非晶态合金 玻璃态金属

非晶态合金玻璃态金属

作者：佚名

英文名称：metal-glass;amorphous alloy

说明:又称非晶态合金或玻璃态金属。使金属熔体在瞬间冷凝，以致金属原子还处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”。它兼有金属和玻璃的优点，又克服了各自的弊病。金属玻璃具有一定的韧性和刚性，强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，断裂强度也比一般的金属材料高得多。由于避免了晶间腐蚀，有良好的化学稳定性。有些还有良好的磁学性质。

可用以制造高压容器、火箭等关键部位的零部件、机械振荡器、电流脉冲变压器、磁泡器件等。非晶态软磁材料还可用以制造录音、录像的磁头、磁带。

人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。美国、西欧称之为“21世纪的材料”。

在大多数人想到玻璃时，玻璃板的概念便迅速跃人我们的脑海中。但在一定的条件下，金属也能做成玻璃，例如:这种玻璃可作为电力变压器和高尔夫球棍的理想材料。巴尔的摩港，约翰斯·郝彼科恩斯(JohnsHopkins)大学研究员FoddHufnagel正在研究一种生产超强，富有弹性和磁性特点的金属玻璃的方法。Hufnagel希望了解，金属玻璃形成时，发生溶化金属冷却成固体时的金相转变。

对科学家来讲，玻璃是任何能从液体冷却成固体而无结晶的材料。大多数金属冷却时就结晶，原子排列成有规则的形式称作品格。如果不发生结晶并且原子依然排列不规则，就形成金属玻璃。

不象玻璃板，金属玻璃不透明或者不发脆，它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性。普通金属由于它们品格的缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地失形。对比之下，金属玻璃在变形后更容易弹回至它的初始形状。缺乏结晶的缺陷使得原铁水的金属玻璃成立有效的磁性材料。

在国家科学基金和美国军队研究总局的支助下，Hufnagel已建立了试验新合金的实验室。他试图创建一种在高温下将依然为固体并不结晶的合金金属玻璃，使它能成为发动机零件有用的材料。该材料也可用于穿甲炮弹等军事场合。不象大多数结晶金属炮弹，在冲击后从平的形状变为蘑菇形状，Hufnagel相信；金属玻璃弹头的各边将转向并给出最好穿透力的削尖射弹。

制造厚的、笨重形状的金属玻璃是困难的，因为大多数金属在冷却时会突然出现结晶现象，制造玻璃，金属必会变硬，因为品格成形时会改变，从纯金属—诸如铜、镍去创建玻璃，它将以每秒钟一万亿摄氏度的速率下冷却。

在1950年，冶金学家学会了通过混入一定量的金属一诸如镍和锆一去显出结晶体。当合金的薄层在每秒一百万摄氏度的速率下冷却时，它们形成金属玻璃。但因为要求迅速冷却，它们只能制造成很薄的条状物、导线或粉末。

最近，科学家通过混合四到五种不同大小原子的元素，去形成诸如条状的多种多样的金属玻璃。变化原子大小使它混合而形成玻璃从而变得更韧。这些新合金的用途之一是在商业上用来制造高尔夫球棍的头。

通常的金属，几乎无一例外地属于晶态材料。早在20世纪初就有人突发奇想，如果把晶态的金属变成非晶态，会有什么物理性质上的变化呢？1934年德国人克雷默采用蒸发沉积法制备出非晶态合金，发现非晶态合金的强度、韧性和耐磨性明显高于晶态合金。

1969年，美国人庞德和马丁研究了生产非晶态合金带材的技术，为规模生产奠定了技

术基础。1976年，美国联信公司生产出10mm宽的非晶态合金带材，到1994年已经达到年产4万吨的能力。目前美国能生产出最大宽度达217mm的非晶带材。

2000年9月20日，在钢铁研究总院的非晶带材生产线上成功地喷出了宽220mm、表面质量良好的非晶带材，它标志着我国在该材料的研制和生产上达到国际先进水平。什么是非晶合金

