Металлы и их сплавы


Что такое химические элементы? Это элементы, которые в свободном состоянии образуют простые вещества, имеющие металлическую связь. Людям известно 110 химических элементов. Из них 88 являются металлами и только 22 элемента – неметаллы.
Еще с доисторических времен человеку были известны такие металлы, как медь, серебро, золото. В течение древних и средних веков считалось, что в природе есть только семь металлов, это медь, серебро, золото, олово, железо, свинец и ртуть. Михаил Васильевич Ломоносов так определял металл: «Это светлое тело, которое ковать можно». Ученый относил к металлам все вышеперечисленные элементы, кроме ртути. В 1789 году в книге «Начальный курс химии» А. Лавуазье перечислял уже семнадцать металлов. Начало XIX века открыло платиновые металлы, а позже щелочные, щелочноземельные и другие. На основе периодического закона Дмитрий Иванович Менделеев открыл металлы галлий, скандий и германий. В середине XX века проводились ядерные реакции, которые помогли открыть трансурановые элементы. Это радиоактивные металлы, которые не существуют в природе. Сегодня современная металлургия способна получить более 60 металлов. На их основе получается свыше 5000 сплавов.
Что представляет собой структура металла? В ее основе – кристаллическая решетка, состоящая из положительных ионов. Эта решетка погружена в плотный газ, который состоит из подвижных электронов. Данные электроны компенсируют силу электрического отталкивания, создающуюся между положительными ионами. Так электроны связывают ионы в твердые тела.
Этот вид химической связи называется металлической связью. Она обуславливает самые важные физические свойства всех металлов: электропроводность, пластичность, металлический блеск, теплопроводность.
Пластичность представляет собой способность металла менять форму при ударах, а также вытягиваться в проволоку и раскатываться в тонкие листы. В этих случаях смещаются атомы и ионы кристаллической решетки. Но связи между ними не прерываются, потому что в соответствии с ними перемещаются электроны, которые образуют эту связь. Пластичность металлов изменяется от большей к меньшей в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Например, золото прокатывают в лист, который толщиной не более 0,003 мм. Такие листы используются для золочения.
Почему металлы имеют высокую электропроводность? В их составе присутствуют свободные электроны, которые при малейшей разнице потенциалов переходят к положительному полюсу от отрицательного. Если температура повышается, колебания атомов металлов и ионов увеличиваются. Это затрудняет электронам движение, что приводит, в свою очередь, к уменьшению электропроводности. Низкие температуры, наоборот, провоцируют уменьшение колебательного движения атомов и ионов, таким образом, электропроводность увеличивается. При приближении к абсолютному нулю металлы почти полностью теряют электрическое сопротивление. Лучшими проводниками электричества является серебро, потом медь, алюминий, золото, железо.
По такому же принципу меняется теплопроводность металла. Она вызывается большой подвижностью свободных электронов, а также колебательными движениями ионов. С помощью этого процесса температура массы металла быстро выравнивается.
Металлический блеск также привязан к наличию свободных электронов.
Другие физические свойства металлов также представляют немалый интерес. Особенно это касается плотности, твердости и температуры плавления. Литий является наиболее легким из всех металлов, он имеет плотность 0,53 г/см3. Самым же тяжелым является осмий - 22,6 г/см3. Все металлы, имеющие плотность ниже 5 г/см 3, называют легкими, другие – тяжелыми. Температура плавления металлов может быть самой разной. Так, например, галлий или цезий расплавится у вас на ладони, а к вольфраму пришлось бы применить температуру +3410° С.
В обычных условиях только один металл имеет жидкое состояние – это ртуть. В парообразном состоянии кристаллическая решетка металлов разрушается, и все они становятся одноатомными.
Кроме прочего, металлы отличаются друг от друга по твердости. Хром – самый твердый металл, он способен резать стекло. Цезий и рубидий без труда разрежутся ножом. Твердость, температура плавления и прочность металла зависят от того, насколько прочна его металлическая связь. У тяжелых металлов такая связь особенно велика.
В технике и технических науках все сплавы, имеющие в основе железо (сталь, чугун), а также и само железо, именуют черными металлами. Все другие металлы называют цветными. Есть и иные классификации металлов.
Чем определяются химические свойства металла? Он имеет слабую связь валентных электронов и ядра атома. Атомы превращаются в ионы, заряженные положительно, легко отдавая электроны. Именно поэтому металл является хорошим восстановителем. Это самое общее и главное химическое свойство всех металлов. Понятно, что металлы, являясь восстановителями, должны вступать в реакцию с разными окислителями. Это могут быть как простые вещества, являющиеся неметаллами, так и соли менее активных металлов, кислоты и иные вещества. Если металл соединяется с кислородом, то получается оксид, если с галогеном – то галогенид, если с серой – то сульфид, если с азотом – то нитрид, если с фосфором – то фосфид, если с углеродом – то борид, если с водородом – то гидрид и тому подобное. Многие эти соединения активно используются в технике.
Когда металл взаимодействует с кислотой, то окислителем выступает ион водорода – Н. Он принимает от атома металла электрон. Это происходит так:

Mg - 2e=Mg2+
2H+ +2e=H2+
_______________
Mg+2H+=Mg2+H

Металлы, которые стоят в ряду напряжений (то есть стандартных электродных потенциалов) левее, чем водород, как правило, вытесняют (иными словами, восстанавливают) его из разбавленных кислот, таких как Н2S04 или НС1. Металлы же, которые располагаются правее, чем водород, не вытесняют его. А с водным раствором соли менее активного металла, метал будет взаимодействовать так:

Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu

Здесь электроны отрываются от атома более активного металла. В данном случае это цинк. Их присоединяют ионы менее активного металла Сu2. Если опираться на ряд стандартных электродных потенциалов, то можно считать, что металл восстанавливает (вытесняет) из растворов разных молей многие идущие за ним металлы.
Щелочные и щелочноземельные металлы являются активными. Они взаимодействуют с водой, которая здесь является окислителем. Металлы, амфотерные гидроксиды обычно взаимодействуют и с растворами кислот, и с растворами щелочей.
Металл может образовать химическое соединение и с другим металлом. Обычно эти соединения создают типичные металлы и металлы, имеющие слабые металлические свойства. Примером могут служить соединения свинца и натрия: NaРЬ, Nа5РЬ2, Na4РЬ, Na2РЬ.
Такие соединения называют интерметаллиды, металлоиды или интерметаллические соединения. Свойства металлов, которые мы рассмотрели, связаны с отдачей электронов при химических реакциях. Они носят названия металлических свойств. В той или иной степени эти свойства имеют все химические элементы. О металлических свойствах можно судить, если сопоставить электроотрицательность элементов. Такая величина выражается в условных единицах и определяет способность атома молекулы притягивать к себе электроны. Чем меньшую электроотрицательность имеют элементы, тем ярче выражены их металлические свойства.

ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ С БОЛЬШОЙ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ

При использовании редкоземельных соединений появляется возможность создать материал с постоянным магнитом, имеющим малый вес и большую магнитную энергию. Самым эффективным средством для этого выступают интерметаллические соединения металла кобальта и легких редкоземельных металлов. Это могут быть соединения типа NdCo5, SmCo5, PrCo5. Если провести соответствующую обработку – подвергнуть прессованию мелкие частицы в магнитном поле, а затем провести последующее спекание, то можно обеспечить появление одноименных частиц. Все это ведет к появлению огромных коэрцитивных сил. Также они имеют высокую намагниченность насыщения, что проявляется при комнатной температуре. Вследствие этого, к их свойствам добавляется высокая остаточная индукция BR. Все эти свойства позволяют создать из данных материалов постоянные магниты, имеющие огромную максимальную магнитную энергию – до 32 млн. Гс-Э. Это в несколько раз больше, нежели соответствующая энергия для лучших сплавов, основанная на элементах группы железа. Такие материалы позволяют создавать миниатюрные автономные источники постоянного магнитного поля. Соединения вида SmCo5 занимают сегодня главное место среди материалов, из которых производят компактные и довольно сильные магниты для самых разных устройств и приспособлений в радиотехнике, электротехнике, автоматике. Например, они применяются при создании миниатюрных электромоторов, ламп с бегущей волной, магнито-фокусирующих систем, магнетронов, используются для медицинских приборов и так далее.
Чтобы и дальше улучшать материалы для постоянных магнитов, основанных на редкоземельных соединениях, необходимо улучшать понимание физики намагничивания ферромагнитных систем RCо5. Кроме того, необходимо изучать магнитные свойства и новых соединений, таких как, например, Sm2Co17, а также разных смешанных систем. Немаловажным выступает и изучение того, как влияет кристаллическая структура и ее дефекты на магнитные свойства данных материалов. Необходимо отрабатывать технологические приемы получения качественного магнита из таких соединений.

