Металлы и сплавы в химии и технике

    Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, что сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состоянии так же ферромагнитны.

    Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии. В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза. Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяет с большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока, датчиков, сердечников и разного рода реле.

    Количество компонентов в сплавах возрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и более компонентов. Их составление - большое искусство, так как компоненты должны работать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов металлурги называют композиторами.

    Изготовить такие композиции в промышленности часто труднее, чем составить. У компонентов разные температуры плавления, химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлять множеством процессов, используя вакуум или защитные атмосферы, флюсы, разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можно только режимом охлаждения. Здесь-то компоненты и проявляют свой характер. Одни упрямо не хотят растворяться в общей массе сплава и выделяются прослойками, другие жадно поглощают все загрязнения и примеси, образуя стойкие и вредные соединения, третьи кристаллизуются в слишком крупные или слишком мелкие зерна, нарушая структурную однородность сплава. И чем больше компонентов, тем больше подобных проблем.

    Чтобы избавиться от трудностей, связанных с кристаллизацией, можно изготовить металл из смеси компонентов в виде частиц, гранул или волокон, спрессовав и сварив их в сплошную массу. Так возникла технология композитных металлов, а затем порошковая металлургия. Это была первая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.

    Порошковая металлургия и композиты занимают хотя и важную, но довольно ограниченную область в выпуске металлических изделий. Это прежде всего производство твердых сплавов для инструмента, затем изготовление изделий из тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена и других, плавление которых сопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особой структурой - пористых, волокнистых, чешуйчатых.

    Порошковая технология ограничена прежде всего стоимостью продукции, которая пока раз в десять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическими приемами. Кроме того, хотя при спекании происходит диффузия компонентов и протекают некоторые химические реакции, композиты все же обладают свойствами смеси, а не сплава.

    Вторая попытка состоялась сравнительно недавно, когда новая наука - физика металлов - обнаружила, что теоретическая прочность металла на полтора-два порядка выше реальной. Оказалось, что низкая прочность металла объясняется дефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может быть соизмеримо с числом атомов, поэтому в расчетах используют плотность, или концентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, что соответствует идеальному кристаллу, то прочность такого кристалла близка к теоретической. С повышением концентрации дефектов прочность сначала стремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительно медленнее. Минимум обычно соответствует реальной прочности чистого  металла. Примеси, легирующие добавки, деформация увеличивают концентрацию дефектов и повышают прочность материала.

    Была поставлена задача получить бездефектные и достаточно крупные металлические монокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось вырастить тонкие, в несколько десятков микрон, и длиной до полутора сантиметров почти бездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность действительно оказалась во много раз выше обычной. Из таких "усов" были даже изготовлены высокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скорость роста "усов" оказалась слишком низкой, а потому цена - слишком высокой.

            Третья попытка совершить революцию в металлургии делается сегодня.

    Четверть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях  кристаллическая решетка  в металле вообще отсутствует, а расположение  атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не  было неожиданностью: твердые аморфные тела - стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образования обычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же, чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы громадные скорости охлаждения - миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порции расплавленного металла выстреливали в воду, - получались частицы с аморфной, стеклообразной структурой.

    Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, со всеми характерными для него свойствами - блеском, электропроводностью и т.д. Но он становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии, меняются электоромагнитные характеристики и  даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. Но главное достоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают проявить свой антагонизм.

    Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к ним стремительно возрастает  Сейчас ставится задача не только получать сплавы с новыми свойствами, но и создавать их промышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым из полученных металлических. стекол был сплав Аu--Si. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и, некоторые чистые металлы -- от Gе, Те и Вi до ярко выраженных А1, V, Сг, Fе, Ni и других. Для этого потребовались фантастические скорости охлаждения - до 10¹⁰ К/с.  Однако аморфное состояние металла оставалось не устойчивым - при нагреве начиналась кристаллизация. Необходимо было найти сплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфной структурой.

    На основании этих теоретических представлений  металлурги  составляют сейчас аморфные сплавы, получая превосходные практические результаты. Уже есть металлические стекла, у которых критическая скорость всего лишь 100 - 200 К/с, а температура стеклования в несколько раз меньше температуры плавления основного компонента. Таковы, например двойной сплав Pd80Si20, с двадцатипроцентной добавкой кремния сплавы Ni80P20, Fe80B20, Au81Si19 и многие другие. Нетрудно заметить, что  общее содержание металлоидов во всех этих сплавах около 20 %. Какие же свойства металлических стекол особенно ценны для современной техники?

