Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • Купить гранитную брусчатку колотую или пиленую rugranit.ru..

Новые грани закалки

До сих пор речь шла только о закалке твердого тела. А что, если закаливать жидкость? Идея кажется несколько странной, но у нее конкрет­ная цель: охладив металлический расплав достаточно быстро, предотвратить в нем кристаллизацию. А по­чему бы и нет? Кристаллизация — нормальное фазо­вое превращение, происходящее по механизму заро­ждения и диффузионного роста. Мартенситный путь превращения жидкости в кристалл закрыт «наглухо». Атомы жидкости расположены беспорядочно и согла­сованным образом, «чувствуя локоть партнера», пере­строиться в кристалл никак не могут. А раз так, предотвратить кристаллизацию вполне возможно. Главное — достаточно быстро охладить жидкость.

Но что значит «быстро охладить»? Для каждого вещества ответ свой. Для смеси воды и песка «быст­ро» означает доли градуса в секунду. С точки зрения человека, это скорее «медленно». Такая скорость охлаждения достигается при естественном остывании расплавленной массы. Этот процесс даже как-то не­ловко называть закалкой. Тем не менее поставленная цель достигается — кристаллизации не происходит, В результате получается материал, который всем хо-> рошо известен. Он называется стеклом.

На атомном уровне стекло похоже на жидкость. Порядка (дальнего!) в расположении атомов нет< Можно сказать, что это — загустевшая жидкость, вяз­кость которой столь велика, что стекло является твер­дым телом, ничем не хуже кристалла.

Чтобы получить стекло из металла (иное назва­ние— аморфный металл), требуются совсем другие скорости охлаждения. Здесь «быстро» — это действи­тельно быстро. Некоторое представление о скоростях кристаллизации чистых металлов можно получить на основании коэффициентов диффузии атомов в их рас­плавах.

Характерный порядок величины D в чистых жид­ких металлах при температурах, близких к темпера­туре плавления, равен Ю-5 см2/с. Предположим, что кристаллизация — процесс чисто диффузионный, т. е. чтобы перестроиться в кристалл, атомам жидкости надо просто «пропутешествовать» до будущих узлов кристаллической решетки. По порядку величины их путь равен межатомному расстоянию (около 0,1 нм в металлах) и необходимое для его совершения время оценивается по обычной диффузионной формуле

(0,1 нм)2 10"’S Cm2 -п

5™= Io-W/c=10 с-

Величина удручающе мала. Ведь чтобы не допу­стить кристаллизации, надо охладить жидкий металл от температуры плавления до примерно комнатной за время меньшее, чем IO^u с, т. е. скорость охлаждения должна составить (принимая, что температура плав­ления «г 10000C)

Уохл « 1000/10"" = Юн К/с.

В нашем расчете никак не учитывалось зародыше — образование. Оно, конечно, понижает скорость кри­сталлизации и, следовательно, необходимую мини­мальную скорость охлаждения. Но почувствовать мас­штабы времен н скоростей при закалке жидкости наши прикидки позволяют! Более строгие оценки по­казывают, что для аморфизации (так называется об — разованне стекла) чистые металлы достаточно охла-< ждать со скоростью IO10 — IO12 К/с. Но и это очень много!

Другое дело сплавы. Здесь имеются и так назы­ваемые случаи легкой аморфизации, которые требуют гораздо меньших скоростей охлаждения. Общее пра­вило таково: чем больше времени требуется на кри­сталлизацию сплава, тем его легче аморфизовать.

Существуют особые системы, в которых темпера­туры плавления сплавов некоторых составов могут быть намного ниже точек плавления чистых компо­нентов. Несколько характерных примеров приведены в табл. 6.

Таблица 6 Некоторые легко аморфизующився сплазы

Компонент А

Гпл — °С

Компонент В

Гпл — °С

Сплав *)

У-сплава 0Q пл ‘

Fe

1536

В

2077

Fe83B17

1177

Pd

1552

Si

1417

Pd80Si2O

~770

Hf

2227

Be

1287

Hf55Be45

~ 1100

Cu

1083

Zr

1852

Cu60Zr4O

885

*) Концентрации элементов в сплаве приведены в атомных процентах.

Подвижность атомов при понижении температуры, как мы знаем, заметно падает и, следовательно, спла­вы таких легкоплавких составов кристаллизуются медленнее чистых компонентов.

