Основні властивості аморфних і швидкозагартованих сплавів: хімічний склад, переваги над традиційними металургійними матеріалами і галузі застосування

Частина 1. Загальні відомості про властивості аморфних сплавів.Магнитні та механічні властивості

Уникальное структурное состояние аморфных металлических сплавов обеспечивает и уникальное сочетание самых различных свойств: магнитных, механических, электрических, коррозионных, тепловых и других. Такое сочетание обуславливает повышенный интерес к практическим применениям этих материалов.

Свойства аморфных сплавов и некоторые области их применения сведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные свойства аморфных металлических материалов и их значение

Свойства	Применение
Высокая прочность, высокая вязкость	Армирующие, комбинированные материалы,пружины, режущий инструмент
Высокая коррозионная стойкость	Электромагнитные фильтры, электродные материады
Высокая магнитная индукция насыщения, низкие потери на перемагничивание	Сердечники трансформаторов
Высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила	Магнитные головки и магнитные экраны
Высокая магнитострикция	Магнитострикционные вибраторы, линии задержки, датчики деформаций
Высокое электросопротивление, нулевой ТКС	Эталонные сопротивления, низкотемпературные нагреватели
Постоянство модулей упругости и температурного коэффициента линейного сопотивления	Инварные и элинварные материалы
Сверхпроводимость	Датчики уровня и термометры для гелиевых температур
Поверхностная активность	Катализаторы, абсорбционные материалы
Другие свойства	Абсорбаты водорода, фильтры

Наибольшее применение нашли магнитные свойства аморфных сплавов на основе Fe, Ni, Co с металлоидами и другими элементами. Из этих сплавов изготавливают сердечники трансформаторов, магнитные экраны, магнитные головки видео- и аудиозаписи и возпроизведения, линии задержки, магнитные фильтры и т.д.

Приоритет в изучении магнитных характеристик обусловлен тем обстоятельством, что первые образцы аморфных сплавов имели сравнительно малые размеры и были пригодны только для магнитных измерений. В дальнейшем, с развитием технологии производства длиномерных продуктов быстрой закалки, были изучены и другие свойства аморфных сплавов.

Аморфные сплавы по магнитным свойствам близки к пермаллоям, но при этом обладают более высокой твёрдостью и износостойкостью, поэтому наибольшее практическое применение нашли в электротехнике и электронике.

При эксплуатации различных электротехнических устройств и аппаратуры переменного тока имеют место потери энергии на перемагничивание, обусловленные относительно низкими магнитными характеристиками применяемых материалов и неоптимальной геометрией магнитопроводов. Для повышения характеристик устройств используют электротехнические стали с большим содержанием Si, обладающих повышенной хрупкостью, или дорогостоящие сплавы на основе Ni и Со. Использование для этих целей аморфных сплавов частично решает проблему, но всё-таки не исключает дорогостоящие элементы в применяемых композициях. Поэтому в последние десятилетия используют ряд аморфных сплавов в качестве исходного материала для получения ультрадисперсного зерна величиной от нескольких ангстрем до десятых долей микрона. Такие сплавы получили название «нанокристаллических» и сегодня успешно заменяют аморфные дорогостоящие сплавы на основе Со. Магнитопроводы из нанокристаллических сплавов на основе Fe более дешёвы (на 30 - 40 % от стоимости чистого никеля), обеспечивают снижение потерь на перемагничивание и экономию электроэнергии в трансформаторах тока электронных счётчиков (в том числе многотарифных) электроэнергии, в источниках питания галогеновых ламп, в устройствах защитного отключения, импульсных источниках питания, в реле и дросселях. Из этих сплавов также изготавливают: импульсные трансформаторы; дроссели; реле различного назначения; силовые электротехнические устройства; резисторы; магнитная защита (плетённые магнитные экраны, оплётка кабелей различного назначения); войлок в качестве экранов; головки магнитной записи; носители информации; материалы для постоянных магнитов. Малые потери на перемагничивание приводят к экономии электроэнергии в различных электротехнических и электронных устройствах, что актуально в плане энергосбережения.

Обладая высоким удельным электросопротивлением, аморфные сплавы в виде ленты используются в качестве низкотемпературных нагревательных элементов (для обогрева теплиц, животноводческих ферм, производственных и бытовых помещений) с малой энергоёмкостью. Производство бытовых электронагревателей в виде панелей, плинтусов, полов, электроконвекторов или другого конструктивного исполнения позволяет получить экономию за счёт отказа от хромоникелевых сплавов сопротивления «нихром» и «фехраль». Такие нагреватели потребляют меньше электроэнергии (на 30-40%) по сравнению с масляными радиаторами или другими электрообогревателями. Преимущества: низкая стоимость нагревательного элемента по сравнению с указанными кристаллическими сплавами-аналогами (отсутствие дорогостоящих Ni, Cr, Ti); увеличение теплоотдачи одного погонного метра в ~5-12 раз по сравнению с проволокой (спиралью) используемых нагревателей; значительная экономия электроэнергии при эксплуатации за счет более эффективной теплоотдачи (особенно в сочетании с терморегулятором).

Уникальны также и механические свойства аморфных сплавов. Различные по составу аморфные сплавы сочетают высокую твердость и прочность с относительно невысокой (по сравнению с кристаллическими аналогами) упругостью. Например, модуль сдвига G аморфного сплава на 30% и более ниже модуля сдвига того же кристаллического. В общем случае, модули Юнга Е, сдвига G, объемной упругости В аморфных сплавов на 30 – 50% меньше, чем эти же величины для кристаллических аналогов. Другими словами, аморфным сплавам присуща неупругость.

В отличие пользуемыхот упругих свойств, твердость и прочность аморфных сплавов очень высокие. Например, в сплавах на основе Fe, Co, Ni и некоторых других композициях твердость HV достигает значений >1000, а прочность - выше

4 ГН/м². Эти значения больше, чем максимальные значения прочности и твердости используемых в настоящее время металлических материалов. Например, прочность проволоки из некоторых аморфных сплавов на железной основе примерно на 1 ГН/м² выше выше прочности рояльной проволоки (максимально реализуемый предел прочности в сталях), рисунок 1.

Рисунок 1 – Сравнение диаграмм деформации аморфного сплава Fe₇₅Si₁₀B₁₅ и рояльной проволоки (скорость деформации

ε = 4,17 · 10^-4 с^-1).

1 – рояльная проволока ø 0,18мм; 2 – аморфный сплав после волочения с обжатием 85%; 3 – то же, но с обжатием 36%; 4 – аморфный сплав (проволока ø 0,18мм), не подвергнутый волочению.

Важным фактором, который влияет на прочностные характеристики аморфных сплавов, является их химический состав. В сплавах с одинаковыми основными металлическими элементами прочностные свойства меняются в зависимости от сорта и количества атомов металлоидов, облегчающих аморфизацию. При увеличении концентрации металлоидов (в пределах 20%) твердость и прочность возрастают, в особенности для B и Si.

Таким образом, аморфные сплавы можно справедливо отнести к высокопрочным материалам. Это дает основание рассматривать их как конструкционные материалы, например армирующие эдементы в композитах.

Суммируя все известные данные о механических свойствах аморфных сплавов, можна свести их в таблицу.

Таблица 2 – Сводная таблица механических свойств аморфных сплавов

Свойства	Характеристика
Прочность	Высока по сравнению с обычными металлическими материалами, близка к прочности нитевидных кристаллов
Упругие постоянные	На 20-40% ниже, чем у кристаллических металлов
Упругая деформация	Неупругая деформация значительно выше, чем у кристаллических металлов
Пластическая деформация	При низких температурах – неоднородная деформация, при высоких температурах – вязкое течение
Деформационное упрочнение	Практически отсутствует
Вид разрушения	Разрушение путем сдвига, перед разрушением – значительное развитие скольжения. Излом частично гладкий (хрупкий), частично волокнистый
Масштабный фактор	Масштабный фактор прочности мал
Влияние скорости деформации	Напряжение разрушения снижается при увеличении скорости деформации
Влияние температуры	Прочность сильно зависит от температуры, в окрестности T g наступает разупрочнение
Пластичность, вязкость	Вязкость существенна, пластичность значительна в окрестности Т g
Усталость	Существует предел усталости, отношение предела усталости к пределу текучести 0,2 – 0,3
Способность поддаваться обработке	Холодная прокатка с обжатиями 30 – 50%, волочение с обжатиями до 90%

Высокая твёрдость (~ 1000кг/мм²) и прочность на разрыв (от 150 до 370 кг/мм²) большинства аморфных сплавов на основе Fe, Ni, Co и других металлов позволяет их использовать как конструкционные материалы (армирование автомобильных шин и бетонов, режущий и абразивный инструмент, производство композитов).

Дата добавления: 2014-01-04