物质就其原子排列方式来说，可以划分为晶体和非晶体两类。形象地说，如果材料中的原子排列像被检阅的士兵方阵那样有序，该材料就是晶态材料；如果原子排列像集市的人群那样杂乱无章，那么这种材料就是非晶态材料。在我们接触的物质中，木材、塑料和玻璃等都属于非晶态材料。对于金属来说，通常情况下，金属及合金在从液体凝固成固体时，原子总是从液体的混乱排列转变成整齐的排列，即成为晶体。但是，如果金属或合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被冻结住了，最终的原子排列方式类似于液体，是混乱的，这就是非晶合金。因为非晶合金原子的混乱排列情况类似于玻璃，所以又称为金属玻璃。在下面的示意图中，左为晶体内部原子排列，右为非晶体的原子排列。什么样的物质能够制造成非晶态呢？从理论上说，任何物质只要它的液体冷却足够快，原子来不及整齐排列就凝固，那么原子在液态时的混乱排列被迅速冻结，就可以形成非晶态。但是，不同的物质形成非晶态所需要的冷却速度大不相同。例如，普通的玻璃只要慢慢冷却下来，得到的玻璃就是非晶态的。而单一的金属则需要每秒高达一亿度以上的冷却速度才能形成非晶态。由于目前工艺水平的限制，实际生产中难以达到如此高的冷却速度，也就是说，单一的金属难以从生产上制成非晶态。

为了获得非晶态的金属，一般将金属与其它物质混合形成合金。这些合金具有两个重要性质：第一，合金的成分一般在冶金学上的所谓"共晶"点附近，它们的熔点远低于纯金属，例如纯铁的熔点为1538度，而铁硅硼合金的熔点一般为1200度以下；第二，由于原子的种类多了，合金在液体时它们的原子更加难以移动，在冷却时更加难以整齐排列，也就是说更加容易被"冻结"成非晶。有了上面的两个重要条件，合金才可能比较容易地形成非晶。例如，铁硼合金只需要每秒一百万度的冷却速度就可以形成非晶态。

迄今为止，国内外非晶合金开发最多的是作为软磁材料的一类。它们在化学成分上的一个共同点是：由两类元素组成：一类是铁磁性元素（铁、钴、镍或者它们的组合），用来产生磁性；另一类是硅、硼、碳等，它们称为类金属，也叫做玻璃化元素，有了它们，合金的熔点比纯金属降低了很多。

纳米晶合金

在上面所说的非晶合金中，原子的排列是宏观上混乱无序的。正是由于这种特殊结构，使得非晶合金具有一些独特的性质。所以非晶合金在使用时，必须保证它们处于非晶态。但是，自从八十年代末，日本的吉泽克仁等人发现，含有钴和镍的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时，会形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸仅有10-20纳米。这时材料磁性能不仅不恶化，反而非常优良。这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金（以前也曾称为超微晶合金）。铁基纳米晶合金的磁性能几乎能够和非晶合金中最好的钴基非晶合金相比，但是却不含有昂贵的钴。有哪些非晶合金

磁性非晶合金可以从化学成分上划分成以下几大类。

铁基非晶合金：主要元素是铁、硅、硼、碳、磷等。它们的特点是磁性强、软磁性能优于硅钢片，价格便宜，最适合替代硅钢片，作为于中低频变压器的铁芯，例如配电变压器、中频变压器、大功率电感、电抗器等。

铁镍基非晶合金：主要由铁、镍、硅、硼、磷等组成，它们的磁性比较弱，价格较贵，但导磁率比较高，可以代替硅钢片或者坡莫合金，用作高要求的中低频变压器铁芯，例如漏电开关互感器。

钴基非晶合金：由钴和硅、硼等组成，有时为了获得某些特殊的性能还添加其它元素，由于含钴，它们价格很贵，磁性较弱，但导磁率极高，一般用在要求严格的军工电源中的变压器、电感等，替代坡莫合金和铁氧体。

铁基纳米晶合金（超微晶合金）：它们由铁、硅、硼和少量的铜、钼、铌等组成，其中铜和铌是获得纳米晶结构必不可少的元素。它们首先被制成非晶带材，然后经过适当退火，形成微晶和非晶的混合组织。这种材料虽然便宜，但磁性能极好，几乎能够和钴基非晶合金相媲美，是工业和民用中高频变压器、互感器、电感的理想材料。

