ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (MIS: )

Transcript

1 Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ (MIS: ) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.5. Αμορφα μεταλλικά κράματα ειδικών εφαρμογών, Αναπληρωτής Καθηγητής Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.

2 Περιεχόμενα 1.1 Μέταλλα Άμορφα μέταλλά Ιστορική Αναδρομή Ιδιότητες άμορφων μετάλλων Διαδικασία κατασκευής μεταλλικών υάλων Χύτευση ταινίας (Single-Roller Melt Spinning) Χύτευση σε καλούπι από χαλκό (Copper mould casting) Μέθοδος εγκλείσματος σε σωλήνα από χαλαζία Splat quenching Τήξη με Βολταϊκό τόξο υπό κενό Μηχανική κραματοποίηση Βιβλιογραφία... 20

3 1.1 Μέταλλα Τα μέταλλα είναι μια μεγάλη κατηγορία χημικών στοιχείων που εμφανίζουν ορισμένες κοινές ιδιότητες, όπως είναι η λάμψη, η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, η δυνατότητα σχηματισμού ελασμάτων (ελατά) και συρμάτων (όλκιμα). Τα περισσότερα, αλλά όχι όλα, έχουν μεγάλη πυκνότητα και είναι σκληρά και ανθεκτικά. Διακρίνονται από τα αμέταλλα, που αποτελούν επίσης τη δεύτερη μεγάλη κατηγορία των στοιχείων, τόσο από τις φυσικές όσο, κυρίως, από τις χημικές τους ιδιότητες. Τα μέταλλα είναι το ηλεκτροθετικά στοιχεία με χαμηλό δυναμικό ιονισμού. Δηλαδή, η ενέργεια που ασκεί ο πυρήνας στα ηλεκτρόνια, ώστε αυτά να παραμένουν στην τροχιά τους, είναι ελάχιστη. Ως αποτέλεσμα, μπορούν εύκολα να αποσπαστούν αν ασκηθεί σε αυτά κάποια εξωτερική δύναμη. Τα μέταλλα έχουν την τάση να δίνουν ηλεκτρόνια και να μετατρέπονται σε θετικά ιόντα (κατιόντα). Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η τάση, τόσο πιο ηλεκτροθετικό χαρακτηρίζεται το μέταλλο. Η τάση αυτή φαίνεται από την ηλεκτροχημική σειρά των μετάλλων Χαρακτηριστικά μέταλλα είναι ο σίδηρος, ο χαλκός, το αργίλιο (αλουμίνιο), το νάτριο, το ασβέστιο, ο ψευδάργυρος, το μαγνήσιο, το τιτάνιο και το ουράνιο. Με εξαίρεση τον υδράργυρο όλα τα μέταλλα σε θερμοκρασία δωματίου (20 C) είναι στερεά. Έχουν επίσης το χαρακτηριστικό αργυρόλευκο χρώμα, με εξαίρεση τον χαλκό (ερυθρός) και τον χρυσό (κίτρινος). Τα κράματα (δημιουργήματα του ανθρώπου) προκύπτουν από ανάμειξη μετάλλου και στοιχείων ανάμειξη μετάλλων

4 1.2. Άμορφα μέταλλά Ένα άμορφο μέταλλο είναι ένα μεταλλικό υλικό με μη διατεταγμένη ατομική δομή. Σε αντίθεση με τα περισσότερα μέταλλα τα οποία είναι κρυσταλλικά, επομένως έχουν τέλεια διατεταγμένα στο χώρο άτομα, τα μεταλλικά άμορφα κράματα είναι μη-κρυσταλλικά! Υλικά με τέτοια μη διατεταγμένη δομή παράγονται απευθείας από την υγρή κατάσταση κατά την ψύξη, ονομάζονται «γυαλιά», για το λόγο αυτό τα άμορφα μέταλλα συχνά αναφέρονται ως «μεταλλικά γυαλιά» α) β) Σχήμα 1.1: α) Άμορφο μέταλλο, β) Κρυσταλλικό μέταλλο Επιπρόσθετα της απευθείας ψύξης, υπάρχουν και άλλοι τρόποι με τους οποίους μπορούμε να κατασκευάσουμε άμορφα μέταλλα, όπως: φυσική εναπόθεση ατμών (physical vapor deposition) αντίδραση στερεάς κατάστασης (solid-state reaction) υγρή περιστροφή (melt spinning)

