Методы получения аморфных металлов. Методы получения ленты аморфных металлов. Аморфные сплавы.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ МЕТАЛЛОВ
В целях получения аморфной структуры металлов можно применять различны методы реализации сверхвысоких скоростей охлаждения жидкого металла.
Ключевой фактор здесь – это достижение скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.
Получение ленты.
Самыми эффективными способами промышленного выработки аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.
Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава:
а) прокатка расплава;
б) центробежная закалка;
в) закалка на диске;
г) центробежная закалка;
д) планетарная закалка
Расплав, полученный в индукционной печи, вытесняется нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника).
Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1–0,2 мм, так и широкие — до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.
Методы защиты от коррозии металлов и сплавов
... достигается весьма тонкими покрытиями), возможность получения покрытий одного и того же металла с различными ... метод осаждения защитных металлических покрытий получил очень широкое распространение в промышленности. По сравнению с другими способами нанесения металлопокрытий он имеет ряд серьезных преимуществ: высокую экономичность (защита металла от коррозии ...
Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.
Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.
Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава:
а) протягивание расплава через охлаждающую жидкость
(экструзия расплава); б) вытягивание нити из вращающегося барабана;
в) вытягивание расплава в стеклянном капилляре;
1 — расплав; 2 — охлаждающая жидкость;
3 — стекло; 4 — форсунка; 5 — смотка проволоки
В первом методе расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей. Во втором — струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре . Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при всём этом диаметр волокна составляет 2–5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.
Аморфные металлические сплавы
Широкое промышленное применение имеют магнитомягкие сплавы системы «металл—неме-талл». Их получают на основе ферромагнитных металлов — железа, никеля, кобальта, используя в качестве
аморфизаторов различные сочетания неметаллов.
Термическая и химико-термическая обработка сплавов
... ОБРАБОТКА СПЛАВОВ Итогом многочисленных исследований изменений структуры и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии явилась стройная теория термической обработки металлов. Под термической обработкой ... энергия перлита. 3.ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия ...
Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы блоков, зерен и другие дефекты структуры, типичные для поликристаллических сплавов.
Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость аморфных металлических сплавов. Наряду с высокой магнитной мягкостью — такой, что уровень электромагнитных потерь в аморфных сплавах с высокой магнитной индукцией оказывается существенно ниже, чем во всех известных кристаллических сплавах, эти материалы проявляют исключительно высокие механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, а их удельное электросопротивление в три-четыре раза выше его значения для железа и его сплавов. Некоторые из аморфных сплавов характеризуются высокой коррозионной стойкостью.
Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно для всех металлов и сплавов. Для практического применения обычно используют сплавы переходных металлов (Fe, Co, Mn, Cr, Ni и др.), в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующие элементы типа В, C, Si, P, S. Такие аморфные сплавы обычно содержат около 80 ат. % одного или нескольких переходных металлов и 20 % металлоидов, добавляемых для образования и стабилизации аморфной структуры. Состав аморфных сплавов близок по формуле M80X20, где M — один или несколько переходных металлов, а X — один или несколько амортизаторов. Известны аморфные сплавы, состав которых отвечает приведенной формуле: Fe70Cr10P15B5, Fe40Ni40S14B6, Fe80P13B7 и др. Амортизаторы понижают температуру плавления и обеспечивают достаточно быстрое охлаждение расплава ниже его температуры стеклования так, чтобы в результате образовалась аморфная фаза. На термическую стабильность аморфных сплавов оказывает наибольшее влияние кремний и бор, наибольшей прочностью обладают сплавы с бором и углеродом, а коррозионная стойкость зависит от концентрации хрома и фосфора.
Аморфные сплавы находятся в термодинамически неравновесном состоянии. В силу своей аморфной природы металлические стекла имеют свойства, присущие неметаллическим стеклам: при нагреве в них проходят структурная релаксация, расстекловывание и кристаллизация. Поэтому для стабильной работы изделий из аморфных сплавов необходимо, чтобы их температура не превышала некоторой заданной для каждого сплава рабочей температуры.Основной метод получения аморфных металлов — быстрое охлаждение (со скоростями АМОРФНЫЕ МЕТАЛЛЫ1000 К/с) жидкого расплава, такие аморфные сплавы называются металлическими стеклами (метглассами).
Тонкие пленки аморфных металлов получают конденсацией паров или напылением атомов на холодную подложку. Можно также получить аморфные металлы при электрохимическом осаждении и при облучении кристаллических металлов интенсивными потоками ионов или нейтронов.
