ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Предисловие к русскому изданию из "Аморфные металлы " Авторы книги, хорошо известные в своей области специалисты, подводят итоги развития мировой науки об аморфных сплавах, в том числе Достижений японской научной школы. Поэтому при чтении книги не следует забывать, что в ряде случаев она ориентирует на достижения японских исследователей. Однако четкое изложение проблемы аморфных сплавов с позиций авторов представ-лиет несомненный интерес, поскольку это дает материал для сопоставлений, анализа и выработки оптимальной стратегии дальнейших исследований и практического использования аморфных сплавов. Главное состоит в том, что авторы успешно решили пo faвлeннyю задачу —дать целостное представление о проблеме аморфных материалов как с позиций чисто научной значимости, так и с Позиций ее роли в дальнейшем развитии научно-технического прогресса. В этом — одна из важных заслуг авторов. [c.8] Целостное представление складывается потому, что авторы сумели в сжатой форме изложить и обсудить все вопросы научного и практического характера, связанные с данной проблемой, а именно методы получения и условия образования аморфных сплавов атомную и электронную структуру процессы структурной релаксации и кристаллизации физические, механические и химические свойства аморфных сплавов и возможные области их применения. Таким образом, в книге отражены служебные свойства аморфных сплавов и технология их получения, а также обсуждается одна из фундаментальных и далеко не решенных до конца задач физики конденсированного состояния — проблема однозначного физического описания неупорядоченных металлических систем. [c.8] Книга вызовет несомненный интерес советских ученых и инженеров. Вопросы структурообразования и фазового равновесия при затвердевании металлических расплавов в условиях быстрого охлаждения давно интересовали советских исследователей [1, 2, 6, 19]. Следует также вспомнить новаторскую и ставшую уже классической работу А. И. Губанова, посвященную теории аморфных ферромагнетиков, ссылка на которую имеется в книге Аморфные металлы . Поэтому широкий размах исследований аморфных металлических сплавов в СССР, во многом был подготовлен традиционным интересом ряда советских научных школ к метастабильным состояниям металлических систем, получаемых как при быстром охлаждении расплавов, так и при осаждении паров [2 . [c.8] Как известно, методом закалки расплава аморфное состояние в металлических сплавах впервые было получено в 1960 г. (Дювез, Виллене и Клемент). Однако широкое признание аморфных металлических материалов в науке и технике началось в начале 70-х годов, когда были разработаны высокоэффективные методы их получения в виде тонкой ленты или проволоки. Стало ясно, что понятие металлическое тело уже нельзя рассматривать как синоним понятия кристаллическое тело , что с получением металлического вешества в новом (аморфном) состоянии необходимо рассматривать два- существенно отличающихся по своей природе и свойствам класса металлических тел —кристаллические и аморфные. [c.8] Диаметрально противоположное атомное строение кристаллических и аморфных металлических веществ— в аморфном состоянии отсутствует дальний порядок в расположении атомов, а следовательно, кристаллическая анизотропия и дефекты кристаллического строения такие, как дислокации и вакансии, границы зереи и блоков, двойники и дефекты упаковки — есть та первопричина, которая обусловливает не только разительное отличие свойств этих веществ, но и уникальное, не характерное для кристаллических тел, сочетание различных свойств в аморфных металлических материалах. [c.8] Наиболее распространенным и имеющим наибольшее практическое значение методом получения аморфных материалов в большом количестве и в виде, пригодном для непосредственного использования в технике, например В виде ленты, является метод закалки расплава на поверхности быстро вращающегося цилиндра. Этот и другие методы, основанные на создании контакта струи расплава с массивным вращающимся теплоприемником, обеспечивают такую высокую скорость охлаждения ( 10 К/с), что для многих металлических сплавов удается предотвратить процессы кристаллизации и получить конечную продукцию в виде аморфной ленты определенной геометрии (толщиной 15—50 мкм и шириной от 1 до 100 мм и более). [c.9] Потребности в аморфных материалах (в равной степени и в мелкокристаллических) для развития электротехнической, электронной, приборостроительной и других отраслей промышленности столь возрасли, что фактически в последнее десятилетие в технически развитых странах создана или находится на стадии