非晶合金的优点

高强韧性：明显高于传统的钢铁材料，可以作复合增强材料，如钓鱼杆等。国外已经把块状非晶合金应用于高尔夫球击球拍头和微型齿轮。非晶合金丝材可能用在结构零件中，起强化作用。另外，非晶合金具有优良的耐磨性，再加上它们的磁性，可以制造各种磁头。

优良的磁性：与传统的金属磁性材料相比，由于非晶合金原子排列无序，没有晶体的各向异性，而且电阻率高，因此具有高的导磁率、低的损耗，是优良的软磁材料，代替硅钢、坡莫合金和铁氧体等作为变压器铁芯、互感器、传感器等，可以大大提高变压器效率、缩小体积、减轻重量、降低能耗。非晶合金的磁性能实际上是迄今为止非晶合金最主要的应用领域。和其它磁性材料相比，非晶合金具有很宽的化学成分范围，而且即使同一种材料，通过不同的后续处理能够很容易地获得所需要的磁性。所以非晶合金的磁性能是非常灵活的，选择余地很大，为电力电子元器件的选材提供了方便。

简单的制造工艺，节能、环保。以传统的薄钢板为例，从炼钢、浇铸、钢锭开坯、初轧、退火、热轧、退火、酸洗、精轧、剪切到薄板成品，需要若干工艺环节、数十道工序。由于环节多，工艺繁杂，传统的钢铁企业都是耗能大户和污染大户，有"水老虎"和"电老虎"之称。而非晶合金的制造是在炼钢之后直接喷带，只需一步就制造出了薄带成品，工艺大大简化，节约了大量宝贵的能源，同时无污染物排放，对环境保护非常有利。

非晶合金有什么应用

前面已经提及，非晶合金具有优良的特性，因此可以获得多方面的应用。我们在日常生活中接触的非晶态材料已经很多，如采用非晶态合金制备的高耐磨音频视频磁头在高档录音、录像机中广泛应用，而采用非晶态合金的高尔夫球杆、钓鱼杆也已经面世。

常常有人对图书馆或超市中书或物品中所暗藏的报警设施感到惊讶，其实，这不过是非晶态软磁材料在其中发挥着作用。非晶合金条带可以夹在书籍或者商品中，也可以做成商品标签。如果尚未付款就被带出，则在出口处的检测装置就会发出信号报警。

但非晶合金的大量使用还是在电力系统。

1.配电变压器铁芯。铁基非晶合金铁芯具有高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗（相当于硅钢片的1/3～1/5）、低激磁电流、良好的温度稳定性，使非晶合金变压器运行过程中的空载损失远低于硅钢变压器。这种情况尤其适用于空载时间长、用电效率低的农村电网。美国通过使用这种变压器每年可节约近50×109KWH的空载损耗，节能产生的经济效益约为35亿美元。

2.电力互感器铁芯。在变电站使用大量的电力互感器，它们对铁芯材料的要求非常苛刻，不仅要求高的磁性指标（如高导磁率、高饱和磁感、低损耗等），而且要求铁芯材料的整个磁化曲线满足一定的条件，以保证互感器在整个测量范围内的精度。近年来，非晶微晶合金作为互感器铁芯的应用逐渐广泛起来，取得了非常理想的效果。

3.开关电源变压器及电感铁芯。传统的电源都是在50赫兹（称为工频）下将交流电变换成直流电的。由于工作频率低，变压器的体积大、能耗高、效率低。开关电源是自20世纪70年代发展起来的新型电源技术，它采用20千赫兹以上的工作频率，大大缩小了变压器的体积、减轻了重量、提高了效率。在开关电源中使用非晶微晶合金作为铁芯的元器件有：

主变压器、控制变压器、共模电感、噪声滤波器、滤波电感、储能电感、电抗器、磁放大器、尖峰抑制器、饱和电感、脉冲压缩器、开关管保护电感等。

4.漏电开关互感器铁芯。漏电开关是安装在电器前面，用来保护电器和人的用电安全的装置。当由于设备绝缘不良或者人体触电时，会在互感器的次级线圈中感应出信号，经过处理后使得电闸跳开，切断电路，保护电器或人身的安全。过去一般采用坡莫合金（铁镍合金）作为这种互感器铁芯。自从八十年代以来，非晶合金开始作为漏电开关中的互感器铁芯，国内目前用量极大