СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕСТРУКТУРИРОВАННОГО ЦИНКА
METHOD FOR OBTAINING RESTRUCTURED ZINC

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к технологии металлов, и может быть использовано для получения реструктурированного цинка высокой чистоты, путем механо-термического воздействия различного уровня и интенсивности.
Известен способ изготовления отливки из металлического расплава (RU 2339485 С2, опубл. 27.11.2008), в котором при кристаллизации металлического расплава осуществляют равномерное объемное охлаждение расплава со скоростью (2-10)°С/с в созданном посредством центрифуги гравитационном поле. Коэффициент гравитации выбирают из диапазона от 10 до 1000g в зависимости от заданного размера зерна отливки. При равномерном и достаточно медленном охлаждении расплава крупность зерна закристаллизованной фазы с ростом коэффициента гравитации от 10 до 1000g изменяется аномальным образом. В начале крупность зерна уменьшается, а затем при определенном коэффициенте гравитации для каждого типа расплава увеличивается до получения моноструктур. В известном решении рассматривается способ управления крупностью зерна для обеспечения возможности получения отливок любой конфигурации и из любых металлических расплавов, обладающих единой заданной структурой по любым сечениям, что адекватно получению отливок без анизотропии служебных свойств.
Недостатком известного технического решения является недостаточно высокая чистота и свойства получаемого металла.
Решаемой технической проблемой или задачей является устранение существующих недостатков известного аналога.
Техническим результатом, проявляющимся при решении вышеуказанной проблемы, является получение реструктурированного цинка со значительным улучшением его чистоты, а также существенное изменение его структуры, свойств и электронной плотности в целом с повышением его химической активности.
Технический результат достигается за счет реализации способа получения реструктурированного цинка, включающий обработку расплавленного цинка, массой от 70 до 300 кг, в контролируемой газовой среде при температуре в камере инертного газа 500° С и постоянном давлении, при этом форма расплава в процессе обработки представляет вращающийся, с угловой скоростью 8600 об./мин., вокруг своей оси цилиндр с радиусом 210 мм, в полость которого с заданными во времени значениями расхода и температуры вводят горячий газовый агент, обеспечивают коэффициент перегрузки в диапазоне от 2000 до 10000 G, затем понижают температуру в камере естественным образом до 22-23° С в течение 10 минут с одновременной кристаллизацией расплава.
Преобразованный таким образом материал существенно изменяет свою структуру. Таким образом, данный метод обработки дал возможность поменять как химический состав цинка, так и его внутреннюю структуру.
Опытами было показано, что у структурированного чистого цинка, полученного в результате осуществления предложенного способа изменилось кристаллическое строение, механические модули, электрохимический потенциал, параметры сверхпроводимости и другие структурочувствительные свойства.
В исследованиях были использованы образцы реструктурированного цинка полученные путем кристаллизация металлического расплава с заданной массой и первоначальной температурой производилась при его объемном переохлаждении до температуры 22-23° С в течение 10 минут в нестационарных условиях и заданных во времени режимах воздействия поля центробежных сил с коэффициентом перегрузки в диапазоне от 2000 до 10000 G, определяемого центрифугированием, а также температурно-тепловым воздействием на расплав контактирующим с ним газовым теплоносителем с заданными во времени характеристиками температурой и расходом.
Скорость охлаждения материала устанавливалась в интервале от 5 до 100 град/сек. Форма материала в процессе обработки представляла собой вращающийся вокруг своей оси цилиндр с угловой скоростью 8600 об./мин., радиус вращающегося расплава не менее 210 мм, в полость которого с заданными во времени значениями расхода и температуры вводился горячий газовый агент. Коэффициент перегрузки обеспечивался в диапазоне от 2000 до 10000 G. Масса материала, обработанного таким образом, может составлять от от 70 до 300 кг.
Преобразованный и сформированный таким образом материал существенно изменяет свою структуру с образованием новых дефектов, что, повидимому, изменяет электронную структуру материала в целом. Степень обработки исследованных образцов варьировалась. По степени интенсивности обработки образцы условно обозначены Zn0 (без обработки), Zn1, Zn2, Zn3. Чем выше номер образца тем выше степень его обработки. Для исключения влияния особой структуры приповерхностных слоев образцы подвергались механохимической обработке в кислотной среде.
В качестве инструмента исследования был использован метод спектроскопии времени жизни позитронов, который подтвердил свою эффективность в исследовании электронной структуры твердых тел.
6
Временное разрешение спектрометра с использованием изотопа 44Ti составляет 240 ps, скорость счета 130 counts/s. Обработка спектров осуществлялась с помощью программного обеспечения LT 10. Для исследования времени жизни позитронов было набрано по 2 спектра, не менее 5 ⋅ 10 событий в каждом спектре.
Для проведения эксперимента образцы упаковывались в так называемой ”сэндвич-геометрии“, согласно которой 2 образца от каждой серии располагались с двух сторон от источника позитронов. Такая геометрия обеспечивает условие попадания максимальной доли излучаемых позитронов в исследуемый материал.
Для разложения спектров времени жизни (СВЖ) позитронов в исследуемых образцах помимо анализа среднего времени жизни позитронов в материале была использована двуxкомпонентная модель захвата позитронов дефектами (two state trapping model).
I
1
2
Спектры математически раскладывались на две экспоненциальные составляющие, характеризуемые временем жизни позитронов (τ) и интенсивностью компоненты (). Каждая компонента соответствует определенному состоянию позитрона в материале: делокализованное состояние позитрона в решетке (τ) и локализованное состояние в дефекте (τ). Результаты обработки спектров представлены в таблице 1.
I
2
Из таблицы видно, что с увеличением номера образца увеличивается и выходит на плато интенсивность  дефектной компоненты. Это говорит о росте концентрации вакансионных кластеров с увеличением степени обработки.
Предварительными опытами показано, что у чистых металлов, в том числе у цинка, можно изменять кристаллическое строение, механические модули, электрохимический потенциал, параметры сверхпроводимости и другие структурночувствительные свойства.
Механотермическая обработка различного уровня интенсивности оказывает влияние на электронную структуру материала. Соответственно имеются основания полагать, что изменения в электронной, а также дефектной структуре после обработки оказывают влияние на изменение времени жизни позитронов в материале.
В ходе экспериментов показано, что указанное механотермическое воздействие на материал существенно влияет на дефектную структуру материала, что сказывается на характере поведения позитронов в исследуемом материале. Во-первых, данное воздействие способствует расширению кристаллической решетки. Расширение кристаллической решетки увеличивается с увеличением степени деформации. Помимо этого, в образцах возникают объемные дефекты вакансионного типа (моно- и дивакансии). С увеличением степени воздействия происходит рост объема дефектов и количество дивакансий начинает оказывать преобладающий эффект на захват позитронов. На протяжении всего эксперимента наблюдается увеличение концентрации дефектов (с выходом на плато) с увеличением степени обработки материала.
Предложенное в заявленном способе комплексное сочетание механического и термического воздействий на расплавленный цинк позволяет значительно улучшить чистоту металла, а также существенно изменить его структуру и свойства за счет синергетического эффекта полученного в результате осуществления заявленного способа реструктурирования цинка.
В результате получен реструктурированный цинк со значительным улучшением его чистоты, а также существенным изменением его структуры, свойств и электронной плотности в целом с повышением его химической активности.
Так, например, химическая активность цинка выроста в 25 раз.
Поскольку появление особых свойств реструктурированного цинка экономически эффективно и удовлетворяет современным экологическим требованиям, новая технология при ее дальнейшем масштабировании будет широко востребована.