Применение аморфных сплавов

1. Порядка 80% промышленных аморфных сплавов производятся ради их магнитных свойств. Они применяются в качестве магнитомягких материалов, сочетающих изотропность свойств, высокую магнитную проницаемость, высокую индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу. Их применяют для изготовления магнитных экранов, магнитных фильтров и сепараторов, датчиков, записывающих головок и т. п. Сердечники трансформаторов, изготовленные из аморфных сплавов, характеризуются весьма малыми потерями на перемагничивание благодаря узкой петле гистерезиса, а также высокому электросопротивлению и малой толщине, что уменьшает потери, связанные с вихревыми токами.

Хотя аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические, но при наличии в них хрома и других элементов, способствующих формированию пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал. Аморфные сплавы применяются и как высокопрочные (например, в качестве компонента композиционных материалов и даже корда автомобильных шин). Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов. Применение аморфных сплавов сдерживают как технологические ограничения (малая толщина получаемых полуфабрикатов, полная несвариваемость), так и малая стабильность свойств — их структура и свойства существенно изменяются не только при нагревах, но и за время работы при комнатной температуре.

В Челябинской области имеется предприятие, производящее аморфные металлические сплавы в промышленных масштабах — это ОАО «Ашинский металлургический завод». Первые работы по получению аморфных сплавов были начаты на нём в 1984 г., а цех по производству аморфной ленты (ЭСПЦ-1) построен в 1989 г.

Аморфная лента производится на агрегатах «Урал-100» методом литья плоской струи жидкого металла на поверхность вращающегося охлаждаемого барабана диаметром около 1000 мм и шириной 200 мм (см. рис. 1, а). Получаемая лен-та имеет ширину от 3 до 80 мм и толщину 20…30 мкм. Выпускаются магнитомягкие аморфные сплавы на основе железа 2НСР, 9КСР, 30КСР и кобальта 71КНСР, 86КГСР, 82К3ХСР, 84КХСР, а также нанокристаллический сплав типа «файнмет» 5БДСР. (Обозначения элементов в марках сплавов такие же, как у легированных 17 сталей.) Сплавы поставляются потребителям как в виде ленты, смотанной в рулоны, так и в виде готовых изделий — магнитопроводов. Помимо витых магнитопроводов, из аморфной ленты могут изготавливаться магнитные экраны, сердечники магнитных датчиков и трансформаторов, резистивные элементы и др.

Лента поставляется без термической обработки, однако готовые изделия из большинства сплавов требуют обязательной термомагнитной обработки (реже — термической обработки без магнитного поля) при 400…460 °C в течение 10…60 мин. Термомагнитная обработка сплава 5БДСР, сопровождающаяся нанокристаллизацией, производится при 520…550 °C. Без термообработки применяется только сплав 71КНСР для магнитных экранов. Для каждой партии ленты контролируется не только химический состав, но и целый набор магнитных характеристик после термической (термомагнитной) обработки.

Аморфные элинвары используют для изготовления сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения и крутящего момента; пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. В ФРГ разработан сплав марки Vitrovac-0080, содержащий 78% никеля, бор и кремний. Сплав имеет прочность при растяжении = 2000 МПа, модуль Юнга 1,5*105 МПа, плотность 8 г/см3, электросопротивление 0,9 Ом*мм2/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 107 циклов. Сплав рекомендуется для изготовления пружин, мембран и контактов.

Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. В перспективе возможно применение аморфных сплавов для изготовления маховиков. Такие маховики могут использоваться для аккумулирования энергии и покрытия пиковых нагрузок на электростанциях, для улучшения рабочих характеристик автомобилей и т. д.

АМС на основе железа применяются как материалы для сердечников высокочастотных трансформаторов различного назначения, дросселей, магнитных усилителей. Это обусловлено низкими суммарными потерями, которые в лучших АМС данного класса оказываются на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

Сплавы Fe — Si — В с высоким магнитным насыщением были предложены для замены обычного кристаллического сплава Fe — Si в сердечниках трансформаторов, а также сплавов Ni — Fe с высокой магнитной проницаемостью. Отсутствие магнитокристаллической анизотропии в сочетании с довольно высоким электросопротивлением снижает потери на вихревые токи, в особенности на высоких частотах. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe81B13Si4C2 составляют 0,06 Вт/кг, т. е. примерно в двадцать раз ниже, чем потери в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe83B15Si2вместо трансформаторных сталей составит только в США 300 млн. долл/год. Эта область применения металлических стекол имеет широкую перспективу.

Помимо чрезвычайно высокой начальной магнитной проницаемости, особенно на высоких частотах (10 кГц), а также нулевой магнитострикции металлические стекла на основе кобальта имеют высокую твердость и хорошие коррозионные характеристики, поэтому они находят применение в качестве материалов для магнитных записывающих головок. Высокие характеристики и широкое применение нашел разработанный в Японии сплав Fe5Co70Si10B15. Методом закалки в валках производят ленту толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с прекрасным качеством обеих поверхностей (шероховатость ± 3 мкм). Вследствие высокой плотности магнитного потока и высокой износостойкости записывающие головки, изготовленные из такой ленты, имеют лучшие общие характеристики, чем ферритные головки, а также головки из пермаллоев. Эти материалы находят применение в звуко-, видео-, компьютерном и другом записывающем оборудовании.

Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяют в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности для источников вторичного питания и магнитных усилителей. Их используют в детекторах утечки тока, системах телекоммуникаций и в качестве датчиков (в том числе типа феррозондовых), для магнитных экранов и температурночувствительных датчиков, а также высокочувствительных магнитных преобразователей. Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, а также изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред.

Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств обуславливает возможность и других областей применения. Например, возможно использование таких стекол в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.

Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптимальной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высокую коррозионную стойкость. Они используются в авиационной и космической технике.

В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы.

Известно также применение аморфных сплавов в качестве катализаторов химических реакций. Например, аморфный сплав Pd — Rh оказался катализатором для реакции разложения NaCl на NaOH и С12, а сплавы на основе железа обеспечивают больший выход (около 80%) по сравнению с порошком железа (около 15%) в реакции синтеза.

4Н2 + 2СО = С2Н4 + 2Н2О — (12.1).

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов. Сведения об основных областях применения аморфных металлических материалов содержатся в таблице 12.4.

Широкому распространению 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.