Для определения склонности к аморфизации очень важно также, каким, согласно фазовой диаграмме, должно быть равновесное состояние сплава. Поясним это на примере. Допустим, равновесное состояние сплава представляет собой твердый раствор. Тогда для кристаллизации атомы должны «преодолеть» путь, по порядку величины равный межатомному рас­стоянию (точно так же, как в чистом металле).

Но равновесным состоянием твердого сплава мо*. жет быть и смесь фаз разного химического состава. Для ее образования компоненты однородного жид­кого раствора должны существенно перераспределить­ся в объеме образца. Диффузионный путь в этом слу­чае окажется намного больше межатомного расстоя­ния, и это сильно «затягивает» кристаллизацию.

Существуют сплавы, в которых сочетаются оба благоприятных для легкой аморфизации фактора. Приведем несколько фрагментов фазовых диаграмм сплавов с повышенной склонностью к образованию стекла (рис. 135).


Области регкой

Яморфирации

Ж

Ж+PbSi

C5

Pd-Si

Fe T

Жт

VFe+Fe, B

Ж+F^B

Ж

T Ж+ftf

Fe-B

Ж+0и3Р


Рис. 135

Как видите, все они устроены по одному образцу.. Это очень удобно, так как позволяет прямо по фазо­вой диаграмме отыскивать сплавы, которые легко превратить в стекло. Стрелками на рис. 135 указаны составы легкой аморфизации. Именно для них ско­рость охлаждения, требуемая для образования стекла, минимальна: IO5— IO6 К/с. Но и это отнюдь не мало. Стандартные методы закалки (которыми пользова­лись, судя по «Одиссее», еще во времена Гомера) обеспечивают скорость охлаждения всего лишь IO2 — IO3 К/с. А нам нужно по крайней мере в 1000 раз больше…

Оставим на время металл и зададимся вопросом: как побыстрее охладить горячий чай? Проще всего налить его из чашки в блюдце. Тепло отдается в ос-.

Новном окружающему воздуху. Увеличивая поверх­ность соприкосновения с воздухом, мы увеличиваем скорость охлаждения. Чем более плоское блюдце мы выберем, тем быстрее остынет чай (конечно, при его неизменном объеме!). Наконец, можно просто вылить чай на стол. В результате растекания жидкости пло­щадь ее поверхности еще больше возрастает. Правда, для чаепития этот прием мы рекомендовать не станем, зато в быстром остывании можете не сомневаться.

Итак, первый вывод: для увеличения скорости охлаждения следует максимально увеличить площадь поверхности контакта с теплоотводящей средой, в дан­ном случае с воздухом.

Но воздух отводит тепло сравнительно медленно. Хорошими проводниками тепла по справедливости считаются металлы, а из них в первую очередь —• медь. В этом мы убеждаемся каждый раз, когда при­касаемся к металлическому покрытию, — оно всегда кажется холодным, так как быстро отводит тепло че-, ловеческого тела.

Отсюда следует еще одна рекомендация: чай сле­дует разливать не на столе, а на широком металли­ческом (желательно медном) подносе. Тогда он осты­нет почти сразу же.

На этом закончим нашу не слишком изысканную «чайную церемонию». Она подсказала конкретный ре­цепт. Для быстрейшего охлаждения жидкого металла надо создать очень тонкий его слой на медной поверх­ности (обычно ее называют подложкой).

Первые удачные опыты по сверхбыстрому охла­ждению металлической жидкости были произведены в 1960 году. Капля расплавленного металла выстрели­валась на подложку из меди (в ранних работах для этого применялась энергия пороховых газов обычного пистолета). При ударе о медный экран капля расплю­щивается, моментально охлаждается (скорость охла-. ждения достигает IO8— IO10 К/с), и с медного трамп­лина в воздух взмывает крохотная лепешка твердого аморфного метала. В самых тонких местах ее толщи­на оказывается равной 0,0001 мм.

Существует еще несколько разновидностей метода «расплющивания капли». Главный их недостаток — малая производительность. Да и аморфный металл получается в виде мелкого порошка, а это не всегда удобно для практического использования. Но приме­нение тех же принципов охлаждения позволило соз­дать способы производства непрерывной ленты из аморфного металла. Вот один из возможных вариан­тов (рис. 136). На вращающийся медный диск льется

Тонкая струя расплавленного металла. Соприкасаясь с дис­ком, она охлаждается, и с дис­ка сбрасывается уже застыв­шая аморфная лента.

