Кристаллизация аморфных сплавов

Другим способом получения объ­емных нанокристаллических мате­риалов является кристаллизация объемных аморфных сплавов (ОАС). Здесь задача подразделяется на две: получение, собственно, ОАС и их кристаллизация. Первая задача может быть решена при использовании закалки из расплава, обработки в шаровых мельницах с последующим компактированием и интенсивной пластической деформации. Важное значение для аморфизации имеет химичес­кий состав сплава. Традиционным способом получения аморфных сплавов является легирование эле­ментами — аморфизаторами, таки­ми как С, Р, В и Zr. Альтерна­тивный путь состоит в выборе базо­вой эвтектики, образуемой при взаи­модействии двух или нескольких фаз — стеклообразователей, леги­ровании этих фаз — стеклообразо­вателей с целью понижения темпе­ратуры плавления и подавления об­разования первичных кристаллов при затвердевании сплава. Эффективность такого подхода бы­ла показана в работах для ОАС как на основе Zr, так и на основе Fe, причем и в случае закалки из рас­плава, и в случае обработки в шаро­вой мельнице.

Наиболее распространенным и изу­ченным способом получения ОАС яв­ляется закалка из расплава. Толщина обычно получаемой аморфной ленты в этом случае составляет 30 мкм [18]. Изменением химического состава можно изменять склонность к амор­физации и, соответственно, толщину получаемого образца. Максимальные размеры ОАС, достигающие десятков миллиметров, были получены при за­калке из расплава стержней из спла­вов на основе Zr. Но аморфные сплавы на основе Zr имеют недоста­точно высокую прочность, склонны к образованию оксидов, включений и пленок, а также взаимодействуют с материалом тигля. Получение ОАС циркония возможно только при ис­пользовании высокочистых исход­ных компонентов и методов левитационной и дуговой вакуумной плавки.

Проведенные исследования ОАС позволили выделить две пер­спективные для практического ис­пользования системы: Fe (Mo, Cr, Ni, Co, W, Al…) - P-C и Fe (Ni, Cr, Mn…)—Nb—B, имеющие ряд преи­муществ:

■ отсутствие активных элементов, таких как Zr, Ti, РЗМ;

■ низкие температуры плавления 910-1120°С;

■ отсутствие взаимодействия рас­плава с материалом тигля;

■ низкие критические скорости ох­лаждения расплавов;

■ возможность использования со­временных металлургических техно­логий комплексного рафинирования и термической обработки расплава.

Для обеих систем характерно на­личие гладкой зеркальной поверхно­сти с аморфной структурой, повыша­ющей износо- и коррозионную стой­кость материалов. Сплавы обеих сис­тем в аморфном состоянии — магнитотвердые, а в нанокристаллическом состоянии — магнитомягкие. Стеклообразующая способность Fe-P-C сплавов несколько ниже, чем у Fe-Nb-B сплавов, однако пластичность выше. Высокая твердость HV спла­вов системы Fe-Nb-B в аморфном состоянии (HV =11 ГПа) повышает­ся еще больше при переходе в нано-кристаллическое состояние (HV = 18 ГПа). Для Fe-Nb-B сплавов ха­рактерна также высокая магнитная проницаемость и высокое удельное электросопротивление.

В настоящее время наибольшая толщина аморфного слоя 6 мм, а следовательно, и наиболее высокая стеклообразующая способность сре­ди ОАС на основе железа достигнута для сплава Fe61Co7Zr10Mo5W1B15, чьи достоинства ограничены большим содержанием Zr. Близкий по стеклообразующей способности ОАС на основе железа предложен в работе. В настоящее время метода­ми закалки из расплава получены ленты толщиной 30—50 мкм, стержни диаметром 2—4 мм и гра­нулы диаметром 1—4 мм. Для этого сплава показана возможность формирования нанокристаллической структуры не только при крис­таллизации из аморфного состоя­ния, но и при закалке расплава со скоростью немного ниже критичес­кой.

В ходе интенсивной пластичес­кой деформации также возможна аморфизация материала. Например, при кручении под высоким давле­нием при комнатной температуре Ni—Ti сплавов с памятью формы, в зависимости от исходного состоя­ния формируются разные структу­ры: аустенитная исходная структура приводит к нанокристаллической, мартенситная — к аморфной.

Следует отметить, что далеко не все ОАС улучшают свои функциональные свойства при кристаллизации. Тем не менее представляется перспективным использование аморфно- нанокрис-таллических сплавов на основе железа для изготовления режущего инстру­мента, высокоэнергетических пру­жин, электромагнитных устройств и износостойких деталей.