Формирование структуры бессвинцовых сплавов олово – цинк, полученных методом высокоскоростного затвердевания, и особенности их кристаллизации

  • Денис Александрович Зерница Мозырский государственный педагогический университет им. И. П. Шамякина, ул. Студенческая, 28, 247760, г. Мозырь, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-6251-4459
  • Василий Григорьевич Шепелевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-48-55

Аннотация

Приведены результаты исследования микроструктуры бессвинцовых сплавов олово – цинк, полученных высокоскоростной кристаллизацией при скорости охлаждения не менее 105 К/с. В сплавах олова и цинка с концентрациями 1,2–2,0 мас. % Zn и 1,5 мас. % Sn соответственно при высокоскоростном охлаждении расплава происходит захват легирующего элемента. Образованные твердые растворы являются пересыщенными и при комнатной температуре распадаются по механизму образования и роста зародышей новой фазы. Средний размер выделений цинка и олова после выдержки фольги в течение двух суток не превышает 0,5 мкм. Расплавы составов Sn – 4,4–15,0 мас. % Zn после высокоскоростного охлаждения являются переохлажденными и пересыщенными двумя компонентами и испытывают спинодальный распад (расслоение) с последующим  образованием пересыщенных твердых растворов на основе олова и цинка, которые распадаются при комнатной температуре. Средний размер выделений цинка в неравновесной эвтектике не превышает 2 мкм. В быстрозатвердевших фольгах сплавов, содержащих 50–80 мас. % Zn, формируется двухфазная структура из твердых растворов на основе олова и цинка. Средний размер выделений олова не превышает 1 мкм. По мере перемещения фронта кристаллизации от поверхности контакта фольги с поверхностью кристаллизатора происходят укрупнение частиц олова и уменьшение удельной поверхности межфазной границы.

Биографии авторов

Денис Александрович Зерница, Мозырский государственный педагогический университет им. И. П. Шамякина, ул. Студенческая, 28, 247760, г. Мозырь, Беларусь

аспирант кафедры физики и математики физико-инженерного факультета. Научный руководитель – В. Г. Шепелевич

Василий Григорьевич Шепелевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры физики твердого тела физического факультета

