в
Рис.3.2 - Методи безперервного гарту: а - гарт у валяння; б - гарт на диску (спінінгування розплаву); в-витягування розплаву обертовим диском
Найбільш широко використовуваний метод відомий під назвою „спінінгування розплаву” (melt spinning) (рис. 3.2б). Загальна схема полягає в тому, що струмінь розплавленого металу прямує на швидкорухаючу охолоджуючу поверхню, внаслідок чого отримують стрічку завтовшки від 20 до 100 мкм. Спіннінгування розплаву може виконуватися як на внутрішній, так і на зовнішній стороні барабана. Швидкість охолоджування стрічок товщиною менше 100 мкм дорівнює 105-107 К/с, а в екстремальних випадках може досягати 108 К/с.Ще один метод показаний на (рис. 3.2в). У цьому методі загострений обід диска захоплює розплав, який потім твердне і мимоволі відділяється у вигляді коротких дротиків. Частота обертання диска або циліндра повинна бути такою, щоб забезпечити лінійну швидкість обода неменше 50cм/с.
Лазерне глазурування (laser glazing) є новим методом загартування. Тут лазерний промінь використовується для проплавлення тонкого шару на поверхні зразка, після чого розплав гартується в результаті контакту з тими, що знаходяться під ним холодний матеріал. Цей метод використовують для обробки шару аморфізуючогося складу, який заздалегідь нанесений на поверхню іншого сплаву, оскільки сплави здібні до аморфізації мають погані властивості в кристалічному стані.[5]
3.3 Іонно-плазмове розпилення
Інший спосіб одержання металевих стекол - високошвидкісне іонно-плазменне розпилення металів і сплавів [6]. Найбільше розповсюдження отримав пристрій, заснований на чотирьох-електродній схемі розпилювання (рис. 3.3). Вся система знаходиться у вакуумній камері, що містить газ аргон під тиском 0,5 Па. Нагріваючи електричним струмом вольфрамову спіраль 3, "видобувають" електтрони, що переміщуються в бік анода 2 під дією потенціалу, створюваного джерелом високої напруги (близько 3 кВ). По дорозі електрони зіштовхуються з атомами аргону і іонізують їх. Іони аргону утворюють плазму. Після того як встановився безперервний процес створення іонів, тобто "засвітилась" плазма, до мішені 4 прикладується негативний потенціал, щоб витягнути позитивно заряджені іони інертного газу з плазми і направити їх на мішень. Іони аргону, маючи досить велику енергію, стикаючись з поверхневими атомами мішені і вибивають їх. Цей процес називається розпиленням. Розпилювані атоми залишають мішень і лягають на підкладку 5. Процес ведуть таким чином, щоб атоми, які вилітають із мішені, мали невелику кінетичну енергію. Потрапляючи на підкладку, вони не відскакують, як пружні м'ячики, а одразу ж прилипають до її поверхні, тобто замерзають. Цей процес осадження атомів на холодній підкладці еквівалентний охолодженню з дуже високою швидкістю. Розрахунки показують, що швидкість охолодження досягає значень 1010 К / с. Аморфні металеві сплави виходять у вигляді напиленого шару 6 товщиною від 1 до 1000мкм.[6].
Рис.3.3 Схема установки для чотирьохелектродного розпилення: 1 - вакуумна камера, 2 - анод, 3 - катод, 4 - мішень, 5 - підкладка, 6 - аморфний матеріал
3.4 Аморфізація сплавів шляхом пластичної деформації
Отримання сплавів при обробці металевих порошків в кульовому млині відоме вже давно. Проте великий інтерес до цієї технології виявився після отримання цим методом аморфних порошків. У роботах з даної тематики повідомляється про досягнення повного розчинення Al в цирконії і подальшій аморфізації сплаву Zr + 25ат.% Al при перемішуванні суміші порошків Zr і Al, а також в сплавах Ni-Ti, Fe-Zr і в системі Ti-Al, якій раніше аморфний стан не фіксувався при інших видах обробки.[5].
Подібний аналіз впливу технологічних чинників, таких як розмір початкового порошку, час перемішування і атмосфера механічного сплаву, на структурні зміни в металевому порошку, при обробці в кульовому млині, показав, що проміжні кристалічні і аморфні фази утворюються безпосередньо в результаті релаксації між компонентами. Встановлено, що аморфна фаза при твердофазних реакціях зароджується на межах зерен або на поверхні розділу що вже існує аморфної і кристалічної фаз, а у присутності великого числа дефектів аморфізація значно полегшується.
Не дивлячись на це утворення нових фаз, у тому числі і аморфних, ще не досліджене повною мірою і все ще вимагає детальнішого вивчення.[6].
IV. АМОФНІ ФЕРОМАГНЕТИКИ ВЛАСТИВОСТІ І ЗАСТОСУВАННЯ
4.1 Аморфні феромагнетики
В даний час майже всі сфери технічного застосування АМС ґрунтуються на унікальному поєднанні магнітних і механічних властивостей, які роблять аморфні метали одним з ключових елементів сучасних інформаційних технологій. На жаль, магнітні властивості речовини не є тим предметом, про який легко розмовляти популярно, тому спочатку нам доведеться хоча б поверхово торкнутися дивовижний природний феномен, що отримав назву "ферромагнетизм" (від лат. Ferrum - залізо).
При кімнатній температурі феромагнетизмом володіють три чистих метали: залізо (Fe), нікель (Ni) і кобальт (Co). Кожен з атомів цих елементів володіє магнітним моментом, тобто може розглядатися як дуже маленька магнітна стрілка або постійний магніт. Природно,що магнітний момент кожного атома малий, малий настільки, що для зручного його опису застосовується спеціальна одиниця - Магнетон Бора. Магнетон Бора µб є найменшою одиницею (квантом) магнетизма, і за сучасними уявленнями жодна фізична система не може мати відмінний від нуля магнітний момент, менший . Величина Магнетон Бора визначається за формулою:
і є комбінацією фундаментальних фізичним констант: е, m - заряд і маса електрона, h - постійна Планка і с-швидкість світла.
