Лекции по "Металлургии"

В военном деле УДП  применяется в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок “Стелс”, в новых видах взрывного оружия (“графитовая бомба” - контейнер, начиненный высокопроводящим УДП-графитом, выводящим из строя энергосистемы противника). Трубчатые графитовые нановолокна (фуллорены), обладающие сверхвысокой прочностью, перспективны для армирования композиционной “суперброни” для танков и бронежилетов. Фуллерены используются также как элементная база в микро и наноэлектронике, а также в качестве защитных покрытий, в частности для защиты от лазерного излучения.

В медицине УДМ применяют  для защиты персонала от рентгеновских лучей (перчатки, фартуки и т.п. из резины с УДП-свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрого усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т.п.).

Существует много способов получения УДП: механическое измельчение, осаждение из растворов; газофазные способы: конденсация плазмохимия. Так, УДП на основе Fe, Ni, Co можно  получать, пропуская через плазменный разряд переменного тока карбонилы этих металлов, частицы титана - пропуская через разряд газообразный хлорид TiCl₄ (TiCl₄ = Ti + 2Cl₂) и т.п.

Необычность свойств УДМ такова, что смело можно считать, что, начиная с 90-х годов ХХ века научно-технический прогресс человечества стал определяться нанотехнологиями. В настоящее время нанотехнологии вплотную подходят к решению вопроса о создании из нескольких атомов нужных структур, не существующих в природе, но смоделированных на компьютере специально для получения заданных свойств. В мире вопросам УДМ уделяется самое серьезное внимание. В конце 80-х годов ХХ в. США и Япония ежегодно тратили на исследования в области УДМ порядка 110 - 120 млн. долл. Рынок УДМ в США в 1996 г. составил 42 млн. долл., а в  2000 г. он уже оценивался в 154 млн. долл.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В последнее время  высокими темпами растет производство и потребление порошковых материалов различного вида и назначения: для изготовления изделий, восстановления деталей, изготовления сварочных электродов, производства инструмента и т.д.

Ведущим потребителем металлических  порошков является автомобилестроение (в США 70% от всего объема производства порошков). Рост потребности в порошках связан:

- во-первых, с существенно  более высоким коэффициентом  использования металла в машиностроении при использовании методов порошковой металлургии по сравнению с обычной;

- во-вторых, порошки, получаемые  методом распыления расплавов, имеют повышенную химическую однородность, что резко повышает служебные свойства сложнолегированных сталей и сплавов и надежность изделий, получаемых из таких порошков. Это относится в частности к жаропрочным никелевым сплавам и быстрорежущим сталям.

- в-третьих, повышение  уровня свойств порошковых изделий,  получаемых из распыленных порошков (гранул) методом горячего изостатического прессования позволяет получать из экономнолегированных сталей изделия со свойствами, не уступающими или даже превышающими свойства изделий, получаемых из традиционных материалов по традиционным технологиям;

- в-четвертых, использование порошков позволяет получать новые виды материалов, недоступные традиционной металлургии (сверхравновесные твердые растворы, аморфные и нанокристаллические материалы, интерметаллиды, композиты и т.д.).

Функциональные порошковые материалы условно можно разделить на следующие основные группы: стали, никелевые сплавы, твердые материалы, электротехнические и магнитные материалы, ферросплавы, цветные металлы, керамические материалы.

Среди сталей преобладают  следующие:

- углеродистые стали  с содержанием углерода до 0,8%. Они используются в мало- и средненагруженных деталях;

- быстрорежущие стали  типа Р6М5Ф3-МП, Р6М5К3-МП, Р7М2Ф6-МП и  т.д., идущие на сверла, метчики,  фрезы, протяжки и т.д.;

- коррозионно-стойкие  стали, как обычные хромоникелевые, так и безопасные для человеческого здоровья безникелевые, легированные азотом, типа Catamold PANACEA (17%Сr, 3% Mo, 11%Mn, 0,8 - 1,2% N);

- медистые стали с  углеродом до 1% и медью 1 - 4% с  повышенной прочностью и твердостью;

- никелевые стали с  углеродом до 1% и никелем 2 - 6% с повышенной пластичностью;

- стали с молибденом  с улучшенной прессуемостью легированных порошков;

- медистоникелевые, молибденоникелевые  и медистоникельмолибденовые стали с углеродом 0,5 - 0,6% для изделий с плотностью после спекания более 6,8 г/см³, работающих в трудных условиях;

- фосфористые стали  с углеродом до 0,6%, в которых  фосфор улучшает спекание и  позволяет получать более плотные  изделия, а также электротехнические стали со сверхвысоким (до3%) фосфором;

- стали с высоким  содержанием серы в виде MnS (до 0,5% MnS) и размером частиц до 20 мкм, что существенно улучшает их обрабатываемость.

К никелевым сплавам  относятся, главным образом, жаропрочные сплавы последних поколений: дисковые с суммарным содержанием Al + Ti до 8%, Mo до 9,5%, W до 5,5%, легированные Hf (до 2%) с целью предотвращения образования пленок карбидов титана на поверхности гранул. Это сплавы при комнатной температуре имеющие предел прочности до 1800 МПа, при температуре 650°С предел прочности составляет до 1300 МПа.

К группе твердых материалов относятся, во-первых, карбиды W, Ta, Ti, Mo, Nb и V, спеченные с металлической связкой (Co, Ni, Fe). К этой группе относятся в частности и карбидостали, которые будут рассмотрены позднее в разделе “Композиционные материалы”. Во-вторых, это спеченные композиты с частицами боридов и нитридов в металлической матрице. В-третьих, это материалы для алмазных инструментов с частицами промышленных алмазов (50 – 100 мкм) в металлической матрице.

К группе электротехнических и магнитных материалов относятся порошковые композиты для электротехнических контактов и щеток, в которых металлы с низким удельным электросопротивлением (Cu или Ag) присутствуют либо вместе с износостойкими компонентами (W, Mo и т.д.), либо вместе с “твердой смазкой” - графитом. Сердечники электромагнитов спекают из порошков железа с 5% фосфора и железа с кремнием. Используются также сплавы пермаллойного типа, порошковые РЗМ - кобальтовые магниты, магниты класса Fe - Nd - B, а также ферриты (магнитные оксиды).

Порошки ферросплавов используются для неконструкционных целей. Порошки ферросилиция ФС-15Г идут на приготовление тяжелых суспензий, используемых в рудообогащении, а порошки феррохрома и ферромарганца идут на обмазки сварочных электродов.

Широко применяются  порошки цветных металлов и их сплавов (Al, Ti, Mg, Co, Cu, Ni,  Zn, Cd, W, Mo, Pb, Sn, Bi, Ag, Ir, Pd, Pt, Os, Ru). Достаточно обширны не только области применения этих порошков, но и способы их получения.

Также широко используются порошки для изготовления изделий из керамики - нитридов, оксидов и т.п.

 

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СТЕКЛА (АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЕ)

Аморфные металлы и  сплавы являются принципиально новым  классом металлических материалов и привлекают все большее внимание инженеров - конструкторов и технологов, работающих в различных областях промышленности.

Аморфная фаза в системе Au - Si была открыта в 1960 году проф. Дувезом. В 1978 году была разработана технология и оборудование, позволявшие получать аморфную ленту толщиной до 50 мкм из сплавов железа. Достигаемая в настоящее время толщина ленты 40 - 70 мкм может быть увеличена. В настоящее время возможно получение ленты шириной 500 мкм и более.

Металлические стекла, или  аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей  скорость кристаллизации (10⁶ - 10⁸°С/с). В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становится невозможным и металл после затвердевания имеет аморфное состояние (сохраняется ближний порядок в расположении атомов).

Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска, изготовленного из материала высокой теплопроводности (рис. 2.6). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Рисунок 2.6 – Схема получения  аморфных сплавов с помощью  быстрого охлаждения из расплава:

                       А – разливка на диск; Б – разливка между двумя дисками;

                            1 – индуктор; 2 – расплав; 3 – тигель; 4 – диск; 5 – лента аморфоного материала

 

Тонкий слой аморфного металла  возможно также получить при расплавлении поверхности изделий лазерным лучом  благодаря быстрому отводу теплоты при затвердевании массой основного металла.

