Способ механической обработки давлением металлов и полупроводников с применением электропластического эффекта

Способ механической обработки давлением металлов и полупроводников с применением электропластического эффекта

Реферат

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.

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/см². 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.

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_m [сек], которое описывается формулой:

Θ_m=ε_oερ/4π,

где ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума, постоянная, равная

8,854·10^-14 [Ф/см]=8,85418·10^-14 [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.

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.

Время Θ_m зависит от свойств материала. Например, для полупроводников, где концентрация электронов в условиях термодинамического равновесия n_no может изменяться в пределах (1·10¹¹-1·10²⁰) см^-3, Θ_m изменяется в пределах (0,63·10^-6-0,63·10^-15) сек (Ю.Р.Носов. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. - М., Наука, 1968. [3]). В металлах, где n_no достигает 10²² см^-3, Θ_m имеет значения на несколько порядков меньше.

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_m. 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.

Как видно из чертежа, заметный ток появляется только после окончания времени релаксации, в режиме, когда длительность импульса превышает Θ_m (показано пунктиром).

Следовательно, если на материал в месте механической обработки действуют короткие импульсы электрического поля (напряженности), длительность которых меньше или равна Θ_m, расход тока и соответственно электроэнергии для достижения электропластической деформации несравнимо меньше, чем в способе-прототипе [2].

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_т [В]:

E·d>>φ_т.

Тепловой потенциал определяется как

φ_т=kT/q,

где k - постоянная Больцмана, равная 1,38066·10^-23 [Дж/K];

Т - абсолютная температура [K];

q - заряд электрона, постоянная, равная 1,60218·10^-19 [Кл].

При комнатной температуре (25°С) φ_т имеет значение 0,026 В.

Для десятикратного превосходства электрического воздействия над тепловым получаем условие:

Е=10φ_т/d

Для дислокаций с длиной d=100 мкм (10^-2 см) получаем Е=26 В/см.

Для дислокаций длиной d=10 мкм (10^-3 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.

Способ обработки давлением металлов и полупроводников, включающий механическую обработку заготовки с одновременным приложением импульсного электрического поля для пластификации и снижения сопротивления материала деформированию, отличающийся тем, что прикладывают импульсы электрического поля с длительностью импульсов Θ_m порядка максвелловского времени релаксации, равной:Θ_m=ε_оερ/4π,где ε_o - диэлектрическая проницаемость вакуума,ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала,ρ - удельное сопротивление материала.