Fémüveg, emlékező ötvözet és egyéb érdekességek
A mindennapok során használt fémeink, ötvözeteink túlnyomó többsége polikristályos (ábra)
szerkezetű, az őket felépítő krisztallitok pedig a mikrokristályos (1-100 mikrométeres)
mérettartományba esnek.
Vannak azonban ettől eltérő, felépítésüket, előállításukat és tulajdonságaikat
tekintve is speciálisnak mondható anyagok.
A teljesség igénye nélkül ezek közül nézünk meg most néhányat.
Ez a címszó Végh Balázs közreműködésével készült.
Ha fémolvadékokat
kellően nagy sebességgel
hűtenek le, a kristályosodáshoz
szükséges gócképződés elkerülhető, amorf
szerkezet (ábra) jön létre; innen a fémüveg
elnevezés.
Léteznek fém-metalloid
(pl. Fe-B,
Fe-Ni-B,
Pd-Si)
és fém-fém
rendszerek is (Fe-Zr,
Ni-Zr,
Cu-Ti).
A kritikus hűlési sebesség
kb. 105°C/s. Természetesen ilyen nagy hűlési sebesség
csak speciális eljárásokkal valósítható meg.
A leggyakrabban
használt módszerek:
- olvadékok gyors megszilárdítása
- mechanikai ötvözés
- felületi olvasztás
- elektrolízis
Amorf ötvözet elektronmikroszkópos képe
Bizonyos ötvözetek
olyan nagy üvegképzési
hajlammal rendelkeznek, hogy kritikus hűlési sebességük
mindössze 0,1-1°C/s, így viszonylag egyszerű úton előállíthatók.
Egyik ilyen módszer a kokillába történő öntés
- ezek az anyagok tömbi amorf
ötvözetekként ismertek.
A fémüvegek számos
olyan előnyös tulajdonsággal rendelkeznek, amivel a hagyományos polikristályos
fémek nem (pl. nagy szilárdság
és keménység mellett
rugalmasság, a diszlokációk
hiánya miatt nem lép fel alakítási keményedés, kedvező mágneses
tulajdonságok). Magasabb hőmérsékleten
átkristályosodnak.
Felhasználásukban
áttörést a tömbi amorf
ötvözetek megjelenése
hozott, amik lehetővé tették nagyobb méretekben - több centiméteres átmérőben
- történő előállításukat. (A fémüvegek
kutatása az 1960-as évek elején kezdődött, de az első kereskedelmi forgalomba
is hozott tömbi amorf
ötvözet csak 1992-ben
jelent meg).
A kis koercitív erő és hiszterézis veszteség, illetve nagy permeabilitásuk miatt
főleg lágymágneses eszközökben (transzformátor vasmagok /a képen/, magnetofonfejek
/ilyen volt az Akai GX feje/, szenzorok stb.) használják őket.
Jól funkcionálnak forraszanyagként, mert a bennük lévő metalloidok miatt nincs
szükség külön folyósítószerre.
Korrózióállóságuk révén bevonatok is készülnek belőlük
Szuperötvözetek
alatt kimagasló szilárdsági tulajdonságokkal és korrózióval szembeni ellenálló
képességgel rendelkező ötvözeteket
értünk.
Összetételüket tekintve fő típusaik a nikkel, kobalt és titán alapú szuperötvözetek,
illetve néha ezek kombinációi.
Nikkel-alapú szuperötvözet elektronmikroszkópos felvétele
Jellemzően kétfázisú
rendszerek. Nikkelalapú
ötvözeteknél (pl.
Ni-Al)
két azonos kristályszerkezetű,
de eltérő atomelrendezésű
fázis található, egy
rendezetlen (gamma) és egy rendezett (gamma-I). A rendezetlen gamma fázis
van nagyobb mennyiségben jelen, benne egyenletesen eloszlatva a rendezett gamma-I
fázis. A gamma fázis
diszlokációi fennakadnak
a gamma-I fázison,
így a diszlokációk
mozgása erősen gátolttá válik. Ezek az ötvözetek
850-1000°C közötti hőmérsékleten
is megőrzik szilárdságukat.
Magasabb, 1100°C körüli hőmérsékleten
inkább kobaltalapú
szuperötvözeteket használnak. Szilárdságuk kisebb, mint a fent említett
nikkelalapú ötvözeteké,
ugyanakkor jobban megmunkálhatóak, gyakran készülnek belőlük hegesztett
szerkezetek is. Magas hőmérséklettel
szembeni ellenálló képességüket finom eloszlású hőálló karbidoknak
(WC, MoC) és magas
krómtartalmuknak köszönhetik.
Titánalapú ötvözeteket akkor használnak, ha a viszonylag kisebb súly az elérni kívánt cél. Szintén kétfázisú rendszerek, a lencse vagy gömb alakú alfa-fázis van eloszlatva a béta- fázisban. A lencse alakú változat jobban ellenáll a kúszásnak, de kevésbé ellenálló a kis ciklusszámú (határfeszültséghez közeli igénybevétellel terhelt) törésnek, ezért általában mindkét alakot létrehozzák ugyanabban az anyagban. Kb. 500°C üzemi hőmérsékletig használhatók.
Szuperötvözetből gyártott turbina
Eddig felsorolt tulajdonságaik miatt (magas hőmérsékleten is nagy kúszás-,
folyás- és kifáradási határ, korrozív közeggel szembeni kitűnő ellenálló képesség)
főleg erőművek turbináiban és repülőgép-sugárhajtóművekben alkalmazzák őket.
A fogászatban lemezek, hidak és koronák alapanyagául szolgál.