создания новая технология металлургического производства. Принципиальное отличие этой технологии от традиционной состоит в том, что конечный продукт получается непосредственно из расплава в процессе одной операции — непрерывной разливки, минуя многоступенчатый и трудоемкий технологический цикл, состоящий из десятков операций (в том числе, из таких энергоемких, как ковка и прокатка). Экономическая целесообразность новой технологии во все большей степени будет проявляться по мере увеличения объема и номенклатуры продукции, а также совершенствования оборудования (в частности, в результате внедрения агрегатов высокой производительности— 1000 т и более в год). Следует также отметить, что технология получения конечного продукта непосредственно из расплава, по существу, имеет черты безотходной технологии. [c.9] Создание высокопроизводительных агрегатов по производству аморфных сплавов, насыщение спроса на ату продукцию приводит к непрерывному уменьшению ее стоимости. Так, по данным А. Хёнига, если цена 1 кг аморфного сплава в виде ленты в 1981 г. составляла в зависимости от объема производства и его состава 110—500 марок ФРГ, то, как показывают оценки, в 1990 г, она не превысит 10—130 марок. Выпуск аморфных сплавов на основе железа, применение которых перспективно в качестве электротехнических материалов для трансформаторов, прогнозируется на 1990 г, в объеме 100 тыс. т в год. Причем предполагается, что к этому времени ценй этого вида сплавов будет снижена до уровня, сравнимого с ценой кремнистой трансформаторной стали. Одновременно годовой выпуск аморфных сплавов на железоникелевой основе к этому времени может достигнуть 10 тыс, т (цена 1 кг 15—30 марок), а высококобальтовых сплавов с близкой к нулю магнитострикцией — 1000 т (цена 1 кг 80—130 марок). [c.9] Это объясняет, почему возник большой интерес к аморфным сплавам на основе железа — лучшие марки этих сплавов после о птимизирующих обработок имеют потери во много раз более низкие, чем потери в анизотропной трансформаторной стали. Применение аморфных сплавов в силовых и распределительных трансформаторах хотя и приводит к удорожанию их производства и увеличению габаритов, но экономический выигрыш в результате резкого снижения уровня потерь в условиях роста цен на энергоресурсы становится решающим фактором, определяющим целесообразность примеиеиия аморфных сплавов. Рассчитано, что замена в США обычных трансформаторов на трансформаторы, сердечники которых изготовлены из аморфных сплавов, приведет к ежегодной экономии 23 млрд. кВт-ч электроэнергии, что эквивалентно экономии 6,3 млн. т нефти в год стоимостью 1 млрд. долларов. [c.10] К настоящему времени в СССР опубликовано большое число обзоров по различным аспектам проблемы аморфных сплавов [3—И], а также изданы сборники трудов, во многом отражающие размах работ в СССР по этой проблеме [15—20]. С начала 80-х годов вышли в свет ряд монографий [19—25, 31] советских ученых, а также монография ученых ГДР [26]. Переведены и изданы сборники трудов зарубежных исследователей [27—30] . [c.11] Остановимся на характеристике содержания основных разделов книги, надеясь, что это будет небесполезно для читателя, особенно для тех, кто знакомится с изложенным материалов впервые. [c.11] Вторая глава книги посвящена фактически двум вопросам — описанию основных методов получения аморфных металлов и обсуждению роли различных факторов в образовании аморфной структуры при закалке из жидкого состояния. Методы охлаждения металлов из газовой фазы, как и методы электролитического осаждения, описаны весьма сжато, а основное внимание уделено методам закалки из жидкости, т. е. методам, которые позволяют получать аморфные металлы в промышленных масштабах (в виде леиты, проволоки, порошка). Особое внимание следует обратить на метод получения аморфной проволоки диаметром до 200 мкм путем охлаждения струи расплавленного металла в жидкости, удерживаемой центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана. Получение проволоки такого диаметра с прочностью и пластичностью, превышающей эти показатели для лучших сортов стальной проволоки, — одни из впечатляющих успехов рлзвития технологии получения аморфных, сплавов за последние годы. [c.11] Одной из наиболее актуальных является проблема создания промышленной технологии получения широких лент высокого качества, особенно при производстве аморфных магнитных материалов, применяемых для изготовления сердечников трансформаторов. Для выпуска таких лент используют сопла с длинным щелевым отверстием, а для уменьшения турбулентности разливку проводят при пониженном давлении и очень близком расположении сопла от