close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

267.Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии №3 2009

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Журнал Сибирского федерального университета
Journal of Siberian Federal University
2009
2 (3)
Техника и технологии
Engineering & Technologies
Редакционный совет
академик РАН Е.А.Ваганов
академик РАН К.С.Александров
академик РАН И.И.Гительзон
академик РАН В.Ф.Шабанов
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат.наук
А.Г.Дегерменджи
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.Л.Миронов
чл.-к. РАН, д-р техн. наук
Г.Л.Пашков
чл.-к. РАН, д-р физ.-мат. наук
В.В.Шайдуров
чл.-к. РАО, д-р физ.-мат. наук
В.С. Соколов
Editorial Advisory Board
Chairman:
Eugene A. Vaganov
Members:
Kirill S. Alexandrov
Josef J. Gitelzon
Vasily F. Shabanov
Andrey G. Degermendzhy
Valery L. Mironov
Gennady L. Pashkov
Vladimir V. Shaidurov
Veniamin S. Sokolov
Editorial Board:
Editor-in-Chief:
Mikhail I. Gladyshev
Founding Editor:
Vladimir I. Kolmakov
Managing Editor:
Olga F. Alexandrova
Executive Editor for Engineering &
Technologies:
Vitaly S. Biront
Contents / СОДЕРЖАНИЕ
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов
Расчет влияния условий роста на коэффициент распределения
примесных атомов между расплавом и растущим кристаллом
– 227 –
В.С. Биронт, И.В. Блохин
Некоторые особенности фазовых превращений в системе
железо-углерод
– 238 –
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов,
В.В. Иванов
Применение серебра (обзор)
– 250 –
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov,
Gennady E. Nagibin, Sergey S. Dobrosmislov,
Alexander O. Gusev and Dmitry A. Simakov
Investigation of Electrical Characteristics of High Temperature
Ceramic-Metal Contact Assemblages
– 278 –
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов,
Г.М. Зеер, Т.В. Осипович, С.Д. Кирик
О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
– 283 –
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков
Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем на основе корунда различной дисперсности
– 294 –
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский
Информационно-управляющая система процессом электролитического рафинирования меди
– 301 –
Редактор А.А. Назимова Корректор Т.Е. Бастрыгина
Компьютерная верстка И.В. Гревцовой
Подписано в печать 20.10.2009 г. Формат 84x108/16. Усл. печ. л. 9,5.
Уч.-изд. л. 9,0. Бумага тип. Печать офсетная. Тираж 1000 экз. Заказ 839/09.
Отпечатано в ИПК СФУ. 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82a.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Editorial board for Engineering &
Technologies:
Yury D. Alashkevich
Viktor G. Anopchenko
Sergey M. Geraschenko
Gennadiy I. Gritsko
Lev V. Endjievsky
Sergey V. Kaverzin
Valery V. Kravtsov
Vladimir A. Kulagin
Sergey A. Mikhaylenko
Vladimir V. Moskvichev
Anatoli M. Sazonov
Vasiliy I. Panteleev
Sergey P. Pan’ko
Peter V. Polyakov
Viktor N. Timofeev
Galina A. Chiganova
Oleg Ostrovski
Harald Oye
Свидетельство о регистрации СМИ
ПИ № ФС77-28-722 от 29.06.2007 г.
Г.М. Алдонин, С.П. Желудько
Индекс эффективности коррекции функционального состояния организма
– 311 –
Г.В. Фадеева
Инновационные исследования по проведению анализа оплаты
труда в строительстве
– 318 –
В.В. Леонов
Микротвердость тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb
на основе никеля
– 334 –
А.В. Минеев, Е.Е. Милосердов
Моделирование нагрузки ленточного конвейера роторного
экскаватора большой единичной мощности
– 337 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 227-237
~~~
УДК 538.911; 539.21
Расчет влияния условий роста
на коэффициент распределения примесных атомов
между расплавом и растущим кристаллом
j | aC 0 bC l В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов*
Сибирский федеральный университет,
jl jls 79j s 1
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный,
j | aC 0 bC l ɋl 0 Ʉl
ɋl
jl jlsрасплав-растущий
js
Потоки примесных атомов (ПА) на каждом из участков 0≤х≤l системы
bC l а и b определены
j|
l aC
кристалл представлены в виде выражения j | aC 0 bC
, в0котором
j
|
aC
0
bC l ɋ 0 ɋ s 0υΘ)
через скорости переноса ПА (конвективную – υс, дрейфовую – υd и термодиффузионную –
l
Ʉ ls
Ʉl
соответственно в расплаве – (аl, bl), в кристалле –
ɋl разделаɋфаз –
jls j sна границе
l 0 jl jls(аs, jbss),jlа также
(аsl, bsl). Из условия квазистационарности процесса роста jl jls j s найдены коэффициенты
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
ɋ s d s ɋ s 0 ɋl 0 Ʉ ɋl 0 , Ʉ
Ʉ
распределения концентраций ПА на каждом из
l
Ʉ lучастков
ɋɋl 0 ls ɋ 0 , s
ɋ s 0
l
l
Ʉl
ɋl
ɋl расплава и охлаждаемой
и определен общий коэффициент распределения ПА между объемом
j | aC 0 bC l C
Cs
Ʉ ɋ s dанализировать
ɋ sК0позволяет
s
ɋ s 0 Ʉ для
частью растущего слитка K = s . Полученное выражение
K
s
ls
Ʉ ls
ɋ
0
Cl
Cl
ɋ s 0
ɋls0
jl jls слитка –
j sɋl 0 υɄс,lsградиента
влияние режимов роста (скорости вытягивания
ɋl 0 температур (через υΘ)
и силовых полей (через υd)) на перенос и накопление ПА в растущем кристалле.
ɋ s 0 Cs
ɋ s d s ɋ s d s Ʉ
.
Ʉ ls
K
ɋ
s
Ключевые слова: примесные атомы, расплав,
кристалл,
условия
роста.
Ʉ
ls0 ɋ
d
ɋl 0 Cl
Ʉl
ɋss 0s
Ʉ
ɋ
0
s
s
ɋl
ɋ s 0
ɋ s d s ɋ s 0 1. О процессах переноса частиц в системе
расплав –Cрастущий
кристалл
,
. Ʉ ls
Ʉ ls
K Cs
ɋ s 0C s
K
ɋl d l ɋl 0 Ʉ ls
Cls
При выращивании кристалла из расплава
по
методу
Чохральского
используются
максиK
C
l
ɋl 0
Cl
мально возможные градиенты температур на фронте кристаллизации,
а вытягивание слитка по
1
1
1
0
ɋ
s d s термоупруs [1, 2]. В ɋ
ɋ
мере его роста создает у границы раздела фаз ɋупругие
напряжения
таком
s 0
,
Ʉ
.
Ʉ
6
3
d
ls
ls
.
,6 ˜ Dl ˜ K ˜ Z 2 .
ɋ s 00
ɋl (ПА)
d ld A |и1ваканɄ s Ʉ lss s ɋ
ɋ
l
.
Ʉ
0
гом поле осуществляется диффузионно-дрейфовый
перенос
примесных
атомов
ls
l
ɋ s 0
ɋl 0 сий из расплава (l-фазы) в кристалл (s-фазы). При этом особую роль играет фильтрационный
1
1 2 Dl1
ɋ s d s . у
X l 3из них,
ɋ s dрасплава
эффект на l/s-границе оттеснения ПА с Кls <C1 в глубь
и экстракции
тех
sɄ
,
6
ls
, ɋɋsddsdA | 1,6 ˜ Dl ˜ K ˜ Zd l 2 .
Ʉs ls
K
l
l
, распределения ПА
ls коэффициент
ɋl dкак
которых Кls > 1, где коэффициент фильтрации C
Кlls известен
lɄ
ɋl d l на границе раздела фаз:
X d ! fX c .
1
1 2 Dl 1
1
1
1 X
.
l 31
6
ɋ s 0 2
1
1
,6 ˜2D. l ˜ K ˜ dZl .
Ʉ ls d A | 1,6. ˜ Dl6 d˜ KA 3| ˜1Z
(1.1)
d A | 1,6 ˜ Dl6 ˜ K 3 ˜ Z 2 .
ɋl 0 'T
ds
,
Здесь Сs(0) и Сl(0) – концентрации ПА соответственно в s- 2иDl-фазах.
G
X d ! fX c .
l
2 Dl
X ɋ d . X l 2dDl .
* Corresponding author E-mail address: loginov@sibsau.ru
l .
Ʉ ls l s dsl , X l
1
dT
© Siberian Federal University. All rights reserved
ɋl d l dl
'T
ds
, G dɯ
G
– 227
X d !– f1X c . 1 X d ! fX c .
X d 1! fX c .
X d uF u Fx FT X x XT .
d A | 1,6 ˜ Dl6 ˜ K 3 ˜ Z 2 .
dT
'T
G
'T
ds
, d s 'GT ,
dɯ
ds
,
G
D
2 Dl
G
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
jl
s
s
Ʉs
ɋ s 0
jls j |j saC 0 bC l jl jls j s
j | aC 0 bC l j | aC 0 bC l jl jls j s
Cs
ɋ
0
K ljl условий
jls j sроста на коэффициент распределения…
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет
Ʉ l влияния
ɋl 0 Cl
ɋl Ʉ
j | aC 0 jl bCjlsl j s
l
ɋl
ɋl 0 Расчет распределения Сs(х) и Сl(х) у l/s-границы
от режимов
роста кристалла
Ʉl
ɋl 00взависимости
j
|
aC
bC
l
Ʉ l ɋ s 0 ɋl
ɋl 0 ɋ
0
(градиентов температур, скорости вытягивания
слитка
ɋl . υс и т.д.) является необходимым
Ʉ lss
jl jls Ʉj s этапом
Ʉ ls
j | aC 0 bC l l
ɋl 0 ɋ s 0 ɋl
0Ʉlsl bC
в определении
коэффициента
ПА в l/s системе
j | aC 0 эффективного
bC l ljjраспределения
j | aC 0ɋ
jls 0 ɋjs bC
l | aC
ɋ s 0 l 0 l Ʉ ls
ɋ 0 ɋ 0 jl jls j s
Ʉ ls ɋ s sd s Ʉ l ɋl 0l
ɋ(1.2)
ɋ
d
jl jls j s
ɋl 00 , s 0 ɋlɄ
jl Ʉ jls Ʉ lsjssj s jɋ
l d
ls
ɋljssd s s
l ɋ l ls
Ʉ
ɋl 0
sɋ
ɋ s l0Ʉ
ɋl 0 l ɋ 0 ɋ s d s s
Ʉ
ɋ 0l ds ɋ 0 где С
расплава)
(в объеме Ʉ
слитка)
концентрации
s
s ɋɋиsl выходная
ɋ
ɋl входная (в объеме
l 0Ʉ
1
Ʉsl(ds) иl Сl(-dl) –
01 1
Ʉ lsɋ s 0s
Ʉl
ɋ s d s Ʉ
C
ɋ
600˜K 3 ј Zl(-d2l). задается примесным
ɋl Ʉ0составом
l
частиц на расстояниях
ds и dl от l/s-границы.
ɋD
6 ˜ɋ
K ɋdl As |l1,При
ɋssCllэтом
s
s
Ʉ
ɋ s 0
Cl ls Kрассчитаны с помощью уравнений переноса
расплава, а Сs(0),
ɋlC0
0l(0)
и Сs(ds) должны быть
ɋs С
Cs
l
Ʉ
K ds и dl ɋактивных
ɋ s ls0 Cs
ɋ s 0Kопределены
частиц.
быть
и протяженности
зон
s d s 2D
ɋl 0 с этим должны
Ʉ ls Одновременно
ɄCs l
l ɋ s 0 Ʉ ls
X
.
Cs
Ʉ
0
ɋ
ɋ
0
l
ɋ
0
ɋl 0s ls dC. lɋ
в расплаве lи кристалле, в которых иɄпроисходит
перераспределение
частиц
в
обе
стороны
от
s
dɋss0
K
l ɋsl 0
ls
C
ɋɄl s0Ʉ
.
l
ls ɋ 0 l/s-границы.
ɋ d s ɋ 0 ɋ s 0 Ʉds s s s
Ʉ ls показано,
ɋ
ɋ. s 0 l
C .
s
ɋ
d
основе
гидродинамики
расплава
под
вращающимся
диском
было
dl заX
!
f
X
s
s
ɋ
0
ɄНа
ɋ
d
dɄ ls
c s
K ɋl s0 что ɋ
s
s
Ʉs
s.
Ʉ
ɋ
d
ɋ
0
s 0 0
ɋ
C
s
s
s
s
ɋ
0
l
l
C
.
Ʉ ls
висит от угловой скорости вращенияɄω,
расплава η и коэффициента
s
sɋ, s 0
ɋs dвязкости
ls кинематической
s
K
ɋl 0 ɋl Ʉd lsl 'TCl ɋ d ,
диффузии частиц
C s Dl по формуле
ɋ s d s l
l
d
,
Ʉ ls
Cs K
ɋ 0 ,
C s sɄ GCɋ s d s ,
Cl
K
Ʉ lsɋl ds l . ɋ d K
ls 1 s 1
1
K
Cl
s
s
ɋ
d
0ls
ɋl Ʉ
C
ɋl s30 l 21 1
,
1
6C˜ K
l
d A |l 1,6Ʉ˜ D
˜
Z
.
(1.3)
.
ɋ
d
ls l
l
l
dT
6
3
2
ɋl1,06 ˜ Dl ˜ K ˜ Z .
dA |
1
ɋ s 0 1
1
G
.
1
1
1
ɋɄs ls0 dɯ
6
3
ɋ
d
0
ɋ
dсA нормальной
|Ʉ1,6 ˜ Dl s ˜ Ks состав˜,Z 2 .
s
. ɋl 0 ɄПри
этом считалось,
что движение
расплава
является
06 .˜ K 3 ламинарным
2.
ls
sD
Ʉ ls
1
1
1
ls
2 DdɄlA . | 1,6ɋ
˜
˜
Z
l
ɋl 0 ɋl d l ls
ɋ2sD
dl s 6 ˜K 3 ˜ Z 2 .
0
ɋ
ляющей скорости у входа в dl -зону: X l ɋXld0Ʉ . uF
1
,
6
d
|
˜
D
lu F . ,F X X .
A
l
d l lsX l
x
T
ɋl dl dx l T
2 Dl
ɋ s d s Xl
.
2D
,
1
1
ɋɄslsd s ɋ s Xdl s ɋl . d (1.4) 1
dl
ɋ,l d l Ʉ ls
6
3
s
s
,
Ʉ
2
D
X
!
f
X
.
D
d A | 1,6 ˜XDl ˜ K l ˜.Z 2 .
ls d
c ls d l
,
ɋl d l 1
ɋul Ʉ
d l X d ɋ
l
!l fX cd1.l 1
dl
T | 1,6 ˜ D 6 ˜ K 3 ˜ Z 2 .
d
A
1
1
l
1
X d ! fучасток
Xc .
зоной следует
В кристалле
же
активной
считать
высокотемпературный
0<х<d
'
T
s с
X d1, ! f1X c . 1
2 Dl
ds
d A |1 1,6 ˜1Dl6 ˜ K1 3 ˜ Z 2 .
'T1 1
1
X
.
l
6
T
ɤɌ
3
2
T0<T<T
к расплаву
в котором
дрейфовая
скоростьdчастиц
X d ! fυXdcсо.
2 ,.
1,6 ˜ D
.
d A s| ≡ T(d
s), прилегающий
d A | 1,6Т(0) = Т
˜G
Ddl6 ˜d|Ks1203,,D
l ˜K ˜ Z
6
3
2.
6˜ Z
G
l˜ D
'T l
A
l ˜K ˜ Z
X
.
поставима со скоростью конвективного переноса
υc, равной скорости
d s роста, кристалла. С
l
'среды
T
2 Dl
G
wHd l , запишем в виде
dTd sусловие
X
.
точностью
до
фактора
f
(>
0,01)
в
d
-зоне
это
s G
2 Dl l
X d ! fX cd. s 'T ,
2 DFl x w2G
dT
Xl
. dl
D
dɯ. G x l
Xl
G
dl
dl X
dT
(1.5)
X ld ! fdXdɯ
.. G
dT l c
'
T
G uDG
X d FuF
FT X x XT .
X d ! fX c .
d dɯ
, dT
T
s
dɯFТx uF
u Fx это
FT условие
X x XTвыполняется,
.
температурный интервал
можXОпределив
GG
s , в котором
d0 –
d ! fX c .
X d ! fX cΔΤ
. X = XТ
'
T
!
f
X
.
dɯ
c,
d ds
X
uF
u
F
F
но оценить протяженность
d
зоны
по
формуле
s
x
T X x XT .
DɌX d H muFG u Fx FT X x XT .d
D
'T
u
d
,
dT
D
'T s
'T
G
X d uF u Fx FT X x X
G
ds
,
ds
, d u 'TT , (1.6)
G
D dɯ
dT
G Gs D GH m
u
T
D u D0 ɟdɯ T .
dT
T ɤɌ
T ɤɌ
X d uF u u D
Fx FT X x XT .
dT G
T
dT
dɯ
где G
– градиент
температур.
Для этого необходимо
знать зависимость υd от Т. Известна
dT
T
G
dɯ
uF u Fx FT X x XTT . ɤɌ
dɯ wXGHd dɯ
следующая связь между силой, действующей
и υd:
ɤɌчастицу,
Fx T на
D
X d uF u Fx FT X x XT . wx Fx wH
u
T ɤɌ
X d uF u Fx FT X x XT .X
(1.7)
wTH
uF Xu FxDuF
FT wuxFX x FXT . X X .
d
FTx wH
x
T
x
ud
wx
T
x
FT DFG
D
wH
wxDG
Здесь
– подвижность частиц,
D –
их
коэффициент
диффузии,
T
ɤɌ , Fx –
F
D u
T
D
T
u
wx
D
обычнаяT сила (например, упругихu напряжений,
электрического поля), FT DG – термодифT H mFTu ɤɌ
DɌ
DG
T T
wH
фузионнаяTсила,
Fx FсT энергией
ɤɌ α – коэффициент. Величина DɌ H m может быть отождествлена
DG
T ɤɌ в коэффициенте диффузии
DɌ H m wx
миграции
T ɤɌ TF H mɤɌ wH
DɌx H m
T . wx H m
D D0–
ɟ 228
wH
–
F
FT D
GDɌ H m
D D0 ɟ T .
wHx
Hm
wH
wx
Fx H
w
H
Fx m
wx
D D0 ɟ T .
wx DFTx DDɟwG
T .
H
x
0
m
DɌ H m
FT DG
D D0 ɟ T .
FT DG
FT DG D
FɌ HDmG
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
FT
DG
DɌ
H
m
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет влияния условий
роста на коэффициент распределения…
D
D0 ɟ
H
m
T
.
(1.8)
Однако из-за слабой зависимости D0 от Т в кристалле добавкой к α, связанной с D0, можно
пренебречь. В этом приближении
XT
uFT
G˜
wD
wɌ
DH m G
˜ .
T Ɍ
(1.9)
Проведем оценки выполнения
Ʉ условия
Ʉ l ˜ Ʉ ls (1,5)
˜ Ʉ s для типичного режима роста кристалла кремния методом Чохральского [1].
3
Пренебрегая силовыми полями (Fx<<F
ɋl 0θ) и учитывая, что в горячей зоне Т > 10 К, G > 50 К/
Ʉ
-5
-4
2
l
см и что εm ≈ 1-2 эВ, находим, что условие
ɋl (1,5)
d l выполняется, если D > 10 -10 см /с и, согласно
(1,6), ds ≈ 1-10 см. Вакансии, междоузельные атомы и ПА с малыми ионными радиусами могут
обладать такими большими коэффициентами
C s d s диффузии и ds. В то же время для ПА с малыми
Ks
-5
2
D < 10 см /с при обычных режимах роста
быть υd << υс, и их перенос в кристалле будет
C s 0должно
определяться только конвективным путем со скоростью вытягивания слитка из расплава υс.
H
В расплаве подвижность ПА на порядок
m выше, чем в кристалле, и поэтому протяженность
T ,
Q
Q
ɟ
0
диффузионной зоны dl будет лимитироваться
в основном гидродинамикой (уравнением (1.3)).
Из изложенного следует, что для расчета эффективного коэффициента распределения ПА в
P
wD DH m G и диффузионносистеме расплав-растущий кристалл
учитывать
иGконвективный,
Ƚ необходимо
ɟ ' ,
˜
uF
˜ .
X
T
T
Q
wɌ
T(как вɌ [3] для собствендрейфовый процесс переноса ПА не только в расплаве, но и в кристалле
wD DHчто
G
m этот
ных точечных дефектов), а также на l/s-границе.
Это значит,
˜ . коэффициент, согласно
FOXT uFT ɄG ˜ Ʉ
˜
Ʉ
˜
Ʉ
D
' в виде
,
wD wɌlH m lsGT s Ɍ
(1.1) и (1.2), должен быть представлен
˜ .
XT T uFT G ˜
wɌ
T Ɍ
(1.10)
Ʉ Ʉ l ˜ Ʉ ls ˜ Ʉ s .ɋl 0
Ʉl
'H m OF
Ʉ Ʉ l ˜ Ʉ ls ˜ Ʉ s
ɋl d l Здесь
ɋl 0
X d uFɄ. l
ɋl 0ɋl d l C s d s Ʉl
, K
(1.11)
wD DH m G
˜ .
ɋl XdTl uFT s GC˜ s 0
wɌ
T Ɍ
Xd O
'
. C s d s K
D
s
– это коэффициенты распределения ПА,Cопределяемые,
соответственно,
процессами переноса
H
s dɄ
s C sɄ0˜ Ʉ ˜ Ʉ m
K
l
ls
s T
s
в dl -зоне (Кl) и в ds -зоне (Кs).
,
Q Q 0ɟ
X X CXs 0
c
d
Hm
ɋ 0 2. Исходные
Q H mуравнения
Q 0l ɟ T ,l Pпереноса
Ʉ
'
ɋlȽ d l ɟ ,
x r rO T
Q
,
Q Q 0 ɟ частиц
В конденсированных средах перенос
(в нашем случае – примесных атомов, ваканP
'
сий и междоузельных атомов) происходит
путем
их, перескока из одного квазиравновесного
ɟ1ɋ
j r O QȽr ɋ r P rC
s dr s 1F.O
P KQ'sдлиной
состояния в соседнее, разделенных
средней
λ и энергией активационного
'
,
Ƚ
ɟ , C 0перескока
T
s
Q
барьера εm. Частота перескоков ν определяется выражением
wɋ r
j'r 1 FO
j r .,
' HH mm OF
wt FO
T
'
, Q Q ɟ T ,
(2.1)
T
0
ɍ r OQ'rHɋmr , OF X d uF .
P
где εm – энергия миграции; ν0 – энтропийный
'H m OF Ƚ фактор.
ɟ ' ,
Q
При наличии силовых полей (упругих,
электрических,
PX
uF
.
X d O термодинамических) частоты переr d
,
Ƚr
'
.
Q
скоков по полю ν и против µ отличаются
X d uF
. фактор
D
r на
FO
'X O ,
' – d229T. –
jr ɍXr dOȽ r 1D
ɍ r 1X X c X d
'
.
D 'H
OF
m
wɋ r X X c X d xr rO
ɍ r 1 Ƚ rɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1 .
X
wt X X
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
s
ɋ 0
wɌ
T Ɍ
C sC0ls d s ɄK
l s
d0l ɋl C
C s ds s Ʉ Ʉ l ˜ Ʉ ls ˜ Ʉ s
Ks
Hm
C
0
D
s
wD
T H, m H m G
Hm
s
uFQT K sQусловий
G0 ɟ˜C s dроста
˜ .
XT влияния
В.М. Ленченко,
Ю.Ю. Логинов. Расчет
на коэффициент
распределения…
w0Ɍ
Ɍ
ɋl 0
Q QC
ɟs 0T , T
Q K Q 0 ɟC s Td s, Ʉl
s
H
C s 0
m
ɋ d l Q ˜PQɄ0 ɟ Xɟ T' , uF G ˜ wD DH m ˜ G l.
ȽɄ
Ʉ
Ʉ
˜
(2.2)
T
T
l
ls
s
H
P
P
D
'
wG
T Ɍ
Ƚ Q GTm˜ɟwwD
Ƚ
ɟH ' ,
D , DHH m
GɌ .
m
uF
˜
X
m
T
T
˜ .
XT Q uFTQ 0Qɟ G ˜ w, Ɍ
Q C s d s в котором
P wDw'Ɍ DH TT G Ɍ
Ks
Ɍ
Q Q 0ɟ T ,
ɋl Ƚ
0FO
,
ɟ
m
C s 0
ɄXl T uF
'T G
Q F˜, OwɄɌ Ʉ l T˜ Ʉ ls˜ ˜ɌɄ.s
ɋl Ʉd l˜T
FO
P
'
Ʉ
Ʉ
˜
Ʉ
'
,
(2.3)
ɟ, ss ,
Ʉ ȽɄ'll ˜ Ʉ lsls ˜ Ʉ
P
QT
Hm
Ƚ T ɟ ' ,
ɋ
0
FO
l
Ʉ C
Ʉ'
Q
l ˜'
HɄs lsɋ
Q Q 0ɟ T ,
l˜ TɄO0FsɄ, l ɋl d l s d m
K
Ʉ
где 'H m OF – изменение высотыs активационного
барьера под действием силы F,
'ɋ
H mlF0O OF
ɄCll s '0ɋ
d
l l,
ɋ
d
F
O
l
ɋ 0l Tв среде
вызывающей
частиц
со скоростью, которая
P определяется
'
,направленное перемещение
Ʉ l X d'l H muF .OF C s d s Ƚ
ɟ ' ,
T
X dd l uF
ɋlHm
X d uF .(1.7)
K.s
уравнением
Q
C d C s 0
TC
'
H mss dOssOF
Q QK
0 ɟss X ,X
K
duF
.
C
0
(2.4)
'H m OF
d
'
.
s
FO
Xd O
C s dCs sD0Xd O
'
,
H
'
.
'
.
Ks
m
.
T
P CXs d0' uFD
D (2.4) выражение (2.3) переписывается
T , виде:
С учетом
еще
в ɟтаком
Q
Q
H
,
Ƚ
ɟ
X
O
m
0
X d uF .
H md
QQ XQ' ɟXc T X, d.
Q Q H00Xɟ XXTDO, X
'H m OF
X Xc Xd
c
d
' Tm d . P
(2.5)
'
Xd O
,
Ƚ
ɟ
F
O
Q Q 0 ɟxr r,OD
'
.
'
,XP
X
X
Q
Ƚ
X d uF .
T Pxr ɟɟc rO'' ,, d
x rOD
Ƚ
QQ далее, это выражение обобщается
В rконвективной среде, как будет показано
заменой
X
X
X
P j O' cQ ɋd FPO ɋ .
r
r
r
r
1
r
1
,
Ƚ
ɟ
x
r
O
υ d на X X c X d , где υ с – скорость конвекционного
переноса (в нашем случае υ с – это ско'H m QOF rj
Xd O
O'Q r ɋ rT ,P r 1ɋ r 1 .
j r O Q r ɋ r P r 1ɋ r 1 .
r
F
O
'
.
F
O
рость вытягивания слитка из расплава,
равная
скорости
роста
кристалла).
Для
слитков
'
,
x
r
O
' wɋTr ,
D
r
j
O
Q
ɋ
P
ɋ
.
T
xr rдиаметра,
O
r
r
r
r
1
r
1
большого
выращиваемых
по
методу
Чохральского,
можно
ограничиться
ана
j
j
.
FO. wɋ r '
X d uF
1H
r
wɋ r
'
w,t r
m Oj F.
j
j
j
.
r 1 r 1 частиц
r
лизом переноса
в одномерном 'приближении,
пренебрегая
T j r wOtFO Q r ɋ
X X c Xэффектами.
Prr 1ɋ r 1 . боковыми
d
r
wt
F
'HH m
m wɋO
j
O
Q
ɋ
P
ɋ
.
r
Введемr нумерацию
атомных
плоскостей,
l/s-границе,
индексом
r, так, что
X d Oɍпараллельных
r r
r 1 r 1
jɋ
jr .
rdr1 , uF
''H
.rFwt OQ rX
O
m
c r, ν r,ɍµrr, υ rOQ
и rт.д. –
D wɍ
OQ ɋ с, координатой xr rO , где λ – межɋ r , это параметры уравнений
ɋпереноса
X
X dd uF
uFr .. j r r1 r j r .
wɋ r
плоскостное
расстояние
(в
расплаве –
это
среднее
расстояние). Для простоwt r межатомное
j r 1 j r .
ɍ. r POQ
ɋ r X, d O .
r
,
Ƚ
X
uF
'
X
X
X
w
t
r
d c
d плоскостей
j r O Q r ɋ r барьер,
P r 1ɋ r 1 .
P
ты будем P
считать,
что каждая из атомных
образует энергетический
X
r
XȽdd O
Or Q. r r , D
,
Ƚr
'
ɍ
OQ
ɋ
,
'
.
Q rr r может быть описан следующим выr модели
Q r через который в перескоковойD
поток частиц
ɍ r OQ r ɋ r ,
OȽD P rX , X X
xr rX
O
d
wɋ r
ражением:
'
jr .r ɍ rQ Ƚ r 1ɍc r 1 d
j r 1 j r .
r
D
P
wt
X
X
jr ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1
c j
dɍrr , Ƚ r 1ɍ r 1
rX
X
X
X
Ƚ
c
d
Pr
j r O Q r ɋrr QPrrx1ɋ r r1O. (2.6)
,
Ƚr
r
jrrd ɍɍ
Ƚ r1Ƚɍ rɍ1 ɍ Ƚ ɍɍ OQ
X X c wɋX
Qr
r .
ɋ
,
r 1
r r
r
r 1 r r 1
r r
x rrtO
wɋ r смежных
wɋ r Сr и Сr+1 – концентрации частиц
Здесь
состояниях;
νr и
O
ɍȽr 1 ɍ Ƚмежплоскостных
ɍ r 1 Ƚ rɍ r ɍ r Ƚ r 1wɍɋr r1 x.rr вwjдвух
r ɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1 .
ɍ
w
t
r
r
r
1
r
1
j
O
Q
ɋ
P
ɋ
.
w
t
j
j
.
r
r
r
r
1
r
1
µr+1 – частоты перескоков вперед и обратно
через
r 1 r-й
r атомный слой. Соответственно, уравнение
jr ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1
wxtr j rO wOɋQr ɋ ɍ P ɋ
P
Ƚвид
r1ɍ
r 1ɍ r 1 r. ,
r ɋ r r P1 r 1ɋ
1 r2.. ɍ r Ƚ Ƚ
j rr ɍ Owприобретает
Q
кинетики накопления частиц в r-м состоянии
r
c
c
c
r
r
r
1
r
1
ɍ
ɍ
ɍ
o
O
O
t
Qr
1 2
1
wr ɋ1 r
wɍ
ɋ r OɍȽ c2ɍ
ɍɋr,1o
ɍ
rO
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc
ɍ
ɍccr Ƚ r 1ɍ r 1 .
j
O
Q
P
ɋ
.
j
j
.
r
1
r
ɍ
OQ
ɋ
wɋ r
r
r
r
r
1
r
1
r
1
r
2
ɍ r 1 Ƚ r2ɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍr r 1wwɋɋ. rrr wrt j wjt . 1
(2.7)
wt
ro
1 r .Oɍ c 1 O2ɍ cc
ɍ
ɍ
j
j
jr ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1
r 1
r
wwttɍ r 1o
c 2O2ɍ cc.
ɍ
O
ɍ
1
r
wɋ P
1
21r ,12O2ccɍ cc.
ɍ. ɍ
OQ
j, rɍ
jo
ɍ
Oɍ
Ƚr r r ɍ
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc.
r O
c rcɋ
Oɍ
r1r1
rɍ
1o
1
С учетом
(2.6) и (2.2)
в
обозначениях
wt ɍQ r OQ ɋ ,
22
wɋ r
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c 2 O2ɍ cc
r
r
r
1
ɍ r OQ r ɋ r ,
ɍ r 1 Ƚ rɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1 .
2
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc.
wt
Pr 2
(2.8)
Ƚ
, 1
r ɍ OQ
r ɋr ,
jɍ
r
r ɍȽPr 1ɍ
r 1 r
ɍrc O2ɍ cc.
r1 o ɍ OQ
r
P
1 2
Ƚ
2
Ƚ rr Q r ,,
1
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O ɍ cc.
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc
Q rr
2
P
r
2
уравнения (2.6) и (2.7) перепишутся вwɋ
более
компактной
форме:
Ƚ rr ɍ , Ƚ jɍr ɍ
Ƚ 1ɍr r1ɍ1 r 1 .
r 1
r r rɍ r r Ƚ
Q
wt j r ɍ Ƚ ɍ
jrr ɍ rr Ƚ rr 11ɍ rr 11 (2.9)
1
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc.
wɋ r
jr ɍ r Ƚ r 1ɍ r 11 2 ɍ r 1 Ƚ r ɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1 . 2
и
c
ɍ r 1 o
ɍ cc
wwɋ
ɋɍrr Oɍɍ 2wtO
r 1 Ƚ
rɍ
ɍ
Ƚ
ɍ rr ɍ
ɍ rr Ƚ
Ƚ rr 11ɍ
ɍ rr 11 ..
r
1
r
wwtt– 230 –
wɋ r
ɍ r 1 Ƚɍrɍ1 r o
ɍɍr OɍȽc r11ɍOr 21ɍ.cc
cc
ɍ r w1t o ɍ Oɍ c r 1O2ɍ
1
2
1 .22ɍ cc
ɍ
ɍ rr 11 o
ɍ
ɍ2cc oɍ
O
2O
Oɍ
O ɍ cc
1 2
1 2
ɍ r 1 o ɍ Oɍ c O2ɍ cc
Ks
Ʉl
C s d s ɋ 0
C s l0
ɋl d l Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
P
Ƚ r Ƚ r r , Pr ,
P
ȽQrr Q r r ,
Qr
jr Расчет
ɍ
Ƚr r
jr r ɍвлияния
Ƚ rrусловий
1ɍ
11ɍ r 1 роста на коэффициент распределения…
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов.
jr
ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1
wɋ r wɋ r
ɍ r 1ɍr Ƚ1 rɍ Ƚr rɍ rɍ r ɍȽr r1ɍȽ rr 11ɍ. r 1 .
wt wwɋ
t r ɍ r 1 Ƚ r ɍ r ɍ r Ƚ r 1ɍ r 1 .
wt
В приближении для сплошной среды
заменой
1 1 2
cc
ɍ r 1ɍo
ɍ Oɍ c cO2ɍ
r 1 o ɍ Oɍ
1O ɍ cc
ɍ r 1 o ɍ O2ɍ c 2 O2ɍ cc
2
1 1 2
cc.
ɍ r 1ɍo
ɍ Oɍ c O2ɍ
r 1 o ɍ Oɍ c 1O 2ɍ cc.
2 c 2 O ɍ cc.
ɍ r 1 o ɍ Oɍ
2
(2.10)
уравнения (2.9) и (2.10) превращаются в их дифференциальные аналоги
w
(2.11)
ɋD wx w
w
ɋ ɋD j X d ɋ j XdɋD
wx
wx
и
wC
wj w
j Xwd ɋ . ɋD wx w wxwjC
wj
j X d ɋwt wCɋD
w .
(2.12)
jwwxt X d ɋ wxwt. ɋDw x
wx
w
wCX 1ɋ wj ɋD
Ow2 , диффузии D получаются следующие
wC υ jD
wj d Q w.P
При этом для дрейфовой скорости
dи
j. 2 Xw1dxɋx 1ɋD
wt коэффициента
2
wDC
wjD
Q
.wPxO2Q, P O ,
w
t
x
w
выражения:
w
2
2
j C Xwdt ɋ wj wxɋD wX
1Q P
d
wxO. 2
1 wDt wCQw2x. PwjO ,
(2.13)
D
Q XPd2O1,Q XPd. O.Q P O. wt Q wxP O2 ,
2
D
wC
wj w
2 . CD .
j X1C
X
Q
xwPPxOOw.2 ,
w
t
w
w
d
Перепишем уравнение (2.11)Xеще
1
вQDтаком
Pj2OQ.Xвиде:
CD
d
D CQ jwxPX
OC2 ,. wx CD .
X d 2Q P O.
X X1d XwT , 2
D
(2.14)
Xj wX2QCQPwPxOXO.CD,X. X ,
j XC d X
CD
X dQ.XwPT ,O.d
T
X
d
wjx XC CD .
w
x G,
C
X
.ɋD
TXQчастиц
w
Здесь υ – суммарная скорость переноса
,wCD
XX
P
X
d
d wT
TO
j
X
C
.ɋDGw, ɋD G,
w
X X d XTCj ,XTXC
wxCwXTCD
.wT
X X d XwwTTx, (2.15)
wT ww
j
X
C
CD
.
CXwTX X , ɋD G,
XG
CXT XdwxɋD
G,X , wT
где υθ находят из уравнения
wwwTTxT
wT
GX X d G
wCT
ɋD
wx G,
T wx
wT
XCFXT XwdTDX
GwT, ,ɋD G, (2.16)
w
wTG T
C
G,,
FT, ɋD
DG
G
FwTXxTwwTTDG
wT
wx G
w 1
wx ɋD
CXXT T wTuF
составляющую
G,
DF
которое представляет собой термодиффузионную
потока, определяемую
FT DTG
wT, T 1 T
1
∂T F
GD
w
T
G
,
,
uF
DF
X
градиентом температур G =
иT явной зависимостью
С TиT ,D от температуры.
XGwTx uFT T DF
T
T
∂x
FT wxDG, T
Введем термодиффузионную силу (ТДС)
по
формуле
wT w
1
G
DT T1uF
.T ,
DF
T ,AnCD
FX
G
D
T
T Tw,T
w
XT uFT FwxwDF
D
G
,
(2.17)
1
D
T . AnCD .
DF
XDTTT TuFwTT AnCD
wTT ,
T
l
,' 1 'DF ,
DwG
где α – коэффициент ТДС. Тогда, замечая,
XFDwTT j что
d 1T.dx
TxuF
nc CD
T A
e
D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
DFT', ' wTuF
D T ³ AXnl TCD
. TTl
x'de l l, e ' l ,
w0T D j Tx we ³A'njcT
0 ɋ D
0 0 ɋɋl0e ' ɋ
. dx c Dd dx
³
1 CD
XlT 0 uFwT wT 0 DFT ,
D' T'd A''nwcTcCD
.Tdx, D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
' d'
l
³
j'Dcxwe
'TT
A
n
CD
. ɋ 0 ɋ l e ' l ,
d
³ j x e0 l' ' dwdxT'''c c D
' 'T ,
получим для α следующее выражение:
dd'0
''
T, c
j lwx e
dx
D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
0
³
Dl T– X231
Adx
nCD .
0 wT c – d 'dx,
'
D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
'jcxl'³ed 'l 'c c,'
l
³
' c T' dX c dx
' l D
dx
X
' ' d0 ''
'
,
0
c
j
x
e
dx
,
c
T 'c ,
, D 0 ɋ 0 ɋ l e
³
³
c
³
l
'0 ' d D
' c 0' T D
,
0 c 'd '
dx
D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
³X'j dxx'dell XFcd'dx
l'
dx
'
,
,
³ c T
0' cc
'
d ' ,³ 'lD ,' l' ,
j
Xd ɋ >
>
>
>
>
>
>
>
>
@
@
@
@
@
@
@
@
@
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d
T
wwF
TxT DGF,
T w
TDG,
G
w wx w
G
1
CXT CXTɋD G, ɋD
DFT ,
w XTG,wxuFT
wTFT CXTDG
ɋD
G
,
T
wT,
1
1
wTX DF
uFT ,
DFT ,
TDG , uFTусловий
FT Xвлияния
T
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет
FT T роста
DG, наT коэффициент распределения…
wT
w
1
wT
G
D T ,T
AnCD .
XT uFTwT DF
G
wx
Gwx
wT
T
1w
w
,T . An1CD .
XT uF
(2.18)
D T wTx DF
DAnTCD
DFT ,
T
wTT XT uF
w
T
T
l
FT DGF, T DwG,
'd D FTT ADnG
CD
.j x e ' c переноса
, ³уравнений
dx
D 0 ɋ 0 ɋ l e ' l ,
3. Интегральная
форма
lw
wT
l0
'c. ' d w ' c ' d D 1 T j AxneCD
D 0.dx ɋ 0D 0 ɋ
ɋl0e' ɋl , l e ' l ,
D³ j Tx edxAnCD
³
wT , 1 DF
uF
DF
X
,
uF
X
T
T lT участок
T
wT наличии градиента температур G и
1T при
Поток частиц через однородный
среды
T XT0 TuF
' cTT ' 0d' DF
'Td , 'T0, ɋ l e ' l ,
j
x
e
dx
D'0c ɋС(0)
T
³ концентрации частиц
силовых полей F можно выразить lчерез
и С(l) на границах участка
l
0
' c ' d '
'
'
'
,
j
x
e
dx
D
0
ɋ
0
ɋ l граничных
e ' l ,
'
'
'
'
,
'
'
w уравнение
0≤х≤l. Для этого проинтегрируем
(2.11)
при
соответствующих
d
c
T
cc d Tdx
d
w
l e ' l ,
D 0 ɋ 0 ɋ условиях.
D T
A³0nCD
D
T . AnwCD³ .j x el X c dx
wT
В результате получим
.
,
' D'wdTT w'lTc An0'
'CD
Tc , l ³ D
0X dx
X c dx
c
'l ''d c '³c ' Tc ,, ³
,
l
' ' d D' c ' T , ' l ' c 'ld l ' 0 'D
c
d
0
(3.1)
ɋ 0 ɋ l e
, ' l ', l X c dx D' c0dx
³ j x e ³'j x jedx
' d l D 0 ɋ 0 ɋ l e
,
F
dx
x
e
dx
D
0
ɋ
0
ɋ
l
e
,
c
d
0
³
³ l X Ddx ' d l ³
0
,
Tdx
' c 0 ³0 c l , Fd dx l 0XFc dx
здесь
d ,
'
'
0 d
' ' d ' c ''
,D ³ ' cd , ³³ D ,
dlT ' 0c T' T , 0 T
' F' ddx ' c ' 0Tl , (3.2)
X
'd ³ d ,
D
l
T
l
' T l³ dx ,
l
dxl
l F T
X dx
D0
l FD
' d, ³0X cddx
d dx
l ,XT
0XD
l
D
l
'c ³ c '
(3.3)
d
³ T ,, ³0c T DT X³,c dx''dx
,
D c ''
0
³ 0 DD ,T ³00 DTdx
0
0l
D0
X0
Dl ' T ³ T dx Xd uF, d .
l D
Dl0l l
D
F dx Xl 0dXFTd dx
Dl .d uFX
, .
(3.4)
l uFd X
T
³
' d ³ d'
,
' TD0³ wdTDdx ,
' d ³ D F,d dx
0 T
T
'
,
D
0
D
0
d
³ X ,
X d 0uFd 0. T T 0 wɯ
При этом учтено, что
wD
wD
,
T d . XT,
Xd X
uF
l
l
wdɯ.
XT
DTll wɯX d DluF
X
D
' T ³ 'dxT wDdxX,T D, l
(3.5)
D XT ' T³ D
Dɯ³0, dxu dD0T . ,
0
0 ww
D0 DD
0
DwD
D
XT u d , . u d
. ,
wɯ T XT T
ɯ дрейфовая и термодиффузионная
w
Напомним, что υс, υdX, dυθ, соответственно,
конвективная,
uFd .X d uF
D .
u d X d d. uFd .
