От 2 мм до 2 см: аморфные сплавы преодолевают предел толщины

Аморфные сплавы похожи на углеродное волокно 2000 года: сегодня это роскошь, а завтра незаменимый материал.

В то время как традиционные металлы сохраняют упорядоченную кристаллическую структуру, революционный материал меняет форму материаловедения: аморфные сплавы, которые любители научной фантастики часто называют «жидким металлом». Благодаря хаотическому расположению атомов они обладают исключительными свойствами, превосходящими обычные металлы: сверхвысокой прочностью (1600-2200 МПа), экстремальной твердостью (500-600 Hv), исключительным пределом упругости (2%) и превосходной коррозионной стойкостью.

После трех десятилетий прорывных исследований и разработок аморфные сплавы превратились из лент Hitachi Metals толщиной в микрон до китайских предприятий, производящих блоки толщиной 2 см при охлаждении со скоростью до миллиона градусов в секунду. Увеличение толщины сопряжено с экспоненциально большими трудностями, поскольку технические режимы совершенно разные.

По мере увеличения толщины растет число применений в промышленности: складные петли для телефонов, корпуса умных часов, корпуса двигателей, искусственные кости и даже электроды, интерфейсные электроды мозг-компьютер. Этот некогда попавший в лабораторию «жидкий металл» оправдывает свое обещание перейти от роскоши к необходимости.

Атомный код аморфных сплавов

История началась 3 сентября 1960 года, Природастатья «Некристаллическая структура затвердевших золото-кремниевых сплавов». Американский профессор Дювез случайно обнаружил, что расплавленный сплав, охлажденный со скоростью ~1 000 000 °C/сек, «замораживает» атомы до неупорядоченных состояний перед кристаллизацией, создавая первый аморфный сплав человечества. Чтобы справиться с атомным хаосом, необходимо преодолеть термодинамические и кинетические барьеры — все равно что лепить лед во время извержения вулкана.

На микроскопическом уровне:

• Традиционные металлырасположить атомы в дисциплинированных кристаллических решетках.
• Аморфные сплавынапоминают атомную импровизацию — нет повторяющихся паттернов («дальнобойное расстройство»), наблюдаемое даже в наномасштабе. Атомы остаются «замороженными» в случайном состоянии, подобном жидкости.

Эта неупорядоченная структура раскрывает непревзойденные свойства:

• Сверхвысокая прочность: 1500—2200 МПа (лабораторный рекорд: 6000 МПа), что превышает значение стали (100—1300 МПа), нержавеющей стали (200 МПа) и титановых сплавов (900 МПа).
• Чрезвычайная твердость: 500—600 Hv (лабораторный рекорд: 1800 Hv), превосходящий нержавеющую сталь (200 Hv) и титан (400 Hv).
• Высокая эластичность: Предел упругости до 2% (теоретический максимум: 4,2%) по сравнению с 0,6% для титана/нержавеющей стали.
• Коррозионная стойкость: Отсутствие границ зерен предотвращает коррозионные пути.
• Легкий: на 13— 34% легче нержавеющей стали аналогичного состава.
• Дополнительные свойства: Антибактериальные свойства, биосовместимость, каталитическая активность и адсорбционная способность.

Эволюция за три десятилетия: от микронных лент до сантиметровых блоков

(1) 2000-е годы: ленты толщиной в микрон для силовых ядер​

Первоначальная индустриализация использовала сплавы на основе железа методом «прядения расплава», в результате чего производились ленты толщиной 20—80 мкм. Они заменили кремнистую сталь в сердечниках трансформаторов, что позволило сократить потери холостого хода на 70— 80%.

(2) 2010-е годы: миллиметровые полосы для тонкостенных применений​

Появились сплавы на основе циркония, обработанные методом «вакуумного литья под давлением» до толщины ≤2 мм. Высокая стоимость ограничивает использование компонентов 3C премиум-класса.

(3) 2020-е годы: сантиметровые блоки обеспечивают широкое применение​

Фирмы-новаторы преодолели порог в сантиметре, используя сплавы на основе циркония, титана и меди. Усовершенствованное литье под давлением с защитой от атмосферных воздействий повысило урожайность и снизило затраты за счет расширения производства бытовой электроники, медицинского оборудования, машиностроения и аэрокосмической промышленности.

Глобальная гонка: доминирование лент и прорывы в производстве сыпучих материалов

Аморфные сплавы делятся на две области с разными технологиями, областями применения и лидерами рынка:

• Ленты (на основе железа): В первую очередь для распределения питания (например, сердечников трансформаторов).
• Сыпучие материалы (на основе циркония/титана/меди): Для структурных компонентов.

