Свойства и применение аморфных сплавов

Уникальный характер металлических стекол проявляется в физико-механических и химических свойствах. Отсутствие свойственной кристаллам периодичности в структуре оказывается причиной высокой прочности, магнитомягкого поведения, крайне низких акустических потерь и высокого электросопротивления. Процессы усталостного разрушения и намагничивания в металлических стеклах и кристаллических металлах во многом схожи. Химическая однородность обусловливает высокую коррозионную стойкость некоторых металлических стекол в кислых средах, а также растворах, содержащих ионы хлора. Почти неограниченная взаимная растворимость элементов в стеклообразном состоянии представляет большой интерес для изучения процессов электронного переноса при низких температурах.

Вследствие металлического характера связи многие свойства металлических стекол значительно отличаются от свойств неметаллических стекол. К ним относятся вязкий характер разрушения, высокие электро- и теплопроводность, оптические характеристики.

Плотность аморфных сплавов лишь на 1-2% меньше плотности соответствующих кристаллических тел. Металлические стекла имеют плотноупакованную структуру, сильно отличающуюся от более рыхлой структуры неметаллических стекол с направленными связями.

Аморфные металлы являются высокопрочными материалами. Наряду с высокой прочностью они характеризуются хорошей пластичностью при сжатии (до 50%) и изгибе. При комнатной температуре аморфные сплавы подвергаются холодной прокатке в тонкую фольгу. Так, лента аморфного сплава Ni₄₉Fе₂₉Р₁₄В₆Аl₂ толщиной 25 мкм без образования микротрещин может быть согнута вокруг острия бритвенного лезвия. Однако при растяжении их относительное удлинение составляет не более 1-2%. Предел текучести аморфных сплавов Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆, Fe₈₀B₂₀, Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈ составляет соответственно 2400, 3600, 4500 МПа, в то время как предел текучести высокопрочных сталей обычно не превышает 2500 МПа.

Для аморфных сплавов характерна четкая линейная связь между твердостью и прочностью. Для сплавов на основе Fe, Ni, Co справедливо выражение HV=3,2 s _Т, что позволяет с достаточной точностью использовать показания твердомера для определения прочностных характеристик. Энергия разрушения и ударная вязкость аморфных сплавов также значительно превышают эти характеристики обычных кристаллических материалов - сталей и сплавов.

Многие металлические стекла на основе Fe, Co и Ni переходят в кристаллическое состояние при 700К (приблизительно 0,5 Т_ПЛ) в течение нескольких минут. Длительная эксплуатация этих материалов в течение нескольких лет возможна лишь при температурах ниже указанной приблизительно на 300К. Введение в состав сплава дополнительных элементов - металлов или металлоидов - приводит к резкому повышению термической стабильности аморфной структуры при умеренных температурах.

Таким образом, аморфные сплавы являются высокопрочным материалом с высокими упруго-пластическими характеристиками, имеющими очень малое деформационное упрочнение.

Аморфные элинвары используют для изготовления сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения и крутящего момента; пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. В ФРГ разработан сплав марки Vitrovac-0080, содержащий 78 % Ni, Si и B. Сплав имеет прочность при растяжении s _В=2000 МПа, модуль Юнга Е=15 10⁴ МПа, плотность 8 г/см³, электросопротивление 0,9 Ом-мм²/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 10⁷ циклов. Сплав рекомендуется при изготовлении пружин, мембран и контактов.

Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред. Из аморфной ленты изготавливают предметы бытового назначения - бритвенные лезвия, рулетки и др.

Аморфные высокоуглеродистые сплавы, содержащие Сг, Мо, W, обладают высоким сопротивлением разрушению и термической стабильностью: например, сплав Fe₅₄Cr₁₆Mo₁₂C₁₈ имеет предел прочности при растяжении 3800 МПа и температуру кристаллизации 880К. При этом такие высокоуглеродистые сплавы имеют высокие коррозионные характеристики и не чувствительны к охрупчиванию при старении. Такие сплавы целесообразно использовать в высокопрочньк композитах.

Сплавы Fe-Si-В с высоким магнитным насыщением предложены для замены обычного кристаллического сплава Fe-Si в сердечниках трансформаторов. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe₈₁B₁₃Si₄C₂ примерно в 20 раз ниже, чем в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe₈₃B₁₅Si₂ вместо трансформаторных сталей составит только в США 300 млн долл/год. Эта область применения металлических стекол имеет хорошую перспективу.

Широкое применение нашел разработанный в Японии сплав Fe₅Co₇₀Si₁₀B₁₅. Методом закалки в валках производят ленту толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с прекрасным качеством обеих поверхностей (шероховатость ± 3 мкм). Записывающие головки, изготовленные из такой ленты, имеют лучшие характеристики, чем ферритные головки, а также головки из пермаллоев. Эти материалы находят применение в звуке-, видео-, компьютерном и другом записывающем оборудовании.

Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств обуславливает возможность и других областей применения. Например, возможно использование их в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.

Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения требуемой конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Они используются в авиационной и космической технике.

В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы. Богатые перспективы сулит наложение двухмерных “лепестков” из разных металлов друг на друга: у таких “бутербродов” обнаружены большие полупроводниковые способности. Биметаллические пленки с успехом могут быть использованы при создании сверхминиатюрных элементов для микрокомпьютеров ближайшего будущего.

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов (таблица 1)

Таблица 1. Свойства и области применения аморфных металлических материалов

Широкому применению аморфных металлов препятствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемости

Круг аморфных металлов и сплавов непрерывно расширяется. Этому во многом способствовала значительно упростившаяся технология получения материалов с необычной структурой: отпала необходимость в вакууме и криогенных температурах, так как необходимая скорость охлаждения металла достигается при соприкосновении расплава с поверхностью водоохлаждаемых валков, вращающихся с большой скоростью. Металл при этом застывает за тысячные доли секунды и в виде ленты наматывается на барабан.

На сегодня решены далеко не все проблемы, связанные с производством и с применением новых материалов. В частности, потребители вынуждены мириться с малыми размерами получаемых лент, проволоки, гранул, а поскольку горячие способы компактирования - такие, например, как сварка, им противопоказаны, рассчитывать на применение аморфных металлов в виде крупных конструкций или изделий практически не приходится. Существенный недостаток металлических стекол - невысокая термическая устойчивость: нагрев для них - злейший враг, способный лишить их аморфности. Еще один их минус - недостаточная стабильность во времени.