скорости переноса частиц, u d – их подвижность,
Fd – сила, вызывающая дрейф частиц.
DT
D
ud
.
w
D
В стационарном режиме роста кристалла
поток
j независим от х, и поэтому из (3.1)
u частиц
.
XT X,T T wD ,wD d T
wɯ
XT wɯ
,
следует
wɯ
D
0
D j
(3.6)
˜C
00 C l ɟ ' l ,' l ,
ud
. u d jLD .D
D ˜ C 0 C l ɟ
T
u dT L .
где
T
>
>
>
> >
L
l
'l '
>
>
>
> >
@
> @
@
@
@
@
@
@ @
@ @
³Lɟ ³ɫ ɟ d'ɫdxD'.d0dx. 0
j
˜ >C 0 C l ɟ ' l @,
0
(3.7)
L
Для вычисления интегралов (3.3) –
X (3.7) требуется знание зависимости Т(х), D(х) и F(х) от
' D,0X
l 'T ˜ C, 0 l C'l по
координаты х. В однородном слитке,
Чохральского, поток тепла из
j Xвыращиваемом
ɟ' 'методу
,
L XTL ³ ɟ ɫ d dx.
расплава в охлаждаемую часть слитка постоянен,
0 поэтому градиент температуры G не зависит
X вXlTdx-зоне.
X XПрактически
,
(или слабо зависит) от х по крайней
приемлемым можно считать приX X'Tɫd' dX dc X c ,
L
ɟ
dx
.
X
ближение, в котором и Fd постоянно в³ пределах dl - и ds -зон. В таком случае интегралы (3.3) и
,
'
0
XT
(3.7) могут быть представлены в виде D 0 '
D1
0 ɟ . '
L
LX
1 ɟ .
X
X
(3.8)
'
, X XT X d X c , XT
j aɋ 0 bɋ l ,
j aɋ 0 bɋ l ,
D 0
232
X XT X–dL X c–
, 1 ɟ ' .
b ae ' , '
X
b ae ,
>
@
D 0
'
0. 1 bɋ l ,
D0 1j ɟaɋ
aL
DX0 1 ɟ ' . ' 1
X
aL
X 1 ɟ
.
> >@ @
X 0
,
XTX
D0
,
'
X XT X
j
˜ C 0 C l ɟ ' l ,
'
L
,
',
X XXT T X dT X c ,
'
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0
>
@
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет влияния условий роста на коэффициент распределения…
D0
l X , l
DTl0ɟXd' XC
˜ C X0 D
0 ˜ CD
0,L,0cCClɟlɟɟ''ɫ 'l'l d, ,dx.' l L X j jXTD
X 0X
XX0c '
X ,
d ˜TjC
LX
,
L 1 ɟ dL . ˜³0cC 0 C l ɟ
L
(3.9)
X
D
0
D
0
' l '
l
j
˜ C' L
0 C
l ɟ ɟ, .
D .l 0l частиц
XD'ɫ10''ld(3.6)
d dx
D0
. перепишется
L
ɟL'ɫ потока
Соответственно
'
L
ɟ
'ɟd 1
dx
j
˜ C 0 выражение
C l ɟ ' l³ ,для L
L³ɟ0'1ɫbɋ
''.ɟɫlX
' .
DjL
00aɋ
dx
.
l
,
'
X
0 j
D
³
L
ɟ
L
˜ C˜0 C0 0XC
³Cl ɟl ɟ X'T,ld, ,dx.
j
0
l
L jL aɋ 0 bɋ
0 l , (3.10)
L ³Xɟ 'ɫ ' d dx. '
l
j
aɋ
0
bɋ
l
,
j
aɋ
0
bɋ
l
,
b
ae
,
X
' 0 , l ' X ,
где
L ³ ɟ 'ɫ ' d dx.
l
XX XT X d X c ,
XT
'
d,''
X
L L ³ ɟ'bɟ'ɫ'Xae
. . ,
ɫ T'dx
d , dx
0
'T
0, ' XT 1
b0 ³0 aeD
X
(3.11)
a b ae X 1, ɟ 'D 0. ,
'
'
X XXT X d XX c ,XD
L
1
L
1
ɟ
.
X
X
,
0
X
T
d
T
1T cc, ɟXd'1X X. c ,
,
'
X d XXX
XXa XT X
XT
' ' a X, D, a0 L DX01 ɟX '1 ɟ. ' 1 .
(3.12)
r 10LȽ r ɍ r .
XL XDT 0 XdX1TjXr ɟTX'cL,ɍD
'
.
j 0 aɋ
L D 0 1 ɟ'
. 0 bɋ l ,
X
Lj r ɍXr 1L1 ȽD
ɟr ɍ
r. 1 ɟ ' .
X XT X d X c ,
в справедливости (3.9) без
X12QXɍи,Ƚ, (3.12),
Замечая, что a – b = υ, с учетом
(3.6),
j Xɍ(3.11)
ɍ r X. Ƚ rубеждаемся
ɍr .
rO
c r r
XTr 'djX
DX 0X XTrD
d r Xrc,1
'
b ae ,
ɟl , . 2
вычисления интеграла (3.7).Lj aɋ 0 1bɋ
Dj r aɋ
O Q0r , bɋ l ,
D 0
X
'
l ,
j
aɋ
2 0 j2bɋ
aɋ
L
1
ɟ
.
DɍrDr00OD
CQrr rD,'rO, Q r , 0 bɋ l ,
X4. Перенос частиц через
L
1 1ɟ' ɟ' . .a и сверхтонкие
1
неоднородные
структуры
D0 'L
XɍbXrl ,ae
bj ae
X 1 ɟ ' .
C
aɋ 0, bɋ
'r D, r ,
'
L структуры, состоящие из ограниaeD ,b, сверхтонкие
Описание
через
ɍ rb C
, ,
ɍrPr r r C r Dae
bɋ l , переноса частиц
j aɋ 0эффектов
Ƚr
{ e 'r .
,l ,' пленки
QD
Dj0 aɋ 00через
ченного числа атомных слоев (например,
на начальной стадии окислеbɋ
'P
1
0l1окисные
rbɋ
ba ae ' j, Xaɋ
1Ƚa ɟD
0 r {. eXD
1jrr0.ɟ 'ɍ'r11 . Ƚ 'r ɍr1.
r
L
P
ния), следует
с помощьюaвыражения
X 1для
ɟ потока
. (2.9), .которое мы перепишем в
b ae 'производить
,
Ƚ r ' ȽrLrQL{r aePr' r {. e ' r .X 1 ɟ
L
,ɍ
'Q r Ƚ
b
ae
виде
j
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
D0 b ae 0, ' 1Q r1 D 1 O2Q 2, ... ɍ l 1 Ƚ lɍ l
aj r ɍ r 1 XȽ1rjɍ
rɟ. ɍ . Ƚ ɍr .
r
r 1Ƚ1ɍ
r ɍr. 1 Ƚ 2ɍ 2
... ɍ l 1 Ƚ lɍ l
1
L
D0 jjr r ɍɍ0r Ƚ1rɍɍ
(4.1)
1 j
r
Ƚ
ɍ
a
X 1 ɟ ' .
r
r 1 Ƚ ɍr r .... ɍ
1
D
0
j
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
'Ƚ ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ 0 Ƚ 1l ɍ l
1
j
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
...
ɍ
Ƚ
ɍ
0
1
1
1
2
2
l
1
l
l
D
0
L
0
12
2
0
13
3
1' .1
1
2 2
l 1
l l ....
a2 a j ɍ 0X1X
.
Ƚ0ɟɍɟ1ɍ
r . C r Dr ,
2 101
D
O
Q
,
L
j
ɍ
Ƚ
ɍ
.
r
r
1
1
1
....
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
ȽȽ031l Ƚ 0l 1
D
O
Q
,
Здесь введем обозначения
r
r 1
rLr r
ɍ
Ƚ
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
ɍ
2 r
0112ɍ 2
01
023
01
02
0
0
13
0
l
2
Djr ɍO0 QD
, 01ɍO1 Q ,
.
rȽ
r
ɍ 0r 1Ƚɍ120Ƚ
ɍ2 Ƚ 12ɍɍ201 Ƚ
Ƚɍ130ɍ3 Ƚ 13ɍ 3 .... 1 Ƚ ɍ
j r ɍ r 1 Ƚ r ɍ r .
ɍ l Ƚ 0l.1
l Ƚ1l....
0Ƚ02 Ƚɍ
1l0ɍ
Ƚ03
01
01
02
01
....
j
ɍ
Ƚ
ɍ
....
ɍ01 1 Ƚ 01ɍ 1 P
j
ɍ 1 0j Ƚ
ɍ
r ɍ0rɍ. . Ƚ
1 'Ƚrr { e ' r .1 Ƚ 011 Ƚ
1 (4.2)
Ƚ 011 Ƚ
Ƚ 02 ɍ
r 1 r r....
r,
Drr C
O2rrQDjrrr,, Ƚɍrɍ
Ƚ 02
Ƚ 02
....
Ƚ 03 Ƚ....
0l 1 Ƚ 0
ȽC1ȽrD
ȽD
01 Ƚ 02
01 Ƚ 03
0 rr C
2 , Ƚ r r ɟQ 011, Ƚ 01
r
r ɍr r
C r Dr , r ' r 2
Dr O Q r ,
Ƚ 0 r Ƚ 1 Ƚ 2 .... Ƚ r ɟ
,
' r ' r Qr2rQ,Ƚ ,rPȽ .... Ƚ
PDrrD Ƚ, O2'O
ɍ
C
ɟ
,
r
r
'
r переноса
Ƚ Ƚr частиц
,ɍ Ƚ rr
{ e0 r .Ƚ 01потоки
В квазистационарном режиме
слоях (r =...0, ɍ
1, 2,…,
l-1)
rr r2 {
2 r....
ɍ всех
. ɍȽ r jȽrɟво
1 Ƚ 2ɍ 2
l 1 Ƚ lɍ l
'{s e,1e' rjP
Q r 'ȽȽrr r P¦
.r {0e ' r1. 1
Q
ɍr C
rr Ƚ
r Dr ,
одинаковы,
поэтому
r
1
ɍ rɍ C'
rr,rQs r¦
'rs , Q r
rD
P
' rr Dr ,
r r C
ɍ 0 Ƚ(4.3)
ɍ 0 Ƚ 1l
s 1,
.'¦
Ƚj r ɍ Ƚ{'ɍer ɍ
'
12ɍ 2
13ɍ 3
r Ƚs2ɍ
, ɍɍ
Ƚɍlɍ...l .ɍɍ0 Ƚ
¦
0Q
1 1j ɍ
1
2 'js...
....
ɍ
Pr
0 lȽ12Ƚ
01
1
' r
01§ȽȽ
1ɍ·1 ɍɍ1
2 ...
l 1ȽȽɍ
lɍ l
r
s
P
j
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
1
s
1
1
1
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚr
{e .
2 1 Ƚ 2ɍ 2l 1 ... 01
l ɍll 1 Ƚ lɍ l01
02
01
02 Ƚ 03
'PsrP 0An'¨¨r j'1 s 1ɍ¸¸.0 1Ƚ1ɍ12 ɍ
Q
r
.
Ƚ
{
e
r
r
Таким образом получается система
рекуррентных
для определения распредеrȽ
· уравнений
{ e©Q§ ȽP
s. s¹ ɍ
r Q
Ƚ
Ƚɍ13
ɍ 0 Ƚ 1l ɍ l ɍ Ƚ ɍ
¸. ...
2 ɍɍɍ
0 'r srɍ1ɍ§0AȽP
n¨¨2ɍ·12
ɍ2ɍl 3 ɍ....
ɍ3
1<Q
2§ ¸Pс
l 1ȽȽ
lэтих
0
12
0'
. l
jj ɍ
ɍ00 0ȽȽ<1ɍ
,Ƚ1313ɍ
rȽ
ления концентраций Сr по участку
l.
Исключив
помощью
уравнений
промежуточ01rɍ
1
·
ɍ
ɍ
ɍ
ɍ 0 0 Ƚ 1l1ɍlɍ
sȽQ¸01sɍ¹Ƚ1 s
....
j
ɍ
0
12
2
0
3
Ƚ
Ƚ
....
Ƚ
ɟ
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
Ƚ 1l ɍ l .
©
0
¨
.01
j01
1 Ƚ201 0 Ƚr 02 112 Ƚ2 1 Ƚ0Ƚ 01 ....
13Ƚ 023 1Ƚ....
Ƚ0lȽ1 l0 ....
¨1 0r ¸Ƚ. 11ɍ
1 Ƚ
AȽ¸nɍ
03 ....
Ƚ
Ƚ
Ƚ 0l 1
j ɍ 0 Ƚ1ɍ1 ɍ1 Ƚ 2ɍ 2 ... 'ɍslj1 ɍ'AȽ0ns l¨ɍ
ɍ
¨
¸
01
01
02
01
02
03
l
0Ƚ
01
1
QȽs01¹находим
1
1
1
....
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ 0
ные значения Уr (r = 1, 2, …, l-1), последовательно
L
O
1
....
Ƚ
,
Q
©
01
01 1 02Ƚ 01 Ƚ 02
01 1 02Ƚ 01 03Ƚ 02 l 1....
,l © Ƚ 2s02
11 l01
Ƚ 03
j j ɍ 0ɍ Ƚ
ɍȽ
ɍ¹2ɍ ɍ... ...
ɍȽ0lɍ
ɍ
1ɍ
1ɍ 1ɍ ɍ
1ɍ Ƚ
lɍ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
ɍ
ɍ
Ƚ
ɍ
0
1 01
1 2 2 2 0
l l
12
13 l 13
0
1l l
....
.
j ɍ 0 Ƚ 01ɍL1 O 1 'Ƚr01
Ƚ 02 r....
Ƚ
,
l 1
0,Ƚ
Ƚ 0Ƚr 12ɍȽ2 1 Ƚ 2 ....
Ƚ r Ƚ 13ɟȽ1ɍ3ȽȽ ....
, 'Ƚr 1ɟ''Ƚ
ɍ0 ɍ020 Ƚ 1l ɍ l 1 Ƚ 01 Ƚ 02 Ƚ 03 .... Ƚ 0l 1
'Ƚr01
01
¦
s0,,,l L ɍȽȽ0O0D
2....
Ƚ
....
r
r1
r
'0r,l1 ,
L0ȽȽ1O101
1
Ƚ
Ƚ
....
02
1 ,Ƚ
j ɍ 0 Ƚ 01ɍ 1
....
. (4.4)
Ƚ
Ƚ
ɟ
,
01
02
0
r
2
r
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
Ƚ 13
ɍ 0ɍ Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
....
Ƚ
ɟ
, ɍ 3ɍ .... Ƚ
1
s
a
,
0
12
2
0
1l ɍ l
0
r
1
2
r
ɍ
Ƚ
ɍ
ɍ
1Ƚ 02
1 Ƚ 01 j ɍ10 ȽȽ0101ɍ
112 Ƚ201 Ƚ02
0
0 ȽȽ1303
3 ....
0 Ƚ 1l ɍ l
. .
0
l
1
L
....
j
ɍ
Ƚ
ɍ
D01
0r ',1r 1 1 Ƚ 01Ƚ
0
1 1 Ƚ
1 1 Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
....
Ƚ
r
01
02
01
02
03
0Ƚ
l 1
....
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
Ƚ
a
01
01
02
01
02
03
0l 1
Ƚ0rr Ƚ 1 Ƚ'2 ....
,
'
D'0 , r
Здесь
¦ as , 'ȽDrra0L,ɟr¦
§ Ps ·
s, ,
L l ¦
'
Ƚ 0 r Ƚ 1 Ƚ 2 .... Ƚ r ɟ ' r , s 1 'r D
¸.
'A, n¨¨
1L
'srl '
s'
's r s
¸
. ¦
1
s AȽ
Ƚr0Ƚr bȽ 1ȽȽ 2LȽ....
s 1' ,r , © Q s ¹
rȽ ɟ ɟ
(4.5)
0r
1D2l....
r
' l 'r ¦ ' s , b
A
.
r
§
·
D
l
P
lP
. As··'l .
' s sAn1¨¨ b s '¸¸r . b LA AD'n§§¨lP
'r ¦ ' s ,
¸.
r
sL
Q
¨
¨
'
.¸ An§¨OP1s·¸.Ƚ 01 Ƚ 02 .... Ƚ 0,l 1 ,
A
n
L Qs s¸¸L
¹s ' s', , '
''
r©r s ¦
s 1
(4.6)
¨
©
s
Q
¦
s © s ¹¹ ¨ Q ¸
© s ¹
§ P s s ·1s 1
¨
¸
'
L s O1An¨ȽQ01 L
¸. Ƚ 02
.... Ƚ 1D,0 ....
, Ƚ 0,l 1 ,
§ Ps ·
s
©
¹ OO11ȽȽ 01a0Ƚ,Ƚl 02
Введем
¸.
L
....
Ƚ 0
' s обозначения
An¨¨
,l ....
1 , Ƚ 0,l 1 ,
§ P§ sP· L· 01 O 1 02ȽL
Ƚ 02
¸
01
' s' AnA¨¨n¨ ¸¸s. ¸.
©Q s ¹
¨sQ233
¸–
D0 s
© Q–
©D0¹0s ....
¹ Ƚ 0,l 1D,l ' l aL O 1 ,Ƚ 01 a ȽD02
, Db0 A
.
L
a
,
L
L O 1 Ƚ 01 Ƚ 02 .... Ƚ 0,l 1 ,
a
, L
L
Ƚ
L....
Ƚ
01
Ƚ 01
02
Ƚ 02
....
0Ƚ,l 01,l,1 ,
DL0 L O 1O1 Ƚ
a Dl , ' l b
L A b. DDll A ''ll .
D0 >
j
>
@
>> @ >
@
>
>>
@@
@
@@
>
>
>
@
>@
@
@
>
>
>
@
>
@ >> @@
>
@
>> @@
@
@
¨Q ¸
© s ¹
s
s 1s 1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
§ P§ P· s ·
' s ' s An¨¨An¨¨s ¸¸. L¸¸. O 1 Ƚ 01 Ƚ 02 .... Ƚ 0,l 1 ,
¹
© Q ©s Q¹ s условий
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет влияния
роста на коэффициент распределения…
D0 a
,
....
L LO 1O1Ƚ01Ƚ01Ƚ02Ƚ02L....
Ƚ0,Ƚl 01,l,1 ,
D0D0 ,
a a
,
L L
b
Dl ' l A
.
L
(4.7)
(4.8)
Тогда выражение для потока (4.4) записывается в виде (3.10) с той лишь разницей, что знак
DlD l'Al' l .
суммы в (4.4) заменяется на интеграл
A
. Однако для сверхтонких слоев условия такой заb b в (3.10).
L L
мены не выполняются. Чаще всего переходные структуры образуются на границах раздела фаз
как результат физического или химического взаимодействия активных компонент этих фаз. Не
исключено, что и граница расплав-кристалл является слоисто неоднородной, поэтому потоки
ПА через такую границу должны описываться уравнениями типа (4.4):
jes
als ɋl 0 bsl ɋ s 0 . (4.9)
j
a
ɋ
0
b
ɋ
0
.
es
ls l
sl sслоя соответственно в d -и
jesjesЗдесь
alsaɋlslɋ0l 0bиslbɋslsɋ0s . –
0 . концентрации ПА на концах
переходного
l
als OQ ls ,
ds -зонах. Только в идеальном случае резкой l/s-границы скорости прямого als и обратного bsl
j
a ɋ 0 als bsl ɋ
OQs ls0,.
alsals OQOQ
переходов
упрощенный es
вид: ls l
ls ,приобретают
ls ,
bsl OP sl ,
als OQ ls , bsl OP sl , (4.10)
jl jls j s j.
где λ – протяженность элементарного перескока ПА из l- в s-фазу.
bsl OP sl , jl jls j s j.
jl jlСледует
jls jls j s jотметить,
s j. j.
что образование
структур
на границах раздела фаз может
jls переходных
als Cl 0 bsl C
s 0 .
оказывать существенное влияние наj вольт-амперные,
характеjls j s jls j. alsтермоCl 0 иbslфотоэлектрические
C s 0.
l
jls jls alsaClslC0l 0 bslbCslsC0s .0.
ристики таких устройств, как барьер
als Шоттки
OQ ls (металл-полупроводник), а также на катодные
и анодные характеристики структур j металл-электролит.
это вопросы, выходящие за
.
als Cl 0 als bsl OQ
C s ls0Однако
ls
alsals OQOQ
ls ls
рамки
темы
данной публикации, поэтому
мы
здесь
не
будем
их
детализировать.
bsl OP sl
bslbsl OPOP
sl ,sl ,
als OQ ls bsl OP sl
bslbsl OP
OP
slЗависимость
sl
5.
коэффициентов
от режимов роста кристалла
P sl распределения
Ƚ ls Ƚ ls0 e 'ls
Определение эффективного коэффициента
Qblssl OP sl
P sl распределения
0 'ls ПА в системе расплавP slP sl
0 0 'ls'ls
j котором
0,bbКslȽɋɋlsиs00К.Ƚ
. ls–e коэффициенты самосогласоȽ lsȽ дается
aalslsɋɋl l0QК
кристалл
ls Ƚ lsȽels eуравнением (1.10), вj eses
l
ls
s
Q lsQ ls
jes alsls ɋlsl0 s bsl ɋ s 0 .
ванного распределения частиц соответственно
в0 dl'-зоне
расплава,
на l/s-границе и d s -зоне
ȽPls0sl
ls
ls ls ,Ƚ ls e
als ȽOQ
OQ
0
,
a
кристалла.
Вычислим их из условияQквазистационарности
процесса переноса, согласно коjes alslsls ɋl 0a lsls bslȽOQ
ɋlss ls0,.
Ƚ ls0Ƚ ls0
j
a
ɋ
0
b
ɋ
0
.
торому потоки ПА из объема расплава
вHls«холодную»
X sl s часть слитка на всех участках систеes
l
' ls0bsl lsOP
,c ,
, ls
bsl T 0OP slslOX
мы равны друг другу:
Ƚ
ls
,H ls X c ,
als OQ
H H XX
ls , bsl 'OP
ls sl
' ls' ls ls ls c c, ,
als OQ ls ,
T
OX ls
T 0T 0 OXOX
(5.1)
jl jjls jj s j.j. 0
ls ls
j
l
ls
s
al ɋ,Hl ls j dl Xjc bl ɋl j 0 j.
bsl j'OP
l
ls
s
sl
,
ls OP ,
Tsl0 OXjнами
sl a ɋ
Общее выражение для потоков bпредставлено
a и b могут быть
dl (3.10),
bl ɋl в0котором
ls al ɋ
вl виде
ls l 0 bsl ɋs 0
j j al ɋ
allɋ ldl d l bl ɋ
bllɋ l00 jjlsls aalslsCCl l00bbslslCCss00..
вычислены по формулам (3.11) – (3.12).
Подобное
выражение
может
быть
записано
и для потока
asalslsCdɋlsl0 0 XcbɋbslslsCɋ
jl jalss ɋs j0s j
dsss00.
ls bj.s ɋ
alsaɋlslɋ l00 bslbɋslsɋs00 j
j
j
j
.
lj
alsl ɋl sdl bl ɋl 0 jls (непосредственно через l/s-границу)
OQ ls as ɋs 0 bs ɋs d s Xc ɋs d s .
aalsls OQ
as ɋ
assɋs00 bs ɋ
bssɋsds d s XcXɋcsɋsds d s. .
ɋɋll 00adlslsbbslslOQ
ɋslsa00.
jls aalslsC
C
s 0
s
s
(5.2)
jɄls s als C
l bsl C s 0 .,
Xscɋs d s a .s
absslɋsɋOP
0s 0sl bs ɋbs s dɋ
d
sX
c
s
b
OP
ɋ sɋds sds a sa s
s sl переноса частиц ,через l/s-границу
als OQsl ls и bslsl ɄOP
отношение скоростей
, ,
Ʉ sɄЗдесь
s
ɋ s 0 bs X c
a
OQ
ɋ sɋ0s 0 bsbs XcX c
ls
ls
PP sl ɋɋssȽ0dlss Ƚ0ls0 eaa'ls'slsls , ,
lss sl
bsl ɄɄOP
Ʉ0 '
(5.3)
Q lssl ɋɋlȽsP0ls0sl ȽbȽlsslbesXɋX
als
cȽ
s cls0se ls
bsl Q lsOP
ls
ɋ sɋ0s 0
alsals
sl
,
Ʉ
ls
Q
, ,
Ʉ lsɄ ls
ls
ɋl 0 bsl X c Ʉ s
ɋlɋ0l 0 bslbsl XcXɄc sɄ s
P sl
0
'
0
0 –ls a a
l 234
P Ƚ0lsls ɋ–sȽ
ls0e 0 'ls ls l ,
.
Q ls ɄɄsllȽls ls ɋ
Ƚɋ
eb b Xɋ
Ƚ
ls
dȽ
Ʉ0ss Ʉ ls
0
al
l l ls
l ls
l XclcɄ
sl
Q
ɋlɋ0l 0
al al
ls
.
Ʉl
. .
Ʉ lɄ l
H
X
ɋ
d
b
X
ls
c
l
l
l
c Ʉ s Ʉ ls
H
X
ɋlɋl dl d l bl bl XcXɄc sɄɄs lsɄ ls
'
c ,,
Ƚ ls0 0' lslsC s ɋ
H lsls X ac l
TdT'lsl s00 OX
OX
,
ȽKɄ
.
ls
0
ls ls l
T
OX
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
jes ajls ɋl a0lsC
lbsl0ɋ
s b0sl.C s 0.
OQ
jl lsjl jjls jls jj s j s jj. j. j.
jl l jlsblssl OP
jss sl j.
als jOQ
aesls ls ,aOQ
als OQ ls
ɋ
0
ls lsl bsl ɋ s 0 .
bsl OP
0s.0.0.
jlssljls jals C
alslaC0lC0 b0slC
bslsbC
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет
влияния
условий
ls Cl 0 0'. на коэффициент распределения…
jlsls aP
bslslCCs0sроста
lssl l
bsl aOP
blssl sl ,OQ
OPlssl , Ƚ ls Ƚ ls e ls
bsl OP sl
Q ls
P
aȽls alsaOQ
0ls ls'ls
содержит энтропийный slфактор
,eOQ
связанный
главным образом с различием атомной
Ƚ lsOQ
ls als
ls
OQ
ls
ls
Q ls
j
j
j
j
.
Plssl sl OP
в кристаллеl и bрасплаве.
величины Δls согласно перескоковой модели
P slструктуры 0ПА
s sl0, Для
ȽȽlsls Ƚ ls0 e 'ls
Ƚ ls Ƚ ls e 'ls
bsl bslQbOPOP
sl OP
sl
Q lsзапишем следующее выражение:
blsslsl OPslsl
Ƚ ls0 j
jal ls Cljls0 jbssl C sj.0.
ls
H
Xc
P slP slP0
0 0'ls
(5.4)
e lsȽels00e'ls''ls , ȽP
Ƚ ls0
sl ls Ƚ ls'Ƚlsls Ƚ
lsȽ
Ƚ
sl
ls ls
T
OX
ls
ls
Q
H
X
Q
0
Ƚ
Ƚ
e
ls
ls
c
OQ
jlslsQQlsls als, Clls0 blssl C s 0.
' ls als jls
als Cl 0 bsl C s 0.
als
T
ls
OX
0
ls
H νlsls – частоты
Xc
X
где H ls – энтальпия
кристаллизации
ПА;
перескоков. В развернутом виде уравнения
0 '
0
, dl bl ɋl 0 ' ls
c ,
ls
Ƚ lsȽaOP
0 OQ j al ɋl b
ls
sl
sl
Ƚ ls0 T ls0 OX ls
OX ls (3.10) и (5.2) перепишутся:
ls
(4.1)Tс0 учетом
j al ɋl dȽl ls bl ɋal ls0ɋl 0 bsl ɋs 0 Hb ɋ
H lss Hsl0X0acsɋ
als ɋPl sl 0 b
ɋȽlHls
' ls' lsslj'
lsedX'l,sclsXX0c,cbl,ɋbl sɋ0 s d s Xc ɋs d s .
Ƚ lslsslaOP
l
ls
ls
T
OX
T 0Td OX
lsOX
Xlsɋ
as ɋQsls 0 'basls0ɋɋ
ɋs ,0d s .
s 0
c ls
0s b
als ɋl 0 bsl ɋs 0 OX
ls l T
sl ls
s 0
P sl
ɋ
a
' 0 s d
Ƚ
Ƚ
e
ɋs dlss s Xc ɋss d s, . as ɋs 0 bs ɋs d s Xc ɋs d s . j0 a ɋas ɋs dɄ
(5.5)
ls0s bls
sɋ
b
0
j
a
ɋ
d
b
ɋ
0
Q
Ƚɋ
bs X c
l l l la l l ɋl l 0
l
ls s d lls
sjj aal ɋ
s ddl sbbl ɋ
l l 00
ɋ
ɋ
,
Ʉs
l l
ɋ
0 0
bl0sb0lslпоток
l 0sɋконвективного
0allsaɋ0l ɋ
ɋaslsɋ
Xbslsc bɋ
последний
член представляет
переноса частиц в «холодной»
ls ɋ
l 0
sl
s
ɋ
d
ɋЗдесь
d
a
a
b
ɋ
s ɋsl 0sa 0s , a
s
s
s
ls X
ls
Hals0lssɋ
Ʉ
,
Ʉs
asȽпереноса
ɋ
0Ʉb0c
d
d
X
b
ɋ
sd s Xc ɋ
lsd. s .
ss a0
sɋ
ss ɋ
s
s
s
sɋ
s
c
s
части
слитка,
где
другие
формы
заморожены.
'
,
sls00 bbs ɋ
ls
ɋ s 0 bs X c
sɋ
as s ɋOX
ɋbs ssdds sXbc XXccɋX
ɋs sɄ
dds ,..
s a
lsls ɋsl 0
ɋ s 0T 0находим:
sl
c ss
Решая попарно эти Ʉ
уравнения,
,
ls
XɄ
ɋl 0 ɋ s ɋ
bHdslslss
dX
s0dc c sa s, a saa
'
ɋ
ɋ
ɋ s 0
als
ls
s 0,alsss , , ,, al
j Ʉ saɄl ɋ
ɋs llsɋb0lX
ɄsɄ
,
Ʉ ls
sss dɋT0l0sɄɋss0s bdOX
llsɋ
lb
Ʉ
(5.6)
s bs bcX
cXɄ
.
ɋɋɋ
ɋl 0 bsl X c Ʉ s
l ls00
sl
cXc s
bdsslX
ɋ
s 0
cbl X c Ʉ s Ʉ ls
0
a
l
aɋls ɋ
0
b
ɋ
0
l l
l
sl s
.
Ʉl
ɋal ɋj d ɋ
b
X
ɄabslslɄ
aslɋ
d
ɋaXllslsɋ0 d .
0
0
l
l
c
l
l
0
b
ɋ
d
sɋ
s
s
s
s
s
c
a
0
ɋl 0
al
Ʉ lsɄ lsɄ
bɋs Xds0ɄX alsɄlss, al ,s ,, .
ɄaɄlɋlsɋɋ00ɋ0sl sb0bC
(5.7)
.
Ʉl
l
sl
l
ls
l
K
ls
ll0d0Clsl slsbbdslbcsll csXXXcccsɄɄɄsss Ʉ ls
ɋɋ
ɋl d l bl X c Ʉ s Ʉ ls
lɋ
C d d 0 b aɋ
l
l
X c ɋs d s .
K Ʉ s sɋass ɋ
ss
s ss d s ,
Cls d lɋ ɋl0ɋ
0
a
0
a
b
X
ɋdl s0s0 c l l aalal .a .a .
C s d s Ʉ l Ʉ lɄ s C slɋ
(5.8)
Kɋ
K
l l ɋ
ɋlɋ
dɄlddl l dbl blXbac Ʉ
XcsXɄ slsɄɄl lsɄls s .
Ʉ
.
Cl ɋ
d
Cl d l s
s
s
l
l
l
c
s
ls
l
d lb b bl Ʉs
X cX,caɄs as lsɄ ls a s bl bl bsl l b
ls
0ɋas la0получим
ɋ sс(1.10)
alas lsslbs s Xэффективный
.
Ʉ Ʉ
С их помощью в соответствии
коэффициент распределения
,
bllsbsl bsɋ
adssbdasllsXacsɄbals a cbal bsl ClsX
dcsC
C
0
s
al als a s
K KK
l ls s
s ds Ʉ ls.
Ʉ
s s a l Ʉ ls
.CKl C dC
Ʉ
C (d )
lɄd
0
ɋC
blC
bl dsdlX c aaslsaкls следующему
a s bl bl bsl виду: 'l .
lssl
также
преобразовать
K b=l bsl bs s s X c ,aкоторый
lb
s a ls a s b
l bl bможно
sl Ʉ
,
b
X
Ʉ
l
l
E Ʉ 1 E l Ʉ ls e
a Ʉ ls
l
cɄ ls
Cl (− d l )
Ʉ Ʉ l lsɋl 0ɋ l 0 bsl al Xlsc Ʉ s . l 'ls .
bll Xɋc Ʉls d E l ɄblsalaXals1l aɄslsEaɄlsɄ ls e l
l a l Ʉ lsl
c a l sa ls ls
al Ʉ ls
Ʉ ls Ʉ Ʉ l
(5.9)
al alsaass Ʉ ls .' . .1 .
ɄbɄ
Ʉ
ls .',
blbsl.l bbɋ
X
a
a
a
b
b
b
b
X
a
a
a
b
b
b
Ʉ
'
l
s
c
s
ls
s
l
l
sl
Ʉ
E
1
E
Ʉ
˜
e
sl
s
c
s
ls
s
l
l
sl
l
0
a
blbl blbsllsXbcbsɄlsXXlsc aEaslaɄ
bl X c Ʉ ls E l Ʉ ls 1 E l Ʉ ls e
ElbɄ
alslsl lsaas1sbbsl .l bl lblsbslsle
Ʉl
l sl s
c' ls s 1ls
C
d
ɋ
d
b
X
Ʉ
Ʉ
Ʉ
E
1
E
Ʉ
˜
e
,
s
s
l ls от
ls кинетических
l
c s ls параметров υ и ∆ соответственно
ls K ls
Здесь a и b (индексы опускаем)
зависят
Ʉ lsɄ ls 1
alsl aɄ lsɄ X ɫ
Cl adl Ʉ
1 Ʉ Ʉ
l
'
ls
al Ʉlsls1 E ls Ʉ s ˜ e ' lsɄɄlsls , 'l .'l . .
и lsds- зонах
1 E lsиɄl/s-переходе.
Ʉ lsв dl - E
, ɄbɄɄls b XEɄ
ls
ls lɄ
s ˜ e
X
X lsEls l ɄE lslEɄlsɄ11E1l ɄElslEɄelsɄe e ''l l .
l bc d
cls ls
Xɫ l C
cɄ
l Ʉls в1
bsl l К
sXsX
Рассмотрим частный
= 1,
когда
кристалле
El l Ʉlsls e не происходит перерасK когда
E ls случай,
c Ʉ ls т.е. E
l ls
Cl d l al als a s
X ls
.
Ʉ
пределение
примесей между горячим X
иɫхолодным участками
слитка.
В этом случае, согласно
Xɫ
bEl blsslEbsE
X1ca1EsalsEɄɄa˜ sebl˜'elsb'llsb1'sl, 1 ,1
E ls
Ʉ
Ʉ
(4.9)X lsс учетом (3.11), находим ls lsɄɄls lsX lslsEEls 1ls1lsEsEls sɄɄs ˜ ˜ee 'lsls 1, ,
ls
ls
al alsls a ss
.
Ʉ
aɄ
b b b X c a s als Ʉalss bl bl bsl .
ɄE E Xlɫ XllsɫXslɫ s
(5.10)
'l
ls blsE X ɄX ɫ
lX
Elsls XclsX ls E l Ʉ ls 1 E l Ʉ ls e
ls
aXl lsɄ ls
Ʉ ls
.
Отметим, что Кls зависит отɄрежимов роста кристалла
и определяется
выражением (5.7),
1
' ls 1 E Ʉ e ' l
bl 1Xc Ʉ
ls Ʉ E˜leɄls
l
ls
Ʉ
E
E
,
ls
lsвид
ls s
которое с учетом (3.11) приобретает
j
al ɋl dl bl ɋl 0 >
@
>
>
>
@
@
@
> > >>
@ @ @@
>
X
E ls Ʉ lsɫ
X ls
E ls
@
>E
Xɫ
X ls
ls
1 E ls Ʉ s ˜ e ' ls
– 235 –
@
1
,
(5.11)
E l Ʉ ls 1 E l Ʉ ls e 'l
bl X c Ʉ ls
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ʉ ls
где E ls
H ls
' ls
kT0
XcO
Dls
X ls O
Dls
H
XO X O
>
@
E 1 E Ʉ ˜ e
, '
kT
D роста
D
OQD на коэффициент распределения…
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет влияния условий
ls
ls
Xɫ
; ' ls
X ls
H ls
kT0
' ls 1
s
XcO
Dls
X ls O
Dls
ls
ls
; Dls
0
c
ls
lsls
lsls
OQ ls ; H ls – энтальпия переноса ПА из расплава в
H ls
Ʉs
кристалл; Т0 – температура кристаллизации.
,
Ʉ Ʉ ls Ʉ s
Dls OQ ls
' ls
E ls 1 E(параметрами
Выражение (5.10) определяется процессами переноса в расплаве
al и bl) и
ls Ʉ s e
H
X
O
X
O
Ʉ
ls
c
ls
s
коэффициентом Кls .
' ls
,
Ʉ Ʉ ls Ʉ s
H ls
' ls 1
kT
D
D
0
ls
ls
1
E
E
H
X
O
X
O
Часто реализуются режимы роста кристаллов,
=ls1ɄE(условие
полного
перемешиваlsls E К
s ee ' s
l1
ls
c Ʉ когда
.
s
s
s
' ls
kT0 Dls ионов
Dls (с большим ионным радиусом) можно
ния расплава). В этом случае для малоподвижных
Ʉ
1
Dls OQ sls
,
' sраспределения
положить υs ≈ υɄс и КɄs ls=Ʉ1.s Тогда эффективный
коэффициент
К будет определятьE ls 1 E lsɄɄs s eE's ls 1E E s e X c .
s
D
OQ
ся в основном фильтрационным коэффициентом
l/s-перехода,
ls
ls
X X т.е.
XT К ≡ Кls. В то же время для ПА
H ls c X cdO X
H ls
ls O
'
с высокой подвижностью в ds -зоне
получаем
Xlsc
1
' s E
kT
D
D
Ʉ s E s 1 E s e H ls .s
0
ls
ls
X c X d j XXT c Ʉ s Ʉ ls ɋ l 0,
Ʉs
,
Ʉ Ʉ ls Ʉ s
(5.12)
Dls1 OQ
Xc
E ls E ls lsɄɄ
e 'ls
s
s
Ʉ jɋ aɋ
0, 0 bɋ l ,
Es
Ʉ j Ʉ lsXɄc Ʉ
s s ls l
X c X d XT
E
1 E ls Ʉ s e 'ls
ls
где
1
H
'
ls
XscOl . X ls O
Ʉ s E s j' 1aɋ
HE0lssebɋ
ls
j X c Ʉ s Ʉ ls ɋ l 0,
kT
D
D1
(5.13)
Ʉ s E s 10 E s lse ' s ls. Ʉs
,
Ʉ Ʉ ls Ʉ s
Xc
E ls 1 E ls Ʉ s e 'ls
j aɋ 0 bɋ l E s
D
OQ
lsd X
ls
X
X
c
T
X
ТермоупругиеH силы
на ПА: из области высоких температур и наc
X по-разному
O X ls O E действуют
ls
s
' ls
c
X
X
X
пряжений выталкиваются
междоузельные
атомы
ионным радиусом, а ваканc
d
Tи ПА с большим
kT0 Dls
Dls
' 1
j X c Ʉ sHɄlsls ɋ l 0Ʉ
, s E s 1 E s e s .
сии и ПА с малым радиусом в замещающем положении перемещаются в противоположном
j X c Ʉ s Ʉ ls ɋ l 0,
направлении.
Dls OQ ls
Xc Ʉ s
j aɋ 0Ʉ bɋɄl Ʉ
, > 1, а во втором – βs
Поэтому, согласно (5.13), в первом случаеls E ss
и Кs будут
'
XEclsXd1 XETls Ʉ s e ls
j
aɋ
0
bɋ
l
H
>
@
>
>
@
@
>
@
>
@
>
@
ls
и Кs < 1.
Xc ɄE s Ʉ
ɋsl 01.,
ls '
Ʉ s E s j 1К
s e
Ʉ sкоэффициент
Вместе с тем фильтрационный
ls, наоборот, будет >1 для ПА с малым ион,
Ʉ Ʉ ls Ʉ s
ным радиусом и < 1 для ПА
а также для междоузельных атомов.
E ls сбольшим
1 E ls Ʉ s ионным
e 'ls j радиусом,
X c aɋ 0 bɋ l Так что эффективный коэффициент КEбудет
определяться
компенсирующим действием этих
s
X
X d XT
1
c
двух факторов.
Ʉ При
E этом
1 выражение
E e ' s . для потока ПА, согласно (5.1), будет иметь вид
>
s
>
s
s
@
@
j X c Ʉ s Ʉ ls ɋ l 0, Xc
Es
где Сl(0) – концентрация
X c X d ПА
XT в расплаве.j aɋ 0 bɋ l (5.14)
Выводы
j X c Ʉ s Ʉ ls ɋ l 0,
1. Для описания переноса ПА в системе расплав-растущий кристалл использованы урав-
нения типа j aɋ 0 bɋ l , в которых а и b определяются скоростями переноса υс, υd, υΘ на
участке 0≤х≤l и концентрациями ПА С(0) и С(l) на границах этого участка.
2. В зависимости от содержания параметров а и в эти уравнения справедливы не только
для ПА, но и любых других нейтральных или заряженных квазичастиц. С их помощью можно
описывать перенос частиц как через моноатомные слои вещества, так и через многоатомные
системы (пленки).
3. Получено выражение для эффективного коэффициента распределения ПА в системе
расплав-растущий кристалл К = Кl · Кls · Кs , что позволяет анализировать влияние режимов
– 236 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.М. Ленченко, Ю.Ю. Логинов. Расчет влияния условий роста на коэффициент распределения…
роста (скорости вытягивания слитка, градиента температур и силовых полей) на перенос и накопление ПА в растущем кристалле.
4. Очень важным является уравнение для потока ПА через l/s-границу ( jls). Входящие в
него параметры аls и bsl учитывают режим роста кристалла (скорости υс, υd, υΘ на l/s-границе), и
это отличает коэффициент Кls от статического К0, который обычно используется для описания
распределения ПА на l/s-границе.
В заключение следует отметить, что изложенное может оказаться полезным не только для
анализа переноса ПА в системе расплав-кристалл, но и адаптировано к описанию процессов
переноса в силовых полях (например, для расчета ВАХ системы электролит-металл), для расчета скорости роста второй фазы (например, окисной пленки).
Список литературы
1.
Handbook of Crystal Growth. Vol. 2: Bulk Crystal Growth / Ed. by D. T. J. Hurle. – Amsterdam:
North-Holland Elsevier Science Publishers, 1994. – 1299 p.