5 μηχανική κραματοποίηση (mechanical alloying) Τα άμορφα μέταλλα που παράγονται με τις παραπάνω τεχνικές δεν είναι (αυστηρώς ορίζοντας) γυαλιά, παρόλα αυτά οι επιστήμονες θεωρούν τα υλικά όπως τα άμορφα κράματα μία κατηγορία υλικών ανεξαρτήτως πως κατασκευάζονται. Στο παρελθόν μικρές ποσότητες από άμορφα μέταλλα είχαν παραχθεί με διάφορες μεθόδους ταχείας ψύξεως. Για παράδειγμα, άμορφα μεταλλικά σύρματα έχουν παραχθεί με επιμετάλλωση τετηγμένου μετάλλου πάνω σε περιστρεφόμενο μεταλλικό δίσκο. Η ταχεία ψύξη, της τάξης των εκατομμυρίων βαθμών ένα δευτερόλεπτα, είναι πάρα πολύ σύντομη για να σχηματίσει κρυστάλλους και το υλικό είναι «βρίσκεται» σε μια υαλώδη κατάσταση. Πιο πρόσφατα, ένας αριθμός κραμάτων με κρίσιμους ρυθμούς ψύξης αρκετά χαμηλούς ώστε να καταστεί δυνατός ο σχηματισμός άμορφης δομής σε στρώσεις μεγάλου πάχους (πάνω από 1 χιλιοστό) είχαν παραχθεί, αυτές είναι γνωστές ως μεταλλικά συμπαγή γυαλιά [bulk metallic glasses (BMG)]. Η εταιρία Liquidmetal εμπορεύεται μια σειρά από BMGs τιτανίου, η οποία αρχικά αναπτύχθηκε στις μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο Caltech. Ακόμα πιο πρόσφατα έχουν παραχθεί ποσότητες άμορφου χάλυβα, οι οποίες παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερες αντοχές σε σύγκριση με αυτές των συμβατικών κραμάτων χάλυβα.

6 2.1 Ιστορική Αναδρομή Το πρώτο μεταλλικό γυαλί ήταν ένα κράμα (Au 80 Si 20 ) που παρασκευάστηκε στο Caltech από τον Pol Duwez το1957. Αυτό καθώς και άλλα κράματα υαλώδους μορφής ψύχονταν εξαιρετικά γρήγορα. (σε τάξη μεγέθους ενός MegaKelvin ανά δευτερόλεπτο 10 6 K s -1 ) ώστε να αποφευχθεί η κρυστάλλωση Μια σημαντική συνέπεια αυτού ήταν ότι μεταλλικά γυαλιά μπορούσαν να παραχθούν μόνο σε ένα περιορισμένο αριθμό μορφών (λωρίδες-ribbons, φύλλα-foils, ή καλώδια-wires) στις οποίες η μία διάσταση ήταν μικρή έτσι ώστε η θερμότητα θα μπορούσε να εξαχθεί αρκετά γρήγορα για να επιτευχθεί η αναγκαία ταχύτητα ψύξεως. Ως αποτέλεσμα, τα δείγματα του μεταλλικού γυαλιού (με μερικές εξαιρέσεις) περιορίστηκαν σε πάχος μικρότερο από εκατό μικρόμετρα. Το 1969, ανακαλύφθηκε ένα κράμα από 77.5% παλλάδιο, 6% χαλκό, και 16.5% πυρίτιο που είχε κρίσιμο ρυθμό ψύξης μεταξύ100 K/s και 1000 K/s. Το 1976, οι H. Liebermann και C. Graham ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο κατασκευής λεπτών λωρίδων άμορφου μετάλλου σε έναν υπερψυγμένο γρήγορα περιστρεφόμενο δίσκο. Αυτό ήταν ένα κράμα από Σίδερο, Νικέλιο, Φώσφορο και Βόριο. Το υλικό αυτό ήταν γνωστό ως Metglas, και έγινε εμπορικό προϊόν στις αρχές της δεκαετίας του 80s και χρησιμοποιήθηκε σε μετατροπής ισχύος (Μετατροπείς αμόρφου μετάλλου). Το Metglas-2605 αποτελούνταν από 80% σίδερο και 20% βόριο, είχε θερμοκρασία Curie: 373 C μαγνητικό κορεσμό σε θερμοκρασία δωματίου 25.7 milliteslas. Στις αρχές της δεκαετίας του 80, υαλώδη ingots διαμέτρου 5mm παράχθηκαν από το κράμα 55% παλλάδιο, 22.5% μόλυβδο, και 22.5% αντιμόνιο, με ξύσιμο της επιφάνειας, συνοδευόμενο με κύκλους θέρμανσης-ψύξης. Χρησιμοποιώντας αέριο Οξειδίου του Βορίου, το πάχος που επιτυγχανόταν αυξήθηκε κατά ένα εκατοστό Η έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Tohoku και στο Caltech οδήγησε σε πολυσύνθετα κράματα που ως βάση έχουν το Λανθάνιο, το Μαγνήσιο, το Ζιρκόνιο, το Παλλάδιο, το Σίδηρο, το Χαλκό και το Τιτάνιο, με ρυθμούς ψύξης μεταξύ 1 K/s και 100 K/s, συγκρίσιμο με αυτό τον γυαλιών οξειδίων.

