металлургического кремния

УДК669.782

Применение металлографического метода анализа

для изучения образцов металлургического кремния

1, 2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,

664074, 3.

Приведены результаты металлографического анализа образца металлургического кремния, полученного на . Описана методика приготовления образцов для металлографического анализа, требования, предъявляемые к ним. Приведены основные функции микроскопа «OlympusGX-51», используемого в исследованиях. Проведенные исследования показали наличие в образце кремния интерметаллических и неметаллических включений.

Ил. 1. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: кремний; рафинирование; металлография; микроструктура.

METALLOGRAPHIC USAGE METHOD ANALYSIS FOR EXAMINING METAL SILICON SAMPLES

E. Potapova, M. Leonova

National Research Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The paper presents the metallographic analysis results of a metallurgical silicon sample produced by the closed corporation "Kremniy". The authors describe the technique of samples preparation for metallographic analysis and their specifications; give the main «Olympus GX-51" microscope’s parameters used in investigations. The carried out investigations have shown the presence in the silicon sample of intermetallic and nonmetallic inclusions.

Keywords: silicon, refining, metallography, microstructure

Соединения кремния, широко распространенные на земле, были известны человеку с каменного века. Но с того периода, когда они использовались в качестве орудий труда, прошло много времени, и сейчас кремний является важнейшим материалом в различных отраслях промышленности. Без него сложно представить современное производство, т. к. кремний имеет разнообразные и все расширяющиеся области применения.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Специально легированный кремний применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, тиристоры). Поскольку кремний прозрачен для лучей с длиной волны от 1 до 9 мкм, его применяют в инфракрасной оптике. В металлургии кремний используется для удаления растворенного в расплавленных металлах кислорода (раскисления). Кремний также является основной составной частью большого числа сплавов железа и цветных металлов. Все большее его количество идет на синтез кремнийорганических соединений и силицидов. Кремнезем и многие силикаты (глины, полевые шпаты, слюды, тальки и т. д.) перерабатываются стекольной, цементной, керамической, электротехнической и другими отраслями промышленности.

Также кремний используют для работы солнечных батарей на спутниках, луноходах, космических кораблях и станциях. Для этих целей необходим материал высокой чистоты [1].

На производстве кремний получают восстановлением расплава SiO2 коксом при температуре около 2200 °C в руднотермических печах. Металл, полученный таким способом, может достигать лишь технической чистоты 99,9 %, что недостаточно для солнечной энергетики.

Для получения высокочистого кремния (с минимальным содержанием примесей) в качестве исходного сырья используют моносилан, очистка которого перегонкой при низкой температуре требует охлаждения азотом и гелием, что сильно увеличивает стоимость кремния.

Пока нет универсальной методики, которая могла бы выгодно отличаться в экономическом плане, но исследования в этом направлении ведутся неустанно. Рафинирование технического кремния, позволяющее частично избавиться от примесей (Ti, Ca, Fe, Al и др.) проходит по-разному, в зависимости от требований, прилагаемых к продукту на выходе.

Один из способов – окислительное рафинирование – применяется на ОК РУСАЛ (г. Шелехов, Иркутская обл.). Он осуществляется путем введения газовоздушной смеси через пробку специальной конструкции, располагаемую на днище ковша, а также подачи диоксида кремния в виде песка и других шлакообразующих компонентов. Для осуществления этого способа не требуется дополнительной тепловой энергии, т. к. теплота выделяется при окислительных реакциях. В этом случае важность имеет интенсивность перемешивания, особенно при подаче на поверхность рафинируемого кремния шлакообразующих элементов, а также для осуществления реакций между расплавом и флюсом. Перемешивание осуществляется за счет барботажа газовоздушной смеси (аргон с парами воды, кислородом, оксидом углерода), подаваемой через днище ковша, что также помогает уменьшить концентрацию примесей.

Нами для изучения были отобраны образцы кремния с при нормальной технологической работе печи после окислительного рафинирования в ковше емкостью до 2–3 т и направлены на металлографическое исследование. Это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленный на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на свойства металла (сплава).

Один из методов металлографического исследования – металлографический анализ – проводится при больших увеличениях на специализированных микроскопах и позволяет достаточно полно определить микроструктуру материала.

Изготовление образца как часть металлографического анализа начинается с отбора пробы [2]. Объект испытания может бытьбольше или меньше, чем требуемый для ручной манипуляции образец. В первом случае следует определить количество и положение отбираемых образцов. Если объект испытания имеет подходящие для изготовления образца форму и размеры, то следует определить поверхность исследования. Маленькие объекты испытания для обеспечения возможности манипулирования ими следует залить эпоксидной смолой (компаундом). Последовательность и выбор способов обработки заготовки для изготовления металлографического образца в значительной мере определяются задачей исследования. В отличие от стандартных методов испытаний механических или физических свойств материалов, когда порядок отбора и изготовления образцов однозначно определен, при проведении металлографического анализа допускается определенная свобода выбора методов отбора проб и изготовления образцов

Далее отобранный образец подвергается шлифованию. Его обрабатывают на вращающемся шлифовальном круге или опиливают напильником. При большой скорости вращения шлифовального круга подготовку поверхности ведут с охлаждением образца и с малым нажимом. Перегрев образца и сильное механическое воздействие могут вызвать изменение микроструктуры, что приведет к ошибочному результату исследования. Полученная поверхность должна быть плоской и не иметь завалов. Абразивными материалами при шлифовании чаще всего служит (как и в наших исследованиях) алмазная паста.