МАТЕРИАЛЫ, ИМЕЮЩИЕ ГИГАНТСКУЮ МАГНИТОСТРИКЦИЮ

Такие металлы, как Tb, Dу, а также ферриты-гранаты данных металлов при низкой температуре способны иметь гигантские магнитострикции. Они обычно на два-три порядка больше, нежели магнитострикции металлов, ферритов и сплавов элементов группы железа. Интерметаллические соединения типа DуFe2 или ТЬFе2, кроме прочего, обладают очень большими магнитострикциями. Несомненным плюсом таких соединений выступает то, что эти огромные магнитострикции они имеют при комнатной температуре.
Такие материалы и им подобные можно технически использовать при получении мощного ультразвука, при конструировании приборов, которые позволяют при помощи магнитного поля без употребления инерции управлять разными сканирующими и контактными устройствами, а также при вибробурении, геофизическом каротаже скважин, дефектоскопии.
Чтобы успешно применять редкоземельные магнитострикционные материалы, важно, в первую очередь, направлять усилия на снижение вредного влияния очень большой магнитной анизотропии. Необходимо уменьшать поле HS с той целью, чтобы возможно было «руководить» данной магнитострикцией при помощи малого поля.
Сегодня к редкоземельным материалам с большой магнитострикцией значительный интерес выказывают ученые-гидроакустики. Гидроакустика современности часто использует пьезокерамические преобразователи звука. Однако в последние годы в этой области появился недостаток: мощность излучения слишком мала, а механическая прочность невелика. А различные исследования показали, что магнитострикционные излучатели, где применяются такие соединения, как RFe2, могут являться более эффективными, нежели пьезокерамические. Об эффективности работы такого магнитострикционного преобразователя можно судить по ряду параметров, важнейшими из которых считают коэффициент полезного действия (или коэффициент электромеханической связи k) и константу динамической магнитострикции.

НОВЫЕ МАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С КОБАЛЬТОМ

Первые спеченные постоянные магниты из редкоземельных металлов и кобальта (R—Со) имели основой соединение SmСо5. Даже в настоящее время большую часть магнитов типа R—Со создают с помощью спеченного порошка SmСо5 соединения. Это соединение так популярно потому, что из него хорошо получаются магниты с отличными магнитными свойствами. Однако, все более очевидно, что в определенном случае использования не все свойства и признаки одинаково важны и нужны. Поэтому вероятные возможности магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом не в каждом случае используются полностью. Исходя из этого, стало предпочтительным разнообразить количество таких магнитов с помощью разработки их новых типов с необходимыми в конкретном случае свойствами. Рассмотрим три новых типа магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом: СеММ0,8Sm0,2Co5, типа 2:17, а также магниты с пластичными связками.

Магниты СеММ0,8Sm0,2Co5

В настоящее время большую часть магнитов из редкоземельных металлов и кобальта производят, основываясь на SmСо5. Чтобы снизить стоимость сырья, Sm можно полностью или частично заменить более доступным СеММ - цериевым мишметаллом. Это природная смесь легких редкоземельных элементов, которая содержит 45— 60% Се, 23—25% Lа, 9-20% Nd и 3—7% Рг. Такое замещение приведет к снижению уровня магнитной энергии, а также коэрцитивной силы. Даже не содержащие самарий, магниты СеММСо5 имеют хорошие свойства. Вызванное замещением самария СеММ уменьшение магнитных свойств в какой-то мере отражает соответствующее понижение исходных магнитных свойств. Магниты из СеММ0,8Sm0,2Co5 создают по тем же технологическим принципам, что и SmСо5.

