Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные метал­лы, метглассы) - металлические сплавы в стеклообразном состоянии, образующиеся при сверхбыстром охлаждении металлического рас­плава, когда быстрым охлаждением предотвращена кристаллизация (скорость охлаждения < 10 6 К/с).

Металлические стекла - метастабильные системы, которые кристаллизуются при нагревании до температуры ~ 1/2 t пл. Нагрев, когда подвижность атомов возрастает, постепенно приводит аморф­ный сплав через ряд метастабильных состояний в стабильное кри­сталлическое состояние. Многие металлические стекла испытывают структурную релаксацию уже при температуре чуть выше комнатной. Наложение деформирующего напряжения усиливает диффузионную подвижность и связанную с ней структурную перестройку сплавов.

Состав металлических стекол чаще всего выражается форму­лой М 80 Х 20 , где М - переходные (Cr, Mn, Fe, Co, Ni и др.) или благо­родные металлы, а X - поливалентные неметаллы (В, С, N, Si, P, Ge и др.), являющиеся стеклообразующими элементами.

Металлические стекла отличаются от кристаллических сплавов отсутствием таких дефектов структуры, как вакансии, дислокации, границы зерен, и уникальной химической однородностью: отсутству­ет ликвация, весь сплав однофазен.

Особенности строения металлических стекол обусловливают отсутствие характерной для кристаллов анизотропии свойств, высо­кую прочность, коррозионную стойкость и магнитную проницае­мость, малые потери на перемагничивание.

Физико-химические свойства металлических стекол значитель­но отличаются от свойств литых сплавов. Характерными особенно­стями потребительских свойств металлических стекол являются высо­кая прочность в сочетании с большой пластичностью и высокой коррозионной стойко­стью. Некоторые металлические стекла - ферромагнетики с очень низкой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью (например, Fe 80 B 20), а для других характерно очень слабое поглоще­ние звука (сплавы редкоземельных металлов с переходными металла­ми). Наиболее широкое применение металлические стекла нашли бла­годаря магнитным и коррозионным свойствам.

Магнитно-мягкие металлические стекла изготавливают на ос­нове Fe, Co, Ni с добавками 15...20 % аморфообразующих элементов B, С, Si, P. Например, Fe 81 Si 3 , 5B 13 , 5C 2 имеют высокое значение маг­нитной индукции (1,6 Тл) и низкое значение коэрцитивной силы (32...35 мА/см). Аморфный сплав Co 66 Fe 4 (Mo, Si, В) 30 имеет сравни­тельно небольшое значение магнитной индукции (0,55 Тл), но высо­кие механические свойства (900... 1000 HV).

Высоким сопротивлением коррозии обладают только стабиль­ные аморфные сплавы. Так, для изготовления коррозионно-стойккх деталей используют металлические стекла на основе железа и никеля, содержащие не менее 3...5 % хрома и некоторые другие элементы. Критическая концентрация хрома, обеспечивающая стабильность аморфного сплава, определяется соотношением между легирующими элементами сплава и активностью коррозионной среды. Сопротивление металлических стекол коррозии снижают процессы, усиливающие химическую неоднородность, а именно:

· появление флуктуации химического состава; разделение исходной аморфной фазы на две другие аморфные фазы или фазы с другим химическим составом;

· переход аморфной фазы в двух- или многофазную смесь кри­сталлов разного химического состава;

· образование кристаллической фазы того же химического со­става, что и окружающая матрица.

Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки.

Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Мп, Сг к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных элементов, а X - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe 80 P 13 C, Ni 82 P 18 , Ni 80 S 20).

Рис. 177. Схема получения аморфных сплавов с помощью быстрого охлаждения из расплава: а - разливка на диск; б - разливка между двумя дисками; 1 - индуктор; 2 - расплав; 3 - тигель; 4 - диск; 5 - лента аморфного материала

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета- стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения.

Высокие механические свойства

Высокими механическими свойствами обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической. Это объясняется, с одной стороны, высоким
значением о т, а с другой - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30-50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15-25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Р используют как магнитно-мягкие материалы.

Группы аморфных сплавов

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1. аморфные сплавы на основе железа с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой (32-35 мА/см);
2. железоникелевые сплавы со средними значениями магнитной индукции (0,75-0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6-7 мА/см);
3. аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900-1000 HV), низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5-20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

В самом начале этого реферата мы выяснили, что при обычных условиях затвердевания жидкого металла его атомы образуют кристаллическую решетку того или иного типа. Строгую периодичность системы ионов называют “дальним порядком”. Например, при многократном повторении в пространстве той комбинации ионов воспроизводится объемно-центрированная кубическая решетка. При наличии дальнего порядка мы можем точно указать координаты любого иона, если знаем его порядковый номер по отношению к произвольно выбранному исходному иону. Все позиции ионов, все межатомные расстояния четко определены.

Возвращаясь к системе атомов, мы назовем такую ситуацию “ближним порядком”. Можно довольно точно указать координаты и количество атомов, окружающих данный атом, но более далеких прогнозов делать уже нельзя. Но в природе существует и другая категория веществ, которые называются аморфными. При охлаждении, когда энергия тепловых колебаний атомов становится столь низкой, что они уже не могут свободно путешествовать, эти вещества сохраняют структуру жидкости. Здесь может идти речь только о ближнем порядке в расположении атомов. Движение “толпы” как бы постепенно затихает, люди все менее энергично толкают друг друга и, наконец, застывают на своих случайных местах, слегка покачиваясь из стороны в сторону.

Обычное стекло, смола, парафин, асфальт - это примеры природно аморфных материалов, не имеющих правильного кристаллического строения. Такие материалы при нагревании и охлаждении лишь изменяют свою вязкость, но никаких принципиальных изменений во взаимном расположении составляющих их атомов не происходит.

У кристаллических тел подобные изменения свойств при нагреве происходят гораздо более резко, а само плавление - у чистых металлов - идет при строго определенной температуре, так что температура плавления металла является одной из его фундаментальных физических характеристик (констант). Если не меняется внешнее давление и металл хорошо очищен от примесей, то по появлению первой капли при нагреве можно определить температуру с точностью до десятых долей градуса.

Возникает вопрос: нельзя ли и в металлическом сплаве “заморозить” ту атомную структуру которая характерна для жидкости, нельзя ли лишить металл дальнего порядка в твердом состоянии. Ведь тогда можно ожидать значительного изменения всех тех его свойств, которые определяются правильным строением кристаллов.

В принципе способ, с помощью которого можно решить такую задачу, ясен - надо пытаться резко увеличить скорость охлаждения жидкого металла, чтобы быстро спуститься в ту область температур, где атомы уже не могут менять своих соседей. Расчеты и эксперименты показали, что подавить процесс кристаллизации действительно удается, но для этого нужны скорости охлаждения порядка миллионов градусов в секунду. Один из разработанных способов заключается в разбрызгивании мелких капель жидкого металла на хорошо отполированную поверхность быстро вращающегося холодного медного диска. Капля на поверхности диска размазывается очень тонким слоем (несколько микрометров), а хорошая теплопроводность меди обеспечивает высокую скорость теплоотвода.

В настоящее время уже налажен промышленный выпуск десятков сплавов в аморфном состоянии. Оказалось, что легче всего аморфизуются сплавы переходных и благородных металлов с металлоидами (неметаллами, углеродом, бором, фосфором и др.), причем есть сплавы, в которых удается подавить кристаллизацию при скорости охлаждения порядка тысяч и даже сотен градусов в секунду.

Какие же свойства аморфных сплавов особо ценны для техники? Как и ожидалось, аморфные металлы во многих отношениях отличаются от своих кристаллических собратьев. Хотя модули упругости при аморфизации снижаются в среднем на 30 (силы межатомной связи уменьшаются), но прочность и твердость резко возрастают. Отсутствие дислокации приводит к тому, что металлические стекла по прочности превосходят самые лучшие легированные стали. Высокая твердость определяет их великолепную износостойкость. Правда, пластичность аморфных сплавов низкая, что даже можно было ожидать, так как “носителями” пластичности являются дислокации. Все же металлические стекла не так хрупки - как обычное стекло. Их можно, например, прокатывать при комнатной температуре.

Другое важнейшее преимущество аморфных металлических сплавов - их исключительно высокая коррозионная стойкость. Во многих весьма агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Например, скорость коррозии аморфного сплава, содержащего железо, никель и хром, в растворе соляной кислоты практически равны нулю. Для сравнения можно сказать, что скорость коррозии “классического” коррозионностойкого сплава железа с никелем и хромом (знаменитая нержавеющая сталь, которую так и называют - “нержавейка”) в той же среде превышает 10мм/год. Основная причина такой высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов, по-видимому, состоит в том, что, не имея кристаллической решетки, они лишены и характерных “дефектов” кристаллов - дислокации и, главное, границ между зернами. Высокая плотность упаковки атомов в кристалле вблизи этих “дефектов” уменьшается столь резко, что вдоль них легко проникают в металл “вражеские агенты”. Важно, что бездефектная структура аморфного сплава передается той тонкой окисной пленке, которая образуется на его поверхности на начальных стадиях коррозионного процесса и в дальнейшем защищает металл от прямого контакта с “агрессором”.

Весьма интересным показалось и сочетание некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических. Выяснилось, что сплавы на основе ферромагнитных металлов (железа, никеля) в аморфном состоянии так же ферромагнитны.

Если вернуться сердечникам трансформаторов то будет видно, что замена обычной трансформаторной стали аморфным сплавом даст огромную экономию энергии. В США подсчитано, что потери на вихревые токи уменьшается при этом в 4 раза. Необычное сочетание магнитных и электрических свойств металлических стекол позволяет с большим эффектом использовать их и для других преобразователей тока, датчиков, сердечников и разного рода реле.

Количество компонентов в сплавах возрастает вместе с требованиями. Уже не редкость сплавы с десятком и более компонентов. Их составление - большое искусство, так как компоненты должны работать в гармонии и согласии. Недаром создателей новых сплавов металлурги называют композиторами.

Изготовить такие композиции в промышленности часто труднее, чем составить. У компонентов разные температуры плавления, химические свойства, плотность. Если при плавке еще удается управлять множеством процессов, используя вакуум или защитные атмосферы, флюсы, разделяя плавку на этапы, то при кристаллизации влиять на ход событий можно только режимом охлаждения. Здесь-то компоненты и проявляют свой характер. Одни упрямо не хотят растворяться в общей массе сплава и выделяются прослойками, другие жадно поглощают все загрязнения и примеси, образуя стойкие и вредные соединения, третьи кристаллизуются в слишком крупные или слишком мелкие зерна, нарушая структурную однородность сплава. И чем больше компонентов, тем больше подобных проблем.

Чтобы избавиться от трудностей, связанных с кристаллизацией, можно изготовить металл из смеси компонентов в виде частиц, гранул или волокон, спрессовав и сварив их в сплошную массу. Так возникла технология композитных металлов, а затем порошковая металлургия. Это была первая попытка начать революцию в металлургии, но она удалась лишь частично.

Порошковая металлургия и композиты занимают хотя и важную, но довольно ограниченную область в выпуске металлических изделий. Это, прежде всего производство твердых сплавов для инструмента, затем изготовление изделий из тугоплавких металлов - вольфрама, молибдена и других, плавление которых сопряжено с техническими трудностями, наконец, получение деталей с особой структурой - пористых, волокнистых, чешуйчатых.

Порошковая технология ограничена, прежде всего, стоимостью продукции, которая пока раз в десять выше, чем продукция, полученная традиционными металлургическими приемами. Кроме того, хотя при спекании происходит диффузия компонентов и протекают некоторые химические реакции, композиты все же обладают свойствами смеси, а не сплава.

Вторая попытка состоялась сравнительно недавно, когда новая наука - физика металлов - обнаружила, что теоретическая прочность металла на полтора-два порядка выше реальной. Оказалось, что низкая прочность металла объясняется дефектами кристаллической решетки. Количество дефектов в металле может быть соизмеримо с числом атомов, поэтому в расчетах используют плотность, или концентрацию дефектов в единице объема. Если эта величина близка к нулю, что соответствует идеальному кристаллу, то прочность такого кристалла близка к теоретической. С повышением концентрации дефектов прочность сначала стремительно снижается, а затем начинает снова возрастать, но значительно медленнее. Минимум обычно соответствует реальной прочности чистого металла. Примеси, легирующие добавки, деформация увеличивают концентрацию дефектов и повышают прочность материала.

Была поставлена задача получить бездефектные и достаточно крупные металлические монокристаллы. Однако она не решена до сих пор. Правда, удалось вырастить тонкие, в несколько десятков микрон, и длиной до полутора сантиметров почти бездефектные кристаллы некоторых металлов. Их прочность действительно оказалась во много раз выше обычной. Из таких “усов” были даже изготовлены высокопрочные композиты. Но дальше лабораторий дело пока не пошло: скорость роста “усов” оказалась слишком низкой, а потому цена - слишком высокой.

Третья попытка совершить революцию в металлургии делается сегодня.

Четверть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла, обнаружили, что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует, а расположение атомов характерно для бессструктурного, аморфного тела. Это не было неожиданностью: твердые аморфные тела - стекла получают путем переохлаждения жидкого расплава. Правда, для образования обычных стекол достаточно очень небольшой скорости охлаждения. Для металлов же, чтобы опеределить кристаллизацию, необходимы громадные скорости охлаждения - миллионы градусов в секунду. Такая скорость была достигнута, когда порции расплавленного металла выстреливали в воду, - получались частицы с аморфной, стеклообразной структурой.

Неожиданным оказалось другое: у аморфного металла совсем другие, не сходные свойства с металлом кристаллическим. Нет, металл остается металлом, со всеми характерными для него свойствами - блеском, электропроводностью и т.д. Но он становится в несколько раз прочнее, повышается стойкость к коррозии, меняются электоромагнитные характеристики и даже одна из самых устойчивых констант - модуль упругости. Но главное достоинство нового материала заключается в том, что в нем прекрасно соединяются, уживаются все необходимые компоненты. При сверхбыстром охлаждении сплав затвердевает, прежде чем компоненты- антагонисты успевают проявить свой антагонизм.

Аморфные сплавы получили название металлических стекол. Интерес к ним стремительно возрастает. Сейчас ставится задача не только получать сплавы с новыми свойствами, но и создавать их промышленную технологию. А здесь еще очень много нерешенных проблем. Первым из полученных металлических. стекол был сплав Аu--Si. Затем удалось получить в аморфном состоянии не только сплавы, но и, некоторые чистые металлы -- от Gе, Те и Вi до ярко выраженных А1, V, Сг, Fе, Ni и других. Для этого потребовались фантастические скорости охлаждения - до 10 10 К/с. Однако аморфное состояние металла оставалось не устойчивым - при нагреве начиналась кристаллизация. Необходимо было найти сплавы с разумными скоростями охлаждения и температурой, с устойчивой аморфной структурой.

На основании этих теоретических представлений металлурги составляют сейчас аморфные сплавы, получая превосходные практические результаты. Уже есть металлические стекла, у которых критическая скорость всего лишь 100 - 200 К/с, а температура стеклования в несколько раз меньше температуры плавления основного компонента. Таковы, например двойной сплав Pd80Si20, с двадцатипроцентной добавкой кремния сплавы Ni80P20, Fe80B20, Au81Si19 и многие другие. Нетрудно заметить, что общее содержание металлоидов во всех этих сплавах около 20 %. Какие же свойства металлических стекол особенно ценны для современной техники?

Прежде всего, исследователей заинтересовали ферромагнитные свойства сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Металлургия готовит для промышленности сотни тысяч тонн специальных электротехнических сталей и сплавов в виде тонкого листа. Из них 95 % составляют армкожелезо, динамные и трансформаторные стали. Из листа набираются сердечники электродвигателей и генераторов, трансформаторов и магнитопроводов. Материалы для сердечников электромашин называют магнитомягкими. Они должны обладать высокой магнитной проницаемостью, высокой индукцией насыщения, значительным удельным электросопротивлением. Это чрезвычайно важно для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи, для повышения к.п.д. электрических машин.

Трансформаторные и другие электротехнические стали - это сплав железа с кремнием. Причем больше 4 % кремния добавлять нельзя, но и при этом металл получается хрупким, плохо прокатывается, легко теряет столь необходимые магнитомягкие свойства. В результате потери в сердечниках обычно достигают 0,3-1 %, падает к.п.д. Правда, есть еще и более магнитомягкие материалы. Это пермаллои - сплавы на основе железа и никеля, которые применяются в магнитофонных головках и других точных приборах. Однако они в десятки раз дороже стали и тоже легко теряют свои свойства при обработке или перегреве. А магнитомягкие свойства металлических стекол оказались на уровне пермаллоев лучших марок, притом эти свойства более стойки и стабильны.

Поскольку ожидаемая стоимость промышленных металлических стекол даже ниже, чем электротехнической стали, то применение нового материала сулит громадные выгоды. У нас в стране производится в год около 1275. млрд. квт-ч электроэнергии. На своем пути до потребителя электрический ток не менее четырех раз проходит через электротехнические устройства -- генераторы, трансформаторы, электродвигатели. И везде потери. Если сократить их вдвое только в сердечниках, это составит экономию 20 млрд. квт-ч. А некоторые марки металлических стекол сокращают потери не в 2, а в 3--4 раза. Так что интерес к новым материалам понятен и оправдан. К этому необходимо еще добавить, что из-за более низкой, чем у сталей, электропроводности для металлических стекол частично или полностью к отпадает необходимость в изоляции пластин в пакетах сердечников. А это означает уменьшение габаритов и повыше-ние к.п.д. электрических машин.

Не менее привлекательны механические свойства металлических стекол. Аморфный металл в среднем в 5--7 раз прочнее своего кристаллического аналога. Например, сплав Fе80В20 имеет прочность на разрыв 370 кгс/мм 2 - в десять раз прочнее железа, вдвое прочнее лучших легированных сталей.

К недостаткам металлических стекол, как и всех стекол вообще, следует отнести их малую пластичность, а также характерное снижение прочности при увеличении скорости нагружения. И все же есть основания считать аморфные сплавы пластичными стеклами: их можно вырубать и резать на полосы в штампах, на полосы и проволоку, можно гнуть и сплетать, поэтому не трудно представить плетенные сетки из аморфного металла вместо арматуры в железобетонных плитах, прочнейшие волокнистые композиты, канаты и многие другие изделия, где уникальная прочность металлических стекол позволит сэкономить тысячи тонн металла.

Металлическое стекло, образованное сплавом (Zr 1-x Ti x) a1 ETM a2 (Cu 1- Ni y) b1 LTM b2 Be c , содержащим по крайней мере 50% аморфной фазы, где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащий ванадий, ниобий гафний и хром, причем атомное процентное содержание хрома не превышает 0,2 a1; LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий; x и y - атомные доли, значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение y - в интервале от 0 до 1; значение a2 не превышает 0,4a1; значение (a1+ a2) лежит в интервале 30 - 75; значение (b1+ b2) - в интервале от 5 до 62, значение b2 не превышает 25, значение c лежит в интервале от 2 до 47, при этом сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации менее чем 10 3 К/с. Техническим эффектом от реализации изобретения является повышение стойкости металлического стекла к кристаллизации. 6 с.п., 34 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 ил.

Изобретение относится к аморфным металлическим сплавам, обычно называемым металлическими стеклами, которые образуются при отверждении расплавов в процессе охлаждения сплава до температуры ниже температуры его стеклования, прежде чем произойдет значительное гомогенноe зародышеобразование и кристаллизация. В последние годы значительный интерес вызывают металлические сплавы, которые являются аморфными или стеклообразными при низких температурах. Обычные металлы и сплавы кристаллизуются при охлаждении их жидкой фазы. Однако было обнаружено, что некоторые металлы и сплавы при достаточно быстром охлаждении могут существовать в переохлажденном состоянии и сохраняться при комнатной температуре в виде чрезвычайно вязкой жидкости или стекла. Обычно при этом требуются скорости охлаждения порядка от 10 4 до 10 6 К/с. Для того чтобы достичь таких высоких скоростей охлаждения, очень тонкий слой (например, толщиной менее 100 мкм) или маленькие капли металла вводят в контакт с проводящей подложкой, температуру которой поддерживают на уровне комнатной. Небольшие размеры аморфного вещества являются следствием необходимости отобрать тепло с достаточно большой скоростью, чтобы подавить кристаллизацию. Таким образом, ранее разработанные аморфные сплавы были доступны лишь в виде тонких лент или пленок или же в виде порошков. Подобные ленты, пленки или порошки могут быть получены быстрым охлаждением расплава на вращающейся охлажденной подложке, формованием тонкой пленки отливкой на холодной подложке, перемещающейся под узлом соплом, или "охлаждением разбрызгиванием" капель между охлажденными подложками. Значительные усилия были затрачены на поиск аморфных сплавов, обладающих большей устойчивостью к кристаллизации, с тем чтобы можно было использовать менее критические скорости охлаждения. Если можно было бы подавить кристаллизацию при меньших скоростях охлаждения, то можно было бы получить более толстые образцы аморфных сплавов. При формировании аморфных металлических сплавов всегда приходится сталкиваться с трудноустранимой тенденцией переохлажденного расплава к кристаллизации. Кристаллизация происходит за счет зародышеобразования и роста кристаллов. Вообще говоря, переохлажденная жидкость кристаллизуется быстро. Для того чтобы получить твердый аморфный сплав, необходимо расплавить исходное вещество и охладить жидкость от температуры плавления T m до температуры ниже температуры стеклования T g , минуя кристаллизацию. На фиг. 1 схематично представлена диаграмма, на которой в логарифмической шкале показана зависимость температуры от времени. Указаны температура плавления T m и температура стеклования T g . Представленная типичная кривая "a" показывает начало кристаллизации как функцию времени и температуры. Для того чтобы получить твердое аморфное вещество, сплав необходимо охладить от температуры выше температуры плавления до температуры стеклования, не пересекая выступающую часть кривой кристаллизации. Приведенная кривая кристаллизации "a" в схематичном виде показывает начало кристаллизации некоторых ранее полученных сплавов, из которых были сформированы металлические стекла. Как правило, для этого требовались скорости охлаждения более 10 5 К/с, обычно порядка 10 6 К/с. Вторая кривая "b" на фиг. 1 представляет собой кривую кристаллизации для позднее разработанных металлических стекол. Требуемые скорости охлаждения для образования аморфных сплавов были снижены на один, два и даже три порядка, что является весьма существенным. Третья кривая кристаллизации "c" схематично указывает на величину дополнительных улучшений, которые становятся возможными при использовании настоящего изобретения. Выступающая часть кривой кристаллизации смещена на два или более порядков в сторону больших времен. Становятся возможными скорости охлаждения менее 10 2 К/с и предпочтительно менее 10 3 К/с. Были получены аморфные сплавы при такой низкой скорости охлаждения, как 2 или 3 К/с. Образование аморфного сплава составляет лишь часть проблемы. Желательно иметь возможность получать из аморфных материалов компоненты изделий сложной формы и трехмерные объекты с достаточно большими размерами. Для того чтобы получить аморфный сплав или связанный аморфный порошок и сформировать из них трехмерный объект, обладающий хорошей механической целостностью, необходимо, чтобы сплав можно было бы деформировать. Аморфные сплавы претерпевают значительные гомогенные деформации под действием приложенной нагрузки лишь в том случае, когда они нагреты до температуры, близкой или превышающей температуру стеклования. Вновь следует подчеркнуть, что в этом интервале температур обычно происходит быстрая кристаллизация. Таким образом, как следует из фиг. 1, если однажды сформированное аморфное твердое вещество вновь нагревают выше температуры стеклования, то может существовать очень небольшой промежуток времени, прежде чем сплав пересечет кривую кристаллизации. Для первых полученных аморфных сплавов кривая кристаллизации "a" пересекается в течение миллисекунд, и механическая формовка выше температуры стеклования практически невозможна. Даже для улучшенных сплавов время, в течение которого можно проводить обработку, все еще составляет порядка долей секунд или нескольких секунд. Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму температуры и вязкости в логарифмической шкале для аморфных сплавов в виде переохлажденных жидкостей в интервале от температуры плавления до температуры стеклования. Температурой стеклования обычно считается температура, при которой вязкость сплава составляет порядка 10 12 П. Жидкий сплав, с другой стороны, может иметь вязкость менее чем 1 П (вода при комнатной температуре имеет вязкость приблизительно 1 сП). Как видно из схематически представленной фиг. 2, вязкость аморфного сплава медленно уменьшается при низких температурах, затем быстро изменяется при температуре выше температуры стеклования. Повышение температуры всего на 5 o C способно привести к уменьшению вязкости на порядок. Чтобы деформации стали возможны при низких приложенных нагрузках, желательно уменьшить вязкость аморфного сплава до величины не более 10 5 П. Это означает, что необходимо нагреть вещество значительно выше температуры стеклования. Время обработки аморфного сплава (т.е. время, которое пройдет от момента нагрева выше температуры стеклования до момента пересечения с кривой кристаллизации на фиг. 1) предпочтительно составляет порядка нескольких секунд или более, так что имеется достаточно времени, чтобы нагреть, осуществить необходимые действия, обработать и охладить сплав, прежде чем произойдет заметная кристаллизация. Таким образом, для придания хорошей способности к изменению формы, необходимо, чтобы кривая кристаллизации была сдвинута вправо, т.е. в сторону больших времен. Стойкость металлического стекла к кристаллизации можно связать со скоростью охлаждения, необходимой для формирования стекла при охлаждении из сплава. Она является индикатором стабильности аморфной фазы при нагреве в процессе обработки выше температуры стеклования. Желательно, чтобы скорость охлаждения, необходимая для подавления кристаллизации, находилась в интервале от 1 до 10 3 К/с или даже меньше. По мере уменьшения критической скорости охлаждения остается больше времени для обработки, и могут быть получены образцы с большим сечением. Далее подобные сплавы можно нагреть до температуры, значительно превышающей температуру стеклования, при этом в течение времени, достаточного для проведения обработки в промышленных условиях, кристаллизация не наблюдается. Таким образом, в настоящем изобретении в соответствии с предпочтительным вариантом его осуществления заявляется класс сплавов, которые образуют металлическое стекло при охлаждении ниже температуры стеклования со скоростью охлаждения менее 10 2 К/с. Указанные сплавы содержат бериллий в диапазоне от 2 до 4 ат.% или в более узком диапазоне в зависимости от других элементов, входящих в состав сплава, и требуемой критической скорости охлаждения, и по крайней мере два переходных металла. Переходные металлы представляют собой по крайней мере один ранний переходный металл, который входит в состав сплава в количестве от 30 до 75 ат.%, и по крайней мере один поздний переходный металл, который входит в состав сплава в количестве от 5 до 62 ат.%, в зависимости от того, какие элементы составляют сплав. Ранние переходные металлы включают элементы 3, 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы, в том числе лантаниды и актиниды. Поздние переходные металлы включают элементы 7, 8, 9, 10 и 11 групп Периодической таблицы. Предпочтительная группа металлических стекол имеет формулу (Zr 1-x Ti x) a)Cu 1-y Ni y) b , Be c , где x и y обозначают атомные доли; а, b и с обозначают атомные проценты. В указанной формуле значения a, b и c частично зависят от пропорций циркония и титана. Так, если значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение х находится в интервале от 0,15 до 0,4, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение с лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение а лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, a значение с лежит в интервале от 2 до 30%, с тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%. Далее фрагмент (Zr 1-x Ti x) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей от 0 до 25% гафния, от 0 до 20% ниобия, от 0 до 15% иттрия, от 0 до 10% хрома, от 0 до 20% ванадия, от 0 до 5% молибдена, от 0 до 5% тантала, от 0 до 50 вольфрама и от 0 до 5% лантана, лантанидов, актиния и актинидов. Фрагмент (Cu 1-y Ni y) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей от 0 до 25% железа, от 0 до 25% кобальта, от 0 до 15% марганца и от 0 до 5% других металлов из групп 7 - 11. Бериллиевый фрагмент также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 15% алюминия, при этом содержание бериллия составляет по крайней мере 6%, до 5% кремния и до 5% бора. Содержание других элементов не должно превышать двух атомных процентов. Эти и другие особенности настоящего изобретения станут очевидными из следующего далее подробного описания, которое поясняется следующими чертежами, где на фиг. 1 схематично представлены кривые кристаллизации сплавов, являющихся аморфными или представляющими собой металлические стекла; на фиг. 2 схематично представлена вязкость аморфного стеклянного сплава; на фиг. 3 - диаграмма состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования в сплавах по настоящему изобретению; на фиг. 4 - диаграмма состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования для предпочтительной группы стеклообразующих сплавов, содержащих титан, медь, никель и бериллий; на фиг. 5 - диаграммa состояния квазитрехкомпонентной системы, на которой указана область стеклования для предпочтительной группы стеклообразующих сплавов, содержащих титан, цирконий, медь, никель и бериллий. Подробное описание изобретения

В контексте настоящего изобретения металлическим стеклом называется вещество, которое содержит, по крайней мере, 50 об.% стеклообразной или аморфной фазы. Способность образовывать стекло может быть установлена с применением метода охлаждения разбрызгиванием со скоростью охлаждения порядка 10 6 К/с. Чаще всего вещество, используемое по настоящему изобретению, содержит практически 100% аморфной фазы. Для сплавов, пригодных для изготовления деталей с размерами более 1 мкм, предпочтительны скорости охлаждения менее 10 3 К/с. Чтобы избежать кристаллизации, скорости охлаждения должны составлять от 1 до 100 К/с или менее. Приемлемые стеклообразующие сплавы можно идентифицировать по их способности образовывать при охлаждении слои с толщиной по крайней мере 1 мм. Подобную скорость охлаждения можно обеспечить при использовании широкого круга методик, таких как охлаждение сплавов разбрызгиванием в охлажденную медную пресс-форму для получения из аморфных веществ пластинок, лент или деталей с развитой поверхностью с размерами от 1 до 10 мм или более, или охлаждение разбрызгиванием в контейнер из кремния или стекла с целью получения стержней с примерным диаметром 15 мм и более. Для охлаждения стеклообразных сплавов могут использоваться обычные методы, такие как охлаждение разбрызгиванием для получения тонкой фольги, быстрое охлаждение расплава на одновалковой или двухвалковой мельнице, охлаждение расплава водой или формовка в планарном потоке для получения листов. Поскольку можно использовать низкие скорости охлаждения, а аморфная фаза устойчива после охлаждения, то могут применяться другие более экономичные способы изготовления деталей с развитой поверхностью или больших образцов, которые можно деформировать для получения деталей с развитой поверхностью, таких как отливка прутков или чушек, отливка в форму, прессование порошка металла и т.п. Аморфный сплав в виде быстро отвержденного порошка можно получить также по способу распыления, в котором жидкость разбивается на капли. Примерами являются струйное распыление и газовое распыление. Если капли жидкости вступают в контакт с холодной электропроводящей подложкой, обладающей высокой теплопроводностью, или попадают в инертную жидкость, то могут быть получены гранулированные вещества с размерами частиц до 1 мм, содержащие по крайней мере 50% аморфной фазы. Получение указанных веществ преимущественно осуществляют в инертной атмосфере или в вакууме, поскольку многие из этих веществ обладают высокой реакционноспособностью. В соответствии с настоящим изобретением идентифицирован ряд новых стеклообразующих сплавов. Интервал композиций сплавов, пригодных для получения стеклообразных или аморфных веществ, может быть установлен несколькими способами. Некоторые композиции формируют металлические стекла при относительно больших скоростях охлаждения, в то время как предпочтительные композиции образуют металлические стекла при сравнительно низких скоростях охлаждения. Хотя интервалы композиций сплавов определяются в соответствии с диаграммами состояния трехкомпонентной или квазитрехкомпонентной системы, такими как диаграммы, приведенные на фиг. 3 - 5, границы существования сплава могут несколько варьировать, поскольку вводятся новые материалы. Границы охватывают сплавы, которые образуют металлическое стекло при охлаждении от температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью менее приблизительно 10 6 К/с, преимущественно менее 10 3 К/с, а часто со значительно меньшими скоростями, наиболее предпочтительно со скоростью менее 100 К/с. Вообще говоря, приемлемые стеклообразующие сплавы содержат по крайней мере один ранний переходный металл, по крайней мере один поздний переходный металл и берилий. Хорошее стеклование может наблюдаться к некоторых трехкомпонентных берилиевых сплавов. Однако еще лучше стеклование, т.е. стеклование при низких критических скоростях охлаждения, позволяющих избежать кристаллизации, может наблюдаться у четырехкомпонентных сплавов, содержащих по крайней мере три переходных металла. Еще более низкие критические скорости наблюдаются у пятикомпонентных сплавов, в частности, содержащих по крайней мере два ранних переходных металла и по крайней мере два поздних переходных металла. Общим свойством широкого круга металлических стекол является то, что сплавы содержат от 2 до 47 ат.% бериллия. (Если специально не оговаривается, процентные составы, приведенные здесь, обозначают атомные проценты). Содержание бериллия преимущественно составляет приблизительно от 0 до 35% в зависимости от других присутствующих в сплаве металлов. Широкий интервал содержания бериллия (от 6 до 47% иллюстрируется диаграммой состояния трехкомпонентной или квазитрехкомпонентной систем, приведенной на фиг. 3, для состава стекла, в котором ранним переходным металлом является цирконий и/или цирконий, содержащий сравнительно небольшое количество титана, в частности 5%. Вторая вершина диаграммы состояний трехкомпонентной системы, приведенной на фиг. 3, представляет собой ранний переходный металл (ЕТМ) или смесь ранних переходных металлов. В соответствии с настоящим изобретением ранний переходный металл включает металл 3, 4, 5 и 6 групп Периодической таблицы, в том числе лантениды и актиниды. Ранее принятое обозначение для этих групп по классификации Международного союза чистой и прикладной химии было IIIA, IVA, VA и VIA. Содержание раннего переходного металла составляет от 30 до 75 ат. %. Содержание раннего переходного металла преимущественно составляет от 40 до 67%. Третью вершину диаграммы состояния трехкомпонентной системы образует поздний переходный металл (LTM) или смесь поздних переходных металлов. В соответствии с настоящим изобретением, поздний переходный металл включает металл 7, 8, 9, 10 и 11 групп Периодической таблицы, в том числе лантаниды и актиниды. Ранее принятое обозначение для этих групп по классификации Международного союза чистой и прикладной химии было VIIA, VIIIA и IB. Получают стеклообразные сплавы, в которых содержание позднего переходного металла в трехкомпонентных или более сложных сплавах составляет от 5 до 62 ат.%. Содержание позднего переходного металла преимущественно составляет от 10 до 48%. Многие составы трехкомпонентных сплавов с по крайней мере одним ранним переходным металлом и по крайней мере одним поздним переходным металлом, содержание бериллия в которых составляет от 2 до 47 ат.%, образуют хорошие стекла при охлаждении с приемлемой скоростью охлаждения. Содержание раннего переходного металла составляет от 30 до 75%, а содержание позднего переходного металла составляет от 5 до 62%. На фиг. 3 на диаграмме состояния трехкомпонентной системы показана меньшая шестиугольная фигура, обозначающая границы предпочтительных композиций сплава, для которых скорость охлаждения при формировании стекла составляет меньше чем 10 3 К/с, а многие из них имеют критические скорости охлаждения меньше 100 К/с. На указанной тройной диаграмме состояния ЕТМ обозначает ранние переходные металлы, приведенные выше, а LTM обозначает поздние переходные металлы. Диаграмму можно рассматривать как квазитройную, поскольку многие из стеклообразующих композиций включают по крайней мере три переходных металла и могут быть четырехкомпонентными или иметь более сложный состав. Площадь большего шестиугольника, как это показано на фиг.3, обозначает область стеклообразования для сплава, имеющего несколько большую критическую скорость охлаждения. Эти площади ограничены интервалами композиций для сплавов, имеющих формулу