2. Kasap S.O. Principles of Electronic Materials and Devices / S.O.Kasap. – New York: McGrawHill, 2002.
3. Voronkov V.V. The mechanism of swirle defects formation in silicon / V.V.Voronkov // J. Cryst.
Growth. – 1982. – V.59. – P.625 – 643.
Calculation of Influence of Growth Conditions
on Distribution Coefficient of Impurity Atoms Between Melt
and a Growing Crystal
j | aC 0 bC l jl
j | aC 0 bC l jls
Viktor M. Lenchenko and Yuri Y. Loginov
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
js
ɋl 0 Ʉ of
l sites 0≤х≤l of border between melt and a growing crystal are
Streams of impurity atoms
ɋ
j
j on each
j
l
ls
s
l
0 bC l in which a and b are determined through convective υс,
submittedj |asaC
expression
0 jbC
l j0| aC
l of carry of impurity atoms accordingly in a melt (аl, bl), in a
| aC
υbCspeeds
drift υd and thermal-diffusion
ɋ s 0 ɋl 0 Θ
Ʉof
crystal (аs, bs), and also
of phases (аsl, bsl). From a condition of quasistationary
Ʉ l onj border
jlss theɋunit
l ɋ jls
j
j
j
l 0 coefficient of impurity atoms concentration on each
lj the distribution
ls
sj
j
process ofl growth
l
ls
s
of sites Ʉ l
ɋ 0ɋl 0 ɋl 0 ,ɄɄ ls ɋɄl l 0s ɋ, Ʉ s
l
l
ɋl
ɋɋl l 0
ɋ s d s are found and the general distribution coefficient of
ɋ s 0
C
impurity atoms between melt volume
and a cooled part of a growing ingot K = s is determined. The
s 0 C
ɋs0d ɋ
ɋ s 0 s
s
Cl
Ʉ
ɋ
K
Ʉ s sls
Ʉ ls
ɋl 0Ʉ ls ɋ ɋ0s 0ɋ l 0 Cl
l
received expression for K allows
to analyze influence of modes of growth (speed of a crystal grows υс,
a gradient of temperatures (through υΘ) and force fields (through υd)) on carry and accumulation of
ɋ s d s ɋ 0 ɋ sindas growing
impurity atoms
s
Ʉsssdcrystal.
ɋC
s Ʉ ls
K
Ʉs
Ʉs C
ɋ s 0 ɋ 0 .
ɋ
0
l
s
0 crystal; grows
ɋl melt;
Keywords: impurity
atoms;
conditions.
s
K
Cs
Cl
ɋ s C0s
CK
s
Ʉ
K ls ɋ C0l . Ʉ ls
Cl l
ɋ s 0 ɋ s 0 Ʉ
ɋ lsɋ0s d s .
ɋ s d s ,
ɋl d l – 237 –
1
1
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 238-249
~~~
УДК 669.017
Некоторые особенности фазовых превращений
в системе железо-углерод
В.С. Биронт*, И.В. Блохин
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный,79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
В статье рассмотрены обнаруженные особенности развития фазовых превращений в сплавах
системы железо-углерод, свидетельствующие о более сложных закономерностях механизмов
и кинетики этих превращений по сравнению с общепризнанными представлениями о них. Показано, что образование ферромагнитной фазы в эвтектоидной и даже в заэвтектоидной
сталях при переохлаждении аустенита может происходить до начала собственно эвтектоидного распада, фиксируемого методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
Показано, что этому способствует использование малых скоростей охлаждения(несколько
сотых градуса в минуту) в температурном интервале 740-680 ºC, длительные выдержки в надкритическом интервале температур, а также термоциклирование в интервале 715-780 ºC.
Ключевые слова: Система железо-углерод, феррит, аустенит, цементит, дифференциальная
сканирующая калориметрия, магнитный термогравиметрический анализ.
Введение
Диаграмма железо-углерод и представления о превращениях, протекающих в этой системе, достаточно давно известны, со времен исследований Д.К. Чернова [1-4]. Механизмы и сведения о кинетике превращений в этой системе стали классикой и перешли во все учебники
в области металловедения, материаловедения, теории и технологии термической обработки
металлов [5-6]. Центральным звеном теоретических представлений о фазовых превращениях
в сталях и чугунах при нагреве и охлаждении сплавов в твердом состоянии является теория
эвтектоидного превращения (аустенитного – при нагреве и перлитного – при охлаждении).
Оба эти превращения, являющиеся фазовыми, развиваются в две стадии: образования зародышей и их последующего роста. Поскольку такие превращения связаны с перестройкой решеток твердых растворов, а также с синтезом – диссоциацией химического соединения (Fe3C),
важнейшей стороной прямого и обратного эвтектоидных превращений должна быть диффузия,
как обменная (на межфазных границах), так и гомогенизирующая, – в составе образующейся
и расходуемой исходной фазы. Приобретение либо исчезновение образцом ферромагнетизма
при этом определяется свойствами и количеством фаз, участвующих в превращении. Поэтому
фиксирование соответствующими приборами появления либо исчезновения ферромагнетизма
*
1
Corresponding author E-mail address: VBiront@sfu-kras.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 238 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
сплава в период развития того или иного превращения можно относить к появлению или исчезновению соответствующей ферромагнитной фазы. При этом изменение магнитных свойств образца должно реагировать как на изменение количества ферромагнитного феррита, выделяющегося в виде первичной избыточной фазы и являющегося продуктом прямого полиморфного
превращения аустенита в доэвтектоидной стали, так и феррита, образующегося из аустенита в
порядке эвтектоидного распада при температуре перлитного превращения.
Тепловой эффект эвтектоидного превращения, заключающийся в потреблении теплоты
при аустенитном превращении и в выделении этого же количества теплоты при перлитном
распаде, обеспечивает изотермические условия развития этих превращений в условиях равновесия.
Поглощение или выделение скрытой теплоты фазового превращения происходит в очень
узком интервале температур развития соответствующего превращения и отвечает в равновесных условиях только тому периоду времени, пока в системе сохраняется трехфазное состояние.
Причем поглощение или выделение скрытой теплоты превращения происходит при температурах несколько более высоких, нежели точка фазового равновесия (с перенагревом), или при
более низкой температуре (с переохлаждением), что требуется для преодоления потенциального энергетического барьера возникновения соответствующих зародышей новой фазы в период
того или иного направления развития превращения.
Считается, что затраты теплоты, происходящие при аустенитном превращении, связаны с
затратами энергии на разрушение межатомных связей в составе орторомбического цементита
при его диссоциации в условиях перенагрева выше критической температуры (выше 727 ºC)
и перестройку решетки из (ОЦК) в (ГЦК) аустенита. При развитии перлитного превращения
(в условиях переохлаждения ниже 727 ºC) тепловой эффект связывают с выделением скрытой
теплоты фазового превращения за счет восстановления нарушенных при нагреве межатомных
связей в решетке цементита и обратным превращением ГЦК→ОЦК. В подтверждение этого
объяснения приводят сведения о равенстве тепловых эффектов при нагреве и охлаждении, с
разными знаками. Действительно, если для одной и той же стали, имеющей вполне определенное количество цементита, как фазовой составляющей, является величиной постоянной,
то число разрушаемых межатомных связей при нагреве должно строго соответствовать числу
восстанавливаемых связей – при охлаждении.
Нашими исследованиями обнаружены некоторые отклонения от этих общепризнанных
представлений о развитии превращений в сталях при нагревах и охлаждениях, что может свидетельствовать о неполноте наших знаний о механизмах развивающихся процессов. Поэтому
целью настоящих исследований явилось уточнение деталей фазовых превращений, развивающихся при нагреве и охлаждении сталей в области их критических точек. Обнаруженные особенности механизмов и кинетики этих превращений позволят по-новому подойти к разработке
технологических процессов предварительной и окончательной (упрочняющей) термической
обработки сталей, в том числе с использованием термоциклической обработки (ТЦО) [7].
Методики исследований
Определение тепловых эффектов при нагреве и охлаждении осуществляли с использованием термоаналитического прибора для синхронного термического анализа STA (Jupiter
– 239 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
449 C). Метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) фиксирует разность температур между эталоном
(для STA – пустой тигель) и образцом, находящимся в другом
тигле из того же материала.
С использованием этого же прибора методом термогравиметрии измеряется изменение массы (гравиметрической
силы образца) в зависимости от температуры или времени
при определенных и контролируемых условиях. Разрешение
весов прибора – 0,2 мкг. Максимальная масса исследуемого
образца – 5,0 г. Оснащение прибора дополнительным постоянным магнитом позволило реализовать (рис. 1) методику
магнитной термогравиметрии (МТГ). Изменение магнитных
свойств исследуемого образца в процессе термического или
газового воздействия на него влечет за собой изменение взаимодействия материала образца с магнитным полем постоянного магнита, что изменяет величину гравиметрического
Рис.1. Схема модернизированного сигнала прибора. Линия ТГ+магнит (МТГ) несет в себе лишь
прибора STA Jupiter 449 C, качественную информацию. Однако этого оказывается дооснащенного магнитами
статочно для анализа фазовых изменений магнитных материалов.
Таблица 1. Химический состав исследованных образцов
Марки сталей
Содержание компонентов и примесей в сталях, % по массе
С
Si
Mn
Ст45
0,45
0,15
У8
0,80
0,11
Cr
Ni
Cu
S
P
Fe
0,79
0,15
0,26
0,01
1,00
0,80
0,02
0,03
Основа
0,13
0,005
0,02
0,03
Основа
У10
1,00
У12
1,20
0,20
0,28
0,30
0,31
0,11
0,02
0,03
Основа
0,20 –
1,20
0,23
0,70
1,10
0,17
0,11
0,02
0,03
Основа
Сталь20
(науглероженная)
Не проводился
Основа
Все исследования проводились с инертными газами (аргон, азот) в условиях непрерывного
нагрева и охлаждения со скоростями 0,01-50 К/мин, а также в необходимых случаях – в изотермических условиях. Точность измерения температуры образца 0,1 ºC. Калибровка термопары
выполнена по температурам плавления эталонов, в качестве которых использованы чистые
металлы.
Результаты и их обсуждение
Обычно используемые в практике термической обработки скорости нагрева и охлаждения
при отжиге, нормализации и иных процессах часто лежат в интервалах значений от единиц
градусов в минуту до десятков и сотен градусов в секунду. В этих условиях переход через критические точки сопровождается заметными перенагревами и переохлаждениями, при которых
– 240 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис.2. Сталь У8 при охлаждении намагничивается в процессе развития эвтектоидного превращения
(пунктирная линия – МТГ, сплошная линия – ДСК)
фактически развиваются фазовые превращения. При скорости нагрева 10 К/мин образцов из
стали У8 (рис. 2) аустенитное превращение происходит с перенагревом на 7 ºC выше, чем температура фазового равновесия (727 ºC). Превращение феррито-цементитной смеси в аустенит
сопровождается уменьшением количества ферромагнитной фазы (феррита), за счет чего происходит размагничивание образца (рис. 2, красная МТГ-кривая).
При охлаждении со скоростью 10 К/мин (синие кривые на рис.2) тепловой эффект эвтектоидного превращения наблюдается при температуре 709-710 ºC. Практически в этом же интервале температур происходит намагничивание образца (синяя МТГ – кривая на рис.2). Это
свидетельствует о том, что перлитное превращение проходит по известной классической схеме, согласно которой парамагнитный аустенит заменяется феррито-цементитной структурой
перлита, содержащего ферромагнитную фазу (феррит).
Однако в большинстве случаев наблюдается иное соотношение между характерными эффектами на ДСК- и МТГ-кривых. На рис.3 приведены такие кривые для образцов из заэвтектоидной стали У10, нагретых в первом и втором цикле до 810 °С, а третий раз – до 1050 °С, и
охлаждаемых в экспериментах со скоростью 7 К/мин.
Для всех трех циклов охлаждения наблюдается несовпадение эффектов эвтектоидного
превращения и приобретения образцом ферромагнитных свойств. Совпадения кривых для
первых двух циклов охлаждения свидетельствуют о повторяемости и объективности наблюдаемых особенностей развивающихся превращений. Причем совпадают не только температуры критических точек, но и значения тепловых эффектов превращения. Кривая для третьего
охлаждения (рис.3) указывает на особенности температурной зависимости обнаруженного несоответствия в приобретении образцом ферромагнитных свойств в результате исследуемого
– 241 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис.3. ДСК- и МТГ-кривые охлаждения образцов из заэвтектоидной стали У10; синие и зеленые кривые –
два цикла охлаждения с 810 °С, третий – с 1050 °С. (пунктирная линия – МТГ, сплошная линия – ДСК)
цикла. Причем в последнем случае, наряду с более высокой степенью переохлаждения при
развитии перлитного превращения, изменение уровня ферромагнетизма связано не только с
магнитным превращением имевшегося в образце феррита, но и с дополнительным нарастанием его количества в процессе охлаждения ниже точки Кюри. Раздвоение максимума кривой
ДСК свидетельствует о сложном характере процессов, протекающих в интервале критических
точек, которые соответствуют эвтектоидному превращению.
Согласно диаграмме железо-углерод сталь У10 при температуре 810 °С имеет структуру
аустенит + вторичный цементит, что соответствует парамагнитному состоянию. При охлаждении сталь должна приобретать ферромагнетизм по мере образования феррито-цементитной
структуры в результате эвтектоидного распада. Однако в первых двух циклах охлаждения с
температуры 810 °С ферромагнетизм системы возникает в точке Кюри, что свидетельствует о
том, что феррит в стали появился до начала эвтектоидного распада. В третьем цикле охлаждения с температуры 1050 °С ферромагнитные свойства возникают так же, как и в предыдущих
циклах, при температуре точки Кюри, и усиливаются в период дальнейшего охлаждения до начала эвтектоидного распада. Это свидетельствует о том, что при охлаждении сталей, имеющих
аустенитную структуру, эвтектоидному превращению предшествовало выделение феррита.
Наиболее наглядно этот же эффект проявляется в эвтектоидной стали У8 (рис.4), на которой первый цикл нагрева с последующим охлаждением со средними скоростями изменения
температуры (несколько градусов в минуту) сопровождается нормальным сочетанием эвтектоидного превращения с проявлением ферромагнитных свойств образца.
При втором, третьем и четвертом циклах термоциклической обработки МТГ-кривые закономерно смещаются относительно первой кривой, определяя, тем самым, образование и со– 242 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис.4. ДСК- и МТГ-кривые нагрева (красные и зеленые) и охлаждения (черные и синие) образцов из
эвтектоидной стали У8 (пунктирные линии – МТГ, сплошные линии – ДСК)
хранение в объеме стали все большего количества ферромагнитной фазы еще до начала эвтектоидного распада аустенита.
Таким образом, эффект, впервые обнаруженный на заэвтектоидной стали, оказывается общей особенностью фазовой перекристаллизации различных сталей, содержащих в структуре
перлит в разном количестве.
Можно полагать, что обнаруженное явление образования феррита и роста его количества
в процессе охлаждения при надкритических температурах (выше точки эвтектоидного превращения) связано с гетерогенизацией структуры аустенита до начала собственно эвтектоидного
превращения, заключающейся в самоорганизации фаз на дефектах кристаллического строения
в аустените, при наличии в нем реальной статистически распределенной химической неоднородности. При этом могут формироваться отдельные зародыши как феррита, так и цементита,
которые представляют собой тонкие кластерные образования толщиной в несколько атомных
слоев, т.е. в виде наноразмерных объемов, механизмы роста которых в этих условиях существенно отличаются как между собой, так и от более поздних стадий эвтектоидного распада.
Малые размеры таких зародышей часто не позволяют их наблюдать имеющимися методами
исследований, но хорошо выявляются использованным методом магнитной термогравиметрии. Рост ферритных и цементитных кристаллов в надкритическом интервале температур
стимулируется диффузионным перераспределением углерода через аустенит на относительно
большие расстояния, в связи с чем этот процесс требует достаточно большой длительности выдержки, или нагрева, или охлаждения в надкритическом интервале температур со скоростями,
составляющими несколько сотых градуса в минуту.
В качестве факторов, стимулирующих диффузионный перенос углерода в аустените
между одновременно растущими индивидуальными кластерными образованиями феррита
и цементита, следует рассматривать особенности массообмена на межфазных границах.
– 243 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис.5. ДСК и МТГ-кривые, нагрева образцов из стали У8 и У12 с разными скоростями: 1,5 К/мин и 0,06
К/мин (пунктирная линия – МТГ, сплошная линия – ДСК)
Рост цементитного кластера в аустенитной матрице обедняет аустенит по углероду вблизи
межфазной границы. Рост ферритного кластера обеспечивает обогащение углеродом аустенита на рассматриваемой границе аустенит-феррит. Таким образом, создается градиентное
распределение углерода в аустените, контактирующем с этими двумя разнородными межфазными границами. Это стимулирует перераспределение углерода через объем аустенита,
обеспечивает приток углерода к растущему цементитному кластеру и отток его от межфазной границы с ферритом, способствуя росту и этой частицы. Различие удельных объемов
гранецентрированной кристаллической решетки аустенита и объемно-центрированной решетки феррита вызывает фазовый наклеп образующихся ферритных кластеров, т.е. внутри
формирующегося ферритного объема развиваются деформационные, а затем дорекристаллизационные и рекристаллизационные процессы, определяющие форму и размеры зерен
растущего феррита.
На межфазной границе аустенита с цементитом в этом же надкритическом интервале температур может развиваться сложный комплекс структурных преобразований, таких как рост
цементитных кристаллов, их сфероидизация и коагуляция, что уменьшает протяженность
межфазной поверхности аустенит-цементит относительно единицы объема фазы.
Причем такие индивидуальные процессы на межфазных границах протекают в одном и
том же направлении, независимо от того, в каком направлении изменялась температура стали –
при нагреве, охлаждении или изотермической выдержке. Было показано (рис.5), что при нагреве эвтектоидной стали У8 со скоростью 2,0 К/мин образование аустенита в процессе нагрева
развивается по известному механизму обратного эвтектоидного (аустенитного) превращения,
которое сопровождается потерей ферромагнетизма именно в момент развития аустенитного
превращения (сиреневые кривые на рис. 5).
– 244 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
При нагреве стали со скоростью 0,06 К/мин (синие кривые на рис. 5) образование аустенита по обратной эвтектоидной реакции не сопровождается потерей образцом ферромагнитных
свойств. Это свидетельствует о сохранении в структуре стали устойчивых выделений феррита,
сформировавшихся по механизмам индивидуальных кластерных наноразмерных стадий фазовых превращений на межфазных границах аустенита с ферритом и цементитом, что обеспечивает сохранение в аустените изолированных ферритных и цементитных кластеров, которые будут оказывать влияние на свойства стали в случае их сохранения в структуре готовых изделий.
Продолжение нагрева до температур точки Кюри вызывает потерю образцом ферромагнитных
свойств, что свидетельствует о последующем растворении ферритных и, соответственно, цементитных частиц и гомогенизации аустенита. Однако такой характер структурных изменений наблюдается лишь при больших степенях перенагрева (температура выше 750 °С).
Длительная выдержка (до 6-12 ч) стали У8 при 736 °С, а также медленное охлаждение в
течение 12 ч в интервале температур от 745 до 720 °С сопровождалось увеличением уровня
проявления ферромагнитных свойств, что свидетельствует об увеличении количества феррита
в стали в результате такой обработки. Результатом шестичасовой изотермической выдержки
при температуре 736 °С явилась совершенная структура зернистого перлита.
Аналогичная феррито-цементитная структура зернистого строения была получена в результате проведения термоциклической обработки (ТЦО) стали У8 в интервале температур
715-780 ºC.
Нагрев в последнем цикле ТЦО до температуры 735 ºC с последующим закалочным охлаждением позволил получить структуру, сочетающую в себе строение, полученное в результате
термоциклирования (гетерогенизированную регулярную зернистую смесь феррита и цементита), кристаллы мартенсита, сформированные на базе аустенитных зерен, которые возникли
при незавершенном аустенитном превращении (светлые кристаллы), и динамических кластерных образований (темные участки на части периметров межфазных границ) (рис.6). Строение
последних объемов требует еще дополнительного изучения. Предположительно, именно эти
участки служат проявлениями кластерных этапов развития фазовых превращений.
Для анализа процессов, происходящих в указанных интервалах температур, исследуемый
образец термоциклировали в приборе ДСК. При этом регистрировали тепловые эффекты превращений и изменение уровня ферромагнитных свойств в непрерывном режиме ТЦО (рис.7).
Все температурные переходы, включая первичный нагрев до температуры 780 ºC, окончательное охлаждение после завершения циклирования, а также изменения температуры в циклах
осуществляли со скоростью 10 К/мин.
Эндотермический эффект аустенитного превращения при нагреве составил 40,24 Дж/г.
Это превращение начинается при достижении образцом температуры критической точки Ас1,
однако массовое увеличение количества парамагнитного аустенита с соответствующим уменьшением ферромагнитного феррита наблюдается с задержкой, при достижении температуры в
исследуемой зоне печи выше 740 ºC.
Небольшой перегиб на МТГ-кривой первичного нагрева в области температуры точки
Кюри свидетельствует о сохранении в системе некоторого количества феррита. Первые 5 циклов ТЦО выполняли в интервале температур 715 – 780 ºC. Верхняя температура циклической
обработки принималась одинаковой с целью сохранения постоянства исходного уровня маг– 245 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис. 6. Микроструктура стали У8. Закалка после ТЦО с 735 ºC ×1000
нитных свойств для изучения влияния числа циклов ТЦО на степень намагничивания стали
от цикла к циклу в период каждого охлаждения. Результаты исследования показывают, что в
первых пяти циклах степень намагничивания стали при охлаждении от 780 ºC до 715 ºC нарастает от цикла к циклу, что свидетельствует об увеличении количества выделяющегося феррита
от одного до пяти циклов и об уменьшении устойчивости такого аустенита к превращению в
феррит. Причем, судя по кривым размагничивания в процессе всех первых пяти нагревов до
780 ºC, образующийся при охлаждении феррит при каждом цикле полностью превращается в
аустенит, восстанавливая исходное соотношение между количеством феррита и аустенита.
Однако такая термоциклическая обработка уменьшает устойчивость аустенита при новом
цикле охлаждения, поэтому при всех последующих циклах ТЦО (от 6-го до 13-го) степень намагничивания при охлаждениях продолжает увеличиваться.
При дальнейшем термоциклировании температура нагрева в циклах постепенно снижалась, а нижняя оставалась неизменной с целью определения возможности полной замены парамагнитного аустенита ферритом в области надкритических температур при ограничении обратного превращения феррита в аустенит. Для этого нижнюю температуру в циклах постоянно
ограничивали значениями 715 – 717 ºC, что предотвращало возможность развития эвтектоидного (перлитного) распада аустенита.
В результате выполненного термоциклирования к моменту окончания последнего цикла уровень ферромагнитных свойств достигает значений, близких к исходному состоянию
феррито-цементитной структуры, что свидетельствует о появлении в структуре стали У8 заметного количества феррита.
– 246 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
Рис.7. ДСК- и МТГ-кривые, термоциклирования образцов из заэвтектоидной стали У12 со
скоростью нагрева и охлаждения на всех этапах ТЦО 10,0 К/мин (пунктирная линия – МТГ,
сплошная линия – ДСК)
Последнее охлаждение выполнено непрерывно с 735 ºC с переходом через критическую
точку, в результате чего на ДСК-кривой при температуре 713 ºC зафиксирован экзотермический тепловой эффект, соответствующий эвтектоидному (перлитному) превращению, равный
45,64 Дж/г, что на 5,4 Дж/г выше значения эндотермического эффекта, зафиксированного при
первичном нагреве образца.
Исходная структура стали У8 представляла собой пластинчатый перлит, после окончания
обработки – совершенную структуру зернистого перлита. Эти структуры характеризуются
большой разницей по протяженности межфазной поверхности феррит-цементит, что и объясняет различие значений тепловых эффектов при нагреве и охлаждении.
Выводы
1. Совмещенными методами дифференциальной сканирующей калориметрии и магнитного термогравиметрического анализа установлено, что, наряду с известными закономерностями структурообразования в системе железо-углерод при образовании и распаде аустенита,
имеются дополнительные возможности регулирования структуры сталей, основанные на использовании начальных кластерных стадий фазовых превращений в области надкритических
температур.
2. Установлено, что при распаде аустенита в процессе охлаждения образование ферромагнитной фазы (феррита) в эвтектоидной и даже в заэвтектоидной сталях может происходить
до начала собственно эвтектоидного превращения при температурах, на несколько градусов
превышающих критическую точку Ас1.
– 247 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
3. Показано, что при обработке стали в надкритическом интервале температур достигается гетерогенизация аустенита и формирование совершенной структуры зернистого
перлита.
4. Предложен механизм структурных изменений, который основан на кластерных представлениях о начальных стадиях фазовой перекристаллизации, установлении фазового равновесия на межфазных границах кластеров в исходном аустените и гомогенизирующей диффузии углерода через аустенит, обеспечивающей одновременный рост индивидуальных частиц
феррита и цементита в стали.
5. Показано, что изучаемые процессы в аустените в надкритическом интервале температур реализуются при использовании малых скоростей нагрева либо охлаждения (несколько
сотых градуса в минуту) в температурном интервале 740 – 680 ºC, длительных выдержек в
надкритическом интервале температур или термоциклирования в интервале 715-780 ºC.
Список литературы
1.
Чернов Д.К. Избранные труды по металлургии и металловедению / Д.К. Чернов; под ред.
В.Д. Садовского. – М.: Наука, 1983. – 448 с.
2. Дьяченко С.С. Образование аустенита в железоуглеродистых сплавах / С.С. Дьяченко. –
М.: Металлургия, 1982. – 128 с.
3. Хансен М. Структуры двойных сплавов / М. Хансен, К. Андерко; пер. с англ.; под ред. И.И.
Новикова и И.Л. Рогельберга. Т.1. – М.: Металлургиздат, 1962. – 608 с.
4. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т.1 / под общ.
ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.
5. Грачев С.В. Физическое металловедение: учебник для вузов / С.В. Грачев, В.Р Бараз, А.А.
Богатов, В.П. Швейкин. – Екатеринбург: Изд-во Уральского гос. технич. ун-та – УПИ,
2001. – 534 с.
6. Биронт В.С. Материаловедение. Основы физического металловедения: учеб. пособие // В.С.
Биронт; Гос. образоват. учреждение «ГАЦМиЗ». – Красноярск, 2003. – 144 с.
7. Биронт В.С. Влияние термической и термоциклической обработки на структуру и свойства
мартенситно-стареющей стали / В.С. Биронт, Г.Г. Крушенко / Журн. Сиб. федерал. ун-та.
Техника и технологии. – 2008. – Т.1. – № 3. – С. 247 – 255.
Some Features of Phase Transformations
in Iron-Carbon System
Vitaly S. Biront and Ivan V. Blohin
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The article deals with the detected features of the development of phase transformations in alloys
of iron-carbon showing more complex patterns of mechanisms and kinetics of these transitions in
comparison with the generally about. We show that formation ferromagnetic phase in eutectoid and
– 248 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.С. Биронт, И.В. Блохин. Некоторые особенности фазовых превращений в системе железо-углерод
even hypereutectoid steel hypothermia at austenite may occur before prior to the actual collapse of the
eutectoid by differential scanning calorimetry recorded. We show that this promotes the use of small
cooling rate (a few hundredths of a degree a minute) in the temperature range 740-680 ºC, lengthy
excerpts in supercritical temperatures, and under thermal cyclic processing in the range of 715780 ºC.
Keywords: The system iron-carbon, ferrite, austenite, cementite, differential scanning Calorimetry,
magnetic thermo-gravimetric analysis.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 250-277
~~~
УДК 541.182.023.4+546.57+621.315.592+541.121+543.7
Применение серебра (обзор)
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов,
В.В. Иванов
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
Проведен обзор работ, посвященных применению, начиная с древних времен и до настоящего
времени. Сделан анализ использования серебра в различных областях техники, биологии,
медицины, в производстве ювелирных изделий. Отмечены особенности свойств и применения
наносеребра.
Ключевые слова: серебро, электроконтакты, припой, полупроводники, наносеребро, стекла,
медицина, биология, ювелирное дело.
Введение
Серебро известно еще с древних времен и всегда играло достаточно большую роль в
нашей жизни [1]. Лидийский царь Крез (561-546 гг. до н.э.), о несметных богатствах которого слагали легенды, впервые ввел золото и серебро как монетные металлы [2]. Широкое
использование серебра связано, в первую очередь, с его химическими и физическими свойствами, красивым внешним видом. Серебро и его сплавы применяются в различных областях техники, биологии и медицины, производстве ювелирных изделий. На основе серебра
созданы припои с уникальными эксплуатационными свойствами (пайка вакуумных приборов, керамических и композиционных материалов, соединений разнородных материалов,
обладающих весьма различными коэффициентами теплопроводности). При этом чем выше
требования к коррозионной стойкости паяного шва, тем с более высоким содержанием серебра применяются припои [3-5].
1. Традиционные применения серебра
Фотография
Почти все соединения серебра (Ag(I)) на свету разлагаются до свободного серебра и при
этом окрашиваются в серый или черный цвет, что используется в фотографии [1]. Лишь в последнее время на изготовление кино- и фотоматериалов с созданием цифровой техники стало
расходоваться меньшее количество серебра. Варианты переработки отходов такого производства рассмотрены в [6, 7].
*
1
Corresponding author E-mail address: antluba@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 250 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Катализ
Серебро и его сплавы используются в качестве катализаторов. Катализаторы Ag/оксиды
металлов эффективно восстанавливают NO в избытке кислорода. Установлена важная роль
восстановителей в селективном каталитическом восстановлении NO (эффективность восстановления зависит от типа восстановителя) [8]. Известно, что алюмооксидный носитель не является индифферентным по отношению к нанесенным на него металлам (Pt, Pd, Ag), оказывая тем самым заметное влияние на их свойства и степень взаимодействия с поверхностью [9,
10]. Изучению особенностей взаимодействия в системе Ag-Al2O3 посвящен ряд работ [11-13].
Данные по установлению взаимосвязи каталитической активности и концентрации кислотных
центров поверхности серебряных катализаторов приведены в [9].
Использование серебра в электротехнике
Большое количество серебра идет на изготовление электроконтактных материалов для
нужд электротехники и электроники [14, 15]. Они весьма разнообразны по назначению, области применения, характеру работы: скользящие и разрывные; контакты, предназначенные для
вакуумных выключателей и для работы в газе (воздух, элегаз), в масле, для высоковольтной и
низковольтной аппаратуры и т.п.
Разрывные электроконтакты низковольтной (до 1000 В) аппаратуры – основной потребитель серебра в этой области техники – изготавливают, как правило, из материалов с содержанием Ag около 80-90 %, в то время как в высоковольтных электроаппаратах используется медь.
Работоспособность и надежность электрических контактов в значительной степени определяется физическими и связанными с ними химическими процессами, имеющими место при
их работе [16-33].
Одним из главных факторов, определяющих срок службы коммутационных аппаратов,
является износ контактов, обусловленный переходным процессом при размыкании электрической цепи – дуговым разрядом. Считается обычно, что при размыкании тока более 0,5 А и
напряжении более 15 – 20 В между контактами возникает электрическая дуга, вызывающая
так называемую дуговую эрозию контактного материала. Прерывание меньших значений тока
и напряжения сопровождается только небольшими искрами и может приводить к «мостиковой эрозии», характерной для слаботочных реле. При этом наблюдается перенос материала с
одного электрода на другой с образованием кратеров и наростов в зависимости от полярности
и материала контактов. Образованию дуги часто предшествует мостиковая стадия процесса. В
момент размыкания цепи в точках контактирования локально выделяется тепло, металл плавится и между расходящимися поверхностями вытягивается жидкий мостик. Так как через
него течет весь ток, он разогревается до температуры кипения металла и разбрызгивается, при
этом часть металла вылетает за пределы межконтактного промежутка.
Оптимальным выбором материала электроконтактов можно в определенной степени влиять на процесс развития и гашения дугового разряда. Материал с высоким свойством дугогашения слабее подвержен дуговой эрозии. Наличие этого свойства – одно из требований к
контактному материалу. Ряд других требований, с точки зрения ослабления воздействия дуговых разрядов на износ, также следует из изложенного: высокие тепло- и электропроводность.
В условиях слабого теплоотвода катодное пятно может разогреваться за счет джоулева тепла
– 251 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
до высоких температур, обеспечивающих термоэмиссию электронов в катодный слой, снижая
тем самым способность к восстановлению прочности дугового промежутка и затягивая время
горения дуги.
В результате многократного повторения циклов замыкания-размыкания (В-О) вся поверхность контактов обрабатывается дугой. Это сопровождается высокотемпературными процессами взаимодействия твердого и жидкого металла с компонентами атмосферы и плазмой дуги
с образованием оксидов и других плохопроводящих соединений. В результате на рабочих поверхностях образуется так называемый слой наработки толщиной до десятков и сотен микрометров, состоящий из продуктов окисления, застывших микрокапель металла, атмосферных
частиц, пузырьков газа и т.п. Этот слой в дальнейшем оказывает определяющее влияние на
контактное сопротивление в замкнутом состоянии и вообще на работоспособность контактной
пары.
Условия работы электроконтактов в замкнутом состоянии определяются совокупностью
теплофизических процессов в площадке их соприкосновения. Эта площадка представляет собой только кажущуюся контактную площадь. Истинный механический контакт поверхностей
осуществляется на отдельных участках – контактных пятнах, площадь которых может составлять десятые и сотые доли процента от кажущейся площади соприкосновения.
От площади контактирования в значительной степени зависит весьма важная характеристика контактов – переходное сопротивление R K. Сложным образом на величину R K влияет
температура. Рабочая температура контактных элементов (или ее превышение над температурой окружающей среды ∆Т) нормируется [34].
Другие эффекты проявляются при длительном прохождении токов перегрузки. Результат – проплавление контактных площадок и их сваривание. Каждому материалу соответствует
величина граничного тока сваривания [35]. При прохождении сквозь контакты токов, близких
к критическим, все контакты в той или иной степени свариваются. Кроме того, существует
«холодное сваривание» при длительной работе на номинальных токах. Поэтому свойство сваривания характеризуется также отрывным усилием приварившихся контактов Fсв.
Эрозионный износ и сваривание наблюдаются не только при размыкании цепи, но и при
включении. В момент включения контакты упруго деформируются и коммутационное устройство из-за пружинящего эффекта на короткое время размыкается. Размыкания могут многократно (2-5 колебаний) повторяться, а амплитуда таких колебаний достигает 0,2 мм [36]. Это
явление называют вибрацией или дребезгом контактов. Во время дребезга возникает короткая
дуга и проявляются все эффекты, с ней связанные, в том числе и сваривание.
Рассмотренные физические явления и их следствия в виде действующих разрушающих
факторов, которые имеют место при работе электрических контактов, позволяют сформулировать требования к материалу и его свойствам (электрофизическим, теплофизическим, механическим и химическим).
Разрушающие факторы: электрическая дуга, искра, прохождение номинального тока, токов перегрузки и короткого замыкания, динамические нагрузки различной природы и термические напряжения, коррозионное действие среды.
Результаты воздействия разрушающих факторов на материал контакта: плавление материала, испарение, разбрызгивание, перенос материала с контакта на контакт, пластическая де– 252 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
формация; образование трещин, отколов, раковин, кратеров, осаждение капелек из брызг и
паров; сварка, холодная сварка, задиры, вырывы, выкрашивания; химическое взаимодействие
с атмосферой, образование слоев наработки.
Физико-химические свойства контактного материала, снижающие отрицательное влияние воздействия разрушающих факторов:
• высокие температуры плавления Тпл и кипения Ткип, теплоты плавления Qпл и испарения Qисп, теплоемкость ср, теплопроводность λ;
• низкая упругость паров, высокое поверхностное натяжение расплава;
• высокие электропроводность ϖ, работа выхода электрона Ае, потенциал ионизации ϕ;
• высокие прочность, усталостная прочность, ударная вязкость; оптимальная твердость;
• высокие коррозионная стойкость, летучесть продуктов коррозии и их электропроводность, оптимальные прочность поверхностных слоев и сила их связи с основой.
Концентрированное выражение все перечисленные физико-химические свойства электроконтактного материала находят в кратких формулировках основных служебных свойств электрического контакта:
• высокая электроэрозионная стойкость под воздействием дуги;
• низкое и стабильное переходное сопротивление при работе в коррозионно-активной
атмосфере;
• низкая склонность к свариванию под действием дуги, тока, динамических и статических нагрузок;
• высокая механическая износостойкость.
Сопоставление всего комплекса требований к свойствам материала показывает их многообразие и противоречивость. Казалось бы, взаимоисключающие свойства, несовместимые в
одном металле, удается объединить в композитах, псевдосплавах, которые получают методами
порошковой металлургии [37]. Тем не менее ясно, что основой электроконтактного материала
могут служить лишь благородные металлы и, в какой-то степени, медь, обладающие набором
ключевых свойств.
К настоящему времени разработаны сотни электроконтактных материалов на основе
благородных металлов и меди, но наибольшие объемы производства приходятся на электроконтакты с серебром. Причина этого понятна: серебро, кроме высоких тепло- и электропроводности, пластичности, имеет малое сродство к кислороду, а его оксиды Ag 2O и AgO
разлагаются уже при небольшом нагревании до 470 К [4, 38]. К тому же они имеют относительно малое удельное сопротивление – соответственно 1,0 и 0,012 Ом∙см при комнатной
температуре [39, 40]. Вследствие этого серебро обеспечивает низкое переходное сопротивление контактной пары. При окислении поверхности контактные области стягивания тока
нагреваются (вплоть до нескольких сотен градусов [41]), оксиды разлагаются и металлический контакт восстанавливается.
Материалы для электроконтактов на основе серебра используются как в виде чистого металла, его сплавов, так и гетерофазных композитов с металлами, оксидами, карбидами и т.п. Области применения отдельных композиций перечислены далее по тексту, а
также приведены в таблицах, основанных на информации из ряда источников [4, 20-22,
25, 26, 30, 36-38, 42].
– 253 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Серебро – слаботочные реле различного назначения, сигнальная аппаратура, контакты
вспомогательных цепей, термостаты, бытовые приборы, управление флуоресцентными лампами, командоконтроллеры, нагреватели воды, светоустановочные аппараты; покрытия электроосаждением на контактные детали устройств радио- и электронной техники, работающих
в бездуговом режиме.
Серебро-медь – реле, сигнальная аппаратура, светотехнические выключатели, радиоаппаратура.
Серебро-медь-никель – стенные бытовые выключатели, реле уличных сигналов, тепловые
выключатели, преобразователи тока, выключатели связи, реле автоматики, выключатели и
реле авиационные легконагруженные, электромагнитные счетчики, управление флюоресцентными лампами, автомобильные и железнодорожные сигнальные реле, регуляторы освещения.
Серебро-кадмий – реле, бензино- и маслоизмерители, контрольные реле легко- и средненагруженные авиационного оборудования, выключатели перегрузки и термостаты холодильников, уличные сигналы, тепловые выключатели, стартеры.
Серебро-кадмий-никель-железо – реле-регуляторы напряжения, автоприборы.
Серебро-кадмий-никель, серебро-кадмий-индий – реле в диапазоне токов 0-30 А.
Серебро-палладий – сигнальная аппаратура, телефонные реле и номеронабиратели, регуляторы напряжения, управление флюоресцентными лампами, бензино- и маслоизмерители, защитные устройства электродви­гателей, выключатели холодильников и термостатов, контактные кольца.
Серебро-платина – радиоаппаратура, приборы автоматики и радио, радиовибраторы и
устройства питания от сети радиоаппаратуры, электромагнитные счетчики.
Серебро-магний-никель,
серебро-золото-магний-никель,
серебро-магний-цирконий,
серебро-магний-никель-цирконий, серебро-палладий-магний – заменители контактов из сплавов платина-иридий, золото-палладий-платина, золото-никель, золото-платина в малогабаритных и миниатюрных электромагнитных реле радиоэлектроники.
Серебро-оксид циркония – микровыключатели, реле на токи в диапазоне 0,01-100 А.
Существенное улучшение электроконтактных свойств серебра путем его легирования
невозможно, поскольку достигаемое при этом улучшение твердости, износостойкости обязательно сопровождается снижением температуры плавления, тепло- и электропроводности.
Композиционные материалы сочетают свойства отдельных компонентов без их значительного
снижения (электро- и теплопроводность, температура плавления) и имеют, как правило, прочное каркасное строение.
Поэтому основные типы применяемых в настоящее время электроконтактных систем являются гетерогенными композиционными материалами с компонентами, ограниченно растворимыми в твердой фазе. Наибольшие объемы промышленного выпуска электроконтактной
продукции приходятся на системы: Ag-CdO, Ag-SnO2, Ag-Ni, Ag-W(WC), Ag-C [4, 26, 36-38, 41].
Типичные примеры составов и качественная оценка служебных свойств [43] приведены в табл. 1.
Типичные примеры применения материалов к различным типам аппаратов сведены в табл. 2.
Обозначения в таблице: Св – стойкость против сваривания, Кс – контактное сопротивление, Э – эрозионная стойкость, Пд – подвижность дуги, Дг – дугогасящие свойства; о – отличное, у – удовлетворительное, п – плохое.
– 254 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Таблица 1. Типичные примеры и электроконтактные свойства композиционных материалов на основе
серебра
Типичные составы
Основные свойства
Св
Кс
Э
Пд
Дг
Ag-10CdO
у
о
у
о
о
Ag-15CdO
о
о
о
у
о
Ag-12SnO2In 2O3 мд
о
п
о
у
у
Ag-12SnO2Bi2O3 мд
о
п
о
у
у
Ag-12SnO2WO3
о
у
о
у
у
Ag-12SnO2MoO2
о
о
о
у
у
Ag-8ZnO
о
п
о
у
у
Ag-(10-20)Ni
п
о
п
о
у
Ag-(30-40)Ni
у
у
у
о
у
Ag-(3-5)C
о
о
п
п
у
Ag-(50-70)W
у
п
о
п
п
Итак, разрывные электроконтакты, основой которых является серебро, в качестве функциональной добавки, придающей контактам высокий уровень служебных свойств, часто используются оксиды металлов. Наиболее эффективными в этом отношении признаны: оксид
кадмия (CdO), используемый для этих целей уже более 60 лет (впервые предложен в 1939 г.
[44]), и диоксид олова (SnO2 – предложен в 1949 г. [45]). Диоксид олова широко используется
только в последние десятилетия, приходя на замену токсичному оксиду кадмия. По этой системе опубликовано множество патентов, см., например [46]. Нашли также некоторое применение
оксиды меди и цинка [47-50].
Для больших токов и относительно высоких напряжений используют композиции с тугоплавкими металлами Mo, W (табл. 1, 2) и карбидами WC, TiC [51].
Еще в 1939 г. для тяжелонагруженных реле был предложен материал Ag-Ni [52]. Контактдетали из этого псевдосплава широко используются и в настоящее время. Их область применения охватывает средненагруженные контакторы и магнитные пускатели, реле автоматики
железных дорог. В паре с контактом Ag-C он имеет прекрасные характеристики сваривания и
применяется в автоматических выключателях. Есть также предложения использовать псевдосплавы с железом [53, 54].