Сплавы металлов с эффектом памяти
... свою исходную форму, так ка в целом получается, что он проводит автодеформацию только в обратном направлении. [2] Все металлы и сплавы ... исходное состояние структуру, а именно растянуть сплюснутые пластины и сжать вытянутые. Поэтому материал восстанавливает ... области нашей жизни, как медицина. С помощью металлов с таким свойством, как память формы ...
Аморфный металл en:Metal — металлический материал с беспорядочной структурой на атомном уровне. В отличие от большинства металлов, аморфные металлы имеют структуру с высокой степенью хаотичности, беспорядочности распределения атомов. Материалы, в которых такая беспорядочная структура произведена непосредственно в среде материала в фазе жидкого состояния в течение охлаждения, называют «стёклами», и, таким образом, аморфные металлы обычно упоминаются как «металлические стёкла». Есть несколько путей помимо чрезвычайно быстрого охлаждения, в котором аморфные металлы могут быть получены, — применение физического смещения пара, твердофазные реакции, ионное напыление, при вращении, и механическом получении сплава. Аморфные металлы, произведенные этими методами, строго говоря, не стёкла. При этом, учёные материаловеды обычно полагают, что аморфные сплавы будут единственным классом материалов, независимо от того, как они получены.
В прошлом небольшие партии аморфных металлов были произведены через разнообразие быстро охлаждающих методов. Например, аморфные металлические провода были произведены, вибрируя литой металл на вращающемся металлическом диске. Быстрое охлаждение, с миллионными долями секунды, является очень быстрым для кристаллов, чтобы датьему возможность сформироваться, и материал как бы «заперт» в гладком пространстве. Толщина слоя множества сплавов с критическими нормами охлаждения достаточно низка, для формирования аморфной структуры в толстых слоях (это более чем 1 миллиметр), что и было произведено; такие структуры известны как оптовые металлические стёкла (BMG).
«Ликуидметал» продает множество материалов BMGs на основе титана, полученных в результате исследований, первоначально выполненных в «Caltech». Позже, партии аморфной стали были произведены, которые демонстрирует высокую стойкость разрушения при нагрузках, намного большую, чем обычные стальные сплавы.
Аморфный металл — обычно сплав, а не чистый металл. Сплавы содержат атомы обычно различных размеров, находящиеся с небольшим количеством в свободном объеме (и поэтому на целые порядки отличаются более высокой вязкостью, чем другие металлы и сплавы) в слитках. Вязкость предотвращает атомы, чтобы сформировать заказанную решетку, т.к. они сильно перемещаются. Материальная структура также приводит к низкому сжатию в течение охлаждения, и к сопротивлению пластмассовой деформации. Отсутствие границ зерна, слабые пятна прозрачных материалов, приводит к лучшей прочности и коррозии. Аморфные металлы, в то же время как технически стёкла, являются также намного более жёсткими и менее ломкими, чем окисные стёкла и керамика. (Очень износостойкие материалы).
Тепловая проводимость аморфных материалов ниже, чем у кристаллов. Поскольку формирование аморфной структуры полагается на быстрое охлаждение, что ограничивает максимальную достижимую толщину аморфных структур.
У кристаллических веществ есть:
1) кристаллическая решетка, где соблюдается дальний и ближний порядок расположения частиц;
2) точка плавления и кипения вещества
Аморфные материалы: их свойства, применение в современной технике, ...
... и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не ... атомов. Это придаёт им целый ряд существенных отличий от обычных кристаллических металлов. Аморфные сплавы были впервые получены в 1960 г. П. Дувезом, однако их широкие исследования ...
3) анизотропия свойств (проявление механических свойсв (светорассеяние например) в разных направлениях по-разному)
4) высокие температуры плавления из-за наличия кристаллической решетки
5) хрупкость
У аморфных есть
1) только ближний порядок расположения частиц (кристаллическая решетка отсутсвует
2) интервал плавления (отсутствует точка плавления)
3) лишняя внутренняя энергия (поэтому пластмассы со временем стареют, кристаллизуются
4) изотропия свойств
3) текучесть, пластичность
Чтобы достигать формирования аморфной структуры даже в течение более медленного охлаждения, сплав должен быть сделан из трех или больше компонентов, приводя к сложным кристаллическим единицам с более высокой потенциальной энергией и более низким шансом на формирование. Атомный радиус компонентов должен быть значительно отличным (более, чем 12 %), достигать высоко упаковочной плотности и низко освобождать объем. Комбинация компонентов должна иметь отрицательную высокую температуру смешивания, запрещая кристаллическое образование ядра и продлевает время металлическое литья в пребывании его в переохлажденном состоянии.
