JP2008514815A

JP2008514815A - Cheap amorphous steel

Info

Publication number: JP2008514815A
Application number: JP2007533779A
Authority: JP
Inventors: ベッチオ、ケネス・エス．; チェニー、ジャスティン
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2008-05-08
Also published as: WO2006037093A3; EP1794337A4; US20110284135A1; CA2577718A1; CN101014728A; WO2006037093A2; KR100933849B1; KR20070045324A; EP1794337A2; US20070253856A1; CN101014728B; KR20090092346A

Abstract

鉄基バルク金属ガラス材料または非晶質鋼の設計および製造方法ならびに組成物。記載した組成物に基づくバルク金属ガラスの例はおよそ５９〜７０原子％の鉄を含みこれはおよそ１０〜２０原子％の半金属元素およびおよそ１０〜２５原子％の耐火金属と共に合金化される。非晶質鋼は図１に示すようなＸ線回折パターンを示す。組成物は液相線温度の理論計算を用いて設計することができ、降下した液相線温度を維持している一方で十分な量の耐火金属を含む。合金化元素はモリブデン、タングステン、クロム、ホウ素、および炭素である。得られる合金の一部は室温で強磁性であるが、他は非強磁性である。これら非晶質鋼は、従来の高強度鋼と比較して高い比強度および耐腐食性を有している。
【選択図】図１Design and manufacturing method and composition of iron-based bulk metallic glass material or amorphous steel. Examples of bulk metallic glasses based on the described composition include approximately 59-70 atomic percent iron, which is alloyed with approximately 10-20 atomic percent metalloid elements and approximately 10-25 atomic percent refractory metal. Amorphous steel exhibits an X-ray diffraction pattern as shown in FIG. The composition can be designed using a theoretical calculation of the liquidus temperature and contains a sufficient amount of refractory metal while maintaining a lowered liquidus temperature. The alloying elements are molybdenum, tungsten, chromium, boron, and carbon. Some of the resulting alloys are ferromagnetic at room temperature, while others are non-ferromagnetic. These amorphous steels have higher specific strength and corrosion resistance than conventional high-strength steels.
[Selection] Figure 1

Description

本願は「安価な非晶質鋼」の名称で２００４年９月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／６１３，７８０号の優先権を主張する。 This application claims priority from US Provisional Patent Application No. 60 / 613,780, filed Sep. 27, 2004, under the name “Inexpensive Amorphous Steel”.

背景
本願は非晶質金属元素およびバルク金属ガラス（ＢＭＧ）の組成物に関する。 BACKGROUND This application relates to compositions of amorphous metallic elements and bulk metallic glass (BMG).

複数成分でつくられた非晶質金属材料は、非晶質構造を有する非晶質であり、また「金属のガラス」材料としても知られている。これらの材料は、構造および挙動において、結晶構造を有する多くの金属材料と非常に異なっている。特に、非晶質金属材料は通常、同一または類似組成の結晶質合金よりも強度がある。バルク金属ガラスは液体状態から直接、いかなる結晶相も持たずに形成される特殊な種類の非晶質材料または金属ガラスであり、低速な臨界冷却速度（例えば１００Ｋ／ｓ未満）、高い材料強度、および高い耐腐食性を示す。バルク金属ガラスは種々の方法、例えば、複数成分の原子が配列して結晶構造を形成するのに十分な時間がない速度での溶融合金の急速固化により製造することができる。高い非晶質形成性をもつ合金はより低速で冷却することが可能で、それにより大きな体積にすることができる。合金の非晶質形成性は、熱特性、すなわちガラス転移温度と結晶化温度との関係により、および液相線温度と理想溶液融点との差により説明される。非晶質形成性は、ガラス転移温度と結晶化温度との差が増大した場合、および液相線温度と理想溶液融点との差が増大した場合に増加する。 Amorphous metallic materials made of multiple components are amorphous having an amorphous structure and are also known as “metallic glass” materials. These materials are very different in structure and behavior from many metallic materials having a crystalline structure. In particular, amorphous metal materials are usually stronger than crystalline alloys of the same or similar composition. Bulk metallic glass is a special kind of amorphous material or metallic glass that is formed directly from the liquid state without any crystalline phase, and has a low critical cooling rate (eg less than 100 K / s), high material strength, And high corrosion resistance. Bulk metallic glasses can be produced in a variety of ways, for example, by rapid solidification of a molten alloy at a rate that does not have sufficient time to arrange a plurality of component atoms to form a crystalline structure. Alloys with high amorphous formability can be cooled at a slower rate, thereby allowing for larger volumes. The amorphous formability of the alloy is explained by the thermal properties, ie the relationship between the glass transition temperature and the crystallization temperature, and the difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting point. Amorphous formability increases when the difference between the glass transition temperature and the crystallization temperature increases and when the difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting point increases.

