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.


Főbb témakörök:
Amorf ötvözetek (fémüveg), Szuperötvözetek, Emlékező ötvözetek, Mikroötvözött acélok, Fémhabok

 

Amorf ötvözetek (fémüveg)

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

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.

 

Emlékező ötvözetek

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).

 

Mikroötvözött acélok

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).

 

Fémhabok

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.

 

Felhasznált irodalom