Композит Ag-Ni получают прямым смешением порошков Ag и Ni и совместным осаждением солей из растворов. Детально технология этих псевдосплавов описана в [55] и
включает обязательную холодную деформацию после твердофазного спекания порошков
(экструзию, прокатку, волочение). Таким путем получают текстурированный материал с
упорядоченно-ориентированной структурой [4]. Контакты системы Ag-Ni кроме высокой
пластичности и хорошей прирабатываемости обладают также высокими тепло- и электропроводностью, коррозионной и эрозионной стойкостью, стабильным и низким переходным
сопротивлением.
Возможно получение материала Ag-Ni внутренним окислением [4]. Разработан способ получения мелкодисперсной смеси порошков 0,5 – 1 мкм помолом смеси солей в вибромельнице
– 255 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Таблица 2. Типичные приложения контактных материалов к различным типам низковольтных
аппаратов
Область применения
Реле и вспомогательные контакты
Длительный Прерываемый
ток
ток
≤ 10A
≤ 100A
Контакторы
≤ 10A
> 10A
≤ 150 A
> 150A-10kA
Автоматические выключатели
(стандарты США)
Коммутационные выключатели,
используемые в жилых помещениях
≤ 125A
≤ 10kA
≤ 30 A
≤ 10kA
Автоматические выключатели
(Европейские стандарты)
≤ 63 A
≤ 10kA
Промышленные автоматические
выключатели без дополнительных
дугогасящих контактов
≤ 400 A
≤ 25kA
≤ 800 A
≤ 100 kA
Автоматические выключатели
с главными и дугогасящими
контактами
> 400 A
< 150kA
> 10kA
Материал
Ag, AgCu (3-10 Cu)
AgCdO (10-15 CdO)
AgNi (10-20 Ni)
AgNi (10-20 Ni)
AgCdO (10-15 CdO)
AgSnO2 (8-12 SnO2)
MoAg (25-50 Ag)
WAg (50 Ag)
WAg (25-50 Ag)
MoAg (Ag-обогащен. пов-сть)
AgCdO (10-15 CdO)
AgZnO (8-10 ZnO)
AgSnO2 (8-10 SnO2)
AgCdO (10-15 CdO)
AgSnO2 (10-12 SnO2)
AgC (3-5 % C) + Cu
AgC (3-5 C)+AgNi (40-50 Ni)
AgZnO (8 ZnO)
MoAg (25-50 Ag), WAg
AgC (3-5 C)+AgNi (40-50 Ni)
AgC (3-5 C)+WAg (25-50 Ag)
WAg (25-50 Ag)
WCAg (35-50 Ag)
MoAg (30-50 Ag)
Главные контакты:
AgNi (20-40 Ni)
AgCdO (10-15 CdO)
MoAg(50Ag), AgW(25-50W)
WCAg (35-50 Ag)
Дуговые контакты:
WAg (20-35 Ag)
WCu (30-50 Cu)
WCAg (30-40 Ag)
с последующим восстановлением. Способ пригоден для шихты Ag-Ni и Ag-Ni-C [56]. Он проще
и производительнее химического способа соосаждения солей.
Большое преимущество контактов Ag-Ni – их технологичность: они не нуждаются
в дополнительном слое (так называемом подслое) для пайки на контактодержатель. Немаловажное обстоятельство – возможность экономии до 40 % серебра. В связи с этим до
сих пор продолжаются работы по совершенствованию материала [57-59]. Ранее [60] изучены контакты состава Ag-10Ni-3C, показавшие не только высокое сопротивление привариванию, но и высокую скорость эрозии в дуге. Авторы [57] к той же основе добавляли
малое количество графита – 0,5 и 1 %. Выяснилось, что скорость эрозии в аппарате и
свариваемость заметно возрастают. В патентах [58, 59] предлагается в композицию Ag-Ni
ввести оксид никеля, что, по мнению авторов, улучшает служебные свойства контактного материала.
– 256 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Твердость,
Н/мм2, ×102
Модуль Юнга,
кН/мм2
Теплопроводность,
Вт/м⋅К
Температурный
коэффициент
электрического
сопротивления,
К-1,×10 -3
Электрическое
сопротивление,
мкОм⋅см
Тпл,°С
Плотность,
г/см3
Материал
Таблица 3. Свойства некоторых серебросодержащих сплавов и композиционных материалов
электроконтактного назначения (состав, мас. %)
1
2
3
4
5
6
7
8
Ag
10,5
960
1,59
4,1
419
79
3-7
Ag-10Cd
10,3
910-925
4,3
1,4
150
60
3,6-10
Ag-15Cd
10,1
850-875
4,8
2
109
60
4,0-11,5
Ag-3Cu
10,4
900-934
1,92
3,2
385
85
4,5-9,5
Ag-5Cu
10,4
905-940
1,96
3
380
85
5-10
Ag-10Cu
10,3
779-875
2,08
2,8
335
85
6,5-12
Ag-20Cu
10,2
779-810
2,17
2,7
335
85
8-13
Ag-30Pd
10,9
1150-1220
15,6
0,4
60
116
7-14
Ag-40Pd
11,1
1225-1285
20
0,36
46
134
7,5-15
Ag-50Pd
11,2
1290-1340
33,3
0,23
33,5
137
8-16
Ag-60Pd
11,4
1330-1385
41,7
Ag-30Pd-5Cu
10,8
1120-1165
15,4
0,37
29,3
Ag-0,15Ni
10,5
960
1,7
4
10-18
108
9-17
414
85
4,5-9
Ag-10Ni
10,2
960
2,0
3,5
310
84
5-11
Ag-20Ni
10,0
960
2,2
3,5
270
98
6-10,5
Ag-30Ni
9,8
960
2,4
3,4
240
115
6,5-11,5
Ag-40Ni
9,7
960
2,7
2,9
210
129
7,5-12
Ag-50Ni
9,6
960
3,1
185
145
7,5-13
Ag-60Ni
9,4
960
3,7
155
160
8-14
Ag-70Ni
9,3
960
4,0
140
170
8-15,5
Ag-3C
9,0
960
2,1
3,5
325
4,2
3,3
318
4,0
Ag-5C
8,5
960
2,3
Ag-10C
7,4
960
2,9
3,1
Ag-15C
6,5
960
4,5
2,6
Ag-25C
5,1
960
14,5
Ag-50C
3,2
960
23
Ag-70C
2,6
960
53
Ag-90C
2,14
960
87
Ag-5Cu-10C
6,8
905-940
Ag-48,5Cu-3C
8,3
779-875
4,0
Ag-47,5Cu-7C
7,4
779-875
8,0
Свойства некоторых материалов для скользящих контактов
4,7
5,2
Ag-35Cu-30C
4,2
779-815
63,6
Ag-69,75Cu-5C
8,2
779-945
3,2
5,2
Ag-72Cu-3C
8,3
779-960
5,3
7,1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Ряд серебросодержащих составов материалов электроконтактного назначения и их свойства обобщены в табл. 3 [26].
В некоторых применениях важнейшим свойством контактов является стойкость к свариванию, которое обеспечивает надежное отключение тока при аварийных ситуациях. Такое требование предъявляется к автоматическим выключателям, реле сигнализации железных дорог,
терморегуляторам (например, электроутюгов) и т.п. Для этих целей используются спеченные материалы Ag-C с содержанием углерода в виде графита обычно в пределах 2-5 %, а иногда, в случае больших токов, до 10-20 % [4, 43, 61]. Присутствие в матрице 3-5 % С практически исключает
приваривание контактов за счет разупрочнения материала и снижения площади соприкосновения металла. Твердость такого материала низка – HV ≅ 40 [36], а дуговая эрозия велика. Причины этого – малая прочность включений и отсутствие адгезионной связи матрицы и включений.
Опубликованы [62] результаты исследований влияния технологических особенностей и размера
частиц графита на свойства контактов Ag-5C. Уменьшение размеров графитовых включений ведет к росту потерь от воздействия дуги, но стойкость к свариванию возрастает.
Есть предложения [63] по введению углерода в виде волокон, которые, по-видимому, несколько упрочняют материал, по сравнению с добавками графита, что ведет к улучшению эксплуатационных свойств.
Для увеличения прочности в контакты с углеродом добавляют никель. Комбинированный
контакт Ag-(10...30)Ni-3C сохраняет высокую стойкость против сваривания, низкое контактное
сопротивление при лучших механических характеристиках и меньшей стоимости. Известен
состав Ag-29Ni-3C-1Cd, имеющий НВ = 84 [4]. Дополнительное легирование кадмием несколько улучшает эрозионную стойкость. Здесь также сообщается об отрицательном эффекте измельчения графитовых частиц в таком материале.
Не умаляя значения других электроконтактных материалов, необходимо отметить доминирующее положение по совокупности служебных свойств контактов на основе композиций
Ag-CdO. Используется материал уже более 60 лет, но, несмотря на его экологическую опасность, до настоящего времени продолжаются исследования, направленные на его совершенствование и углубленное изучение свойств [64-67].
По современным представлениям использование CdO в электроконтактном материале
дает многогранный эффект: дисперсионное твердение улучшает механические свойства, присутствие частиц CdO в расплавленной ванне катодного пятна увеличивает вязкость расплава, уменьшая разбрызгивание, диссоциация CdO приводит к понижению тепловой нагрузки
на матрицу и одновременно способствует понижению стабильности дуги и ее температуры;
испарение и разложение CdO дают большой объем газа, который сдувает дугу и заставляет
ее перемещаться по контакту, способствуя деконцентрации тепловой энергии (отдувной эффект). Кроме того, CdO, обладая высокой летучестью и малым удельным сопротивлением (r =
0,01...0,5 Ом см) [40], не создает изолирующей пленки на поверхности контакта, оставляя переходное сопротивление низким и стабильным. Кроме того, считается, что присутствие кислорода (являющегося мощным акцептором электронов) в плазме дуги способствует дугогашению
за счет снижения в ней концентрации электронов.
Однако полной ясности в этом вопросе нет. Испытано множество других оксидных добавок, обладающих сходными свойствами, но ни один из них не сравним с CdO. Наглядный
– 258 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
пример – испытания материалов на основе серебра с добавками 12,5 об. % оксида в контакторе
переменного тока U = 220 В, I = 160 А. Получены следующие значения эрозионного износа,
г/цикл×106 (всего сделано 20 000 циклов В-О) [36]:
Оксид-добавка
CdO
CuO
Sb203
ZnO
Mn3O4
PbO
Cкорость эрозии
1,45
5,60
4,08
20,0
4,05
22,5
Единственный оксид, в какой-то мере составивший конкуренцию CdO (в значительной
степени – из-за экологической безопасности), – оксид олова SnO2. Контакты с добавкой 12 %
SnO2 или SnO2+In2O3(Bi2O3, WO3, MoO3) известны достаточно давно, они отвечают экологическим требованиям, и их изучение интенсивно продолжается (обычно в сравнении с Ag-CdO)
[64, 66-70]. Судя по литературным данным, контакты Ag-SnO2 обладают хорошими эрозионными характеристиками и в некоторых применениях вполне заменяют кадмиевые, хотя встречается много противоречивых результатов. Наряду с углубленным изучением фундаментальных
особенностей электроконтактного поведения данной системы публикуется большое количество патентов с предложениями по новым составам и технологическим вариантам реализации
статистически однородной, высокодисперсной микроструктуры композита (см. например, [48,
71-75]).
В работе [64] на основе исследований и анализа даются заключения по токовому диапазону применения серебро-оксидных композиций: Ag-CdO – 50-3000 А, Ag-SnO2 – 500-3000 А,
Ag-ZnO – 3000-5000 А. Ограниченно применим также материал с оксидом меди Ag-CuO [47,
64, 76]. Он иногда используется в сильно нагруженных контактах постоянного и переменного
тока, переключателях тепловозов и т.п.
Контакты системы Ag-CdO содержат, как правило, 10-15 мас. % CdO и производятся различными методами: (1) – традиционным смешением порошков Ag и CdO, (2) – совместным
осаждением солей, (3) – внутренним окислением порошков сплава Ag-Cd или заготовки контакта из такого же сплава. Второй и третий способы дают мелкодисперсную структуру с размером включений 0,1-10 мкм, в то время как смешение порошков дает включения 30-50 мкм.
Практически все свойства мелкодисперсного сплава выше, чем у традиционного (табл. 3).
Особенно высока эрозионная стойкость: в 2-5 раз выше порошкового контакта [30]. На рис. 1
приведены зависимости твердости и удельного электрического износа контактов из материала
85Ag-15CdO от дисперсности частиц оксидной фазы [77]. Как видно, и прочностные свойства, и
сопротивление дуговому износу весьма существенно зависят от этого параметра. Измельчение
второй фазы в данном случае благоприятно.
Это пытаются объяснить особыми условиями формирования плазменных факелов на мелкодисперсных материалах Ag-CdO и Ag-Ni [78]. Еще одно возможное объяснение: скорость
движения основания дуги на мелкодисперсных контактах выше, так как перескок места привязки дуги здесь облегчен [79, 80]. Концентрация тепла снижается, а значит, падает и тяжесть
локальных повреждений поверхности. Это объяснение представляется более вероятным, хотя,
по-видимому, и не исчерпывающим.
Технологические способы (2) и (3) дают приблизительно одинаковую дисперсность CdO
(≤1 мкм), но при тяжелых режимах работы оказался более предпочтительным спеченный материал. Плавленый, внутриокисленный контакт разрушается раньше из-за появления трещин,
– 259 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ɇȼ, Ɇɉɚ
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
700
600
500
ɍɞ. ɢɡɧɨɫ, ɝ/ɰɢɤɥ, 10-6
400
12
8
4
0
50
150
250
идущих с поверхности по границам зерен [36]. Несколько улучшает положение следующая за окислением холодная деформация.
Еще более сильное влияние оказывает структура материала на работоспособность слаботочных
контактов. В табл. 4 приведены результаты исследования износа контактов из серебра (99,99 %) и сплава
серебра с палладием (70 Ag-30 Pd) при коммутации
постоянного тока I = 2 А, U = 24 В [81]. Те и другие
контакты изготовлены двумя методами: литьем и
порошковой металлургией.
Если не принимать во внимание различия хими-
ческого состава на уровне малого содержания примесей, то контакты отличаются только структурой
Рис. 1. Влияние дисперсности включений материала (плавленые – более крупнозернистые) и, в
оксидной фазы на служебные свойства некоторой степени, прочностными свойствами, плаконтактов 85Ag-15CdO [77]
стичностью. Однако характер износа существенно
различен. На литых контактах наблюдается мощный
перенос с катодного на анодный электрод с образованием кратера и пика соответственно, в то
время как на порошковых скорость эрозии несравненно меньше на обоих электродах.
Более-менее полного, убедительного и обоснованного объяснения обнаруженному явлению не найдено. Это, однако, еще раз свидетельствует в пользу электроконтактных материалов, получаемых методами порошковой металлургии, позволяющими в широких пределах варьировать состав и структуру материала за счет различных технологических вариантов.
Для улучшения качества пайки композитов на контактодержатель делают подслой из серебра или никеля, прессуя его одновременно с основным рабочим слоем материала. Толщина
подслоя составляет обычно 0,15-0,25 мм.
Описана технология изготовления Ag-CdO и Ag-SnO2 контактов из распыленных порошков Ag-Cd и Ag-Sn [66] (метод IOAP – internal oxidation of alloyed powder). Жидкий сплав при
температуре около 1470 К распыляли водой под давлением 34 МПа с получением порошка
размером – 44 мкм. Порошки окисляли при различных температурах от 753 до 973 К, от чего
зависела морфология оксидных включений. Далее прессовали заготовки (Р = 175...700 МПа),
спекали в течение часа при 1083 К, а затем допрессовывали (Р = 1230 МПа). Полученный материал, как сообщают, имел хорошие электроконтактные свойства.
Подобный процесс лежит в основе производства контактного материала, предложенного в патенте [73]: расплав Ag-Sn-Bi распыляется и далее порошок подвергается внутреннему окислению. Из внутриокисленного порошка прессуются заготовки, которые затем
подвергают горячей экструзии и прокатке. Способ дает размер оксидных включений в диапазоне 0,1-1,0 мкм. Здесь же предложен и второй способ, приводящий приблизительно к
тому же результату, который заключается в распылении растворов солей серебра и олова
при температуре порядка 950 °С. Полученный порошок далее используется для получения
целевого материала.
ɋɪɟɞɧɢɣ ɪɚɡɦɟɪ ɱɚɫɬɢɰ, ɦɤɦ
– 260 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Таблица 4. Сравнительная характеристика износа контактов, полученных различными методами
Материал
контакта
Метод
изготовления
Ag
Литье
Изменение массы электрода,
∆g×108, г/цикл В-О
Анод
Катод
+49,0
-32,0
Ag
Порошковый
-15,0
-1,7
Ag-30Pd
Литье
+18,0
-22,0
Ag-30Pd
Порошковый
+2,2
-3,4
Улучшения качества материала пытаются достичь также малыми добавками оксидов, способствующих лучшему смачиванию CdO расплавом серебра: это например, оксиды меди, германия, тантала [65], добавленные в количестве 0,15...0,43 %. Добавка 0,15 % GeO2 увеличивает
стойкость к дуговой эрозии при длительной работе, в то время как Cu 2O приводит к появлению
трещин и ускоренному разрушению контактов. Отмечается, что все добавки приводят к росту
эрозии на токах более 50 А, особенно Та2О5.
Интересный состав композиционного материала и способ его изготовления предложены
в патентах [82, 83]: Ag-(4…15)CdO-(2…8)Ni. Тонкие включения никеля оксидированы, т.е. заключены в тонкую оболочку оксида никеля, что предотвращает деградацию материала из-за
восстановления оксида кадмия никелем.
Изучено влияние добавок оксидов висмута, олова, индия и вольфрама в количестве 5 % к
композиции Ag-10CdO [84]. Авторы измеряли эрозионную стойкость в условиях стационарного межконтактного промежутка при токовых нагрузках 100 и 150 А на контактах, приготовленных по одинаковой технологии. Скорость эрозии на контактах Ag-10CdO-5Bi2O3 (относительно
стандартного состава) снизилась почти в два раза. Такая же добавка SnO2 почти не изменила
износ, а добавки In 2O3 и WO3 увеличили его, соответственно, в 1,9...2,4 и в 4,5...5,5 раз. Авторы объясняют эти результаты на основании металлографических и рентгенофазовых данных
изменениями в слое наработки с учетом химического взаимодействия добавки с основой. Отмечается определяющая роль теплофизических свойств частиц-добавок в воздействии на эрозионные характеристики материала.
Эти же авторы изучали влияние деформации на структуру и эрозионную стойкость AgCdO-контактов [80]. Оказалось, что существует явная тенденция снижения стойкости к дуговому износу при увеличении предварительной деформации осадкой. После некоторой пороговой степени деформации (29...43 %) стойкость резко снижается (примерно в два раза). Авторы
объясняют это появлением микронесплошностей в материале.
Изложенное демонстрирует многогранность материала электрического контакта.
Даже в таком известном материале, как Ag-CdO, до сих пор находятся возможности его
улучшения и неизвестные нюансы влияния состава, технологии и структуры (см. также,
например, [82, 83]).
В табл. 5 приведен перечень основных электроконтактных материалов, применяемых и
производимых в России [4, 38, 77]. Для сравнения здесь же перечислены материалы аналогичного назначения на медной основе. Электропроводность, твердость, плотность материалов, а
следовательно, и их эрозионная стойкость существенно зависят от применяемой технологии. В
– 261 –
90/10
90/10
Ag/CdO
Ag/CuO
Ag/CuO
Ag/Ni
Ag/Ni
КМК-A10мд
КМК-А20м
СОМ8
КМК-А30
КМК-А30м
КМК-А30мн
99,9
76,3/22,3/
/0,8/0,4
73,5/25
/1,0/0,5
Ag/C
Ag/C
Ag/Ni/C
Ag/Ni/C
Ag/Cd/Ni/
/Fe
Ag/Cd/In
/Cu
КМК-А41
КМК-А41н
КМК-А40
КМК-А32
КМК-А32н
КМК-А33мд
Сu
Cu/Cd
Cu/Cd
КМК-Б00
МК
КМК-Б30
Сu
Медь литая
М0, M1
КМКСрКдИн
КМК-А50
69/29/2
Ag/Ni
КМК-А31м
70/30
КМК-А31
99/1
99/1
99,5
99,9-99,95
68/29/3
98/5
97/3
60/40
60/40
Ag/Ni
Ag/Ni
КМК-А30мд
70/30
70/30
85/15
85/15
Аg
Ag/CdO
КМК-А00
3
Мас. %
2
Компоненты
Состав
КМК-A10м
1
Марка контакта
8,60
8,90
8,60
8,96
10,5
9,8
9,50
8,90
8,70
9,30
9,80
9,70
10,0
9,90
9,80
10,00
9,80
10,1
9,90
10,2
4
Плотность,
г/см3
80
55
65
44
47
70
95
65
40
50
115
80
100
100
75
40
75
110
105
50
5
Твердость,
НВ
Таблица 5. Материалы разрывных средне- и сильноточных контактов [4, 38, 77]
0,025
0,023
0,021
0,017
0,066
0,07
0,035
0,045
0,037
0,026
0,035
0,035
0,028
0,029
0,030
0,023
0,025
0,028
0,028
0,019
6
Удельное
сопротивление,
мкОм⋅м
420
–
–
400
–
200
–
355
400
–
240
230
214
210
255
–
–
311
305
–
7
Удельная
теплопро­водность,
Вт/(м⋅К)
300
320
230
300
250
210
–
110
–
–
320
240
280
270
220
180
220
345
330
80
8
Предел прочности
при растяжении,
МПа
–
–
–
60
50
61
–
2
–
–
15
17
20
20
18
3
23
9
9
59
9
Относит.
удлинение,
∆l/l, %
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
97/5
50/50
47/50/3
27/70/3
50/50
20/80
27/72,8/0,2
Сu/С
Ag/Мо
Ag/W/Ni
Ag/W/Ni
Cu/W/Ni
Cu/W/Ni
Cu/Мо
Cu/Мо
Cu/Mo/BN
Fe/Cu/Bi
Cr/Cu/W
Cu/Bi/B
Fe/Cu/Sb
КМК-Б11
КМК-АМо50
КМК-А45
КМК-А25
КМК-Б45
КМК-Б25
КМК-БМо50
КМК-БМо80
КП-МД30
КП-ЖДВи
ХД50В-МП
МВиБ
Д30-1-МП
160
55
75
150
200
220
130
200
150
210
140
120
30
35
0,130
0,019
0,060
0,11
0,060
0,047
0,038
0,070
0,070
0,045
0,041
0,028
0,050
0,040
–
–
–
–
–
–
–
134
190
230
275
–
–
380
175
80
270
–
360
–
–
600
510
430
300
–
–
–
~2
≤1
8
–
11
–
–
4
7
4
7
–
–
–
Обозначения: КМК – контакт металлокерамический, А – на основе серебра, Б – на основе меди, м – мелкодисперсный, д – двойная допрессовка с промежуточным отжигом, н – с
подслоем из никеля.
Основные ГОСТы и ТУ: ГОСТ 13333-83, ГОСТ 19725-74, ТУ 16-685.020-85, ТУ 16-538-400-83, ТУ 14-1-3920-85.
7,92
8,92
70/26/4
7,9
47/50/3
8,0
9,8
10,1
9,5
14,20
12,50
15,40
13,80
10,2
6,80
7,30
99,6/0,038/
0,02
70/27/3
47/50/3
27/70/3
97/3
Сu/С
КМК-Б10
Продолжение табл. 5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
то же время широкий спектр контактов с различными свойствами позволяет сделать нужный
выбор применительно к конкретному назначению.
2. Новые применения серебра
В [85] сообщено о возможности создания высокочувствительных к СО сенсоров на основе
наноструктур SnO2, легированных серебром. Для создания сенсоров сероводорода H2S использованы SnO2-Ag2O и SnO2-Ag [86].
Авторами работы [87] показано, что легирование 3-5 масс. % Ag сверхпроводящей керамики YBaCuO приводит к увеличению ее микропластичности и прочности.
Для изменения электрофизических свойств элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений применяют легирование серебром. Естественно, что на такие цели
расходуется незначительное количество серебра. Но для понимания особенностей поведения
Ag в таких материалах проводятся специальные исследования [88-93].
На основе галогенидов серебра созданы инфракрасные световоды [94, 95].
На основе серебра исследуются полупроводниковые соединения [96-100], халькогенидные
[101-118], оксидные [119-121] и смешанные [122-125] стекла.
В последние годы уделяется много внимания наноматериалам, в том числе и из серебра
[126-152]. Это связано с тем, что наночастицы серебра обладают уникальным набором ценных
свойств, благодаря которым они служат материалом для создания электронных, оптических,
сенсорных устройств нового поколения [140]. Тем не менее, не стабилизированные наночастицы серебра подвергаются быстрому окислению и легко агрегируют в растворах. Это, естественно, затрудняет их применение при создании сенсорных и оптических устройств. Поэтому
много работ посвящено разработке методов получения эффективной стабилизации таких частиц и взаимодействию серебра с различными средами [133, 136, 138, 140, 146-148, 153-163].
С древности по настоящее время серебро (в последние годы – особенно наносеребро) применяется в медицине для лечения ран, язв, для стерилизации и увеличения сроков хранения
лекарственных препаратов, в стоматологии, а также в биологии [1, 126, 164-188]. Препараты,
содержащие серебро, активны против многих возбудителей раневых инфекций (Staphylococus
spp., E. Coli, P. aeruginosa, Proteus spp., Klebsiella spp.).
Согласно [189, 190] серебро проявляет высокую бактерицидную активность как по отношению к аэробным и анаэробным макроорганизмам (в том числе и антибиотикорезистентным штаммам), так и к некоторым вирусам и грибам. При этом нужно принимать во
внимание тот факт, что резистентность микроорганизмов редка, и ее можно преодолеть
увеличением концентрации препарата. В то же время большие концентрации ионов серебра могут оказывать на организмы ядовитое действие. В течение длительного времени
считалось однозначно доказанным, что лечебными свойствами обладают ионы Ag +, а не
металлическое серебро. Тем не менее вопрос о механизме действия наночастиц серебра на
вирусы, бактерии и клетки до настоящего времени остается окончательно не выясненным
и требует дополнительных исследований.
При передозировке серебра возможно развитие аргирии (возникновение пигментаций
кожи, слизистых оболочек, внутренних органов, глаз) [191]. Замечено, что люди с признаками
аргирии не подвержены инфекционным заболеваниям.
– 264 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
При работе с антибиотиками установлено, что спектр их действий узок, а вредные микроорганизмы слишком быстро к ним адаптируются. Поэтому в последнее время уделяется пристальное внимание хорошо проверенным средствам терапии с участием серебра.
Серебро и сплавы на его основе используются для создания омических контактов к полупроводникам Ge, Si, GaAs, GaP, GaSb, CdS, ZnTe [192].
Фотоэмиссионные катоды с высокой эффективностью работают на следующих материалах: Ag-O-Cs, Bi-Ag-O-Cs [192].
В ювелирных изделиях по-прежнему важную роль играют серебро и сплавы на его основе
[193-199].
Аналитическая химия серебра достаточно полно изложена в монографии [200], а также в
более поздних трудах [174, 201]. Наночастицы серебра сами могут использоваться для усиления
сигнала органических соединений в спектроскопии [140] и электрохимическом анализе биологических объектов [174].
Необычные оптические свойства частиц серебра использовали древние стекловары [140,
202]. В кубке Ликурга (IV век н.э.), находящегося в экспозиции Британского музея, в бронзовой
оправе содержатся вставки из окрашенного стекла. Проведенный анализ этого стекла показал,
что оно содержит металлические наночастицы со средним диаметром порядка 40 нм. В своем
составе эти наночастицы содержат 70 % Ag и 30 % Au. Благодаря им стекла приобретают красный цвет в проходящем свете и зелено-серый – в отраженном [140]. Серебро применено для
придания лимонно-желтого цвета стеклам, используемым в старых соборах Европы. Желтый
цвет стеклу можно придать разными способами: оксидами железа (трудно добиться постоянства окраски); сульфидом кадмия (при некоторых условиях он превращается в оксид кадмия,
что делает стекло непрозрачным); азотнокислым серебром (в процессе варки стекла из AgNO3
выделяется мелкодисперсное серебро, равномерно распределенное по стеклу). В последнем
случае образуется бесцветное стекло, а окраска появляется при наводке – повторном нагреве уже готовых изделий. Заметим, что с помощью солей серебра можно наносить золотистожелтую окраску на отдельные участки стеклянных изделий. Особенно хорошо окрашиваются
высококачественные свинцовые стекла. Кроме коллоидного серебра, желтую окраску стеклам
придают еще CrO3 и NiO [203].
Заключение
Трудно перечислить все современные отрасли применения серебра. Тем не менее основной
принцип его применения, обусловленный дефицитностью и высокой стоимостью («экономить
везде, где это возможно, применять только там, где это абсолютно необходимо» [4]), еще никто
не отменял, или, по крайней мере, не создал предпосылки для его отмены. Можно полагать, что
будут выявлены новые области и направления применения серебра (как это было, например, с
наносеребром).
Список литературы
1.
Третьяков Ю.Д. Неорганическая химия / Ю.Д. Третьяков, Л.И. Мартыненко, А.Н. Григорьев,
А.Ю. Цивадзе. – М.: Химия, 2001. – Т.2. – 583 с.
2. Фенглер Х. Словарь нумизмата / Х. Фенглер, Г. Гироу. – М.: Радио и связь, 1982. – 328 с.
– 265 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
3. Лашко С.В. Пайка металлов / С.В. Лашко, Н.Ф. Лашко. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.
4. Мастеров В.А. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе / В.А. Мастеров, Ю.В.
Саксонов. – М.: Металлургия, 1979.- 296 с.
5. Панасюк А.Д. Стойкость неметаллических материалов в расплавах / А.Д. Панасюк, В.С.
Фоменко, Г.Г. Глебова. – Киев.: Наук. думка, – 1986. – 352 с.
6. Шукшенцева В.А. Вторичное серебро / В.А. Шукшенцева. – М.: Легкопромбытиздат,
1990. – 63 с.
7. Терешков С.Г. Извлечение серебра с регенерацией основы кинофотоматериалов/ С.Г.
Терешков, Е.А. Продан // Техника кино и телевидения. – 1985. – № 11. – С. 24 – 28.
8. Оуян Фен. Роль поверхностных оксидов азота в активации пропена и восстановлении NO
на Ag/Al2O3 / Фэн Оуян, Масааки Хаведа, Вэй Сунь, Йошиаки Киндайчи, Хидаки Хокамада
// Кинетика и катализ. – 2008. – Т.49, № 2. – С. 249 – 257.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Воронова Г.А. Роль кислотно-основных свойств поверхности серебряных катализаторов в
парциальном окислении этиленгликоля / Г.А. Воронова, О.В. Водянкина, Н.В. Белоусова,
Е.В. Безруков, Л.Н. Курина // Кинетика и катализ. – 2003. – Т.44. – № 3. – С. 713 – 717.
Ламберов А.А. Изменение в процессе реакции и регенерации Pd – Ag/Al2O3 – катализатора
селективного гидрирования ацетилена / А.А. Ламберов, С.Р. Егорова, И.Р. Ильясов, Х.Х.
Гильманов, С.В. Трифонов, В.М. Шатилов, А.Ш. Зиятдинов // Кинетика и катализ. – 2007. –
Т.48. – № 1. – С. 143 – 149.
Liu D.M. Microstructure and thermal conduction properties of Al2O3 – Ag composites / D.M. Liu,
W.H. Tuan // Acta mater. – 1996. – V. 44. – № 2. – P. 813 – 818.
Smith J.R. Stoichiometric interfaces of Al and Ag with Al2O3 / J.R. Smith, W. Zhang // Acta
mater. – 2000. – V. 48. – P. 4395 – 4403.
Zhao Wen-Bo. Photochemical synthesis of Au and Ag nanowires on a porous aluminium oxide
template / Wen-Bo Zhao, Jun-Jie Zhu, Hong-Yuan Chen // J. Cryst. Growth. – 2003. – V. 258. –
P. 176 – 180.
Худяков И.Ф. С.В. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов / И.Ф. Худяков,
А.П.Дорошкевич, С.В. Карелов. – М.: Металлургия, 1987. – 528 с.
Stockel D. Entwicklungsrichtungen dei Werkstoffer fur Elektrische Kontakte / D. Stockel // Metall
(W.Berlin). – 1983. – V. 37. – № 1. – S. 30-36.
Хольм Р. Электрические контакты / Р. Хольм. – М.: Иностр. лит., 1961. – 462 с.
Windred G. Electrical contacts / G. Windred. – London, 1940. – 403 p.
Jones F.L. The physics of electrical contacts / F.L. Jones. – Oxford, 1957. – 219 p.
Усов B.B. Металловедение электрических контактов / B.B. Усов – М.-Л.: Госэнергоиздат,
1963. – 208 с.
Раховский Р.И. Разрывные контакты электрических аппаратов / Р.И. Раховский, Г.В.
Левченко, O.K. Теодорович. – М.-Л.: Энергия, 1966. – 283 с.
Декабрун И.Е. Контакты аппаратов низкого напряжения / И.Е. Декабрун // Итоги науки и
техники. Серия электромеханика и энергетика. Электрические машины и аппараты. – М.:
ВИНИТИ, 1970. – С. 126 – 212.
Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого
напряжения / И.С. Таев. – М.: Энергия, 1973. – 423 с.
– 266 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
23. Омельченко В.Т. Теория процессов на контактах / В.Т. Омельченко. – Харьков: Вища школа,
1979. – 128 с.
24. Справочник по расчету и конструированию контактных частей сильноточных
электрических аппаратов / под ред. В.В.Афанасьева. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 384 с.
25. Electrical contacts: principles and applications / Ed. by Paul G. Slade. – New York, 1999. –
1073 p.
26. Braimov M. Electrical Contacts: Fundamentals, Applications and Technology / M. Braimov, V.V.
Konchits, N.K. Myshkin // CRC Press, New York. – 2006. – 639 p.
27. Таев И.С. Электрическая дуга в аппаратах низкого напряжения / И.С. Таев. – М.: Энергия,
1965. – 223 с.
28. Буткевич Г.В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей / Г.В. Буткевич. –
М.: Энергия, 1973. – 263 с.
29. Намитоков К.К. Электроэрозионные явления / К.К. Намитоков. – М.: Энергия, 1978. 456 с.
30. Минакова Р.В. Электроконтактные материалы, пути экономии вольфрама и благородных
металлов / Р.В. Минакова, Г.Н. Братерская, O.K. Теодорович // Порошковая металлургия. –
1983. – № 3. – С. 69-80.
31. Теория электрических аппаратов / под ред. Г.Н. Александрова. – М.: Высшая школа, 1985. –
312 с.
32. Стручков А.И. Оценка скорости эрозии и параметров катодного пятна первого типа/ А.И.
Стручков // ЖТФ. – 1978. – Т. 48. – № 2. – С. 307-311.
33. Стручков А.И. Скорость эрозии и параметры катодного пятна 1-го типа серебряных
сплавов/ А.И. Стручков, Н.Л. Правоверов // ЖТФ. -1978. -Т. 48, № 11. – С. 2309-2312.
34. ГОСТ 403-73. Аппараты электрические на напряжение до 1000 В.
35. Проектирование электрических аппаратов /под ред. Г.Н.Александрова. – Л.:
Энергоатомиздат, 1985. – 447 с.
36. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы / под ред. В. Шатта. –
М.: Металлургия, 1983. -519 с.
37. Спеченные материалы для электротехники и электроники: справочник / под ред. Г.Г.
Гнесина. – М.: Металлургия, 1981. – 343 с.
38. Справочник по электротехническим материалам. Т.3 / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В.
Пасынкова, Б.М. Тареева. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 726 с.
39. Левинский Ю.В. Диаграммы состояния металлов с газами / Ю.В. Левинский. – М.:
Металлургия, 1975. – 295 с.
40. Лазарев В.Б. Электропроводность окисных систем и пленочных структур / В.Б. Лазарев,
В.Г. Красов, И.С. Шаплыгин. – М.: Наука, 1979. – 168 с.
41. Mulucci R.D. Dynamic model of stationary contacts based on random variations of surface
features / R.D. Mulucci // IEEE Trans. CHMT-15. 1992. – №3. – P. 339-347.
42. Иванов В.В. Физико-химические основы технологии и материаловедение порошковых
электроконтактных композитов / В.В. Иванов. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002. – 234 с.
43. Des Forges C.D. Sintered materials for electrical contacts / C.D. Des Forges // Powder Met. –
1979. – V. 22. – № 3. – P. 138-144.
– 267 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
44. Hensel F.R. Electric contact material / F.R. Hensel // US Patent 2,145,690. – 1939.
45. Stumbock Max J. Electrical contact element containing tin oxide / Max J. Stumbock // US Patent
2,486,341. – 1949.
46. Jost E.M. Electrically Conductive Material and Method of Making / E.M. Jost, K. McNeilly // US
Patent 5,963,772. – 1999.
47. Усов В.В. Контакты СОМ-8. В кн. Электрические контакты / В.В. Усов, Е.М. Муравьева. –
М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. – С. 258-268.
48. Satoh M. Electrical contact material of silver base alloy (silver and a small amount of zinc oxide,
tellurium oxide, and optionally indium oxide and tin oxide) / M. Satoh, M. Hijikata, H. Maeda,
I.Morimoto // US Patent 4,131,458. – 1978.
49. Nakamura Т. Method for preparing Ag-ZnO electric contact material and electric contact material
produced thereby / Т. Nakamura, O. Sakaguchi, H. Kusamori, Matsuzawa, M. Takahashi, T.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
Yamamoto // US Patent 6,432,157. – 2002.
Lin Bai Xiaoping Method for preparing silver copper oxide electric contacting material /Bai
Xiaoping Lin // CN Patent 101053903. – 2007.
Hoyer N.S. Electrical contact material of TiC, WC and silver / N.S. Hoyer, P.O. Slade, R. Kossowsky
// US Patent 4,137,076. – 1979.
Brooker H. A new material for heavy duty / H. Brooker // Electrical Rev. – 1942. – № 3365. – P.651.
Hauner F. Silver-based contact material, use of such a contact material, in switchgear for power
engineering applications and method of manufacturing the contact material / F. Hauner // US
Patent 5,796,017. – 1998.
Hauner F. Process for producing a product made of a contact material based on silver, contact
material and product made of the contact material / F. Hauner // US Patent 6,056,916. – 2000.
Stevens A.J. Powder-metallurgy solutions to electrical-contacts problems / A.J. Stevens // Powder
Metallurgy. – 1974. – V. 17. – № 34. – P. 331-346.
Альтман А.Б. Металлокерамика в электропромышленности / А.Б. Альтман, А.И. Годес,
И.П. Мелашенко и др. // Электротехника. – 1976. – № 5. – С. 11-15.
Wingert P. The effect of graphite additions on the performance of silver-nickel contacts // P.
Wingert, R. Bevington, G. Horn // IEEE Trans. CHMT-14. – 1991. – № 3. – P. 95-100.
Tsuji K. Silver base electrical contact material and method of making the same / K. Tsuji, Y.
Takegawa, H. Inada, S. Yamada (of 0.5 to 39.9 wt % of nickel, 0.14 to 7.0 wt % of nickel oxides,
and balance silver) // US Patent 5,198,015. – 1993.
Tsuji K. Silver base electrical contact material and method of making the same / K. Tsuji, Y.
Takegawa, H. Inada , S. Yamada (0.5 to 39.9 wt % of nickel, 0.14 to 7.0 wt % of nickel oxides, and
balance silver) // US Patent 5338505. – 1994.
Keil A. Elektrische kontakte und ihre werkstoffe / A. Keil, W.A. Merl, E. Vinaricky Berlin:
Springer-Verlag, 1984. chap.2.3.3. – P. 185-199.
Michal R. Metallurgical aspects of silver-based contact materials for air-break switching devices
for power engineering / R. Michal, K.E. Saeger // IEEE Trans. CHMT-12. – 1989. – P. 71-81.
Wingert P., Allen S., Bevington R. Effects of Graphite particle size and processing on the
performance of silver-graphite contacts / P. Wingert, S. Allen, R Bevington // IEEE Trans. CHMT15. – 1992. – № 2. – P. 154-159.
– 268 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
63. Sinharoy S.D. Circuit breaker contact containing silver and graphite fibers / S.D. Sinharoy, J.L.
McKee, N.S. Hoyer // US Patent 4,699,763. – 1987.
64. Schroder K.H. Silver-metal oxides as contact materials / K.H. Schroder // IEEE Trans. CHMT10. – 1987. – P. 127-134.
65. Gustafson J.C. Arc-erosion studies of matrix-strengthened silver-cadmium oxide / J.C. Gustafson,
H.J. Kim, R.C. Bevington // IEEE Trans. CHMT-6. – 1983. – P. 122-129.
66. Shen Y.S. Gould L. A study on manufacturing silver-metal oxide contacts from oxidized alloy
powders / Y.S. Shen, L. Gould // IEEE Trans. CHMT-7. – 1984. – P. 39-46.
67. Wang K. Erosion on silver-base material contacts by breaking arcs / K. Wang, Q. Wang // IEEE
Trans. CHMT-14. – 1991. – P. 293-297.
68. Michal R. Metallurgical aspects of silver-based contact materials for air-break switching devices
for power engineering / R. Michal, K.E. Saeger // IEEE Trans. CHMT-12. – 1989. – P. 71-81.
69. Rieder W., Weichsler V. Make erosion mechanism of Ag-CdO and Ag-SnO2 contacts / W. Rieder,
V. Weichsler //IEEE Trans. CHMT-15. – 1992. – P. 332-338.
70. Muniesa J. Silver-tin oxide materials used in low voltage switching device / J. Muniesa // Electrical
contacts. – 1990. – P. 139-142.
71. Chen Yu-Liang. Novel process for fabricating electrical contact SnCVAg composites by
reciprocating extrusion / Yu-Liang Chen, Chih-Fu Yang, Jien-Wei Yeh, Shui-Shu Hung, Shin-Wei
Lee // Metallurgical and materials transactions A. – 2005.- V. 36A. – P. 2447.
72. Bevington Powder metallurgy silver-tin oxide electrical contact material / R.C.Bevington // US
Patent 5,258,052. – 1993.
73. Mayer U. Semifinished producf for electric contacfs made of a composite material based on
silver-tin oxide and powdermetallurgical process / U. Mayer, R. Michal, K.E. Saeger // US Patent
5,360,673. – 1994.
74. Volker B. Material for electric contacts taking silver-tin oxide or silver-zinc oxide as basis / B. Volker,
Т. Honig, A. Kraus, K.E. Saeger, R. Schmidberger, T. Staneft // US Patent 5,610,347. – 1997.
75. Wolmer R. Method for producing composite powders based on silver-tin oxide, the composite
powders so produced, and the use of such powders to produce electrical contact materials by
powder metallurgy techniques / R. Wolmer, M. Mueller, F. Heringhaus, D. Ruehlicke, D. Goia //
US Patent 6,409,794. – 2002.
76. Благородные металлы: справочник /под ред. Е.М.Савицкого. – М.: Металлургия, 1984. – 592 с.
77. Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий / Г.А. Либенсон. – М.: Металлургия,
1990. – 240 с.
78. Leis P. Der einflub des kontact-materials auf die austildung von plasmastrahlen / P. Leis, К.
Schuster // Electric. – 1979. – № 10. – P. 514-516.
79. Levis T.J. Influence of the cathode surface on arc velocity / T.J. Levis, P.E. Secker // J. Appl.
Phys. – 1960. – V. 32. – P. 54-64.