Технология производства магнитов R—Со

Сплавы таких металлов можно получить либо с помощью плавки металла в атмосфере инертного газа, либо с помощью кальциетермического восстановления окислов РМЗ с использованием кобальта или его окиси.
Далее сплавы R—Со размалывают в порошок, имеющий частички менее чем 0,5 мм, смешивают, чтобы скорректировать состав, затем измельчают в струе газа азота. Так получают порошок, где размеры частиц – всего несколько микрон. Их размер и распределение подвергается тщательному контролю. При этом окисление порошка нужно свести до минимума. Следующий этап предполагает ориентацию порошка в магнитном поле и последующее его прессование. Получается полуфабрикат, имеющий плотность примерно 70% от теоретической. Прессование может быть гидростатическим или через матрицу. Матрица позволяет получить магниты нужной формы и размера, которые почти не требуют дополнительной обработки с помощью механизма. Заготовки таких магнитов потом опекают в инертном газе, чтобы достигнуть большей плотности, более чем 92% от теоретической. Самый важный технологический этап всей процедуры – это процесс спекания. Здесь нужен точный контроль над температурой, который не допустит появления открытой пористости и сохранит высокую коэрцитивную силу. После спекания для достижения большей коэрцитивной силы делается термическая обработка.
Далее магниты обрабатывают механически, чтобы получить изделие нужного размера. Так как магниты R—Со достаточно хрупкие, то рекомендуется применять к ним шлифование, а также резку алмазным кругом, сверление с помощью ультразвука, электроискровую обработку. Используя все это, без труда можно достичь допуска около 10 мкм. После всех процедур магниты подвергаются намагничиванию в мощном магнитном поле.
Чтобы достигнуть наибольшей долговечной стабильности, магнит могут подвергнуть температурной стабилизации.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ

Данное свойство металлов открыли относительно недавно. Это свойство называется «память формы». Что представляет собой это свойство? Если согнуть лезвие, оно тут же распрямится. Это значит, что металл «помнит» свою исходную форму, если находится под любым напряжением, которого не превышает предела его упругости. Но у такой памяти металла есть два существенных недостатка. Первый: ее «объем» достаточно невелик; это свойство хорошо функционирует лишь при малых отклонениях от формы. Деформации здесь меряются лишь долями процента, но стоит деформации достигнуть примерно 10%, поведение металла уже можно расценивать как полную забывчивость.
Однако даже такая малая память металлов имеет огромное значение в науке и технике. К примеру, если бы не она, ни одна пружина бы не работала. Также существует способ увеличить память металла при помощи сплавов, которые обладают сверхупругостью.
Очень интересно работать с металлами, которые обладают полноценной памятью. Здесь фаза хранения и фаза извлечения не зависят друг от друга, а в процессе хранения не участвуют посторонние силы.
Уже удалось получить сплавы, которые обладают такой памятью. Они хранят исходную форму в памяти весьма долгое время, а «вспоминают» ее, когда идет нагрев. Поэтому мы способны прибегать к памяти металла в определенный момент и в определенной обстановке, когда нам это нужно.
Лабораторные работники военно-морской артиллерии Соединенных Штатов Америки планомерно искали сплавы никеля и титана примерно в одинаковых пропорциях. Оба эти металла неплохо сопротивляются процессу коррозии, и в данном отношении сплав этот – просто превосходный. Также он очень прочен и пластичен. Кроме того, очень неожиданно и замечательно было то, что данный сплав оказался отлично запоминающим форму. Для науки и техники это огромная удача. Ведь титан и никель – гораздо более доступные металлы, нежели, к примеру, сплав Олиндера, где почти половина состава – золото. Свойства же этого нового сплава сочетались на редкость благоприятно. Назвали этот сплав нитинол.