(Zr 1-x Ti x) a1 ETM a2 (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c . В приведенной формуле x и y обозначают атомные доли, а a1, a2, b1, b2 и c обозначают атомные проценты. ETM обозначает по крайней мере один дополнительный ранний переходный металл. LTM обозначает по крайней мере один дополнительный поздний переходный металл. В приведенном примере количество другого раннего переходного металла составляет от 0 до 0,4 от общего количества циркония и титана, а значение x лежит в интервале от 0 до 0,15. Общее содержание раннего переходного металла, в том числе циркония и/или титана, составляет от 30 до 70 ат.%. Общее содержание позднего переходного металла, в том числе меди и никеля, составляет от 5 до 62%. Количество бериллия составляет от 6 до 47%. Внутри шестиугольника с меньшей площадью, изображенного на фиг. 3, находятся сплавы, имеющие низкие критические скорости охлаждения. Подобные сплавы содержат по крайней мере один ранний переходный металл, по крайней мере один поздний переходный металл и от 10 до 35% бериллия. Общее содержание раннего переходного металла составляет от 40 до 67%, а общее содержание позднего переходного металла составляет от 10 до 48%. Если в состав сплава в качестве единственных поздних переходных металлов входят медь и никель, то содержание никеля предпочтительно должно быть ограничено. Так, если b2 равно 0 (т.е. если нет другого позднего переходного металла) и помимо циркония и/или титана присутствует какой-либо ранний переходный металл, то пропорции никеля и меди предпочтительно должны быть приблизительно равными. Это желательно, поскольку другие ранние переходные металлы труднорастворимы в меди и дополнительное количество никеля способствует растворимости таких элементов, как ванадий, ниобий и т.п. Если содержание другого раннего переходного металла низкое или же цирконий и титан являются единственными ранними переходными металлами, то содержание никеля в композиции предпочтительно составляет приблизительно от 5 до 15%. Это можно установить из стехиометрической формулы, в которой b.y составляет от 5 до 15. Предыдущие исследования касались двух- или трехкомпонентных сплавов, которые образуют металлическое стекло при сравнительно больших скоростях охлаждения. Было показано, что четырехкомпонентные, пятикомпонентные и более сложные сплавы, содержащие по крайней мере три переходных металла и бериллий, образуют металлические стекла при значительно меньших критических скоростях охлаждения, чем ранее считалось возможным. Было также показано, что при соответствующем содержании бериллия трехкомпонентные сплавы, содержащие по крайней мере один ранний переходный металл и по крайней мере один поздний переходный металл, образуют металлические стекла при более низких критических скоростях охлаждения, чем ранее полученные сплавы. Помимо переходных металлов, указанных выше, металлические стекла могут содержать до 20 ат.% алюминия, при этом содержание бериллия остается выше шести процентов, до двух атомных процентов кремния и до пяти атомных процентов бора, а в некоторых сплавах до пяти атомных процентов других элементов, таких как висмут, магний, германий, фосфор, углерод, кислород и т.д. Доля других элементов в стеклообразующем сплаве преимущественно составляет менее 2%. Предпочтительные пропорции других элементов составляют от 0 до 15% алюминия, от 0 до 2% бора и от 0 до 2% кремния. Для того чтобы обеспечить низкие скорости охлаждения и относительно длительное время обработки, содержание бериллия в вышеуказанных металлических стеклах должно предпочтительно составлять по крайней мере 10%. Ранние переходные металлы выбирают из группы, включающей цирконий, гафний, титан, ванадий, ниобий, хром, иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, молибден, тантал и вольфрам в порядке убывания их предпочтения. Поздние переходные металлы выбирают из группы, включающeй никель, медь, железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий в порядке убывания их предпочтения. Наиболее предпочтительную группу составляют такие ранние переходные металлы, как цирконий, гафний, титан, ниобий и хром (до 20% составляет общее содержание циркония и титана), и такие поздние переходные металлы, как никель, медь, железо, кобальт и марганец. Самые низкие критические скорости охлаждения наблюдаются для сплавов, содержащих ранние переходные металлы, выбранные из группы, включающей цирконий, гафний и титан, и поздние переходные металлы, выбранные из группы, включающей никель, медь, железо и кобальт. Предпочтительная группа металлических стекол имеет формулу (Zr 1-x Ti x) a (Cu 1-y Ni y) b Be c , где х и y обозначают атомные доли, а "a", "b" и "c" обозначают атомные проценты. В указанной композиции x лежит в интервале от 0 до 1, а значение y лежит в интервале от 0 до 1. Значение a, b и c в некоторой степени зависят от величины x. Когда значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение x находится в интервале от 0,15 до 0,4%, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, а значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 30%, с тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%. На фиг. 4 и 5 показаны области стеклования для двух примерных композиций в системе (Zr, Ti) (Cu, Ni)Be. Например, на фиг. 4 приведена диаграмма состояния для квазитрехкомпонентной системы, где х = 1, т.е. титан-бериллиевой системы, в которой третью вершину диаграмм состояния трехкомпонентной системы образуют медь и никель. Большая площадь на фиг. 4 ограничивает область стеклования, как указано выше в числовом выражении, для системы Ti (Cu, Ni)Be. Составы внутри большей области образуют стекла при охлаждении от температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования. Предпочтительные сплавы указаны двумя более маленькими областями. Сплавы, состав которых попадает в этот диапазон, имеют наиболее низкие критические скорости охлаждения. Аналогично на фиг. 5 показан шестиугольник большей площади, соответствующий композициям, в которых x = 0,5. Металлические стекла образованы при охлаждении сплавов, состав которых находится внутри площади шестиугольника. Далее фрагмент (Zr 1-x Ti x) в указанных композициях может содержать металл, выбранный из группы, включающей до 25% гафния, до 20% ниобия, до 15% иттрия, до 10% хрома, до 20% ванадия, причем эти значения даны для всей композиции сплава, а не только для фрагмента (Zr 1-x Ti x). Другими словами, указанные ранние переходные металлы могут замещать цирконий и/или титан, при этом фрагмент сохраняется, как это описано ранее, а содержание замещающего элемента приведены в процентном отношении ко всему сплаву. При соответствующих обстоятельствах может также включаться до 10% металла, выбранного из группы, содержащей молибден, тантал, вольфрам, лантан, лантаниды, актиний и актиниды. Если требуется получить плотный сплав, то могут, например, включаться тантал или уран. Фрагмент (Cu 1-y Ni y) также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 25% железа, до 25% кобальта и до 15% марганца, причем эти значения даны для всей композиции сплава, а не только для фрагмента (Cu 1-y Ni y). Может включаться до 10% других металлов из групп 7 - 11, однако они слишком дороги для сплавов, рассчитанных на промышленный выпуск. Некоторые из драгоценных металлов могут добавляться с целью придания антикоррозионных свойств, хотя устойчивость к коррозии металлических стекол обычно хорошая по сравнению с устойчивостью к коррозии этих же сплавов в кристаллической форме. Бериллиевый фрагмент также может содержать дополнительный металл, выбранный из группы, включающей до 15% алюминия, при этом содержание беррилия составляет по крайней мере 0%, кремния до 5% и бора до 5% от состава всего сплава, предпочтительное содержание бериллия в сплаве составляет по крайней мере 10 ат.%. Вообще говоря, в стеклообразном сплаве допускается от 5 до 10% любого переходного металла. Следует также отметить, что стеклообразный сплав может выдержать присутствие значительных количеств веществ, которые могут считаться случайными или примесными. Например, в металлическом стекле может растворяться без заметного смещения кривой кристаллизации значительное количество кислорода. Другие случайные элементы, такие как германий, фосфор, углерод, азот или кислород могут присутствовать с общим количеством приблизительно менее пяти атомных процентов и предпочтительно с общим количеством приблизительно менее одного атомного процента. Допустимо также небольшое количество щелочных металлов, щелочноземельных металлов или тяжелых металлов. Существуют разные способы для выражения состава, который является хорошим для стеклообразующих сплавов. Они включают формулы для составов, в которых пропорции различных элементов выражены в алгебраической форме. Пропорции являются взаимозависимыми, поскольку высокие пропорции некоторых элементов, которые легко промотируют сохранение стеклообразной фазы, могут преодолеть влияние других элементов, которые способны промотировать кристаллизацию. Важное влияние может оказать также присутствие других элементов помимо переходных металлов и бериллия. Мы полагаем, что кислород в количестве, которое превосходит растворимость кислорода в твердом сплаве, способен промотировать кристаллизацию. Как мы полагаем, именно в этом заключается причина того, что особенно хорошие стеклообразующие сплавы включают значительные количества циркония, титана или гафния (гафний в заметной степени взаимозаменяем с цирконием). Цирконий, титан и гафний в твердом состоянии хорошо растворяют кислород. Промышленный бериллий содержит или взаимодействует со значительным количеством кислорода. В отсутствие циркония, титана или гафния кислород может образовывать нерастворимые оксиды, которые являются центрами гетерогенной кристаллизации. Это следует из испытаний некоторых трехкомпонентных сплавов, которые не содержат цирконий, титан или гафний. Внешний вид образцов, полученных разбрызгиванием при охлаждении, которые не образуют аморфных твердых веществ, заставляет предположить наличие высадившихся оксидных фаз. Некоторые элементы, входящие в состав композиции в небольших пропорциях, могут влиять на свойства стекла. Хром, железо и ванадий повышают прочность. Однако содержание хрома должно составлять не более приблизительно 20%, а предпочтительно менее 15% от общего количества циркония, гафния или титана. Для цирконий-, гафний- и титансодержащих сплавов в общем случае является предпочтительным, чтобы атомная фракция титана во фрагменте сплава, содержащем ранний переходный металл, составляла менее 0,7. Не все ранние переходные металлы одинаково желательны в составе композиции. Наиболее предпочтительными ранними переходами металлами являются цирконий и титан. Следующими в ряду предпочтения ранними переходными металлами являются ванадий, ниобий и гафний. Следующий порядок предпочтения составляют иттрий и хром, при этом содержание хрома ограничено, как указано ранее. В ограниченных количествах могут также включаться лантан, актиний и лантаниды и актиниды. Последними из предпочтительных ранних переходных металлов являются молибден, тантал и вольфрам, хотя в некоторых случаях они могут оказаться желательными. Например, вольфрам и тантал могут быть полезными в металлических стеклах с относительно большой плотностью. Из поздних переходных металлов наиболее предпочтительны медь и никель. В некоторых композициях особенно желательно присутствие железа. Следующий ряд предпочтения из поздних переходных металлов составляют кобальт и марганец. Некоторые композиции предпочтительно не должны содержать серебро. Кремний, германий, бор и алюминий можно рассматривать как компоненты бериллиевого фрагмента сплава, и в его состав могут входить любые из них. Если присутствует алюминий, то содержание бериллия должно составлять по крайней мере 6%. Содержание алюминия предпочтительно должно составлять менее 20%, а еще более предпочтительно менее 15%. Наиболее предпочтительные композиции содержат смесь меди и никеля приблизительно в равных пропорциях. Таким образом, предпочтительная композиция содержит цирконий и/или титан, бериллий и смесь меди и никеля, при этом количество меди, например, составляет от 35 до 65% от общего количества меди и никеля. Далее приводятся выражения для формул стеклообразующих композиций различного размера и состава. Подобные сплавы могут быть получены в виде металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, при охлаждении сплава от температуры выше температуры плавления, минуя температуру стеклования с достаточной скоростью, чтобы избежать образования более чем 50% кристаллической фазы. В каждой из приводимых далее формул x и y обозначают атомные фракции. Подстрочные знаки a, a1, b, b1, c и т.д. обозначают атомные проценты. Примерные стеклообразующие сплавы имеют формулу

