Малотоннажная металлургия высокочистых и благородных металлов

Физико-технический институт (ФТИ) НАН Беларуси — практически единственное в государстве учреждение, специализирующееся на металлургической переработке отходов высокочистых цветных металлов и сплавов, в том числе драгоценных, производстве и поставке высококачественных полуфабрикатов и изделий на крупнейшие отечественные предприятия. Здесь разработаны и освоены уникальные для нашей страны технологии, основанные на сочетании вакуумной плавки, направленной кристаллизации, пластической деформации и формообразования [1]. Комбинация вышеперечисленных способов воздействия на металл создает уникальный инструмент получения высококачественной продукции.

Использование методов обычного литья, даже в случае плавки и разливки металла в вакууме, не гарантирует в отливке отсутствия междендритной пористости, пустот и раковин. Поэтому для ответственных полуфабрикатов и деталей полученные заготовки в дальнейшем, как правило, подвергаются пластической деформации. При привлечении методов точного литья и направленной кристаллизации перемещение в кристаллизуемом металле границы раздела «жидкое — твердое» вдоль изделия позволяет устранить междендритную пористость, раковины, пустоты. В результате проявления гравитационных эффектов и перемещения фронта кристаллизации происходит оттеснение оксидных и неметаллических включений в верхнюю отрезаемую часть прибыли.
Важнейшим направлением является разработка новых материалов и технологий получения катодов-мишеней для металлизации интегральных микросхем. Требования, предъявляемые потребителями к мишеням, достаточно жестки. Для катодов-мишеней недопустимо наличие в них пористости, трещин, газовых пузырей, инородных неметаллических включений, неоднородности по химсоставу. В частности, содержание растворенных газов не должно превышать 1 х 10-4 —1 х 10-5 %, так как перенос из мишеней различных ионных загрязнений может способствовать развитию электрохимической коррозии с образованием мостиков между элементами интегральных микросхем. Основой материала мишеней являются, как правило, особо чистые металлы с содержанием основного компонента не менее 99,95—99,99 масс.%. При этом для получения качественных покрытий коэффициент эффективного использования материала мишени составляет 25—30%. Остатки (~70% по массе) отработанных мишеней до освоения разработок ФТИ направлялись во «вторцветмет».
Технологии предусматривают утилизацию остатков отработанных катодов-мишеней, что обеспечивает значительную экономию высокочистых металлов и позволяет практически полностью исключить импорт¬ные закупки.
С использованием направленной кристаллизации выпускаются применяемые в основном производстве предприятий НПО «Интеграл» катоды-мишени из высокочистого алюминия и его сплавов с кремнием, медью, титаном. Налажен выпуск мишеней сложной конфигурации из благородных металлов — высокочистых серебра, платины и палладия для импорт¬ного оборудования.
Разработан новый сплав системы NiCrV для металлизации обратной стороны (МОС) мощных полупроводниковых приборов [2]. Организована поставка таких мишеней на завод полупроводниковых приборов НПО «Интеграл» для осуществления техпроцесса металлизации непланарной стороны пластин на установке «Плазма ЛПД». За счет повышения коррозионной стойкости промежуточного слоя возрастает количество напыленных с одной мишени пластин с 800 до 1000 шт., что ведет к увеличению на 2% коэффициента эффективного использования материала мишени.
Комбинация точного вакуумного литья, направленной кристаллизации, пластической деформации и механической обработки стала основой для разработки комплекса технологий металлургического передела благородных металлов.
Созданные технологии позволили изготовить более 120 кг высококачественных серебряных полуфабрикатов (пластин, проволоки, припоя), использованных художником Н.П. Кузьмичом при воссоздании раки святой Евфросинии Полоцкой. За вклад в воссоздание национальной святыни Физико-технический институт НАН Беларуси награжден грамотой Управления делами Президента Республики Беларусь, а ответственный исполнитель работ заведующий лабораторией Г.В. Купченко — памятной медалью Белорусского Экзархата.
Примером успешного освоения технологий является регенерация изношенных серебряных фильерных плавителей, используемых в прядильных машинах при производстве синтетических нитей в химической промышленности. Фильерные плавители представляют собой массивные серебряные диски (до 5 кг) с множеством (до 1200) регулярно расположенных отверстий диаметром 3,5 мм.
К этим деталям предъявляются высокие требования по компактности. Междендритная пористость приводит к браку и обрывности нитей, внутренние пустоты ухудшают теплопроводность, что искажает температурный режим плавления полимера. Так как литые заготовки для производства плавителей достаточно массивны — 8—13 кг, повторные переплавы могут повлечь за собой существенные безвозвратные потери серебра.
Важным направлением деятельности нашего института являются исследования и разработки по металлургическому переделу платины и ее сплавов. Технология передела платины и ее сплавов — как первичных, так и в виде лома — нашла реализацию применительно к двум основным направлениям: изготовлению соответствующей стандартам платиновой лабораторной посуды — чашек, тиглей с крышками; металлургической переработке лома стеклоплавильных агрегатов с последующим изготовлением проволоки и проката различной номенклатуры. Технологии основаны на сочетании литейных процессов с последующим использованием нескольких методов обработки материалов давлением, в частности прокатки листов заданной толщины, гидроударной вытяжки, вытяжки изделий с утонением стенки, гидроударной раздачи. Налажен постоянный выпуск проката из платинородиевых сплавов для ОАО «Полоцкстекловолокно» и УП «Завод Оптик» (г. Лида), лабораторной посуды из платины для ПО «Беларуськалий», ПО «Белгео», ОАО «Керамин», ПО «МТЗ», цементных и стекольных заводов, научно-исследовательских учреждений.
Научной базой для создания указанных технологий послужили разработки, выполненные ранее в области создания новых жаропрочных материалов, получаемых направленной кристаллизацией эвтектических сплавов. Это направление по-прежнему находится в сфере интересов ученых института. Разработана технология, реализующая замкнутый цикл: лом жаропрочных сплавов ? мерные заготовки ? колеса турбокомпрессора ? технологические отходы ? мерные заготовки и т.д. [3]. В настоящее время мерные слитки для колес турбокомпрессора поставляются на Борисовский завод агрегатов. Там же проводится опробование новых сплавов для колес турбокомпрессора — литых эвтектик системы Ni-Cr-Al-Ti-Nb. Являясь более легкими (7,7—7,8•103 кг/м3), чем традиционные дисперсионно-твердеющие сплавы, эвтектики перспективны для использования в автомобильных турбокомпрессорах нового поколения, работающих в среде выхлопных газов в диапазоне температур 400—750 °С при частоте вращения вала ротора 120 000 об./мин.
Созданное малотоннажное металлургическое производство, научная основа которого — разработки ФТИ НАН Беларуси в области металловедения направленно кристаллизованных сплавов и особых методов пластического деформирования и формообразования, обеспечивает существенный экономический эффект, связанный с экономией валюты за счет импортозамещения, повышения коэффициента эффективного использования металлов в связи с реализацией ресурсосберегающих технологий их переработки и многократного металлургического передела.
Геннадий Купченко, заведующий лабораторией литых композиционных материалов Физико-технического института НАН Беларуси, доктор технических наук
Александр Майонов, ведущий научный сотрудник Физико-технического института НАН Беларуси, кандидат технических наук
Ольга Поко, ведущий научный сотрудник Физико-технического института НАН Беларуси, кандидат технических наук