Geum.ru

Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


9.3. аморфные и тиксотропные материалы
Подобный материал:
1   ...   38   39   40   41   42   43   44   45   ...   48

9.3. АМОРФНЫЕ И ТИКСОТРОПНЫЕ МАТЕРИАЛЫ



Аморфные металлы и сплавы (металлические стекла) — новый класс материалов, в котором отсутствует упорядоченное расположение атомов, свойственное кристаллам. По уровню свойств они значительно превосходят кристаллические металлы и сплавы. Например, получены материалы, имеющую высокую прочность и твердость, износостойкость которых в 10–15 раз выше, чем у кристаллических материалов, коррозионную стойкость в сотни раз выше, чем у стойких сталей, а удельные потери при перемагничивании в 3–7 раз ниже, чем у электротехнических сталей.

Разработаны методы получения аморфных пленок, ленты, проволок, волокон и порошков. Аморфную ленту толщиной 20–40 мкм используют для магнитных экранов, защищающих электрокабели от помех, для трансформаторов с низкими удельными потерями энергии, для магнитных головок магнитофонов и т. п. Из ленты и проволоки делают вибраторы, реле, пружины, сейсмодатчики и т. п. Высокопрочные волокна используют для армирования волокнистых металлических композитов и бетона аэродромных полос. Аморфные ленты — исходный материал для получения материалов с микрокристаллической (0,1–1,0 мкм) и нанокристаллической (менее 0,1 мкм) структурами, обладающими повышенной прочностью.

Методы получения аморфных материалов различны в зависимости от вида и назначения материала. Для получения лент, проволоки и порошков используют методы быстрой и сверхбыстрой кристаллизации, для получения тонких пленок — осаждение металла из паровой фазы на подложку, а для получения аморфных слоев на поверхности изделий — ионную имплантацию.

Наибольшее распространение в производстве аморфных сплавов получил способ получения лент закалкой продавливаемых через профильные сопла расплавов на вращающийся холодильник. Этот метод обеспечивает высокую производительность технологического процесса, необходимое качество и однородность продукции, возможность автоматического управления. Тот же принцип используется и при непрерывном производстве литой проволоки.

Подавляющая масса аморфных и нанокристаллических материалов, выпускаемых промышленно в настоящее время в мире, относится к магнитомягким материалам. Годовые объемы производства сплавов этого класса исчисляются тысячами тонн, большая часть их объема — аморфные электротехнические стали (АЭС).

Конкурентоспособность АЭС определяется достигнутым уровнем удельных потерь при перемагничивании и стоимостью (при современных методах производства и технологиях), близкой к цене традиционных трансформаторных сталей. При этом существенным фактором является практически одинаковый уровень затрат и расход материалов при изготовлении обычных трансформаторов и из АЭС.

В настоящее время в США, Японии, Европе, странах Юго-Восточной Азии эксплуатируется более 100 тыс. единиц трансформаторов с магнитопроводами из аморфных электротехнических сталей. Недавно изготовлен и начал работать крупнейший в Европе трехфазный трансформатор 1600 кВ·А с сердечником из аморфной стали.

Производство и использование АЭС в России еще плохо развито, хотя парк трансформаторов, подлежащих замене вследствие выработки гарантированного ресурса, составляет не менее 130 тыс. единиц в год. Замена только этой части трансформаторного парка (без его расширения), благодаря уменьшению потерь холостого хода, дает экономию около 27 млн. кВт·ч/год. Для изготовления такого количества трансформаторов требуется около 3,5 тыс. т в год аморфной ленты. ЦНИИЧермет и ВНИИМетмаш разработали технологию и оборудование для производства аморфных сталей, позволяющие организовать их выпуск в таких количествах. Экономические расчеты показывают, что использование аморфных сталей в сердечниках силовых трансформаторов становится выгодным при цене сталей менее 3,3 дол./кг. Разработанная технология позволяет при указанных объемах производить аморфные стали, себестоимость которых укладывается в эти рамки и очень близка к себестоимости классических трансформаторных сталей.

Одна из важнейших причин сдерживания развития аморфных электротехнических сталей в России — отсутствие жесткого ограничения потерь энергии в нормативной документации на отечественные силовые трансформаторы, как это было 10–15 лет назад, когда снижение уровня потерь энергии при перемагничивании не в несколько раз, а всего на 4–5 % считалось большим достижением в области энергосбережения.

Нанокристаллические сплавы появились позже аморфных — их разработка и начало промышленного производства в мире относятся к началу 90-х гг. XX в. Объединение аморфных и нанокристаллических материалов в один класс и совместное их рассмотрение целесообразны, так как нанокристаллическая структура в технически важных случаях формируется на основе трансформации аморфного состояния. Наноматериалы также называют ультрадисперсными (УДМ).

УДМ используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов в атомной энергетике, в термоядерной технике (мишени для лазерно-термоядерного синтеза), в качестве добавок к моторным маслам, восстанавливающим поверхности трущихся деталей, как конструкционные сверхпрочные материалы (сопла), в качестве шлифующего и полирующего материала при финишинге (конечной обработке) изделий электронной техники — полупроводников, диэлектриков и т. п.

В оборонной промышленности УДМ применяется в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок “Стелс”, в новых видах взрывного оружия (графитовая бомба — контейнер, начиненный высокопроводящим УДМ-П графитом, выводящим из строя энергосистемы противника). Трубчатые графитовые нановолокна (фуллерены), 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, полученные в результате катастроф, боевых действий и т. п.).

Необычность свойств УДМ позволяет утверждать, что начиная с 90-х гг. ХХ в., научно-технический процесс стал определяться нанотехнологиями. В настоящее время специалисты, занимающиеся нанотехнологиями, 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 гг. ХХ в. США и Япония ежегодно тратили на исследования в области УДМ 110–120 млн. дол. Рынок УДМ в США в 1996 г. составил 42 млн. дол., а в 2000 г. он уже оценивался в 154 млн. дол.

Метод, совмещающий в себе элементы литья и штамповки (обработка металлов в полутвердом состоянии), основан на открытии, сделанном в Массачусетском технологическом институте в начале 70-х гг. XX в. Процесс, основанный на этом открытии был назван реолитьем (тиксолитьем или перемешиваемым литьем). Для тиксообработки необходимо наличие бездендритной структуры. Такая структура получается с помощью магнитогидродинамического перемешивания.

Полутвердоштампованные детали (автомобильные диски, тормозные цилиндры и клапаны, турбинные лопатки, кожухи, корпуса электродвигателей) вытесняют традиционно-штампованные, литье, вытачиваемые детали. Достоинства полутвердой штамповки состоят в возможности полной автоматизации процесса, высокой производительности (от 120 до 360 деталей в час весом от 20 г до 13,6 кг), отсутствии последующей механической обработки, снижении дефектов из-за усадки и образования пор при кристаллизации. К недостаткам процесса можно отнести высокую стоимость сырья, специфического оборудования, высокие требования к квалификации персонала.