80. Правоверов Н.Л. Влияние деформации на структуру и свойства контактов из
экструдированной композиции серебро-оксид кадмия / Н.Л. Правоверов, М.П. Афонин,
Е.И. Малинина // Порошковая металлургия. – 1987. – № 6. – С. 60-65.
81. Францевич И.Н. Электрические контакты, получаемые методом порошковой металлургии
/И.Н. Францевич // Порошковая металлургия. – 1980. – № 8. – С. 36-47.
– 269 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
82. Bornstein N.S. Composite silver base electrical contact material / N.S. Bornstein // US Patent
4,834,939. – 1989.
83. Bornstein N.S. Composite silver base electrical contact material / N.S. Bornstein // US Patent
4,874,430. – 1989.
84. Правоверов Н.Л. Влияние добавок оксидов индия, олова, висмута и вольфрама на свойства
композиции серебро-оксид кадмия / Н.Л. Правоверов, М.П. Афонин, Л.В. Вяткин и др. //
Порошковая металлургия. – 1986. – № 11. – С. 20-26.
85. Петрук В.Г. Сенсоры угарного газа CO на основе наночастиц SnOx / В.Г. Петрук, А.Г. Кравец
// ЖТФ. – 2007. – Т. 77. – Вып. 2. – С. 86 – 90.
86. Jiamping Li. H2S sensing properties of the SnO2 – based thin films / Li Jiamping, Wang Yue, Ma
Qing, Wang Li, Han Jinghong // Sensors and Actuators. – 2000. – V 65. – P. 111 – 113.
87. Марков Л.К. Влияние содержания серебра на механические свойства ВТСП – керамики
88.
89.
90.
91.
92.
93.
94.
95.
96.
97.
98.
YBaCuO/Ag / Л.К.Марков, Т.С. Орлова, Н.Н. Песчанская и др. // ФТТ. – 2003. – Т. 45. – Вып.
9. – С. 1551 – 1555.
Милнс А. Примеси с глубокими уровнями в полупроводниках / А. Милнс. – М.: Мир,
1977. – 562 с.
Глазов В.М. Физико-химические основы легирования полупроводников / В.М. Глазов, В.С.
Земсков. – М.: Наука, 1967. – 371 с.
Bollmann J. Doping and compensation phenomena of Ag in CdTe / J. Bollmann, H. Kerkow //
J.Cryst. Growth. – 1996. – № 159. – P. 384 – 387.
Lyubomirsky I. Diffusion of Ag in Cd – rich mercury. Cadmium telluride Cd xHg1-xTe / I.
Lyubomirsky, V. Lyakhovitskaya, R. Triboulet and other // J. Cryst. Growth. – 1996. – № 159. – P.
1148 – 1151.
Lyubomirsky I. Evidence for thermodynamically stable p/n junction, formed Ag doping of (Hg,
Cd)Te / I. Lyubomirsky, V. Lyakhovitskaya, J.F. Guellemoles and other // J. Cryst. Growth. –
1996. – № 161. – P. 90 – 93.
Hamann J. Identification of Ag – acceptors in 111Ag/111Cd doped ZnTe and CdTe / J. Hamann, A.
Burchard, M. Deicher and other // J. Cryst. Growth. – 2000. – № 214/215. – P. 207 – 211.
Жукова Л.В. Инфракрасные световоды на основе твердых растворов галогенидов серебра
/ Л.В. Жукова, А.С. Корсаков, А.В. Гусельников, А.И. Чазов // Вест. УГТУ – УПИ. – 2005. –
№ 5. – С. 219 – 221.
Жукова Л.В. Кристаллы для Ик – техники AgClxBr1-x и AgClxBr yI1-x-y и световоды на их основе
/ Л.В. Жукова, Н.В. Примеров, А.С. Корсаков, А.И. Чазов // Неорг.материалы. – 2008. – Т.
44. – № 2. – С. 1516-1521.
Физико-химические свойства полупроводниковых веществ: справочник / под. ред. А.В.
Новоселовой, В.Б. Лазарева. – М.: Наука, 1979. – 340 с.
Yang Jiang. Room temperature growth of rod – like nanocrystalline Ag 2Te in mixed solvent
/ Jiang Yang, Wu Yue, Yang Zhiping // J. Cryst. Growth. – 2001. – № 224. – P. 1 – 4.
Лаврентьев А.А. Электронно-электрическая структура полупроводниковых
сульфидов As 2S3, AsSI, AgAsS2 и TiS2 / А.А. Лаврентьев, Б.В. Габрельян, И.Я.
Никифоров, В.Б. Воржев // Журнал структурной химии. – 2005. – Т. 46. – № 5. – С.
835 – 842.
– 270 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
99. Бикулова Н.Н. Динамика решетки и ионный перенос в структурно-разупорядоченных
халькогенидах меди и серебра / Н.Н. Бикулова, А.И. Бескровный, Е.Л. Ядровский и др. //
Кристаллография. – 2007. – Т. 52. – № 3. – С. 474 – 476.
100.Kurasova M. Preparation and characterization of AgGaS2 thin films by vacuum evaporation
/ M. Kurasova, S. Kobayashi, F. Kaneko and other // J. Cryst. Growth. – 1996. – № 167. –
P. 151 – 156.
101. Mahadevan S. Silver as dopant and as a consitituent in As – Ag – Te glass: mean atomic volume
and Tg / S. Mahadevan, A. Giridhar // J. Non – Crystall. Solids. – 1996. – № 197. – P. 219 – 227.
102. Norimitsu Yoshida. Photo- and electron- induced chemical modifications in Ag – As (Ge) – S (Se)
glasses / Norimitsu Yoshida, Mikita Itoh, Keiji Tanara // J. Non – Crystall. Solids. – 1996. – №
198 – 200. – P. 749 – 752.
103.Salmon P. S. The coordination environment of Ag and Cu in ternary chalcogenide glasses // J.
Non – Crystall. Solids. – 1996. – № 205 – 207. – P. 172 – 175.
104.Mikitaka Itoh. Electronic structures of Ag (Cu) – As – Se glasses / Itoh Mikitaka // J. Non –
Crystall. Solids. – 1997. – № 210. – P. 178 – 186.
105.Kavaguchi T. Compositional dependce of the photoinduced surface deposition of metallic of
metallic silver in Ag – As – S glasses / T. Kavaguchi, S. Maruno, S.R. Elliott // J. Non – Crystall.
Solids. – 1997. – № 211. – P. 187 – 195.
106.Ohito M. Scanning – tunneling – microscope modifications of Cu (Ag) – chalcogenide glasses /
M. Ohito, K. Tanaka // J. Non – Crystall. Solids. – 1998. – № 227 – 230.– P. 784 – 788.
107. Norimitsu Yoshida. Electronic and chemical Ag crystallization in Ag – As – S glasses / Yoshida
Norimitsu, Tanara Keiji // J. Non – Crystall. Solids. – 1998. – № 227 – 230. – P. 779 – 783.
108.Mahadevan S. Mean atomic volume and Tg of Agx(As0,4Se0,3Te0,3)100-x glasses / S. Mahadevan, A.
Giridhar// J. Non – Crystall. Solids. – 1999. – № 258. – P. 207 – 213.
109. Hiroshi Iyetomi. Incipient phase separation in Ag/Ge/Se glasses: clustering of Ag atoms / Hiroshi
Iyetomi, Priya Vashishta, Rajiv K.Kalia // J. Non – Crystall. Solids. – 2000. – № 262. – P. 135 – 142.
110. Piarristeguy A. X – ray analysis of GeSeAg glasses / A. Piarristeguy, M. Mirandou, M. Fontana,
B. Arcondo // J. Non – Crystall. Solids. – 2000. – № 273. – P. 30 – 35.
111. Buger A. Preparation and thermophysical properties of AgGaTe2 crystals / A. Burger, J.-O. Ndap,
Y Cui and other // J. Non – Crystall. Solids. – 2001. – № 225. – P. 505 – 511.
112.Takeshi Usuki. Structural and physical properties of Ag – As – Te glasses / Usuki Takeshi, Konno
Shigemoto, Kameda Yasuo // J. Non – Crystall. Solids. – 2001. – № 293 – 295. – P. 799 – 805
113.Urena M.A. Crystallization processes of Ag – Ge – Se superionic glasses / M.A. Urena, M.
Fontana, B. Arcondo, M.T. Clavaguera – Mora // J. Non – Crystall. Solids. – 2003. – № 320. –
P. 151 – 167.
114. Kazuhiko Ogusu. Thermal analysis and Raman scattering study on crystallization and structure
of Agx(As0,4Se0,6)100-x glasses / Ogusu Kazuhiko, Kumagai Toru, Fujimori Yuuki, Kitao Michihiko
// J. Non – Crystall. Solids. – 2003. – № 324. – P. 118 – 126.
115. Zima V. Electrical conductivity of Agx(As40Se60)100-x bulk glasses / V. Zima, T. Wágner, M. Vlček,
L. Beneš and other // J. Non – Crystall. Solids. – 2003. – № 326. – P. 159 – 164.
116. Piarristeguy A. Structural considerations about the (Ge0,25Se0,75)100-xAgx glasses / A. Piarristeguy,
M. Fontana, B. Arcondo // J. Non – Crystall. Solids. – 2003. – № 332. – P. 1 – 10.
– 271 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
117. Selvaraju V.C. Elektrical switching and temperature dependence // J. Non – Crystall. Solids. –
2004. – № 333. – P. 16 – 21.
118. Давидюк Г.Е. Влияние легирования переходными и редкоземельными металлами на
электрические и оптические свойства монокристаллов AgGaGe3Se8 / Г.Е. Давидюк, О.Н.
Юрченко, О.В. Парасюк // Неорг. материалы. – 2008. – Т. 44. – № 4. – С. 425 – 430.
119. Chowdari B.V.R. Thermal, electrical and XPS studies of Ag2O ∙ TeO2 ∙ P2O5 / B.V.R. Chowdari,
P.P. Kumari // J. Non – Crystall. Solids. – 1996. – № 197. – P. 31 – 40.
120.Takash Wakasugi. Solubility of A2O in the B2O3 – Al2O3 system / Takash Wakasugi, Atsuhiko
Ohrawa, Jiro Fukunaga // J. Non – Crystall. Solids. – 1999. – № 255. – P. 127 – 131.
121. Belharouak I. Silver particles in glasses of the B2O3 – ZnO – P2O5 / I. Belharouak, F. Well, C.
Parent // J. Non – Crystall. Solids. – 2001. – № 293 – 295. – P. 649 – 656.
122.Kartini E. Structural, thermal and electrical properties of AgI – Ag 2S – AgPO3 superionic
glasses / E. Kartini, S.J. Kenedy, T. Sakuma // J. Non – Crystall. Solids. – 2002. – № 312 –
314. – P. 628 – 632.
123.Kartini E. Neutron scattering and thermal measurements on the superionic – conducting Ag2S –
AgPO3 glass system / E. Kartini, M.F. Collins, C.C. Lovekin J. // Non – Crystall. Solids. – 2001. –
№ 312 – 3145. – P. 633 – 636.
124.Matic A. Ionic motion of silver in super – ionic glasses / A. Matic, J. Swenson, S. Longeville //
Physica B. – 1999. – № 266. – P. 69 – 74.
125.Kartini E. Nature of the precipitate in (AgI)0,7(AgPO3)0,3 glass / E. Kartini, M.F. Collins // Physica
B. – 2000. –№ 276 –278. – P. 467 – 468.
126.Сергеев Г.Б. Нанохимия / Г.Б. Сергеев. – М.:КДУ, 2006. – 336 с.
127.Панарин Е.Ф. Исследование коллоидной дисперсии серебра, стабилизированной
поливинилпирролидоном / Е.Ф. Панарин, Г.М. Павлов, Ю.Г. Сантурин // Химикофармокологический журнал. – 1991. – № 3. – С. 68 – 70.
128.Jin R. Photoinduced conversion of silver nanospheres to nanoprisms / R. Jin, Y.W. Cao, C.A.
Mirkin // Science. – 2001. – V. 294. – P. 1901 – 1903.
129.Taton T.A. Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes / T.A. Taton , C.A. Mirkin,
B.L. Letsinger // Science. – 2000. – V. 289. – P.1757-1760.
130.Rodrigues-Sanchez I. Electrochemical synthesis of silver nanoparticles / I. Rodrigues-Sanchez,
M.L. Blanko, M.A. Lopez-Quintela // J. Phys. Chem. B. – 2000. – V. 104. – P. 9683-9688.
131. S. He. Investigation of passivated silver nanoparticles / S. He, J. Yao, S. Xie et al // Chem. Phys.
Lett. – 2001. – V. 343. – № 1-2. – P. 28-32.
132. Sun Y. Shape-controlled synthesis of gold and silver nanoparticles / Y. Sun, Y. Xia // Science. –
2002. – V. 298. – P. 2176-2179.
133.Помогайло А.Д. Наночастицы металлов в полимерах / А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг,
И.Е. Уфлянд.- М.: Химия., 2000. – 672 с.
134.Tsuji T. Preparation of nano-size particles of silver with femtosecond laser ablation in water / T.
Tsuji, T. Kakita, M. Tsuji // Appl. Surface Science. – 2003. – V. 206, № 1-4. – P. 314-320.
135.Nichjls W.T. Gas and pressure dependence for the mean size of nanoparticles produced by
laser ablation of flowing aerosols / W.T. Nichols, G. Malyavanatham, D.E. Henneke et al // J.
Nanoparticle Research. – 2000. – V. 2, № 2. – P. 141-145.
– 272 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
136.Дементьева О.В. Сравнительное исследование свойств гидрозолей серебра, полученных
цитратными и цитрат-сульфатными методами / О.В. Дементьева, А.В. Мальковский, М.А.
Филипенко и др. // Коллоидный журнал. – 2008. – Т. 70. – № 5. – С. 607-619.
137. Zhu Y. γ-Radiation synthesis and characterization of polyacrylamide – silver nanocomposites / Y.
Zhu, Y. Qian // Chem. Communications. – 1997. – № 12. – P. 1081-1082.
138.Коновалова Е.А. Изменение состояния частиц серебряного золя после низкотемпературных
обработок / Е.А. Коновалова, И.И. Михаленко, В.Д. Ягодовский // ЖФХ. – 2008. – Т. 82. – №
4. – С. 774-779.
139. Choi S.-H. Interaction between the surface of silver nanoparticles prepared by r-irradiation and
organic molecules containing thiol group / S.-H. Choi, S.-H. Lee, Y.-M. Hwang et al // Radiat.
Phys. Chem. – 2003. – V. 67. – № 3-4. – P. 517-521.
140.Крутяков Ю.А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы / Ю.А.
Крутяков, А.А. Кудринский, А.Ю. Оленин и др. // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – № 3. –
С. 242-269.
141. Klaus-Joerger T. Bacteria as workers in living factory: metal-accumulating bacteria and their
potential for materials science / T. Klaus-Joerger, R. Joerger, E. Olsson et al // Trends. Biotechnol. –
2001. – V. 19. – № 1. – P.15-20.
142.Kowshik M. Extracellular synthesis of silver nanoparticles by a silver-tolerant yeast strain MKY3
// Nanotechnology. – 2003. – V. 14. – № 1. – P. 95-100.
143. Jana N.R. Wet chemical synthesis of silver nanorods and nanowires of controllable aspects ratio /
N.R. Jana, L. Gearheart, C.J. Murphy // Chem. Communications. – 2001. – № 7. – P. 617-618.
144.Compion A. Surface-enhanced Raman scattering / A. Compion, P. Kambhampati // Chem. Soc.
Rev. – 1998. – V. 27. – № 4. – P. 241-250.
145. Nogueira H.I.S. Adsorption of 2,2´-dithiooipyridine as a tool for the assembly of silver nanoparticles
/ H.I.S. Nogueira, P.C.R. Soares-Santos, S.M.G. Cruz et al // J. Mater. Chem. – 2002. – V. 12. – №
8. – P. 2339-2342.
146.Серебрякова Н.В. Формирование бимодального ансамбля ноночастиц серебра в растворах
полимеров / Н.В. Серебрякова, О.Я. Урюпина, В.И. Ролдугин // Коллоидный журнал. –
2005. – Т. 67. – № 1. – С. 87-93.
147. Вечера А.В. Синтез и физико-химические свойства наночастиц серебра, стабилизированных
желатином / А.В. Вечера, А.Д. Зимон // ЖПХ. – 2006. – Т. 79. – № 9. – С. 1419-1422.
148.Пешков С.В. Стабилизация нонодисперсного серебра в сульфокатионообменнике / С.В.
Пешков, Е.В. Золотухина, М.Ю. Чайка и др. // ЖФХ. – 2008. – Т. 82, № 8. – С. 1493-1500.
149. Lakowicz J.R. Effects of silver island films on the luminescent intensity and decay times of
lanthanide chelates / J.R. Lakowicz, B.P. Maliwal, J. Malicka et al // J. Fluorescence. – 2002. – V.
12. – № 3-4. – P. 431-437.
150.Lakowicz J.R. Enhanced and localized multiphoton excited fluorescence near metallic silver
islands: metallic islands can increase probe photostability / J.R. Lakowicz, I. Gryczynski, J.
Malicka et al // J. Fluorescence. – 2002. – V. 12. – № 3-4. – P. 299-302.
151. Сайфуллина И.Р. Получение композитных пленок с наночастицами серебра и их
фрактальными агрегатами в полимерной матрице // И.Р. Сайфуллина, Г.А. Чиганова, С.В.
Карпов и др. // ЖПХ. – 2006. – Т. 79. – № 10. – С. 1660-1663.
– 273 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
152.Чиганова Г.А. Получение дисперсных систем с фрактальными агрегатами наночастиц
серебра / Г.А. Чиганова // Журн. Сиб. федерал. ун-та. Техника и технологии. – 2008. – Т.
1. – № 2. – С. 155-161.
153.Лесных Н.Н. Влияние сульфат- и нитрат – ионов на пассивацию и активацию серебра
в щелочном растворе / Н.Н. Лесных, Н.М. Тутукина, И.К. Маршаков // Физикохимия
поверхности и защита материалов. – 2008. – Т. 44, № 5. – С. 472-477.
154.Сергеев Б.М. Образование кластеров серебра при борогидридном восстановлении AgNO3
в водных растворах полиакрилата / Б.М. Сергеев, Л.И. Лопатина, А.Н. Прусов и др. //
Коллоидный журнал – 2005. – Т. 67. – № 1. – С. 79-86.
155.Сергеев Б.М. Борогидридное восстановление AgNO3 в водных растворах полиакрилата.
Двухстадийный синтез «синего серебра» // Коллоидный журнал. – 2005. – Т. 67. – № 2. –
С. 243-247.
156.Сергеев Б.М. Влияние ионов Ag+ на превращения кластепров серебра в водных растворах
полиакрилата / Б.М. Сергеев, Л.И. Лопатина, Г.Б. Сергеев // Коллоидный журнал. – 2006. –
Т. 68. – № 6. – С. 833-838.
157. Михайлов О.В. О новой фазе элементарного серебра, возникающей в результате его
«переосаждения» в Ag-желатин-иммобилизованных матричных системах / О.В. Михайлов,
Н.И. Наумкина, А.В. Кондаков А.В. и др. // ЖОХ. – 2008. – Т. 78. – № 9. – С. 1417-1422.
158. Yin Y. Synthesis and characterization of stable aqueous dispersions of silver nanoparticles through the
Tollens process / Y. Yin, Z.-Y. Li, Z. Zhong et al // J. Mater. Chem. – 2002. – № 12. – P. 522-527.
159. Татарчук В.В. Кинетика растворения наночастиц металлического серебра при
взаимодействии с азотной кислотой в обратномицеллярном растворе аэрозоля / В.В.
Татарчук, А.И. Булавченко, И.А. Дружинина // ЖНХ. – 2007. – Т. 52. – № 8. – С. 1369-1374.
160.Оленин А.Ю. Формирование поверхностного слоя наночастиц серебра в водных и водноорганических средах / А.Ю. Оленин, Ю.А. Кутяков, А.А. Кудринский и др. // Коллоидный
журнал. – 2008. – Т. 70. – № 1. – С. 78-84.
161. Бекасова О.Д. Получение и оптические свойства наночастиц серебра в белковой матрице –
R-фикоэритрине / О.Д. Бекасова, А.А. Бреховских, А.А. Ревина и др. // Неорганические
материалы. – 2008. – Т. 44. – № 8. – С. 947-953.
162.Дорофеева Н.В. Особенности десорбции кислорода с поверхности серебра,
промотированного фосфатами / Н.В. Дорофеева, А.С. Князев, Н.И. Радишевская и др. //
ЖФХ. – 2007. – Т. 81. – № 5. – С. 909-914.
163.Kakihara Yasuo. Water dispersed liquid and its production method of silver nano-particle / Yasuo
Kakihara // JP patent 2009019236 – 2009.
164.Яценко С.П. Композиционные припои на основе легкоплавких сплавов / С.П. Яценко, В.Г.
Хаяк // Екатеринбург: УрО РАН, 1997. – 186 с.
165.Silver S. Bacterial silver resistance: molecular biology and uses and misuses of silver compounds
/ S. Silver // FEMS Microbiology Rev. – 2003. – V. 27. – № 2-3. – P. 341-353.
166.Голубович В.Н. Кинетика подавления роста Candida udlus ионами серебра / В.Н. Голубович,
И.Л. Работнова // Микробиология. – 1974. – Т. 43. – № 6. – С. 1115-1117.
167. Bragg P.-D. The effect of silver ions on the respiratory chain of Escherichia coli / P.-D. Bragg, D.J.
Rainnie // Can. J. Microbiolog. – 1974. – V. 20. – P. 881-889.
– 274 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
168.Lee H.J. Antibacterial effect of nanosized-silver colloidal solution on textile fabrics / H.J. Lee,
S.Y. Yeo, S.H. Jeong // J. Mater. Sci. – 2003. – V. 38. – № 10. – P. 2199-2204.
169. Баллюзек Ф.В. Лечебное серебро и медицинские нанотехнологии / Ф.В. Баллюзек, А.С.
Куркаев, В.Я. Сквирский. – М.-СПб.: ДИЛЯ, 2008. – 112 с.
170.Benavides M.A. Sistema para la produccion biologica de nanocristales de plata y otros metales
pesados en invernadero, tunel, microtunel o casa sombra, utilizando monocotiledoneas en un
sistema hidroponico / M.A. Benavides, R.H. Ramirez, L.L.O. Fuentes et al // MXNL patent
05000082 – 2007.
171. Дубровская С.В. Золото и серебро от всех болезней / С.В. Дубровская. – М.: Мир книги,
2007. – 256 с.
172.Реутова Н.В. Серебро как возможный мутаген / Н.В. Реутова, В.А. Шевченко // Генетика. –
1991. – Т. 27. – № 7. – С. 1280-1284.
173. Ульберг З.Р. Исследование влияния металлов (Ag, Cu, Au) на электроповерхностные
свойства клеток эритроцитов методом электровращения / З.Р. Ульберг, Л.Г. Марочко, А.Г.
Савкин и др. // Коллоидный журнал. – 2005. – Т. 67. – № 2. – С. 113-123.
174. Вертелов Г.К. Применение наночастиц в электрохимическом анализе биологических
объектов / Г.К. Вертелов, А.Ю. Оленин, Г.В. Лисичкин // ЖАХ. – 2007. – Т. 62. – № 9. – С.
903-915.
175. Warm S. One kind of silver health care chops-ticks / S. Warm // CN patent 201192244 – 2009.
176. Kang Yhpu. The highly effective examination biological macromolecule and the microorganism
nanometer silver membrane / Yhpu Kang, Ming Liu // CN patent 101344484-2009.
177. Kin-Keung S. One kind of nanometer silver disinfection / S. Kin-Keung // Patent CN 1013418832009.
178.Texter John. Bactericidal silver surfactant delivery into coating and polymer compositions / John
Texter // US patent 2009018188 – 2009.
179. Chang Enlightened. The tetroxide four silver disinfectants, the preparation method and applied /
Enlightened Chang, Shun-South Hu // CN patent 101336640 – 2009.
180.Tsai Cheng Chou. One king deodorizes and the sterilization formula including silver ion‫י‬s / Cheng
Chou Tsai // CN patent 101337083 – 2009.
181. Lin Yi-Tzeng. The manufacturing processes of nano-silver particle containing non-polluted
composition having the properties of anti-bacteria, deodorization and anti-mould / Yi-Tzeng Lin,
Shian-Tzung Lin, Shuai-Min Jau // TW patent 200827300 – 2008.
182.Holladay R.J. Composition colloidale antivirale en argent / R.J. Holladay, W.D. Moeller // WO
panent 200814427 – 2008.
183.Anqi Ye. High molecular absorbent member and health aids carried with nano-silver with antibiotic
/ Ye Anqi, Hong Dengnan, Liang Jiafeng et al // CN patent 201154101 – 2008.
184.Thomas Wunder. Synergistic, silver-containing biocide composition / Wunder Thomas, Grabble
Roman, Baum Rudiger // CN patent 101252841 – 2008.
185.Feng Zhang. Nanometer silver antibiotic textile finishing method / Zhang Feng, Chen Yuyue, Wu
Xiaolan // CN patent 101307563 – 2008.
186.Lisong Yin. Preparation method of nano-silver sterilization gel / Yin Lisong, Liu Baisheng // CN
patent 101305737 – 2008.
– 275 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
187. Lisong Yin. Preparation method of nano-silver sterilization liquid / Yin Lisong, Liu Baisheng //
CN patent 101305736 – 2008.
188.Chang Jiang. Production method and apparatus of antibiotic superfine fiber nonwoven cloth with
nano-silver being embedded / Jiang Wang, Li Zhisheng, Xue Weigang // CN patent 101302682 –
2008.
189. Савадян Э.Ш. Использование препаратов серебра в хирургии и травматологии (Обзор
зарубежной литературы) / Э.Ш. Савадян // Хирургия. – 1989. – № 8. – С. 135-139.
190.Савадян Э.Ш. Современные тенденции использования серебросодержащих антисептиков
/ Э.Ш. Савадян, В.М. Мельникова, Г.П. Беликов // Антибиотики и химиотерапия. – 1989. –
Т. 34. – № 11. – С. 874-878.
191. Большая медицинская энциклопедия / под ред. Б.В. Петраковского. – М.: Советская
энциклопедия, 1984. – Т. 2. – С. 142-143.
192.Милнс А. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник / А. Милнс, Д. Фойхт. –
М.:Мир, 1975. – 432 с.
193.German R.M. The color of gold-silver-copper alloys / R.M. German, M.M. Guzowski, D.C.
Wright // Gold. Bulletin. 1980. V. 13. Bulletin. – 1980. – V. 13, № 3. – P. 113-116.
194.MacCormack I.B. New white gold alloys / I.B. MacCormack, J.E. Bowers // Gold. Bulletin. –
1981. – V. 14. – № 1. – P. 19-25.
195.Моисеев С.С. Сплав белого цвета на основе золота / С.С. Моисеев, В.А. Калганов, И.Г.
Ерусалимчик // RU патент 2115755 – 1997.
196.Bernhard M. White gold alloy compositions / M. Bernhard, A.B. Menon // US patent 6951588 –
2005.
197.Довженко Н.Н. Припой на основе серебра / Н.Н. Довженко, Б.П. Ходюков, С.Б. Сидельников
и др. // RU патент 2335385 – 2006.
198.Hiroshi Takashi. Gold and silver thread / Takashi Hiroshi // JP patent 2009030219 – 2009.
199.Yu Tao. Method for preparing silver nano-wire in large batch / Tao Yu, Tao Guoliang, Wu Haping
// CN patent 101310899 – 2008.
200.Пятницкий И.В. Аналитическая химия серебра / И.В. Пятницкий, В.В. Сухан. М.: Наука,
1975. – 263 с.
201.Аналитическая химия металлов платиновой группы / сост. и ред. Ю.А. Золотов, Г.М.
Варшал, В.М. Иванов. – М.: КомКнига, 2005. – 592 с.
202.Губин С.П. Координационная химия наночастиц / С.П. Губин, Н.А. Катаева //
Координационная химия. – 2006. – Т. 32. – № 12. – С. 883-893.
203.Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы / В.В. Вольхин. – СПб.: Лань, 2008. – 384 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, Н.В. Белоусова, В.М. Денисов, В.В. Иванов. Применение серебра (обзор)
Application of Silver (Review)
Lubov Т. Denisova, Natalia V. Belousova,
Viktor М. Denisov and Viktor V. Ivanov,
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Published works on the application of silver from the antiquity and until recent times were reviewed.
The analysis of the use of silver in different fields of techniques, biology and medicine and in the
production of jewelry was carried out. Features of properties and the utilization of nano-silver were
marked.
Keywords: silver, electrocontacts, solder, semiconductors, nano-silver, glasses, medicine, biology,
jeweller business.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 278-282
~~~
УДК 621.315.5
Investigation of Electrical Characteristics
of High Temperature Ceramic-Metal Contact Assemblages
Vladimir I. Kirkoa*, Egor I. Stepanova,
Gennady E. Nagibina, Sergey S. Dobrosmislova,
Alexander O. Gusevb and Dmitry A. Simakovb
a
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
b
Engineering Technological Center «RUS-Engineering», Krasnoyarsk city,
37 Pogranichnikov, Krasnoyarsk, 660111 Russia 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
There was carried out research work on electrical technical characteristics of contact assemblages
made of materials with very diverse linear expansion coefficients (LECs) at temperatures up to 900°С
and current loads of long-durations up to 100 hours. Foam nickel was employed as a conductive
damping material. After being subjected to long current and heat loads contact junctions between the
foam nickel and contact assemblage materials were studied by scanning electron microscopy (SEM)
and X-ray diffraction (XRD) analysis.
Keywords: electrical contact, ceramic, metal.
Introduction
Nickel ferrite-based cermets and SnO2-based ceramics are perspective materials to be utilised
as non-consumable anodes for aluminium production [1]. Such materials possess a high electrical
conductivity at electrolysis temperatures (900-1000 °С), sufficient thermal shock resistance as well as
rather high chemical resistance to the electrolyte.
One of the problems of the cermet and ceramic materials application is the electrical contact
between a metal current carrying rod and the anode bulk since the materials they are made of have
diverse linear expansion coefficients (LECs). And usual methods of their connection by heating the
contact assemblage can lead to its destruction.
Technologies for the high temperature electrical contact formation between materials having
very different LECs are reported in papers [2-5, 7]. There are suggested such discrete conducting
media as metal balls, powders and foam metals to be used as dampers. Electrical contact quality
and its high temperature stability are determined not only by an extent of interelectrode space
filling with a discrete conducting medium but also by an interaction of the medium with electrode
materials.
*
1
Corresponding author E-mail address: director.nifti@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 278 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electrical Characteristics of High Temperature…
Electrical characteristics of high temperature coaxial contact assemblages of materials with close
LECs are reported in paper [5] where a steel current carrying rod is used as an anode and a cermet of
the following composition NiFe2O4 – 18 %NiO – 17 % Cu as a cathode.
An iron powder was chosen to be the damping conducting medium between the anode and cathode
that sintered at high temperature and formed rather good damping and conducting medium, ensuring a
stable operation of the contact assemblage at multiple heating and cooling cycles without destruction.
In some cases, however, iron and some other powders sintering at the contact assemblage operation
temperature can not be used as high temperature damping media. This takes place when the contact
materials have very different LECs or the damping medium material interacts with cathode or anode
materials (e.g., iron from a Fe-SnO2 contact reduces SnO2 to a non-conductive SnO).
The objectives of the present paper are:
1) the investigation of high temperature electrical characteristics of coaxial contact assemblages
where anode LEC was 2 times greater than that of the current carrying rod and foam nickel
was used as the conducting damper;
2) the investigation of the contact assemblage stability versus time at long-duration and intensive
current loads;
3) the investigation of the damping material interaction with the rod and anode ones.
Experiment
The experimental assembly layout is presented in Fig. 1.
Cylindrical steel current carrying rod 1 was coaxially put into the blind hole of the cathode sleeve
2. The space between the sleeve and rod was filled with foam nickel 3 having porosity PPI 60. The
blind hole of the sleeve after being filled with the foam nickel was sealed with a bonding fireproof
mastic ZVMK “KOM” 4. The anode material is steel 12Х18Н10Т with a LEC ~10∙10 -6 1/deg. The
cathode sleeve was made of conductive ceramics SnO2 - 1,5 % Sb2O3 - 1,5 % CuO*. Its density, porosity
and strength were 6200-6460 kg/m3, 1.8-2.7 %, 445-457 MPа, respectively [6, 7]. The ceramics LEC
changed linearly with temperature from 3 to 6∙10 -6 1/deg within the range 20-900 ºС [7].
To prevent the interaction between the foam nickel and anode and cathode materials the internal
surface of the ceramic sleeve 2 and the rod were covered with silver paste of PP-17С grade.
A direct current between the rod 1 (anode) and cathode sleeve 2 was supplied with a DC source 7
and measured with amperemeter 6. The voltage drop between the rod and sleeve was registered with
the microvoltmeter 8. The contact assemblage was situated in a muffle furnace. The measurements
were carried out at the current load of 20 А for up to 100 hours at 900 ºС.
After the high temperature experiments had been finished the contact assemblage was crosscut at
the right angle to its axis. Contact junctions between the foam nickel and contact assemblage materials
were studied by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) analysis.
Results and discussion
In Fig. 2 there are presented the results of measuring contact assemblage resistance vs. temperature
when heating and vs. waiting time at 900 ºС.
As seen in Fig. 2 there takes place an exponential decrease of the contact assemblage resistance from
4 Оhm to 6∙10-3 Оhm at 2 hours heating within the temperature range 200-900 ºС. Then, during 100 h
– 279 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electrical Characteristics of High Temperature…
6
7
A
1
8
5
V
2
‡6
20
11
47.5
4
4
3
‡10
15
Fig.1. The experimental assembly layout to study electrical technical characteristics of contact assemblages of
materials with very different LECs: 1 – cylindrical steel current carrying rod (anode); 2 – blind-holed cathode
sleeve of a rectangular cross section; 3 - foam nickel; 4 – air stopper; 5 – high temperature sealing enamel; 6 –
amperemeter; 7 - dc source; 8 - microvoltmeter
holding at 900 ºС the contact resistance slightly increases to 8∙10-3Оhm. This implies operational stability
of the contact assemblage during long-term exposure to high temperatures at simultaneous current load.
In Fig. 3 there are presented the pictures of the appearance of contact assemblages after 10 and
100h holdings at 900 ºС and 20А load.
As seen in the picture after the 100h experiment the appearance of the contact assemblage has
not practically changed. The only change was found in the region of the nichrome rod connection to
the current carrying rod (anode) where a significant steel corrosion took place (Fig. 3, pointed to with
arrow). Such a great corrosion seems to be caused by an intensive ionic transfer as the result of current
load and high temperature.
In Fig. 4 SEM-images of foam nickel – steel anode and foam nickel – ceramic cathode contact
interfaces are presented after 100h experiments at 900 ºС.
In Fig. 4 the foam nickel (region A) is practically unchanged in structure. And it formed with the
silver paste a transitional heterostructural region B consisting of a foam nickel network (pointed to
with arrows in the figure) filled with silver. The region B seems to ensure a stable contact of the foam
nickel layer with the steel and ceramics.
SEM and XRD analyses have shown the adjacent regions D and B did not change their chemical
composition. On the contrary, the region A contains up to 25 % iron and up to 30 % oxygen. The
– 280 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electrical Characteristics of High Temperature…
(а)
(b)
Fig. 2. Results of measuring contact assemblage resistance vs. temperature when heating (a) and vs. holding time
at 900 ºС (b)
(а)
(b)
Fig. 3. The appearance of contact assemblages after 10 (a) and 100h (b) holdings at 900 ºС and 20А load
adjacent region B also contains iron (5 at. %) and oxygen (30 at. %). The region C contains up to 64
at. % oxygen. This implies a strong oxidation of the steel rod surface. The presence of a rather large
amount of iron in regions B and C adjacent to the steel rod confirms the ion transfer in the contact
assemblage at the current load and high temperature. The phenomenon has to be taken into account
when making high temperature contact assemblages.
Conclusions
The research work on high temperature electrical characteristics of coaxial contact assemblages
made of steel (anode) and SnO2-based ceramics (cathode) with foam nickel as conductive damper has
shown the following:
– 281 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vladimir I. Kirko, Egor I. Stepanov… Investigation of Electrical Characteristics of High Temperature…
Ⱥ
ȼ
ɋ
ȼ
(а)
D
(b)
Fig. 4. SEM-images of foam nickel – steel anode and foam nickel – ceramic cathode contact interfaces after 100h
experiments at 900 ºС. А – a foam nickel zone; В – a heterostructural foam nickel region filled with silver; С – a
region of the steel current carrying rod; D – a ceramic cathode region (SnO2 - 1,5 % Sb2O3 - 1,5 % CuO)
1) the contact assemblage resistance decreases exponentially vs. temperature. And at temperatures
up to 600 °С it is determined by the ceramics resistance;
2) operational stability of the assemblages at long-duration intensive current loads at up to
900 °С.
SEM of contact regions has shown that transitional heterostructural foam nickel ones filled with
silver form at the foam metal-steel and foam metal-ceramics interfaces. This ensures a good electrical
and mechanical contact between materials with very diverse LECs.
In the heterostructural steel-foam nickel region there was found a high concentration of iron
which implies an intensive ion transfer between anode and cathode.
References
1.
I.Galasiu. Inert Anodes for Aluminium Electrolysis / R.Galasiu, J.Thonstad // 1st edition,
Aluminium – Verlag, Marketing&Kommunikation.
2. Latvaitis J.D. Nickel foam pin connector for inert anodes /J.D. Latvaitis, R.M. Dunlap, K. Butcher//
Patent USA No: 7,316,577. – B2. – Jan. 8. – 2008.
3. E.D., Astolfo LeRoy. Inert anode electrical connection/LeRoy, E.D,Astoflo, R.Lee Troup// Patent
USA No : 7,169,270. – B2. – Jan. 30. – 2007.
4. E.D.,Astolfo Leroy. Mechanical attachment of electrical current conductor to inert anodes / Lower
Burrel // Patent USA №‫ ׃‬6,805,777. – B1. – Oct. 19. – 2004.
5. Kirko V. I. Investigation of electric characteristics of contact junctions with a powder damping
interlayer/ E.I.Stepanov, S.S. Dobrosmislov, A.O.Gusev *, D.A.Simakov*// J.of Siberian Federal
University, Engineering&Technologies. – V.1(3) . – 2008. – P. 256-262.
6. В.И. Кирко. Разработка технических решений по электроконтактным соединениям металлкерамика и металл-кермет / Г.Е.Нагибин, Е.И.Степанов, С.С.Добросмыслов и др.// Отчет о
НИР. ФГОУ ВПО СФУ. – Красноярск, 2008.
– 282 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 283-293
~~~
УДК 669.046:542.943.4
О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов*,
Г.М. Зеер, Т.В. Осипович, С.Д. Кирик
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный,79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
В статье рассмотрен механизм высокотемпературного катастрофического окисления
в системе Ag-Sn. Рассмотрена возможная связь процессов окисления жидких растворов
с кластерным состоянием расплава над линиями ликвидус в области концентраций,
соответствующих кристаллизации электронных соединений. Показано, что склонность к
катастрофическому окислению проявляется в области концентраций, соответствующих
образованию при кристаллизации электронных соединений с минимальным значением
электронной концентрации (3/2).
Ключевые слова: катастрофическое окисление, расплав, электронные соединения, электронная
концентрация.
Введение
Композиты Ag-SnO2 используются в качестве материалов для электрических контактов [1,
2]. Для их получения созданы разнообразные методы, базирующиеся на явлении внутреннего окисления, применительно к металлургическим методам получения сплавов, порошковой
металлургии, а также комбинированным способам [1-3]. В качестве альтернативного метода
может быть использовано катастрофическое окисление жидких сплавов Ag-Sn [4]. Природа последнего до настоящего времени остается не ясной. Целью данной работы явилось дальнейшее
изучение системы Ag-Sn в связи с обнаруженным эффектом катастрофического окисления и
раскрытием природы этого явления.
О природе катастрофического окисления расплавов
Катастрофическое окисление (КО) было обнаружено ранее для твердых металлов [5, 6].
Оно наблюдалось при их окислении в присутствии V2O5, WO3, Bi2O3, PbO с образованием на поверхности пористой, губчатой или слабо сцепляющейся с подложкой оксидной пленки. Отмечено [5-7], что важную роль при КО играет наличие в продуктах реакции хотя бы незначительного количества жидкой фазы. В [6] КО объясняли также появлением трещин в образующейся
окалине (например, за счет формирующегося летучего оксида). Катастрофическое окисление
жидких сплавов наблюдали в системах Bi2O3-Cu [7-9] и Ag-Bi-Cu [10].
*
1
Corresponding author E-mail address: antluba@mail.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 283 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
Катастрофическое окисление жидких бинарных сплавов Ag-Sn в некотором интервале
концентраций Ag при 1273 К установлено нами ранее [11, 12] и связывалось со свойствами
серебра и, в частности, с очень высокой растворимостью в нем кислорода. При этом окисление
расплавов Ag-Sn должно было происходить как кислородом атмосферы, так и растворенным
кислородом. С этой точки зрения КО должно было происходить и для других жидких бинарных сплавов на основе серебра (Ag-Bi [13], Ag-Pb [14]). Однако на этих системах КО не наблюдали. Сравнение образующихся окалин на расплавах Ag-Sn, Ag-Bi и Ag-Pb показывает, что в
первом случае она при температуре 1273 К находится в твердом состоянии (SnO2), а в других
случаях – в жидком (Bi2O3 и PbO соответственно). Кроме того, в окалине из SnO2 имеется довольно высокое содержание Ag, в то время как в Bi2O3 и PbO имеются только следы серебра.
Сведений о взаимодействии в системе PbO-Ag нами не найдено, поэтому определить растворимость Ag в жидком PbO не представляется возможным. В расплаве Bi2O3 растворимость Ag
незначительна [15].
Рентгенофазовым анализом (Shimadzu XRD 6000; X’Pert Pro фирмы «Pananalitical» (Нидерланды)) установлено, что при окислении расплавов Ag-Sn в окалине, в том числе и при КО,
содержатся SnO2 и Ag. Поскольку при КО расплавов Ag-Sn образуется высокоразвитая пористая окалина, то с учетом контактного взаимодействия в системе SnO2-Ag (Θ < 90 град [12])
можно было бы принять, что, кроме диссоциации оксидов серебра, как в системе MgO-Ag [16],
реализуются и капиллярные явления. Проведенные специальные эксперименты по смачиванию серебром пористых подложек SnO2 (пористость 22 %) показали, что последнее явление
может наблюдаться (подложки SnO2 полностью пропитываются серебром при температуре
плавления последнего). При этом образуется прочная металлокерамика. При КО сплавов AgSn такого не наблюдали. При КО расплавов Ag-Sn в чистом кислороде образующаяся губчатая
окалина легко превращается в порошок, тогда как при пропитывании пористых подложек SnO2
серебром этого сделать нельзя.
Согласно [17, 18] в системе Ag-SnO2 образуется соединение Ag2SnO3, которое в продуктах
окисления расплавов Ag-Sn (включая КО) отсутствует. В [11, 12] показано, что в интервале
температур 1234-1303 К краевой угол смачивания SnO2 (пористость 0,01 %) жидким серебром
не зависит от температуры и равен (72,4 ± 4,3) градуса.
