Kovová skla
Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI © Doc. Ing. Karel Daďourek, CSc 2008
Historie objevu
Existence objevena 1963 – Duvez. Vystřelení kapky 0,1 g kovu na chlazenou Cu desku – destička kovového skla o průměru okolo 10 mm, tloušťky několika mikrometrů. Získaná rychlost ochlazování byla okolo 107 K/s. U čistých kovů je potřebná rychlost ochlazování pro vznik amorfní fáze – kovového skla – nad milion K/s. Teplota skelného přechodu se přitom pohybuje v rozmezí 400 až 600 K. Tedy pod 1 ms musí být doba chlazení z taveniny až na pokojovou teplotu. V zásadě je možné získat kovové sklo téměř ze všech kovů, u mnohých to však vyžaduje zatím nedosažitelné rychlosti ochlazování.
Podmínky snadnějšího vzniku
– složení slitiny je blízké složení eutektika v rovnovážném stavu a eutektická teplota je nízká ve srovnání s teplotami tuhnutí složek – slitina musí obsahovat co nejvíce složek, čím více složek obsahuje, tím snadněji vzniká amorfní fáze - složky nesmějí být snadno vzájemně rozpustné – vzniku amorfní fáze pomáhá, nejsou-li ve slitině čistě kovové vazby. Pomáhá především přítomnost kovalentních vazeb
Základní typy kovových skel
Skla typu přechodový kov – metaloid, např Fe – B, Pd – Si a další. Základní krystalická mřížka je metaloid obklopený atomy přechodového kovu – představa, že se tyto elementy chovají podobně jako mnohostěny u kysličníkových skel. Patří sem nejznámější kovová skla : Fe40Ni40P14N6, Co80Nb14B6, Co68Ni10Fe5B6Si11, Fe40Ni40B20. Skla typu přechodový kov – přechodový kov, např Nb – Ni, Cu – Zr. Vznikají většinou na místě složitých intermetalických fází v poměrně širokém rozsahu složení. Skla typu prostý kov – prostý kov, např Mg – Zn, Ca – Mg, Ca – Al, nebo prostý kov – přechodový kov, např Mg – Cu, Ti – Be, Zr – Be. Skla zde vznikají vedle oblasti vzniku Lavesových fází, při vyšší koncentraci větších atomů než připouští Lavesovy fáze.
Typické vlastnosti
Mají vysokou pevnost – asi 1/50 G ( 1 až 3 GPa). Současně mají značnou houževnatost a korozní odolnost. Neexistuje v nich klasická plastická deformace (nemají dislokace), dva odlišné mechanizmy trvalé deformace : – velmi tenké skluzové pásy ve směru maximálního smykového napětí – jen asi 1 % trvalá deformace v tahu, ale až 50 % v tlaku – pro menší napětí a případně zvýšenou teplotu tečení – ale jen velmi malou rychlostí. Jde o migraci velmi malých pohyblivých oblastí. Při trvalé deformaci nevzniká zpevnění Mechanizmus lomu – zpravidla k němu dochází přímo v rovině mximálního kluzu, „potůčkovitý vzhled“. Ohřev nad 200 oC vyvolá zpravidla zkřehnutí. Pak typický křehký lom kolmý na směr hlavního namáhání.
Průmyslové metody výroby
Dnes již průmyslově používané metody – z taveniny. – Indukční roztavení kapky kovu, pak ze strany stlačena dvěma měděnými kotouči – Pramének taveniny kovu dopadá na otáčející se chlazený měděný válec – Kapky taveniny kapají na chlazený měděný válec – Pramének taveniny je stlačován mezi dvěma rotujícími chlazenými měděnými válci Společné nedostatky : – výtěžnost je omezena možnou rychlostí odvodu tepla – z taveniny nelze takto získat destičky tlustší než desítky, maximálně stovky mikrometrů
Princip výroby
Kovová slitina je nejprve indukčně roztavena Tavenina je vytlačena křemenným ventilem Dopadá na rychle rotující měděný válec, zevnitř chlazený vodou
Možnosti použití
Homogenita bez hranic zrn i při vysoké tvrdosti umožňuje získávat vynikající řezné nástroje – skalpely a p. Z feromagnetických kovů - extrémně magneticky měkké materiály, náhrada orientovaných Fe – Si plechů v transformátorech, motorech, magnetickém stínění. I na magnetofonové hlavy. Elektricky vodivá, s vodivostí poněkud menší než krystalické kovy. Složením skla je možné v širokém rozmezí měnit teplotní koeficient odporu, od kladných hodnot přes nulu až do záporných hodnot (jako u polovodičů). Použití jako teploměry, ohřívací elementy při nízkých teplotách a přesné stabilní odpory. Některá kovová skla jsou supravodivá, s teplotou přechodu do supravodivého stavu pod 10 K. První amorfní supravodiče. Výborná korozní odolnost je předurčuje pro chemii, chirurgii a biomedicinu.
