Краткие теоритические сведения

В связи с развитием таких отраслей науки и техники, как электроника, атомная энергетика, ракетостроение, воз­никла потребность в материалах высокой чистоты и совер­шенной структуры. Обычными металлургическими и хими­ко-технологическими методами получить такие материалы не удается.

Метод зонной перекристаллизации, называемый часто в технической литературе зонной плавкой, оказался простым по технике исполнения, эффективным по результатам для получения материалов высокой степени чистоты.

Сущность зонной перекристаллизации состоит в том, что вдоль твердого слитка перемещается узкая расплавлен­ная зона, а примеси перераспределяются между твердой и жидкой фазами.

Количественной термодинамической характеристикой распределения примеси между твердой и жидкой фазами в равновесных условиях является равновесный коэффициент распределения К.

Для бинарных систем (А - основной компонент, В - примесь) равновесный коэффициент распределения равен отношению концентраций примеси в равновесных твердой и жидкой фазах:

В зависимости от вида диаграммы состояния примеси с основным компонентом равновесный коэффициент К может быть больше или меньше 1.

Если примесь понижает температуру плавления основ­ного компонента, то К<1. Равновесная жидкая фаза обогащается относительно твердой примесью; при этом фронт кристаллизации оттесняет примесь к концу слитка. При К>1 примесью будет обогащаться твердая фа­за; примесь сконцентрируется в головной части слитка.

Чем больше К отличается от 1, тем эффективнее можно осуществить в процессе зонной перекристаллизации глубо­кую очистку материалов от примеси.

Особенность зонной плавки состоит в том, что одно­временно плавится не весь материал, подлежащий очистке от примесей, а часть его. Узкая расплавленная зона медленно перемещается вдоль твердого слитка. Перемещающаяся по слитку расплавленная зона имеет две поверхности раздела - фронт кристаллизации н фронт плавления.

В процессе зонной плавки в расплаве перед фронтом кристаллизации возникает диффузионный пограничный слой δ, скорость перемещения примесей в котором лимити­руется диффузией, т.е. мала.

В реальных условиях зонная плавка осуществляется в неравновесных условиях, и степень очистки материала будет зависеть от равновесного коэффициента распределения К и условий кристаллизации, важнейшими из которых являются скорость кристаллизации υ, толщина диффузионного слоя δ и коэффициент диффузии примеси в жидкой фазе D.

Для учета реальных условий очистки вводят понятие эффективного коэффициента распределения примеси:

где безразмерный показатель называют приведенной скоростью кристаллизации.

Эффективный коэффициент распределения может из­меняться от значения К до 1. Если Кэфф=1. т.е. приведенная скорость роста кристаллов стремится к бесконечности, пере­распределение примеси по длине слитка не происходит. При уменьшении скорости кристаллизации расплава Кэфф при­ближается к К, и условия рафинирования улучшаются.

Рис. 1. Схема зонной плавки и распределение принеси по длине слитка при К<1

Режим кристаллизации-выбирают максимально благо­приятный для очистки материала. Если К<1 (рис. 1), то ско­рость движения зоны должна быть такова, чтобы примеси за счёт диффузии внутри диффузионного слоя δ успевали пере­меститься в объем жидкой фазы. Такой режим кристаллиза­ции обеспечивает глубокую очистку материала от примеси.

Однако, если при кристаллизации скорость движения фронта кристаллизации будет превышать скорость диффузии примеси, то в диффузионном слое, относительно объема жидкой фазы, будет увеличиваться концентрация примеси. Так как диффузионный слой непосредственно прилегает к фронту кристаллизации, то состав растущих кристаллов оп­ределяется концентрацией примеси в нем, а не в объеме жид­кой фазы.

В аналитической форме распределение примеси В вдоль оси слитка при зонной перекристаллизации описыва­ется уравнением

где Св(исх) и Св - исходная и соответствующая данному сечению концентрация примеси по ходу кристаллизации, кг/м³; X - расстояние от точки начала кристаллизации до сечения слитка с концентрацией примеси Св, м; L - длина расплавленной зоны, м.

Эффективность очистки материалов зонной перекри­сталлизацией может быть повышена многократным повто­рением операции.