7 Το 98, βρέθηκε ότι τα κράματα Λανθανίου, Αλουμινίου και Χαλκού είναι εύκολα μετατρέψιμα σε γυαλιά. Στη δεκαετία του 1990, ωστόσο, νέα κράματα αναπτύχθηκαν τα οποία σχημάτιζαν γυαλιά με μορφή ρυθμούς ψύξης τόσο χαμηλά όσο ένα Κέλβιν ανά δευτερόλεπτο. Αυτοί οι ρυθμοί ψύξης μπορούν να επιτευχθούν με απλή χύτευση σε μεταλλικά καλούπια. Αυτά τα συμπαγή άμορφα κράματα μπορούν να χυτευθούν κατά τμήματα έως αρκετών εκατοστών σε πάχος (το μέγιστο πάχος, ανάλογα με το κράμα), ενώ διατηρεί μια άμορφη δομή. Τα καλύτερα κράματα υαλώδους υφής κατασκευάζονται με βάση το ζιρκόνιο και το παλλάδιο, αλλά και κράματα με βάση σίδηρο, τιτάνιο, χαλκό, μαγνήσιο και άλλα μέταλλα είναι επίσης γνωστά Πολλά άμορφα κράματα, σχηματίζονται εκμεταλλευόμενα ενα φαινομένου που ονομάζεται "φαινόμενο σύγχυσης». Τα κράματα αυτά περιέχουν τόσα πολλά διαφορετικά στοιχεία (συχνά μια δωδεκάδα ή περισσότερα) με αποτέλεσμα κατά την ψύξη σε αρκετά γρήγορους ρυθμούς, τα άτομα που αποτελούν το κράμα δεν μπορούν να οργανωθούν σε κρυσταλλική κατάσταση ισορροπίας πριν από το σταμάτημα της κίνησής τους. Με τον τρόπο αυτό «κλειδώνει» η τυχαία διαταραγμένη κατάσταση των ατόμων. Το 1992, το πρώτο εμπορικά διαθέσιμο κράμα, Vitreloy 1 (41.2% Zr, 13.8% Ti, 12.5% Cu, 10% Ni, και 22.5% Be), αναπτύχθηκε στο Caltech, ως μέρος της έρευνας του τμήματος ενέργεια και της έρευνας της NASA σε νέα υλικά για χρήση στην αεροδιαστημική. Στη συνέχεια ακολούθησαν πολλές παραλλαγές Το 2004, δύο ερευνητικές ομάδες κατόρθωσαν να παράγουν συμπαγές άμορφο χάλυβα, μία στο Oak Ridge National Laboratory, και η άλλη στο Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια. Η ομάδα του Oak Ridge αναφέρεται στο προϊόν τους ως «υαλώδης χάλυβας». Το προϊόν είναι μη μαγνητικό σε θερμοκρασία δωματίου και σημαντικά ισχυρότερο από το συμβατικό χάλυβα. Ο δρόμος όμως της έρευνας και ανάπτυξης πριν από τη δημόσια ή στρατιωτική χρήση του υλικού παραμένει μακρύς.

