Юный техник № 11 за 1980 г

Если металл превратить
в стекло...

Оператор нажал на кнопку, и из отверстия форсунки с огромной скоростью полетела струя расплавленного металла. Она падает на движущуюся гладкую ленту, охлаждаемую жидким гелием, тотчас застывает тонкой серебристой плёнкой и становится… стеклом! В конце конвейера плёнка свёртывается на катушке в рулон.
…Так в одной из лабораторий Центрального научно-исследовательского института чёрной металлургии получают необыкновенный

материал. У него пока нет даже официального названия, условно его именуют «металлическим стеклом». И надежды с ним связывают необыкновенные…
Металл и стекло… Трудно, пожалуй, отыскать более непохожие друг на друга материалы. Но чем объяснить разительное отличие их свойств? Почему стекло прозрачное, очень твёрдое и хрупкое – уронишь на пол, разлетится вдребезги? Почему металл прочен, пластичен, поддаётся ковке? Вопросы эти, хотя речь идёт о совершенно разных веществах, в какой-то степени правомерны. Ведь начало их пути одинаково – в раскалённой печи. Более того, и дальше путь их превращения в готовое изделие во многом схож – металл и стекло прокатывают между валками станов. Почему же они наделены полярно противоположными свойствами?

25

Обратимся за помощью к физике, которая сразу даёт принципиальное объяснение, – всё дело во внутреннем строении вещества, в расположении его атомов. У металлов, пока расплав застывает, атомы выстраиваются в строгом порядке, образуя так называемую кристаллическую решётку определённых геометрических форм. В стекле – и в расплавленном и в остывшем – атомы разбросаны в хаотическом беспорядке, учёные называют это аморфным строением вещества.
Расположение атомов и определяет, каким быть веществу. Есть кристаллическая решётка, значит, вещество достаточно твёрдое. Аморфное строение – это жидкость или газ. Ну а стекло?.. Оно твёрдое, а построено как жидкость. Дело в том, что кристаллическая решётка далеко не всегда идеальная форма построения

атомов, точнее, она хороша только тогда, когда идеальная. Такого, увы, не бывает. Вовсе не каждый атом занимает отведённое ему место. Расчёты показывают: на каждые 15–20 тысяч атомов один гуляет, так сказать, сам по себе. Его место в узле кристаллической решётки всегда свободно. Кроме того, сама решётка по разным причинам теряет строгую форму. Это резко ухудшает свойства металлов – реальная прочность их примерно в тысячу раз меньше, чем была бы при идеальной кристаллической решётке!..
А что случилось бы с металлом, не будь у него вообще никакой кристаллической решётки?..
Об этом учёные задумывались давно. Теоретики высказывали разные предположения. Например, такому материалу может быть совершенно не страшна коррозия!

26

Ведь происходит она в основном из-за того же кристаллического строения металла – начинается на поверхностных границах крохотных зёрен-кристалликов, из которых состоит поверхность металла, вгрызается вглубь, постепенно разрушая структуру. Ясно, какие выгоды можно получить, если избавить металл от кристаллической решётки, сделать его строение аморфным, стеклообразным. Ведь никто ещё не видел проржавленного стекла! Что касается металла, так сегодня каждая пятая домна в мире работает только на восполнение потерь от коррозии!..
Как же превратить металл в подобие стекла?
Металл в расплавленном состоянии, как и твёрдое стекло, не имеет никакой кристаллической решётки. Она строится по мере остывания, затвердевания металла, и этот процесс, если его не подгонять искусственным охлаждением, может длиться часами. То есть на строительство кристаллической структуры из хаотического беспорядка атомов нужно время. А успеет ли построиться решётка, если металл охладить мгновенно, за секунду, за долю секунды? Это и решили проверить экспериментально в ЦНИИчермете.
Как осуществили сверхбыстрое замораживание расплавленного металла в этом институте, мы уже видели: на мчащейся ленте, охлаждаемой жидким гелием. Здесь затвердевания до миллиона градусов в секунду! Иначе говоря, металл застывает за тысячные доли секунды! Но… этого ещё мало. В специальном конструкторском бюро Института металлургии АН СССР имени А. А. Байкова придумали и другой способ. Расплавленный металл прямо из тугоплавкого тигля пускают в тончайший зазор между охлаждаемыми медными валками. Замораживание идёт сразу с обеих сторон, потому и скорость охлаждения гораздо выше –