Užití ve strojírenství
Pájení v kosmické technice – kovové sklo 89 % Ni, 11 % P. Pájecí teplota 1250 oC – místo tvrdé pájky. Neodpařuje se. Na pružiny a membrány se hodí kovové sklo Ni – Si – B. Má vysokou mez pružnosti – až skoro do meze pevnosti.
Nové metody výroby
Kondenzace a tuhnutí par získaných odpařením nebo odprášením kovu. Takto je možno získat destičky tloušťky až několik mm. Silné ozáření krystalického kovu neutrony nebo ionty, takže dojde k rozbití krystalické struktury Implantace iontů do krystalických kovů, až dojde k rozbití mřížky Extremně rychlý ohřev povrchu kovů laserem nebo elektronovým paprskem. Dojde k amorfizaci povrchu. Např legování austenitické chromové oceli borem s natavením povrchu laserem – povrch pokryt amorfní vrstvou Fe - Cr – B.
Nové poznatky Při výzkumu kovových skel byla objevena řada nových metastabilních fází,vznikajících jen při extrémně rychlém ochlazování. Tak soustavy Ag – Cu, Pt – Ag, Cu – Rh mají normálně omezenou rozpustnost, při velké rychlosti ochlazování ale nastává plná rozpustnost. V soustavách Te – Au, Te – Ag vzniká při rychlém ochlazování nová metastabilní fáze s jednoduchou kubickou mřížkou. V mnoha případech vznikají tzv kvazimřížky – kvazikrystalické struktury.
Kvazikrystalické struktury
RTG difrakce
Slitina Zr62-xTixCu20Ni8Al10 Čísla u křivek udávají procenta titanu. Bez titanu je téměř krystalická, dále stále větší amorfní podíl
Pracovní diagramy plastická deformace bez zpevnění
Schema DSC analyzy
DSC analyza - ohřev
Kovové sklo Metglas 2705M
Kobaltová slitina : 80 % Co, 4 % B, 4 %Fe, 4 % Mo, 4 % Ni, 4 % Si Vlastnosti : hustota 7,8 g/cm3 tvrdost 900 HV pevnost v tahu 1500 MPa Youngův modul 100 GPa Curieův bod 3654 oC teplota krystalizace (odskelnění) 520 oC pracovní teplota do 90 oC maximální magnetická permeabilita 600 000 Užití : ohebné elektromagnetické stínění magnetické senzory vysokofrekvenční transformátory Význačné vlastnosti : prakticky nulová magnetostrikce vysoká permeabilita
Vlastnosti Metglas
Indikátory zboží
Tvrdý magnetický materiál – sepnutí/rozepnutí čidla Měkký magnetický materiál (kovové sklo) – vlastní čidlo
CD – RW disky
Kovová slitina Ag – In – Sb – Te – je nízkotavitelná a velmi snadno vytváří kovové sklo, teplota tání okolo 600 oC. Při 200 oC snadné odskelnění – vznik krystalické fáze. Krystalická fáze má vysokou odrazivost pro laserové záření, amorfní malou. „Zápis“ na CD RW : v místě pitu se vytvoří silným ohřátím amorfní fáze – ta přestane v tomto místě odrážet. „Mazání“ CD RW : slabším ohřátím se všude změní amorfní fáze na krystalickou
Práce s CD RW disky