8 3.1 Ιδιότητες άμορφων μετάλλων Για να επιτευχθεί ο σχηματισμός άμορφης δομής κατά την αργή ψύξη του κράματος, θα πρέπει αυτό να αποτελείται από τρία ή περισσότερα συστατικά, ώστε να σχηματίζουν κρυσταλλικά υλικά με υψηλότερη δυναμική ενέργεια και χαμηλότερη πιθανότητα σχηματισμού Οι ατομικές ακτίνες των συστατικών θα πρέπει να διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους (παραπάνω από 12%), ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη πυκνότητα (packing density) και μικρότερος ελεύθερος όγκος. Ο συνδυασμός των συστατικών θα πρέπει να έχει αρνητική θερμότητα ανάμιξης, η οποία αναστέλλει το σχηματισμό κρυσταλλικών πυρήνων και παρατείνει το διάστημα που το λιωμένο μέταλλο παραμένει σε υπέρψυχρη (supercooled) κατάσταση. Τα κράματα του βορίου, πυριτίου, φωσφόρου και άλλων υάλων με μαγνητικά μέταλλα (σίδηρος, κοβάλτιο, νικέλιο) είναι μαγνητικά, με χαμηλή μαγνητική αντίσταση και υψηλή ηλεκτρική αντίσταση. Η υψηλή αντίσταση οδηγεί σε μικρές απώλειες από δινορεύματα (eddy currents), όταν το κράμα υποβάλλεται σε μαγνητικά πεδία (π.χ. πυρήνας μετασχηματιστή). Τα άμορφα κράματα έχουν μια σειρά από χρήσιμες ιδιότητες. Ειδικότερα, τείνουν να είναι ισχυρότερα από κρυσταλλικά κράματα παρόμοιας χημικής σύνθεσης, και μπορούν να διατηρήσουν μεγαλύτερες αναστρεπτές ("ελαστικές"), παραμορφώσεις από τα κρυσταλλικά κράματα. Τα άμορφα μέταλλα αντλούν την αντοχή τους απευθείας από τη μη-κρυσταλλική δομή τους, η οποία δεν έχει κανένα από τα ελαττώματα (όπως εξαρθρώσεις) που περιορίζουν την αντοχή των κρυσταλλικών κραμάτων.

9 Σχήμα 3.1: Διάγραμμα αντοχής-ελαστικού ορίου διαφόρων κατηγοριών υλικών Τα άμορφα μεταλλικά κράματα συνδυάζουν την υψηλή αντοχή των κρυσταλλικών μεταλλικών κραμάτων με την ελαστικότητα των πολυμερών. Ίσως η πιο χρήσιμη ιδιότητα των συμπαγών άμορφων κραμάτων είναι ότι είναι πραγματικά γυαλιά, πράγμα που σημαίνει ότι μαλακώνουν και ρέουν κατά τη θέρμανση. Αυτό επιτρέπει την εύκολη επεξεργασία, όπως με χύτευση με έγχυση, με τον ίδιο τρόπο όπως και πολυμερή. Ως αποτέλεσμα, τα άμορφα κράματα έχουν εμπορευματοποιηθεί για χρήση σε αθλητικό εξοπλισμό, ιατρικές συσκευές, και κουτιά για ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Λεπτά υμένια άμορφων μετάλλων μπορούν να εναποτίθενται ως προστατευτικά επιστρώματα.

