Тема 6. Новые конструкционные материалы на металлической основе

6.1. Аморфные металлические сплавы

Аморфные металлические сплавы являются принципиально новым классом металлических материалов, обладающих уникальным комплексом эксплуатационных свойств (прочностных, электрических, магнитных, коррозионных), значительно превышающих эти показатели у сплавов аналогичных составов, но находящихся в кристаллическом состоянии.

Структура аморфных сплавов – разупорядочная, т.е. с хаотическим расположением атомов, аналогичным реализующимся в жидкостях.

Современная техника использует различные методы реализации аморфной структуры в металлических материалах: сверхбыструю (со скоростями 10⁵-10^{8 0}С/с) закалку из жидкого состояния, воздействие на кристаллические материалы потоками частиц высоких энергий (40-100 кЭВ), механическое легирование путем длительного размалывания порошков в шаровых мельницах и др.

В технике наиболее широко используют метод закалки из жидкостей. Этим методом получают ленты толщиной 10-20 мкм, либо проволоку  50-70 мкм.

Более широко начинают использовать методы нанесения аморфных покрытий на массивные изделия. Для этого используют методы лазерного облучения, ионной имплантации высокоэнергетических частиц.

К настоящему времени получено большое число аморфных сплавов на основе железа, никеля, титана, меди, алюминия, как правило, с аморфирующими добавками (P, Si, B, C и др.), составы некоторых из них приведены в таблице.

Из таблицы видно, что механические свойства аморфных сплавов существенно более высокие, чем для традиционных сталей и сплавов.

Таблица 2.

Механические свойства (твердость, предел прочности

при растяжении) ряда типичных аморфных сплавов

состав	HV, МПа	, МПа
Fe80B20	11000	3700
Fe80P20	7500	-
Fe72Cr8P13C7	8500	3800
Fe77Al2B15C5Si1	10970	3400
Fe60Cr8Mo3B29	9800	3680
Fe42Cr18Mo16W6C18	19500	-
Ni40Mo30Cr20B10	10700	3540
Ni50Nb50	8940	-
Co50Mo40B10	15400	3500
Co75B15Si10	15600	3600
Ti65Ni35	7300	-
Ti70Ni15Si15	5100	1970
Ti85Si15	5300	1960
Zr60Co10Ni30	6500	-
Cu50Zr50	5800	-
Cu57Zr43	5400	1380

Отсутствие границ зерен в аморфных материалах обуславливает в них высокую коррозионную стойкость, особенно к питтинговой и межкристаллической коррозии.

Электросопротивление аморфных сплавов в несколько раз выше, чем кристаллических того же состава. Магнитные свойства аморфных сплавов Fe₃Co₇₂P₁₆B₆Al₃ значительно выше, чем у классических высоконикелевых пермаллоев Fe – 78,5%Ni и супермаллов Fe-79%Ni – 5%Mo.

Приведенные примеры свойств отдельных аморфных сплавов свидетельствуют о большой перспективности их использования в различных отраслях техники. При этом, несмотря на сравнительную дороговизну аморфных сплавов, в ряде отрасли техники их использование экономически оправдано.

Например, при изготовлении сердечников различных трансформаторов основным преимуществом аморфных сплавов, по сравнению с традиционно используемой трансформаторной сталью Fe – 3%Si, является значительное снижение ваттных потерь (на 65-70%) и повышение КПД трансформаторов, при существенном снижении уровня шумов при их эксплуатации.

В настоящее время аморфные сплавы достаточно широко используют для изготовления различных термодатчиков, магнитных фильтров, головок магнитной записи.

Покрытия из аморфных сплавов перспективно наносить в качестве износостойких на инструмент, что в ряде случаев позволяет заменить инструмент из твердых сплавов типа ВК (карбид вольфрама WC + Co - связка).

Сочетание высоких механических и коррозионностойких свойств аморфных сплавов открывает перспективы их использования в пищевой промышленности. Нанесение на традиционно используемые изделия аморфных покрытий из сплавов Fe₇₀Cr₁₀P₁₃C₇, либо Ni₄₀Ti₄₀Si₂₀, сочетающих высокую износостойкость и коррозионную стойкость, позволит более эффективно использовать насосы для перекачки соков, вин, сиропов, различные узлы машин для дробления сырья.

В холодильном машиностроении аморфные материалы целесообразно использовать для изготовления датчиков оледенения, принцип действия которых основан на резком изменении скорости затухания ультразвуковых колебаний при нарастании ледяной корки. В настоящее время также датчики изготавливаются из аморфных сплавов Fe₇₈Si₁₀B₁₂ и Fe₃Co₇₂P₁₆B₅Al₄.