Amorphe Metalle oder metallische Gläser sind eine relativ junge Werkstoffgruppe mit speziellen chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften.
Aufbau und Eigenschaften amorpher Metalle
In herkömmlichen Metallen sind die Atome regelmäßig angeordnet, diese Metalle sind kristallin. Die Atome amorpher Metalle sind dagegen ungeordnet, ähnlich wie in einer Flüssigkeit oder Schmelze. Da das für Glas typisch ist, bezeichnet man amorphe Metalle auch als metallische Gläser.
Für Metalle ist der amorphe Zustand bei höheren Temperaturen instabil. Durch Erwärmung tritt oberhalb einer legierungsspezifischen Temperatur (40-60% der Schmelztemperatur) Kristallisation ein.
Eigenschaften amorpher Metalle
Durch die amorphe Struktur werden gegenüber den kristallinen Metallen veränderte interessante Eigenschaften erzielt z. B. höhere Festigkeit, größere Korrosionsbeständigkeit oder sehr gutes weichmagnetisches Verhalten. Für eine amorphe Erstarrung sind besonders geeignet bestimmte Legierungen aus Übergangsmetallen oder Edelmetallen mit Nichtmetallen oder Halbmetallen. Die günstigen Legierungsbereiche befinden sich im Zustandsdiagramm in der Regel in der Nähe von eutektischen Zusammensetzungen.
Die innovative Materialklasse zeigt eine Vielzahl von bisher unvereinbaren Eigenschaften und macht sie für zahlreiche Hightech-Anwendungen interessant. Sie sind schockabsorbierend, kratzfest und haben auch noch sehr gute Federeigenschaften – interessant zum Beispiel für langzeitstabile Membranen bei Einspritzdüsen, bruchsichere und leichtere Gehäuse für Smartphones oder scharfe, langlebige Skalpelle und minimalinvasive Instrumente.
Herstellung amorpher Metalle
Das erste amorphe Metall wurde um 1960 am California Institute of Technology hergestellt. Man verwendete eine Legierung aus Gold und Silizium im Verhältnis 3:1, die sehr nahe am eutektischen Punkt (19 % Silizium) lag. Der Schmelzpunkt dieser Mischung beträgt etwa 500°C (zum Vergleich: reines Gold schmilzt bei 1063 °C, reines Silizium bei 1412°C). Die Legierung bleibt also auch bei relativ niedrigen Temperaturen flüssig, was die Glasbildung begünstigt.
Zur Herstellung amorpher Metalle wurden in den letzten Jahren metallurgische Verfahren entwickelt, mit denen sich direkt aus der Schmelze dünne Bänder erzeugen lassen. Schreckt man das flüssige Metall extrem rasch ab, dann friert die ungeordnete Atomstruktur der Schmelze gewissermaßen ein. Beim Gießprozess wird deshalb die 1300°C heiße Schmelze auf eine mit 100 km/h rotierende Kühlwalze gedrückt. Der Abstand zwischen Schmelztiegel und Walze beträgt dabei häufig nur 0,1 mm. In einer Tausendstelsekunde kühlt die Schmelze beim Auftreffen auf die kühle Walze um mehr als 100 °C ab – rein rechnerisch ergibt dies eine Abkühlung von einer Million Kelvin pro Sekunde.
Wegen dieser extrem hohen Abkühlrate können keine Kristalle im Material wachsen, so dass der amorphe Zustand auch bei Raumtemperatur erhalten bleibt. Das rasch erstarrte amorphe Metallband wird von der rotierenden Walze während des Flugs aufgefangen und auf einer Haspel aufgerollt. Auf diese Weise entsteht ein dünnes Metallband.
Abb. 1 Sicherungsetikett a) Aufbau, b) Anwendung, c) das Innere (vergrößert)
Anwendung für die Sicherheit
Eine interessante und auch wichtige Anwendung finden amorphe Metalle in Sicherungsetiketten (Abb. 1). Gegenwärtig befinden sich verschiedene elektronische Warensicherungen auf dem Markt, wobei harmonische und akustomagnetische Systeme die wichtigste Rolle spielen.
Bei beiden Systemen ist ein Streifen aus einem amorphen Metall das Herzstück des Etikettes (Abb. 1a). Die Streifen in Sicherungsetiketten bestehen heute typischerweise aus einer amorphen Eisen-Nickel-Kobalt-Silizium-Bor-Legierung. Ein Sicherungsetikett besteht aus einer kleinen weißen Kunststoffbox, in der sich ein dünner Streifen amorphen Metalls sowie ein hartmagnetischer Metallstreifen befinden. Ersterer ist frei beweglich gelagert (Abb. 1c) und magnetostriktiv, das heißt er verändert unter dem Einfluss eines Magnetfeldes seine Länge.
In einem Wechselfeld beginnt diese amorphe Plättchen zu schwingen und erzeugt nun seinerseits ein Magnetfeld – und damit das Signal. Und dieses Signal kann erfasst werden und bei unbezahlter Ware am Ladenausgang ein Alarm auslösen. Damit spielen amorphe Metalle eine entscheidende Rolle bei Warensicherungssystemen.<<