Сплавы бора, кремний, фосфор, и другого стекла при формировании с магнитными металлами (железо, кобальт, никель), являются магнитными, с низкой коэрцитивностью и с высоко электрическим сопротивлением. Высокое сопротивление приводит к низким потерям потокам завихрения, когда металл подвергнут переменным магнитным полям; такая характеристика полезная, например, при трансформации магнитного ядра.
Аморфные сплавы имеют разнообразие потенциально полезных свойств. В частности они имеют тенденцию быть более сильными чем прозрачные сплавы подобного химического состава, и они могут выдержать больший обратимый («упругий») деформации чем прозрачные сплавы. Аморфные металлы получают их силу непосредственно из их непрозрачной структуры, которая не имеет ни одного из дефектов (, типа дислокаций), которые ограничивают силу прозрачных сплавов. Один современный аморфный металл, известный как Vitreloy, имеет предел прочности, который имеет почти удвоенный предел прочности по отношению к высокосортному титану. При этом, металлические сплавы при комнатной темрературе не податливы, но имеют тенденцию терпеть неудачу внезапно, когда погружаются в состояние напряженности, которая ограничивает их применение в ответсвенных по стойкости случаях, поскольку появившийся отказ не очевиден. Поэтому, есть значительный интерес в создании металлических матричных сложных материалов, состоящих из металлической стеклянной матрицы, содержащей древовидные частицы или волокна податливого прозрачного металла.
Возможно самая полезная собственность оптовых аморфных сплавов состоит в том, что они являются истинными элементами, когда необходимо, чтобы они смягчались после нагревания. Это предполагает легкую обработку, типа лепным украшением инъекции, почти таким же способом как полимеры. В результате аморфные сплавы были коммерциализированы для использования в спортивном оборудовании, медицинских устройствах, и как случаи для электронного оборудования.
Алюминий и его сплавы. Особенности получения отливок
... его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например: 3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe и даже 3СаО + 2Al = Al2О3 + 3Са. Такой способ получения металлов ... криоэлектронике, криомагнетике. Более новыми способами получения чистого алюминия являются метод зонной очистки, кристаллизация из амальгам (сплавов алюминия с ртутью) и выделение из щёлочных ...
Тонкие плёнки аморфных металлов могут быть депонированы в качестве покрытий, где имеется высокая скоростная техника использования горелок на кислородном топливе как защитные покрытия.
Аморфные пленки из чистых металлов значительно менее стабильны, чем пленки из сплавов, а для получения металлических стекол из аморфных металлов требуются очень большие скорости охлаждения (~1010 К/с) и наличие нескольких компонентов, что сейчас находит широкое применение.
Как правило в точной механике и метрологии главными показателями измерительных средсв (лабораторных) является точность формы и износостойкрсть, от которых зависит вообще научная деятельность, получение новых средств, научных результатов во всех областях физики, механики и т.д. Особенно важно это в работе измерительных лабораторий, которые занимаются вопросами единства мер и стандартов измерительной техники. Достаточно увеличить изностойкость эталонных мер на любое количество процентов, поднять стойкость инструмента при работе, эффективность работы увеличивается на порядки. Ведь многие результаты при исследованиях оцениваются уже не микронами, а переходят на нанометры и точнее. Разрешающая способность современных лабораторных микроскопов равна 1-10 нм, откуда для получения таких инструментов к средствам оттестации этих измерительных устройств предъявляються требования к их точности на порядок выше (~10%).
И используя новые аморфные сплавы на базе титана (Ti40) с возможностью получения покрытий на изнашиваюшихся поверхностях измерительных средств размерами, поряка в нанометрах и меньше (на атомно-молекулярном уровне), их изностойкость повышается в несколько раз.
Применяются аморфные металлы в точной механике, радиоэлектронике, медицине.
На основе аморфных титановых сплавов возможно получение покрытия конструкционного материала толщиной в несколько нанометров, повышающее коррозионную и износостойкость в десятки раз.
На основе аморфных сплавов цинка возможно изготовление приспособлений для сращивания костей, так как этот материал в организме человека распадается со скоростью примерно 1 миллиметр в месяц и замещается костной тканью.
Если взять инструментальное производство, или вообще машиностроение, то не трудно представить, какой эффект получают и можно получить, когда выпускаемые изделия повышают свою долговечность и ресурс работы в несколько раз.
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.
Строение металлов и сплавов, их кристаллизация
... всех металлов. В настоящее время аморфная структура получена у более чем 20 чистых металлов и полупроводниковых материалов и более 110 сплавов. Сверхвысокие скорости охлаждения для получения аморфной структуры ... строение типично для литого металла. Дендрит состоит из ствола (ось первого порядка), от которого идут ветви (оси второго и третьего порядков). Чем быстрее было охлаждение при кристаллизации, ...
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 всём 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.
