Amorfiset metallit

Amorfinen () tarkoittaa ”muodotonta” tai ”ilman muotoa olevaa”. Amorfisten metallien rakenne ei ole kiteinen tai on vain heikosti osakiteinen, eli niillä ei ole säännöllistä tai järjestäytynyttä atomirakennetta. Amorfiset metallit ovat yleensä metalliseoksia ja niiden valmistus perustuu yleensä nopeaan jäähdytykseen sulasta. Kidettömän atomirakenteen takia amorfisilta metalleilta puuttuu materiaalia heikentävät raerajat, dislokaatiot ja pinoutumisvirheet.

Historia 

Amorfiset metallit keksittiin 1952, kun Buckel ja Hilsch tutkivat ohuiden amorfisten filmien superkonduktiivista vaikutusta. Amorfisia metalleja alettiin kuitenkin tutkia enemmän vasta 1960-luvulla, kun Klement, Willens ja Duwez valmistivat Caltechissa amorfisen metalliseoksen kullasta ja piistä (Au75Si25). Heidän kehittämä nopean jäähdytyksen tekniikka mahdollisti myös muiden amorfisten metalliseosten kehittämisen ja tutkimisen. Kristalloitumisen estämiseksi jäähdytyksen tulee tapahtua nopeudella 106 K/s. Tämän jäähdytysnopeuden saavuttamiseksi, valmistettujen amorfisten metallien paksuus oli oltava alle 100µm.

1976 H. Liebermann ja C. Graham kehittivät menetelmän, jolla voidaan valmistaa amorfista metallia ohuina nauhoina nopeasti pyörivällä alijäähdytetyllä pyörällä. Heidän käyttämä metalliseos sisälsi rautaa, nikkeliä, fosforia ja booria, mikä tunnetaan nykyään kauppanimellä Metglas. Sitä käytetään nykyään pienihäviöisissä voimavirtamuuntajissa.

1980-luvun alussa onnistuttiin valmistamaan 5 mm halkaisijaltaan olevia sauvoja palladium-, lyijy- ja antimoniseoksesta etsaamalla ja sen jälkeen suorittamalla useita lämmitys-jäähdytys-syklejä. Boorioksidivirtauksella paksuus saatiin kasvatettua jopa yhteen senttimetriin.

1990-luvulla kehitettiin useita metalliseoksia, joista voitiin valmistaa amorfisia metalliseoksia jäähdytysnopeudella 1 K/s. Tämä mahdollisti amorfisten metalliseosten bulkkituotannon, ja valettujen amorfisten metalliseoslaattojen paksuuden kasvamisen jopa useisiin senttimetreihin.

2004 Virginian yliopiston tutkimusryhmä ja Oak Ridgen kansallinen laboratorio onnistuivat erillään valmistamaan amorfista terästä, joka huoneenlämmössä ei ole magneettista ja on mekaanisesti huomattavasti normaalia terästä vahvempaa.

Ominaisuudet 

Toisin kuin perinteisten kiteisten metallimateriaalien, amorfisten metallien atomitason rakenne on järjestäytymätön ja tiivis. Atomien järjestäytyminen muistuttaakin lähinnä lasien atomijärjestystä. Tämä rakenne saavutetaan metallin nopealla jäähdyttämisellä (ainakin 1 °C/s), jolloin kiteet eivät ehdi ydintyä. Nopean jäähdytyksen ohella amorfisen metallin valmistuksessa on keskeistä, että joukossa on atomikooltaan ainakin 12 % eroavia metalleja. Yleensä amorfiset metallit ovat vähintään kolmen metallin seoksia ja käytettyjen metallien sekoitusentalpian on oltava negatiivinen.

Tiheästä pakkautumisesta seuraa myös amorfisen metalliseoksen korkeampi viskositeetti ja hieman korkeampi tiheys (kg/m3) kuin kristallisella muodollaan. Amorfisen metallin valmistukseen vaadittu nopea jäähdytys rajoittaa tuotettavan kappaleen kokoa, mutta selkeän sulamispisteen puuttuminen tekee muoveille käytettyjen muokkausmenetelmien kuten ruiskuvalun mahdolliseksi. Amorfinen metalli myös kutistuu jäähtyessään vähemmän.

Mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet 

Amorfisilla metalleilla on tyypillisesti korkea Youngin moduuli (jopa yli 100 MPa) ja etenkin zirkonium-pohjaiset amorfiset metalliseokset ovat osoittautuneet mekaanisesti vahvoiksi. Niillä on myös niobium-, tantaali-, titaani- ja kromi-seosten ohella hyvä myötölujuus ja korroosion kesto. Rauta- ja koboltti-pohjaisilla amorfisilla metalliseoksilla on puolestaan todettu erinomaisia magneettisia ominaisuuksia.  Magnesium- ja kalsium-pitoiset seokset ovat biologisesti aktiivisia ja niiden murtolujuus on hyvin lähellä luun ominaisuuksia.

Amorfiset metallit jakavat kuitenkin laseille tyypillisiä ei haluttuja ominaisuuksia, kuten haurauden etenkin vetorasituksessa. Vetolujuutta on pyritty nostamaan mm. nanoparttikeleita lisäämällä ja palladium-pohjaisten seoksien murtolujuus on osoittautunut lupaavaksi nousten lähelle vahvimpien terästen arvoja.

Sovellukset 

Yksi kaupallisesti tuotettu amorfisen metallin sovellus on Vitreloy 1, joka sisältää 41,2 % zirkoniumia, 13,8 % titaania, 12,5 % kuparia, 10 % nikkeliä ja 22,5 % berylliumia. Vitreloy 1 kehitettiin vuonna 1992 Kalifornian teknillisen instituutin energialaitoksen ja NASAn yhteistyönä, kun he yrittivät löytää uusia ilmakehän ja avaruuden aineita. Kovuutensa ja elastisuutensa vuoksi sitä käytetään mm. golfpalloissa, suksissa, pesäpalloissa ja tennismailoissa. 

Muita tunnettuja sovelluksia on Ti40Cu36Pd14Zr10 ja Mg60Zn35Ca5, joiden hyötykäyttöä lääketieteessä tutkitaan. Ti40Cu36Pd14Zr10 ei uskota aiheuttavan karsinogeeneja ja se on kolme kertaa vahvempaa kuin titaani. Se on melkein yhtä joustavaa kuin luut ja sillä on korkea rasituksen kestävyys. Muokkaamalla metallin rakennetta lasersäteillä, voidaan se biologisesti liittää luuhun. Metallia Mg60Zn35Ca5:a tutkitaan sen biomateriaalisuutensa vuoksi. Mg60Zn35Ca5:n voitaisiin hyödyntää luihin kiinnitettäviksi ruuveiksi, neuloiksi tai laatoiksi.

Amorfisten metallien kehitys on vielä aluillaan, ja tarvitaan monia testejä ennen kuin niitä voi käyttää esimerkiksi ilmailuissa tai autoissa. Tällä hetkellä amorfisia metalleja käytetään urheiluvälineiden ja lääketieteen lisäksi partaterissä, panssareissa, kännyköiden kuorissa ja joissain kelloissa sekä sormuksissa.

Lähteet 

Metallurgia
Metalliseokset