Аморфные металлические сплавы

Аморфные металлические сплавы (АМС), или металлические стекла, являются новым перспективным материалом. По химическому составу они состоят из легкоплавких, редкоземельных, а также переходных металлов (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.) с добавкой аморфизаторов (B, C, Si, N, S и др.). Состав должен отвечать формуле Ме ₈₀ Х ₂₀, где Ме – один или несколько металлов, Х – элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры. Например, Ni₈₀S₂₀, Fe₇₀Cr₁₀P₁₅B₅ и др. У сплавов системы металл-металл эта зависимость не соблюдается. В зависимости от состава АМС делятся на группы:

1) переходной металл (Fe, Ni, Co) – металлоид (B, Si, P, C). Эти сплавы наиболее важны в практическом отношении;

2) переходной металл – редкоземельный металл (Dy, Nd, Gd);

3) переходной металл – металл – редкоземельный металл (Sm, Ho);

4) бинарные и многокомпонентные сплавы, состоящие из щелочноземельных и некоторых других металлов.

Состояние АМС характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов и достигается сверхбыстрым (10⁵–10¹⁰ °С/с) охлаждением из газообразного, жидкого или ионизированного состояния.

Модели структуры АМС. Известные к настоящему времени модели описывают только определенные свойства аморфного материала.

Первая группа моделей основывается наквазижидкостном описании. В модели Бернала атомы представлены жесткими сферами, которые не перекрываются и не деформируются. Большее согласие с экспериментальными данными дает модель «мягких» сфер. Моделирование бинарного АМС показало, что координационная ячейка вокруг атома металлоида состоит из атомов металла и аналогична той, которая имеет место в кристаллических фазах: в кристаллическом и аморфном сплавах Ni₃P каждый атом фосфора окружен девятью атомами никеля.

Вторая группа основывается на квазикристаллическом описании структуры с помощью кристаллов с высокой плотностью дефектов разного типа. Методом просвечивающей электронной микроскопии показано, что аморфное состояние большинства сплавов, полученных закалкой из расплава, имеет микрокристаллическую природу. Хаотически расположенные микрокристаллиты не имеют трансляционной симметрии на больших расстояниях. Имеется фундаментальное отличие и в характере ближнего порядка аморфной и кристаллической фаз.

В последнее время получила развитие модель Эгами. Структура АМС представлена хаотически расположенными областями, в которых число атомов больше (область растяжения) или меньше (область сжатия), чем в среднем по объему. В области сдвиговых деформаций (наложения сжимающих и растягивающих напряжений) среднее число атомов примерно совпадает со средним по объему числом атомов.

Аморфные сплавы находятся в неравновесном состоянии и имеют свойства, присущие неметаллическим стеклам. При нагреве происходит «расстекловывание» и кристаллизация. Для стабильной работы необходимо, чтобы температура не превышала некоторой заданной для каждого аморфного сплава рабочей температуры.

Аморфные ленты получают путем охлаждения жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов, или путем прокатки расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью (рис. 2.19). Плавление металла происходит при электрическом или индукционном нагреве, выдавливание металла из сопла – давлением газа, затвердевание – при соприкосновении струи жидкого металла с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Изготовляют ленты шириной 1–200 мм и толщиной 20–60 мкм. Толщина пленки зависит от скорости вращения диска, давления газа и диаметра сопла, а также от свойств расплава (теплопроводности, вязкости и т. д.) и коэффициента теплопередачи между расплавом и холодильником.

Аморфную тонкую проволоку получают путем вытягивания волокон из расплава. Расплавленный металл (рис. 2.20, а) протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей (экструзия расплава). Струя металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается из вращающейся жидкости (рис. 2.20, б). В методе Тейлора (рис. 2.20, в) проволоку получают путем быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре. Металл в капилляре расплавляют токами высокой частоты, вытягивают и быстро охлаждают.

Аморфные металлические порошки получают такими же методами, что и обычные металлические порошки. Простейший способ – распыление расплава газовым потоком (азотом или инертным газом) показан на рис. 2.21, а. В кавитационном методе (рис. 2.21, б) расплав выдавливается в зазор (0,2–0,5 мм) между валками, выбрасывается и попадает на охлажденную плиту или в водный раствор. Кавитация возникает в зазоре между валками, вследствие чего исчезают пузырьки газа, имеющиеся в металле. В методе распыления вращающимся диском (рис. 2.21, в) расплав попадает в жидкость и разбрызгивается за счет ее турбулентного движения. Гранулометрический состав порошков (диаметр до 100 мкм) и их конфигурация задаются профилем диска или валков и скоростью их вращения.

Аморфное состояние сплава является метастабильным. При отжиге сплав переходит в более стабильное состояние стеклофазы, при больших температурах отжига (Т > 0,5 Т_пл) – кристаллизуется.

Особенность АМС – сочетание высокой твердости (1000 HV), прочности (s_в = 3000 МПа) и низкой пластичности (d = 0,03–0,3 %). Сплавы нельзя отнести к категории хрупких материалов, так как их можно штамповать, резать и прокатывать.

АМС – перспективный материал для изготовления упругих элементов. Пружины из сплава Ti₄₀Be₄₀Zr₁₀ на порядок превосходят пружины из обычных металлов. Отсутствие границ зерен, высокая твердость, износостойкость, высокая коррозионная стойкость АМС позволяют получать высококачественный тонколезвийный инструмент. Аморфизация поверхностных слоев изделий лазерной обработкой с целью повышения их твердости может составить конкуренцию традиционным методам поверхностного упрочнения.