Расплавы, 2022, № 2, стр. 214-220

Физическое воздействие электрического поля на металлы оценено экспериментально [1–7]. Поверхность монокристаллов очищали в электрическом поле до атомной чистоты [1]. Рафинирование расплавов в электрическом поле рассмотрено в работах [2–4]. Изменение веса расплавов в опытах не соответствовало переносу одноатомных ионов по закону Фарадея для электролитов. Расхождение снижалось при переносе многоатомных ионов. Многоатомность переносимых в электрическом поле ионов подтвердили снимки удаления микронных капелек галлия и индия с поверхности расплава [5]. Авторы определили увеличение числа атомов в ионах Ga⁺ с 2 до 6 [5], ионах Au⁺ с 2 до 7 [6] при повышении прошедшего количества электричества. Многоатомные группировки (эктоны) обнаружены при взрыве перегретых микрообъемов металлов на катоде [7]. Их перенос на анод сопровождал поток 10¹¹ электронов. В статье по изменению веса расплава Fe–Al (50 мас. %) в электрическом поле [3] рассматривается удаление и возвращение элементов в расплав. Определяются атомные массы их ионов в период проведения опыта. Анализ экспериментальных результатов проводится по проверенной методике [6] с определением атомности по массе одноатомных.

Межэлектродный перенос М(г) элементов расплава в электрическом поле равен произведению числа ${{QX} \mathord{\left/ {\vphantom {{QX} e}} \right. \kern-0em} e}$ однозарядных ионов и атомной массы ${{Am} \mathord{\left/ {\vphantom {{Am} {{{N}_{{\text{A}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{N}_{{\text{A}}}}}}$ иона

Q – прошедшее количество электричества, Кл; Х – доля однозарядных ионов в прошедшем электричестве; Аm – атомная масса иона переносимого элемента с атомным весом А и числом атомов m; е – элементарный заряд; ${{N}_{{\text{A}}}}$ – число Авогадро.

В опытах замеряли изменение массы М расплава и прошедшее количество электричества Q. Доли ${{X}^{ - }},$ ${{X}^{ + }}$ однозарядных ионов в количестве электричества рассчитывали по отношению скорости ${{W}^{ + }}$ переносимого в электрическом поле иона к сумме его скорости и скорости ${{W}^{ - }}$ электрона при соответствующих полярностях расплава

Здесь Е – напряженность электрического поля, В/см; Т – температура, К; Р – давление газа-наполнителя, Н/м²; N – концентрация атомов (молекул) в газе при нормальных условиях.

Скорости ${{W}^{ + }}$ ионов определяли по приведенным подвижностям К₀ при нормальных условиях [8]:

Приведенные подвижности K₀ ионов Al⁺ – 22.35, Fe⁺ – 21.80, FeAl⁺ – 20.17, ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }$ – 17.01 см²/В · с в гелии рассчитаны по подвижностям близких по атомной массе щелочных металлов и инертных газов [8]. Скорости ${{W}^{ - }}$ электрона в гелии известна и зависит от отношения E/N [9]. Данные по скоростям ${{W}^{ + }}$ ионов и ${{W}^{ - }}$ электронов позволили определить доли ${{X}^{ - }},$ ${{X}^{ + }}$ ионов в прошедшем количестве электричества при соответствующих полярностях расплава.

Изменение веса М расплава в опыте происходило при совместном переносе элементов однозарядными ионами разной атомности. Атомность ионов каждого элемента определили по массе одноатомного иона с учетом необходимого для его переноса количества электричества и соответствующего изменения веса расплава. Необходимое количество электричества Q_э представляло часть прошедшего Q. Оно определено по отношению произведения доли Х_э ионов в электричестве и атомного веса А_э элемента к сумме их значений всех участников переноса

Масса М_э одноатомных ионов рассчитана по значениям Q_э, Х_э при одном атоме (1). Сумма произведений переноса массы М_э одноатомными ионами Al⁺, Fe⁺, FeAl⁺, ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }$ на определяемое число атомов m_э равна переносу массы М в опыте

Удаление в электрическом поле ионов из расплавов чистого кремния [10] и серебра [11] количественно определено при атмосферном давлении гелия. Перенос капелек галлия, индия [5] и группировок металлов [7] в разреженных газах в вакууме на порядки превышал определенный в атмосфере гелия. Это согласуется с оценкой давления газа наполнителя на перенос элементов в электрическом поле [12].

Влияние электрического поля на перенос элементов, напряжения в двухсантиметровом пространстве гелия между молибденовым электродом и расплавом при температуре 1655°С приведено на рис. 1. Сплошные линии относятся к основным результатам опыта. Пунктирные линии показывают изменение напряжения при сохранении тока 400 мА. Изменения напряжения получены при кратковременных замерах (~0.1 мин). Прошедшее в это время количество электричества 1.2 Кл/мин совместно с основным составили 13.2 Кл/мин. Вес расплава при отрицательной полярности уменьшился на 14.4 · 10^–3 г. Основное снижение 8 · 10^–3 г произошло в первые 10 мин, когда напряжение снижалось на 120 В. В остальное время снижение веса замедлялось, хотя напряжение росло со 120 до 170 В при токе 200 мА. Межчастичные связи в поверхностном слое расплава возрастали. Смена полярности изменила направление переноса элементов. Вес расплава увеличился на 34.66 · 10^–3 г при постоянной скорости переноса, токе 200 мА. Приложенное межэлектродное напряжение 240–220 В было выше предыдущего. Межчастичные связи в поверхностном слое молибденового электрода прочнее, чем на поверхности расплава. Они снижались в период выдержки не нарушая отличия.

