Авторы

Исследование диффузионных процессов при реакционном синтезе интерметаллидов железа и олова

DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-62-68
УДК 536.4

Исследование диффузионных процессов при реакционном синтезе интерметаллидов железа и олова

Болкунов Г. А., Новотельнова А. В., Попов Н. С., Бочканов Ф. Ю., Карпенков Д. Ю.

Ссылка для цитирования: Болкунов Г.А., Новотельнова А.В., Попов Н.С., Бочканов Ф.Ю., Карпенков Д.Ю. Исследование диффузионных процессов при реакционном синтезе интерметаллидов железа и олова. // Вестник Международной академии холода. 2026. № 1. С. 62-68. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-62-68. [Bolkunov G.A., Novotelnova A.V., Popov N.S., Bochkanov F.Yu., Karpenkov D.Yu. Diffusion processes during reaction synthesis of iron-tin intermetallic compounds. Journal of International Academy of Refrigeration. 2026. No 1. p. 62-68. DOI: 10.17586/1606-4313-2026-25-1-62-68. (in Russian)]

Аннотация
Рост цен на редкоземельные металлы и растущее применение постоянных магнитов привел к возобновлению интереса к созданию новых магнитных материалов. Перспективным направлением поиска стали не содержащие редкоземельных элементов материалы на основе системы железо-олово, получаемые методом твердофазного синтеза. Решающее значение при их синтезе имеют диффузионные процессы. Исследованы диффузионные процессы при реакционном синтезе магнитных материалов на основе интерметаллидов системы железо-олово с повышенными термомагнитными свойствами. Синтез производится при нагреве реакционной зоны электрическим током высокой плотности до температур, превышающих температуру плавления олова. Методом математического моделирования проанализировано влияние геометрических размеров реакционной зоны на тепловые режимы и интенсивность диффузионных процессов системы железо - олово при их электротермической обработке. Выполнен анализ расчетных данных по диффузии олова в железо в процессе реакционного синтеза интерметаллидов системы железо-олово в условиях длительного электротермического воздействия. Установлено, что изменение геометрических размеров тигля существенно влияет на температурные режимы и активность диффузионных процессов. Поддержание пропорций тигля обеспечивает согласованное распределение силовых линий электрического тока внутри тигля и заданный температурный режим синтеза, тем самым облегчая получение воспроизводимых результатов. Результаты исследований могут быть использованы при прогнозировании условий получения новых функциональных магнитных материалов.

Ключевые слова: диффузия, синтез, тепловые и электрические поля, интерметаллиды олова и железа, компьютерное моделирование, температура, плавление.

Список литературы

1. Sales B., Saparov B., McGuire M. et al. Ferromagnetism of Fe₃Sn and Alloys.Scientific Reports.2014. No 4, p. 7024. DOI:10.1038/srep07024.

2. Dally R.L., Phelan D., Bishop N., Ghimire N.J., Lynn J.W.Isotropic Nature of the Metallic Kagome Ferromagnet Fe₃Sn₂at High Temperatures. Crystals (Basel). 2021; 11(3): 10.3390/cryst11030307. DOI: 10.3390/cryst11030307.

3. Miyasato T., Abe N., Fujii T., Asamitsu A., Onose Y., Onoda S., Tokura Y.Anomalous Hall effect and Nernst effect in itinerant ferromagnets. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007, vol. 310(2), p. 1053-1055. DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.10.239

4. Predel B. Fe-Sn (Iron-tin). Dy-Er–Fr-Mo. 1995. p. 1-5. DOI: 10.1007/10474837_1342.

5. Li H. et al. Large anisotropic topological Hall effect in a hexagonal non-collinear magnet Fe₅Sn₃. Applied Physics Letters. 2020. vol. 116. no. 18. p. 182405.DOI: 10.1063/5.0005493

6. Fayyazi B. et al. Bulk combinatorial analysis for searching new rare-earth free permanent magnets: Reactive crucible melting applied to the Fe-Sn binary system. Acta Materialia. 2017. vol. 141. p. 434-443. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.09.036

