Một số Các tính chất đặc biệt của hợp kim nguội nhanh

1. Tính chất từ mềm tốt

            Cấu trúc từ của vật liệu được quy định bởi tương tác trường tinh thể (dị hướng từ) và tương tác trường phân tử (tương tác trao đổi), do đó chịu ảnh hưởng rất mạnh của trật tự nguyên tử. Trong các vật liệu tinh thể, trật tự xa của các nguyên tử làm cho các tính chất của hợp chất có tính dị hướng (nhưng đồng nhất): các mômen từ sắp xếp cộng tuyến (song song hoặc phản song song) dọc theo các phương từ hóa dễ.

Các vật liệu vô định hình thông thường là các hợp kim trong đó có thành phần kim loại chuyển tiếp (Fe, Co, Ni...) có từ tính và có các thành phần tạp á kim   ( P, B, C, Si ...) đóng vai trò ổn định trạng thái vô định hình là thành phần không có từ tính. Hiện nay, các vật liệu VĐH được đánh giá là những vật liệu có tính từ mềm rất tốt. Trong các vật liệu vô định hình, dị hướng từ có tính địa phương, tức là mỗi một vùng trật tự gần có một phương dễ từ hóa riêng biệt. Khi đó, nếu năng lượng dị hướng từ nhỏ hơn năng lượng tương tác trao đổi, sự sắp xếp của các mômen từ sẽ được quyết định bởi tương tác trao đổi, và có cấu trúc cộng tuyến. Trong trường hợp năng lượng dị hướng từ lớn hơn năng lượng tương tác trao đổi, các mômen từ sẽ sắp xếp hỗn độn theo sự phân bố của các trục từ hóa dễ địa phương ở trong vật liệu, điều này đồng nghĩa với việc dị hướng từ thấp. Cơ sở tính từ mềm liên quan đến quá trình từ hóa trong từ trường thấp và các quá trình quay các mômen từ trong các đômen. Một cách đơn giản có thể coi sự sắp xếp hỗn loạn của các nguyên tử không tạo nên tính dị hướng do đó các mômen Spin có thể dễ dàng quay dần dần trên toàn mẫu bằng các năng lượng khử từ. Do vậy, nguyên nhân chính dẫn đến tính mềm tốt của VĐH là sự vắng mặt của dị hướng từ, nói chính xác hơn là dị hướng từ thấp [2, 7, 8].

2. Nhiệt độ curie

Ngoài các thông số như mômen từ, từ độ bão hòa, lực kháng từ... các hợp kim vô định hình còn được đặc trưng bởi nhiệt độ Curie. Khi qua nhiệt độ curie thì chất sắt từ mất hết tính chất sắt từ của nó và trở thành chất thuận từ. Mô men từ của vật liệu ở không độ tuyệt đối không nhỏ hơn nhiều so với vật liệu khối ở dạng tinh thể nhưng nhiệt độ Curie của chúng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ Curie của vật liệu tinh thể, tuy nhiên T_C của chúng vẫn còn khá cao. Ví dụ, với hợp kim vô định hình Fe – Co thì nhiệt độ Curie T_C cỡ  600 – 800K. Các hợp kim vô định hình có nhiệt độ Curie thay đổi mạnh theo thành phần, T_C giảm một cách đơn điệu khi hàm lượng á kim tăng. Tuy nhiên khi hàm lượng á kim tăng quá cao lại làm cho tính từ mềm xấu đi. Chính vì vậy tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta tìm cách thay thế  một phần các nguyên tử Fe bằng các nguyên tử kim loại khác khác nhằm thu được hợp kim có T_C thấp và từ độ bão hòa cao. Giá trị T_C trong hợp kim VĐH thấp hơn nhiều so với trường hợp tinh thể là do có sự thăng giáng mạnh của tích phân trao đổi đặc biệt ở vùng nhiệt độ cao. Do có tính đồng nhất cao về cấu trúc nên hợp kim VĐH có chuyển pha tại nhiệt độ T_C sắc nét, đây là một điều kiện tốt để vật liệu có thể cho biến thiên entropy từ lớn [4, 8]. Nhiệt độ curie trong các hợp kim vô định hình được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh đơn trục còn phụ thuộc vào tốc độ quay của trống đồng. Nhiệt độ T_C của các hợp kim nền Fe giảm dần theo chiều tăng của tốc độ trống đồng [2].