非バルク金属ガラスの製造に適した種々の既知な鉄基の非晶質合金組成物は、比較的限定的な非晶質形成性を有し、様々な用途、例えば変圧器、センサー用途、ならびに磁気記録ヘッドおよびデバイスに用いられる。これらのおよびその他の用途は、生産する必要がある非晶質合金のサイズや体積に関して限定的な需要を有する。対照的に、鉄基バルク金属ガラスは、より低速な冷却速度で製造されるように調合することができ、より厚い部材やより複雑な形状を形成することを可能にする。これらの鉄基ＢＧＭは従来の結晶構造をもつ高強度材料をはるかに超える強度および硬度を有し、したがって、高い強度や硬度または高い形成性が要求される用途において構造材料として用いることができる。 Various known iron-based amorphous alloy compositions suitable for the production of non-bulk metallic glasses have relatively limited amorphous formability and are used in various applications such as transformers, sensor applications, and Used in magnetic recording heads and devices. These and other applications have limited demands regarding the size and volume of amorphous alloys that need to be produced. In contrast, iron-based bulk metallic glasses can be formulated to be produced at slower cooling rates, allowing thicker parts and more complex shapes to be formed. These iron-based BGMs have strengths and hardness far exceeding those of conventional high-strength materials, and can therefore be used as structural materials in applications where high strength, hardness, or high formability is required.

ある鉄基バルク金属ガラスは、５０〜７０原子％の範囲の鉄濃度を用いて作られている。半金属元素、たとえば炭素、ホウ素、リンは、耐火金属と共にバルク非晶質合金を形成するために用いられる。合金はミリメートルからの範囲のサイズのシートまたはシリンダーのボリュームにつくることができる。.６オーダーの換算（ｒｅｄｕｃｅｄ）ガラス転移温度および、およそ20Ｋを超える過冷却液体域は、鉄基合金の高い非晶質形成性を示している。 Some iron-based bulk metallic glasses are made using iron concentrations in the range of 50-70 atomic percent. Metalloid elements such as carbon, boron and phosphorus are used to form bulk amorphous alloys with refractory metals. Alloys can be made into sheet or cylinder volumes with sizes ranging from millimeters. A reduced glass transition temperature on the order of .6 and a supercooled liquid region above about 20K indicates the high amorphous formability of the iron-based alloy.

概要
本願は、非常に高い鉄の含有率と高いガラス形成性を持ち、バルク金属ガラス形成に適した鉄基非晶質鋼合金の組成ならびに設計および製造技術を記述する。例えば、本願記載のバルク金属ガラスに適した組成は、５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の半金属元素と、１０〜２５原子％の耐火金属を含み、鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。１つの典型的な鉄基金属ガラス材料の組成は、
Ｆｅ_{７８―ａ―ｂ―ｃ}Ｃ_ｄＢ_ｅＣｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃ
であり、ここで（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０(例えば２〜１０)であり、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。１つの具体例は、Ｆｅ_{７８―ａ―ｂ―ｃ}Ｃ₁₂Ｂ₁₀Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃである。 SUMMARY This application describes the composition and design and manufacturing techniques of iron-based amorphous steel alloys that have a very high iron content and high glass formability and are suitable for bulk metallic glass formation. For example, a suitable composition for the bulk metallic glass described herein includes 59-70 atomic percent iron, 10-20 atomic percent metalloid elements, and 10-25 atomic percent refractory metal, iron and semimetal. Elements and refractory metals are alloyed together to form an amorphous phase material. The composition of one typical iron-based metallic glass material is
_{_{_{Fe 78-a-b-c}}} C d B e Cr a Mo b W c
Where (a + b + c) ≦ 17, the range of “a” is 0-10 (eg, 2-10), “b” is 2-8, and “c” is 0 to 6, "d" is 10 to 20, and "e" is 3 to 10. The values for a, b, c, d, and e are selected such that the atomic percentage of iron exceeds 59 atomic%. One specific example is Fe _78-abc C ₁₂ B ₁₀ Cr _a Mo _b W _c .

上記組成に基づくバルク金属ガラス材料は、合金元素の濃度に基づいて液相線温度を計算し、組成を最適化することにより設計される。この方法は、ガラス形成性の高い合金を多成分合金の理論相図計算を用いて決定する。 A bulk metallic glass material based on the above composition is designed by calculating the liquidus temperature based on the concentration of the alloy element and optimizing the composition. In this method, an alloy having a high glass forming property is determined by using a theoretical phase diagram calculation of a multicomponent alloy.