Кстати, внешне аморфный металл ничем не отличается от кристаллического. Но из-за бес­порядочного расположения ато­мов стекло не является дифрак­ционной решеткой для излуче­ния, и на дифрактограмме отсутствуют резкие брэггов — ские пики (рис. 137). Облучая закаленные из жидко­сти образцы сплавов рентгеновскими лучами, электро­нами или нейтронами, можно определить, успешно ли прошла аморфизация.

2sjne Л

Кьистцгугический Аморфный Ji ‘ /и Erajyr Jx глетщ<

2sinB Л

Рис. 137

Образование стекла можно сравнить с известной игрой в «Замри», когда по команде одного из играю­щих его партнеры должны моментально застыть. По­за, в которой застала их команда, может быть крайне неудобной.

Рис. 136

Жидкий мета/Rp

ВморФнар /лета

Атомы в металлическом сплаве также находятся в крайне «неудобных» положениях, так как стекло из ме­талла — неравновесное состояние вещества. Его сво­бодная энергия выше, чем у кристаллической фазы (или смеси фаз) того же состава. Конечно, вещество было бы «радо» понизить свою свободную энергию, но сделать это невозможно. Мартенситный спосо§ пе­рехода нереален из-за неупорядоченности аморфной фазы, а диффузионный «запрещен» низкой температур рой. Остается ждать.

«Ждать» металлическое стекло может очень долго. Веками и тысячелетиями. И ничего с ним не произой­дет, … если только кто-нибудь его не подогреет. Тогда оно закристаллизуется. Закристаллизуется при нагре­вании!

Как правило, температура кристаллизации метал­лических стекол составляет несколько сотен градусов Цельсия. А ниже этих температур они вполне могут использоваться. Тем более, что их необычному атом­ному строению соответствуют столь же уникальные свойства…

Вы включаете магнитофон, но вместо приятной музыки раздаются нечленораздельные хрипы. В ма­стерской слышите стандартный диагноз: износ маг­нитной головки. От длительного контакта с лентой она истерлась и не обеспечивает качество воспроизве-


Дения. Наверное, многим эта ситуация знакома. Так вот, головки из металлического стекла по сопротив­ляемости износу заметно превосходят кристалличе­ские. Да и по чисто магнитным характеристикам первенство на их стороне. Уже сегодня во многих странах мира начат выпуск магнитных головок из ме­таллического стекла для видео — и звуковых магнито­фонов, магнитной памяти компьютеров.

Аморфный металл необычайно тверд и прочен. Это не удивительно. Ведь в разупорядоченной атомной структуре стекол нет места дислокациям. А то, что металл без дислокаций намного прочнее, известно еще со времен расчетов Я. И. Френкеля. Поэтому из аморфного металла получаются очень хорошие лез­вия и другие режущие кромки, которые редко нуж­даются в заточке. Казалось бы, столь полезные свой­ства, как прочность и твердость, могут найти приме­нение и в более широкой номенклатуре изделий. Но не будем забывать, что сегодня аморфный металл в основном выпускается в виде тонких лент, что серь­езно сужает диапазон его использования.

Совершенно необычна также высокая коррозион­ная стойкость стекол из металла. И это вполне объ­яснимо: коррозия часто развивается по дефектам кри­сталлического металла — границам зерен и дислока­циям. А они в стеклах отсутствуют. Для борьбы с кор­розией кажется очень перспективным покрывать по­верхность массивных изделий тонким аморфным слоем. Такая защита была бы намного эффективнее обычно используемых лакокрасочных покрытий. Однако тех­нология этих форм борьбы с коррозией только разра­батывается.

Очень странной может выглядеть температурная зависимость электросопротивления стекол. Вспомните, что рост сопротивления при нагревании — один из ос­новных признаков металла. Тем не менее в стеклах электросопротивление иногда остается «безучастным» к нагреванию, а иногда даже уменьшается.

Из многих лабораторий мира сообщают и о других уникальных свойствах аморфных металлов — повы­шенной каталитической активности, стойкости по от­ношению к облучению и т. д. Исследования в этих на­правлениях интенсивно продолжаются.

ГЛАВА 7