3. Một số tính chất cơ học của vật liệu vô định hình

a. Độ cứng và độ bền vững.

            Đặc điểm quan trọng của kim loại vô định hình là có thể có độ cứng cao và độ bền vững cao. Độ cứng và độ bền vững thay đổi là do sự phụ thuộc vào thành phần hoá học của hợp kim. Ví dụ trong hợp kim với kim loại nền là nhóm sắt như Fe, Co, Ni thì độ cứng có thể đạt giá trị trên 1000 và độ bền cao hơn 4,0 GN/m². Số liệu này cao hơn giá trị cực đại về độ cứng và độ bền vững của các vật liệu kim loại đang được sử dụng hiện nay.

Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính bền vững của hợp kim vô định hình là thành phần hoá học của nó. Trong các hợp kim có cùng nguyên tố kim loại cơ bản thì tính chất bền vững biến đổi phụ thuộc vào loại và số lượng nguyên tử á kim mà những nguyên tử này làm giảm bớt tính vô định hình của hợp kim.

              Nếu trong hợp kim vô định hình kim loại  mật độ nguyên tử á kim mà không thay đổi thì độ cứng và độ bền sẽ có thể điều tiết được bằng cách cho thêm nguyên tố kim loại vào hợp kim.

b. Ăn mòn hoá học

Ngay từ những năm 40 của thế kỉ 20 người ta đã biết hợp kim Nikel hoặc Coban với hàm lượng 10 - 30% nguyên tử phốt pho và nhận nó được bằng cách điện phân trong dung dịch axits phốtphorit là một hợp kim vô định hình. Nhưng vì sản xuất hợp kim vô định hình thời đó bằng phương pháp điện phân còn có những hạn chế nhất định như thành phần mà hợp kim nhận được. Những khảo sát này khi ấy không nhận được sự phát triển đúng mức  và sớm đi vào quên lãng.

            Từ cách nhìn của các nhà hoá học ta thấy kim loại vô định hình là một loại vật liệu mới cho các đặc tính, cấu trúc hoàn toàn khác với cấu trúc tinh thể như biên giới hạt, biến vị... không tồn tại trong kim loại vô định hình. Thêm vào nữa, do tốc độ làm nguội quá nhanh nên cấu trúc của kim loại vô định hình gần với sự đồng nhất lí tưởng.

            Có thể nói rằng cấu trúc của kim loại vô định hình là cấu trúc rắn đồng nhất tốt hơn cả mà ta nhận được hiện nay. Ta lại biết rằng sự ăn mòn của các vật liệu tinh thể trong tự nhiên thường bắt đầu bị ăn mòn ở những chỗ bề mặt ngoài, mà ở đó thể hiện tính không đồng nhất hoá học. Ngược lại ta lại thấy với kim loại vô định hình là hợp kim loại rất bền vững với sự ăn mòn, bởi vì chúng có thành phần hoá học hoàn toàn đồng nhất.

c. Tính chất điện

Điện trở suất của các hợp kim vô định hình lớn hơn so với điện trở suất của hợp kim đó ở trạng thái tinh thể khoảng 3 – 5 lần. Hệ số nhiệt độ của điện trở suất của hợp kim ở trạng thái vô định hình lại nhỏ hơn tới 10 lần so với trạng thái tinh thể và trong một khoảng nhiệt độ nào đó, hệ số nhiệt của trạng thái vô định hình có thể có giá trị âm. Giới hạn về nhiệt độ của trạng thái vô định hình trùng với nhiệt độ Curie. Điện trở suất lớn của hợp kim VĐH rất có ý nghĩa khi nghiên cứu vật liệu từ nhiệt, điện trở suất lớn sẽ làm giảm tổn hao dòng phucô [5].