AT411535B - Legierung für bauteile mit amorpher struktur und verfahren zur herstellung der legierung - Google Patents
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Description
AT 41 1 535 B
Die Erfindung betrifft eine metallische Legierung für Bauteile oder Gegenstände mit amorpher (glasartiger) Erstarrungsstruktur, welche auch als metallische Gläser bekannt sind.
Werden flüssige Legierungen mit einer überkritischen Abkühlungsgeschwindigkeit verfestigen gelassen, so entsteht eine amorphe Erstarrungsstruktur. Für übliche technische Werkstoffe ist jedoch eine in technischen Maßstäben nicht realisierbare äußerst hohe Abkühlrate zur Vermeidung einer Kristallisation erforderlich.
In den späten 60er-Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wurden mit besonders zusammengesetzten Werkstoffen erstmals metallische Gläser hergestellt, wobei in den 90er-Jahren die Weiterentwicklung soweit fortgeschritten war, dass Legierungen mit einer kritischen Abkühlrate von 10 K/s und weniger zur Verfügung standen.
Metallische Werkstoffe mit amorpher Mikrostruktur bzw. metallische Gläser haben besondere, von jenen mit kristalliner Struktur völlig unterschiedliche mechanische Eigenschaften, die in der modernen Technik für Bauelemente und funktionelle Gegenstände vorteilhaft genutzt werden können. Diese Eigenschaften sind beispielsweise hohe Bruchspannung, hohe Härte, hohe elastische, jedoch keine plastische Dehnung, gute Polierbarkeit und dergleichen. Durch die Dehnungseigenschaften der metallischen Gläser sind praktisch keine Energieverluste bei einer Impulsübertragung gegeben.
Geringe kritische Abkühlungsraten bzw. niedrige kritische Abkühlungsgeschwindigkeiten für eine glasartige Verfestigung können mit Zirkon- und/oder Titan-Basislegierungen, welche zur Bildung von ausgeprägten eutektikumnahen Bereichen zumindest mit zwei weiteren metallischen Elementen legiert sind, erreicht werden. Dadurch sind vergrößerte amorph verfestigte Gußstückdicken erstellbar.
Gemäß der US 5 288 344 A wirkt Berylium (Be) in Gehalten von 5 bis 52 At.-% besonders fördernd für eine amorphe Erstarrung von Zr- und/oder Ti-Basislegierungen. Allerdings gelten Be und Be-Verbindungen als toxisch, sodass Be als Werkstoffkomponente in Europa selten Verwendung findet.
Zr- und/oder Ti-Basislegierungen der vorgenannten Art sind sauerstoffaffin, wobei auch vom Herstellverfahren der Komponenten ein hoher Sauerstoffgehalt in die Schmelze eingebracht werden kann. Die Tendenz zur kristallinen oder amorphen Verfestigung der flüssigen Legierung ist jedoch von deren Sauerstoffgehalt stark abhängig. Mit anderen Worten: Höhere Sauerstoffgehalte erfordern höhere Abkühlraten für eine amorphe Verfestigung der Metallschmelze, beziehungsweise es nimmt die amorph also glasartig herstellbare Dicke mit zunehmendem Sauerstoffgehalt ab.
Anwendungstechnisch sind für viele Bauteile größere Materialdicken mit amorpher Struktur erforderlich. Weil nun die örtliche Abkühlungsgeschwindigkeit im erstarrenden Bauteil aufgrund der gegebenen Wärmeleitung des Werkstoffes ab einem Grenzwert nicht weiter erhöht werden kann, muss alternativ die flüssige Legierung einen geringen Sauerstoffgehalt haben, um amorph zu verfestigen.
Die Preise für die Einsatzstoffe einer Zr- und/oder Ti-Basislegierung, insbesondere derjenige für Zr und somit der Preis für die flüssige Legierung selbst, sind vom jeweiligen Sauerstoffgehalt stark abhängig und vermitteln der Herstellung von metallischen Bauteilen mit amorpher Struktur eine große wirtschaftliche Komponente.
Ebenso sind die erforderlichen Aufwendungen für den Schmelzprozess abhängig vom geforderten Sauerstoffgehalt der Legierung, welche einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten ausmachen.
Aus der US 5 797 443 A ist beispielsweise ein Verfahren zur wirtschaftlichen Herstellung von amorph erstarrten Formteilen bekannt geworden, bei welchem die geringste berechnete Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze in einer Gußform, bzw. Kokille, zur Ermittlung des höchst zulässigen Sauerstoffgehaltes der Legierung herangezogen wird.
