,994 北京科技大学学报 第32卷 1硅锰合金电阻法定硅的基本原理 质与之相差甚远，若将SiMn铁合金作为准二元合 金考虑，则其电阻率随S含量的变化规律也应存在 金属具有良好的导电性，而表征金属导电性的 与图1相似的情况.由此，可以通过在精炼过程中 电阻率具有组织敏感性，所以可用电阻法来研究金 实时取样，测量其电阻率大小，间接地确定合金中硅 属或合金的固溶过程8-山.Math iessen定则将低浓 的含量 度固溶体的电阻率分为两部分：一部分是溶剂金属 的电阻率，它随温度而变化，并且在0K时趋于零； 2实验方法和装置 另一部分为溶质元素造成的附加电阻率，它不随温 2.1不同硅含量硅锰合金的熔炼和取样方法 度变化而变化，因此，Matth iessen定则的表达式为： 用50kg中频感应炉熔炼不同硅含量的硅锰合 p=Pnm十∑P.C (1) 金，采用中碳锰铁加硅铁和硅锰合金加锰矿两种方 式中，P为纯金属在室温下的电阻率；ΣPC:为合 法制备实验样品15个；此外，在生产实际中随机取 金中溶质原子的附加电阻率的总和，即P为第种 样12个，经分析，上述试样硅的质量分数为 溶质原子的附加电阻率，C,为这种溶质原子的原子 1.83%~17.39%,符合硅热法精炼过程合金成分的 分数 变化情况 对于二元合金，如果互不溶解，则形成纯金属混 采用石英管和真空取样器（图2这两种方式获 合物，如Ph-SnPh-Cd Zn-Sn和ZnCd该混合物 取电阻测量试样，试样直径6.00~6.50mm、长5~ 的电导率粗略地按两个纯金属电导率的体积质量平 15am,能满足电阻测量要求. 均，这同样适用于两相混合物合金，在二元合金固 溶体组织中，若无超点阵形成，其电阻率随第2组元 的加入而迅速增加，达到最大之后，逐渐下降到第2 组元纯金属的电阻率.图1给出Cu-Ni Ag-Pd合 金的电阻率随成分变化的曲线2(AgPd为273K 图2真空取样器 Fig 2 Vacuum sampler CuN为373K)实际上，无论合金以上述何种组 织形态存在，电阻率随成分的变化均为单值函数， 2.2电阻测量装置和测量方法 采用经改进的TE2511A型直流低电阻测试仪 测量硅锰铁合金试棒电阻值，该设备电阻测试范围 Cu-Ni 为12~2002，基本精度为士0.1%，使用开尔文 测试夹， 用于电阻测量的硅锰铁合金试棒，先用细砂纸 Ag-Pd 打磨表面，清除氧化铁皮，在试棒拟测试的两端做 相应记号，用游标卡尺测其长度，并在试样测量长度 范围内取三个点测量试棒直径，取其平均值作为计 40 60 80 100 算试棒电阻率的名义直径，采用石英管或真空取样 原子分数% Ag 器取样时，试棒平直、表面光滑，试棒直径尺寸未见 有变化，用两个开尔文测试夹夹持被测试棒已标记 图1 Cu-Ni Ag-Pd合金电阻率成分曲线 的两端，如果接触电阻在0.3m2以下，可以直接测 Fig 1 Relationship between resistivity and camposition ofCuNiand AgPd alloys 量，否则需要将仪器清零后再进行测量，试棒采取 随机抽样的方法测量（不按合金中硅含量的大小顺 用于生产中、低碳锰铁的SiMn铁合金，其硅 序测量)，这样可以清除测量系统误差和接触电阻 的质量分数一般要求为18%~24%，除少量C、P和 变化对测量准确度的影响，考虑到取样试棒的被测 S等杂质元素外，其主体元素是Fe和Mn硅热法精 量部分有可能存在裂隙或夹渣等缺陷，取所有测量 炼过程实质上是锰矿石对Si-Mn铁合金的脱硅过 值中的最小值作为样品电阻，对每根试样棒，根据 程，终点硅的质量分数控制于1.%~2.%，由于 设定的测量长度共测八个数据，取其中最小的电阻 FeMn两种元素的物理化学性质接近，而Si元素性 值，计算合金材料的名义电阻率的公式为：北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 1 硅锰合金电阻法定硅的基本原理 金属具有良好的导电性‚而表征金属导电性的 电阻率具有组织敏感性‚所以可用电阻法来研究金 属或合金的固溶过程 ［8--11］．Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎ定则将低浓 度固溶体的电阻率分为两部分：一部分是溶剂金属 的电阻率‚它随温度而变化‚并且在 0Ｋ时趋于零； 另一部分为溶质元素造成的附加电阻率‚它不随温 度变化而变化．因此‚Ｍａｔｔｈｉｅｓｓｅｎ定则的表达式为： ρ＝ρｐｕｒｅ＋ΣρｉＣｉ （1） 式中‚ρｐｕｒｅ为纯金属在室温下的电阻率；ΣρｉＣｉ为合 金中溶质原子的附加电阻率的总和‚即 ρｉ为第 ｉ种 溶质原子的附加电阻率‚Ｃｉ为这种溶质原子的原子 分数． 对于二元合金‚如果互不溶解‚则形成纯金属混 合物‚如 Ｐｂ--Ｓｎ、Ｐｂ--Ｃｄ、Ｚｎ--Ｓｎ和 Ｚｎ--Ｃｄ‚该混合物 的电导率粗略地按两个纯金属电导率的体积质量平 均‚这同样适用于两相混合物合金．在二元合金固 溶体组织中‚若无超点阵形成‚其电阻率随第 2组元 的加入而迅速增加‚达到最大之后‚逐渐下降到第 2 组元纯金属的电阻率．图 1给出 Ｃｕ--Ｎｉ、Ａｇ--Ｐｄ合 金的电阻率随成分变化的曲线 ［12］ （Ａｇ--Ｐｄ为 273Ｋ‚ Ｃｕ--Ｎｉ为 373Ｋ）．实际上‚无论合金以上述何种组 织形态存在‚电阻率随成分的变化均为单值函数． 图 1 Ｃｕ--Ｎｉ、Ａｇ--Ｐｄ合金电阻率--成分曲线 Ｆｉｇ．1 ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＣｕ-Ｎｉａｎｄ Ａｇ-Ｐｄａｌｌｏｙｓ 用于生产中、低碳锰铁的 Ｓｉ--Ｍｎ铁合金‚其硅 的质量分数一般要求为 18％ ～24％‚除少量 Ｃ、Ｐ和 Ｓ等杂质元素外‚其主体元素是 Ｆｅ和 Ｍｎ．硅热法精 炼过程实质上是锰矿石对 Ｓｉ--Ｍｎ铁合金的脱硅过 程‚终点硅的质量分数控制于 1∙5％ ～2∙5％‚由于 Ｆｅ、Ｍｎ两种元素的物理化学性质接近‚而 Ｓｉ元素性 质与之相差甚远‚若将 Ｓｉ--Ｍｎ铁合金作为准二元合 金考虑‚则其电阻率随 Ｓｉ含量的变化规律也应存在 与图 1相似的情况．由此‚可以通过在精炼过程中 实时取样‚测量其电阻率大小‚间接地确定合金中硅 的含量． 2 实验方法和装置 2∙1 不同硅含量硅锰合金的熔炼和取样方法 用 50ｋｇ中频感应炉熔炼不同硅含量的硅锰合 金‚采用中碳锰铁加硅铁和硅锰合金加锰矿两种方 法制备实验样品 15个；此外‚在生产实际中随机取 样 12个．经 分 析‚上 述 试 样 硅 的 质 量 分 数 为 1∙83％ ～17∙39％‚符合硅热法精炼过程合金成分的 变化情况． 采用石英管和真空取样器 （图 2）这两种方式获 取电阻测量试样‚试样直径 6∙00～6∙50ｍｍ、长 5～ 15ｃｍ‚能满足电阻测量要求． 图 2 真空取样器 Ｆｉｇ．2 Ｖａｃｕｕｍｓａｍｐｌｅｒ 2∙2 电阻测量装置和测量方法 采用经改进的 ＴＥ2511Ａ型直流低电阻测试仪 测量硅锰铁合金试棒电阻值．该设备电阻测试范围 为 1μΩ～200Ω‚基本精度为 ±0∙1％‚使用开尔文 测试夹． 用于电阻测量的硅锰铁合金试棒‚先用细砂纸 打磨表面‚清除氧化铁皮．在试棒拟测试的两端做 相应记号‚用游标卡尺测其长度‚并在试样测量长度 范围内取三个点测量试棒直径‚取其平均值作为计 算试棒电阻率的名义直径．采用石英管或真空取样 器取样时‚试棒平直、表面光滑‚试棒直径尺寸未见 有变化．用两个开尔文测试夹夹持被测试棒已标记 的两端‚如果接触电阻在 0∙3ｍΩ以下‚可以直接测 量‚否则需要将仪器清零后再进行测量．试棒采取 随机抽样的方法测量 （不按合金中硅含量的大小顺 序测量 ）‚这样可以清除测量系统误差和接触电阻 变化对测量准确度的影响．考虑到取样试棒的被测 量部分有可能存在裂隙或夹渣等缺陷‚取所有测量 值中的最小值作为样品电阻．对每根试样棒‚根据 设定的测量长度共测八个数据‚取其中最小的电阻 值‚计算合金材料的名义电阻率的公式为： ·994·