Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - H. 25. 19 juni 1956 - Zonsmältning med temperaturgradient, av SHl
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
12 juni 1956
591
Zonsmältning
med temperaturgradient
669.054.2
Under vissa betingelser kan man bringa en smält zon att
röra sig genom en fast fas genom att lägga en stationär
temperaturgradient över den fasta kroppen. Detta
fenomen, som man just börjat att studera, kan utnyttjas t.ex.
vid tillverkning av halvledarelement, enkristaller och
legeringar i liten skala, fogning av metaller, borrning av fina
hål, mätning av diffusionshastigheter i vätskor och rening
av metaller.
Teori
För enkelhets skull betraktas ett binärt system. I detta
antas den ena komponentens B koncentration i den smälta
zonen vara tillräcklig för en sänkning av den andra
komponentens A stelningstemperatur, som är minst lika stor
som den temperaturgradient som anbringas på chargen.
Det antas vidare att B:s diffusion in i den omgivande fasta
fasen kan försummas.
Ett tunt skikt av fas B tänks placerat mellan två fasta
block av A (fig. 1). På detta system anbringas en
temperaturgradient så att ß-skiktets temperatur överstiger
systemets lägsta smälttemperatur. Det stycke av A som har
lägre temperatur kallas ympmaterial. Då komponent B är
omgiven av A löser sig denna i B varvid en smält zon
uppstår och växer i längd.
Då upplösningen av A sker i båda fasgränserna, kommer
B:s genomsnittliga koncentration i smältzonen att
förskjutas åt höger i fasdiagrammet (fig. 1 t.v.) tills vätskan
vid den kallare gränsytan når likviduskoncentrationen C,
vid temperaturen 7\. Därefter slutar upplösningen av A,
eftersom vätskan är mättad med A vid temperaturen 7\.
Vid den varmare ändan av den smälta zonen, som har
temperaturen T2, är vätskan däremot inte mättad med A,
och denna fortsätter därför att gå i lösning tills B:s
koncentration i smältan närmar sig C2.
Därför uppstår en koncentrationsgradient i smältzonen
varigenom A diffunderar mot den kallare ändan och B
mot den varmare. Lösningen vid den förra blir övermättad,
och ett skikt av kristallin A med ß-koncentrationen kCt i
fast lösning stelnar. Då A alltså flyttas från den varma
ändan till den kalla, vandrar den smälta zonen genom den
Referat av uppsats av W G Pfann i Journal of Metals sept. 1955
s. 961—964.
A*B
Fig. 1. Zonsmältning med temperaturgradient; t.v. del av
fasdiagrammet, t.h. upptill chargens temperatur, nedtill
chargen som består av en smältzon innehållande ämnena
A och B och ett fast ämne A.
Temperatur
Fig. 2. Zonsmältning med en temperaturgradient
åstadkommen av två yttre värmeelement.
fasta chargen mot den del av denna som har den högsta
temperaturen.
Smältzonens längd bestäms av två faktorer. Dess
sammansättning följer nämligen likviduslinjen (fig. 1 t.v.),
dvs. löslighet i smältan växer med stigande
temperatur. Härigenom ökas smältzonens längd; ökningen blir
emellertid liten, om likviduslinjens lutning är stor eller A:s
koncentration i smältzonen är liten.
Dennas halt av B avtar emellertid genom att B ingår i
den stelnade zonen bakom smältan. Härigenom avtar den
mängd A, som kan lösa sig i smältzonen, och därför blir
dennas längd mindre; minskningen blir liten om B:s
löslighet i A är liten. Smältzonens längd kan alltså antingen
växa eller avta beroende på vilken av de båda effekterna
som överväger.
Den stelnade zonens sammansättning, dvs. dess halt av
B, kan variera mer eller mindre längs chargen. Ändringen
i B:s koncentration bestäms nämligen framför allt av
tem-peraturgradienten. Då smältzonen i sammansättning följer
likviduslinjen (fig. 1) medan den passerar
temperaturgra-dienten i chargen, måste B:s koncentration i den stelnade
zonen vara proportionell mot dem som motsvarar
temperaturerna inom det passerade intervallet.
Vid relativt liten temperaturgradient varierar därför B:s
koncentration i den stelnade zonen relativt litet. Då
emellertid smältzonens vandringshastighet avtar med
tempera-turgradienten, måste man i allmänhet göra en kompromiss
mellan önskemålen om en jämn produkt och processens
snabbhet.
Sammansättningsändringen i den stelnade zonen
sammanhänger också med ändringen av smältzonens längd. Om
dess temperatur stiger under dess vandring, avtar B:s
koncentration C b i den stelnade zonen (fig. 1 t.v.). I detta fall
kan smältzonens längd växa, förbli konstant eller t.o.m.
avta. Om dess temperatur förblir konstant, vilket också
är möjligt, förblir C b konstant trots att B hela tiden
förloras till den stelnade zonen. Därför måste smältzonens
längd avta så mycket att dess koncentration hålls konstant.
Detta sker automatiskt ända tills smältzonen försvinner.
Smältzonens vandringshastighet bestäms av
temperatur-gradienten dT/dx, likviduslinjens lutning dT/dC och
dif-fusionshastigheten i vätskan D. Stor vandringshastighet
gynnas av stor dT/dx och D samt liten dT/dC.
Smältvär-met och värmeledningsförmågan kan i vissa fall vara av
betydelse genom att de påverkar temperaturgradienten i
smältzonen. Är de stora, tenderar gradienten att bli mindre.
Det sätt, varpå temperaturgradienten åstadkommes, kan
inverka betydligt på smältzonens vandringshastighet. Om
smältzonen uppstår i en kort gradient mellan två fasta,
yttre värmeelement (fig. 2), rör den sig åt höger och
stannar där temperaturen T2 nåtts. Förflyttas emellertid
värmeelementen i samma riktning, förskjuts
temperaturkurvan (streckad linje), och smältans sammansättning
stiger långsammare längs likviduslinjen. Dess temperatur kan
därför i princip hållas konstant genom reglering av värme
elementens rörelsehastighet.
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
