Нанокристаллические сплавы

Нанокристаллические сплавы (НКС) представляют собой сплавы со смешанной аморфно-кристаллической структурой. Такая структура может состоять из кристаллов твердого раствора кремния в a-Fe размером 10 – 20 нм (нанокристаллы) и аморфной фазы, образующей тонкую (в несколько атомных слоев) оболочку вокруг этих кристаллитов.

Для нанокристаллических сплавов Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_13,5B₉, получивших за рубежом название Finimet, характерно сочетание высоких значений магнитной индукции B_s > 1,2 Тл с гистерезисными магнитными свойствами на уровне магнитомягких кристаллических и аморфных сплавов (M_нач = 10⁵).

Нанокристаллы твердого раствора кремния в a-Fe содержат около 18 – 20 % (ат.) кремния, причем твердый раствор находится в частично упорядоченном состоянии. После оптимальной с точки зрения магнитных свойств термической обработки (отжиг при 530 – 550°С в течение 1 ч) объемная доля аморфной фазы составляет 20 – 40 %. Эта фаза обогащена Nb, Сu и В по сравнению с составом исходного аморфного сплава.

По сравнению с другими нанокристаллическими сплавами у сплава Finemet самые лучшие магнитные свойства, он производится и используется в промышленных масштабах. Отечественной промышленностью выпускается сплав 5БДСР примерно такого же химического состава.

В Японии НКС с высокими свойствами выпускаются в виде ленты толщиной до 40 мкм и шириной 0,5 – 100 мм и маркируются FT-I. Составы этих сплавов отвечают формуле Fe_(74,5-х)Cu_хNb₃Si_13,5B₉. Магнитные свойства этих сплавов приведены в таблице 12.3.

НКС применяют в сердечниках силовых и измерительных трансформаторов тока промышленной и повышенной частот (50 – 100 кГц), импульсных высокочастотных трансформаторов, роторов электродвигателей, датчиках, переключателях и других устройствах, основными требованиями к которым являются большая индукция насыщения, малые потери на перемагничивание, высокие значения проницаемости.

Нанокристаллические материалы обладают высокой коррозионной стойкостью. Опыты показали, что обычные углеродистые стали в наноструктурном состоянии обладают более высокими антикоррозионными свойствами, чем специальные нержавеющие стали. Наноструктурный нитинол демонстрирует исключительную сверхупругость и эффект памяти формы. Свойства магнито-твердых и магнитомягких материалов значительно превышают характеристики аналогов в обычной кристаллической форме.

Особый интерес представляют механические свойства объемных наноструктурных материалов. Уменьшение размера зерна металла с 10 мкм до 10 нм дает повышение прочности примерно в 30 раз. Кроме того, возможно появление низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности.