Металлы и сплавы в химии и технике.

Металлы и сплавы в химии и технике.



Химические элементы – это элементы образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью. Из 110 известных химических элементов 88-металлы и только 22-неметаллы.

Такие металлы, как золото, серебро и медь, известны человеку с доисторических времен. В древние и средние века считали, что существует только 7 металлов (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть). М. В. Ломоносов определял металл как “светлое тело, которое ковать можно” и относил к металлам золото, серебро, медь, олово, железо и свинец” А. Лавуазье в “Начальном курсе химии” (1789) упоминал уже 17 металлов. В начале XIXв. последовало открытие платиновых металлов, а затем щелочных, щелочноземельных и ряда других. 

Триумфом периодического закона было открытие металлов, предсказанных на его основе Д. И. Менделеевым, - галлия, скандия и германия. В середине XX в. с помощью ядерных реакций были получены трансурановые элементы - не существующие в природе радиоактивные металлы.

Современная металлургия получает свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов.

В основе структуры металлов лежит кристаллическая решетка из положительных ионов, погруженная в плотный газ подвижных электронов. Эти электроны компенсируют силы электрического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их в твердые тела.

Такой тип химической связи называют металлической связью. Она обусловила важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск.

Пластичность — это способность металлов изменять форму при ударе, прокатываться в тонкие листы и вытягиваться в проволоку. При этом происходит смещение атомов и ионов кристаллической решетки, однако связи между ними не разрываются, так как соответственно перемещаются и электроны, образующие связь. Пластичность металлов уменьшается в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe. Золото, например, можно прокатывать в листы толщиной до 0,003 мм, которые используют для золочения.

Высокая электропроводность металлов объясняется присутствием свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному С повышением температуры колебания ионов и атомов металлов усиливаются, что затрудняет движение электронов и тем самым приводит к уменьшению электропроводности. При низких же температурах колебательное движение ионов и атомов, наоборот, сильно уменьшается, и электропроводность возрастает. Вблизи абсолютного нуля электрическое сопротивление у металлов практически отсутствует. Лучший проводник электричества - серебро, за ним идут медь, золото, алюминий, железо. Также изменяется и теплопроводность металлов, которая вызвана как высокой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла. Металлический блеск тоже связан с наличием свободных электронов.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют плотность, температура плавления и твердость. Самый легкий из металлов - литий (плотность 0,53 г/см3), самый тяжелый - осмий (22,6 г/см3). Металлы с плотностью меньше 5 г/см 3 называются легкими, остальные - тяжелыми. Температуры плавления металлов различаются очень сильно: цезий и галлий можно расплавить теплом ладоней, а температура плавления вольфрама +3410° С. При обычных условиях единственный жидкий металл - ртуть. В парообразном состоянии все металлы одноатомны, их кристаллическая решетка разрушается.

Металлы различаются по твердости. Самый твердый из них - хром - режет стекло, а самые мягкие - калий, рубидий и цезий - легко режутся ножом. Прочность, температура плавления и твердость  зависят от прочности металлической связи. Она особенно велика у тяжелых металлов.

В технике сплавы на основе железа, т.е чугун, сталь, а также само железо, называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов.

Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов с ядром атома. Атомы сравнительно легко отдают их, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Поэтому металлы являются хорошими восстановителями. В этом их главная и наиболее общее химическое свойство.       

Очевидно, как восстановители металлы должны вступать в реакции с различными окислителями, среди которых могут быть простые вещества (неметаллы), кислоты, соли менее активных металлов и некоторые другие вещества. Соединения металлов с кислородом называются оксидами, с галогенами - галогенидами, с серой - сульфидами, с азотом - нитридами, с фосфором - фосфидами, с углеродом - боридами, с водородом - гидридами и т. д.. Многие из этих соединений нашли важное применение в технике.

При взаимодействии металлов с кислотами окислителем является ион водорода Н, который принимает электрон от атома металла:

Mg - 2e=Mg2+ 

2H+ +2e=H2+

___________________

Mg+2H+=Mg2+H

Металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов (ряду напряжений) левее водорода, обычно вытесняют (восстанавливают) водород из разбавленных кислот типа НС1 или Н2S04, а металлы, стоящие правее водорода, его не вытесняют.

Взаимодействие металлов с водными растворами солей менее активных металлов можно иллюстрировать примером:

Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu

В этом случае происходит отрыв электронов от атомов более активного металла — цинка и присоединение их ионами менее активного Сu2'. Руководствуясь рядом стандартных электродных потенциалов, можно сказать, что металл вытесняет (восстанавливает) из растворов их солей многие следующие за ним металлы.

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) взаимодействуют и с водой, которая в этом случае выступает в роли окислителя.

Металлы, гидроксиды, которые амфотерны, как правило, взаимодействуют с растворами и кислот, и щелочей.

Металлы могут образовывать химические соединения между собой. Такие соединения обычно образуют типичные металлы с металлами, обладающими слабыми металлическими свойствами, например определенные соединения натрия со свинцом:

Nа5РЬ2, NaРЬ, Na2РЬ, Na4РЬ

Соединения одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов, интерметаллических соединений или металлоидов.

Рассмотренные свойства металлов, связанные с отдачей электронов в химических реакциях, называют металлическими. В различной степени ими обладают все химические элементы. О металлических свойствах судят, сопоставляя электроотрицательности элементов. Эта величина, выраженная в условных единицах, характеризует способность атома в молекуле притягивать электроны. Относительные значения электроотрицательностей элементов. Чем меньше электроотрицательность, тем сильнее выражены металлические свойства элементов.

ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ С ВЫСОКОЙ  МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИЕЙ.

      Использование редкоземельных соединений дает возможность создавать материалы для постоянных магнитов малого веса с большой магнитной энергией. Наиболее эффективными для этой цели являются интерметаллические соединения кобальта с легкими редкоземельными металлами, такие как SmCo5, NdCo5, PrCo5. 

      При соответствующей технологической обработке (прессование мелких частиц в магнитном поле и последующее спекание), обеспечивающей возникновение однодоменных частиц, появляются огромные коэрцитивные силы. Кроме того, они обладают высокой намагниченностью насыщения при комнатных температурах и, как следствие этого, высокой остаточной индукцией BR. Все это позволяет создавать из таких материалов постоянные магниты с очень большой максимальной магнитной энергией до 32 млн. Гс-Э, что в несколько раз больше, чем соответствующие энергии для лучших сплавов на основе элементов группы железа.

Подобные материалы открывают большие возможности в создании миниатюрных автономных источников постоянного магнитного поля. Соединения типа SmCo5 сейчас занимают ведущее место среди материалов, из которых изготовляются весьма сильные и компактные магниты для различных устройств в электротехнике, радиотехнике и автоматике (например, для создания миниатюрных электромоторов, магнитных элементов вакуумных приборов — ламп с бегущей волной, магнетронов, магнито - фокусирующих систем, для медицинских приборов и др.).

Дальнейшее улучшение материалов для постоянных магнитов на основе редкоземельных соединений требует лучшего понимания физики намагничивания ферромагнитных систем RCо5, а также изучения магнитных свойств новых соединений, например, Sm2Co17 и различных смешанных систем.  Важным также является изучение влияния кристаллической структуры и дефектов структуры на магнитные свойства подобных материалов, а также отработка технологических приемов получения качественных магнитов из этих соединений.

МАТЕРИАЛЫ С ГИГАНТСКОЙ  МАГНИТОСТРИКЦИЕЙ

Металлы ТЬ, Dу и ферриты-гранаты этих металлов при низких температурах имеют гигантские магнитострикции, на 2—3 порядка большие, чем  магнитострикции в металлах, сплавах и ферритах элементов группы железа. Интерметаллические соединения ТЬFе2 и DуFe2 также обладают огромными магнитострикциями, преимуществом этих соединений является то, что они имеют огромные магнитострикции при комнатных температурах. Техническое использование подобных материалов возможно для получения ультразвука большой мощности, для конструирования приборов, позволяющих с помощью магнитного поля безынерционно управлять различными контактными и сканирующими устройствами, для вибробурения, для геофизического карротажа скважин, дефектоскопии.

Для успешного применения редкоземельных магнитострикционных материалов необходимо, прежде всего, принимать меры к снижению вредного влияния огромной магнитной анизотропии, т. е. уменьшать поле НS для того, чтобы можно было “управлять” этой магнитострикцией с помощью малого поля. 

 В настоящее  время большой интерес к редкоземельным магнитострикционным материалам проявляют ученые-гидроакустики. В современной гидроакустике в  основном применяются пьезокерамические   преобразователи звука. Недостатком последних является малая мощность излучения и небольшая    механическая прочность. Исследования показывают, что магнитострикционные излучатели, в которых используются соединения  типа  RFe2, могут быть более эффективными, чем пьезокерамические излучатели. Эффективность работы магнитострикционного преобразователя характеризуется рядом параметров, наиболее важными из которых являются: константа динамической магнитострикции Л и коэффициент полезного действия преобразователя или, как его еще называют, коэффициент электромеханической связи k.

НОВЫЕ МАГНИТЫ ИЗ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С КОБАЛЬТОМ

Основой первых спеченных постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом (R—Со) было соединение SmСо5, и сегодня большинство R—Со магнитов все еще получают из спеченного порошка соединения SmСо5. Популярность SmСо5 объясняется тем, что из него довольно легко можно изготовить магниты с прекрасными магнитными свойствами. Тем не менее становится все более очевидным, что в конкретном случае применения не 'все свойства в равной степени важны, так что потенциальные возможности магнитов из SmСо5 не всегда полностью используются. Вследствие этого стало желательным расширить разнообразие R—Со магнитов путем разработки новых типов со свойствами, ориентированными на конкретное применение. В данной статье мы представляем три новых типа  R—Со магнитов: СеММ0,8Sm0,2Co5 , типа 2 :17 и магниты с пластичными связками.

Магниты из СеММ0,8Sm0,2Co5

        Сегодня большинство постоянных магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом изготовляют на основе SmСо5. Для уменьшения стоимости сырьевых материалов Sm может быть частично или целиком замещен более дешевым цериевым мишметаллом (СеММ), представляющим собой природную смесь легких редкоземельных элементов, содержащую, %(ат.): 45— 60 Се, 23—25 Lа, 9-20 Nd и 3—7 Рг .

Замещение самария СеММ ведет к уменьшению как магнитной энергии, так и коэрцитивной силы. Но магниты СеММСо5, не содержащие самарий, все еще обладают хорошими свойствами. Снижение магнитных свойств, вызванное замещением самария СеММ, до некоторой степени отражает сопутствующее понижение первичных магнитных свойств.

Магниты СеММ0,8Sm0,2Co5 изготавливают по той же технологии, что и магниты SmСо5. 

Технологические этапы процесса производства магнитов из редкоземельных металлов с кобальтом.

Сплавы редкоземельных металлов с кобальтом получают или плавкой металлов в атмосфере инертного газа, или кальциетермическим восстановлением окислов РЗМ в присутствии кобальта или окиси кобальта. 

Затем cплавы R—Со подвергают размолу в порошок с частицами размером менее 0,5 мм, смешиванию с целью корректировки состава и дальнейшему измельчению в струе газообразного азота до получения тонкого порошка с размером частиц в несколько микрон. Размер зерен и их распределение тщательно контролируют. кроме того окисление порошка следует сводить до минимума. На следующем этапе порошок ориентируют в магнитном поле и прессуют до получения полуфабрикатов с плотностью приблизительно 70% от теоретической. Можно применять гидростатическое прессование или прессование через матрицу. При прессовании через матрицу получают магниты желаемой формы и размеров, совсем или почти не требующие дополнительной механической обработки. Заготовки магнитов затем опекают в атмосфере инертного газа для достижения высокой плотности (свыше 92% от теоретической). Процесс спекания - наиболее ответственный технологический этап, где требуется точный контроль температуры, чтобы обеспечить отсутствие открытой пористости и сохранение высокой коэрцитивной силы. Вслед за процессом спекания с целью дальнейшего увеличения коэрцитивной силы проводят термическую обработку. Затем магниты подвергают механической обработке для получения изделий заданных размеров. Поскольку магниты из редкоземельных металлов с кобальтом довольно хрупки, то следует применять шлифование, резку алмазными кругами, сверление ультразвуком, электроискровую обработку. Используя эти ды, легко достичь допусков порядка 10 мкм. Затем магниты намагничивают в сильном магнитном поле.

Для достижения максимальной долговременной стабильности магниты подвергают температурной стабилизации.



  R-Co

Окислы R-Co и/или    окисел Co+Ca



Плавка сплавов



Кальциетермическое восстановление





Измельчение





Сплавы R-Co

(грубый порошок)

Окисел кальция





Смешивание





Помол





Ориентирование и прессование





Спекание



Термическая обработка





Механическая обработка





Стабилизация





Намагничивание

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ МЕТАЛЛОВ

Это свойство металлов открыто сравнительно недавно и оно получило название “память формы”.Примером этого может служить лезвие, если его согнуть, то оно сразу же разогнется, значит метал помнит исходную форму, находясь под любым напряжением, не превышающем предела упругости. Такая память металла имеет два важных недостатка.

Во-первых, ее “объем” мал: она хорошо работает только при небольших отклонениях от исходной формы, когда деформации измеряются долями процента, однако при деформации около 10% поведение металла уже характеризуется практически полной забывчивостью.

Значение даже такой “куцей” памяти металлов очень велико. Достаточно сказать, что не будь ее, не работала бы ни одна пружина. Кроме того, есть способ увеличения памяти путем использования сплавов, обладающих сверхупругостью.

Гораздо интереснее иметь дело с металлом, обладающим полноценной памятью, когда фазы хранения и извлечения независимы и когда хранение не связанно с участием посторонних сил.

Здесь мы можем сказать прямо, что удалось получить сплавы обладающие именно такой памятью. Они могут хранить исходную форму в своей памяти очень долго, а вспоминают ее при нагреве, так что в наших силах “взывать к памяти” металла в тот момент и в той обстановке, когда нам это потребуется.

Сотрудники лаборатории военно-морской артиллерии США, вели планомерный поиск сплавов никеля с титаном с приблизительно равным содержанием этих двух компонентов. Каждый из двух металлов хорошо сопротивляется коррозии, и сплав получится в этом отношении отличным. Кроме того, оказалось, что он имеет высокую прочность и пластичность. Но вовсе неожиданным и замечательным было то, что он проявлял ярко выраженную способность к запоминанию формы. Это было редчайшей удачей. Никель и титан значительно дешевле и доступней, чем, например, сплав Оландера, в котором около половины - золото. Сочетание же свойств нового сплава было удивительно благоприятным и этот сплав был назван нитинол.

КОСМИЧЕСКИЕ И ЗЕМНЫЕ ПРОФЕССИИ ЗАПОМИЕАЮЩИХ СПЛАВОВ

Возможности практического применения сплавов, обладающих уникальным свойством запоминать форму, исключительно разнообразны и заманчивы. Здесь перед конструкторами – широкое поле деятельности, усеянное принципиально новыми инженерными решениями. Например, в космической технике с помощью этих сплавов эффектно решается традиционная проблема экономии места. Свернутые или скрученные в компактную форму и уложенные в небольших нишах космического корабля антенны, механизмы стабилизации, солнечные батареи распрямляются или выдвигаются от действия солнечного тепла.

Созданы соединения способами, заменяющими сварку, пайку и другие трансформационные методы. Для соединения двух трубок в топлевном двигателе самолета, берут втулку из низкотемпературного запоминающего сплава, внутренний диаметр которой на 4% меньше наружного диаметра соединительных трубок. В жидком азоте деформируем втулку методом раздачи, так что ее внутренний диаметр становится на 4% больше наружного диаметра трубок. Теперь концы трубок мы можем ввести внутрь втулки, которая,  отогреваясь до комнатной температуры, сжимается и сжимает концы трубок, обеспечивая прочное и герметичное соединение.    

В авиации и кораблестроении уже установлены сотни тысяч таких соединений. Они показали высокую надежность и работают безотказно. Это значительно проще, чем сваривать или паять. Можно легко выполнять такие соединения в труднодоступных местах, когда сварка или пайка вообще невозможны, - например, на дне моря.

Интересны возможности использования этих сплавов в медицине. Их применяют при операциях, связанных со сращиванием костных переломов. В организм больного оперативным путем вводят стержень, изогнутый так, что он повторяет неправильную форму кости. Стержень помнит заранее заданную ему форму правильной кости и начинает вспоминать ее при небольшом превышении температуры.

Другой пример – фильтры для улавливания тромбов в сосудах. Слегка охлажденная прямая тонкая проволочка вводится в нужное место кровеносного сосуда, там, отогреваясь до температуры тела принимает ранее заданную ей причудливо запутанную форму. Фильтр пропускает кровь, но задерживает тромб, который, добравшись до сердца или мозга, мог бы привести к смертельному исходу.

Нитинол не ржавеет, он легок и прочен. Не исключено, что в будущем из него будут, например, делать корпусы автомобилей. Такой автомобиль, даже после серьезного дорожного происшествия, восстановит форму кузова просто в результате легкого подогрева поврежденных мест.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА	

В самом начале этого  реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системы ионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении в пространстве той комбинации ионов воспроизводится  объемно-центрированная кубическая решетка. При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона, если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены. 

Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближним порядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но в природе существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. При охлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкают друг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясь из стороны в сторону.

Обычное стекло, смола, парафин, асфальт - это примеры природно аморфных материалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалы при нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никаких принципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов не происходит.

У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходят гораздо более резко, а само плавление - у чистых металлов - идет при строго определенной температуре, так что температура плавления металла является одной из его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняется внешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первой капли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долей градуса.

Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” ту атомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл дальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительного изменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строением кристаллов.

В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен - надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстро спуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своих соседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизации действительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отпалированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазывается очень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность меди обеспечивает высокую скорость теплоотвода.

В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов в аморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных и благородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором и др.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при скорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду.

Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как и ожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своих кристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются в среднем на 30 (силы межатомной связи уменьшаются), но прочность и твердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твердость определяет их  великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавов низкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являются дислокации. Все же металлические стекла не так хрупки - как обычное стекло. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре.

Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можно сказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплава железа с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют - “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том, что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов” кристаллов - дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле в близи этих “дефектов” уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектная структура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.

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

	“Химия и жизнь”, научно-популярный журнал академии наук Украины.(№-8 1998г.)

	“Необычные свойства обычных металлов”, В.А.Займовский, Т.Л.Колупаева, библиотека “Квант” (№-32 1997г.)

	“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.

	“Редкоземельные магнетики и их применение”, К.П.Белов, Издательство “Наука”, 1990г.

	“Химия и научно-технический прогресс”, И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А.Макареня, Москва “Просвящение” 1988г.(для учеников 10-11 классов)

	 “Энциклопедический словарь юного химика”, Москва 1990г.

1