Чтобы окончательно выровнять поверхность, шлиф полируют до зеркального блеска. Применяют два способа полировки шлифов: механический и электролитический. В наших исследованиях использовался механический способ. Шлиф механическим способом полируют на полировальном станке. Принципиальное устройство его такое же, как и шлифовального. Над полировальным станком прикрепляют бачок для полировочной жидкости, которая через тонкую трубку с краном подается на полировальный круг. Полировальный круг помещен в кожух, имеющий патрубок для отвода жидкости. Круг покрывают мягкой тканью: сукном, фетром, драпом, шелком и др. Поскольку из шлифа могут выкрашиваться хрупкие фазы, то полировать его следует на ткани без ворса.

Скорости вращения полировальных кругов такие же, как и шлифовальных (20–140 рад/с). На поверхности полированного шлифа, как правило, структурные составляющие неразличимы. Перпендикулярно падающий свет обычно равномерно отражается от поверхности шлифа. Чтобы выявить структуру, прибегают к травлению (на образцах кремния используют травитель Дэша – смесь азотной, плавиковой и уксусной кислот, взятых в соотношении 3:1:10), при этом реактив взаимодействует с полированной поверхностью шлифа, и она растворяется или окрашивается тонким слоем продуктов травления. Под действием реактивов в металлах и сплавах, прежде всего, растворяются выделения на границах зерен, имеющих иную химическую природу. Каждая фаза растворяется по-разному: одна структурная составляющая растворяется в реактиве быстрее, другая – медленнее. Структура становится видимой, при этом отражательная способность шлифа испытывает изменения, которые внутри каждой фазы одинаковы независимо от условно ориентированного воздействия реактива. Возникает рельеф, который состоит из выступающих фаз. Благодаря этому становятся видимы контуры структурных составляющих. При применении косого освещения контуры четко различимы благодаря свету и тени [3; 4].

Отдельные структурные составляющие (фазы) по-разному растворяются и окрашиваются [5], поэтому путем травления можно различать химические и физические свойства металлов и сплавов, что необходимо для дальнейшего исследования.

В нашем случае металлографический анализ проводился на специализированном микроскопе «Olympus GX-51». Данный микроскоп оснащен цифровой камерой Altra20 и предназначен для получения в отражённом свете: светлопольных и темнопольных изображений; изображений дифференциального интерференционного контраста (DIC); изображений в поляризованном свете. Предельное увеличение микроскопа: Ч1000 (сменные объективы Ч5, Ч10, Ч20, Ч50, Ч100).

Все входящие в состав его системы модули разделены на три группы:

    инструменты – универсальные модули (таблицы), предназначенные для выполнения часто исполняемых процедур (измерение углов и длин, объектов, сшивка серии перекрывающихся изображений, реконструкция сфокусированного изображения), рабочая таблица, модуль пакетной обработки и генератор web-альбома; готовые решения – специализированные модули для автоматизированного решения конкретных задач обработки изображений в различных предметных областях (минералогический анализ концентрата, минералогический анализ по аншлифу);

    примеры – таблицы, содержащие примеры цепочек обработки (восстановление сетки границ зерен, определение геометрических параметров сетки, определение толщины слоя металлической чешуйки, анализ включений, определение размеров и др.). Нами были изучены образцы кремния рафинированного методом металлографического анализа (образцы после травления, темное и светлое поля, рис. 1, увеличениеЧ5).


Металлографическое исследование образца металлургического кремния

Интерметаллические включения: а – светлое поле; б – темное поле

Несмотря на то, что изучаемые образцы кремния содержат незначительное количество примесных включений, после травления на поверхности четко обозначились и были зафиксированы интерметаллические соединения, расположенные вдоль границ зерен кремния. При исследовании данных включений в темном поле (см. рис. 1, б) также можно сделать вывод, что примеси  представлены металлическими соединениями [1; 5]. Химический состав неоднороден, его можно определить, например, методом рентгеноспектрального микроанализа, на то будут направлены наши дальнейшие исследования. Наличие интерметаллидов в кремнии свидетельствует о том, что часть восстановленных металлов-примесей при окислительном рафинировании не перешли в шлак, а при охлаждении сконцентрировались на границах зерен [6].Также в образце кремния были зафиксированы и неметаллические включения – недовосстановленные оксиды кремния, железа, алюминия, кальция.

Применение металлографического метода анализа позволяет выявить микроструктуру исследуемого образца и наметить пути дальнейшего рафинирования кремния. Это необходимо для улучшения производства и получения более чистого продукта, готового к дальнейшему использованию в таких отраслях промышленности, как солнечная энергетика, где чистота материала является определяющим критерием.

Библиографический список

1. , Клец : свойства, получение, применение : учеб. пособие. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008. – 271 с.

2. М. Беккерт, Х. Клемм. Способы металлографического травления; пер. с немецкого. – 2-е изд, перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1988. – 400 с.

3.рактическая металлография. Методы изготовления образцов. – М.: Металлургия, 1988. – 320 с.

4. Богомолова металлография. – 2-е изд., испр. – М.: Высш. шк., 1982. – 272 с.

5. , Бельский тугоплавких металлов и кремния и проектирование цехов: лаб. практикум. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007.

6. , , . Исследование образцов кремния методом металлографического анализа: материалы Всероссийской науч.-техн. конф. с международным участием (Иркутск, 24–25 апреля 2012 г.). – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. – С. 42–44.

Работа выполнена по НИР № 14.В37.21.1064 в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы


1 , студентка кафедры металлургии цветных металлов, e-mail: *****@***edu

Potapova Ekaterina, a student of Metallurgy of Nonferrous Metals Department, e-mail: *****@***edu


2 , студентка кафедры металлургии цветных металлов, e-mail: *****@***edu

Leonova Maria, a student of the Metallurgy of Nonferrous Metals Department, e-mail: *****@***edu