7. Zhang H., Xu C.Q., Ke X. Topological Nernst Effect, Anomalous Nernst Effect, and Anomalous Thermal Hall Effect in the Dirac Semimetal Fe₃Sn₂. Phys. Rev. B. 2021. Vol. 103, p. 201101. DOI: 10.1103/physrevb.103.l201101

8. Yin J.X., Lian B., Hasan M.Z. Topological kagome magnets and superconductors. Nature, 2022. Vol. 612. P. 647-657. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05516-0

9. Deli Kong, András Kovács, Michalis Charilaou et al.Strain Engineering of Magnetic Anisotropy in the Kagome Magnet Fe₃Sn₂. ACS Nano. 2025, vol. 19, no. 8, p. 8142-8151. DOI: 10.1021/acsnano.4c16603

10. Shen C., Samathrakis I., Hu K. et al. Thermodynamical and topological properties of metastable Fe₃Sn. npj Computational Materials. 2022. Vol. 8(1), p. 248. DOI: 10.1038/s41524-022-00917-1

11. Mohd Izrul Izwan Ramli, Mohd Arif Anuar Mohd Salleh, Mohd Mustafa Al Bakri Abdullah et al. Formation and Growth of Intermetallic Compounds in Lead-Free Solder Joints: A Review. Materials. 2022, vol. 15(4), p. 1451. DOI: 10.3390/ma15041451

12. Nattaya Tosangthum, Pinya Meesa-Ard, Ruangdaj Tongsri. Fe-Sn Intermetallic Compound Synthesized via Mechanical Alloying and Liquid Phase Sintering. Chiang Mai University Journal of Natural Sciences. 2017 16(4):239-253. DOI: 10.12982/CMUJNS.2017.0019

13. Bochkanov F., Karpenkov D., Fomin V., Tukmakova A., Kvashnin A., Novotelnova A., Kutsemako O., Kulesh N., Kurichenko V., Bajenova I., Khvan A.Electrical current-assisted reactive crucible melting technique: Case study of the Fe-Sn system. Materialia. 2024. Vol. 36, pp. 102152. DOI: 10.1016/j.mtla.2024.102152

14. Bochkanov F.Y., Kutsemako O.D., Fomin V.E., Novotelnova A.V., Karpenkov D.Y. The influence of temperature gradients in the diffusion zone of the Fe-Sn reaction crucible on the process of phase formation during its electrothermal treatment // Челябинский физико-математический журнал [Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal] 2025, Vol. 10, No. 1, pp. 174-181. DOI: 10.47475/2500-0101-2025-10-1-174-181

15. Фомин В., Тукмакова А.С., Болкунов Г.А., Новотельнова А.В., Бочканов Ф.Ю., Карпенков Д.Ю.Моделирование диффузионных процессов при электротермической обработке реакционных тиглей системы железо–олово // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 1(143). С. 202-209. DOI: 10.17586/2226-1494-2023-23-1-202-209 [Fomin V., Tukmakova A.S., Bolkunov G.A., Novoselnova A.V., Bochkanov F.Yu., Karpenkov D.Yu. Simulation of diffusion processes during electrothermal treatment of reaction crucibles of the Fe-Sn system. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics.2023. Vol. 23. No. 1(143). pp. 202-209.(in Russian)]

16. Фомин В., Новотельнова А.В., Болкунов Г.А., Бочканов Ф.Ю., Карпенков Д.Ю. Оценка влияния степени заполнения реакционного тигля железо-олово на процессы тепло- и массопереноса в присутствии электрического тока высокой плотности // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23. № 5(147). С. 1065-1072. DOI: 10.17586/2226-1494-2023-23-5-1065-1072 [Fomin V., Novotelnova A.V., Bolkunov G.A., Bochkanov F.Yu., Karpenkov D.Yu. Study of heat and mass transfer processes in the Fe-Sn reaction crucible in the presence of high-density electric current. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2023. Vol. 23. No. 5(147). pp. 1065-1072. (in Russian)]