ЗАПОМИНАЮЩИЕ СПЛАВЫ В КОСМОСЕ И НА ЗЕМЛЕ

Способности сплавов, запоминающих форму, открывают широкий простор для их практического применения. Конструкторы с их помощью получают доступ к совершенно новым решениям в инженерии. В области космической техники, например, при использовании таких сплавов можно решить проблему экономии пространства и свободного места. Антенны и механизмы стабилизации, а также солнечные батареи можно скрутить, компактно сложить и уложить в маленькие ниши космического корабля. Под действием солнечного света они распрямятся и выдвинутся.
Теперь некоторые соединения можно произвести без применения сварки, пайки и других «громоздких» трансформационных методов. Если потребовалось соединить в топливном двигателе самолета две трубки, нужно взять втулку, сделанную из низкотемпературного сплава с запоминающими свойствами. Ее внутренний диаметр должен быть на 4% меньше, чем наружный диаметр у соединительных трубок. С помощью жидкого азота методом раздачи нужно деформировать втулку, и ее внутренний диаметр станет на 4% больше, чем наружный диаметр трубок. Сейчас концы этих трубок мы способны ввести внутрь данной втулки, а она, в свою очередь, нагревшись до комнатной температуры, сожмется и сожмет концы трубок. Так получится герметичное и очень прочное соединение.
Авиация и кораблестроение уже имеют десятки и сотни тысяч подобных соединений. Они очень надежны и безотказно работают. Сделать такое соединение гораздо проще, чем прибегать к сварке или пайке. Кроме того, такие соединения можно без труда выполнить в труднодоступных местах, где невозможно варить или паять – к примеру, на морском дне.
Такие сплавы можно использовать и в медицине. Их используют при операциях, где необходимо срастить костные переломы. В организм пациента оперативно вводится стержень, который изогнут таким образом, что в точности повторяет неправильную форму сломанной кости. Этому стержню уже задали заранее правильную форму целой кости, и он начинает вспоминать ее при малом превышении температуры.
В качестве другого примера можно привести использование фильтров для улавливания в сосудах тромбов. Несколько охлажденная тонкая прямая проволока вводится в определенное место кровеносного сосуда, и там, нагревшись до температуры тела, она принимает заранее данную ей запутанную причудливо форму. Фильтр задерживает тромб, но при этом пропускает кровь. Так тромб останавливается, не добравшись до мозга или до сердца, где мог бы вызвать смерть. Нитинол легкий и прочный сплав, он не ржавеет. Возможно, в будущем его будут использовать, например, для изготовления корпусов автомашин. Автомобиль с таким корпусом, даже потерпев серьезную аварию, способен при легком подогреве поврежденного места восстановить форму кузова.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