(Zr 1-x Ti x) al ETM a2 (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c

Где ранние переходные металла включают Y, Nb, Hf и Cr,

При этом содержание хрома составляет из них не более 20%. Поздними переходными металлами преимущественно являются Fe, Co, Mn, Ru, Ag и/или Pd. Количество другого раннего переходного металла составляет до 40% от количества фрагмента (Zr 1-x Ti x). Когда значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, значение (a1+a2) составляет от 30 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 6 до 47%. Когда значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, значение (a1+a2) составляет от 30 до 75%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 47%,

Преимущественно значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 40%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 35%. Когда значение x составляет более 0,4, то количество другого раннего переходного металла может составлять до 40% от количества циркониевого и титанового фрагмента. Затем, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 47%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 42%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, значение (a1+a2) составляет от 35 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 62%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 30%. В указанных сплавах существует ограничение, заключающееся в том, что для значения x от 0,8 до 1, значение 3c не превышает (100-b1-b2), когда значение (b1+b2) составляет от 10 до 49%. Предпочтительно, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 48%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 35%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение (a1+a2) составляет от 40 до 67%, значение (b1+b2) составляет от 10 до 48%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 10 до 30%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1 либо значение (a1+a2) составляет от 38 до 55%, значение (b1+b2) составляет от 35 до 60%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 2 до 15% либо значение (a1+a2) составляет от 65 до 75%, значение (b1+b2) составляет от 5 до 15%, значение b2 составляет от 0 до 25%, а значение c составляет от 17 до 20%. Стеклообразующая композиция преимущественно представляет собой сплав ZrTiCuNiBe, имеющий формулу

(Zr 1-x Ti x) a (Cu 1-y Ni y)Be c ,

Где значение y находится в интервале от 0 до 1,

А значение x находится в интервале от 0 до 0,4. Когда значение x находится в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 6 до 47%. Если значение x находится в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Предпочтительно значение a лежит в интервале от 40 до 67%, значение b лежит в интервале от 10 до 35%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%. Например, хорошей стеклообразующей композицией является Zr 34 Ti 11 Cu 32,5 Ni 10 Be 12,5 . Если слегка отступить от приведенных пределов, то могут быть получены эквивалентные стеклообразующие сплавы. Когда значение x в приведенной выше формуле находится в интервале от 0,4 до 0,6, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 47%. Когда значение x находится в интервале от 0,6 до 0,8, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 42%. Когда значение x находится в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 35 до 75%, значение b лежит в интервале от 5 до 62%, а значение c лежит в интервале от 2 до 30%, c тем ограничением, что значение 3c не превышает (100-b), когда значение b лежит в интервале от 10 до 49%. Предпочтительно, когда значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, значение a составляет от 40 до 67%, значение b составляет от 10 до 48%, значение c составляет от 10 до 35%. Когда значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, значение a составляет от 40 до 67%, значение b составляет от 10 до 48%, а значение c составляет от 10 до 30%. Когда значение x лежит в интервале от 0,8 до 1 либо значение a составляет от 38 до 55%, значение b составляет от 35 до 60%, а значение c составляет от 2 до 15%, либо значение a составляет от 65 до 75%, значение b составляет от 5 до 15%, а значение c составляет от 17 до 27%. В наиболее предпочтительном интервале составов композиций фрагмент (Zr 1-x Ti x) может включать до 15% гафния, до 15% ниобия, до 10% иттрия, до 7% хрома, до 10% ванадия, до 5% молибдена, тантала или вольфрама, до 5% лантана, лантанидов, актиния и актинидов. Фрагмент (Cu 1-y Ni y) может также включать до 15% железа, до 10% кобальта, до 10% марганца, до 5% другого металла из групп 7 - 11. Бериллиевый фрагмент может также включать до 15% алюминия, до 5% кремния и до 5% бора. Общее содержание случайных элементов преимущественно составляет менее 1 ат.%. Некоторые из стеклообразующих сплавов можно выразить формулой

((Zr, Hf, Ti) x ETM 1-x) a (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c ,

Где атомная доля титана во фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7, а значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, значение a лежит в интервале от 30 до 75%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 5 до 57%, а значение c лежит в интервале от 6 до 45%. Предпочтительно значение а лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2) лежит в интервале от 10 до 48%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%. Иначе формулу можно выразить в виде

((Zr, Hf, Ti) x ETM 1-x) a)Cu b1 Ni b2 LTM b3 Be c ,

Где значение x лежит в интервале от 0,5 до 0,8. Если ETM обозначает иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, то значение а лежит в интервале от 30 до 75%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 6 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до 50%, а значение c лежит в интервале от 6 до 45%. Если ETM обозначает хром, тантал, молибден или вольфрам, то значение а лежит в интервале от 30 до 60%, значение (b1 + b2 +b3) лежит в интервале от 10 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 10 до 45%. Если ETM выбирают из группы, включающей ванадий и ниобий, то значение а лежит в интервале от 30 до 65%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 10 до 50%, значение b3 лежит в интервале от 10 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x (b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 10 до 45%. Предпочтительно, когда ETM обозначает иттрий, неодим, гадолиний и другие редкоземельные элементы, значение а лежит в интервале от 40 до 67%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 10 до 38%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до 38%, а значение c лежит в интервале от 10 до 35%. Если ETM обозначает хром, тантал, молибден или вольфрам, то значение а лежит в интервале от 35 до 50%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 15 до 35%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение b1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 15 до 35%. Если ETM обозначает ванадий и ниобий, то значение а лежит в интервале от 35 до 55%, значение (b1 + b2 + b3) лежит в интервале от 15 до 35%, значение b3 лежит в интервале от 0 до 25%, значение 1 лежит в интервале от 0 до x(b1 + b2 + b3)/2, а значение c лежит в интервале от 15 до 35%. На фиг. 4 и 5 показаны шестиугольники с несколько меньшей площадью, которые представляют предпочтительные стеклообразующие композиции, т.е. композиции, в которых x = 1 и x = 0,5 соответственно. Эти области представляют собой шестиугольники меньшей площади на диаграмме состояния квазитрехкомпонентной системы. Следует отметить, что на фиг. 4 обозначены два шестиугольника с относительно меньшей площадью для предпочтительных композиций стеклообразующих сплавов. Для обеих указанных предпочтительных областей существования композиции наблюдаются очень низкие критические скорости охлаждения. В качестве примера очень хорошая стеклоообразующая композиция имеет приблизительную формулу

