2013. október: jegyzet, portré, startup, tudomány, nanotechnológia, paragrafus, innováció, it, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, megújuló energia
2013. október 2.

Szerző:
Varga Lajos Károly

MTA Wigner FK SZFI • szfki.hu

Nemegyensúlyi ötvözetek mágneses és gépészeti alkalmazása

A nemegyensúlyi ötvözetek kutatásai új anyagcsaládokat hoztak létre, melyek lehetővé teszik meleg­szilárd szerkezeti ötvözetek alkalmazását a gépészetben, valamint magas hőmérsékleten és nagyfrekvencián működő mágneses anyagok alkalmazását a teljesítményelektronikában. Az alábbiakban ezeknek az anyagoknak a történetét, és az MTA Wigner FK SZFI-ben folyó fejlesztő kutatását ismertetjük.


Varga Lajos Károly tudományos főmunkatárs

A hagyományos fémötvözetek kristályosak, és csak az utóbbi ötven évben ismerkedtünk meg az amorf – szerkezetükben folyadékra hasonló – fémötvözetekkel. Az amorf szerkezet azonban nem stabil, termikus vagy mechanikai gerjesztésre átkristályosodik, ezért nemegyensúlyi ötvözeteknek nevezzük őket. Tiszta fémet nem sikerült amorf szerkezetben előállítani. A tiszta fémhez úgynevezett amorfképző elemeket kell ötvözni ahhoz, hogy olvadékból való gyorshűtéssel amorf szerkezetet állítsunk elő. Például a vashoz bórt, foszfort vagy szenet adagolva kétkomponensű Fe-metalloid összetételű amorf ötvözetet, más néven fémüveget kapunk. A gyakorlatban fontos fémek (vas, nikkel, réz és alumínium) amorf állapotba hozható korai átmeneti fémek (Zr, Hf, valamint ritkaföldfémek, Y és a lantanidák) adalékolásával is.

Kezdetben ezeket a binér (kétalkotós) és ternér (háromalkotós) ötvözeteket csak vékony (jellemzően 20 mikrométeres) szalag formában tudták előállítani, mert csakis ez az alak biztosította a nagy hűlési sebességet, amivel el lehetett kerülni a megszilárdulás közbeni kikristályosodást. Később sikerült három és annál több komponens összeötvözésével tömbi amorf szerkezetet előállítani, némely esetben centiméteres vastagságban is. A vékony szalagot csak mágneses alkalmazásokra lehetett használni szenzoranyagként és toroid (gyűrűs) alakú mágneses vasmagként. A tömbi amorf ötvözetek megjelenésével megnyílt az út néhány mechanikai alkalmazás előtt is. Golfütők és nagy szilárdságú mikromechanikai alkatrészek kerültek kereskedelmi forgalomba, de igazi áttörést nem sikerült elérni a szerkezeti anyagok piacán, mert a fémüveg anyag – nevének megfelelően – törékeny. Saját fejlesztő kutatásaink az amorf képződési hajlamra és a vas alapú tömbi amorf ötvözetek előállítására irányulnak.

A termikus instabilitás 300–500 °C felső hőmérsékleti korlátot jelöl ki az amorf anyagok többsége számára. Kitörési lehetőséget e korlát alól a nanokristályos ötvözetek felfedezése jelentett 25 évvel ezelőtt. Az egyik legolcsóbb, Fe-Si-B (vas-szilícium-bór) összetételű, fémüveghez szemcsekiválást elősegítő rezet és szemcsenövekedést gátló nióbiumot adalékoltak alig néhány atomszázalék mennyiségben, majd az amorf szerkezetű szalagot 500–600 °C között hőkezelésnek vetették alá, aminek eredményeképpen 70 térfogatszázalékban 10-20 nanométeres szemcsék váltak ki a visszamaradt amorf mátrixban. A Fe80Si20 összetételű nanoszemcsék helyi anizotrópia változásait az úgynevezett kicserélődési kölcsönhatás kiátlagolja, kisimítja, ugyanakkor a két fázis ellentétes előjelű magnetostrikciós együtthatóinak súlyozott átlaga is zérus lesz. Ez a két tényező teszi lehetővé a kiváló, mondhatni világrekord lágymágneses tulajdonságok (legkisebb koercitív tér és legnagyobb mágneses permeabilitás) létrejöttét. Ennek a Japánban kidolgozott ötvözetnek a kereskedelmi neve Finemet, és lassan, de biztosan kiszorítja a ferrit és porvasmagokat egy sor alkalmazásból. Viszonylagos olcsósága mellett (20-30 EUR/kg) külön előnye, hogy a mágnesezési (hiszterézis) görbéje széles határok között alakítható mágnesteres és feszültség alatti hőkezeléssel. Például a permeabilitás értéke 60 és 600 ezer között, a mágnesezési görbe linearitása pedig 10 és 10 ezer A/m között változtatható, miközben a koercitív tér 0,3–3 A/m értékek között tartható. A hiszterézis görbe előre tervezhető a nagyfrekvenciás (MHz-es) és magas hőmérsékletű (250 °C) alkalmazásokhoz, ami elengedhetetlen feltétele az egyre jobban terjedő villamos autókban és az elektromosan vezérelt repülőgépekben való mágneses alkalmazásoknak. Ezeket a vasmagokat milliós tételben gyártja a Magnetec Kft. Gyöngyösön. Saját kutatásaink a hiszterézis görbe tervezésére irányulnak, az összetétel és a hőkezelések megfelelő megválasztásával.

Végül megemlítjük a közel tíz éve ki­fej­lesztett nagy entrópiájú ötvözeteket, mint a legutóbbi nemegyensúlyi ötvözetet. Ez a Tajvanban kidolgozott új ötvözet több- (legkevesebb öt) komponensű, és az összetevők közel azonos koncentrációban vannak jelen. A sok ötvöző megnöveli az úgynevezett konfigurációs entrópiát, ami stabilizálja szilárd állapotban is az olvadékállapotra jellemző oldatszerkezetet. Ez a szilárd oldat atomi szinten nincs egyensúlyi helyzetben a komponensek eltérő atomsugara és a köztük lévő vegyületképzési hajlam miatt. A szilárd oldat egy átlagos kristályszerkezettel jellemezhető, így az ötvözet rendelkezik a kristályos anyagokra jellemző alakíthatósággal, ugyanakkor az amorf szerkezetre jellemző szilárdsággal. A nemegyensúlyi szilárd oldat magas hőmérsékletig (700-800 °C-ig) fenntartható, így valódi melegszilárd szerkezeti anyag állítható elő, amely ugyanakkor korrózió- és kopásálló.
Ezen anyagok tulajdonságainak elméleti értelmezése és a gyakorlati alkalmazások felkutatása folyik az MTA Wigner FK SZFI-ben.•

 
2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

2018. november – Közlekedésfejlesztési különszám

Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018

Innotéka