その他の例として、本願は５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含む複合材料を記載する。鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。 As another example, this application describes a composite material comprising 59-70 atomic% iron, 10-20 atomic% of a plurality of metalloid elements, and 10-25 atomic% of a plurality of refractory metals. Iron, metalloid elements and refractory metals are alloyed together to form an amorphous phase material.

ここに開示された組成に基づくバルク金属ガラスの製法を、一例として記載する。まず、鉄、耐火金素、炭素およびホウ素を含む成分の混合物を溶融してインゴットにする（例えば、アーク溶融法を用いる）。溶融した最終のインゴットを固化し、バルク非晶質金属材料を形成する。固化はチル鋳造法を用いて急速になされる。この製造工程を用いて、鉄基合金を最小寸法０．５ｍｍ厚の非晶質試料にすることができる。この工程は、組成の中でも高い鉄含有率と、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却流体域を有するＦｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２鋼を製造するために用いることもできる。 A method for producing a bulk metallic glass based on the composition disclosed herein is described as an example. First, a mixture of components including iron, refractory metal, carbon and boron is melted into an ingot (for example, using an arc melting method). The molten final ingot is solidified to form a bulk amorphous metal material. Solidification is done rapidly using chill casting. Using this manufacturing process, the iron-base alloy can be made into an amorphous sample having a minimum dimension of 0.5 mm. This process can also be used to produce Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ steel having a high iron content of the composition and a large supercooled fluid region greater than about 50K.

これらのおよびその他の組成ならびにそれらの特性や製造は、添付の図面、詳細な説明、および請求項に記載されている。 These and other compositions and their properties and manufacture are set forth in the accompanying drawings, detailed description and claims.

詳細な説明
複数の元素を有し、望ましい材料特性を有するバルク金属ガラス組成物の設計は、様々な元素の相互作用および影響の複雑さのために技術的にいくぶんに難しい。このような複雑な材料において、組成のあらゆる態様における変化、例えば一つの元素の量またはある元素の他の元素による置換は、最終的な金属ガラス材料の特性に重大な影響を及ぼすことがある。このような複雑性により、多くの既知の金属ガラス組成物は、試行錯誤の結果である。本願に記載されている鉄基金属ガラス組成は、系統的なアプローチにより、鉄と組み合わせて用いる半金属と耐火金属元素を選別し、高いガラス形成性をもつ組成を探索することで設計された。高いガラス形成性は、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との大きな差、および液相線温度と理想溶液融点（混合物中の様々な元素の融点の加重平均）の大きな差によって表される。 DETAILED DESCRIPTION The design of bulk metallic glass compositions with multiple elements and desirable material properties is somewhat difficult technically due to the complexity of the interaction and influence of various elements. In such complex materials, changes in any aspect of the composition, such as the amount of one element or substitution of one element with another, can have a significant effect on the properties of the final metallic glass material. Due to this complexity, many known metallic glass compositions are the result of trial and error. The iron-based metallic glass composition described in the present application was designed by selecting a semi-metal and a refractory metal element used in combination with iron by a systematic approach and searching for a composition having high glass-forming properties. High glass formability is represented by a large difference between a low glass transition temperature and a high crystallization temperature, and a large difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting point (weighted average of the melting points of various elements in the mixture).

特定のバルク金属ガラスを設計するこのアプローチでは、液相線温度を、バルク金属ガラスの成分として選ばれた、様々な合金化元素の濃度に基づいて計算する。次にそれぞれの得られた液相線に基づいて組成物を最適化する。鉄基合金に添加される耐火金属元素、例えばモリブデンやクロムの濃度も最適化し、最終的な合金が１）高濃度の添加耐火材料による高いまたは最高の粘性、および２）低いまたは最低の液相線温度を持つようにする。低い液相線温度および高い理想溶液融点を達成するように組成物を選択するので、候補の組成物は液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ。このような候補の組成物は、液相線相を広い温度域に渡って保持し、その温度域内で比較的低速の冷却工程を用いて、バルク材料中に非晶質相を得ることができる。液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ候補の組成物のうち、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との間に大きな差をもつ組成物は、最終的な金属ガラス組成物の候補として更に判定と選別がなされる。この数値的および系統的な設計アプローチは、実在の非晶質合金の組成物を予測するにあたってよく機能し、後述の例の組成物を設計するために用いられた。 In this approach of designing a particular bulk metallic glass, the liquidus temperature is calculated based on the concentration of various alloying elements selected as components of the bulk metallic glass. The composition is then optimized based on each obtained liquidus. The concentration of refractory metal elements, such as molybdenum and chromium, added to the iron-base alloy is also optimized, and the final alloy is 1) high or high viscosity due to high concentration of added refractory material, and 2) low or lowest liquid phase Have a line temperature. Since the composition is selected to achieve a low liquidus temperature and a high ideal solution melting point, the candidate composition has a large difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting point. Such candidate compositions can maintain a liquidus phase over a wide temperature range and use a relatively slow cooling process within that temperature range to obtain an amorphous phase in the bulk material. . Among candidate compositions that have a large difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting point, a composition that has a large difference between the low glass transition temperature and the high crystallization temperature is the final metallic glass composition. Further determination and selection are made as candidate objects. This numerical and systematic design approach worked well in predicting the composition of real amorphous alloys and was used to design the example compositions described below.

