СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
METHOD OF METAL AND SEMICONDUCTOR FORMING USING ELECTRO PLASTIC EFFECT

Изобретение относится к способам обработки давлением твердых материалов - металлов и полупроводников, включающим механическую обработку давлением с одновременным приложением импульсного электрического поля.
Существует несколько видов обработки металлов и полупроводников на основе процесса давления - прокатка, штамповка, волочение и плющение, где для повышения производительности и качества обработки может быть использован электропластический эффект (ЭПЭ) (О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С.Авраамов, А.Д.Шляпин. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г. [1]). ЭПЭ является сложным процессом нетеплового происхождения.
2
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ обработки металлов по патенту России №2005127525, кл. В21В 1/100, публикация 10.04.2007 г. [2]), где ЭПЭ достигается за счет того, что в область механической обработки подаются мощные короткие (100-150 мкс) импульсы тока плотностью 350000-1000000 А/см. В результате повышается пластичность металла, снижается сопротивление металла деформированию, повышаются производительность и качество обработки.
Этот процесс положительно показал себя как для традиционных широко применяемых металлов: сталь, медь, алюминий, так и для относительно редко используемых и тугоплавких металлов: цирконий, вольфрам, молибден.
Недостатком данного способа являются относительно большие плотности тока, что требует существенных затрат электроэнергии и ограничивает размеры прокатных полос (толщина и ширина) и диаметр получаемой проволоки.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное снижение затрат электроэнергии на процесс.
m
Для этого в способе обработки давлением (прокатка, волочение, штамповка и плющение) металлов и полупроводников, включающем механическую обработку с одновременным приложением импульсов электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, согласно предложенному изобретению к заготовке прикладывают импульсы электрического поля (напряженности) с длительностью порядка диэлектрического (максвелловского) времени релаксации Θ [сек], которое описывается формулой:
m
o
Θ=εερ/4π,
o
где ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, постоянная, равная
-14
-14
8,854·10 [Ф/см]=8,85418·10 [А·сек/В·см];
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, безразмерная величина;
ρ - удельное сопротивление материала [Ом·см],
а значения напряженности электрического поля составляют от десятков до сотен В/см.
В основе предлагаемого способа лежит один из факторов процесса электропластической деформации, а именно смещение дислокаций под влиянием электрического поля. Дислокация - область кристаллической решетки с нарушением порядка расположения атомов. Если в результате воздействия электрического поля дислокации будут располагаться вдоль направления обработки, то это будет приводить к снижению механических усилий на реализацию процесса. Из нескольких видов дислокаций нас будут интересовать поверхностные дислокации, образующиеся в месте выхода кристаллической решетки материала на поверхность, а также объемные дислокации в приповерхностном слое, оказывающие непосредственное влияние на процесс обработки. Общим для этих дислокаций является то, что они представляют собой цепочки атомов или молекул с оборванными ковалентными связями, которые окружены свободными электронами, так что выполняется условие электронейтральности.
Время максвелловской релаксации определяет время установления зарядовой нейтральности в материале, если она каким-либо способом была нарушена, например при приложении скачка электрического поля.
m
При приложении электрического поля существует короткий промежуток времени, в течение которого дислокации лишаются облака, состоящего из свободных электронов, и представляют цепочку положительно ионизированных атомов или молекул, как бы закрепленную стопором, вокруг которого под действием электрического поля они могут перестраиваться, стремясь занять место вдоль силовых линий электрического поля. В идеале можно представить такой процесс, в течение которого на материал в месте обработки действует короткий импульс электрического поля (напряженности), причем длительность этого импульса не превышает Θ.
m
no
m
no
m
11
20
-3
-6
-15
22
-3
Время Θ зависит от свойств материала. Например, для полупроводников, где концентрация электронов в условиях термодинамического равновесия n может изменяться в пределах (1·10-1·10) см, Θ изменяется в пределах (0,63·10-0,63·10) сек (Ю.Р.Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. - М., Наука, 1968. [3]). В металлах, где n достигает 10 см, Θ имеет значения на несколько порядков меньше.
m
Возможно комбинированное воздействие на дислокации двух факторов: электрического поля в течение максвелловской релаксации и электрического поля, создаваемого потоком электронов, как описано в [2] - «электронным ветром», когда длительность импульса напряженности превышает значение Θ. Отличие от [2] в предлагаемом варианте заключается в том, что последнем случае эффект «электронного ветра» используется как дополнительный фактор, и нет необходимости создавать высокие плотности тока, как в случае [2].
Выше был рассмотрен вариант положительно заряженных дислокаций, скомпенсированных электронами. Возможен и другой вариант, когда дислокации являются отрицательно заряженными объектами, которые компенсируются положительно заряженными частицами, величина заряда которых равна величине заряда электрона, дырками. В этом случае более эффективно будет действовать электрическое поле противоположного знака.
На чертеже представлены формы напряженности электрического поля и соответствующие формы плотности тока.
m
Как видно из чертежа, заметный ток появляется только после окончания времени релаксации, в режиме, когда длительность импульса превышает Θ (показано пунктиром).
m
Следовательно, если на материал в месте механической обработки действуют короткие импульсы электрического поля (напряженности), длительность которых меньше или равна Θ, расход тока и соответственно электроэнергии для достижения электропластической деформации несравнимо меньше, чем в способе-прототипе [2].
т
Значение требуемой напряженности электрического поля Е [В/см] рассчитывается исходя из требования, чтобы потенциал электрического воздействия на дислокацию E·d (падение напряжения), где d [см] - длина дислокации, был много больше, чем тепловой потенциал φ [В]:
т
E·d>>φ.
Тепловой потенциал определяется как
т
φ=kT/q,
-23
где k - постоянная Больцмана, равная 1,38066·10 [Дж/K];
Т - абсолютная температура [K];
-19
q - заряд электрона, постоянная, равная 1,60218·10 [Кл].
т
При комнатной температуре (25°С) φ имеет значение 0,026 В.
Для десятикратного превосходства электрического воздействия над тепловым получаем условие:
т
Е=10φ/d
-2
Для дислокаций с длиной d=100 мкм (10 см) получаем Е=26 В/см.
-3
Для дислокаций длиной d=10 мкм (10 см) из того же условия получаем Е=260 В/см.
Таким образом, для эффективного воздействия на дислокации достаточна напряженность электрического поля от десятков до сотен В/см при длительности импульсов порядка максвелловского времени релаксации.
Пример реализации.
В качестве примера рассмотрим штамповку молибденовых дисков диаметром 32 мм (используются для контактных прокладок силовых тиристоров) из молибденовой полосы толщиной 0,3 мм. Для пластификации материала используется приложение импульсного напряжения с амплитудой 380 В с двух сторон полосы с помощью прижимов на расстоянии 10 см. Длительность импульсов 100 нс, частота приложения 1 МГц. Ток ограничивается внешним сопротивлением. Эффект состоит в улучшении качества краев дисков (уменьшение количества и размеров расслоений, сколов, заусенцев).
Литература
1. О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С.Авраамов, А.Д.Шляпин. Физические основы и технологии обработки современных материалов, том 1 и том 2. - Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований, 2004 г.
2. Патент России №2005127525, кл. В21В 1/100, опубл. 10.04.2007 г.
3. Ю.Р.Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. - М., Наука, 1968.