Виникнення феромагнетизму пов'язане з проявом так званого обмінної взаємодії, яке отримує пояснення в рамках квантової теорії. Для нас важливий результат цього процесу, який зводиться до наступного: існує певна критична температура ТC (температура К’юрі), нижче за яку весь обсяг феромагнетика розбивається на області, що отримали назву доменів, усередині яких магнітні моменти атомів паралельні один одному. Температура Кюрі залежить від сорту атомів і структурного стану речовини і є однією з найважливіших характеристик феромагнетика.
Величина магнітного поля, що виникла внаслідок упорядкування орієнтації атомних магнітних моментів, називається намагніченістю. У матеріалах, що не володіють ферромагнетизмом, намагніченість виникає під впливом зовнішнього магнітного поля, що орієнтує магнітні моменти атомів. Всередині доменів феромагнетика намагніченість виникає самовільно під дією сил обмінної взаємодії. Тому домени називають областями спонтанної (тобто мимовільної) намагніченості. На межі двох доменів магнітні моменти атомів поступово змінюють орієнтацію в тонкому перехідному шарі, який називається доменною стінкою. Схема розташування доменів в феромагнітному матеріалі представлена на рис. 4.1.
Зміна намагніченості в залежності від зовнішнього поля прийнято зображати графічно. При цьому по осі абсцис відкладається зовнішнє магнітне поле H, яке прикладається до феромагнетика, а по осі ординат - намагніченість M. Типічна крива намагніченості представлена на рис. 4.2 При відсутності зовнішнього поля намагніченість дорівнює нулю. В міру зростання зовнішнього магнітного поля відбувається рух доменних стінок таким чином, що об’єм доменів, спонтанна намагніченість яких паралельна зовнішньому полю, також зростає (середня частина зростаючого відрізка кривої ). Подальше збільшення зовнішнього поля призводить до того, що весь об’єм ферромагнетика намагнічується до насичення . Максимальне значення намагніченості називають намагніченістю насичення і позначають Ms (відангл. saturation - насичення).
Рис. 4. 1. Доменна структура феромагнетика
Рис 4.2.Схематичне зображення процесу намагнічування і відповідні зміни доменної структури феромагнітного матеріалу
При зменшенні зовнішнього поля до нуля намагніченість феромагнетика нестає нульовою. Завжди залишається так звана залишкова намагніченість, що позначається Mr (від англ. remainder - залишок). Наявність залишкової намагніченісті лежить в основі існування постійних магнітів. Щоб зняти залишкову намагніченість, необхідно докладати зовнішнє магнітне поле з протилежним знаком (тобто в зворотньому напрямку). Значення розмагнічуючого поля, яке потрібно для того, щоб залишкова намагніченість зразка стала рівною нулю, називається коерцитивною силою і позначається Hc. Назва не дуже вдала, ніякої сили немає, є тільки магнітне поле. Тому в наш час термін "коерцитивна сила" витісняється терміном "коерецитивне поле".
Коерцитивне поле є дуже важливою характеристикою феромагнітного матеріалу, величину якої визначає, чиє матеріал магнітом яким (Hc <100 A / м) або магнітожорстким (Hc> 100 A / м). Магнітом які матеріали використовуються для виготовлення сердечників трансформаторів та електромагнітів, статорів електромоторів, магнітних голівок запису і відтворення. Магнітожорсткі матеріали використовуються головним чином для виготовлення постійних магнітів.
Довгий час існувала думка, що феромагнетизм притаманний тільки впорядкованим кристалічним структурам. А.І. Губанов в 1960 році першим передбачив існування феромагнетизму в аморфних металевих сплавах. Слід підкреслити , що феромагнетизм аморфних сплавів обумовлений наявністю в них одного, двох або всіх трьох феромагнітних елементів: заліза, нікелю та кобальту. Подвійні феромагнітні сплави можна розділити на наступні групи: сплави з феромагнітних елементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt і т.д.; сплави феромагнітних елементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P і т.д.; сплави з одним з металів:Fe-Tb, Co-Sm, Ni-Nd і т.д. Крім подвійних розроблено велику кількість трьох-, чотирьох-багатокомпонентних аморфних феромагнітних сплавів.[7]
Які корисні магнітні властивості поліпшуються в результаті утворення аморфної структури? Відомо, що в звичайних феромагнетиках завжди є магнітна анізотропія,обумовлена кристалічним порядком розташування магнітних моментів атомів. Магнітна анізотропія істотно зменшує рухливість доменних стінок і збільшує коерцитивне поле. В принципі в аморфних феромагнетиках магнітна анізотропія повинна дорівнювати нулю, оскільки відсутній кристалічний дальній порядок. Практично реальні аморфні ферромагнетики все ж володіють магнітною анізотропією, яка, однак, на два порядки менше, ніж у кристалічних. Зменшення магнітної анізотропії призводить до різкого зниження коерцитивного поля до значень 0,01 А / м, що зменшує втрати при перемагнічуванні. Таким чином, аморфні металеві сплави майже завжди є магнітом якими феромагнетиками.
Іншою корисною властивістю аморфних феромагнетиків є більш високе значення початкової магнітної проникності як на низьких (0,1-1 МГц), так і на високих (5-15 МГц) частотах. Ця властивість визначається високим питомим електричним опором аморфних феромагнетиків, що значно знижує втрати на труми Фуко.