上記設計アプローチの応用の一つは、比較的安価で、広く利用可能な金属鉄をベースにした金属ガラス組成物である。このような鉄基金属ガラス材料は、良好なガラス形成性を合理的な低価格で達成するように設計でき、大量生産と幅広い種類での使用を可能にする。ここに記載された鉄リッチ非晶質合金の組成物は、中程度の冷却速度を用いて非晶質相に達し、したがってバルク金属ガラス材料を形成するのに用いることができる。ここに記載したこのようなバルク金属ガラスのいくつかの例は、鉄の含有率がおよそ５９〜７０原子百分率であり、非晶質鋼ともいわれている。これらの例において、鉄はさらに１０〜２０原子％の半金属元素と１０〜２５原子％の耐火金属と共に合金化される。組成物は液相線温度の理論計算を用いて選択される。合金は十分な量の耐火金属を含み、非晶質相を安定化するように設計され、一方で降下した液相線温度を引き続き維持する。いくつかの実施例において、主要な合金化元素はモリブデン、タングステン、クロム、ホウ素、そして炭素であろう。得られる合金の一部は室温において強磁性であるが、他は非強磁性である。これらの非晶質鋼は、従来の高強度鋼と比較して、高い比強度と耐腐食性を有している。これらの合金の非晶質構造は、独特な物理的および機械的特性をこれら合金に与えるが、これらは結晶質合金の形態では得られない。 One application of the above design approach is a metallic glass composition based on metallic iron that is relatively inexpensive and widely available. Such iron-based metallic glass materials can be designed to achieve good glass formability at a reasonably low price, enabling mass production and use in a wide variety of types. The iron-rich amorphous alloy compositions described herein use a moderate cooling rate to reach the amorphous phase and can therefore be used to form bulk metallic glass materials. Some examples of such bulk metallic glasses described herein have an iron content of approximately 59-70 atomic percent and are also referred to as amorphous steel. In these examples, iron is further alloyed with 10-20 atomic percent metalloid elements and 10-25 atomic percent refractory metal. The composition is selected using a theoretical calculation of the liquidus temperature. The alloy contains a sufficient amount of refractory metal and is designed to stabilize the amorphous phase while still maintaining the lowered liquidus temperature. In some embodiments, the primary alloying elements will be molybdenum, tungsten, chromium, boron, and carbon. Some of the resulting alloys are ferromagnetic at room temperature, while others are non-ferromagnetic. These amorphous steels have higher specific strength and corrosion resistance than conventional high-strength steels. Although the amorphous structure of these alloys gives them unique physical and mechanical properties, they are not available in the form of crystalline alloys.

特に、ここに記載された組成物は、他の鉄基バルク金属ガラス材料よりも高い鉄含有率を有し、材料を低速な冷却速度で非晶質にするために他の鉄基バルク金属ガラス材料においてみられる高価な合金化元素を用いない。本願の非晶質鋼の組成物は、その他の鉄基バルク金属ガラスよりも普通の鋼合金の組成にかなり近く、したがって現存する製鋼技術、工程および装置を含んだ、種々の製鋼技術、工程および装置を用いることによる生産を規模拡大するのに魅力的である。対照的に、種々の市販バルク金属ガラスはＺｒ基材料を用いており、したがって生産するのに高価である。本願の組成物は最も安価で広く利用可能な金属元素の一つである鉄を主要成分として用いるので材料のコストをかなり低減させる。 In particular, the composition described herein has a higher iron content than other iron-based bulk metallic glass materials, and other iron-based bulk metallic glasses to make the material amorphous with a slow cooling rate. Does not use expensive alloying elements found in materials. The amorphous steel composition of the present application is much closer to the composition of ordinary steel alloys than other iron-based bulk metallic glasses, and thus includes a variety of steelmaking techniques, processes and equipment, including existing steelmaking techniques, processes and equipment. It is attractive to scale up production by using equipment. In contrast, various commercial bulk metallic glasses use Zr-based materials and are therefore expensive to produce. The composition of the present application uses iron, which is one of the cheapest and widely available metal elements, as the main component, thus significantly reducing the cost of the material.

