестве примесь на свойствах металлов. Но настоящим бедствием стали примеси в технологии полупроводников. Долгое время прогресс в этой области тормозился отсутствием действенных методов очистки.

Допустим, что в образце элемента А в небольшом количестве (концентрацией C₀) содержится нежелательная примесь В, а угол фазовой диаграммы сплавов A + B соответствует рис. 1. Схематически именно так выглядит угол и уже знакомой «сигары», и некоторых других типов диаграмм.

Рис. 1. Часть диаграммы состояния при растворении B в A

В интервале температур от T₁ до T₂ сплав концентрации C₀ находится в двухфазном состоянии. При этом, как видно из диаграммы, концентрация элемента B в твердой фазе (C_т) ниже, чем в жидкой (C_ж). Это обстоятельство и подсказывает путь к решению. Чтобы очистить образец металла A от примеси B, его достаточно нагреть, переводя в двухфазную область, и слить жидкую фазу. Чем ближе к T₁ будет выбрана рабочая температура процесса T, тем ниже окажется содержание примеси в твердой фазе и тем эффективнее с точки зрения очистки будет процесс.

Однако такой путь нерационален по другой причине. Чем ближе к T₁ мы будем выбирать рабочую температуру, тем меньшим становится относительное количество твердой фазы. В этом легко убедиться, пользуясь правилом рычага. Сливая жидкую фазу, нам действительно удастся понизить концентрацию примеси в твердой, но самой твердой фазы, к сожалению, останется очень мало.

Но все-таки «нащупана» многообещающая закономерность: примесь очень неравномерно распределяется между твердой и жидкой фазами. Это обстоятельство, несомненно, можно использовать для очистки металлов и полупроводников. Нужно лишь отыскать основанное на нем разумное технологическое решение. Было разработано несколько вариантов технологических процессов. Самым гибким и эффективным из них следует признать предложенный в начале 50-х годов метод зонной плавки.

Очищаемый образец в виде прутка подвергается местному расплавлению перемещающимся кольцевым нагревателем (рис. 2). Согласно диаграмме состояния жидкая фаза концентрирует в себе примесь, и расплавленный участок при своем движений по прутку собирает примесь в себя. После того как нагреватель доходит до конца прутка, обогащенная примесью узкая зона на этом конце отрезается, а процесс повторяется снова. Многократным повторением проходов удается понизить содержание примеси в 100 и более раз.

Рис. 2. Принципиальная схема метода зонной плавки

Говорят, что отдаленный прообраз зонной плавки существует в природе: сходным образом лиса избавляется от блох. Держа в зубах оторванный клочок шерсти, хитрый зверь медленно входит в воду. Блохи (подобно примеси в металле) крайне неравномерно распределяются между еще сухими и уже «затопленными» участками шкуры и, разумеется, норовят остаться на сухом. Последним сухим оплотом для блох лиса оставляет тот самый кусок шерсти, который зажат у нее в зубах. Ничего не подозревающие паразиты безмятежно группируются на нем, а лисе остается лишь разжать зубы и выпрыгнуть на берег... Достоверность сообщения вызывает определенные сомнения, но в любом случае аналогия наглядна и остроумна.

Путем зонной плавки достигнута очень высокая чистота алюминия, железа, меди, свинца и ряда других металлов и полупроводников.

Существует математическая теория, которая позволяет (зная соответствующие диаграммы) выбирать оптимальные параметры процесса: рабочие температуры, длины прутка, нагревателя и отрезаемой части, количество проходов и т. д. Можно представить себе, что связанные в единый комплекс нагреватель, анализатор химического состава и управляющий ими компьютер с заложенной в нем информацией о фазовых равновесиях способны полностью автоматизировать процесс очистки.

Использована публикация:
Штейнберг А.С. Репортаж из мира сплавов. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 256 с.
стр. 47 - 49.

К началу страницы

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди "Не укради"

Редактор сайта: Гунькин И.А. (termist.com@gmail.com)