Аморфные металлы

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (> 10-6 грС/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что пода­вляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при за­твердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой струк­турой получили название аморфные металлические сплавы (АМС), или металлические стекла. Затвердевание с образованием аморфной струк­туры принципиально возможно практически для всех металлов. В на­стоящее время аморфная структура получена у более чем 200 сплавов и полупроводниковых материалов. Это сплавы легкоплавких, редкоземель­ных (Sc, Y, La и др.) и переходных металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называ­емые аморфизаторы (С,Р, B,N,S и др.). При этом состав аморфного спла­ва должен отвечать формуле Ме80Х20, где Me — один или несколько пе­реходных металлов, % (ат.); X — элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры, % (ат.).

Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла (> 10-6 грС/с) для получения аморфной структуры можно реализовать такими способа­ми, как катапультирование капли на холодную пластину, центрифугиро­вание капли или струи, распыление струи газом или жидкостью с высо­кой охлаждающей способностью и др. Наиболее эффективными способа­ми получения лент, пригодных для практического применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или внутренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материалов высокой тепло­проводности, прокатку между холодными валками металла, подаваемого в виде струи.

Тонкий слой аморфного металла получают при расплавлении поверх­ности изделий лазерным лучом благодаря быстрому отводу теплоты при затвердевании массой основного металла.

АМС можно получить и путем сверхбыстрого охлаждения из газовой среды (парообразного или ионизированного состояния), электролизом и катодным распылением с высокими скоростями осаждения, химическим осаждением (сплавы Ni-P) и механическим легированием.

АМС значительно отличаются от своих кристаллических аналогов по строению и, следовательно, по свойствам. В их структуре отсутствует дальний порядок в размещении атомов и характерные особенности струк­туры поликристаллических сплавов: границы зерен, дислокации и другие дефекты. У АМС нет зональной ликвации и в целом они более однородны по структуре и химическому составу, чем их кристаллические аналоги. В то же время АМС в зависимости от условий получения сохраняют геоме­трические и химические неоднородности ближнего порядка. В макромас­штабе они проявляются в форме неоднородностей плотности по толщине и длине лент. Как следствие, в лентах возникают остаточные напряжения и изменение свойств.

Границей сохранения аморфного состояния является температура кристаллизации ~ = 1/2 темпер. плавления определяемая при нагреве со скоростью около 20 грС/мин.

Для повышения стабильности свойств АМС применяют отжиг. По сравнению с кристаллическими аналогами АМС имеют более низкую плотность, на 20 — 40% ниже модуль упругости и в 2...4 раза больше удельное электросопротивление.

АМС систем «металл — неметалл» имеют (сигмаБ) = 2000...4000 МПа, но при растяжении разрушаются с малым удлинением ((эпсилон) < 1 %). Твердость АМС достигает 1000-1400 HV в закаленном состоянии.

В то же время АМС при сжатии деформируются на 40 — 50 % без разрушения, а ленты изгибаются на 180° до параллельности сторон. Осо­бенностью АМС является отсутствие наклепа при различных технологи­ческих операциях.

АМС на основе железа являются магнитно-мягкими материалами, в которых нет кристаллографической магнитной анизотропии и существен­но снижены потери на перемагничивание. При этом магнитные свойства малочувствительны к механическим воздействиям. Получены магнитные материалы и с высокой магнитной энергией. Они представляют собой соединения редкоземельных и переходных металлов, например SmCo5.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС сохраняют из­быточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине АМС химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка. Это, в первую очередь, сплавы железа с хромом и достаточным количеством фос­фора и углерода. По сравнению с коррозионно-стойкими сталями эти АМС оказываются более стойкими и для придания им коррозионной стойкости требуется меньше хрома: 8 — 9 % против 13 % в сталях.

Большое практическое значение имеет возможность получения амор­фных металлов в виде ленты, проволоки диаметром несколько микроме­тров непосредственно при литье, минуя такие операции, как ковка, про­катка, волочение, промежуточные отжиги, зачистки, травление.