(Zr 0,75 Ni 0,25) 55 (Cu 0,36 Ni 0,64) 22,5 Be 22,5 . Образец этого вещества охлаждали в трубе из плавленого кварца с диаметром 15 мм, которую погружали в воду и получали полностью аморфный слиток. Скорость охлаждения от температуры плавления, минуя температуру стеклования, оценивается величиной приблизительно два - три градуса в секунду. Среди разнообразных комбинаций веществ, которые попадают в указанные рамки, могут быть необычные смеси металлов, которые не образуют по крайней мере 50% стеклянной фазы при скоростях охлаждения менее приблизительно 10 6 К/с. Подходящие комбинации могут быть легко идентифицированы путем простого плавления с использованием соответствующего способа нагрева, охлаждения при разбрызгивании и проверки аморфности образца. Предпочтительные композиции легко интенсифицируются при низких критических скоростях охлаждения. Аморфную природу металлических стекол легко установить с помощью ряда хорошо известных методов. На рентгенограммах полностью аморфных образцов наблюдаются широкие диффузные максимумы рассеивания. Если кристаллическое вещество присутствует совместно со стеклянной фазой, то можно наблюдать относительно острые пики брэгговской дифракции, соответствующие кристаллическому веществу. Относительные интенсивности, соответствующие острым пикам Брэгга, можно сравнить с интенсивностями, соответствующими диффузным максимумам, и оценить содержание аморфной фазы. Содержание аморфной фазы можно также оценить методом дифференциального термического анализа. Сравнивают энтальпию при нагревании образца с целью инициировать кристаллизацию аморфной фазы с энтальпией кристаллизации полностью стеклообразного вещества. Отношение этих величин определяет молярную фракцию стеклообразного вещества в исходном образце. Для определения фракции стеклообразного вещества можно также применять метод электронной микроскопии на просвет. В методе электронной микроскопии стеклообразное вещество проявляет маленький контраст и может быть идентифицировано по своему относительно лишенному характерных черт изображению. Кристаллическое вещество обладает значительно большим контрастом и его легко отличить. Для подтверждения наличия обнаруженной фазы можно затем использовать дифракцию электродов. Объемную фракцию аморфного вещества в образце можно оценить при анализе изображений, наблюдаемых при использовании метода электронной микроскопии на просвет. Металлические стекла, образуемые сплавами по настоящему изобретению, обычно проявляют значительную пластичность на изгиб. Фольга, полученная при охлаждении разбрызгиванием, проявляется пластичностью на изгибе в интервале от 90 до 180 o . В области предпочтительных составов полностью аморфные ленты толщиной 1 мм проявляют пластичность на изгиб и их также можно прокатать приблизительно до 1/3 от первоначальной толщины без образования макроскопических трещин. Подобные прокатанные образцы все еще можно согнуть под углом 90 o . Аморфные сплавы по настоящему изобретению обладают высокой твердостью. Высокие значения величины твердости по Виккерсу свидетельствуют о высокой прочности. Поскольку многие из предпочтительных сплавов обладают относительно низкой плотностью, составляющей от 5 до 7 г/см 3 , то сплавы обладают высоким отношением прочности к весу. Однако, если необходима большая плотность, то в композиции могут быть включены тяжелые металлы, такие как вольфрам, тантал или уран. Например, металлическое стекло с большой плотностью может быть получено из сплава с общим составом (TaWHf)NiBe. Желательно, чтобы в предпочтительных составах содержалось заметное количество ванадия и хрома, поскольку в этом случае сплавы проявляют большую прочность, чем сплавы, не содержащие ванадия и хрома. Примеры. Ниже приводится табл. 1 сплавов, которые можно отлить в виде полосок толщиной 1 мм, содержащих более 50% аморфной фазы. В табл. 1 для многих сплавов представлены также их свойства, в том числе температура стеклования Tg, выраженная в градусах Цельсия. В колонке, обозначенной Tx, приведена температура, при которой начинается кристаллизация в процессе нагревания аморфного сплава выше температуры стеклования. Применяемым методом измерения является дифференциальный технический анализ. Образец аморфного сплава нагревают выше температуры стеклования со скоростью 20 o C в 1 мин. Регистрируют температуру, при которой изменение энтальпии указывает на начало кристаллизации. Образцы нагревают в инертной газовой среде, однако его чистота соответствует чистоте промышленного инертного газа, а он содержит немного кислорода. Вследствие этого поверхность образцов слегка подкисляется. Нами показано, что существует более высокая температура, при которой образец имеет чистую поверхность, так что наблюдается не гетерогенное, а гомогенное зародышеобразование. Таким образом, вероятность гомогенной кристаллизации может быть на самом деле выше, чем установлено в указанных тестах для образцов, не содержащих оксидов на поверхности. В колонке, обозначенной через T, указана разница между температурой кристаллизации и температурой стеклования, обе из которых определяют методом дифференциального термического анализа. Вообще говоря, более высокие значения T указывают на меньшую критическую скорость охлаждения для формирования аморфного сплава. Оно также указывает на то, что имеется большее количество времени для обработки аморфного сплава при температуре выше температуры стеклования. Величина T, превышающая 100 o C, указывает на особенно хороший стеклообразующий сплав. Последняя колонка табл. 1, обозначенная через Hv, показывает твердость по Виккерсу аморфной композиции. Вообще говоря, более высокие значения твердости свидетельствуют о большей прочности металлического стекла. В приведенной далее табл. 2 представлен ряд составов, которые, как установлено, являются аморфными при отливке в виде слоя толщиной 5 мм. В табл. 3 приведен ряд композиций, которые, как установлено, содержат более 50% аморфной фазы, а обычно 100% аморфной фазы, при охлаждении разбрызгиванием с образованием фольги толщиной приблизительно 30 мкм. Здесь рассмотрен ряд классов и примеров составов стеклообразующих сплавов, имеющих низкие критические скорости охлаждения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что приведенные границы областей стеклования являются приблизительными и композиции, состав которых несколько выходит за эти точные границы, могут быть хорошими стеклообразующими веществами, а композиции, состав которых приблизительно попадает в указанные границы, может не являться стеклообразующим веществом при скоростях охлаждения менее 1000 К/с. Таким образом, в пределах объема притязаний, указанного в формуле изобретения, настоящее изобретение можно осуществлять с некоторыми отклонениями от приведенных точных составов композиций.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее 10 3 К/с, и стекло образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

Бериллий - Остальное

2. Стекло по п. 1, отличающееся тем, что оно образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

(Zr 1-x Ti x) a1 ETM a2 (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c1 ,

Где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, гафний и хром, причем атомное процентное содержание хрома не превышает 0,2 a1;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий;

X и y - атомные доли;

A1, a2, b1, b2 и c - атомные проценты;

Значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение y лежит в интервале от 0 до 1; значение a2 не превышает 0,4a1; значение (a1+a2) лежит в интервале 30 - 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 3. Стекло по п. 2, отличающееся тем, что если значение b1+b2 лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b1-b2). 4. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 6 до 47. 5. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение с лежит в интервале от 2 до 47. 6. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 7. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 42. 8. Стекло по п. 2 или 3, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 30. 9. Стекло по любому из пп. 2 - 8, отличающееся тем, что значение (a1+a2) лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 10 до 35. 10. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10 3 К/с, и образовано из сплава, дополнительно содержащего по меньшей мере металл, выбранный из группы, содержащей цирконий, титан и гафний, и по меньшей мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

((Zr, Hf, Ti) x)ETM 1-x a (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c ,

X и y - атомные доли;

При этом атомная доля титана в фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7, значение x лежит в интервале от 0,8 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 57; значение c лежит в интервале от 6 до 45. 11. Стекло по п. 10, отличающееся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2)лежит в интервале от 10 до 48, значение c лежит в интервале от 10 до 35. 12. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и охлаждение его от температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10 3 К/с, и изготавливают сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей цирконий и титан - 30 - 75

По крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель - 5 - 62

Бериллий - Остальное

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что изготовляют сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

(Zr 1-x Ti x) a1 ETM a2 (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c ,

Где x и y - атомные доли;

A1, a2, b1, b2 и c - атомные проценты;

ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, гафний и хром, причем атомное процентное содержание хрома не превышает 0,2a1;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий; значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение y лежит в интервале от 0 до 1; значение a2 не превышает 0,4a1; значение (a1+a2) лежит в интервале 30 - 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что если значение b1+b2 лежит в интервале от 10 до 49, то значение 3c не превышают (100-b1-b2). 15. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 6 до 47. 16. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 17. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 18. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 35 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 42. 19. Способ по п. 13 или 14, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение (a1+a2) лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 62; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 2 до 30. 20. Способ по любому из пп. 13 - 19, отличающийся тем, что значение (a1+a2) лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение b2 не превышает 25; значение c лежит в интервале от 10 до 35. 21. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и по меньшей мере один металл из группы, содержащей гафний, цирконий и титан, и охлаждение его температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10 3 К/с и изготавливают сплав, дополнительно включающий по меньшей мере один переходный металл, выбранный из группы, содержащей ETM и LTM при следующем соотношении компонентов:

((Zr, Hf, Ti) x)ETM 1-x) a (Cu 1-y Ni y) b1 LTM b2 Be c ,

Где ETM - ранний переходный металл, выбранный из группы, содержащей ванадий, ниобий, иттрий, неодим, гадолиний и другие РЗМ, хром, молибден, тантал и вольфрам;

LTM - поздний переходный металл, выбранный из группы, содержащей никель, медь, железо, кобальт, марганец, рутений, серебро и палладий;

X и y - атомные доли;

A, b1, b2 и c - атомные проценты,

При этом атомная доля титана в фрагменте ((Hf, Zr, Ti)ETM) составляет менее 0,7; значение x лежит в интервале от 0,8 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение (b1+b2) лежит в интервале от 5 до 57; значение c лежит в интервале от 6 до 45. 22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение (b1+b2) лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35. 23. Металлическое стекло, образованное сплавом, содержащим бериллий, отличающееся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10 3 К/с и стекло образовано сплавом, дополнительно содержащим по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов:

(Zr 1-x Ti x) a (Cu 1-y Ni y)) b Be c ,

Где x и y - атомные доли;

A, b и c - атомные проценты,

При этом значение y лежит в интервале от 0 до 1 и где значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 24. Стекло по п. 23, отличающееся тем, что если значение b лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b). 25. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 6 до 47. 26. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 27. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 28. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 42. 29. Стекло по п. 23 или 24, отличающееся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 30. 30. Стекло по любому из пп. 23 - 29, отличающееся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение b лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35. 31. Стекло по любому из пп. 23 - 30, отличающееся тем, что фрагмент (Zr 1-x Ti x) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат. %: гафний - до 25, ниобий - до 20, иттрий - до 15, хром - до 10, ванадий - до 20, молибден - до 5, тантал - до 5, вольфрам - до 5, и лантан, лантаниды, актиний и актиниды - до 5; фрагмент (Cu 1-y Ni y) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей ат.%: железо - до 25, кобальт - до 25, марганец - до 15, металлы из групп VII-XI - до 5, а бериллиевый фрагмент дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: алюминий - до 15 при значении c, равном не менее 6, кремний - не более 5 и бор - не более 5. 32. Способ получения металлического стекла, содержащего по крайней мере 50% аморфной фазы, включающий изготовление сплава, содержащего бериллий, и охлаждение его от температуры выше температуры плавления до температуры ниже температуры стеклования со скоростью, предотвращающей образование более 50% кристаллической фазы, отличающийся тем, что сплав имеет скорость охлаждения, требуемую для подавления кристаллизации, менее чем 10 3 К/с, изготовляют сплав, дополнительно содержащий по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей титан и цирконий, и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей медь и никель, при следующем соотношении компонентов, ат.%:

(Zr 1-x Ti x) a (Cu 1-y Ni y) b Be c ,

Где x и y - атомные доли;

A, b и c - атомные проценты,

При этом значение y лежит в интервале от 0 до 1 и где значение x лежит в интервале от 0 до 1; значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что если значение b лежит в интервале от 10 до 49, то 3c не превышает (100-b). 34. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0 до 0,15, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 6 до 47. 35. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,15 до 0,4, то значение a лежит в интервале от 30 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 36. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,4 до 0,6, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 47. 37. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,6 до 0,8, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение с лежит в интервале от 2 до 42. 38. Способ по п. 32 или 33, отличающийся тем, что если значение x лежит в интервале от 0,8 до 1, то значение a лежит в интервале от 35 до 75; значение b лежит в интервале от 5 до 62; значение c лежит в интервале от 2 до 30. 39. Способ по любому из пп. 32 - 38, отличающийся тем, что значение a лежит в интервале от 40 до 67; значение b лежит в интервале от 10 до 48; значение c лежит в интервале от 10 до 35. 40. Способ по любому из пп. 32 - 39, отличающийся тем, что фрагмент (Zr 1-x Ti x) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат. %: гафний - до 25, ниобий - до 20, иттрий - до 15, хром - до 10, ванадий - до 2, молибден - до 5, тантал - до 5, вольфрам - до 5 и лантан, лантаниды, актиний и актиниды - до 5; фрагмент (Cu 1-y Ni y) дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: железо - до 25, кобальт - до 25, марганец - до 15, металлы из групп VII-XI - до 5, а бериллиевый фрагмент дополнительно содержит металл, выбранный из группы, включающей, ат.%: алюминий - до 15 при значении c, равном не менее 6, кремний - не более 5 и бор - не более 5. Приоритет по пунктам.

Аморфные сплавы (металлические стекла)

Металлы и сплавы в аморфном состоянии, т.е. металлические стекла, впервые были получены в 1959–1960 гг. Свойства металлических сплавов в аморфном и кристаллическом состоянии имеют существенные отличия. Металлические стекла обладают сочетанием высоких механических, магнитных, антикоррозионных свойств.

Аморфная структура образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения – 106 К/с и выше, при этом достигается очень большая степень переохлаждения, при которой параметры кристаллизации ЧЦК и CK (см. 1.3.5 и рис. 1.22) равны нулю (скорость охлаждения при получении отливок традиционными методами около 1 К/с). Существует ряд методов достижения таких скоростей:

• – высокоскоростное ионно-плазменное и термическое распыление материала с последующей конденсацией паров на охлаждаемую жидким азотом подложку; скорость охлаждения около 1013 К/с;
• – оплавление тонких поверхностных слоев деталей лазерным лучом, при этом высокая скорость охлаждения обеспечивается быстрым отводом тепла в глубьлежащие слои металла; скорость охлаждения 107-109 К/с;
• – закалка из жидкого состояния; скорость охлаждения 106...1010 К/с.

Закалка из жидкого состояния – основной метод получения металлических стекол. Установка для реализации этой технологии (рис. 10.14) состоит из трех вакуумных камер (1). В верхней осуществляется расплавление металла плазменной горелкой (6), в средней расположен медный диск (3 ), нижняя камера – вакуумный резервуар. Водоохлаждаемый медный тигель (4) расположен на стенке, разделяющей верхнюю и среднюю камеры. После помещения металла (5) в тигель происходит откачка до давления 10-4 Па, затем в верхнюю и среднюю камеры подают аргон до давления 5...8 104 Па. После расплавления металла давление в средней камере сбрасывается до 104 Па с помощью дроссельного клапана (2). Под действием разности давлений расплав поступает в среднюю камеру и попадает на вращающийся медный

Рис. 10.14.

диск. При непрерывной подаче жидкого металла образуется лента с аморфной структурой.

Склонность к получению аморфной структуры определяется типом и химическим составом сплава. Высокой склонностью к образованию аморфной структуры обладают сплавы, компоненты которых образуют диаграммы состояния с эвтектикой, а их составы – околоэвтектические. Это объясняется, во-первых, тем, что в сплавах, содержащих эвтектику, температура конца кристаллизации минимальна, поэтому жидкость остается стабильной до самых низких температур и обладает высокой вязкостью, что затрудняет диффузионные процессы и тем самым кристаллизацию (при более высоких температурах вязкость жидкости ниже). Во-вторых, чем ближе состав к эвтектическому, тем большее количество жидкости сохраняется до температуры солидус (для эвтектического сплава количество жидкости в соответствии с равновесной диаграммой состояния составляет 100%) и тем меньше вероятность образования зародышей твердой фазы.

Диаграммы состояния с эвтектикой характерны для сплавов "металл – неметалл" (напомним широко известную диаграмму состояния "железо – цементит" с эвтектикой при содержании углерода 4,3%). К неметаллическим аморфообразующим элементам относятся С, Р, В, N, S и др. В настоящее время получено большое количество аморфных сплавов на основе титана в сочетании с ванадием, ниобием, танталом, а также на основе железа, хрома, ниобия с аморфообразующими компонентами. При этом аморфная структура достигается для сплавов, составы которых близки к эвтектическим. В качестве примера приведем сплавы Ta80Nb55Si15, Ti72Ta10SiI8, Fe8()B20 (цифры – атомные проценты соответствующего элемента).

Предпосылкой для получения аморфных чисто металлических сплавов является наличие на диаграмме состояния "металл – металл " промежуточных соединений – интерметаллидов (см. 3.2).

Эти фазы, так же как и химические соединения, имеют собственную кристаллическую решетку, стехиометрический состав, но в отличие от химического соединения неупорядоченное расположение атомов разного сорта в кристаллической решетке. Сложное строение таких фаз требует для их образования протекания диффузионных процессов, которые при сверхвысоких скоростях охлаждения подавляются, вследствие чего сплавы получают метастабильную аморфную структуру.

Так, в системе "железо – вольфрам" получены аморфные сплавы при содержании атомного железа порядка 31...68%, т.е. в области существования фаз Fe2W и Fe7W6 (например, W50Fe50). Аморфные сплавы, близкие по составу к промежуточным фазам, получены также в системах "Мо – Fe", "Nb – Ni", "Та – Ni": Мо46Со54, Nb60Ni40, Ta50Ni50.

Аморфная структура металлических стекол нестабильна, поэтому она стремится приобрести наиболее стабильную, т.е. кристаллическую, структуру. Это происходит при нагреве выше начала температуры кристаллизации (T кр), которая зависит от температуры плавления (T пл) следующим образом: Т кр = (0,4...0,65) Tпл, К.

Нагрев ниже температуры начала́ кристаллизации (T кр), приводящий к более стабильному состоянию, сопровождается незначительными изменениями свойств – снижением электросопротивления и объема (рис. 10.15, 10.16). При повышении температуры выше Т кр происходит резкое изменение указанных характеристик до значений, которыми обладает вещество в кристаллическом состоянии.

Изменения структуры и свойств при нагреве определяют термическую обработку металлических стекол – это стабилизирующий отжиг при температурах ниже Т кр.

Применение металлических стекол ограничено температурой кристаллизации, нагрев до которой резко меняет их свойства.

Сортамент выпуска металлических стекол – это тонкие фольги, ленты, нити. Свое основное применение они

Рис. 10.15. Влияние температуры на электрическое сопротивление аморфного металлического сплава Fe 48Co 15Nii 5Si 14

нашли в микроэлектронике и радиоэлектронике, где используются фольги и тонкие пленки металлов, нанесенные на полупроводниковые или изолирующие подложки.

Однако такое применение аморфных металлических сплавов определяется нс только и не столько технологическими соображениями, сколько их особыми электрическими и магнитными свойствами. Весьма существенные различия физических свойств металлических стекол и кристаллических материалов объясняются принципиальным различием их строения, а именно случайным (в стеклах), а не упорядоченным (в традиционных металлах) распределением атомов, а также отсутствием зерен в структуре стекла.

Металлические стекла прежде всего отличаются высоким удельным электросопротивлением и низкими значениями коэффициента температурного расширения (табл. 10.4). По этим характеристикам они значительно превосходят традиционно используемый нихром (Х20Н80).

Таблица 10.4

Удельное электросопротивление и температурный коэффициент (ТК) сопротивления металлических стекол системы "Ni – Si – В"

Рис. 10.16.

Железокобальтовые аморфные сплавы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что важно для магнитомягких материалов. Они могут заменить традиционные пермаллои (сплавы, содержащие от 45 до 83% Ni). Так, для сплава Fe5Co66Cr9Si5Bl5 магнитная проницаемость μ = 2105, коэрцитивная сила H c = 0,08 А/м, тогда как для пермаллоя марки 4-79Mо эти характеристики составляют соответственно 3 104 и 0,8 А/м. Коэрцитивная сила тем меньше, чем крупнее зерно, структура же аморфных сплавов представляет собой как бы одно зерно.

Для аморфных сплавов, в состав которых входят железо, хром, кобальт, характерно сочетание высоких значений твердости и прочности (табл. 10.5).

Таблица 10.5

Механические свойства аморфных металлических сплавов

Состав, % атомн.	Твердость, HV

Однако использование аморфных сплавов для изготовления нагруженных деталей, к сожалению, ограничено производимым сортаментом. Нити используют для армирования композиционных материалов, ленты – для намотки при изготовлении сосудов высокого давления с целью их упрочнения. Из ленты изготавливаются также упругие элементы.

Весьма высокую твердость реальных деталей можно получить путем аморфизации поверхностных слоев деталей лазерной обработкой. Так, лазерная обработка чугунной детали (3,2% С, 2,6% Si, 0,64% Mn, 0,06% Р) позволила получить твердость поверхности, равную 1200 HV. Такая высокая твердость достигается при азотировании сталей, содержащих алюминий.

Получение аморфных сплавов стало весьма актуальным в связи с развитием важнейшего направления материаловедения – нанотехнологии. Кристаллизация аморфных сплавов позволяет получить кристаллы с размерами в нанометровом диапазоне – наноматериалы (см. ниже, 14.2.2).