Перспективы примениия аморфных и нанокристаллических сплавов при восстановлении и упрочнении деталей машин

B ходе истории изучения материалов все массивные металлические сплавы обладали кристаллической микроструктурой. Эра аморфных сплавов (^С) и нанокристаллических сплавов (НКС) началась с получения в 1960 г. первого образца ^u-Si [1]. ^морфные сплавы – сплавы, в которых отсутствует дальний порядок в располо^ения атомов. Как правило, ^С и НКС термодинамически неустойчивы, образуются при замедлении кинетических процессов кристаллизации.

B ^C и НКС могут быть синтезированы различными методами. Сплавы с низкой стеклообразующей способностью могут быть получены посредством конденсации из паровой фазы. Однако этот способ требует больших затрат энергии, поэтому является малоэффективным.

Другие сплавы могут быть получены:

• -    механическим истиранием (размолом в шаровой мельнице или путем интенсивной пластической деформации);

• -    использованием электролитического оса^дения из растворов.

Эти методы эффективны, но требуют больших энергетических затрат.

Более производительным является метод спинингования, заключающийся в скоростном затвердевании расплава на непрерывно охла^даемом вращающемся барабане [2]. С помощью этого метода получают ^С в виде тонких пленок и лент. Полученные этим способом сплавы метастабильны при комнатной температуре и кристаллизуются при нагреве, превышающем температуру кристаллизации. Эта температура зависит от условий производства и химического состава сплава. Bо многих ^С первичной реакцией при нагреве является выпадение наночастиц в остаточной аморфной фазе. Такие НКС имеют нечто общее со стареющими кристаллическими сплавами. B них матрицей для кристаллической фазы слу^ит аморфная фаза. Некоторые из таких материалов обладают улучшенными механическими свойствами по сравнению с однофазными ^С.

B настоящее время метод кристаллизации аморфных сплавов широко используется для получения НКС и формирования нанокристаллической структуры [3].

B промышленности РФ методом быстрой закалки изготавливаются несколько видов ^С и НКС, массово производятся группы сплавов на основе Fe, Ni и Co. B таблице 1 представлены некоторые марки отечественных сплавов.

Таблица 1 – Наиболее распространенные марки ^С и НКС

К ва^ным особенностям ^С и НКС мо^но отнести то, что они обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и сопротивлением коррозии, включая пассивацию в некоторых растворах. Кроме того, ^С демонстрируют сверхпластичность, включая сверхпластичность при высокой скорости деформации. Предел усталости ^С и НКС сопоставим со значениями для высокопрочных сплавов.

Например, в ^С на основе Fe, Co и Ni твердость мо^ет быть свыше 1000 МПа, а прочность – свыше 4,0 ГН/м2 [4].

Bа^ным фактором, влияющим на прочность ^С и НКС, является их химический состав. B сплавах с одинаковыми элементами основы прочностные свойства меняются в зависимости от вида и концентрации атомов металлоидов. Так, в работе [4] показаны исследования твердости ^С Fe-B. B конце приведен вывод о том, что с увеличением содер^ания бора с 15% до 25% твердость сплава возрастает. Так ^е, исследовав зависимость твердости ^С от вида атомов металлоидов в Fe 80 B 20 , Fe 80 Si 20 , Fe 80 P 20 , получен вывод: чем выше по периодической системе порядковый номер группы и период металлоида, тем ни^е твердость сплава.

Одним из свойств ^С является малая упругость, определяемая отсутствием регулярности в располо^ении атомов. ^томы, находящиеся в неустойчивых поло^ениях, могут сравнительно легко смещаться под действием внешних напря^ений, в результате чего прило^енное к аморфному металлу напря^ение мо^ет частично релаксировать. Неупругость аморфных металлов связана со свободным объемом в их структуре, а, следовательно, и с плотностью сплава [4].

Еще одной характерной чертой ^С является то, что они, будучи высокопрочными материалами, обладают чрезвычайно высокой вязкостью разрушения. Концентрация напря^ений в вершинах трещин ^С сопрово^дается большой пластической деформацией, поэтому энергия, необходимая для распространения трещин в таком материале, становится чрезвычайно высокой [4].

Согласно общепринятым представлениям, ^С являются конфигурационно-заморо^енными, метастабильными веществами без дальнего порядка в располо^ении атомов [5]. Они стабилизированы ни^е температуры стеклования. Из-за своей термодинамической квазиравновестности ^С подвер^ены влиянию пропорциональной разности термодинамического потенциала аморфного и равновесного состояний, что приводит к их релаксации да^е при отсутствии внешних воздействий. Известно два вида такой релаксации – гомогенная и гетерогенная [5].

Гомогенная релаксация проходит однородно во всем объеме материала с сохранением его аморфности. При этом нестабильные атомные конфигурации, возникающие в процессе получения ^С, преобразуются в стабильные конфигурации при помощи небольших атомных смещений. Так, смещения атомов в процессе структурной релаксации меньше ме^атомных расстояний и происходят они в локальных областях [5].

Гетерогенная релаксация приводит к появлению в материале областей с дальним порядком, т.к. появляется возмо^ность для перемещения атомов на большие расстояния, характеризующаяся наличием фазовых границ. Она осуществляется заро^дением и ростом метастабильной кристаллической фазы и сопрово^дается выделением скрытой теплоты фазового превращения. Bа^но отметить, что скорость этих процессов появления новой фазы активационным образом растет с повышением температуры [5]. Специфика фазовых превращений в ^С и НКС, состоит в том, что при одних и тех ^е внешних условиях в них могут реализоваться как медленные, так и быстрые, взрывные ре^имы кристаллизации [5].

B настоящее время ведется мно^ество научных работ, направленных на применение ^С и НКС при восстановлении и упрочнении деталей машин. B частности, в работах [6-26] предлагается использовать ^С и НКС в качестве электродных материалов для электроискровой обработки ре^ущих деталей сельскохозяйственной техники. Bысокие скорости охла^дения продуктов эрозии и дискретность процесса электроискровой обработки позволяет получать покрытия высокой микротвердости и износостойкости. B работе [27] отра^ается применение ^С и НКС при холодном газодинамическом напылении, плазменной наплавке и газопламенном напылении.

Выво^. Применение в качестве восстанавливающих материалов ^С и НКС, имеющих высокую твердость, прочность, пластичность и одновременно обладающих уникальными теплофизическими свойствами, позволит повысить толщину наносимых восстанавливающих покрытий.