дисКа, чтобы расплавленный металл заполнял пространство между тиглем и диском. Например, фирма Хитачи для выпуска широкой ленты (ширина 100 мм, длина 300 м — это отвечает садке 10 кг) разработала высокопрецизионную контрольную систему производства и аппаратуру для поточной намотки. Закалку проводят на цилиндре диаметром 1,2 м. [c.12] Большой практический интерес представляют процессы поверхностной амор-физации, позволяющие создавать материалы со свойствами кристаллического состояния в объеме и с комплексом свойств аморфного состояния на поверхности — в первую очередь высоких коррозионной стойкости и износостойкости. Поверхностную аморфизацию можно реализовать с помощью лазерного облучения [33] или методом ионной имплантации [23]. [c.12] Следует отметить, что вопрос о критериях, контролирующих склонность к образованию аморфного состояния, в гл. 2 освещен недостаточно полно выделены лишь такие факторы, как глубокая эвтектика и размерный фактор . Последний из них трактуется не только как фактор получения более плотной случайной упаковки или стабилизации атомных конфигураций типа Бернала, но и как фактор, обеспечивающий более выраженную химическую связь между атомами (последнюю черту обычно определяют как третий критерий — разность электроотрицательностей ). [c.12] В последнее время все большее внимание уделяется роли кристаллохимического фактора, определяющего взаимосвязь между склонностью к аморфизации и типом стабильных и метастабильных фаз, характерных для тех или иных систем [6, 12, 13, 22]. Здесь надо отметить, во-первых, что во многих системах легко аморфизирующиеся сплавы располагаются в области тех составов, которым отвечают соединения со сложной кристаллической структурой ( т-, р,- и 0-фазы или фазы Лавеса). Предполагается, что для таких сплавов процесс образования критических зародышей сильно затруднен из-за необходимости существенного перераспределения компонентов в расплаве. Но это только один аспект проблемы. Основываясь на данных об атомной структуре метастабильных фаз, которые являются последними в ряду кристаллических состояний, возникающих по мере увеличения скорости охлаждения, можно сформулировать следующий кристаллохимический критерий для определения сплавов с повышенной склонностью к аморфизации (Ю.. А. Скаков) наибольшей склонностью обладают сплавы, которые при скоростях охлаждения, близких к критическим, кристаллизуются в структурах, имеющих атомную координацию, отвечающую упорядоченной о. ц. к. решетке (сверхструктура на основе о. ц. к. решетки). Эти данные позволяют представить, что в процессе охлаждения переохлажденного расплава не только протекают процессы релаксации атомной структуры, связанные с принципом эффективной упаковки атомов, но и усиливается дифференциация компонентов, так что в предельно переохлажденном расплаве достигается такая равновесная степень композиционного порядка, которая обусловливает или кристаллизацию упорядоченных метастабильных фаз, или при охлаждении со скоростью выше критической — аморфизацию расплава с координацией атомов в областях локального порядка, сходной с координацией атомов этих фаз. [c.12] Таким образом, атомная структура аморфного сплава в большей степени наследует структуру расплава в районе температур аморфизации (она, в свою очередь, зависит от скорости охлаждения), чем стр туру жидкости, отвечающую температуре закалки (И. С. Мирошниченко, Ю. А. Скаков). Критерий, основанный на характере ближнего порядка расплава, по Соммеру формируется так в случае, когда кластер имеет упорядочение по типу равновесной фазы, кристаллизация облегчается и, наоборот, если локальный состав отличается от стабильной фазы, склонность к аморфизации велика. Обычно при составах, отвечающих максимуму ближнего порядка, наблюдается наибольшая стабильность аморфного состояния. [c.13] Термодинамические критерии аморфизации металлических сплавов позволяют из самых общих предпосылок, без конкретизации атомного или электронного строения жидкой и кристаллических фаз, подойти к выявлению систем, сплавы которых обладают относительно повышенной или, наоборот, пониженной склонностью к аморфизации. В соответствии с одним из термодинамических критериев склонность к аморфизации зависит от характера изменения в зависимости от состава температуры Го, которая определяется как температура, при которой твердая и жидкая фазы имеют одну и ту же свободную энергию и при достижении которой возникает движущая сила для превращения расплава в твердый раствор того же состава (Бекер—Кан). Сплавы, для которых изоконцентраци-онный переход возможен, склонны к аморфизации. [c.13] Вернуться к основной статье