Экспериментальные данные для расчета межэлектродного переноса элементов приведены в табл. 1. Масса одноатомных и многоатомных ионов переносимых элементов определена по данным опыта в пяти коротких периодах при отрицательной (–) и положительной (+) полярности расплава (табл. 1). Перенос элементов в расплав и удаление в короткие периоды соответствовал времени очередности. Перенос массы в опыте и короткие периоды равен изменению веса расплава. По значениям E/N найдены скорости электронов [9]. Скорости ионов ${{W}^{ + }}$ для Al⁺, Fe⁺, FeAl⁺, ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }$ рассчитаны (3) с использованием их приведенных подвижностей K₀ – 22.39; 21.00; 20.17; 17.05 см²/В · с [12]. Доли ионов Х в электричестве определены по скоростям ${{W}^{ - }},$ ${{W}^{ + }}$ при отрицательной и положительной полярности расплава. Разные значения ${{X}^{ - }},$ ${{X}^{ + }}$ отражают влияние полярности расплава, напряженности электрического поля и атомного веса элемента. Далее приведено рассчитанное, необходимое количество электричества Q_э для переноса массы одноатомных ионов. Сумма Q_э соответствовала прошедшему электричеству Q в опыте и каждом периоде.

Значения Х_э, Q_э при m = 1 использовали для расчета (1) массы одноатомных ионов ${{M}_{{{\text{Al}}}}},$ ${{M}_{{{\text{Fe}}}}},$ ${{M}_{{{\text{FeAl}}}}},$ ${{M}_{{{\text{MoAl}}}}}.$ По сумме их произведений на определяемое число атомов, равной переносу массы в соответствующий период, определили число атомов m в ионах переносимых элементов (табл. 2). Получено двенадцать похожих уравнений. Приведены два для опыта при отрицательной полярности

и положительной: а также два для второго короткого периода:

Результаты расчета убедили в удалении Al, Fe, FeAl из расплава при отрицательной полярности (табл. 2). В расплав после смены полярности с молибденового электрода переносились еще ионы ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }.$ Атомность ионов удаляемых элементов в первый период опыта была ниже переносимых в расплав (табл. 2). Различие сохранилось и в короткие второй–шестой периоды проведения опыта. Из расплава в короткий второй период удалялись только ионы ${\text{Fe}}_{3}^{ + }.$ Отсутствие алюминия возможно связано с погрешностью измерений. Последующее удаление многоатомных ионов ${\text{Al}}_{{18}}^{ + }$ совместно с ${\text{Fe}}_{3}^{ + }$ убеждает в участии ионов алюминия в предшествующем периоде. В следующих четвертом и пятом периодах снижалась атомность ионов ${\text{Al}}_{7}^{ + }$ до ${\text{Al}}_{4}^{ + }$ без изменения ионов ${\text{Fe}}_{3}^{ + }$ и FeAl⁺. Происходило удаление алюминия из расплава. В завершающий шестой период из расплава удалялись одноатомные ионы алюминия и железа. В поверхностном слое меньше осталось алюминия и железа, отсутствовал ферроалюминий.

Изменение переноса элементов во втором–шестом периодах с поверхности молибденового электрода в расплав связано с образованием ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }$ и отсутствием стабильности в составе поверхностного слоя. Перенос ионов ${\text{Al}}_{8}^{ + },$ ${\text{Fe}}_{5}^{ + },$ FeAl⁺ в коротком втором периоде резко изменился в следующем третьем периоде, где происходил перенос ионов Al⁺, ${\text{Fe}}_{3}^{ + },$ ${\text{FeAl}}_{3}^{ + }$ и ${\text{MoAl}}_{3}^{ + }.$ В четвертом периоде переносились ионы Al⁺, ${\text{Fe}}_{5}^{ + },$ 3FeAl⁺ , пятом – ${\text{Al}}_{8}^{ + },$ ${\text{Fe}}_{4}^{ + },$ 2FeAl⁺, шестом – ${\text{Al}}_{6}^{ + },$ ${\text{Fe}}_{3}^{ + },$ 3FeAl⁺, близкие по атомности. Это свидетельствует о повышении стабильности в составе поверхностного слоя электрода.

Элементы в электрическом поле переносили ионы. Определена атомность и масса ионов переносимых элементов. Показано их изменение в период проведения опыта. При отрицательной полярности расплава элементы удалялись, при положительной переносились в расплав. Межэлектродные переносы элементов отражали изменения в составе поверхностного слоя. Расхождение рассчитанных масс ионов переносимых элементов в гелии при различных полярностях и полученных в опыте было меньше процента.

Работа выполнена по Госзаданию Имет УрО РАН.