Поскольку изучение смачивания проводили на воздухе (в условиях, при которых происходило окисление расплавов), то серебро содержало значительную долю растворенного кислорода, что привело к улучшению смачивания [19]. По-видимому, нужно при этом учитывать
данные работы [20], в которой показано влияние электронной плотности жидких металлов
и ширины запрещенной зоны твердых керамик на работу адгезии и смачивание в системах
металл-керамика. Показано, что полупроводниковая керамика с шириной запрещенной зоны
ΔЕ ≤ 4 эВ (по данным [21] SnO2 является полупроводником n-типа с шириной запрещенной
зоны 3,54 эВ) смачивается жидкими металлами, в то время как изолирующие материалы (ΔЕ
> 4 эВ) не смачиваются ими. Поэтому роль смачивания серебром поверхности оксида олова
при рассмотрении процессов кристаллизации, развивающейся в условиях катастрофического
окисления сплавов, не исключается.
Структурные, химические и электронные характеристики границ раздела, образованных
Sn и Pd на (110) поверхности SnO2, проанализированы авторами работы [22]. Отмечено, что при
– 284 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
наличии Sn резко увеличивается поверхностная проводимость за счет образования донорных
состояний у поверхности. Нанесение на поверхность одного монослоя Pd слабо влияло на проводимость, тогда как увеличение толщины покрытия до 5-10 монослоев приводит к резкому росту проводимости. При этом она приобретает металлический характер. Можно предположить,
что такое может происходить в системе Ag- SnO2.
В [23] показано, что смачиваемость твердых оксидов жидкими металлами зависит не только от изменения стандартной свободной энергии образования оксида, но и от ионных радиусов
металлов, входящих в состав оксида.
На возможность существования корреляции между краевыми углами смачивания в системах металл – металлический оксид и изменением энергии Гиббса реакции, протекающей
на поверхности раздела фаз, указано в [24]. Экспериментально такая корреляция установлена
в [25].
По данным [1], при отжиге в кислородсодержащей атмосфере менее благородный металл
(в нашем случае Sn) окисляется диффундирующим кислородом, образуя при этом в толще
сплава более или менее дисперсные оксидные включения. Для условия возникновения внутреннего окисления необходим поток кислорода jо через матрицу сплава. Последний возникает,
если кислород в матрице связывается в устойчивые химические соединения (в анализируемой
системе возможно образование оксидов SnO, Sn5O6, Sn3O4 и SnO2 [26]). Этим обусловлен термодинамический критерий внутреннего окисления [1]:
1
(1)
'G oBm O n !! 'G OAg 2O , n
где ΔGo – энергия Гиббса реакций окисления неблагородного компонента B и серебра, кДж/моль
o
О; BmOn – стехиометрическая формула
C oE Dоксида.
o !! C B D B ,
Допускается [1], что диффузионный поток jo должен быть значительно больше потока jB
1
o
O
легирующего компонента В. Так как поток'G
пропорционален
диффузии D и гра9 O !! 'G Ag коэффициенту
O ,
B
2Ag 5nSn mO n2 o 5Ag 2 O2 2SnO 2 ,
диенту концентрации, то в этом случае получают
неравенство вида
2
C oE D o 7!! C oB D B , (2)
2Ag 3 Sn O 2 o 3Ag 2 O 2SnO 2 ,
2
где D o и DB – коэффициенты диффузии кислорода
и легирующей примеси В (в нашем
9
o
2
Ag
Sn
O
o
5ВAgв2 Oсплаве;
2SnO 2C, oE – максимальная
случае Sn); C B – исходная концентрация
примеси
5
2
21
Ag 2 O o
2Ag при
O 2 .температуре Т. Ввиду того, что D o >
растворимость кислорода в серебряной
матрице
2
o
DB, неравенство (1) выполнимо практически при
7 всех температурах окисления и при C B ,
2Ag 3 Sn O 2 o 3Ag 2 O 2SnO 2 ,
составляющей не более нескольких атомных
процентов
[1]. Величина C oE определяется
2
парциальным давлением кислорода и достигает максимума при PO 2 → P ∗ ( P ∗ – упругость
1
диссоциации Ag 2O).
Ag 2 O o 2Ag O 2 .
2
Экспериментальные исследования окалины, образованной
при окислении расплава в системе Ag-Sn
Согласно диаграмме фазового равновесия из всех перечисленных выше оксидов олова при
температуре 1000 °С стабильным является только оксид SnO2.
С помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM 7001F и энергодисперсионного спектрометра INCA Energy PentaFETx3 получены снимки окалины, образующейся на рас– 285 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
Рис. 1. Внешний вид окалины после КО расплавов Ag-Sn
Рис.2. Увеличенный фрагмент некоторых частиц, представленных на рис.1: а – самая крупная частица,
б – мелкие частицы
плавах Ag-Sn при КО, и проведен анализ образующейся окалины. На рис. 1 показан общий вид,
а на рис. 2 и 3 – крупные частицы SnO2 (а) с расположенными на них частицами серебра (б).
На рис. 4 показаны крупные фрагменты окалины, на которых проведен элементный анализ. Перекрестию спектра 1 соответствует SnO2, а спектра 2 – SnO2 и 2,74 мас. % Ag.
На рис. 5 и 6 показаны характеристические спектры кислорода, серебра и олова. Из этих
рисунков видно, что наблюдается неоднородное распределение элементов в окалине.
Все сказанное выше позволяет заключить, что серебро покрывает частицы SnO2 и находится в дисперсном состоянии. Причины этого факта следует еще обсуждать, поскольку температура окисления расплавов Ag-Sn составляла 1273 К (выше температуры плавления чисто– 286 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
Рис.3. Внешний вид частицы SnO2 (а) и расположенных на ее поверхности частиц серебра (б)
Рис.4. Точки элементного анализа частиц окалины после КО
го Ag), в связи с чем можно было ожидать слияние мелких капель серебра в более крупные.
Однако слияния капель серебра при температуре экспериментов не происходит. Заметим, что
влияние крупных частиц на механизм коагуляции в дисперсных системах достаточно подробно проанализирован в [27], а агрегативная устойчивость дисперсных систем – в [28].
Катастрофическое окисление расплавов Ag-Sn обусловлено свойствами данной системы.
Диаграмма состояния Ag-Sn характеризуется наличием двух электронных соединений Ag5Sn
и Ag3Sn [29]. На концентрационную область их существования приходится и область КО. Отметим, что имеется много указаний на то, что расплавы наследуют структуру исходного твердого тела [30-35]. Так, например, изотерма удельного сопротивления ρ жидких сплавов Ag-Sn
при температуре 1273 К (при которой проводили окисление этих сплавов) имеет максимум в
области электронных соединений [31]. Согласно [36] концентрация валентных электронов в
электронных соединениях равна 3/2, 21/13 и 7/4 электрона на атом (для Ag5Sn и Ag3Sn эти соотношения равны 3/2 и 7/4). Максимум ρ для сплавов Ag-Sn был связан с наличием этих соединений и объяснен [31] на основании теории Займана.
– 287 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
1
'G oBm O n !! 'G OAg 2O ,
1
on
G Bm O n !!серебра
'G OAg 2Oи , олова фрагментов окалины после КО
Рис.5. Характеристические спектры '
1 кислорода,
o
n
(увеличение – x3000)
'G Bm O n !! 'G OAg 2O ,
n
C oE D o !! C oB D B ,
E
C D o !! C oB D B ,
Можно предположить, что приoE окислении
соединений Ag5Sn и Ag3Sn в широком интерваC o D o !! C oB D B ,
9
ле температур протекают следующие реакции:
2Ag95 Sn O 2 o 5Ag 2 O 2SnO 2 ,
2Ag 5 Sn O 2 o2 5Ag 2 O 2SnO 2 ,
9
(3)
2Ag 5 Sn 2 O 2 o 5Ag 2 O 2SnO 2 , 2
7
2Ag73 Sn O 2 o 3Ag 2 O 2SnO 2 ,
(4)
2Ag 3 Sn O 2 o2 3Ag 2 O 2SnO 2 , 72
2Ag 3 Sn O 2 o 3Ag 2 O 2SnO 2 ,
2
1
(5)
Ag 2 O o 12Ag O 2 .
Ag 2 O o 2Ag O 2 . 2
Выделяющийся по реакцииAg
(5)
кислород 12снова вступает в реакцию окисления. Если
2 O o 2Ag O 2 .
2 то, по-видимому, из-за его нестойкости
соединение Ag SnO при окислении и образуется,
2
3
оно распадается на Ag 2O и SnO2 , а Ag 2O, в свою очередь, на серебро и кислород по реакции (5).
Концентрационная область кластеризации жидкости с соблюдением ближнего порядка,
соответствующего тому или иному электронному соединению, определяется на диаграмме
Ag – Sn соответствующими отрезками линии ликвидус. Ликвидус кристаллизации соединения
Ag3Sn соответствует концентрациям серебра менее 50,4 % (ат.). Для соединения Ag5Sn ликвидус кристаллизации лежит в области концентраций серебра 50,4 – 80,5 % (ат.), т.е. в том интервале, в котором наблюдается способность системы к протеканию КО.
– 288 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
Рис.6. Характеристические спектры кислорода, серебра и олова фрагментов окалины после КО расплавов
Ag – Sn (увеличение – х5000)
Можно полагать, что способность к катастрофическому окислению контролируется стадией диссоциации электронного соединения, которая, в свою очередь, зависит от электронной
концентрации этого соединения. Для β-фазы с самым малым абсолютным значением электронной концентрации (3/2) эта стадия реализуется, видимо, наиболее легко. По крайней мере, по
сравнению с более устойчивой γ-фазой с электронной концентрацией 7/4. Поэтому склонность
к проявлению КО соответствует только области ликвидуса соединения Ag5Sn и отсутствует
для сплавов, состав которых входит в предел концентрационной области кристаллизации соединения Ag3Sn.
Кинетика КО должна зависеть от количества кластеров соединения Ag5Sn в жидкости
над линией ликвидус, которое нарастает от нуля при содержании в сплаве серебра 50,4 %
(ат.) до 100 %, при составе сплава с 75 % (ат.) серебра. Если предположить, что способность
к КО возникает при достижении количества кластеров соединения Ag5Sn в жидкости, равном 50 %, то такое количество кластеров может быть достигнуто при содержании серебра
в сплаве 60 – 65 %.
Экспериментально обнаружено, что это явление имеет место при содержании серебра в
сплаве именно при концентрациях от 60 до 75 %, что может свидетельствовать о правильности
рассмотренного выше механизма, согласно которому способность к КО может проявляться в
системах с электронными соединениями с электронной концентрацией 3/2. В этой связи такого
– 289 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
явления не может наблюдаться в системах Ag – Pb и Ag – Bi, но должно наблюдаться в системах
Ag – Zn и Ag – Cd и некоторых других.
Объяснение причин морфологии распределения кристаллов оксида олова и диспергированных капельных частиц серебра на их поверхности связано с гетерогенными условиями
осаждения кристаллов серебра на высоко развитой поверхности, которые первично образуются в виде твердых кристаллов оксида олова, имеющего высокую температуру плавления.
Данные кристалы играют роль подложки для кристаллизации серебра. Это обусловлено тем,
что при окислении электронного соединения при температуре 1000 ºС его диссоциация сопровождается образованием химических связей кислорода с оловом по реакции
Ag5Sn + O2 → SnO2 + 5 Ag,
в результате чего высвобождаются избыточные атомы свободного серебра, обогащающего
остающуюся жидкость. Избыточное количество серебра кристаллизуется по гетерогенному
механизму с образованием зародышей кристаллов на готовой поверхности, т.е. на поверхности
вновь образовавшихся кристаллов оксидов олова. Такой характер кристаллизации
высокодисперсных частиц серебра на готовой поверхности раздела энергетически более
выгоден, по сравнению с гомогенным образованием самостоятельных свободно растущих
кристаллов, хотя такой характер кристаллизации в условиях резкого концентрационного
переохлаждения также не исключается. Поэтому в полученном полупродукте после КО
кристаллы серебра наблюдаются как на поверхности более крупных кристаллов оксида олова,
так и в виде высокодисперсных равномерно распределенных частиц.
Выводы
1. Обнаружено, что катастрофическое окисление в системе Ag-Sn при температуре 1273 К
происходит при содержании серебра в сплавах от 60 до 75 %, что сопровождается образованием хрупкой смеси высокодисперсных кристаллов, которые состоят из оксидов олова и микрочастиц серебра, равномерно распределенных как по поверхности более крупных оксидных
кристаллов, так и в виде изолированных частиц.
2. Сформулирован механизм катастрофического окисления в системе, который связывается с сохранением до температур окисления кластерных образований в жидкости, соответствующих электронному соединению с минимально возможной электронной концентрацией (3/2).
Взаимодействие таких кластерных образований в жидком растворе с кислородом приводит к
диссоциации кластеров, образованию кристаллов оксида олова, на поверхности которых, как
на подложке, кристаллизуется высвобождающееся избыточное серебро. Выделение его в виде
микрокристаллов в первую очередь происходит на готовой подложке, а также в виде свободно
растущих кристаллов в жидкости за счет сильного концентрационного переохлаждения.
3. Обнаруженное явление должно наблюдаться для широкого круга сплавов, в системах
которых возможно формирование электронных соединений.
Список литературы
1.
Мастеров В.А. Серебро, сплавы и биметаллы на его основе / В.А. Мастеров, Ю.В.
Саксонов. – М.: Металлургия, 1979. – 296 с.
– 290 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
2. Малышев В.М. Серебро/ В.М. Малышев, Д.В. Румянцев. – М.: Металлургия, 1987. – 320 с.
3. Chang H., Pitt C.H., Alexander G.B. Powder metallurgy preparation of new silver-tin oxide electric
contacts from electrolessly plated composite powders – Mater. Sci. and Eng. – B. 1991. – V. 8. – №
2. – P. 99-105.
4. Денисов В.М. Способ получения серебряно-оловооксидного материала для электрических
контактов / В.М. Денисов, Л.Т. Антонова. – Пат. Ru 2346069. 2009.
5. Кофстад П. Высокотемпературное окисление металлов / П. Кофстад. – М.: Мир,
1969. – 392 с.
6. Кубашевский О. Окисление металлов и сплавов / О. Кубашевский, Б. Гопкинс. – М.:
Металлургия, 1968. – 428 с.
7. Белоусов В.В. Катастрофическое окисление металлов / В.В. Белоусов // Успехи химии. –
1998. – Т. 67. – № 7. – С. 631-640.
8. Белоусов В.В. Кинетика и механизм катастрофического окисления меди / В.В. Белоусов //
Защита металлов. – 1994. – Т. 30. – № 6. – С. 599-606.
9. Belousov V.V. Mechanisms of accelerated oxidation of copper in the presence of molten oxides –
Oxid. Met. – 2007. – № 67. – P. 235-250.
10. Антонова Л.Т. Окисление жидких сплавов висмут-медь-серебро / Л.Т. Антонова, Н.В.
Белоусова, Э.А. Пастухов и др. //Расплавы. – 2003. – № 1. – С. 15-19.
11. Антонова Л.Т. Об окислении жидких бинарных сплавов олово-серебро / Л.Т. Антонова,
В.М. Денисов, Э.А. Пастухов и др. // Расплавы. – 2008. – № 2. – С. 12-15.
12. Денисов В.М. Окисление жидких сплавов олова с серебром / В.М. Денисов, Л.Т. Антонова,
Ю.С. Талашманова // Изв. вузов. Цветная металлургия. – 2007. – № 6. – С. 48-50.
13. Антонова Л.Т. Окисление жидких сплавов системы висмут-серебро / Л.Т. Антонова, Э.А.
Пастухов, Н.В. Белоусова и др. // Расплавы. – 2000. – № 2. – С. 3-9.
14. Талашманова Ю.С. Изучение процессов окисления расплавов тройной системы SnPb-Ag.- Компьютерное моделирование физико-химических стекол и расплавов / Ю.С.
Талашманова, В.М. Денисов, Л.Т. Антонова// Труды VIII Российского семинара. – Курган:
Курган. гос. ун-т. – 2006. – С. 56.
15. Jérôme Assal, Bengt Hallstedt, Ludwig J. Gauckler. Experimental phase diagram study and
thermodynamic optimization of the Ag-Bi-O system. – J. Am. Ceram. Soc. 1999. – V. 82. – №
3. – P. 711-715.
16. Буев А.Р. Аномальное поведение серебра в поликристаллическом оксиде магния / А.Р.
Буев. – Письма в ЖТФ. – 2004. – Т. 30. – № 19. – С. 59-64.
17. Linke C., Jansen M. Über Ag2SnO3, das erste Silberstannat .- Z. anorg. Allg. Chem. 1997. – B.
623. – S. 1441-1446.
18. Feng J., Xiao B., Chen J.C. et al. Theoretical study on the stability and electronic property of
Ag2SnO3 .- Solid State Sci. 2009. – № 11. – P. 259-264.
19. Белоусова Н.В. Взаимодействие жидких металлов и сплавов с кислородом / Н.В. Белоусова,
В.М. Денисов, С.А. Истомин и др. – Екатеринбург: УрО РАН. – 2004. – 285 с.
20. Li J.G. Role of electron density of liquid metals and bandgap energy of solid ceramics on the of
adhesion and wettabibity of metal-ceramic systems. – J. Mater. Sci. Lett. 1992. – V. 11. – № 13. –
P. 903-905.
– 291 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
21. Кофстад П. Отклонение от стехиометрии, диффузия и электропроводность в простых
окислах металлов/ П. Кофстад. – М.: Мир. – 1975. – 396 с.
22. Erackson J.W., Fryberger T.B., Semancik S. Metal / semiconductor interfaces on SnO2 (110). – J.
Vac. Sci. and Technol. A. 1988. – V. 6. – № 3. – Pt. 2. – P. 1593-1598.
23. Nogi K., Oishi K., Ogino K. Смачиваемость твердых оксидов чистыми жидкими металлами. –
Нихон киндзоку гаккайси. J. Jap. Inst. Metals. 1988. – V. 52. – № 1. – P. 72-78.
24. Иванов А.В. Связь между изменением энергии Гиббса химической реакции и краевыми
углами смачивания в системах жидкий металл-оксид / А.В. Иванов // Вестн. Моск. ун-та.
Сер. 2. Химия. – 2002. – Т. 43. – № 5. – С. 311-314.
25. Денисов В.М. Смачивание керамик на основе SnO2 некоторыми металлами / В.М. Денисов,
Л.Т. Антонова, В.П. Ченцов и др. // Расплавы. – 2008. – № 1. – С. 3-7.
26. Торопов И.А. Диаграммы состояния силикатных систем: справочник / И.А. Торопов,
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
В.П. Барзаковский, И.А. Бондарь и др.// Вып. второй. Металл-кислородные соединения
силикатных систем. – Л.: Наука, 1969. – 372 с.
Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры / И.Ф. Ефремов. – Л.: Химия, 1971. –
192 с.
Шабанова Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов / Н.А. Шабанова, В.В. Попов,
П.Д. Саркисов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 309 с.
Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т. Т.1 / под общ.
ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.
Есин О.А. Физическая химия пирометаллургических процессов / О.А. Есин, П.В. Гельд. –
М.: Металлургия, 1966. – 704 с.
Арсентьев П.П. Металлические расплавы и их свойства / П.П. Арсентьев, Л.А. Коледов. –
М.: Металлургия, 1973. – 288 с.
Ершов Г.С. Строение и свойства жидких и твердых металлов / Г.С. Ершов, А.В. Черняков. –
М.: Металлургия, 1978. – 246 с.
Денисов В.М. Висмутсодержащие материалы: строение и физико-химические свойства /
В.М. Денисов, Н.В. Белоусова, Г.К. Моисеев и др. – Екатеринбург: УрО РАН, 2000. – 526 с.
Денисов В.М. Германий, его соединения и свойства / В.М. Денисов, С.А. Истомин, О.И.
Подкопаев и др. – Екатеринбург: УрО РАН, 2002. – 599 с.
Пастухов Э.А. Дифракционные исследования строения высокотемпературных расплавов /
Э.А. Пастухов, Н.А. Ватолин, В.Л. Лисин и др. – Екатеринбург: УрО РАН. 2003. – 353 с.
Юм-Розери В. Структура металлов и сплавов/ В. Юм-Розери, Г.В. Рейнер. – М.:
Металлургиздат, 1959. – 391 с.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л.Т. Денисова, В.С. Биронт, В.М. Денисов… О катастрофическом окислении расплавов Ag-Sn
About the Catastrophic Oxidation of Ag-Sn Melts
Lubov T. Denisova, Vitaly S. Biront, Viktor M. Denisov,
Galina M. Zeer, Tatyana V. Osipovich and Sergey D. Kirik
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
This article describes the mechanism of high-temperature catastrophic oxidation in the system Ag-Sn.
A possible link of the oxidation of liquid solutions with the cluster state of the melt on the liquidus lines
in the concentration of the crystallization of the electronic connections. Propensity to catastrophic
oxidation manifests itself in the field of concentrations, relevant formation in the crystallization of
electronic connections to a minimum value of electron density
Keywords: catastrophic oxidation, melt, electronic connections, e concentration.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 294-300
~~~
УДК 666.9-121
Фазовый состав, структура и удельная поверхность
порошковых систем на основе корунда различной дисперсности
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков*
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН
Россия 634021, Томск, пр. Академический 2/4 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
Исследованы структура, фазовый состав и удельная поверхность порошковых систем на
основе корунда, получаемых методом термического разложения гидроокиси алюминия и
методом термического разложения водного раствора азотнокислой соли алюминия в плазме
высокочастотного разряда. Показано, что в крупнокристаллическом глиноземе переход в
α-форму происходит в широком интервале температур (600-1200 °C), а в плазмохимическом
порошке Al2O3 этот фазовый переход происходит в узком интервале температур (1150-1200 °C)
и, фактически, имеет «взрывной» характер. Этот переход сопровождается разрушением
пенообразных агломератов и увеличением удельной поверхности частиц.
Ключевые слова: фазовые превращения, наноструктуры, корунд.
Введение
Возможность создания керамических материалов с принципиально новыми характеристиками открывается при использовании в технологии их получения наноразмерных порошков
[2]. Известно, что получать подобные наноразмерные порошки возможно методом денитрации
солей в высокочастотной плазме [5]. Однако данных о свойствах, строении и структуре таких
порошков, в частности оксида алюминия, по отношению к порошку, получаемому традиционными методами (как правило, крупнокристаллическому), недостаточно, хотя эти данные
принципиально важны при спекании подобных систем. Это обусловлено тем, что морфология
поверхности, параметры тонкой кристаллической структуры, удельная поверхность и фазовый
состав порошковых систем зависят как от размера кристаллитов, так и от строения частиц и их
агломерированности, поэтому процесс спекания будет иметь особенности.
Цель работы – провести сравнительный анализ фазового состава, удельной поверхности
и морфологии поверхности частиц двух порошковых систем – оксид алюминия, получаемый
традиционным методом, и оксид алюминия, синтезированный в плазмохимическом реакторе.
Материалы и методика экспериментов
В работе использовали два вида порошков оксида алюминия – глинозем, полученный методом термического разложения гидроокиси алюминия, и плазмохимический порошок, полу*
1
Corresponding author E-mail address: kulkov@ms.tsc.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 294 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
ченный термическим разложением водного раствора азотнокислой соли алюминия в плазме
высокочастотного разряда.
Порошки подвергали отжигу при температурах 600, 800, 1100 и 1200 °С с продолжительностью изотермической выдержки в течение часа. Удельную поверхность измеряли методом БЭТ на приборе «Sorbi», погрешность измерения удельной поверхности не более 3 %.
Рентгеноструктурный анализ исходных порошков и порошков после отжига осуществляли
на дифрактометре Дрон-УМ1 с фильтрованным CuKα излучением. Съёмку вели по точкам
с шагом 0,1° и продолжительностью экспозиции 10 сек. Перекрывающиеся рентгеновские
пики разделяли с помощью компьютерной программы на основе минимизации отклонения
суммарного аппроксимирующего профиля от экспериментального. Идентификацию фаз
производили при сопоставлении пиков рентгенограммы с картотекой ASTM. Соотношение
фаз оксида алюминия в порошке рассчитывали как отношение суммарных интегральных интенсивностей пиков, принадлежащих одной фазе, к суммарной интегральной интенсивности
всех пиков. Средний размер кристаллитов рассчитывали по уширению рефлекса на малых
углах дифракционной картины [4]. Снимки порошков получены на растровом электронном
микроскопе Philips-505.
Результаты и обсуждение
ɍɞɟɥɶɧɚɹ ɩɨɜɟɪɯɧɨɫɬɶ, ɦ2/ɝ
Результаты измерений удельной поверх80
ности порошков методом БЭТ приведены на
рис. 1. В исходных порошках глинозема и плаз70
мохимического порошка Al2O3 удельная по60
верхность равна 75 м2/г и 60 м2/г, соответствен50
но. Как видно из графика, в случае глинозема
наблюдается плавное уменьшение удельной
40
поверхности, в то время как для плазмохими30
ческого порошка наблюдается сначала рост
20
удельной поверхности при температуре отжига
10
600 °С, а затем ее уменьшение. Отжиг порош- Ƚɥɢɧɨɡɟɦ;
- ɉɥɚɡɦɨɯɢɦɢɱɟɫɤɢɣ Al2O3.
ков при 1100 °С приводит к резкому снижению
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200
удельной поверхности для обеих порошковых
Ɍɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɬɠɢɝɚ, ɨɋ.
2
систем, величина которых составляет 25,5 м /г
и 27 м2/г, соответственно. При температуре от- Рис. 1. Зависимость удельной поверхности пожига 1200 °С удельная поверхность составила рошков от температуры отжига
около 1 м2/г для обеих порошковых систем.
Рост удельной поверхности при относительно небольших температурах отжига в порошке
оксида алюминия, полученного методом плазмохимии, свидетельствует о разрушении агломератов порошка по границам зерен вследствие рекристаллизации.
Фазовый анализ исходных порошков показал наличие ромбической α, кубической γ, кубической гранецентрированной γ', гексагональной ε и тетрагональной фаз, что свидетельствует
о высоко неравновесном состоянии обеих порошковых систем. Отжиги порошков при различных температурах приводят к изменению соотношения фаз – при температуре отжига 600 °С
– 295 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
100
Ƚɥɢɧɨɡɟɦ ɦɚɪɤɢ Ƚ00
80
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɮɚɡ, %
Ʉɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɹ ɮɚɡ, %
100
60
40
- Dɮɚɡɚ (ɤɨɪɭɧɞ);
- ɫɭɦɦɚɪɧɚɹ ɢɧɬɟɧɫɢɜɧɨɫɶ
ɦɟɬɚɫɬɚɛɢɥɶɧɵɯ ɮɚɡ.
20
0
0
ɉɥɚɡɦɨɯɢɦɢɱɟɫɤɢɣ
Al2O3.
80
60
40
- Dɮɚɡɚ (ɤɨɪɭɧɞ) ;
- ɫɭɦɦɚɪɧɚɹ ɢɧɬɟɧɫɢɜɧɨɫɬɶ
ɦɟɬɚɫɬɚɛɢɥɶɧɵɯ ɮɚɡ.
20
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200
0
Ɍɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɬɠɢɝɚ, ɨɋ
ɚ
100 200 300 400 500 600 700 800 900 100011001200
Ɍɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɬɠɢɝɚ, ɨɋ
ɛ
Рис. 2. Распределение фаз в зависимости от температуры отжига: а – глинозем; б – плазмохимический Al 2O3
D, ɧɦ
многообразие фаз исходных порошков сокращается до α, γ и ε фаз, при температуре отжига
800 °С фазовый состав не меняется, после отжига в 1100 °С γ и ε переходят в θ фазу с моноклинной кристаллической решеткой. При температуре отжига 1200 °С все метастабильные фазы
переходят в ромбическую модификацию.
Поскольку все фазы, кроме α, являются метастабильными [1], то были построены зависимости интенсивности α и суммарной интенсивности метастабильных фаз от температуры отжига порошков. Как видно из графиков, представленных на рис. 2, в глиноземе
(рис. 2, а) происходит плавный переход
70
в α-форму, начиная уже с 800 °С, а в по- Ƚɥɢɧɨɡɟɦ;
- ɉɥɚɡɦɨɯɢɦɢɱɟɫɤɢɣ Al2O3.
рошках, получаемых плазмохимическим
60
методом (рис. 2, б), набор метастабиль- ɊɋȺ,
- Sɭɞ.
ных фаз сохраняется до более высоких
50
температур, а затем в узком интервале
40
≈1150-1200 °С происходит резкий переход
в ромбическую решетку. Таким образом,
30
фазовый переход в стабильное состояние в плазмохимическом порошке носит
20
«взрывной» характер.
10
Средний размер кристаллитов для
обеих порошковых систем был рассчитан
0
двумя методами: в первом случае расчет
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
Ɍɟɦɩɟɪɚɬɭɪɚ ɨɬɠɢɝɚ, ɨɋ
проводили по формуле Селякова-Шеррера
на основе полученных рентгенограмм, во Рис. 3. Зависимость среднего размера кристаллитов,
втором случае – на основе полученных рассчитанного по данным рентгеноструктурного
анализа и из значений удельной поверхности
данных об удельной поверхности порош- порошков от температуры отжига
ков в предположении сферичности частиц.
– 296 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
Расчет среднего размера кристаллитов первым способом показал, что в исходном порошке глинозема средний размер кристаллитов составил (23±5) нм, а в порошке, получаемом методом плазмохимического синтеза, средний размер кристаллитов составил (18±5) нм. Таким
образом, средний размер кристаллитов в обеих порошковых системах не зависит от способа
их получения и составляет около 20 нм. Отжиг порошков при температуре 600 °С приводит к
небольшому понижению значений среднего размера кристаллитов, а при температурах отжига
800, 1100 и 1200 °С происходит небольшой рост кристаллитов в обеих порошковых системах.
При температуре отжига 1200 °С средний размер кристаллитов составил (30±8) нм для обеих
порошковых систем.
Расчет среднего диаметра частиц вторым методом показал, что в исходном порошке глинозема он равен (20±3) нм, а в плазмохимическом порошке средний размер кристаллитов составил (26±3) нм. Отжиг при температурах 600 и 800 °С практически не оказывает влияния на
средний диаметр частиц, однако после отжига при температуре 1100 °С средний диаметр частиц увеличивается в три раза в обеих порошковых системах. Отжиг при температуре 1200 °С
приводит к еще большему росту частиц (практически в 60 раз) относительно исходного состояния.
Сравнение значений среднего размера кристаллитов, рассчитанных двумя методами, показало (рис. 3), что в исходных порошках и в порошках, отожженных при температурах 600
и 800 °С, они лежат в одном интервале значений – от 15 до 30 нм и не зависят от метода получения порошков. Это позволяет сделать заключение о том, что порошки состоят из однодоменных кристаллитов, средний размер которых независим от способа получения. При температуре отжига 1100 °С значения среднего размера кристаллитов различаются в три раза для
обеих порошковых систем, из чего следует, что при данной температуре порошки спекаются в
плотные поликристаллические агломераты, уменьшая тем самым удельную поверхность.
Приведенные результаты подтверждаются растровой электронной микроскопией, которая
показала, что исходный порошок глинозема представлен в виде разнообразных пористых агломератов размерами от 30 до 100 мкм, состоящих из плотных частиц с правильной огранкой.
Присутствуют также отдельные плотные частицы размерами от 5 до 30 мкм, на них отчетливо
виден развитый рельеф поверхности (рис. 4, а; б).
Исходный порошок оксида алюминия, получаемый плазмохимическим методом, состоит из агломератов пенообразной формы с гладкой поверхностью, размер которых варьирует
от десятков нанометров до десятков микрометров. Отдельных частиц не наблюдается, видны
фрагменты, как пустотелые, так и заполненные, при этом толщина стенок полых фрагментов
не превышает 10 нм (рис. 5, а; б).
Отжиг глинозема при температуре 1100 °С способствует разрушению агломератов по внутренним границам зерен (рис. 4, в), отдельные частицы также разрушаются, в них отчетливо
видна слоистая структура (рис. 4, г).
В плазмохимическом порошке Al2O3 при температуре отжига 1100 °С весь порошок находится в агрегированном состоянии. Агломераты, как и в исходном состоянии имеют пенообразную форму с гладкими фрагментами как пустотелыми, так и заполненными, их размеры
лежат в интервале от 1 до 50 мкм (рис. 5, в). Также присутствуют спекшиеся элементы размерами около 200 мкм, состоящие из плотных заполненных сферических агрегатов (рис. 5, г).
– 297 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
ɚ
ɜ
ɛ
ɝ
Рис. 4. Растровые изображения глинозема: а – исходный агломерат; б – исходная частица; в – разрушенный
агломерат в результате отжига при температуре 1100 °С; г – частица после отжига в 1100 °С
ɚ
ɜ
ɛ
ɝ
Рис. 5. Растровые изображения плазмохимического Al2O3: а и б – исходные пенообразные агрегаты и
агломераты; в и г – агрегаты и агломераты после отжига при температуре 1100 °С
– 298 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
Выводы
1. В глиноземе происходит плавный переход метастабильных фаз в стабильную ромбическую решетку в широком интервале температур, а в плазмохимическом порошке наблюдается
набор метастабильных фаз, сохраняющийся до более высоких температур, затем в узком интервале (≈1150-1200 °С) происходит резкий переход в ромбическую решетку и, по-видимому,
носит «взрывной» характер.
2. Отжиг плазмохимического порошка при температурах до 800 °C приводит к разрушению пенообразных агломератов, приводя тем самым к образованию новых поверхностей, о чем свидетельствует увеличение удельной поверхности частиц при этих температурах отжига.
3. Средний размер кристаллитов в обеих порошковых системах не зависит от способа их
получения и составляет около 25 нм, при этом значения среднего размера кристаллитов, рассчитанные по данным рентгеноструктурного анализа и из значений удельной поверхности порошков, хорошо коррелируют между собой и свидетельствуют о быстрой рекристаллизации
при температурах отжига выше 1000 °С.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ-09-01-00461 и
ФАО-5446. Авторы выражают благодарность к.т.н. И.Н.Севостьяновой за помощь при измерении удельной поверхности и центру коллективного пользования НОЦ ТГУ за предоставленный растровый электронный микроскоп Philips-505.
Список литературы
1.
Будников П.П. Новая керамика /П.П. Будников – М.: Изд-во литературы по строительству,
1969. – 435 с.
2. Степанов Е.И. Влияние добавок ультрадисперсного Al2O3 на физико-механические
свойства корундовой керамики / Е.И. Степанов, М.В. Григорьев, В.И. Кирко // Журнал
СФУ, серия «Техника и технологии». – 2008. – № 2. – С. 162–167.
3. Троицкий В.Н. Получение ультрадисперсных порошков в плазме СВЧ-разряда / В.Н. Троицкий,
В.М. Батенин, И.И. Климовский, Г.В. Лысов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – С. 175–221.
4. Шабанова Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов/ Н.А. Шабанова, В.В. Попов,
П.Д. Саркисов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – С. 82-96.
5. Троицкий В.Н. Microstructure development of Al2O3 -13 wt % TiO2 plasma sprayed coating
derived from nanocristalline powders / В.Н. Троицкий, D. Goberman, Y.H. Sohn, L. Shaw et al
// Acta. Material. – 2002. – V.50.P. – 1141-1151.
– 299 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
М.В. Григорьев, С.Н. Кульков. Фазовый состав, структура и удельная поверхность порошковых систем…
Phase Composition, Structure and Specific Surface
of Powder Systems Based on Corundum of Different Dispersity
Mihail V. Grigoriev and Sergey N. Kulkov
Institute of Strength Physics and Material Science SB RAS,
2/4 Akademicheskiy, Tomsk, 634021 Russia
It has been studied the structure, phase composition and the specific surface of alumina-based powder
systems produced by the method of thermal decomposition of hydroxide aluminum and the plasmaspray pyrolysis method. It was shown that in the coarse-grained powder the transformation to α –
form is occurred in a wide temperature range (600-1200 °C) while for a plasmochemical powder
this transition was observed in a narrow range of temperatures (1150-1200 °C) and has a sharp,
«explosive» character and is accompanied by destruction of foam-like agglomerates and an increasing
of the specific surface.
Keywords: phase transformations, nanostructure, corundum, strength.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 301-310
~~~
УДК 681.3:669.02.09
Информационно-управляющая система
процессом электролитического рафинирования меди
Д.Н. Гронь*, Б.М. Горенский
Сибирский федеральный университет,
Россия 660095, Красноярск, пр. Свободный 79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
Рассматривается актуальная прикладная задача совершенствования качества управления
процессом электролитического рафинирования меди посредством создания информационноуправляющей системы (ИУС) технологического процесса, построенной на принципах
машинной имитации. Для её решения предлагается система поддержки принятия решений на
базе компьютерного тренажёра.
Ключевые слова: система поддержки принятия решений, электролиз меди, автоматизация
управления процессом электролиза, компьютерный тренажёр.
Введение
Технологический процесс электролитического рафинирования меди является одним из
объектов, слабо поддающихся полной автоматизации. Это объясняется тем, что он относится к
сложным многосвязным процессам и сильно подвержен влиянию возмущающих воздействий.
Сущность процесса состоит в том, что аноды, отлитые после огневого рафинирования, помещают в электролизные ванны, заполненные сернокислым электролитом. Между анодами располагаются тонкие медные листы — катодные основы. При включении ванн в сеть постоянного
тока происходит электрохимическое растворение меди на аноде, перенос катионов меди через
электролит и осаждение меди на катоде. Примеси меди, содержащиеся в анодах, в основном
выпадают в шлам, а часть – переходит в электролит. Продуктами рафинирования являются
катодная медь и шлам [4].
Процесс электролитического рафинирования меди осуществляют в ваннах, изготовленных монолитно из железобетона, которые собраны в блоки по 10-20 ванн, а затем в серии, состоящие, как правило, из двух блоков [5].
Анализ уровня автоматизации процесса электролитического рафинирования меди на современных предприятиях показал, что данный процесс слабо автоматизирован, так как оснащен лишь несколькими локальными системами автоматического регулирования (САР). Причиной этого является периодичность процесса электролитического рафинирования меди и
невозможность оперативного контроля большинства технологических показателей.
*
1
Corresponding author E-mail address: dgron@sfu-kras.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 301 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
Постановка задачи создания информационно-управляющей системы
Решение задачи автоматизации процесса и улучшения технико-экономических показателей за счёт поддержания технологических параметров в заданном диапазоне может быть достигнуто как разработкой и внедрением взаимосвязанных автоматизированных систем управления, так и повышением квалификации обслуживающего персонала.
Первое направление хотя и является более эффективным, однако требует больших затрат
времени и средств и сопряжено с возможностью возникновения аварийных ситуаций при внедрении. Второе позволяет реализовать систему поддержки принятия решений (СППР) и на её
основе обучать технический персонал оперативно принимать адекватные решения по управлению. Обучение операторов и проведение исследований процесса на действующем оборудовании также может приводить к возникновению аварийных ситуаций в случае неправильного
ведения процесса электролитического рафинирования меди. Применение компьютерных тренажеров (КТ) для обучения персонала и проведения исследований технологических процессов
является более рациональным.
Для решения поставленной задачи необходимо:
• провести анализ процесса электролитического рафинирования меди;
• получить множество характеристик процесса электролиза меди;
• разработать структуру и алгоритм работы ИУС;
• разработать требования к построению компьютерных тренажёров;
• построить математическую модель процесса.
Разработка математической модели
Для построения моделей, описывающих процесс электролитического рафинирования
меди, необходимо учесть множество характеристик технологического процесса, экспериментальные данные о ходе процесса, результаты его анализа, а также требования к построению
компьютерных тренажёров и методики построения математической модели.
В качестве исходных данных для построения моделей используются экспериментальные
зависимости выходных показателей (выход по току, электрическая мощность, производительность ванны, удельная мощность) от входных показателей (химический состав анодов и электролита) и управляющих воздействий (изменение скорости циркуляции электролита и силы
тока на ванне).
По полученным массивам экспериментальных данных строились полиномиальные регрессионные уравнения с использованием Microsoft Office Excel. Выбор пакета был обусловлен
удобством использования и его мощностью. При этом менялся порядок моделей для каждой
пары параметров и подстраивались коэффициенты уравнений. Параллельно анализировали их
пригодность по корреляционному отношению η между содержанием меди и никеля в анодах,
состава электролита и скорости его подачи [6, 7].
Получены многопараметрические математические модели с использованием множественного регрессионного анализа. Например, для выхода меди по току получено уравнение (1):
KCu
Ⱥɧ
0, 4 ˜ (782, 044 0,108 D 9,113CCu
) 0,3 ˜ (134, 210 0,107 D 24, 001CNiȺɧ ) ɷɥ .
0, 2 ˜ (117,872 0,163D 0, 076CHɷɥ2.SO4 0,152CClɷɥ. 0, 008Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
)
ɷɥ .
0,1 ˜ (0, 023 0, 00009 D 0, 00009C–
˜ V ),–
Cu 302
KCu
C Ⱥɧ
CNi
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ⱥɧ
CCu
Cu
Cu
0,1 ˜ (0, 023 0, 00009 D 0, 000
ɷɥ .
Ⱥɧ
0, 2 ˜ (117,872 0,163D 0, 076CHɷɥ2.SO4 C
0,152
CClɷɥ. 0, 008Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
)
Ni
KCu
Ⱥɧ
ɷɥ .
CCu
K
0,1
˜ (0,
023
0, 00009
D 001
0, 00009
Ⱥɧ
0, 4 ˜ (782, 044 0,108 D 9,113CCu
) 0,3
˜ (134,
210
0,107
D 24,
CNiȺɧ ) CCu ˜ VCuȺɧ),
Ⱥɧ
CH 2 SO4
CCu
C
ɷɥ .
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая
0, 2 ˜ (117,872 0,163D Ni0, 076CɷɥHɷɥ. 2.SO4 0,152CClɷɥ. система
0, 008процессом
Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
) электролитического…
CH 2 SO4
CNiȺɧ
KCu
ɷɥ .
.
CHɷɥ(1)
ɋ ɷɥ.0,1 ˜ (0, 023 0, 00009 DCȺɧ0, 00009CCu ˜ V ),
SO
K
ɷɥ .Cu
Cl
Cu
2
ɷɥ.
Cl
4
Ⱥɧ
Cu
ɷɥ.
Cl
ɷɥ .
H 2 SO4
ɷɥ.
ɫɭɥɶɮɚɬɵ
где ηCu – выход по току, %; D – плотность
ɋ тока, А/м ; C – содержание никеля в анодах, %; C –
K
ɷɥ.Cu
Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
содержание
меди в анодах, %; CHɷɥ2.SO4 – содержание серной кислоты в электролите, кг/м3; ɋ –
ɷɥ.
Ⱥɧ
C
содержание хлора в электролите, г/м3; Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
– суммарное
содержание сульфатов в электролите,
CCu
Ⱥɧ
C
ɷɥ. Ni
3
ɷɥ
.
кг/м ; CCu – содержание меди в электролите,
г/л; V – скорость подачи электролита, мл/А-ч. C
ɋCl
ɷɥ.
CHɷɥ2.SO4
Используя
полученные модели, C
можно
прогнозировать
значения выходных показателей
ɋClɷɥ.
Cu
Ⱥɧ
C
ɷɥ.
I (K ,Cu
W , ɉɪ, Wɭɞ ) a0 доa1его
˜ (C
K ɡɷɥфактического
. Ki ) a2 ˜ (Wɡ окончания
Wi ) процесса
рафинирования
без отбора проб и в зависимости
от
CCu
2
Ⱥɧ
Ni
ɫɭɥɶɮɚɬɵ
ɷɥ.
, ɉɪ
, Wɭɞ )ɋClɷɥ.a0 a1 ˜ (K ɡ Ki ) a2 ˜ (Wɡ Wi ) значения
его
ведения.
a3 результата
˜ ( ɉɪɡ ɉɪi скорректировать
) a4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.iIход
);(K ,W
Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
CHɷɥ2.SO4
ɷɥ.
I (K ,W , ɉɪ, Wɭɞ ) a0 a1 ˜ (K ɡ Ki )
a3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) a4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i );
CCu
Экспериментальная
ɷɥ. часть
ɷɥ.
ɗɥ
aCu
C
ɋH 2 SO
(K , W , ɉɪ, Wɭɞ ) b0 b1 ˜ (K ɡ Ki ) b2 ˜ (Wɡ CW
3 ˜ ( ɉɪ ɡ ɉɪi ) a4 ˜ (Wɭɞ. ɡ W ɭɞ.
ɫɭɥɶɮɚɬɵ
i)
ɷɥ4.
ɋ
ɗɥ
Cl
Сучетом
особенностей
процесса
электролитического
рафинирования
меди
разработаны
(KW
,W ,ɋ),ɉɪ
, W(K), W ,aɉɪ
˜ (K
) a ˜ (Wɡ W )
W1 ɭɞ
) ɡ bK
b3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) b4 ˜ (Wɭɞ. ɡI 0 ,a
0 i b1 ˜ (2K ɡ K
i ) ib2 ˜ (Wɡ Wi ) ɭɞ.i H 2 SO4 ɭɞ
ɷɥ. рис. 1 и 2.
ɗɥ , W , ɉɪ, W )
структура ИУС и алгоритм работы,
представленные
на
I (HK
a0) ab10 ˜(Kbɡ1 ɋ
(K , W , ɉɪ
˜ (Kiɡ)
a3 ˜ ( ɉɪ
()W
a4 ˜iC
Wɭɞɭɞ..ɡi ); Wɭɞ.i ),
ɭɞ , Wɭɞ
bɡ3 ˜ (ɉɪ
ɉɪiɡ) ɉɪ
ɭɞb.4ɡ ˜(W
Cu
ɷɥ.
2 SO4
Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
ba33 ˜˜ ((ɉɪ
ɉɪɡɡ ɉɪ
ɉɪii )) ba44 ˜˜((W
Wɭɞɭɞ..ɡɡ W
Wɭɞɭɞ.i.
a1 ˜ (KW
ɡ )K
i ) a2 ˜ (Wɡ Wi ) ɋHɗɥ2 SO4 (K , W , ɉɪ, Wɭɞ ) I (bK0 ,Wb1, ɉɪ
˜ (K,ɡW
ɭɞK)i ) ab02 ˜ (W
ɷɥ.
ɡ
i CCu
ɉɪ
ɉɪi ) a4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i );
ɋHɗɥ2 SO4 (K , W , ɉɪ, Wɭɞ ) b0 b1 ˜ (K ɡ
b3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) b4 ˜ (Wa3ɭɞ˜. ɡ( Wɡɭɞ.i ),
b3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) b4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i
I (K ,W , ɉɪ, Wɭɞ ) a0 a1 ˜ (K ɡ Ki ) a2 ˜ (Wɡ Wi )ɗɥ
ɋH 2 SO4 (K , W , ɉɪ, Wɭɞ ) b0 b1 ˜ (K ɡ Ki ) b2 ˜ (Wɡ Wi ) a3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) a4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i );
b3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) b4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i ),
ɋHɗɥ2 SO4 (K , W , ɉɪ, Wɭɞ )
b0 b1 ˜ (K ɡ Ki ) b2 ˜ (Wɡ Wi ) b3 ˜ ( ɉɪɡ ɉɪi ) b4 ˜ (Wɭɞ. ɡ Wɭɞ.i ),
Рис. 1. Структура ИУС процесса электролиза: ЭЛ – электролизёр; КТ – компьютерный тренажер; СППР –
система поддержки принятия решений; ПО – программное обеспечение; МО- математическое описание;
ПОТ – пульт оператора-технолога; УОИ – устройство отображения информации; АСР – автоматические
средства регулирования; ИИС – информационно-измерительная система
На блок-схеме рис. 2 приняты следующие обозначения:
1 – начало процесса;
2 – проверка продолжительности процесса, при достижении 48 часов процесс считается
завершённым;
3 – опрос датчиков: силы тока и скорости циркуляции электролита;
4 – расчёт выходных параметров: выхода по току, производительности, мощности и удельной
мощности;
5 – проверка: находится ли содержание меди в электролите в допустимых пределах;
6 – запись в отчёт о выходе значения содержания меди в электролите за допустимые пределы;
7 – вывод сообщения о выходе значения содержания меди в электролите за допустимые
пределы;
– 303 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы ИУС
8 – проверка: находится ли содержание хлора в электролите в допустимых пределах;
9 – запись в отчёт о выходе значения содержания хлора в электролите за допустимые
пределы;
10 – вывод сообщения о выходе значения содержания хлора в электролите за допустимые
пределы;
11 – проверка: находится ли содержание сульфата меди в электролите в допустимых
пределах;
12 – запись в отчёт о выходе значения содержания сульфата меди в электролите за допустимые
пределы;
13 – вывод сообщения о выходе значения содержания сульфата меди в электролите за
допустимые пределы;
– 304 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
14 – проверка: находится ли содержание сульфата никеля в электролите в допустимых
пределах;
15 – запись в отчёт о выходе значения содержания сульфата никеля в электролите за допустимые
пределы;
16 – вывод сообщения о выходе значения содержания сульфата никеля в электролите за
допустимые пределы;
17 – запись в отчёт о выходе значения содержания серной кислоты в электролите за допустимые
пределы;
18 – проверка: находится ли содержание серной кислоты в электролите в допустимых
пределах;
19 – вывод сообщения о выходе значения содержания серной кислоты в электролите за
допустимые пределы;
20 – проверка: находится ли сила тока в допустимых пределах;
21 – запись в отчёт о выходе значения силы тока за допустимые пределы;
22 – вывод сообщения о выходе значения силы тока за допустимые пределы;
23 – проверка: находится ли скорость подачи электролита в допустимых пределах;
24 – запись в отчёт о выходе значения скорости подачи электролита за допустимые пределы;
25 – вывод сообщения о выходе значения скорости подачи электролита за допустимые
пределы;
26 – вывод рассчитанных значений на график;
27 – устраивают ли полученные значения;
28 – расчёт управляющих воздействий;
29 – применение полученных воздействий;
30 – вывод на экран отчёта о процессе электролиза;
31 – завершение процесса электролиза.
В алгоритме реализовано логическое управление, предусматривающее проверку правильности выполнения оператором последовательности операций в циклах и периодах. В случае
неверного очередного действия система предусматривает сигнализацию аварийного состояния
и запись в журнал нештатных ситуаций.
Данный алгоритм является многофункциональным и может использоваться как для исследования процесса электролитического рафинирования меди, так и для управления им.
Основой СППР является КТ, который включает в себя:
– математическую модель и программное обеспечение, описывающие функционирование технологического процесса электролитического рафинирования меди;
– системный блок ЭВМ, предназначенный для хранения исходных данных, используемых для описания процесса электролиза меди и разработанного математического и программного обеспечения, который используется для обработки вводимой информации;
– устройство отображения информации (УОИ) – монитор;
– устройство управления тренажером (УУТр) – клавиатура и мышь.
Компьютерный тренажер отвечает требованиям наглядности, многофункциональности,
информативности и эргономичности.
– 305 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
Рис. 3. Мнемосхема процесса, реализуемого на КТ
На дисплее представлена мнемосхема процесса и пульт оператора (рис. 3), на котором
устанавливаются значения основных входных и управляющих параметров, выполняемых в текущий момент времени, и графики изменения выходных параметров. Элементами управления
компьютерного тренажера являются функциональные кнопки и клавиши [1, 2].
Компьютерный тренажер позволяет имитировать и регулировать порядок действий оператора, осуществляемый при электролитическом рафинировании меди. Для этого на пульт
оператора выведена основная регулирующая и контрольно-измерительная аппаратура таких
технологических параметров, как химический состав анода и электролита, скорость подачи
электролита, сила тока и напряжение на ванне. В случае неполадок и неправильного ведения
процесса, например, превышения скорости подачи электролита, КТ выдаются соответствующие сообщения [3].
Описанная СППР может быть включена в модуль контроля и управления процессом электролиза с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик. Данный модуль позволяет выполнять более широкий круг функций по сравнению с существующими системами:
− непрерывный косвенный контроль основных параметров процесса;
− анализ влияния основных входных параметров и управляющих воздействий на показатели качества процесса электролитического рафинирования;
− обучение персонала, обслуживающего электролизёр;
− управление процессом электролитического рафинирования меди в режиме «советчика» [8, 9].
Применение КТ технологического процесса электролитического рафинирования меди позволяет более эффективно обучать персонал в сравнении с существующими методами, а раз– 306 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
работанная ИУС – улучшит технико-экономические показатели
процесса электролиза вообще Ⱥɧ
Ⱥɧ
K
0,
44 ˜˜ ((
782,
044
0,108
D
9,113
C
Ⱥɧ ) 0,3 ˜ (134, 210 0,107 D 24, 001C Ni
Ⱥɧ ) Cu
Cu
K
0,
782,
044
0,108
D
9,113
C
)
0,3
˜ (134, 210 0,107
D по24,
001C
и, в частности, стабилизировать
энергетический режим, что
выхода
току
иNi ) Cu
Cu даст увеличение
ɷɥ .
ɷɥ.
ɷɥ .
˜˜ (117,872
0,152CClɷɥ. 0, 008Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
)
ɷɥ .
снижение потерь меди
4
0,
0,со22 шламами.
(117,872 0,163
0,163D
D
0,
0, 076
076C
CHHɷɥ22.SO
SO4 0,152CCl 0, 008Cɫɭɥɶɮɚɬɵ ) ɷɥ .
ɷɥ . ˜ V ),
0,1
0,1 ˜˜ ((
0,
0, 023
023 0,
0, 00009
00009 D
D
0,
0, 00009
00009C
CCu
Cu ˜ V ),
Практическая реализация управления технологическим процессом
электролитического
KCu рафинирования меди с использованием разработанной системы
KCu
При реализации управления технологическим процессом электролиза в электролиȺɧ
C
Ⱥɧ заключается в определении управляющего воздействия, которое
зёре основная проблема
CNi
Ni
необходимо приложить к объекту управления. Расчет управляющего воздействия проȺɧ
C
Ⱥɧ
изводится при использовании
СППР, входящей в состав информационно-управляющей
CCu
Cu
системы. На первом этапе рассчитывается управляющее воздействие, а на втором этапе
ɷɥ .
C
с помощью КТ проверяется
правильность такого расчета в динамике и выполняется его
4
CHHɷɥ2.SO
SO
2
4
корректировка в случае необходимости. Расчет управляющих воздействий проводится по
ɷɥ.
ɷɥ.
основным входным ɋ
параметрам,
которые оказывают определяющее влияние на технолоCl
ɋ
Cl
гический процесс.
ɷɥ.
C
ɷɥ.
На основании уравнений,
характеризующих изменение основных выходных параметров,
Cɫɭɥɶɮɚɬɵ
ɫɭɥɶɮɚɬɵ
составлены математические модели для расчета управляющих воздействий, которые представɷɥ.
C
ляют собой систему двух
ɷɥ. уравнений. Они позволяют рассчитывать силу тока и концентрацию
CCu
Cu
серной кислоты в электролите в зависимости от прогноза изменения выходного параметра:
II ((K
K ,,W
W ,, ɉɪ
ɉɪ,, W
Wɭɞ )) aa0 a
a1 ˜˜ ((K
Kɡ K
Ki )) a
a2 ˜˜ ((W
Wɡ W
Wi )) ɭɞ
0
ɡ
1
i
. ɡ W ɭɞ.i );
a
ɉɪ
a
a33 ˜˜ (( ɉɪ
ɉɪɡɡ ɉɪii )) a44 ˜˜ ((W
Wɭɞ
ɭɞ. ɡ W ɭɞ.i );
2
ɡ
i
ɗɥ
ɋ
(K , W , ɉɪ, Wɭɞ ) bb0 b1 ˜ (K ɡ Ki ) b2 ˜ (Wɡ Wi ) 4
ɋHHɗɥ22 SO
SO4 (K , W , ɉɪ , Wɭɞ )
0 b1 ˜ (K ɡ Ki ) b2 ˜ (Wɡ Wi ) b
b3 ˜˜ (( ɉɪ
ɉɪɡ ɉɪ
ɉɪi )) b
b4 ˜˜ ((W
Wɭɞ. ɡ W
Wɭɞ.i ),
),
3
ɡ
i
4
ɭɞ. ɡ
ɭɞ.i
(2)
(3)
где индексом з обозначено заданное (предпочтительное) значение контролируемого параметра;
индексом i – текущее значение параметра, полученное с помощью системы диагностики; I –
сила тока, А; η – выход по току, %; W – мощность электролизера, Вт; Пр – производительность
электролизера, т/сут.; W уд. – мощность электролизера, удельная, кВт·ч/т.
Особенностью расчета управляющих воздействий является то, что они определяются в зависимости от отклонения прогнозируемого значения параметра от его оптимального значения.
Таким образом, использование КТ позволяет исследовать различные варианты управления
процессом и выбрать режим в наибольшей степени, отвечающий поставленным требованиям.
Рассчитанные управляющие значения целесообразно использовать для управления технологическим процессом электролиза в СППР.
Для управления процессом электролиза в настоящее время применяется одноконтурная
автоматическая система регулирования (АСР) электрическим режимом, принцип действия которой заключается в стабилизации вводимой в электролизёр силы тока на определенном, наперед заданном уровне.
Однако данная система не обеспечивает получение необходимого качества управления по
стабилизации выхода по току, так как на выход по току оказывает значительное влияние, не
компенсируемое системами управления изменения неконтролируемых автоматически параме– 307 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
92
ȘCu
91
90
89
88
Ɋɹɞ1
Ɋɹɞ2
87
86
85
84
83
00
30
t, ɦɢɧ
45
:
00
40
:
30
36
:
00
31
:
30
27
:
00
22
:
30
18
:
0
13
:
0
9:
0
4:
3
0:
0
0
82
Рис. 4. Диаграмма изменения выхода по току для различных систем управления: 1 – при обычном способе
управления; 2 – при наличии СППР
0,0515
ɉɪ, ɬ/ɫɭɬ.
0,051
0,0505
Ɋɹɞ1
Ɋɹɞ2
0,05
0,0495
0,049
t, ɦɢɧ
0,0485
Рис. 5. Диаграмма изменения производительности для различных систем управления: 1 – при обычном
способе управления; 2 – при наличии СППР
тров, а алгоритм работы системы не учитывает возможность изменения параметров и структуры систем управления.
Для устранения приведенных недостатков необходима корректировка параметров и алгоритма работы систем управления. Наиболее эффективно устранение имеющихся недостатков
возможно корректировкой управляющих воздействий с использованием системы поддержки
принятия решений.
Система работает следующим образом. Значения управляющих параметров выбирают
исходя из имеющегося опыта или рассчитывают по формулам (2, 3) для идеальных условий
функционирования процесса. Эффективность выбранного значения управляющего воздействия проверяют с помощью компьютерного тренажера посредством введения рассчитанного
управления. Если реакция КТ устраивает оператора, то выбранное управление прикладывается к реальному объекту управления. В противном случае выбор управления необходимо продолжить.
– 308 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
Наличие СППР, с помощью которой производится предварительный выбор величины и характера управляющих воздействий, приводит к тому, что качество управления
процессом значительно улучшается за счет коррекции управляющих воздействий. Это
подтверждается графиком изменения выхода по току и производительности, приведенным на рис. 4 и 5.
Анализ кривых показывает, что предварительный выбор управляющих воздействий с помощью СППР приводит к стабилизации качества управления, так как уменьшился диапазон
колебания выхода по току и производительности. Средний показатель выхода по току при этом
повышается с 87,46 до 88,99 %, а производительности – с 0,04975 до 0,04996 т/сут. Таким образом, применение СППР позволяет решить поставленную задачу – улучшить качество управления электролизом.
Заключение
Решение проблемы повышения эффективности процесса электролитического рафинирования меди достигается использованием разработанной ИУС, построенной на принципах
машинной имитации технологического процесса и системы управления. Научная новизна заключается в использовании для управления разработанного авторами компьютерного тренажера, являющегося основой СППР. Использование компьютерных тренажеров в составе СППР
позволяет эффективно обучать персонал, который в состоянии делать обоснованный выбор
управляющих воздействий.
Для реализации управления разработана методика применения компьютерных тренажёров для выбора управляющих воздействий, которые позволяют достичь высоких техникоэкономических показателей процесса электролиза. Выбирают управляющих воздействия с
помощью компьютерного тренажёра, а проверяют эффективность выбранного управления
с помощью СППР, по имеющейся математической модели процесса. Выбранное управление
переносится на реальный объект, если оно позволяет повысить показатели: выход по току и
производительность электролизёра.
Список литературы
1.
Гронь Д.Н. Компьютерный тренажер для исследования электролиза никеля / Д.Н. Гронь
// Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки
полезных ископаемых: сборник материалов Межрегиональной научно-технической
конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / сост.: В.В. Сувейзда; ГОУ ВПО
«ГУЦМиЗ». – Красноярск, 2006. – 289 с.
2. Гронь Д.Н. Компьютерный тренажер для имитирования процесса электролитического
рафинирования меди / Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский // Математические методы и
информационные технологии в экономике, социологии и образовании: Сборник работ XX
Международной научно-технической конференции. – Пенза, 2007.
3. Гронь Д.Н. Основы построения тренажеров для исследования процессов электролитического
рафинирования меди / Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский // Математические методы и
информационные технологии в экономике, социологии и образовании: сборник работ XX
Международной научно-технической конференции. – Пенза, 2007.
– 309 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Д.Н. Гронь, Б.М. Горенский. Информационно-управляющая система процессом электролитического…
4. Баймаков Ю.В. Электролиз в гидрометаллургии / Ю.В. Баймаков, А.И. Журин. – М.:
Металлургия, 1977. – 335 с.
5. Береговский В.И. Металлургия меди и никеля / В.И. Береговский, Б.Б. Кистяковский. – М.:
Металлургия, 1971. – 456 с.
6. Бледнов Б.П. Расчеты по металлургии меди и никеля: учебное пособие / Б.П. Бледнов, В.Е.
Дульнева. – Красноярск: ГУЦМиЗ, 2004. – 120 с.
7. Зотков О.М. Электроосаждение меди: технико-экономический аспект. Ч.1. Теория и
практика электроосаждения меди: монография / О.М. Зотков; Краснояр. ун-т. – Красноярск,
1992. – 200 с.
8. Горенский Б.М. ЭВМ в управлении технологическими процессами: учеб. пособие / Б.М.
Горенский, А.А. Буралков, В.А. Казинникова. – Красноярск: ГАЦМиЗ, 1998. – 184 с.
9. Лапаев И.И. Автоматизация технологических процессов металлургических предприятий:
уч.-метод. пособие / И.И. Лапаев, А.А. Буралков. – Красноярск: ГАЦМиЗ, 1998. – 136 с.
Information-operating System Process
of Electrolytic Refinement of Copper
Dmitry N. Gron and Boris M. Gorensky
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The article considers the actual applied problem of control quality perfection of technological process
by creation and application of information-operating system by the process of electrolytic refinements
of copper created on the principles of machine imitation of technological process and control systems.
There have been offered methods of support system of decision-making on the basis of computer
training apparatus.
Keywords: Support system of decision-making, electrolysis of copper, automation of electrolysis
control, a computer training apparatus.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 311-317
~~~
УДК 615.47:681.2
Индекс эффективности коррекции
функционального состояния организма
Г.М. Алдонин, С.П. Желудько*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
Достоверные оценки эффективности коррекции функционального состояния организма (ФСО)
в лекарственной терапии, психотерапии, бальнеологии и физиотерапии, при физической
нагрузке и т.п. должны обеспечить оперативный контроль и качественную дозировку
воздействий и своевременно исключить возможные неблагоприятные последствия.
Ключевые слова: спектральный анализ, регуляторные циклы, гомеостаз, индексы ФСО, ВСРдиагностика.
Метрологическое качество оценок ФСО при длительном мониторинге требует более корректного использования существующих структурных показателей и разработки новых. В медицинской практике недостаточно корректных количественных оценок ФСО при различных
лекарственных, бальнеологических и других воздействиях.
Спектральный анализ широко используется в современных средствах мониторинга, в
частности при анализе вариабельности сердечного ритма. Изучение данных спектрального
анализа по­могает количественно оценивать уровень пара- и симпатических влияний у обследуемого человека.
В спектре кардиоритма различают три главных спектральных компонента: инфранизкочастотного – ULF (ОНЧ), низкочастотного – LF (НЧ) и высокочастотного – HF (ВЧ).
Распределение мощности и центральная частота каждого компонента не фиксированы, а
могут варьировать в связи с изменениями автономных модуляций сердечного ритма [1].
Это можно объяснить реакцией регуляторных систем организма на воздействие какихлибо процедур.
Спектральный анализ может использоваться и для анализа последовательности RRинтервалов за весь 24-часовой период; в этом случае наряду с ОНЧ, НЧ и ВЧ компонентами
будет получен и ультранизкочастотный (УНЧ) компонент спектра.
На рис. 1 приведены результаты исследований с помощью аппаратно-программного комплекса (АПК), разработанного на кафедре «Приборостроение и телекоммуникации» в составе
полифункционального рекордера МКМ-08 и ППП «KSRG» и «Диагностика» как пример изучения динамики изменения частотных параметров сигнала на временном интервале.
*
1
Corresponding author E-mail address: zheludko@trk7.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 311 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Кардиоинтервалограмма и динамика спектральной плотности мощности
Рис. 2. КИГ до (а) и во время психоэмоциональной коррекции (б)
Рис. 3. Кардиоспектрограмма до (а) и во время психоэмоциональной коррекции (б)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.М. Алдонин, С.П. Желудько. Индекс эффективности коррекции функционального состояния организма
Таблица 1. Экспериментальные данные по психоэмоциональной коррекции
Номер
моды
До коррекции
Матрица мод
Во время коррекции
СПМ
Матрица мод
СПМ
1
2
3
4
5
1
0,05
145
0,05
1270
2
0,08
172
0,09
421
3
0,12
306
0,13
434
4
0,14
83
0,15
345
5
0,16
147
0,17
318
6
0,17
33
0,18
334
7
0,19
57
0,20
490
8
0,21
42
0,21
282
9
0,23
53
0,25
341
10
0,25
30
0,27
442
Сумма
1068
ИЭ
4677
4.37
Соотношение спектральных плотностей мощности (СПМ) КИГ по этим диапазонам используется в диагностике по вариабельности сердечного ритма (ВСР) как индикатор нормы и
патологии [1]. В медицинской практике используются количественные оценки функционального
состояния в виде так называемых индексов – индекс напряженности функциональных систем
Р. М. Баевского (ИН), индекс лабильности Введенского (ИЛ) и т.д. В данной работе аналогично
предлагается индекс эффективности (ИЭ) как достоверная количественная оценка реакции регуляторных систем организма на воздействие каких-либо процедур, например, для своевременного
контроля и дозировки бальнео-, физио- и других терапевтических воздействий.
Достоверные оценки эффективности коррекции функционального состояния организма в
лекарственной терапии, психотерапии, бальнеологии и физиотерапии, при физической нагрузке и т.п. должны обеспечить оперативный контроль и качественную дозировку воздействий и
своевременно исключить возможные неблагоприятные последствия.
Предлагаемая процедура оценки реакции организма на какие-либо воздействия заключается в следующем: на определенных временных интервалах снятия кардиоинтервалограммы
(КИГ) – до воздействия, во время воздействия и после воздействия снимается спектр КИГ. При
этом разность спектральных плотностей мощности (СПМ) КИГ отражает силу воздействия
на организм, а отношение спектральных плотностей мощности соответствующих интервалов
КИГ может служить индексом эффективности (ИЭ) воздействия на перестройку функциональных систем [2].
ИЭ может определяться дифференцированно в заданных полосах спектра, соответствующих определенным регуляторным циклам, в частности как для стандартных диапазонов (инфранизкочастотного – ULF, низкочастотного – LF и высокочастотного – HF), так и для отдельных физиологических циклов.
Интегральное отношение спектральных плотностей мощности S1(f) и S2(f) соответствующих интервалов КИГ как индекс эффективности (ИЭ) (рис. 3) обеспечивает корректную ко– 313 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. СПМ (а) до (1) и во время (2) психоэмоциональной коррекции. Спектральный эффект
коррекции (б)
Рис. 5. ИЭ и сравнительная оценка СПМ в VLF, LF и HF диапазонах при психоэмоциональной
коррекции
Рис. 6. Эффект систематической перестройки мод спектра кардиоритма под влиянием психоэмоциональной
и бальнеологической коррекции
Рис. 7. Кардиоинтервалограмма до сеанса (а) и после сеанса (б) в галокамере
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 8. СПМ до сеанса (а) и после (б) в галокамере
Рис. 9. ИЭ и сравнительная оценка СПМ в VLF, LF и HF диапазонах
Рис. 10. Кардиоинтервалограмма до сеанса (а) и после сеанса (б)
Рис. 11. СПМ до сеанса (а) и после (б)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.М. Алдонин, С.П. Желудько. Индекс эффективности коррекции функционального состояния организма
Рис. 12. ИЭ и сравнительная оценка СПМ в VLF, LF и HF диапазонах при психоэмоциональной
коррекции
личественную оценку эффективности воздействия терапии на перестройку функциональных
систем:
ИЭ = S1(f)/ S2(f).
Под влиянием различных факторов «стационарно-равновесное» состояние организма нарушается, и его дальнейшее состояние зависит от результата взаимодействия условий окружающей среды и внутренних резервов организма.
В ходе экспериментов обнаруживается нетривиальный эффект согласованной перестройки мод спектра кардиоритма под влиянием психоэмоциональной и бальнеологической коррекций (например, при процедурах в галокамере с музыкальным сопровождением) (рис. 6).
Можно предположить, что это объясняется процессами самоорганизации гомеостаза при
активизации регуляторных систем организма под воздействием процедур, что в данных случаях выявляет согласованный положительный эффект коррекции на вегетативные и гуморальные регуляторы при участии центральной нервной системы.
Достоверные оценки эффективности коррекции функционального состояния организма в
лекарственной терапии, психотерапии, бальнеологии и физиотерапии, при физической нагрузке и т.п. должны обеспечить оперативный контроль и качественную дозировку воздействий и
своевременно исключить возможные неблагоприятные последствия.
Поскольку центральная нервная система более оперативна, то в спектре кардиоритма
она отражается в высокочастотном диапазоне (HF). Гуморальная регуляция осуществляется
за счет транспорта кровотоком продуктов деятельности секреторных систем, что определяет
более длительные циклы регуляции, что отражается в низкочастотном спектре кардиоритма
(LF). И еще более длительные циклы (ULF) определяются влиянием экосферы (солнечная активность земли, магнитное поле, атмосферное давление).
Выводы
Важными инженерно-техническими задачами являются автоматизация рутинных процедур, расширение функциональных возможностей диагностики, разработки средств корректной
количественной оценки состояния ФСО. Для оценки эффективности воздействия на организм
сформулирован индекс эффективности (ИЭ) – отношение спектральных плотностей мощности
на определенных временных интервалах кардиоинтервалограммы (КИГ) – до воздействия, во
время воздействия и после воздействия.
– 316 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.М. Алдонин, С.П. Желудько. Индекс эффективности коррекции функционального состояния организма
Список литературы
1.
Вариабельность сердечного ритма. Стандарты измерения, физиологической интерпретации
и клинического использования / Рабочая группа Северо-Американского общества
стимуляции и электрофизиологии. – СПб.: Институт кардиологической техники, 1977. –
64 с.
2. Алдонин Г.М. Робастность в природе и технике / Г.М. Алдонин. – М.: Радио и связь, 2003.
Module Evaluation of the Effectiveness
of Correcting the Functional State of the Organism
Gennady M. Aldonin and Sergey P. Zheludko
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Reliable evaluation of the effectiveness of correcting the functional state of the organism in drug
therapy, psychotherapy, physiotherapy and balneology, physical stress, etc. have to ensure operational
control and quality of dose effects and to avoid possible adverse effects.
Keywords: Spectral analysis, regulatory loops, homeostasis, HRV, HRV-diagnostics.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 318-333
~~~
УДК 69.338.5
Инновационные исследования
по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Г.В. Фадеева*
ЗАО СРЦЦС,
Россия 644043, Омск, ул. Октябрьская, 33 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
В статье опубликованы основные положения при расчете величины оплаты труда при
определении сметной стоимости в строительстве, основанные на статистических и
практических показателях строительно-монтажных организаций Сибири и Крайнего Севера.
Одной из основных ошибок, допускаемых в сметных расчетах, является нарушение порядка
определения величины фонда оплаты труда. Приведенные цифровые значения позволяют
найти не только теоретический, но и практический подход к расчету оплаты труда.
Сравнительный анализ показателей ранее не публиковался в печати. Приведенные расчеты
позволяют с наибольшей точностью определить фонд оплаты труда, который является
базовой величиной при исчислении накладных расходов и сметной прибыли и минимизировать
затраты производства строительных работ.
Ключевые слова: оплата труда, строительство, рабочий, анализ, смета.
Введение
Методология определения расходов на оплату труда рабочих строительных специальностей основывается на тарифах, разрядах работы, с учетом условий выполнения работ и существующего налогообложения. Затраты на оплату труда определяются с учетом стимулирующих, компенсирующих и других выплат за выполняемую работу.
Порядок определения размера оплаты труда рабочих-строителей изложен в Методических
указаниях по определению средств на оплату труда в договорных ценах и сметах на строительство и оплату труда работников строительно-монтажных и ремонтно-строительных организаций (МДС 83-1.99), действующих с 2000 г.
Основные методы определения размера средств на оплату труда в договорных ценах и
сметах на строительство рекомендованы Методическими указаниями по определению стоимости строительной продукции на территории Российской Федерации, введенными в действие
постановлением Госстроя России от 05.03.2004г. № 15/1.
Порядок составления расчетов размера средств на оплату труда для учета в сметах
и договорных ценах на строительную продукцию (работы, услуги) зависит от метода
определения сметной стоимости строительно-монтажных работ, наличия исходной ин*
1
Corresponding author E-mail address: mail@srccs.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 318 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
формации в конкретной строительно-монтажной организации, а также статистических
данных.
При любом из применяемых методов расчета стороны, заключающие договор подряда,
должны руководствоваться общими законодательными и нормативными правовыми актами, а
также использовать единую нормативно-расчетную базу.
В целях стимулирования повышения профессионального мастерства рабочих и усиления
их материальной заинтересованности и ответственности за качество работ и выполнение производственных заданий могут устанавливаться надбавки к тарифным ставкам за профессиональное мастерство рабочим 3 разряда в размере до 12 %, 4-го разряда – 16 %, 5-го разряда –
20 %, 6-го разряда – 24 % от соответствующей тарифной ставки.
Анализ оплаты труда
в строительстве
Для определения средневзвешенной надбавки за профессиональное мастерство рабочих
проведено исследование сметной стоимости трех жилых домов и трех объектов дорожного
строительства в г. Омске.
Средневзвешенная надбавка, связанная с тяжелыми и вредными условиями труда, принята в размере 3,6 %, для дорожного строительства – 5 %.
Фактически сложившийся средний разряд при выполнении строительно-монтажных и
ремонтно-строительных работ – 4-й, при дорожном строительстве – 3-й.
При расчете стоимости 1 маш/часа строительных машин к средней оплате труда рабочих
6 разряда применяются повышающие коэффициенты согласно таблице.
При формировании территориальных единичных расценок в базисном уровне цен по состоянию на 01.01.2000 г. размер оплаты труда для каждого территориального района определялся индивидуально согласно приведенным данным в табл. 1.
В каждом регионе размер оплаты труда для 1-го разряда в базовом уровне цен принимается по решению администраций субъектов Федерации и имеет существенные различия:
Размер оплаты труда рабочих-строителей 1-го разряда, принятый на 01.01.2000 г. по регионам:
• Омская область – 821,67 руб. без учета районного коэффициента – 1, 15;
• Ханты-Мансийский АО – 3757 руб. с учетом районного коэффициента – 1,7 и с учетом
дополнительных надбавок;
• Чукотский АО – 1026 руб. без учета районного коэффициента – 2 и без учета дополнительных надбавок;
• Магаданская область – 1440 руб. с учетом районного коэффициента – 1,7, но без учета
дополнительных надбавок;
• г. Красноярск и Красноярский край – 1373,14 руб. без учета районного коэффициента и
без учета дополнительных надбавок;
• Таймырский АО – 2997,02 руб. без учета районного коэффициента – 1,7 , но с учетом
дополнительных надбавок;
• Эвенкийский АО – 2885,82 руб. с учетом районного коэффициента – 1,6 и с учетом дополнительных надбавок.
– 319 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1. Данные показателей оплаты труда рабочих-строителей, занятых на строительных работах в
ценах по состоянию на 01.01.2000 г. для районов Сибири и Крайнего Севера и районов, приравненных к
ним, руб.
Квалификационный разряд
рабочих строителей
1
2
3
4
5
6
г. Омск
Показатели оплаты труда в месяц
821,67
889,86
974,69
1099,44
1265,77
1475,34
Показатели часовой оплаты труда
4,94
5,35
5,86
6,61
7,61
8,87
г. Красноярск
Показатели оплаты труда в месяц
1373,14
1489,86
1634,04
1840,01
2114,64
2471,65
Показатели часовой оплаты труда
8,26
8,96
9,83
11,01
12,72
14,87
Эвенкийский АО (Илимпийский район)
Показатели оплаты труда в месяц
2885,82
3131,11
3434,13
3867,00
4444,16
5194,48
Показатели часовой оплаты труда
17,36
18,83
20,66
23,26
26,73
31,24
Эвенкийский АО (Байкитский и Тунгусско-Чунский районы)
Показатели оплаты труда в месяц
2206,72
2394,29
2626,00
2957,00
3398,35
3972,10
Показатели часовой оплаты труда
13,27
14,40
15,80
17,79
20,44
23,89
Таймырский АО
Показатели оплаты труда в месяц
2997,02
3251,77
3566,45
4016,01
4615,41
5394,64
Показатели часовой оплаты труда
18,03
19,56
21,45
24,16
27,76
32,45
Чукотский АО
Показатели оплаты труда в месяц
1026,14
1113,05
1217,41
1374,00
1582,72
1843,56
Показатели часовой оплаты труда
6,17
6,69
7,32
8,26
9,52
11,08
г. Магадан
Показатели оплаты труда в месяц
1440,00
1562,40
1713,60
1929,60
2217,60
2592,00
Показатели часовой оплаты труда
8,66
9,40
10,31
11,61
13,34
15,59
Ханты-Мансийский АО
Показатели оплаты труда в месяц
3757
4076
4457
5035
5786
6763
Показатели часовой оплаты труда
22,59
24,51
26,80
30,28
34,79
40,66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Переход от 1-го разряда к последующим осуществляется расчетным путем, на основании
действующих тарифных коэффициентов (отношение тарифных ставок соответствующих разрядов к тарифной ставке 1-го разряда).
В текущем уровне цен размер средств на оплату труда в составе сметных прямых затрат
может быть определен различными методами, из которых можно выделить два основных.
Метод 1. Базисно-индексный. Средства на оплату труда определяются с использованием
индекса (коэффициента) по статье «оплата труда рабочих» к базисному (2000 г.) уровню:
Зт = (Зр+Зм) ∙ Из
где Зт – оплата труда рабочих-строителей и машинистов (или по отдельности) в текущем
уровне цен в составе сметных прямых затрат;
Зр – оплата труда рабочих-строителей по итогу прямых затрат сметы или раздела в базисном уровне цен;
Зм – оплата труда машинистов по итогу прямых затрат сметы или раздела в базисном
уровне цен;
Из – индекс текущего отношения оплаты труда к базисному уровню.
Индексы текущего отношения оплаты труда к базисному разрабатываются на местах органами по ценообразованию – региональными центрами по ценообразованию в строительстве,
межведомственными комиссиями. Индекс по оплате труда может быть разработан индивидуально и согласован с заказчиком. Для этого стороны согласуют месячный размер оплаты труда
рабочих для включения в сметы, а для расчета индекса – делят его на базисный месячный
уровень оплаты труда, учтенный при разработке местных расценок:
Из.инд = Зт.факт : З т.баз,
где Из.инд – индивидуальный индекс текущего отношения оплаты труда к базисному уровню;
Зт.факт – фактический месячный уровень оплаты труда рабочих в текущем уровне цен по отчетным и статистическим данным или по согласованию сторон;
Зт.баз – базисный месячный уровень оплаты труда рабочих в ценах на 01.01.2000 г.
Следует учесть, что месячный размер оплаты труда рабочих для включения в сметы должен учитывать выплаты в составе Фонда оплаты труда (дополнительные отпуска, выслугу лет,
аккордную оплату труда), а также дополнительную заработную плату рабочих. При использовании отчетных и статистических данных предприятий о средней оплате труда рабочих указанные выплаты в них уже учтены.
В составе затрат на оплату труда рабочих отражаются все расходы по оплате труда производственных рабочих, включая рабочих, не состоящих в штате, и линейного персонала, при
включении его в состав работников бригад (участков) непосредственно на строительных работах, а также рабочих, перемещающих материалы и оборудование в пределах рабочей зоны и от
приобъектного склада до места укладки или монтажа.
В указанных статьях не отражается оплата труда рабочих вспомогательных производств,
обслуживающих и прочих хозяйств строительной организации, рабочих, занятых на нескольких работах (включая работы по возведению временных зданий и сооружений), и других работах, осуществляемых за счет накладных расходов (благоустройство строительных площадок,
– 321 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
подготовка объектов к сдаче в эксплуатацию и т.п.), а также оплата труда рабочих, занятых
погрузкой и доставкой материалов до приобъектного склада.
Метод II. Ресурсный. Основан на использовании показателей нормативной трудоемкости
(«Затраты труда рабочих-строителей, всего»), выделяемой в составе итогов прямых затрат по
смете или разделу:
Зтр= Тр ∙ Тст,
где Зтр – оплата труда рабочих-строителей в текущем уровне цен в составе сметных прямых
затрат, руб.;
Тр – показатель нормативной трудоемкости (затраты труда рабочих-строителей, всего), выделяемой в составе итогов прямых затрат, чел-час;
Тст – текущая тарифная ставка оплаты труда рабочих, соответствующая средней нормативной разрядности работ по итогу сметы или раздела сметы, руб/чел.-час.
Показатель нормативной трудоемкости Тр выделяется в сметах или ее разделах по итогу
прямых затрат путем суммирования трудоемкости работ по позициям сметы (определяется по
элементным нормам (при ресурсном методе) или расценкам и объему работ измерителю).
Показатель среднего нормативного разряда работы определяется как средневзвешенная
величина разрядов работ, включенных в локальную ресурсную ведомость, по итогу показателя
«Трудовые ресурсы» (при ресурсном методе составления смет), или путем деления показателя
оплаты труда рабочих-строителей в составе сметных прямых затрат в базисном уровне цен
2000 г. на затраты труда рабочих-строителей по итогу прямых затрат.
В первом случае средневзвешенная величина разрядов работ определяется по формуле
( ∑ Трп х Ср)/Тр,
где Трп – трудоемкость работ по позиции сметы;
Ср – средний разряд работы по позиции сметы (принимается из таблиц элементных сметных норм);
Тр – показатель нормативной трудоемкости (затраты труда рабочих-строителей, всего), выделяемой в составе итогов прямых затрат (сумма по всем позициям сметы).
Во втором случае полученный средний базисный тариф оплаты труда 1 чел.-часа сравнивается с базисной тарифной сеткой оплаты труда с целью выявления соответствующего разряда.
Например:
• затраты труда рабочих-строителей, всего (по итогу сметных затрат сметы или раздела) – 75,17 чел.-час;
• оплата труда рабочих-строителей (по итогу сметных прямых затрат сметы или раздела)
в базисном уровне цен – 899,03 руб.
Средний базисный тариф оплаты труда 1 чел.-часа составляет:
899,03 руб/75,17 чел.-час. = 11,96 руб/чел.-час.
Сравниваем с тарифными ставками по таблице. Ближайший разряд равен 4,1.
Итак, средний разряд ставки оплаты труда рабочих Тст по разрядам может быть принят:
– 322 –
166
166
166
166
14599
16500
18660
21079
126,98
112,41
99,40
87,95
67,65
52,04
4
Часовая тарифная ставка
с учетом районного
коэффициента 1,15, руб.
18329
16226
14348
12695
9766
7512
5
110,42
97,75
86,43
76,48
58,83
45,25
6
Размер оплаты труда
Часовая тарифная ставка
в месяц без учета
без учета
районного коэффициента, районного коэффициента,
руб.
руб.
Наименование
Оплата труда рабочих по среднему разряду 1.0
Оплата труда рабочих по среднему разряду 2.0
Оплата труда рабочих по среднему разряду 3.0
Оплата труда рабочих по среднему разряду 4.0
Оплата труда рабочих по среднему разряду 5.0
Оплата труда рабочих по среднему разряду 6.0
Код ресурса
ЗПТ-0010
ЗПТ-0020
ЗПТ-0030
ЗПТ-0040
ЗПТ-0050
ЗПТ-0060
чел.-час
чел.-час
чел.-час
чел.-час
чел.-час
чел.-час
Ед. изм.
8,87
7,61
6,61
5,86
5,35
4,94
Тарифная ставка, руб.
Таблица 3. Основные показатели тарифных ставок оплаты труда в строительстве, установленные для рабочих при нормальных условиях труда по состоянию на
1 января 2000 г. для Омской области
166
11230
3
166
1
Количество
рабочих часов
в месяц
8639
2
Разряд работы
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 1.0
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 2.0
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 3.0
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 4.0
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 5.0
Оплата труда рабочих
по среднему разряду 6.0
Размер оплаты труда
в месяц
с учетом районного
коэффициента 1,15, руб.
Таблица 2. Основные показатели размера оплаты труда в строительстве по состоянию на IV квартал 2008 г. для Омской области
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
• на основании средних сметных (территориальных) текущих тарифных ставок оплаты
труда рабочих по разрядам, определенных органом по ценообразованию;
• на основании индексации базисных тарифных ставок оплаты труда рабочих по разрядам, если текущие тарифные ставки оплаты труда на местах не определяются;
• на основании индивидуальных текущих тарифных ставок оплаты труда.
Расчет индивидуальных текущих тарифных ставок оплаты труда выполняется следующим образом:
• определяется индивидуальный индекс текущего отношения оплаты труда к базисному
уровню или фактический месячный уровень оплаты труда рабочих в текущем уровне
цен по отчетным и статистическим данным либо по согласованию сторон;
• определяется фактическая (согласованная) часовая тарифная ставка рабочего-строителя
по формуле
Зт.факт /166 час,
где Зт.факт – фактический месячный уровень оплаты труда рабочих в текущем уровне цен по
отчетным и статистическим данным или по согласованию сторон;
166 – среднегодовое нормативное количество рабочих часов в месяц (приведено на
2004 г.).