    Прежде всего исследователей заинтересовали   ферромагнитные   свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Металлургия готовит для промышленности сотни тысяч тонн специальных электротехнических сталей и сплавов в виде тонкого листа. Из них 95 % составляют армко-железо, динамные и трансформаторные стали. Из листа набираются сердечники электродвигателей и генераторов, трансформаторов и магнитопроводов. Материалы для сердечников электромашин называют магнитомягкими. Они должны обладать высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения, значительным удельным электросопротивлением. Это чрезвычайно важно для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи, для повышения к.п.д. электрических машин.

    Трансформаторные и другие электротехнические стали - это сплав железа с кремнием. Причем больше 4 % кремния добавлять нельзя, но и при этом металл получается хрупким, плохо прокатывается, легко теряет столь необходимые магнитомягкие свойства. В результате потери в сердечниках обычно достигают 0,3-1 %, падает к.п.д. Правда, есть еще и более магнитомягкие материалы. Это пермаллои - сплавы на основе железа и никеля, которые применяются в магнитофонных головках и других точных приборах. Однако они в десятки раз дороже стали и тоже легко теряют свои свойства при обработке или перегреве. А магнитомягкие свойства металлических стекол оказались на уровне пермаллоев лучших марок, притом эти свойства более стойки и стабильны.

    Поскольку ожидаемая стоимость промышленных металлических стекол даже ниже, чем электротехнической стали, то применение нового материала сулит громадные выгоды. У нас в стране производится в год около 1275. млрд. квт-ч электроэнергии. На своем пути до потребителя электрический ток не менее четырех раз проходит через электротехнические   устройства -- генераторы, трансформаторы, электродвигатели. И везде потери. Если сократить их вдвое только в сердечниках, это составит экономию 20 млрд. квт-ч. А некоторые  марки металлических стекол сокращают потери не в 2, а в 3--4 раза. Так что интерес к новым материалам понятен и оправдан. К этому необходимо еще добавить, что из-за более низкой, чем у сталей, электропроводности для металлических стекол частично или полностью к отпадает необходимость в изоляции пластин в пакетах сердечников. А это означает уменьшение габаритов и повышение к.п.д. электрических машин.

    Не менее привлекательны механические свойства металлических стекол. Аморфный металл в среднем в 5--7 раз прочнее своего кристаллического аналога. Например, сплав Fе80В20 имеет прочность на разрыв 370 кгс/мм² - в десять раз прочнее железа, вдвое прочнее лучших легированных сталей.

    К недостаткам металлических стекол, как и всех стекол вообще, следует отнести их малую пластичность, а также характерное снижение прочности при увеличении скорости нагружения. И все же есть основания считать аморфные сплавы пластичными стеклами: их можно вырубать и резать на полосы в штампах, на полосы и проволоку, можно гнуть и сплетать, поэтому не трудно представить плетенные сетки из аморфного металла вместо арматуры в железобетонных плитах, прочнейшие волокнистые композиты, канаты и многие другие изделия, где уникальная прочность металлических стекол позволит сэкономить тысячи тонн металла.   

    СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. "Химия и жизнь", научно-популярный журнал академии наук Украины.(№-8 1998г.)
2. "Необычные свойства обычных металлов", В.А.Займовский, Т.Л.Колупаева, библиотека "Квант" (№-32 1997г.)
3. "Магниты из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом"(proceedings of the second international workshop on RARE EARTH-COBALT PERMANENT MAGNETS and their applica-tions,Dayton,Ohio,Usa ,edited Karl.J.Strnat), перевод Р.С.Торчиновой, Є.М.Лазарева, Москва “Москва”1995г.
4. "Редкоземельные магнетики и их применение", К.П.Белов, Издательство "Наука", 1990г.
5. "Химия и научно-технический прогресс", И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня, Москва "Просвящение" 1988г.(для учеников 10-11 классов)
6. "Энциклопедический словарь юного химика", Москва 1990г.