Alle bisher bekannten Legierungen mit erhöhter Tendenz zur Bildung von metallischen Gläsern bei der Abkühlung der Schmelze und alle Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit amorpher Struktur haben die Nachteile gemeinsam, dass die Legierungen einerseits nur höchst aufwendig mit teuren Einsatzstoffen und/oder mit erhöhtem Prozessaufwand herstellbar sind, andererseits eine wirtschaftliche Einsatzbereitstellung für die Schmelze hinsichtlich eines höchst zulässigen Sauerstoffgehaltes von der Erzeugnisgeometrie bestimmt wird wofür umfangreiche Ermittlungen erforderlich sind. 2
AT 411 535 B
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, eine Legierung für Bauteile und Gegenstände der eingangs genannten Art anzugeben, die durch legierungstechnische, höchst wirtschaftliche Maßnahmen eine verstärkt amorphe Erstarrung aufweist.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem Legierungen für 5 dickwandige Gegenstände mit amorpher Struktur wirtschaftlich herstellbar sind.
Das Ziel wird bei einer Legierung, enthaltend als Basiselement(e) Zirkon und/oder Titan, sowie mehr als ein weiteres der Elemente Kupfer, Nickel, Aluminium mit jeweils geringerer Einzelkonzentration, Begleit- und/oder Verunreinigungselemente und zumindest ein Element aus der Gruppe 3 des periodischen Systems, erreicht. (Die Bezeichnung "Gruppe 3" des Peroidensystems der io Elemente stützt sich auf die Festlegungen gemäß IUPAC 1988 und schließt die Lanthanide ein.)
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch ein Zulegieren von Elementen der Gruppe 3 des periodischen Systems offensichtlich die Keimwirkung von Sauerstoff, präziser gesagt, von Oxiden der Hauptlegierungsbestandteile maskiert werden kann. Mit anderen Worten: durch mindestens ein Element der Gruppe 3 des periodischen Systems 15 in der flüssigen Legierung wird die Kristallisationskeimaktivität bei der Erstarrung wirksam verringert, so dass eine amorphe Verfestigung auch bei geringeren Abkühlraten erfolgt. Wissenschaftlich ist die Ursache für diese erfindungsgemäße Wirkung der Gruppe-3-Elemente noch nicht geklärt. Es könnte sich auch um einen Summeneffekt handeln. Einerseits besteht die Auffassung, dass durch diese Gruppe-3-Elemente eine Vorordnung für Kristallisationskeime, oder eine sauerstoffreiche 20 Phase in der Schmelze, zumindest teilweise zerstört wird, andererseits könnte durch zulegierte sauerstoffaffinere Elemente eine Sauerstoffaufnahme durch diese erfolgen. Wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Reaktionen auf Grund der Aktivität der Elemente in der Schmelze ablaufen, müsste bei der Oxidbildung ein Mischoxid, bestehend im Wesentlichen aus (Zrv/TiJAIx/My/)Oz, wobei M mindestens ein Element der Gruppe 3 bedeutet, entstehen. Dieses Mischoxid in der 25 Legierung würde zwar den Sauerstoffgehalt derselben nicht wesentlich beeinflussen oder senken, könnte jedoch durch eine Eingliederung eines Gruppe-3-Elementes eine Struktur aufweisen, die nicht kristallkeimbildend wirkt.
Wenn, wie gefunden wurde, die Legierung eine Konzentration der/des Elemente(s) aus der Gruppe 3 des periodischen Systems von weniger als 2,0 At.-%, vorzugsweise von weniger als 30 0,9 At.-%, jedoch von über 0,01 At.-%, vorzugsweise von über 0,02 At.-% aufweist, wird eine be sonders ausgeprägte amorphe Erstarrung bei vergleichsweise niedrigen Abkühlungsraten erreicht.
Die gewünschte glasartige Erstarrung der Legierung kann weiter gefördert werden, wenn die Konzentration der/des Gruppe-3-Elemente(s) weniger als 0,5 At.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 At.-% beträgt. 35 Höchst wirkungsvoll ist eine Erweiterung des Bereiches, in welcher eine amorphe Erstarrung der flüssigen Legierung erfolgt, durch ein Zulegieren des Elementes Scandium (Sc) erreichbar, wobei diesbezüglich eine Legierung, bestehend aus Zr^^Cu^ gNiueAlioTisSCx, (x=0,01 bis 0,08, Zahlenwerte stellen den Anteil in At.-% dar), besondere Vorteile aufweist.
Die weitere Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren erreicht, bei welchem eine Zr-40 und/oder Ti- Basislegierung mit einem Anteil an mindestens einem Element aus der Gruppe 3 des periodischen Systems erschmolzen und weiter verarbeitet wird. Die Vorteile, die mit der Erfindung erreicht werden, sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch ein einfaches Zulegieren mindestens eines dieser Elemente zu einer Schmelze mit hohem Sauerstoffgehalt dessen nachteilige Wirkung auf eine amorphe Erstarrungsform in wirtschaftlicher Weise entscheidend verringert wird. 45 Es kann also ein gezieltes Mischen von teilweise teuren Einsatzstoffen zwecks Unterschreitung eines höchstzulässigen Sauerstoffgehaltes der Legierung unterbleiben.