10 Σχήμα 3.2: Εμπορικές χρήσεις άμορφων μετάλλων 4.1. Διαδικασία κατασκευής μεταλλικών υάλων Σχεδόν οποιοδήποτε υγρό μπορεί να μετατραπεί σε γυαλί, αν ψυχθεί αρκετά γρήγορα ώστε να αποφευχθεί η κρυστάλλωση. Το ερώτημα είναι, πόσο γρήγορη πρέπει να είναι η ψύξη ; Κοινά γυαλιά οξειδίου (όπως κοινό γυαλί παραθύρου) είναι αρκετά ανθεκτικά σε κρυστάλλωση, έτσι ώστε να μπορούν να σχηματιστούν ακόμη και αν το υγρό ψύχεται πολύ αργά. Για παράδειγμα, ο καθρέφτης για το 200" τηλεσκόπιο στο Αστεροσκοπείο Palomar ζύγιζε 20 τόνους και ψύχθηκε σε μια περίοδο οκτώ μηνών, αλλά δεν κρυσταλλώθηκε.

11 Πολλά πολυμερικά υγρά μπορούν να μετατραπούν σε γυαλιά γιατί δεν κρυσταλλώνονται Τόσο για τα οξείδια όσο και για τα πολυμερή, η παράμετρος που οδηγεί στο σχηματισμό γυαλιού είναι το γεγονός ότι η υγρή δομή δε μπορεί να αναδιαταχθεί σε μια πιο καθορισμένη κρυσταλλική δομή όση ώρα και αν περάσει. Σχήμα 4.1 Διάγραμμα ΤΤΤ (Time-Temperature-Transformation), θερμοκρασίας-χρόνου υαλοποίησης υλικών Τα μεταλλικά γυαλιά συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο από τα κοινά γυαλιά. Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι οι δομικές μονάδες είναι μεμονωμένα άτομα (σε αντίθεση με μια πολυμερική αλυσίδα ή το πλέγμα ενός οξειδίου), στα περισσότερα κράματα είναι σχετικά εύκολο να δημιουργηθούν και να αναπτυχθούν κρύσταλλοι. Τα πρώτα άμορφα μεταλλικά κράματα που κατασκευάστηκαν στο Caltech το 1950 ψύχονταν

12 με μια ταχύτητα ένα εκατομμύριο βαθμούς Κελσίου το δευτερόλεπτο για να αποφευχθεί η κρυστάλλωση. Μία τεχνική να γίνει αυτό είναι η single-roller melt spinning Χύτευση ταινίας (Single-Roller Melt Spinning) Σε αυτή τη διαδικασία το κράμα τήκεται (μέσα σε σωλήνα από χαλαζία) με επαγωγική θέρμανση, και στη συνέχεια εξωθείται μέσα από ένα στενό ακροφύσιο στην επάνω πλευρά ενός ταχέως περιστρεφόμενου τροχού ψύξης (τυπικά από χαλκό). Το τήγμα απλώνεται για να σχηματιστεί μια λεπτή ταινία, η οποία ψύχει ταχέως επειδή είναι σε επαφή με τον τροχό χαλκού. Σχήμα 4.2 Σχηματική διάταξη single-roller melt spinning H Melt spinning καθώς και άλλες τεχνικές ταχείας στερεοποίησης έχουν χρησιμοποιηθεί για να κατασκευαστούν πολλά άμορφα και νανοκρυσταλλικά μέταλλα από τη δεκαετία του