Полученная фактическая часовая тарифная ставка соответствует среднему разряду:
• при новом строительстве и реконструкции – 3,7-4,0;
• при ремонтно-строительных работах – 4,0-4,3;
• в среднем по строительству – 4,0.
На основе тарифных коэффициентов определяются текущие часовые тарифные ставки
по разрядам: по состоянию на IV квартал 2008 г. – табл. 2., а по состоянию на 01.01.2000 г. –
табл. 3.
Согласованный комиссией по ценообразованию при Правительстве Омской области среднемесячный размер оплаты труда в IV квартале 2008 г. для рабочего 4-го разряда составляет при выполнении строительно-монтажных и ремонтных работ – 16500 руб., при дорожном
строительстве – 14601,0 руб.
При формировании оплаты труда тарифные ставки по квалификационным разрядам формируются с учетом тарифного коэффициента от 1-го к 4-му разряду с применением коэффициента 1,91. Где 1,91 – тарифные коэффициенты для Омской области приняты решением комиссии по ценообразованию и соответствуют размеру в табл. 3.
Динамика изменения часовой тарифной ставки рабочего 4-го разряда показана на рис. 1.
На основании Методических рекомендаций Госстроя РФ по определению размера средств
на оплату труда (МДС 83-1.99), п. 3.5, и по согласованию подрядчика с заказчиком устанавливаются надбавки за тяжелые и вредные условия труда.
Размер доплат за тяжелые и вредные условия труда определен исходя из анализа стоимости строительно-монтажных и ремонтных работ, дорожного строительства по сметной трудоемкости 3-х объектов строительства по каждому из видов.
Размеры повышения по отношению к тарифной ставке рабочего 1-го разряда приведены в
табл. 4. Тарифные ставки действуют с 1 января 2008 г.
– 324 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Рис. 1. Динамика изменения часовой тарифной ставки рабочего 4-го разряда (руб.) в Омской области
Рабочее время в месяц при 40-часовой рабочей неделе: 166,0 часов.
Для сравнения приводится анализ расчетных тарифных ставок за период 2000-2008 гг. по
Омской области (табл. 5).
Оплату труда машинистов необходимо определять на основе данных по оплате труда машинистов, учтенных в стоимости 1 маш.-час эксплуатации строительных машин.
Действующим законодательством о труде предприятиям и организациям предоставлено
право самостоятельно определять и фиксировать в коллективных договорах и других локальных нормативных актах вид, систему оплаты труда, размеры тарифных ставок, окладов, премий и поощрений, а также соотношение в их размерах между отдельными категориями работников. Решением этих вопросов в строительных организациях обусловливается размер средств
на оплату труда, включаемых в договорные цены и сметы на строительство.
Размер средств на оплату труда или способы их определения рекомендуется устанавливать
в договоре подряда по взаимному соглашению сторон (подрядчика и заказчика, генподрядчика
и субподрядчика и т.п.). При этом могут быть использованы отраслевые, региональные и иные
соглашения, а также коллективные договоры, разрабатываемые и заключаемые в соответствии
с законами Российской Федерации.
При определении размера средств на оплату труда необходимо учитывать районные коэффициенты к заработной плате (если они не были учтены в средней заработной плате), ко– 325 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Таблица 4. Тарифные ставки по квалификационным разрядам, связанные с тяжелыми и вредными условиями труда, внедрены в строительстве Омской области
Показатели
Тарифный коэффициент
Значение показателей по разрядам
1
2
3
4
5
6
1,00
1,3
1,69
1,91
2,16
2,44
При строительстве и ремонте – надбавка 3,6 %
Часовая тарифная ставка с учетом надбавки за
тяжелые условия труда 1,036 в руб.
Расчетная оплаты труда в месяц с учетом
надбавки за тяжелые условия труда 1,036 в
руб.
53,91
87,95
91,12
102,98
116,46
131,55
8 949
14 600
15 126
17 095
19 332
21 837
Средневзвешенный разряд рабочих
4
При дорожном строительстве – надбавка 5,0 %
Часовая тарифная ставка, с учетом надбавки
за тяжелые условия труда 1,05 в руб.
Расчетная оплата труда в месяц надбавки за
тяжелые условия труда 1,05 в руб.
54,01
71,03
92,35
104,37
118,03
133,33
9 070
11 791
15 330
17 325
19 593
22 133
Средневзвешенный разряд рабочих
3
торые являются надбавками в процентах к заработной плате, компенсирующими рабочим и
служащим различия в вещественном составе потребления из-за тяжелых природных условий
и стоимости жизни населения по районам страны.
Районные коэффициенты не образуют новых тарифных ставок и должностных окладов и
применяются по месту фактической работы.
Определенный письмом Минрегиона России от 14.10.08 г. № 26064-СК/08 индекс удорожания оплаты труда в IV квартале 2008 г. для Красноярского края (1-я зона) составляет – 6,71.
Согласно приведенному анализу расчетный уровень оплаты труда составит:
для г. Красноярска: (1 840,01 + 1 840∙0,3 + 1 840∙0,3) ∙ 6,71 = 19 754 руб.
где 30 % – районный коэффициент, 30 % – северная надбавка;
Для Эвенкийского АО:
(Илимпийский район) – 3 867,0 ∙ 6,71 = 25 948 руб.
Для Таймырского АО: (4 016 + 4 016 ∙ 0,7 + 4 016 ∙ 0,8) ∙ 6,71 = 67 368 руб.
Для г. Норильска:
(1 840 + 1 840 ∙ 0,8 + 1 840 ∙ 0,8) ∙ 6,71 = 22 224 руб.
Фактический индекс изменения оплаты труда основных рабочих на IV квартал 2008 г. составил
К = 6,44 для г. Красноярска (1-я зона) по данным Филиала ФГУ «ФЦЦС» по Красноярскому краю,
Информационные материалы для строителей, выпуск 4.4.2008, IV квартал 2008 г., раздел 1.3.3.
Среднемесячная оплата по Красноярскому краю по состоянию на IV квартал 2008 г. составляет:
г. Красноярск (1-я зона) - 18 944 руб.
г. Норильск
- 34 099 руб.
– 326 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Таблица 5. Расчетные тарифные ставки основных категорий рабочих в текущем уровне цен за период
2000-2008 гг.
Период
Значение показателей по разрядам, руб.
Индекс к
2000 г.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
7
8
IV квартал 2000 г.
7,41
8,34
9,39
10,57
11,86
13,37
1,39
I квартал 2001 г.
9,73
12,65
16,44
18,59
21,02
23,74
2,45
IV квартал 2002 г.
13,91
18,09
23,52
26,58
30,06
33,95
3,50
II квартал 2003 г.
15,10
19,63
25,51
28,83
32,61
36,84
3,78
IV квартал 2003 г.
17,35
22,55
29,32
33,13
37,47
42,33
4,35
I квартал 2004 г.
20,38
26,49
34,44
38,92
44,02
49,72
5,14
IV квартал 2004 г.
23,51
30,57
39,71
44,91
50,79
57,37
5,93
I квартал 2005 г.
23,80
30,94
40,22
45,46
51,41
58,07
5,98
I квартал 2006.г.
26,97
35,06
45,58
51,52
58,26
65,81
6,77
IV квартал 2006 г.
31,73
41,25
53,63
60,61
68,54
77,42
7,97
II квартал 2007 г.
34,80
45,24
58,81
66,47
75,16
84,91
8,74
III квартал 2007 г.
41,13
53,46
69,50
78,55
88,83
100,35
10,33
IV квартал 2007 г.
47,45
61,69
80,19
90,63
102,50
115,78
11,92
IV квартал 2008 г.
52,04
67,65
87,95
99,40
112,41
126,98
13,08
Примечание. Расчетные тарифные ставки при 40-часовой рабочей неделе в текущем уровне цен приведены с
учетом районного коэффициента К = 1,15.
Эвенкийский АО
- 38 267 руб.
Таймырский АО
- 34 099 руб.
Приведенные данные подтверждают, что на федеральном уровне необходимо публиковать
данные по среднему уровню оплаты труда по регионам в разрезе зонального распределения.
В Омской области применяется в расчетах в основном базисно-индексный метод, т.е. базисный уровень оплаты труда составляет 1099,44 руб.
На основании методологии, разработанной Сибирским РЦЦС, начиная с 1991 г. учитывается размер оплаты труда при расчете сметной стоимости строительства, утверждаемый ежеквартально комиссией по ценообразованию при правительстве Омской области.
До 2002 г. имелись небольшие расхождения между расчетной величиной оплаты труда и
достигнутой по данным статистического управления, начиная с 2002 г. расхождения отсутствуют, что подтверждается практическим внедрением методологии по определению сметной
стоимости оплаты труда.
Взамен усредненных статистических данных за прошлый период автором предлагается
методология определения затрат труда на основе трудоемкости по объектам.
– 327 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Методологический подход к определению
нормативной трудоемкости строительно-монтажных работ
Методология включения в состав сметной документации нормативной трудоемкости и
заработной платы рабочих строительных специальностей исследована для включения в объектные и локальные сметные расчеты. Исследования содержат положения, которыми следует
руководствоваться при составлении сметной документации на строительство, реконструкцию
и капитальный ремонт предприятий, зданий и сооружений для выделения в ней:
• показателя нормативной трудоемкости строительно-монтажных работ (затрат труда
рабочих, занятых на строительных, ремонтно-строительных и монтажных работах);
• сметной заработной платы рабочих, занятых на строительных, ремонтно-строительных
и монтажных работах.
Нормативная трудоемкость и сметная заработная плата выделяются в локальных и объектных сметных расчетах и сметах, составляемых при разработке проектов, рабочих проектов
и рабочей документации.
Нормативная трудоемкость, выделяемая в локальных и объектных сметах и сметных расчетах, отражает количество труда рабочих (в чел.-час), которое по сметным нормам должно затрачиваться на выполнение соответствующих строительных, ремонтно-строительных и монтажных работ и определяется по формуле
Т = Тпр + Тнр + Твр + Тзу +Т п,
где Т – нормативная трудоемкость, выделяемая в объектной смете;
Тпр – нормативная трудоемкость работ, в прямых затратах;
Тнр – нормативная трудоемкость работ, учтенная накладными расходами;
Твр – нормативная трудоемкость работ по возведению титульных временных зданий и
сооружений;
Тзу – нормативная трудоемкость работ, учтенная в зимних удорожаниях;
Тп – нормативная трудоемкость работ, учтенная в других начислениях на строительные и
монтажные работы, которые включены в объектную смету.
При прямом счете в локальных сметах нормативная трудоемкость определяется по формуле
Т = Тпр + Тнр.
Нормативная трудоемкость работ, предусматриваемых в прямых затратах Тпр, определяется по формуле
Тпр = Тр + Тм,
где Тр – затраты труда рабочих-строителей, не занятых управлением и обслуживанием машин
(принимаются прямым счетом непосредственно из локальных смет по итогу графы локальной
сметы «Затраты труда рабочих-строителей, всего»). Определенные по каждой строке локальной
сметы затраты труда рабочих на основании сметных нормативов и соответствующих объемов
работ суммируются по той же итоговой строке сметы, где приводится итог прямых затрат в
сметных ценах 2000 г., а также по промежуточным итогам к разделам сметы;
– 328 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Тм – затраты труда рабочих, занятых управлением и обслуживанием машин, определяются прямым счетом из элементных сметных норм или по формуле
Тм = Км ∙ Зм,
где Зм – заработная плата рабочих, обслуживающих машины, в сметных ценах на 01.01.2000
г. (принимается прямым счетом непосредственно из локальных смет по итогу «В том числе
заработная плата машинистов»);
Км – коэффициент перехода от заработной платы рабочих-машинистов в сметной стоимости на 01.01.2000 г. в рублях к затратам труда рабочих-машинистов в чел.-час.
Коэффициент перехода Км принимается в следующих размерах:
• для всех строительно-монтажных работ (кроме земляных работ, выполняемых с применением строительных машин) – 0,068;
• для земляных работ, выполняемых с применением строительных машин – 0,076;
При определении нормативной трудоемкости в локальной смете должны применяться в
необходимых случаях различные коэффициенты, приведенные в технических частях соответствующих сборников норм и расценок, а также в Общих указаниях к ним.
В тех случаях, когда в локальных сметных расчетах или сметах нормативная трудоемкость
прямым счетом не определена, затраты труда рабочих, не занятых обслуживанием машин Тр,
могут исчисляться от размера заработной платы по следующей формуле:
Тр = К ∙ Зосн.,
где Зосн – основная заработная плата рабочих, принимаемая из локального сметного расчета
в сметных ценах 2000 г.;
К – коэффициент перехода от основной заработной платы в сметных ценах 2000 г. (в руб.)
к затратам труда (в чел.-час), принимаемый в следующих размерах:
• для строительных и ремонтно-строительных работ – 0,09;
• для монтажных работ – 0,085;
• для подземных работ – 0,058.
К работам, учтенным в составе накладных расходов и выполняемых рабочими, относятся возведение нетитульных временных зданий и сооружений, благоустройство и содержание
строительных площадок, подготовка объекта к сдаче и другие.
Нормативная трудоемкость работ, выполняемых за счет накладных расходов, определяется по формуле
Тнр = Кнр ∙ Мнр,
где Мнр – масса накладных расходов, принимаемая из локальной сметы, руб;
Кнр – коэффициент перехода от массы накладных расходов (в руб.) к затратам труда
(в чел.-час), определяемый по формуле
Кнр = Днр/ Ср = 0,051 / 11,50 = 0,0044,
где Днр – доля основной заработной платы рабочих, учтенная в накладных расходах (по
отчетным данным составляет 5,1 %);
– 329 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Ср – средняя часовая ставка рабочих среднего разряда (средний разряд – 4), которые заняты на работах, выполняемых за счет накладных расходов (на 01.01.2000 г.).
Нормативная трудоемкость работ, учтенных накладными расходами, включается в локальную смету отдельной строкой (за суммой накладных расходов) и показывается в отдельной
графе «Затраты труда рабочих».
В составе сметной прибыли нормативная трудоемкость не выделяется.
Затраты труда по строительно-монтажным работам, выполняемым при возведении временных зданий и сооружений, в том случае, когда стоимость этих работ включается в объектные сметы в установленном проценте, определяются по формуле
Твр = Квр ∙ Мвр,
где Мвр – сумма, принимаемая из строки «Временные здания и сооружения» объектной
сметы, тыс. руб.;
Квр – коэффициент перехода от суммы по временным зданиям (в руб.) к затратам труда
рабочих (в чел.-час), определяемый по формуле:
Квр = Двр / Ср = 0,19 / 11,77 = 0,016,
где Двр – доля затрат на возведение временных зданий и сооружений, приходящаяся на
заработную плату рабочих, в структуре норм на временные здания и сооружения (составляет
19 %);
Ср – среднечасовая ставка рабочих среднего разряда (средний разряд – 4,0), занятых на
работах по возведению временных зданий и сооружений.
Затраты труда рабочих, приходящиеся на зимние удорожания, определяются по формуле
Тзу = Кзу ∙ Мзу,
где Мзу – сумма удорожания строительно-монтажных работ в зимнее время, тыс.руб.;
Кзу – коэффициент перехода от сметной стоимости зимних удорожаний (в руб.) к нормативной трудоемкости (в чел.-час), принимаемый в размере 0,04.
Затраты труда рабочих, которые относятся к остальным видам прочих работ и затрат,
включаемых в объектные сметы как строительно-монтажные работы, определяются в том же
проценте, в каком подсчитывается их сметная стоимость, т.е. от итогов нормативной трудоемкости по всем локальным сметам и по временным зданиям и сооружениям. Нормативная трудоемкость в объектной смете выделяется также из состава резерва средств на непредвиденные
работы и затраты, находящиеся в распоряжении подрядчика (при твердых договорных ценах
на строительную продукцию), путем применения норматива к предшествующему итогу нормативной трудоемкости, приведенному в графе «Затраты труда рабочих».
Нормативная трудоемкость в составе объектной сметы показывается в отдельной графе (в
тыс. чел.-час).
Сметная заработная плата определяется в локальных и объектных сметах по формуле
З = Зосн + Зм + Знр + Звр + Ззу + Зп,
где З – сметная заработная плата;
– 330 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Зосн – основная заработная плата рабочих-строителей, занятых непосредственно на строительных, ремонтно-строительных и монтажных работах в текущем уровне цен;
Зм – заработная плата машинистов в текущем уровне цен;
Знр – заработная плата рабочих, учтенная в сметных накладных расходах;
Звр – заработная плата рабочих в стоимости возведения титульных временных зданий и
сооружений;
Ззу – заработная плата рабочих, учтенная в составе зимних удорожаний;
Зп – заработная плата рабочих, учтенная в составе других начислений на строительные и
монтажные работы объектной сметы.
При определении сметной заработной платы в локальной смете должны применяться в
необходимых случаях различные коэффициенты, приведенные в технических частях соответствующих сборников расценок, а также в общих указаниях к ним.
Заработная плата рабочих, выполняющих работы за счет сметных накладных расходов, в
локальной смете определяется по формуле
Знр = 0,051 ∙ Мнр,
где Мнр – масса накладных расходов, принимаемая из локальной сметы, руб.
0,051 – доля основной заработной платы рабочих, учтенная в накладных расходах (по отчетным данным составляет 5,1 %);
Сметная заработная плата рабочих, выполняющих работы по возведению временных зданий и сооружений, в том случае, когда стоимость этих работ включается в объектные в установленном проценте Зпр, определяется по формуле
Звр = 0,19 ∙ Мвр,
где Мвр – сумма, принимаемая из строки «Временные здания и сооружения» объектной
сметы, тыс. руб.
0,19 – доля заработной платы рабочих в структуре норм на временные здания и сооружения (составляет 19 %).
Сметная заработная плата рабочих в составе зимних удорожаний определяется по формуле
Ззу = Кзу ∙ Мзу,
где Мзу – сумма удорожания строительно-монтажных работ в зимнее время, тыс.руб.;
Кзу – коэффициент перехода от сметной стоимости зимних удорожаний к сметной заработной плате рабочих в составе этих удорожаний, принимаемый в размере 0,4.
Сметная заработная плата рабочих, которая относится к остальным видам прочих работ
и затрат, включаемых в объектные сметы как строительно-монтажные работы, определяется
в том же проценте, в каком подсчитывается их сметная стоимость, т.е. от итогов сметной заработной платы по всем локальным сметам и по строке «Временные здания и сооружения».
Сметная заработная плата в объектной смете выделяется также из состава резерва средств
на непредвиденные работы и затраты, находящегося в распоряжении подрядчика (при твердых
договорных ценах на строительную продукцию), путем применения норматива к предшествующему итогу сметной заработной платы, приведенному в графе «Сметная заработная плата».
– 331 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Таблица 6. Сметная заработная плата рабочих специальностей за 2002-2008 гг., руб.
2002 г.
Квартал
2003 г.
2008 г.
Расчетная
Фактическая
Расчетная
Фактическая
Расчетная
Фактическая
I квартал
3 100
3 187
4 432
4 886,4
16 500
16 778
II квартал
3 300
4 306,3
4 787
5 129,6
16 500
17 597
Ш квартал
3 300
4 319,1
4 787
6 193,3
16 500
18 542
IV квартал
4 432
4 867,5
5 500
6 874,7
16 500
15 344
Сметная заработная плата в составе объектной сметы показывается в одноименной графе
(в тыс. чел.-час).
Сибирским РЦЦС проводится анализ размера оплаты труда в строительстве, определяемом в сметных расчетах с 1991 г.
Принимаемая величина оплаты труда соответствует достигнутой, согласно статистическим данным (табл. 6).
Таким образом, владея методологией определения нормативной трудоёмкости, достаточно достоверно можно определить на её основе размер оплаты труда на рынке. Так как величина
накладных расходов и сметной прибыли зависит от сметной заработной платы, данную методологию предлагается внедрить в строительном комплексе как эталон.
Исследования по динамике роста заработной платы проводились автором последовательно в течение последних десяти лет, и в СибРЦЦС создан банк данных по годам с обосновывающими материалами.
Выводы
1. Сметными нормами предусматривается производство работ в нормальных условиях, не
осложненных внешними факторами. При расчетах трудоемкости необходимо учитывать влияние на них особых условий путем применения соответствующих поправочных повышающих
коэффициентов к нормативам, заложенным в проектных решениях.
2. Повышающие коэффициенты должны применяться к нормам затрат труда рабочих и к
нормам времени эксплуатации строительных машин и механизмов. Основанием для применения повышающих коэффициентов к конкретным условиям работ являются проекты организации строительства и производства работ, календарные графики строительства объекта.
3. Для обоснования фактических затрат по оплате труда рабочих необходимо пользоваться
данными статистической отчетности подрядных организаций по форме 5-з «Сведения о затратах на производство и реализацию продукции (работ, услуг)», которая утверждена Госкомстатом России постановлением от 10.11.98 г. №110.
4. В связи с длительностью процесса строительства объектов и ростом за этот период цен
на потребительские товары, услуги и прожиточного уровня трудоспособного населения в целом результаты расчетов по сметной заработной плате должны индексироваться в установленном в каждом регионе законодательном порядке.
– 332 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Г.В. Фадеева. Инновационные исследования по проведению анализа оплаты труда в строительстве
Список литературы
1.
МДС 81-35.2004. Методика определения стоимости строительной продукции на территории
Российской Федерации. Принята и введена в действие с 09.03.2004 г. постановлением
Госстроя России от 05.03.2004 г. № 15/1.
2. МДС 81-3.2005. Методические указания по разработке сметных норм и расценок на
эксплуатацию строительных машин и автотранспортных средств.
3. МДС 83-1.99. Методические рекомендации по определению размера средств на оплату труда
в договорных ценах и сметах на строительство и оплату труда работников строительномонтажных и ремонтно-строительных организаций.
4. Консультации по сметным вопросам и ценообразованию в строительстве. Вып. 3. Госстрой
СССР, 1987.
Innovative Researches on Carrying Out of the Analysis
of a Payment in Building
Galina V. Fadeeva
JSC “Siberian Regional Cost Estimating Centre”,
33, Oktyabrskaya st., Omsk, 644043 Russia
The key figures at calculation of amount a payment for determination of estimate price in the construction
are published in contribution, based on statistical and practical parameters of construction companies
of Siberia and Far North of Russia. The infringement of definition amount of wages fund is one of basic
mistakes admitted in budget calculations. The resulted digital values allow to find not only theoretical,
but also the practical approach to calculation of a payment. The comparative analysis of parameters
was not published in a seal earlier. The resulted calculations allow to determine fund of a payment
which is base parameter for calculation of overhead charge and the estimated profit.
Keywords: payment, construction, worker, analysis, estimate.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 334-336
~~~
УДК 539.53; 669.24
Микротвердость тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb
на основе никеля
В.В. Леонов*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
Исследована микротвердость HV, ГПа тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb на основе никеля
от состава (X, ат.%). Получена линейная зависимость НV = 0,61 + 0,074Cu + 0,182XNb.
Ключевые слова: микротвердость, твердый раствор, никель.
Микротвердость HV – одно из свойств твердых простых веществ и их сплавов. Ее часто исследуют в бинарных системах [1, 2, 3]. В настоящей работе исследована микротвердость
трехкомпонентного твердого раствора на основе никеля Ni-Cu-Nb. При этом устанавливались
зависимости микротвердости от химического состава не только в бинарных системах Ni-Cu и
Ni-Nb, но и оценивались результаты взаимного влияния двух примесей. В качестве растворителя выбрали никель, который часто является одним из основных компонентов жаропрочных
и нержавеющих сталей. Растворимость ниобия в никеле достигает 14 ат. %, а никель с медью
образует непрерывный ряд твердых растворов [4]. Тройная система Ni-Cu-Nb имеет соответствующую область твердых растворов на основе никеля.
Сплавы готовили сплавлением порошков компонентов электрической дугой в аргоне. Слиток шлифовали, полировали, отжигали при 800-900 °С в течение 3-4 часов. Микротвердость
измеряли на микротвердометре ПМТ-3 в 20 точках, ошибка измерения 1-3 %.
Составы образцов находятся в пределах области твердых растворов в системе на основе
никеля. Составы измеряемых сплавов располагаются на прямой, проходящей через угол никеля в тройной системе, что соответствует постоянному отношению Cu/Nb. Отношение ХCu/
(ХCu + ХNb) изменялось через 10 ат. % от одной линии к другой (от одной серии к другой), где
Х – концентрация ат. %. Общее число проанализированных составов 55. Эти образцы покрывали весь угол у никеля в тройной диаграмме.
Результаты измерения приведены в табл. 1, на основании которых строили линейные зависимости микротвердости от суммы концентраций примесей:
НV = а + b(ХCu + ХNb).
*
1
Corresponding author E-mail address: leonovvv@inbox.ru
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 334 –
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.В. Леонов. Микротвердость тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb на основе никеля
Таблица 1. Зависимость микротвердости, ГПа, тройных сплавов системы Ni-Cu-Nb от состава, ат. %
XCu + XNb
Отношение XCu/(XCu + XNb)
= 0
= 0,1
= 0,2
= 0,3
= 0,4
= 0,5
= 0,6
= 0,7
= 0,8
= 0,9
= 1
2
1,09
0,99
0,88
1,00
0,71
0,78
0,88
0,97
0,91
0,62
0,88
3
1,19
1,14
1,07
1,16
0,99
1,04
0,87
0,89
0,79
0,85
0,85
4
1,34
1,36
1,48
1,19
1,25
1,08
1,03
1,04
0,86
0,90
0,87
5
1,44
1,55
1,33
1,33
1,13
1,21
1,19
1,06
1,13
1,06
0,99
6
1,42
1,90
1,55
1,59
1,43
1,46
1,34
1,26
1,15
1,18
1,15
Таблица 2. Зависимость микротвердости, ГПа, тройных сплавов системы Ni-Cu-Nb от состава, ат. %
Отношение
XCu/(XCu + XNb)
НV = НVо + b(XCu + XNb)
Достоверность
= 0
НV = 0,61 + 0,162(XCu + XNb)
R² = 0,274
= 0,1
НV = 0,61 + 0,197(XCu + XNb)
R² = 0,962
= 0,2
НV = 0,61 + 0,162(XCu + XNb)
R² = 0,805
= 0,3
НV = 0,61 + 0,158(XCu + XNb)
R² = 0,898
= 0,4
НV = 0,61 + 0,126(XCu + XNb)
R² = 0,805
= 0,5
НV = 0,61 + 0,129(XCu + XNb)
R² = 0,921
= 0,6
НV = 0,61 + 0,114(XCu + XNb)
R² = 0,927
= 0,7
НV = 0,61 + 0,104(XCu + XNb)
R² = 0,607
= 0,8
НV = 0,61 + 0,088(XCu + XNb)
R² = 0,629
= 0,9
НV = 0,61 + 0,084(XCu + XNb)
R² = 0,822
= 1,0
НV = 0,61 + 0,082(XCu + XNb)
R² = 0,696
Среднее
НV = 0,61 + b(XCu + XNb)
b = 0,182 -0,108[XCu/(XCu + XNb)], R² = 0,899
Итоговое НV = 0,61 + 0,074XCu + 0,182XNb
Коэффициент пропорциональности b в этих уравнениях зависит от отношения концентраций примесей (табл. 2). Эту зависимость строили как линейную и полиномиальную, описывали уравнением, которое приведено внизу табл. 2. Здесь же приведены расчетные уравнения
и итоговое уравнение зависимости микротвердости трехкомпонентного твердого раствора от
концентрации (ат. %) двух примесей.
Следует пояснить, что зависимости (1) строили 2 раза. Сначала строили линейные зависимости по первичным результатам измерений. Определяли коэффициент а для каждой серии, а
– 335 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В.В. Леонов. Микротвердость тройных твердых растворов Ni-Cu-Nb на основе никеля
затем находили средний аср = НVо, который равен микротвердости чистого никеля. Второе построение вели при фиксированном аср = НVо, и только после этого строили зависимость
b = с + е[ХCu/(ХCu + ХNb)].
(2)
Для краткости приводим полученные результаты в виде уравнений, без графиков. Как видим, линейные уравнения
НV = НVо + b(ХCu + ХNb)
(3)
имеют большую достоверность аппроксимации R 2. Уравнение (2) также линейное, хотя
достоверность меньше, но находится в пределах ошибки измерения микротвердости.
Линейность (аддитивность) изменения коэффициента b указывает на отсутствие взаимодействия компонентов Cu и Nb в твердом растворе на основе никеля. И как следствие этого,
получаем итоговое уравнение линейным:
НV = НVо + (с + е)ХCu + сХNb = 0,61 + 0,074Cu + 0,182XNb.
(4)
Следовательно, очень легко прогнозировать микротвердость тройного твердого раствора
при разных концентрациях компонентов. Например, можно описывать уравнением изменение
микротвердости в бинарной системе (ХМеi = 0) или при постоянной концентрации одного компонента (ХМеi = А).
Список литературы
1. Глазов В.М. Микротвердость металлов и полупроводников/ В.М. Глазов, В.Н. Вигдорович. –
М.: Металлургия, 1969. – 248 с.
2. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов/ В.К. Григорович. – М.: Наука,
1976. – 230 с.
3. Боярская Ю.С. Деформирование кристаллов при испытаниях на микротвердость/ Ю.С.
Боярская. – Кишинев: Штиинца, 1972. – 234 с.
4. Хансен М. Структуры двойных сплавов/ М. Хансен, К. Андерко. – М.: Металлургия,
1962. – 1487 с.
Microhardness of Trile Solid Solution Ni-Cu-Nb
on Nickel Basis
Victor V. Leonov
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The microhardness HV, ГПа of trile solid solution Ni-Cu-Nb on nickel basis from composition
(X, ат. %) was investigated. Linear equation НV = 0,61 + 0,074Cu + 0,182XNb was determined.
Keywords: microhardness, solid solution, nickel.
– 336 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 3 (2009 2) 337-341
~~~
УДК 658.386.3.633.33
Моделирование нагрузки ленточного конвейера
роторного экскаватора большой единичной мощности
А.В. Минеев, Е.Е. Милосердов*
Сибирский федеральный университет,
Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 16.09.2009, received in revised form 06.10.2009, accepted 20.10.2009
На нагрузку ленточного конвейера роторного экскаватора большой единичной мощности
влияет большое количество различных факторов. При моделировании нагрузок следует
учитывать все эти факторы с целью добиться наиболее близкой к действительности
картины нагружения конвейера. Получены формулы, наиболее точно описывающие механизм
нагружений и факторов, которые влияют на нагрузку, действующую на конвейер роторного
экскаватора, что позволяет моделировать влияние нагрузки на конвейер максимально,
приближенной к реальности.
Ключевые слова: конвейер, экскаватор, моделирование, нагрузка.
Введение
При моделировании нагрузки конвейерной техники непрерывного действия следует учитывать большое количество различных факторов.
Распределенная нагрузка перемещаемой конвейером горной массы, а также вес самой
ленты создают нагрузку на опорные ролики, определяющие возрастание усилия в ленте пропорционально длине нагруженного участка [1]. В данной статье рассматриваются факторы,
влияющие на нагружение ленточного конвейера, и формулы, позволяющие моделировать эти
факторы на этапе проектирования данной системы.
Математическое моделирование нагрузки конвейера роторного экскаватора
Следует учитывать, что если конвейер работает в наклонном положении, возникает составляющая силы веса, воспринимаемая лентой на данном участке конвейера. В этом случае
удельное усилие в ленте на загруженном участке, связанное с действием весовой нагрузки
(рис. 1), определяется следующим образом:
Fg(l) = (g + g0) (Kоп
⋅ cosβ
kji
+ sinβkji),
где g – вес породы на 1 м ленты;
g0 – вес 1 м ленты;
Kоп – коэффициент удельного сопротивления опорных устройств.
*
1
Corresponding author E-mail address: Miloserdovee@kf.sibserv.com
© Siberian Federal University. All rights reserved
– 337 –
(1)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.В. Минеев, Е.Е. Милосердов. Моделирование нагрузки ленточного конвейера роторного экскаватора…
Величину g определяем из следующего соотношения:
g = QT ⋅ ρ/3600VК ⋅ Kp,
(2)
где QT – текущее значение производительности экскаватора;
VK – скорость движения ленты конвейера;
Kp – коэффициент разрыхления горной массы.
Сопротивление, создаваемое очистительными устройствами, которые удаляют прилипшую на конвейере породу, определяем следующим образом:
F04 = q04 ⋅ β.
(3)
Усилие, необходимое для перегиба ленты и преодоления трения в подшипниках барабана,
получаем из следующего соотношения:
F = K из ⋅ β,
(4)
где K из – коэффициент, зависящий от ширины барабана.
Величину мощности для сообщения поступающей горной массе дополнительной кинетической энергии получим из выражения
PɄɂɇ
m VK2 Vɗ2 / 2 ,
(5)
где VK – скорость движения ленты конвейера; 2
m VK 2 Vɗ2 2
2 экскавации.
2
VPЭ – скорость
F
P
m 2VK 2Vɗ / 2
m VK Vɗ / 2
Ʉɂɇ
Ʉɂɇ
Ʉɂɇ
P
m
VK2V
KVɗ / 2
2
2
Ʉɂɇ
Определяем
PɄɂɇ mколичество
VK Vɗ / 2движения (импульс тела):
PɄɂɇ m VK2 2 V2 ɗ2 2 / 22
PɄɂɇ m VK22 Vɗ22 / 2
m m
VKV
Vɗ m VK Vɗ PɄɂɇ
FɋȻ
K2 Vɗ / 2
ɇȻ2 mFV
(6)
FɄɂɇ m V 2 V 2
MFGɄɂɇ
K Vɗ D Ȼ .
ɤɥ
.
2KVK ɗ FɄɂɇ
222 VK 2
FɄɂɇ
m 2VVKK V2 ɗ 2
m V2K2V Vɗ2 K
m VK Vɗ движению ленты определяем из
F
F
Ʉɂɇ
Ʉɂɇ
Суммарный
момент сил статического
сопротивления
FɇȻ FɄɂɇ
VKFɋȻ
FɇȻ2VK FɋȻ
FɇȻ2
M G .ɤɥ FɇȻ FɋȻ2VK D Ȼ
M G .ɤɥ
DȻ
выражения
FɇȻ M G .ɤɥ
2 DȻ
2 FɋȻ
M G .ɤɥ
DȻ
2
FɋȻ
FɇȻ FɋȻ
FɇȻ 2 FɋȻ
M G .ɤɥ
D ,
M G .ɤɥ
DȻ
(7)
FɇȻM G .ɤɥ F2ɇȻ FɋȻȻ D Ȼ
FɇȻ
2
FɇȻ
2
FɇȻ
DȻ
FɇȻ
где FɋȻ
ɇȻ – сила натяжения барабана; F
ɋȻ
FɋȻ FɇȻ
FɋȻ – сила скольжения барабана;
M ˜W
ɊFɞ.ɤɥ Ʉ 3 G .ɤɥ G .ɤɥ ,
DɋȻȻ
DFɋȻ
Kɪ
Ȼ – диаметр барабана.
D Ȼ FɋȻ
D
Величину
суммарной расчетной мощности двигателей конвейера получим по формуле
Ȼ
DȻ
M G .ɤɥ ˜ WG .ɤɥ
M ˜W
2Ʉ
VM
K
Ɋɞ.D
,
Ʉ 3 G .ɤɥ G .ɤɥ ,
ɤɥ Ȼ
3 G, .ɤɥ ˜ WG .ɤɥ
W
ɤɥ
G
.
M ˜W
Ɋɞ.ɤɥ ɄD
K ɪ ,.
(8)
3
Ʉ 3 G .ɤɥK ɪ G .ɤɥ ,
Ȼ
M GK.ɤɥɪ˜ WG .ɤɥ
M G .ɤɥK ˜ɪWG .ɤɥ
Ɋɞ.ɤɥ Ʉ 3
Ʉ3
,
M G .ɤɥ ˜ WG, .ɤɥ
ɪ
Ɋɞ.ɤɥлинии
, скорость конвейерной ленты
ɪ
2VɄ
3i ,иK линейная
Угловая скорость
барабана
конвейерной
2VK K
K
W
W
˜
Kɪ
G .ɤɥ
w .ɤɥ ,
W
WG .ɤɥ
,
G .ɤɥ 2VK
2DVȻK
WG .ɤɥ
связаны соотношением
D Ȼ,
WG .ɤɥ
,
D
Ȼ
2
V
2DVȻK
W
WGG.ɤɥ.ɤɥ d Ww.ɤɥɦK2.V
,K
WG .ɤɥ
,
D
DwȻ.ɤɥ ˜ i,
(9)
WGW
W
˜ i, ,.
Ȼ
ɤɥ
G
.
WG .ɤɥ W
WG .ɤɥ .ɤɥ Ww.ɤɥw.˜ɤɥDi,Ȼ
WG .ɤɥ Ww.ɤɥ ˜ i,
G cos U 2P D ɐ ˜ f ɤ
F
KɌɊ
W
W
˜ i,
W
W
˜
i
,
W
d
W
G
.
ɤɥ
w
WGG ..ɤɥ
Ɍ . Ʉ.ɤɥ
.ɌɊ– 338
ɤɥ d Www.ɤɥɦ
.ɤɥ .
–.
w..ɤɥ
ɤɥɦ
Dk
WG .ɤɥGW
dGW
.jɌw.˜ɤɥin˜ i,
.ɤɥw .ɤɥɦW
WG .ɤɥ d Ww.ɤɥɦ .
WG .ɤɥ d Ww.ɤɥɦ
G. cos. U 2P D ɐ ˜ f ɤ
G .cos U 2P D ɐ ˜ f ɤ jWG .ɤɥW d Wdw.ɤɥɦ
2P D ˜ f K
G .ɤɥ GW
w .ɤɥɦU
ɌF
cos
F
K
DȻ
Ɋɞ.ɤɥ
Ɋɞ.ɤɥ
Ɋɞ.ɤɥ
˜
Ɍ . Ʉ .ɌɊ
FɌ .Ʉ .ɌɊ
Ɍ . Ʉ .ɌɊ
Dkɐ ˜ f ɤFɌ .ɌɊ
Gjcos
U ˜ 2P D
i
˜
Ɍ
n ˜
K Ʉ .ɌɊ
ɌɊ
j ˜i ˜
j ˜Ɍi n
˜
ɐ
D
Dk k
ɤ
KɌɊɌɊ
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
DF
Ȼ ɋȻ
M G .ɤɥ ˜ WG конвейера
А.В. Минеев, Е.Е. Милосердов. МоделированиеDнагрузки
ленточного
роторного экскаватора…
.ɤɥ
Ȼ
Ɋɞ.ɤɥ
Ʉ3
,
Kɪ
В данном случае коэффициент запаса К3 вводится для
неравномерности распределения
M учета
G .ɤɥ ˜ WG .ɤɥ
Ɋ
Ʉ
,
ɞ
.
ɤɥ
3
нагрузки между двигателями.
2VK
Kɪ
W
,
G .ɤɥ и барабана конвейера связаны между собой
Угловые скорости приводных двигателей
DȻ
выражением
2V
K
W
,
WG .Gɤɥ.ɤɥ WwD.ɤɥȻ ˜ i, (10)
где i – передаточное отношение приводаW
барабана.
.
W
G .Gɤɥ.ɤɥd WW
w .ɤɥɦ
w .ɤɥ ˜ i ,
Для моделирования срабатывания упругих муфт выполняется анализ
d WG
. U 2 P D ɐ ˜ f ɤ
cos
w .ɤɥɦ
W
FɌ .GɄ.ɤɥ.ɌɊ
j ˜i
˜
Dk
KɌɊ
(11)
n
Кроме того, в моменте сопротивления движению Ɍленты
необходимо учитывать момент от
2P D ɐ ˜ f ɤ
G
cos
U
2
2
P
m
V
V
/
2
K FɌ ɗ.Ʉ.валах
Ʉɂɇ
KɌɊ
электромагнитных тормозов на быстроходных
передач.
ɌɊ
Dk
jɌ
jɌ ˜ in
˜
m
VK Vразгрузочной
ɗ Приводы поворота и конвейерной
линии
консоли роторного экскаватора
FɄɂɇ
i2nVjKɌ
В этом случае при работе механизмов поворота стрелы ротора и разгрузочной консоли при
моделировании сил, моментов и скоростей
описываются теми же уравнениями. Эти же сообFɇȻ F
f ɤin ɋȻ D Ȼ
M G .ɤɥ
2
ражения позволяют использовать для моделирования работы конвейерной линии разгрузочной
консоли уравнения (1-10), записанные
для ленточного
конвейера ротора.
FɇȻ
D ɐf ɤ
2
2
Механизмы
привода хода экскаватора
FɋȻ
DDk ɐ
Статическая нагрузка привода шагающе-рельсового хода при перемещении экскаватора
DȻ
определяется следующими имеющимися факторами: трением качения ходовых колес; трением
Dk
M G .ɤɥ ˜ Wскатывающей
в подшипниках ходовых колес; преодолением
силы при негоризонтальном поG .ɤɥ
Ɋɞ.ɤɥ Ʉ 3
,
ɪ
K
ложении (установке) лыжи; действием ветрового напора; сопротивлением горной массы при
врезке роторного колеса подачей на забой [2].
2VK
WG .ɤɥприведена
,
Схема усилий механизма хода
на рис. 2 (одна из имеющихся четырех лыж роDȻ
торного экскаватора).
WGнатяжения
Ww.ɤɥ ˜ i, тягового каната от сил трения при допущении о
В этом случае составляющая
.ɤɥ
равномерном распределении нагрузки на ходовые тележки из учета К П Д полиспаста опредеWG .ɤɥ d Ww.ɤɥɦ .
ляется следующим образом:
FɌ .Ʉ .ɌɊ
G cos U 2P D ɐ ˜ f ɤ
˜ D KɌɊ ,
jɌ ˜ in
k
(12)
где jT – число ходовых тележек; jɌ
in – кратность полиспаста;
in
fк, μ – соответственно, коэффициенты трения качения и трения скольжения;
fɤ
αЦ – диаметр цапфы подшипника;
Dk – диаметр ходового колеса.
Dɐ
Dk
Выводы
Уравнения, представленные в данной статье, позволяют моделировать факторы и нагрузки, влияющие на работу не только ленточного конвейера роторного экскаватора, но и разгру– 339 –
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Схема конвейера стрелы ротора
Рис. 2. Схема усилий механизма хода
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
А.В. Минеев, Е.Е. Милосердов. Моделирование нагрузки ленточного конвейера роторного экскаватора…
зочной консоли и поворота стрелы ротора, что, несомненно, упрощает процесс моделирования
и проектирования систем роторных экскаваторов.
Список литературы
1.
Бреннер В.А. Динамика проходческих комбайнов / В.А. Бреннер. – М.: Машиностроение,
1977. – 224 с.
2. Домбровский Н.Г. Многоковшовые экскаваторы / Н.Г. Домбровский. – М.: Машиностроение,
1972. – 432 с.
Modeling of Loading of the Tape Conveyor of Rotor Dredge
of the Big Individual Capacity
Alexander V. Mineev and Evgeniy E. Miloserdov
Siberian Federal University,
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
Loading of the tape conveyor of rotor dredge of the big individual capacity is influenced by a
considerable quantity of various factors. At modeling of loadings it is necessary to consider all these
factors on purpose to achieve the picture most close to the truth loading of the conveyor. Formulas
most precisely describing the mechanism loads and factors influencing loading operating on the
conveyor of rotor dredge that allows to model influence of loading on the conveyor as much as possible
approached to a reality are received.
Keywords: conveyor, dredge, modeling, loading.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа