Металлы – основа техники

Для достижения максимальной долговременной стабильности магниты подвергают температурной стабилизации.

R-Co

Плавка сплавов

Измельчение

Кальциетермическое восстановление

Сплавы R-Co (грубый порошок)

Окисел кальция

Смешивание

Помол

Ориентирование и прессование

Спекание

Термическая обработка

Механическая обработка

Намагничивание

Стабилизация

Окислы R-Co и/или    окисел Co+Ca

 

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 10SYMBOL 37 \f "Symbol" \s 12% 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.