Металлические материалы  с аморфной структурой можно получить не только при затвердевании из жидкого состояния, но и путем быстрого охлаждения из газовой среды (парообразного или ионизированного состояния), электролизом или катодным распылением с высокими скоростями осаждения.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Аl, Pb, Sn, Cu и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Co, Fe, Mn, Cr  к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы C, P, Si, B, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М80Х20, где М - один или несколько переходных элементов, а Х - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe80P13C, Ni82P18, Ni80S20).

Сплав, в котором радиус атомов компонентов различается на 20%, более склонен к аморфизации, чем компоненты, у которых радиусы различаются незначительно. Это, прежде всего системы Fe - B, Fe - Ni - B, Fe - Ni - B - C.

Системы, в которых методом закалки  получены аморфные сплавы, можно разделить на следующие группы:

1. Простые - Ca - Mg, Ca - Cu, Ca - Al, Mg - Zn;

2. На основе переходных металлов:

- Один из металлов является  переходным: Ti - Be, Ti - Cu, Zr - Cu;

 - Оба металла являются переходными: Zr - Mn, Zr - Fe, Zr - Co, Zr - Ni;

3. Переходные металлы  - металлоиды: Fe - B, Ni - B, Co - P, Mn - Si.

Установлено, что аморфизация  легче всего идет в сплавах  эвтектического типа, примером которых может быть система Fe - B, Ni - Zn, Cu - Ti.

Аморфное состояние  металла метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд метастабильных в стабильное кристаллическое состояние.

Это свойство может быть использовано для получения сверхпроводников с мелкозернистой структурой. Изменение структуры аморфных сверхпроводников после низкотемпературного отжига приводит к значительному изменению сверхпроводящих параметров, что делает возможным получить новые материалы с уникальными свойствами. В отличии от большинства сверхпроводящих кристаллических сплавов, аморфные сплавы обладают высокой прочностью и достаточно высокой пластичностью. Кроме того, известно, что для достижения высоких значений критической плотности тока, необходимо обеспечить создание в сверхпроводнике большого количества центров пиннинга, которыми могут служить межзеренные границы. В этом случае нужно получить материал с возможно большим количеством мелких зерен за счет оптимизации процесса термообработки аморфного сплава. В настоящее время большое внимание уделяется методу получения сверхпроводящих сплавов с высокими кристаллическими параметрами путем кристаллизационного отжига аморфных лент соответствующих составов. Этот путь позволяет с помощью  выбора оптимального режима отжига создать мелкозернистую структуру материала с большим количеством центров кристаллизации, обладающую высокими температурами сверхпроводящего перехода. Эксперименты на пленках V - Si показали, что этим методом возможно изготовление сверхпроводящих пленок с Т_с около 16 К, что позволяет говорить о перспективности подобной технологии.

Механические, магнитные, электрические и другие структурно - чувствительные свойства аморфных металлов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Так, например, аморфный сплав Fe80B20 имеет s_т=3600 МПа, а Fe60Cr6Mo6B28 имеет s_т = 4500 МПа. Высокими механическими свойствами (s_т > 4500 МПа) обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Удельное электрическое  сопротивление аморфных металлических материалов в 2 - 3 раза выше, чем у аналогичных кристаллических материалов. Аморфные металлические материалы удачно сочетают высокие прочность, твердость, износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью.

Аморфные сплавы нередко  хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью (HV = 3,2s_т) для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической: Е/s_т » 50. Это объясняется с одной стороны, высоким значением s_т, а с другой более низкими значениями модуля упругости (на 30-50%)   по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3 - 5% Cr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Co, Ni с добавками 15 - 25 % аморфообразующих элементов B, Si, C, P используют как магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие аморфные сплавы делят  на три основные группы:

1. Аморфные сплавы  на основе железа (например, Fe81Si3,5B13,5C2) c высокими значениями магнитной индукции (1,60 - 1,61 Тл) и низкой коэрцитивной силой (32 - 35 мА/см);

2. Железоникелевые сплавы (например, Fe40Ni40P14B6) со средними значениями магнитной индукции (0,75 - 0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6 -7 мА/см);

3. Аморфные сплавы  на основе кобальта (например, Co66Fe4(Mo, Si, B)30), имеющие сравнительно небольшую  индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900 - 1000HV), низкую коэрцитивную силу (Н_с = 2 - 4 мА/см) и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство.

Магнитомягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности  (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т.д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.