Еще в начале данной работы нами было выяснено, что при обычном затвердевании жидкого металла атомы его создают тот или иной тип кристаллической решетки. «Дальний порядок» - это строгая периодичность системы ионов. Если в пространстве многократно повторяется такая комбинация ионов, то воспроизводится решетка кубическая и объемно-центрированная. При «дальнем порядке» возможно, точно указать, где находится любой ион, и сообщить его координаты. Для этого нужно знать порядковый номер этого иона по отношению к случайно выбранному иону. Четко определены все позиции ионов, а также все расстояния между атомами.
Если возвратиться к системе атомов, то можно назвать эту ситуацию «ближним порядком». Можно весьма точно указать количество и координаты атомов, которые окружают этот атом, однако более дальних прогнозов уже сделать нельзя. Кроме того, в природе есть и иная категория веществ, называющихся аморфными. Испытывая охлаждение, энергия тепловых колебаний атомов сильно снижается, настолько, что они не могут уже беспрепятственно путешествовать, такие вещества сохраняют жидкую структуру. Здесь речь идет лишь о ближнем порядке расположения атомов. Это выглядит примерно так: «толпа» постепенно перестает двигаться, люди все меньше толкают друг друга, а потом застывают кто где, в случайных местах, едва покачиваясь в стороны. Не имеют правильного кристаллического строения такие природно-аморфные материалы, как смола, стекло, асфальт, парафин. Они, нагреваясь или охлаждаясь, лишь меняют степень своей вязкости, однако между составляющими атомов этих материалов не происходит никаких серьезных изменений в расположении относительно друг друга. Кристаллические тела изменяют свои свойства при нагревании гораздо резче, собственно плавление чистых металлов происходит только при определенной температуре. Поэтому температура плавления металлов – это одна из фундаментальных физических характеристик, или констант. При неизменном внешнем давлении и если металл не имеет примесей, то при появлении первой капли при нагревании можно с точностью до десятых градуса определить температуру. Появляется вопрос: возможно ли металл лишить дальнего порядка и в твердом состоянии, как бы «заморозив» атомную структуру, характерную для жидкости? Получись это, мы могли бы ждать сильного изменения всех свойств металла, определяющихся правильным строгим строением его кристаллов. По сути, способ, помогающий решать эту задачу, понятен. Нужно резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы было можно спуститься в такую температурную область, где атомы уже не способны поменять своих «соседей».
Эксперименты и опыты показали, что процесс кристаллизации действительно можно подавить, но для этого требуются огромные скорости охлаждения – около 1 млн. градусов в секунду. Один способ представляет собой разбрызгивание маленьких капель жидкого металла на отполированную поверхность холодного диска из меди, который при этом быстро вращается. Капля на поверхности этого диска размазывается тончайшим слоем в несколько миктометров, а так как медь является хорошим проводником тепла, обеспечивается высокая скорость теплоотвода.
Сегодня в промышленном масштабе выпускаются десятки сплавов в аморфном состоянии. Оказывается, легче остальных способны аморфизоваться сплавы благородных и переходных металлов и металлоидов (например, углеродов, неметаллов, фосфора, бора и других). Кроме того, существуют сплавы, в которых получается подавить кристаллизацию, применяя скорость охлаждения около нескольких сотен градусов в секунду.
Какие свойства аморфных сплавов наиболее ценятся в технике? Аморфные металлы, как и следовало ожидать, сильно отличаются от кристаллических. Хоть при аморфизации уменьшаются силы межатомной связи и на 30% снижаются модули упругости, но твердость и прочность резко увеличиваются. Так как дислокация отсутствует, металлические стекла получаются прочнее, чем самая качественная легированная сталь. Они очень тверды и износостойки. Хотя пластичность таких аморфных сплавов весьма низкая, однако, этого можно ожидать, ведь «носителем» пластичности выступает дислокация. Но в любом случае металлические стекла, в отличие от обычных, не такие хрупкие. Например, их можно прокатать даже при комнатной температуре.
Не менее важно и другое преимущество металлических аморфных сплавов – они имеют чрезвычайно высокую коррозийную стойкость. Даже агрессивные среды, такие как морская вода или кислота, не могут повлиять на их коррозийную стойкость. Так, например, в растворе соляной кислоты скорость коррозии аморфного сплава железа, хрома и никеля почти равна нулю. А вот, например, скорость коррозии знаменитой нержавеющей стали (нержавейки – сплава железа с хромом и никелем) в такой же среде выше 10 мм в год. Почему? Главная причина такой высокой устойчивости к коррозии у аморфных сплавов в том, что они не имеют кристаллической решетки, а, следовательно, не имеют и типичных «дефектов» кристаллов – границ и дислокации между зернами. Вблизи таких дефектов высокая плотность атомов снижается так быстро, что вдоль них легко проникает коррозия. Очень важно то, что аморфный сплав передает бездефектную структуру окисной тонкой пленке, образующейся на поверхности в самом начале коррозии и далее защищающей металл от коррозии. Весьма любопытно сочетаются и некоторые физические свойства аморфных сплавов, например, магнитные и электрические. Как стало известно, сплавы, имеющие в основе ферримагнитные металлы, такие как железо или никель, и в аморфном состоянии тоже ферримагнитны.