Ha bizonyos ötvözetek kívánt formáját egy kritikus hőmérséklet felett hozzuk létre, akkor a fém erre az alakra a kritikus hőmérséklet alatt bekövetkező plasztikus deformáció után is emlékezik: ha alacsony hőmérsékleten valamilyen mechanikai hatás miatt a fémtárgy alakja megváltozik, akkor a kritikusnál magasabb hőmérsékletre hevítve visszanyeri eredetileg kialakított formáját.
Az alakemlékező ötvözetek fent leírt tulajdonságát az ausztenit-martenzit fázisátalakulás okozza. Míg az ausztenit fázisból több különböző orientációjú martenzit alakulhat ki, addig a martenzit fázisból az ausztenit csak az eredeti orientációban képes visszaalakulni. Az ausztenitté való visszaalakulás jelentős átalakulási feszültséggel kísért. Amplitúdója a maradó alakváltozással megegyező, de iránya ellentétes azzal, így a fém visszanyeri eredeti alakját.
Megkülönböztetünk "egyutas", illetve "kétutas" alakmemóriát. Előbbinél az anyag maradó alakítását követően, ha hő éri, visszanyeri az alakítás előtti formáját. A "kétutas" alakmemória esetében viszont az anyag különböző hőmérsékleten más-más formát vesz fel.
Az 1930-as években kezdtek kísérletezni először emlékező ötvözetekkel, azóta meglehetősen sok ilyen jellegű rendszert fedeztek fel (Ag-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, In-Tl, Fe-Pd, Mn-Cu, stb).
Gyógyászati alkalmazás - sztent érhálózaton belül
Legismertebb alakemlékező ötvözet
a Nitinol (a Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory szavak összevonásából,
amit 1962-ben fejlesztettek ki az Egyesült Államok tengerészeti tüzérségi kutatóintézetében).
Szuperrugalmas tulajdonsága, biokompatibilitása révén alkalmazási területe meglehetősen
széles körű:
- szemüvegkeretek, telefonantennák;
- űrkutatás, robottechnika (aktuátorok);
- orvostechnikai alkalmazások (fogszabályozó ívek, sztentek);
- földrengés elleni védelem (műemlék jellegű szerkezetek megerősítésére);
- egyéb termékek (sporteszközök, fejhallgatópántok, vízelzáró szerelvények,
biztonsági szelepek).
Bizonyos kémiai elemek már nagyon kis mennyiségben (általában néhány század vagy ezred százalékos arányban) jelentősen befolyásolhatják az acél egyes tulajdonságait. Elsősorban a nióbium, vanádium, titán, molibdén, cirkónium, a bór és egyes ritkaföldfémek tartoznak ide.
Nióbium-kiválások mikroötvözött acélban
Példák:
- kevés nióbium, vanádium,
vagy titán a nitridképződést
segíti elő (természetesen a megfelelő nitrogéntartalom jelenlétében), ami finomszemcsés,
nagy szilárdságú szerkezetet eredményez
- néhány ezred százaléknyi bórral való ötvözés jelentősen növeli az acél folyáshatárát,
ami nemesítéssel tovább emelhető
Az acélokon kívül léteznek más mikrotvözéssel készült rendszerek is. Például az ólomtartalmú forraszanyagok helyett - környezetvédelmi okokból kifolyólag - egyre inkább elterjedőben vannak az ón-ezüst-réz forraszok, melyek tulajdonságait szintén mikroötvözéssel próbálják javítani (általában 0,2-0,01 százaléknyi vas, nikkel, króm, bizmut, cink, kobalt vagy antimon hozzáadásával).
A fémhabok
olyan fémből készült
kis sűrűségű, celluláris
anyagok, amelyek sajátos mechanikai,
termikus, elektromos
és akusztikus tulajdonságokkal
rendelkeznek.
Szerkezetük alapján két csoportba oszthatók.
A nyitott cellás fémhabok üregei egybefüggőek, vázukat egymáshoz
kapcsolódó cellaélek alkotják, míg a zárt cellás fémhabokban az
üregeket cellafalak különítik el. Ezek az üregek néhány mikrométeres
vagy akár centiméteres
nagyságúak is lehetnek, falvastagságuk igen széles skálán változhat (10-6
- 10-3 m).
Felépítésüket tekintve hasonlóak a műanyaghabokhoz.
Sűrűségük lényegesen
kisebb a tömör fémekéhez
viszonyítva, átlagos sűrűségük
a fém sűrűségének
akár százada is lehet. A fémhabok egyik leggyakoribb jellemzője a relatív
sűrűség, amely
a fémhab sűrűségének
és az őt alkotó fém sűrűségének
hányadosa. A jelenleg gyártott fémhabok relatív sűrűsége
0,1% és 50% között változik.
Előállításukkal már az 1950-es években foglalkoztak, de a kezdeti sikertelen
kísérletek után a kutatásokkal felhagytak. Később fejlettebb technológiával
újra próbálkoztak. Folyamatos előállításuk és tudományos vizsgálatuk csak az
1960-as évektől kezdődött.
Fémhabok
gyártása történhet:
- öntéssel;
- fémbevonattal (általában
poliuretán hab
fémmel való bevonásával);
- porkohászati úton;
- fémben oldott gázokkal
történő habosítással.
Lyukacsos szerkezetüknél fogva jó ütközésienergia-elnyelők, így előszeretettel
alkalmazzák a járműiparban térelválasztó anyagként.
Elektromos vezetőképességük kisebb, mint a hagyományos fémeké.
Hőszigetelőként lehetővé teszik veszélyes anyagok vagy nagy értékű, érzékeny
berendezések szállítását.
Katalizátorok hordozóanyagaként is funkcionál nagy fajlagos felületük miatt,
illetve akkumulátorokban nagy felületű elektródként.