(1) Производство лент: лидирует Китай​

Японская компания Hitachi Metals (первопроходец 1977 года) доминирует в мире с годовой производительностью 100 000 тонн (доля рынка 20%). В настоящее время на долю Китая приходится 70% мировых поставок:

• Циндао Юньлу: грузоподъемность более 100 000 тонн; доля в мире 40%.
• Ametek: грузоподъемность более 50 000 тонн; доля в мире составляет 10%.

Китайские данные за 2024 год:

• Объем производства лент 14,5 дюйма (+23,9% г/г).
• Экспортировано ~ 90 000 тонн (в основном в Юго-Восточную Азию).
• Нанокристаллический сплав (производное ленты): выпуск 40 000 тонн (60% мировой доли).

(2) Сыпучие материалы: огромный потенциал​

Американская компания Liquidmetal Technologies впервые разработала объемные сплавы циркония и титана. Такие проблемы, как хрупкость, сложность обработки и высокая стоимость (например, циркониевые сплавы: более 2000 йен за кг), ограничивают коммерциализацию. Текущий внутренний рынок: около 1 миллиарда йен, прогнозируется экспоненциальный рост.

В число китайских новаторов входят:

• Новая технология материалов Jiangsu Chaos
• Жидкий металл Чанчжоу Шицзин
• Металлические материалы Дунгуань Ихао
• Шанхайская металлургическая технология Chisheng

Заметное развитие: Huawei и Jiangsu Chaos совместно запатентовали технологию аморфного сплава на основе циркония для складных петель устройств (2025 г.).

Технический прорыв: порог в 2 см

«Литье под давлением с защитой от атмосферы полного цикла». Этот процесс:

• Обеспечивает равномерное охлаждение со скоростью миллион градусов в секунду.
• Поддерживает среду со сверхнизким содержанием кислорода.
• Решает проблемы охлаждения сердечника толстых профилей.
• Обеспечивает точность размеров ± 0,02 мм (превосходит MIM, конкурирующий с ЧПУ).
• Исключает вторичные процессы (спекание/термическая обработка).

Ключевые свойства:

• Погружение в морскую воду: нулевая коррозия через 2 года.
• 20% -ная соляная кислота: выдерживает 3-месячное воздействие.
• Коррозионная стойкость: в 10 раз превосходит нержавеющую сталь 316.

Приложения Ignite: рынок стоимостью миллиард юаней

Складные устройства лидируют во внедрении:

• В моделях Huawei Mate X (2019) и Mate XTS (2025) используются циркониевые петли.
• Аморфные петли выдерживают более 500 000 складок (2 раза больше традиционных металлов).
• Поставки складных изделий из Китая в 2025 году: 9,47 млн единиц (рынок материалов для петель: ~ 1 млрд йен).

Расширение приложений:

• Автомобильная: Защелки, ручки, петли.
• Носимые устройства: Чехлы для умных часов.
• Промышленный: Корпуса двигателей (на 15— 20% легче), гибкие шлицы гармонического привода.
• Медицинское: Костные имплантаты (ускорение остеоинтеграции на 50%), хирургические инструменты без тремора.
• Нейротех: Электроды интерфейса мозг-компьютер.

Прогноз рынка: Спрос на циркониевые сплавы будет расти на 30— 40% в год и превысит 10 миллиардов йен через 3—5 лет.

Эра сантиметров начинается

Аморфные сплавы вступили в «эру сантиметров»: от случайного открытия Дювеза до доминирования Hitachi на рынке лент, а теперь и прорывов в области производства сыпучих материалов в Китае. Они уже давно перестали быть предметом лабораторных исследований, а стали незаменимым помощником во всех отраслях, создавая более легкое, прочное и умное будущее.

Как отмечает Чжан Цидун («Хаос Цзянсу»): «Аморфные сплавы сегодня отражают углеродное волокно 2000 года — завтрашняя необходимость, порожденная сегодняшней роскошью».

‍
Компания Baohui Steel с ограниченной ответственностью

Компания «Баохуэй Стил Лимитед» зарекомендовала себя как ведущий экспортер ориентированной кремнистой стали и аморфных материалов с мощной клиентской базой в трансформаторной промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам сердечники из аморфного железа в настоящее время меняют ландшафт развития трансформаторного сектора. Являясь производителем или переработчиком трансформаторов, мы готовы предоставить вам комплексные решения в области материалов и услуг по обработке, которые позволят вам получить конкурентное преимущество в этой быстро развивающейся отрасли.