5.4. Получение монокристаллов
Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтролируемые изменения электрических свойств.
Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколько методов в которых использован этот принцип. важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.
Метод Бриджмена (рис. 5.6) состоит в следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном, нагревается до температуры большей температуры плавления на 50-100оС. Затем тигель с расплавленным металлом медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл (4) вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристалла необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.
Рис.5.6. Схемы установок для выращивания монокристаллов
А – методом Бриджмена ; б – методом Чохральского
1 – печь, 2 – тигель, 3 – металл, 4 - монокристалл
5.5. Аморфные металлы
При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионных процессы настолько замедляются, что подавляется образования зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название - аморфные металлические сплавы (АМС) или металлические стекла.
Затвердевание и образование АМС принципиально возможно практически для всех металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним следует добавлять аморфизаторы (С, Р, В, N, S и др.). Состав аморфного сплава должен отвечать формуле Ме80Х20.
АМС значительно отличаются от своих кристаллических аналогов по строению и, следовательно, по свойствам. В их структуре отсутствует дальний порядок в размещении атомов и характерные особенности структуры поликристаллических сплавов: границы зерен, дислокации и другие дефекты, нет зональной ликвации. В то же время в них сохраняются геометрические и химические неоднородности ближнего порядка, следствием чего являются остаточные напряжения и изменение свойств.
По сравнению с кристаллическими аналогами АМС имеют более низкую плотность, модуль упругости уменьшается на 20-40%, удельное сопротивление в 2-4 раза выше.
АМС «металл- неметалл» имеют удельное поверхностное натяжение σВ =2000-4000 МПа, но при растяжении разрушаются с малым удлинением. Твердость -1000-1400 HV в закаленном состоянии. В то же время АМС при сжатии деформируются на 40-50% без разрушения, а ленты изгибаются на 180 градусов до параллельности сторон.
По сравнению с кристаллическими аналогами АМС сохраняют избыточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине АМС химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка. Это в первую очередь, сплавы железа с хромом и достаточным количеством фосфора и углерода. По сравнению с коррозионно-стойкими сталями эти АМС более стойкие и для придания им коррозионной стойкости требуется меньше хрома: 8-9% против 13% в сталях.
Большое практическое значение имеет возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром в несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистка, травление.