миллионы градусов в секунду!
Механизм этого воздействия работает по принципу стоп-кадра в кино: только что всё было в движении и мгновенно застыло в самых неожиданных позах. Так и здесь – атомы, моментально застывая, не успевают выстроиться в кристаллическую решётку. Космический холод как бы приколачивает их к месту в том положении, в котором они находились в расплаве.
От полученного стеклообразного металла ожидали многого, но действительность превзошла все ожидания и предположения. Свойства его оказались таковы, что учёные не смогли подобрать им другого определения, кроме «аномальные».
Начнём с коррозии – у аморфного металла, как и предсказывали, уникальная коррозийная стойкость. Кузов машины, сделанный из него, служил бы верой и правдой сотни лет без всяких смазок и покрытий. Это свойство легко объяснимо: нет зёрен в структуре, а стало быть, и их границ, где зарождается ржавчина. Аморфное строение, образно говоря, не оставляет ни единой щёлочки для этого коварного врага металлов. Одно это может в будущем обеспечить аморфным металлам широчайшее применение. Но высокая антикоррозийность металлостекла лишь одно из его невиданных свойств.
Прочность металлостекла оказалась в десятки раз большей, чем у обычной стали! Оно вдобавок обладает замечательными магнитными свойствами, способностью к сверхпроводимости, у него очень малы потери энергии при перемагничивании… Эти и многие другие свойства, которым ещё не найдено строго теоретического объяснения, сулят новые возможности создателям будущих машин и приборов. Ведь история науки и техники знает немало примеров, когда именно открытие новых материалов с необычными свойствами приводило к разительным переменам

27

в производстве. Так с полупроводников началась микроэлектроника. Появились сверхпроводящие материалы, началось развитие так называемой криогенной суперэлектротехники.
Новый класс материалов – аморфные металлы и их сплавы – ещё, так сказать, в колыбели. Но специалисты предсказываю им скорый шаг в практику, в первую очередь в приборостроение. Трансформаторы, реле, различные переключатели, магнитные экраны – для этих традиционных приборов аморфные материалы с их уникальными свойствами просто находка. А если эти и многие другие приборы должны работать в так называемых экстремальных условиях, связанных с низкими или высокими температурами, большими механическими нагрузками, агрессивными химическими средами, – находка вдвойне.
Впрочем, сейчас даже трудно определить границы будущего применения аморфных сплавов. Конечно, сначала они найдут место в уже известных нам приборах. Но потом новые их возможности наверняка разбудят конструкторскую мысль, и с заводских конвейеров начнут сходить изделия, о которых мечтают пока только фантасты.
Да и само получение тонкой аморфной ленты выгодно отличается от обычной технологии металлургических заводов. Сегодня нужно затратить массы труда, чтобы превратить металлический

слиток в ленту. Сначала слиток раскатывают в толстые полосы на обжимных прокатных станах, причём многократно и с обязательным нагревом перед каждой прокаткой. Затем полосу протравливают в кислоте, дабы снять печную окалину, прокатывают полосу на других прокатных станах в более тонкую ленту, периодически отжигая её – нужно снимать внутренние напряжения в металле. И, наконец, окончательную прокатку ведут на особых многовалковых станах. Весь процесс – от получения слитка до готовой ленты – занимает несколько недель… Аморфную многокилометровую ленту можно получить за одну-единственную операцию формовки в процессе сверхбыстрой закалки расплава. Занимает она считанные минуты!
А можно ли сделать из металлостекла слиток, объёмную деталь? Сегодня этот вопрос не решён даже в лабораториях. И сама лента из принципиально нового материала ещё совсем непривычна для технологов. Не разрешён пока и такой простейший, казалось бы, вопрос: чем резать аморфные сплавы? Ведь они прочнее и твёрже любого стандартного инструмента. Значит, нужны новые инструменты, которых пока ещё нет. И так почти во всём. Но ведь так начиналось практическое применение всех открытий…

А. ВАЛЕНТИНОВ, инженер