13 1960 μέχρι σήμερα. Ωστόσο, τα υλικά που παράγονται με αυτό τον τρόπο έχουν βασικό περιορισμό: Τουλάχιστον μία διάσταση πρέπει να είναι πολύ μικρή, έτσι ώστε η θερμότητα να μπορεί να εξαχθεί αρκετά γρήγορα για να επιτευχθεί η αναγκαία ταχύτητα ψύξεως. Ως αποτέλεσμα, τα πρώτα κράματα υαλοποιήσεως θα μπορούσαν να παραχθούν μόνο ως λεπτές λωρίδες (τυπικά περίπου 50 μm πάχος), σύρματα, φύλλα, ή σκόνες. Παρά το γεγονός ότι κάποιες εφαρμογές (ιδίως αυτές που χρησιμοποιούν κράματα με μαγνητικές ιδιότητες) θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μεταλλικά γυαλιά, εντούτοις στις διαθέσιμες αυτές μορφές είναι μη πρακτικά Η παλαιότερη επίδειξη συμπαγών μεταλλικών υάλων έγινε από το Πανεπιστήμιο Harvard στη δεκαετία του 1980, όπου αποδείχθηκε ότι με τη χρήση μιας ροής για την απομάκρυνση των ακαθαρσιών, ένα γυαλί με βάση το παλλάδιο θα μπορούσε να παραχθεί σε πάχος μεγαλύτερο από ένα χιλιοστό. Πιο μεγάλη πρόοδος έγινε στις αρχές του 1990 (ιδίως στο Caltech και Πανεπιστήμιο Tohoku) με την ανάπτυξη των κραμάτων που μπορούσαν να σχηματίσουν γυαλιά σε πολύ χαμηλότερους ρυθμούς ψύξης (ένα βαθμό Κελσίου ανά δευτερόλεπτο ή και λιγότερο). Σήμερα, ένα ευρύ φάσμα κραμάτων γυαλιών είναι γνωστά. Βασίζονται σε κοινά στοιχεία όπως σίδηρος, χαλκός, τιτάνιο, μαγνήσιο, ζιρκόνιο, και πλατίνα. Αυτά τα κράματα μπορούν να παραχθούν με χρήση παραλλαγών μεταλλουργικών τεχνικών χύτευσης, αν και στις περισσότερες περιπτώσεις επεξεργασίας αυτή πρέπει να γίνει σε συνθήκες κενού ή υπό αδρανή ατμόσφαιρα για την αποφυγή μόλυνσης. Μια τεχνική (κοινή σε ερευνητικά εργαστήρια) είναι χύτευση αναρρόφησης (suction casting) Χύτευση σε καλούπι από χαλκό (Copper mould casting) Μια ράβδος στον άνω θάλαμο υπό αδρανή ατμόσφαιρα τήκεται με ηλεκτρικό τόξο και στη συνέχεια αναρροφάται μέσα σε ένα καλούπι όταν ο κατώτερος θάλαμος ανοίγεται για κενό. Μία από τις δυνητικά χρήσιμες ιδιότητες των μεταλλικών γυαλιών είναι ότι δεν

14 τήκονται απότομα σε σταθερή θερμοκρασία. Αντ 'αυτού, όπως και τα συνήθη γυαλιά οξειδίων, σταδιακά μαλακώνουν και ρέουν πάνω από ένα εύρος θερμοκρασιών. Με προσεκτικό έλεγχο της θερμοκρασίας, το ιξώδες του μαλακωμένου γυαλιού μπορεί να ελέγχεται με ακρίβεια. Αυτή η ικανότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει μεταλλικά γυαλιά σε πολύπλοκα σχήματα με τεχνικές παρόμοιες με εκείνες που χρησιμοποιούνται για τη χύτευση πολυμερών. Σχήμα 4.3 Σχηματική διάταξη Copper mould casting Μέθοδος εγκλείσματος σε σωλήνα από χαλαζία Όπως προαναφέραμε τα άμορφα μεταλλικά κράματα απαιτούν πολύ υψηλούς ρυθμούς ψύξης, της τάξεως Κs -1 ώστε η τελική τους δομή να είναι άμορφη. Στην περίπτωση που δεν επιτευχθούν υψηλοί ρυθμοί ψύξης σχηματίζεται πολυκρυσταλλικό στερεό. Η μέθοδος εγκλείσματος σε σωλήνα αποτελεί την πιο συνηθισμένη μέθοδος παραγωγής άμορφων μετάλλων. Στη μέθοδο αυτή το υλικό σφραγίζεται σε σωλήνα από χαλαζία, σε κενό 10-6 Torr, ο οποίος εισάγεται σε φούρνο ο οποίος βρίσκεται σε θερμοκρασία τέτοια που λιώνουν τα υλικά ώστε να σχηματιστεί διάλυμα και να αντιδράσουν οι ουσίες στο τήγμα. Στη συνέχεια ο σωλήνας ψύχεται με διάφορες μεθόδους. Είτε κλείνοντας τη

15 θέρμανση του φούρνου και αφήνοντας το υλικό να ψυχθεί εντός ή εκτός του φούρνου μέχρι την θερμοκρασία δωματίου, όπου οι ρυθμοί ψύξης είναι 1-10 Κ. Αν το υλικό πρέπει να ψυχθεί γρηγορότερα τότε γίνεται απευθείας βύθιση του σωλήνα σε νερό. Με την τεχνική αυτή οι ρυθμοί ψύξης φτάνουν τους Κ. Οι παράμετροι που επηρεάζουν το τελικό αποτέλεσμα είναι οι εξής: Α) Η θερμοκρασία φούρνου Β) Ο ρυθμός (ή μέθοδος) ψύξης. Γ) Ο όγκος του δείγματος στο σωλήνα. Δ)Το πάχος του τοιχώματος της κάψουλας. Η τελική μορφή των υλικών που παράγονται με αυτή την μέθοδο είναι συνήθως σφαιρική. Σχήμα 4.4 Μέθοδος εγκλείσματος σε σωλήνα από χαλαζία Splat quenching

16 Στην τεχνική αυτή που εικονίζεται στο σχήμα 4.5, σταγόνες λιωμένου κράματος μετάλλου πέφτουν και συνθλίβονται από ένα μεταλλικό έμβολο (Cu-Be). Με τον τρόπο αυτό παρασκευάζονται άμορφα μεταλλικά δισκία πάχους μm και διαμέτρου 5-40mm. Η άμορφη κατάσταση επιτυγχάνεται μέσω της απαγωγής θερμότητας κατά τη συμπίεση από τα μεταλλικά μέρη του εμβόλου και της βάσης που ο ρυθμός της είναι 10 5 με 10 7 Κ/s. Σχήμα 4.5 Διαδικασία splat quenching Τήξη με Βολταϊκό τόξο υπό κενό Όταν η θερμοκρασίες που απαιτούνται για την τήξη ενός μετάλλου είναι μεγάλες τότε καταφεύγουμε στη χρήση βολταϊκού τόξου. Η διάταξη του βολταϊκού τόξου αποτελείται συνήθως από 3 μέρη: (α) Τον θάλαμο όπου ενεργοποιείται το τόξο και τήκεται το υλικό. (β)την παροχής ηλεκτρικού ρεύματος η οποία συνδέεται με τα τα ηλεκτρόδια.

17 (γ) Το θάλαμο του κενού που περιλαμβάνει αντλίες και δοχεία πίεσης που περιέχουν Ar ή He. Ο θάλαμος που λαμβάνει χώρα η τήξη (Σχ. 4.6), έχει μεγάλη διάσταση και να ψύχεται επαρκώς, για να μην υπερθερμαίνεται από το δημιουργούμενο πλάσμα. Σχήμα 4.6 Διάταξη arc melting (διακρίνεται το καλούπι χαλκού (βάση) και η άνοδος Εμφάνιση βολταϊκού τόξου έχουμε όταν το ηλεκτρόδιο που αποτελεί την κάθοδο, πλησιάσει στην πλάκα χαλκού που αποτελεί την άνοδο και βρίσκεται από κάτω και πάνω στην οποία είναι τοποθετημένο το μέταλλο που θέλουμε να λιώσουμε. Κατά το πλησίασμα εφαρμόζεται υψηλή τάση ανάμεσα στα ηλεκτρόδια με αποτέλεσμα το ρεύμα που δημιουργείται να φτάσει τα εκατοντάδες Α και να ιονίσει τα άτομα του αερίου που βρίσκονται μέσα στο θάλαμο και να δημιουργηθεί πλάσμα ιόντων και ιονισμένων ηλεκτρονίων. Η αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες μπορούν να φτάσουν και τους ο C, με

18 αποτέλεσμα την τήξη του μετάλλου και την στερεοποίηση του με τη διακοπή του ηλεκτρικού τόξου (Σχ. 4.7). Σχήμα 4.7 Δημιουργία τόξου (α) και τελικό προϊόν (β) Μηχανική κραματοποίηση Η μηχανικής κραματοποίησης αποτελεί μια διαδικασία άλεσης με σφαίρες. Ένα μίγμα από σκόνες τοποθετείται σε ένα δοχείο και υφίσταται υψηλής ενέργειας συγκρούσεις από σφαίρες που υπάρχουν μέσα στο δοχείο. Συνήθως όλη η διαδικασία η γίνεται σε περιβάλλον αργού ή άλλης αδρανούς ατμόσφαιρας. Η ανάμειξη των κόνεων γίνεται με εναλλασσόμενες συμπιέσεις, καταπονήσεις, πλαστικές παραμορφώσεις και ενδοκρυσταλλικές θραύσεις. Αυτό που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κραματοποίησης είναι η επαναλαμβανόμενη συγκόλληση και θραύση του μίγματος κόνεων, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.8.

19 Σχήμα 4.8 Διαδικασία ανάμειξης και κονιορτοποίησης υλικών κατά τη μηχανουργική κραματοποίηση Η τεχνική αυτή ανακαλύφθηκε γύρω στα 1966 στα εργαστήρια της INCO. Αρχικά η τεχνική εφαρμόστηκε για την διασπορά οξειδίων με σκοπό την ενδυνάμωση των κραμάτων (μηχανοσύνθεση κραμάτων και κραμάτων αλουμινίου). Στη συνέχεια αφού εξελίχθηκε από την εταιρεία Jangg, η κραματοποίηση σε συνδυασμό με την χημική τεχνολογία χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή αλουμινίου ενισχυμένου με Al 4 C 3 και Αl 2 O 3. Μια τυπική διάταξη μηχανικής κραματοποίησης με χρήση σφαιρόμυλων εικονίζεται στο Σχήμα 4.9.

20 Σχήμα 4.9 Τυπική διάταξη μηχανικής κραματοποίησης με χρήση σφαιρόμυλων Η παρασκευή των άμορφων κραμάτων διαχωρίζεται στις παρακάτω κατηγορίες. Στη μηχανική κραματοποίηση των στοιχειακών κόνεων όπου η ενθαλπία των κραμάτων μειώνεται κατά τη διάρκεια της αμορφοποίησης μέσω της διάχυσης και στη μηχανική κραματοποίηση των κόνεων και των κραμάτων όπου το υλικό είναι θερμοδυναμικά ασταθές λόγω της αύξησης της ενθαλπίας του.

21 5.1 Βιβλιογραφία 1. Μυστηρίδου Εμμανουέλα, «Άμορφα Κράματα», Πανεπιστήμιο Πατρών (2010) 2. Πίσσας Βασίλειος, «Παρασκευή και χαρακτηρισμός νέων άμορφων συμπαγών κραμάτων για εφαρμογές σε μηχανικές και σε ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις»,, Πανεπιστήμιο Πατρών, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και τεχνολογίας Υπολογιστών, (2010) 3. Αθανάσιος Γεωργιόπουλος, Παρασκευή άμορφων και νανοδομημένων κραμάτων μέσω τήξεως στο βολταϊκό τόξο, Πανεπιστήμιο Πατρών, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Εργαστήριο Υλικών Υψηλής Τεχνολογίας, (2005). 4. Δημήτριος Παπαδόπουλος, «Μηχανική κραματοποίηση», Στρατιωτική επιθεώρηση Νοε- Δεκ L. Lu and M.O. Lai, Mechanical Alloying, 1998, Kluwer Academic Publishers, London/Dordrecht/Boston. 6. R. Elliot, Amorphous Μaterials (Longman, 1984) (πρόσβαση 5/2015) 8. (πρόσβαση 5/2015) 9. Γ.Δ Χρυσουλάκης, Δ.Ι. Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, (Παπασωτηρίου,2008). 10. Χροναίος Αλέξανδρος, «Μεταλλικό γυαλί-νέα εποχή στη Μεταλλουργεία», Περιοδικό «Περισκόπιο της Επιστήμης», Τεύχος 306, Ιούνιος-Αύγουστος 2006