本願における組成物の１つの組成は、以下のように表現することができる。 One composition of the composition in this application can be expressed as follows.

Ｆｅ_{７８―ａ―ｂ―ｃ}Ｃ_ｄＢ_ｅＣｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃ
ここで、下付き文字パラメータは様々な元素の相対原子％を表す。先述の系統的な設計アプローチに基づいて、元素の相対量は以下の条件で限定される。（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。それに加えて、a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。この組成に基づく１つの非晶質材料は、ｄ＝１２およびｅ＝１０である場合のＦｅ_{７８―ａ―ｂ―ｃ}Ｃ₁₂Ｂ₁₀Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃである。 _{_{_{Fe 78-a-b-c}}} C d B e Cr a Mo b W c
Here, the subscript parameter represents the relative atomic% of various elements. Based on the systematic design approach described above, the relative amounts of elements are limited by the following conditions. (A + b + c) ≦ 17, the range of “a” is 0 to 10, “b” is 2 to 8, “c” is 0 to 6, and “d” is 10 to 20 And "e" is 3-10. In addition, the values of a, b, c, d, and e are selected such that the atomic percentage of iron exceeds 59 atomic%. One amorphous material based on this composition is Fe _78-ab-c C ₁₂ B ₁₀ Cr _a Mo _b W _c when d = 12 and e = 10.

上記の組成物に基づく合金は高純度元素の混合物を溶融することにより製造される。例えば、溶融はアーク炉内、アルゴン雰囲気下でなされる。合金インゴットをメインの金属元素としての鉄、クロム、タングステン、およびモリブデンといった耐火元素、ならびに、炭素およびホウ素といった半金属からつくる。特定量のこれらの元素を、上記の規定に基づいて選択する。所定の相対量をもつこれらの元素の混合物を共に溶解し、例えば、アーク溶融および他の溶融を用いてインゴットを形成する。インゴットを数回再溶融してインゴットの均質性を高めた後、チル鋳造鋳型に鋳造して、所望の形状を非晶質構造製造する。溶融は電気炉、誘導溶融炉、または何らかの他の溶融法でなされ、先述の組成物中の元素をともに溶融させる。溶融のための熱は種々の手法、例えば、誘導加熱、炉加熱、または電気溶融により発生する。 Alloys based on the above composition are produced by melting a mixture of high purity elements. For example, melting is performed in an arc furnace in an argon atmosphere. Alloy ingots are made from refractory elements such as iron, chromium, tungsten, and molybdenum as the main metallic elements, and metalloids such as carbon and boron. Specific amounts of these elements are selected based on the above rules. A mixture of these elements having a predetermined relative amount is melted together and, for example, arc melting and other melting are used to form an ingot. The ingot is remelted several times to increase the homogeneity of the ingot, and then cast into a chill casting mold to produce an amorphous structure with a desired shape. Melting is done in an electric furnace, induction melting furnace, or some other melting method to melt together the elements in the aforementioned composition. Heat for melting can be generated by various techniques, such as induction heating, furnace heating, or electric melting.

例えば、アーク溶融法を用いて以下のバルク金属ガラス材料の試料を少なくとも０．６３５ｍｍの寸法で良好に製造した。Ｆｅ_６８Ｃ₁₀Ｂ₁₀Ｃｒ₄Ｍｏ₆Ｗ₂Ｙ₂, Ｆｅ_５７Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃｒ_１３Ｍｏ₇Ｗ_３Ｙ_２, Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｃｒ_４Ｍｏ_１０Ｗ_３, Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２, Ｆｅ_６０Ｃ_１５Ｂ_８Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３, Ｆｅ_６０Ｃ_１８Ｂ_５Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３, Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_７Ｍｏ_１１Ｃｒ_５Ｗ_４, Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１１Ｃｒ_３Ｗ_３, Ｆｅ_６４Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｃｒ_４Ｗ_３，およびＦｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｗ_３。試料を銅スリーブへ吸引鋳造した。０．０２５”と０．０５０”の異なる厚さを有する２種類のスリーブを用いた。鋳造合金の非晶質性を、Ｘ線回折を用いて確かめた。熱特性を示差熱分析器（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）、熱機械分析器（ＴＭＡ）を用いて得た。２部類の鉄リッチ非晶質鋼を製造した。１つの部類はイットリウムを含有し、もう一つはイットリウムがない。イットリウムを用いずに製造された合金は、低い製造コストの点からみて最適な合金を代表する。それに加えて、これら合金は酸化に対して比較的耐性がある元素からなり、さらにそれらの製造可能性を高める。 For example, the following bulk metallic glass material samples were successfully produced using an arc melting method with dimensions of at least 0.635 mm. Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ Y ₂ , Fe ₅₇ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₁₃ Mo ₇ W ₃ Y ₂ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₁₀ W ₃ , Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , Fe ₆₀ C ₁₅ B ₈ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , Fe ₆₀ C ₁₈ B ₅ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₇ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₄ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₃ W ₃ , Fe ₆₄ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ Cr ₄ W ₃ , and Fe ₆₈ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ W ₃ . The sample was suction cast into a copper sleeve. Two types of sleeves having different thicknesses of 0.025 "and 0.050" were used. The amorphous nature of the cast alloy was confirmed using X-ray diffraction. Thermal characteristics were obtained using a differential thermal analyzer (DTA), differential scanning calorimeter (DSC), and thermomechanical analyzer (TMA). Two classes of iron-rich amorphous steel were produced. One class contains yttrium and the other is free of yttrium. An alloy manufactured without using yttrium represents an optimum alloy from the viewpoint of low manufacturing cost. In addition, these alloys consist of elements that are relatively resistant to oxidation, further increasing their manufacturability.

図１〜図７に、これら試料の種々の測定結果を示す。図１〜図５は試料の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンである。図６はＦｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２の組成を持つ試料について測定されたＴＭＡのデータである。垂直軸はＴＭＡプローブの位置で、プローブが降下する地点を、ガラス転移温度Ｔｇの指標として用いている。図７はＦｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２についての示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、垂直軸は測定の間に使われた熱流量である。ＤＴＡにおける鋭い転移は、反応が生じるときを示し（吸熱か発熱のいずれか）、結晶化または溶融、およびガラス転移を反映する開始時の非常に小さな転移をも表示する。図７における特定のＤＴＡ分析は、ガラス転移温度（Ｔｇ）と結晶化温度（Ｔｘ１）との間の差が５０Ｋを超えていることを示し、これは良好なガラス形成能の指標である。 1 to 7 show various measurement results of these samples. 1 to 5 are measured X-ray diffraction patterns showing the amorphous structure of the sample. FIG. 6 shows TMA data measured for a sample having a composition of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ . The vertical axis is the position of the TMA probe, and the point where the probe descends is used as an index of the glass transition temperature Tg. FIG. 7 shows the differential thermal analysis (DTA) results for Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , where the vertical axis is the heat flow used during the measurement. A sharp transition in DTA indicates when the reaction occurs (either endothermic or exothermic) and also displays a very small initial transition reflecting crystallization or melting and glass transition. The specific DTA analysis in FIG. 7 shows that the difference between the glass transition temperature (Tg) and the crystallization temperature (Tx1) is greater than 50K, which is an indicator of good glass forming ability.

ここに記載した非晶質鋼の組成物は、他者によって造られた非晶質鋼よりも高レベルの鉄を安価な耐火金属および半金属元素と組み合わせている。それゆえに、このような高鉄含有率の非晶質鋼の適用は、その他の非晶質鋼よりも従来の高強度構造鋼と置き換えるののに有利である。特に、Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２の組成物は６８原子％の高い鉄含有率を有し、安価な合金化元素であるＣ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷを用いて、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却液体域を示す。それゆえに、この組成物は工業用途でのバルク生産に適している。 The amorphous steel composition described here combines higher levels of iron with cheaper refractory metals and metalloid elements than amorphous steel made by others. Therefore, the application of such high iron content amorphous steel is advantageous to replace the conventional high strength structural steel than other amorphous steel. In particular, the composition of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ has a high iron content of 68 atomic% and uses cheap alloying elements C, B, Cr, Mo, and W. , Showing a large supercooled liquid region, greater than approximately 50K. This composition is therefore suitable for bulk production in industrial applications.

本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、広範な用途に用いることができる。これらの材料の比較的高い非晶質形成性は、これらを広範な用途で望ましい材料にする。これらの用途は限定されるわけではないが以下のものを含む。スポーツ用品、例えばテニスラケットの補強材、野球のバット、ゴルフクラブヘッド、消費者向けおよび他のエレクトロニクス、例えばデバイスケース、アンテナ、およびモバイルデバイス、例えばノートブックコンピューター、携帯電話、ポータブルＰＤＡ、ＭＰ３プレイヤー、ポータブルメモリーデバイス、マルチメディアプレイヤーに用いられる高強度、軽量のコンポーネントおよび部品の熱的解決策、航空電子デバイスのコンポーネントおよび部品、ならびに自動車の部品およびデバイス。本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、種々の航空宇宙、工業、および自動車の用途、例えばスプリングおよびアクチエーター、ならびに種々の耐腐食性の用途において、チタンおよびその他の特殊合金に対する低コスト代替物として用いることもできる。それに加えて、この組成物は地雷の磁気起爆を避けるための、軍事的な用途において非強磁性構造材料を形成するのに用いることもできる。さらに、本発明の組成物は生体医療のインプラント、変圧器の鉄心その他にも用いることができる。多くの他の構造材料用途が確かに可能である。 Iron rich materials based on the compositions of the present invention can be used in a wide variety of applications. The relatively high amorphous formability of these materials makes them desirable materials for a wide range of applications. These uses include, but are not limited to: Sports equipment such as tennis racket reinforcements, baseball bats, golf club heads, consumer and other electronics such as device cases, antennas, and mobile devices such as notebook computers, cell phones, portable PDAs, MP3 players, Portable memory devices, thermal solutions for high-strength, lightweight components and parts used in multimedia players, components and parts for avionic devices, and automotive parts and devices. Iron-rich materials based on the compositions of the present invention are a low-cost alternative to titanium and other special alloys in various aerospace, industrial, and automotive applications, such as springs and actuators, and various corrosion resistant applications. It can also be used as a product. In addition, the composition can be used to form non-ferromagnetic structural materials in military applications to avoid magnetic detonation of landmines. Furthermore, the composition of the present invention can be used for biomedical implants, iron cores for transformers, and the like. Many other structural material applications are certainly possible.

要約すれば、ほんの数個の実施例しか開示しているにすぎない。しかしながら、変形と強化がなされることが理解されるだろう。 In summary, only a few examples are disclosed. However, it will be understood that variations and enhancements are made.

図１は、非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。ａ）Ｆｅ_６０Ｃ_１５Ｂ_８Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３, ｂ）Ｆｅ_６０Ｃ_１８Ｂ_５Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３, ｃ）Ｆｅ_５９Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１１Ｃｒ_５Ｗ_３, ｄ）Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３, ｅ）Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_７Ｍｏ_１１Ｃｒ_３Ｗ_３, Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｍｏ_１０Ｃｒ_５Ｗ_２, ｆ）Ｆｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃ_４Ｍｏ_６Ｗ_２，およびｇ）Ｆｅ_６４Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｃｒ_４Ｗ_３, Ｆｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｗ_３。ここで、垂直軸は回折シグナルの測定強度であり、水平軸は測定角で、これは回折角の二倍である。FIG. 1 shows a measured X-ray diffraction pattern showing an amorphous structure. a) Fe ₆₀ C ₁₅ B ₈ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , b) Fe ₆₀ C ₁₈ B ₅ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , c) Fe ₅₉ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₃ , d) Fe ₆₁ C _{_{_{_{12 B 10 Mo 10 Cr 4 W}}}} 3, e) Fe 61 C 12 B 7 Mo 11 Cr 3 W 3, Fe 68 C 12 B 3 Mo 10 Cr 5 W 2, f) Fe 68 C 10 B 10 C 4 Mo 6 W _2, and _{_{_{_{g) Fe 64 C 10 B 8}}}} Mo 11 Cr 4 W 3, Fe 68 C 10 B 8 Mo 11 W 3. Here, the vertical axis is the measurement intensity of the diffraction signal, the horizontal axis is the measurement angle, which is twice the diffraction angle. 図２は、(Ｆｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃｒ_４Ｍｏ_６Ｗ₂)_９８Ｙ_２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。FIG. 2 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of (Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ ) ₉₈ Y ₂ . 図３は、(Ｆｅ_５７Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃｒ_１３Ｍｏ_７Ｗ_３)_９８Ｙ_２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。FIG. 3 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of (Fe ₅₇ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₁₃ Mo ₇ W ₃ ) ₉₈ Y ₂ . 図４は、Ｆｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｃｒ_４Ｍｏ_１０Ｗ_３の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。FIG. 4 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₁₀ W ₃ . 図５は、Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。FIG. 5 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ . 図６は、Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２の熱機械分析（ＴＭＡ）結果を示し、ガラス転移温度Ｔｇを矢印で表示している。FIG. 6 shows the thermomechanical analysis (TMA) result of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , and the glass transition temperature Tg is indicated by an arrow. 図７は、Ｆｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２の示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、ガラス転移温度と結晶化温度を矢印で表示している。FIG. 7 shows the results of differential thermal analysis (DTA) of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , and the glass transition temperature and the crystallization temperature are indicated by arrows.