Литература

  1. Kechin VA, Lyublinskii EYa. Tsinkovye splavy [Zinc alloys]. Moscow: Metallurgiya; 1986. 247 p. Russian.
  2. Aleksandrov VD, Barannikov AA. Study of the influence of the thermal background of zinc and cadmium melts on their crystallization. Pis’ma v zhurnal tekhnicheskoi fiziki. 1998;24(14):73–78. Russian.
  3. Alexandrov VD, Barannikov AA, Kuraksina OV, Frolova SA. [Device for cyclic thermal analysis in vacuum]. In: Kogan VS, Shulaev VM, editors. Trudy Tret’ego mezhdunarodnogo simpoziuma «Vakuumnye tekhnologii i oborudovanie»; 22–24 sentyabrya 1999 g.; Khar’kov, Ukraina. Tom 2 [Proceedings of the Third international symposium «Vacuum technologies and equipment»; 22–24 September 1999; Kharkov, Ukraine. Volume 2]. Kharkov: Kharkov Institute of Physics and Technology; 1999. p. 320–322. Russian.
  4. Kovtun GP, Shcherban’ AP, Kondrik AI. Influence of oriented crystallization conditions on a fine cleaning of the metals. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. 2007;4:19–23. Russian.
  5. Kuznetsov VD. Kristally i kristallizatsiya [Crystals and crystallization]. Moscow: Gosudarstvennoe izdatel’stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury; 1954. 411 p. Russian.
  6. Borisov VT, Dukhin AI. [Study of supersaturated solid solutions and temperature conditions during quenching from a liquid state]. In: Rost i defekty metallicheskikh kristallov [Growth and defects of metallic crystals]. Kyiv: Naukova dumka; 1972. p. 408–414. Russian.
  7. Mitin BS, editor. Vysokoskorostnoe zatverdevanie rasplavov (teoriya, tekhnologiya i materialy) [High-rate melt solidification (theory, technology, materials)]. Moscow: Intermet inzhiniring; 1998. 400 p. Russian.
  8. Lavernia EI, Ayers ID, Srivatsan TS. Rapid solidification processing with specific applications to aluminum alloys. International Materials Reviews. 1992;37(1):1–44. DOI: 10.1179/imr.1992.37.1.1.
  9. Suzuki K, Fujimori H, Hashimoto K. Amorphous metals. Moscow: Metallurgiya; 1987. 328 p. Japanese.
  10. Zernitsa DA, Shepelevich VG. The structure formation of rapidly solidified foil of the eutectic alloy Sn – 8.8 wt. % Zn. Physical and Chemical Aspects of the Study of Clusters, Nanostructures and Nanomaterials. 2020;12:601–608. Russian.
  11. Islam RA, Wu BY, Alam MO, Chan YC, Jillek W. Investigations on microhardness of Sn – Zn based lead-free solder alloys as replacement of Sn – Pb solder. Journal of Alloys and Compounds. 2005;392(1–2):149–158. DOI: 10.1016/j.jallcom.2004.08.079.
  12. Guo-ji Zhao, Guang-hua Wen, Guang-min Sheng. Influence of rapid solidification on Sn − 8Zn − 3Bi alloy characteristics and microstructural evolution of solder/Cu joints during elevated temperature aging. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017;27(1):234–240. DOI: 10.1016/S1003-6326(17)60027-X.
  13. Yanxia Jing, Guangmin Sheng, Guoji Zhao. Influence of rapid solidification on microstructure, thermodynamic characteristic and the mechanical properties of solder/Cu joints of Sn – 9Zn alloy. Materials and Design. 2013;52:92–97. DOI: 10.1016/j.matdes. 2013.05.011.
  14. Kamal M, Mazen SA, El-Naggar MG. Effect of copper addition on some properties of rapidly solidified lead-free Sn – 10 wt. % Zn alloys. Radiation Effects and Defects in Solids. 2004;159(5):335–344. DOI: 10.1080/10420150412331272354.
  15. Miroshnichenko IS. Zakalka iz zhidkogo sostoyaniya [Quenching from the liquid state]. Moscow: Metallurgiya; 1982. 168 p. Russian.
  16. Lyakishev NP, editor. Diagrammy sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh system. Tom 3, kniga 2 [Diagrams of the state of binary metal systems. Volume 3, book 2]. Moscow: Mashinostroenie; 2000. 448 p. Russian.
  17. Bokshtein BS. Diffuziya v metallakh [Diffusion in metals]. Moscow: Metallurgiya; 1978. 248 p. Russian.
  18. Ormont DF. Vvedenie v fizicheskuyu khimiyu i kristallokhimiyu poluprovodnikov [Introduction to physical chemistry and crystal chemistry of semiconductors]. Moscow: Vysshaya shkola; 1982. 528 p. Russian.
  19. Martin JW, Doherty RD. Stability of microstructure in metallic systems. Cambridge: Cambridge University Press; 1976. 298 p.
  20. Shepelevich VG, Zernitsa DA. The formation of the structure of the alloys of the tin – zinc system upon high-speed solidification. Inorganic Materials: Applied Research. 2021;12(4):1094–1099. DOI: 10.1134/S2075113321040407.
  21. Fraś E. Krystalizacja metali i stopów. Warsaw: Wydawnictwo naukowe PWN; 1992. 316 p.
  22. Taran YuM, Mazur VI. Struktura evtekticheskikh splavov [Structure eutectic alloys]. Moscow: Metallurgiya; 1978. 312 p. Russian.
  23. Glazov VM, Pavlova LM. Khimicheskaya termodinamika i fazovye ravnovesiya [Chemical thermodynamics and phase equilibria]. Moscow: Metallurgiya; 1988. 560 p. Russian.
Опубликован
2022-10-31
Ключевые слова: быстрозатвердевшие сплавы, олово, цинк, пересыщенный раствор, микроструктура, эвтектика
Как цитировать
Зерница, Д. А., & Шепелевич, В. Г. (2022). Формирование структуры бессвинцовых сплавов олово – цинк, полученных методом высокоскоростного затвердевания, и особенности их кристаллизации. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 48-55. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-48-55
Выпуск
№ 3 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2022 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).