Если заменить в сердечниках трансформаторов обычную сталь на аморфный сплав, то это очень сильно сэкономит энергию. США подсчитали, что в 4 раза в этом случае уменьшились бы потери на вихревые токи. Такое интересное сочетание электрических и магнитных свойств металлических стекол может позволить гораздо более эффективно применять их и для иных преобразователей тока, сердечников, датчиков, реле и так далее.
Вместе с требованиями в сплавах вырастает и количество компонентов. Далеко не редкость теперь – сплавы, имеющие в себе десять и более компонентов. Составить такой сплав – немалое искусство, ведь все составляющие должны гармонично взаимодействовать. Создателей новых сплавов металлурги называют не иначе, как композиторами.
Такие композиции в промышленности чаще легче составить, чем изготовить. Ведь у каждого компонента своя температура плавления, плотность, химические свойства. При плавке с трудом, но удается контролировать многие процессы при использовании вакуума, защитных атмосфер, флюсов, разделить на этапы процесс плавки. Но при кристаллизации можно управлять лишь режимом охлаждения. Вот тут компоненты могут и проявить свой характер. Один не растворится в общем сплаве, выделившись прослойками, другой поглотит все примеси и загрязнения, образовав клейкие и стойкие соединения, третий кристаллизуется в недостаточно мелкие или слишком крупные зерна, нарушив, таким образом, однородность структуры сплава. Чем больше составных частей в таком сплаве, тем больше трудностей.
В принципе, можно избавиться от ложностей при кристаллизации. Необходимо из смеси гранул, частиц, волокон, сварив ее в сплошную массу, изготовить металл. Это технология композитных металлов, позже она переросла в порошковую металлургию. Такая революция в металлургии удалась лишь отчасти. Композиты и порошковая металлургия занимают пусть и немаловажную, но весьма ограниченную в выпуске металлических изделий область. Прежде всего, это производства для инструмента твердых сплавов, далее – производство изделий из таких тугоплавких металлов, как молибден, вольфрам и так далее (их плавление предполагает технические трудности). И в итоге, получение деталей с волокнистой, пористой, чешуйчатой структурой. Прежде всего, продукция порошковых технологий все еще в десять раз дороже, чем продукция традиционных технологий. Также композиты, несмотря на то, что при спекании протекает диффузия компонентов и определенные химические реакции, обладают не свойствами сплава, а свойствами смеси.
Не столь давно произошла вторая попытка. Физика металлов – новая наука – сделала вывод, что прочность металла в теории на 1,5-2 порядка больше реальной. Выяснилось, что металл имеет низкую прочность из-за дефектов кристаллической решетки. Число таких дефектов может быть равно с числом атомов в этом металле, поэтому и в расчетах применяют плотность – или концентрацию дефектов на единицу объема. Если данная величина почти равна нулю, а это характеристика идеального кристалла, то прочность этого кристалла почти теоретическая. Когда концентрация дефектов повышается, прочность сначала резко уменьшается, а потом начинает гораздо медленнее повышаться. Минимум, как правило, равен реальной прочности металла без примесей. Легирующие добавки, деформация или примеси повышают концентрацию дефектов и увеличивают прочность материала. До сих пор не решена задача получения довольно крупных бездефектных металлических монокристаллов. Зато удалось вырастить кристаллы очень тонкие, толщиной несколько десятков микрон и длиной около 1,5 см. они почти бездефектны, и прочность их гораздо больше обычной. Такие «усы» пригодились даже при изготовлении высокопрочных композитов. Но из лаборатории дело так и не вышло: «усы» растут слишком медленно, а значит, их цена очень высока.
Сегодня осуществляется третья попытка провести революцию в металлургии.
25 лет назад при проведении опытов с быстрым охлаждением металлических расплавов, проводившихся, чтобы получить субмикроскопическую металлическую структуру, было обнаружено следующее. В определенных случаях кристаллическая металлическая решетка отсутствует вообще, а расположение атомов больше подходит для аморфного, бесструктурного тела. Это не стало неожиданным открытием: стекла, твердые аморфные тела получаются при переохлаждении жидкого расплава. Однако для того, чтобы получить обычное стекло, достаточно провести охлаждение на совсем небольшой скорости. А чтобы определить кристаллизацию металлов, нужны огромные скорости охлаждения – до нескольких миллионов градусов в секунду. Такой скорости смогли достичь при выстреле в воду порцией расплавленного металла. Так сумели получить частицы со стеклообразной, аморфной структурой. Неожиданностью было другое: аморфный металл имеет другие, не похожие на металлические свойства. Металл при этом, конечно, остается металлом, имеющим блеск, электропроводность и все другие характерные особенности. Но зато он становится гораздо прочнее, более стоек к коррозии, меняет свои электромагнитные характеристики. Также изменяется даже одна из наиболее устойчивых постоянных – модуль упругости. Однако самое важное достоинство этого нового материала заключается в другом. В нем отличным образом соединяются и уживаются все составные компоненты. Если применить сверхбыстрое охлаждение, сплав затвердеет, и все противоречащие ему компоненты просто не успеют проявить себя.