Claims

Ｆｅ_{７８-ａ−ｂ−ｃ}Ｃ_ｄＢ_ｅＣｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃ
で定義される複数の成分を含み、
(ａ＋ｂ＋ｃ)≦１７であって、ａの範囲が０〜１０であり、ｂが２〜８であり、ｃが０〜６であり、ｄが１０〜２０であり、ｅが３〜１０であって、鉄の原子百分率が５９原子％を超過するように、a、b、ｃ、dおよびｅの値を選択した、複合材料。 _{_{_{Fe 78-a-b-c}}} C d B e Cr a Mo b W c
Including a plurality of components defined by
(a + b + c) ≦ 17, the range of a is 0 to 10, b is 2 to 8, c is 0 to 6, d is 10 to 20, and e is 3 to 10. A value of a, b, c, d and e selected such that the atomic percentage of iron exceeds 59 atomic%.

さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃｒ_４Ｍｏ_６Ｗ_２Ｙ_２である、請求項１記載の材料。 The material according to claim 1, further comprising Y, wherein the composition of the component is Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ Y ₂ .

さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ_５７Ｃ_１０Ｂ_１０Ｃｒ_１３Ｍｏ_７Ｗ_３Ｙ_２である、請求項１記載の材料。 Further comprising a Y, the composition of the component is _{_{_{_{Fe 57 C 10 B 10 Cr 13}}}} Mo 7 W 3 Y 2, material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｃｒ_４Ｍｏ_１０Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 61 C 12 B 10 Cr 4}}}} Mo 10 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６８Ｃ_１２Ｂ_３Ｃｒ_５Ｍｏ_１０Ｗ_２である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 68 C 12 B 3 Cr 5}}}} Mo 10 W 2, material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６０Ｃ_１５Ｂ_８Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 60 C 15 B 8 Mo 10}}}} Cr 4 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６０Ｃ_１８Ｂ_５Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 60 C 18 B 5 Mo 10}}}} Cr 4 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_７Ｍｏ_１１Ｃｒ_５Ｗ_４である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 61 C 12 B 7 Mo 11}}}} Cr 5 W 4, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１１Ｃｒ_３Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 61 C 12 B 10 Mo 11}}}} Cr 3 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６４Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｃｒ_４Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 64 C 10 B 8 Mo 11}}}} Cr 4 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_８Ｍｏ_１１Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The material of claim 1, wherein the composition of the components is Fe ₆₈ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ W ₃ .

成分の組成がＦｅ_５９Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１１Ｃｒ_５Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 59 C 12 B 10 Mo 11}}}} Cr 5 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６１Ｃ_１２Ｂ_１０Ｍｏ_１０Ｃｒ_４Ｗ_３である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 61 C 12 B 10 Mo 10}}}} Cr 4 W 3, the material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_６８Ｃ_１０Ｂ_１０Ｍｏ_１１Ｃ_４Ｍｏ_６Ｗ_２である、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{_{_{_{Fe 68 C 10 B 10 Mo 11}}}} C 4 Mo 6 W 2, material of claim 1, wherein.

成分の組成がＦｅ_{７８−ａ−ｂ−ｃ}Ｃ₁₂Ｂ₁₀Ｃｒ_ａＭｏ_ｂＷ_ｃである、請求項１記載の材料。 The composition of the component is _{Fe 78-a-b-c} C 12 B 10 Cr a Mo b W c, material of claim 1, wherein.

成分の混合物を溶融してインゴットにし、
インゴットを再溶融して均質な溶融合金を製造し、
溶融インゴットを固化してバルクの非晶質材料を形成する
ことを含む請求項１記載の材料の製造方法。 Melt the mixture of ingredients into an ingot,
Remelting the ingot to produce a homogeneous molten alloy,
The method for producing a material according to claim 1, comprising solidifying the molten ingot to form a bulk amorphous material.

アーク溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。 The method according to claim 16, wherein melting is performed using an arc melting method.

誘導溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。 The method according to claim 16, wherein the melting is performed using an induction melting method.

５９〜７０原子％の鉄と、
１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、
１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含み、
鉄、半金属元素および耐火金属を互いに合金化して非晶質材料を形成している、複合材料。 59-70 atomic percent iron,
10 to 20 atomic% of a plurality of metalloid elements;
Containing 10 to 25 atomic% of a plurality of refractory metals,
A composite material in which iron, a metalloid element, and a refractory metal are alloyed together to form an amorphous material.

さらにイットリウムを含み、これを鉄、半金属元素および耐火金属と共に合金化している、請求項１９記載の材料。 20. The material of claim 19, further comprising yttrium, which is alloyed with iron, metalloid elements and refractory metals.

半金属元素がＣおよびＢを含む、請求項１９記載の材料。 20. A material according to claim 19, wherein the metalloid element comprises C and B.

耐火金属がＣｒ、ＷおよびＭｏを含む、請求項１９記載の材料。 20. A material according to claim 19, wherein the refractory metal comprises Cr, W and Mo.