Аморфные сплавы называют металлическими стеклами. Они приобретают все большую популярность. Сегодня выполняется задача не только получить сплавы, имеющие новые свойства, но и сделать новую промышленную технологию, основанную на них. Здесь еще очень много проблем, требующих разрешения. Первым из металлических стекол получили Au—Si. Далее получилось создать в аморфном виде не только сплавы, но даже некоторые металлы в чистом виде – от Te, Ge, Bi до ярко выраженных V, Сг, А1, Fе, Ni и так далее. Они были получены при огромнейших скоростях охлаждения – до 1010 К/с.
Но металл не сохранил свое аморфное состояние – при нагревании происходила кристаллизация. Поэтому нужно было найти сплавы, которым требовалась разумная скорость охлаждения и температура, а также имеющие устойчивую аморфную структуру.
Имея в виду эти теоретические знания, металлурги сегодня занимаются составлением аморфных сплавов, и имеют на практике отличные результаты. Уже существуют металлические стекла, скорость плавления которых – не более 100-200 К/с, а температура их стеклования ниже в несколько раз, чем температура плавления основной составляющей. Такие показатели имеют, например, двойной сплав Pd80Si20, сплавы с добавкой кремния в 20% Fe80B20, Ni80P20, Au81Si19 и так далее. Можно увидеть, что содержание металлоидов в данных сплавах – не более 20%. Некоторые свойства и особенности металлических стекол наиболее ценны для современной техники. Какие это свойства?
Исследователи более всего заинтересовались ферромагнитными свойствами сплавов, имеющих в основе железо, кобальт и никель. Ведь металлургическое производство производит для промышленности до нескольких сотен тысяч тонн специальной электротехнической стали, а также сплавов, имеющих вид тонкого листа. 95% из них – это трансформаторные и динамные стали, армко-железо. Из таких листов производятся сердечники генераторов и электродвигателей, магнитопроводов и трансформаторов. Такие материалы носят название магнитомягких материалов. Среди их свойств обязательны высокая магнитная проницаемость, индукция насыщения, большое удельное сопротивление. Такие свойства нужны, чтобы снизить потери на вихревые токи и гистерезис, а также, чтобы повысить к.п.д. электрических машин.
Трансформаторные и иные электротехнические стали представляют собой сплав железа и кремния, при этом кремния не более 4%. Даже при таком процентном соотношении металл хрупок и с трудом прокатывается, а кроме того, легко теряет так нужные магнитомягкие свойства. Из-за этого в сердечниках падает к.п.д., а потери могут достигать 0,3-1%. Но существуют и более магнитомягкие материалы. Например, пермаллои. Они представляют собой сплавы железа и никеля, применяющиеся в магнитофонных головках и иных точных приборах. Но они стоят гораздо дороже стали и при этом без труда теряют свойства при перегреве или обработке. Магнитомягкие свойства, которые имеют металлические стекла, стоят на одном уровне с самыми качественными пермаллоями, и к тому же их свойства более стабильны и прочны.
Вскоре промышленные металлические стекла будут стоить даже дешевле, чем электротехнические стали. Их применение обещает быть очень выгодным. Наша страна производит около 1275 млрд. кВтч электроэнергии в год. Идя по проводам, электрический ток вынужден не менее 4 раз проходить через электротехнические устройства, такие как трансформаторы, генераторы, электродвигатели. Везде получаются потери энергии. Если такие потери уменьшить в два раза только в сердечниках, то можно сэкономить 20 млрд. кВтч. А определенные виды металлических стекол способны сократить потерю даже не в два, а почти в четыре раза! Поэтому интерес к этим новым материалам весьма уместен и понятен. Кроме того, металлические стекла имеют более низкую, по сравнению со сталями, электропроводность. Поэтому изоляция пластин в пакетах сердечников больше практически не нужна. Так уменьшатся габариты, и повысится к.п.д. электрических машин.
Механические свойства металлических стекол также имеют свои привлекательные стороны. Аморфный металл прочнее, чем кристаллический, примерно в 5-7 раз. Так, сплав Fе80В20 имеет прочность на разрыв не меньше 370 кгс/мм2. Он в 10 раз прочнее железа и в 2 раза прочнее самой качественной легированной стали.
У металлических стекол есть и недостатки. Они имеют довольно малую пластичность, а также теряют прочность при повышении скорости нагрузки. Однако все же аморфные сплавы можно считать пластичными стеклами: их можно подвергать вырубке и резке на полосы в штампах, на проволоку, их можно сплести и согнуть. Их них можно изготовить плетеные сетки, которые удачно заменят арматуру в железобетонных плитах, канаты, прочные волокнистые композиты и самые разные изделия, что позволит сэкономить огромное количество металла.