Wenn nun nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Gehalt von weniger als 0,9 At.-%, vorzugsweise weniger als 0,5 At.-%, insbesondere weniger als 0,1 At.-%, jedoch mehr als 0,01 At.-%, vorzugsweise mehr als 0,02 At.-%, an einem oder der Summe der Elemente der 50 Gruppe 3 des periodischen Systemes der Schmelze zulegiert wird, kann von einem höchst effizienten, sogenannten Veredelungsverfahren im Hinblick auf eine Herstellung von metallischen Gläsern mit hoher Wirtschaftlichkeit gesprochen werden.
Wenn, wie gefunden wurde, die Schmelze mit einem von deren Sauerstoffkonzentration abhängigen Gehalt an mindestens einem Element aus der Gruppe 3 legiert wird, kann eine präzise 55 Ausrichtung des Legierungsgehaltes mit höchster Effektivität und mit wirtschaftlichen Vorteilen 3
Claims (10)
- AT 411 535 B erreicht werden. Wenn gemäß einer weiter verbesserten Ausführungsform dem Flüssigmetall eine Menge (Xi) der (des) Legierungselemente(s) der Gruppe 3 zulegiert wird, die kleiner als die doppelte Menge, vorzugsweise kleiner als die 1,33-fache Menge, jedoch größer als die 0,20-fache Menge, vorzugsweise größer als die 0,66-fache Menge des Sauerstoffgehaltes (X0) der Schmelze ist, kann die Tendenz zur glasartigen Erstarrung derselben optimiert werden. Die bestwirkenden Erstarrungsbedingungen hinsichtlich einer Bildung von metallischen Gläsern ist bei einem Zusatz des Elements Scandium (Sc) erreichbar. Anhand von Diagrammen soll die Erfindung weiter erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Zusammenhang zwischen Dicke des amorph erstarrten Anteiles bei einer Erprobung einer Legierung mittels Guss in eine Kupferkokille und deren Sauerstoffgehalt Fig. 2 einen Zusammenhang zwischen Dicke des amorph erstarrten Anteiles bei einer Erprobung einer Legierung und dem Sc-Gehalt derselben. Aus Fig. 1 ist die Auswirkung von steigenden Sauerstoffkonzentrationen auf die Dicke der amorph erstarrten Legierung mit einem kristallinen Anteil von 5 % eines Versuchskörpers aus einer Zr52,s Cu-17 g Nii4,6 AI10 Ti5-Legierung bei gleicher Abkühlintensität entnehmbar. Dieser Zusammenhang entspricht dem Stand der Technik und ist hier auf Sauerstoffkonzentrationen im Bereich von 68 bis 118 Massen ppm untersuchungsgemäß beschränkt, zeigt aber deutlich, dass höhere Sauerstoffanteile in der Schmelze geringere amorph gebildete Dicken bewirken. Fig. 2 zeigt die Dicke der mit einem Anteil von 95 % amorph an einer gekühlten Wand erstarrten Legierung entsprechend jener, gemäß den Untersuchungen von Fig., 1 in Abhängigkeit der Scandiumkonzentration. Eine effektvolle Wirkung von Sc im Hinblick auf eine Vergrößerung der Dicke der amorphen Erstarrung ist im Bereich der Gehalte von 0,02 At.-% bis 0,09 At.-% Sc gegeben, wobei höhere Gehaltswerte bei diesen geringen Sauerstoffgehalten eher ungünstige Wirkung zeigen. Die unterschiedlich gekennzeichneten Messpunkte, stammen von verschiedenen Untersuchungsserien an Schmelzen mit einem Sauerstoffgehalt von 110 m-ppm, zeigen aber gute Übereinstimmung. PATENTANSPRÜCHE: 1. Bauteile oder Gegenstände mit amorpher (glasartiger) Erstarrungsstruktur aus einer Legierung enthaltend als Basiselement(e) Zirkon und/oder Titan, sowie mehr als ein weiteres der Elemente Kupfer, Nickel, Aluminium mit jeweils geringerer Einzelkonzentration, Begleit- und/oder Verunreinigungselemente und zumindest ein Element aus der Gruppe 3 des periodischen Systems.
- 2. Legierung nach Anspruch 1, welche eine Konzentration des/der Elementes(e) aus der Gruppe 3 des periodischen Systems von weniger als 2,0 At.-%, jedoch von über 0,01 At.-% aufweist.
- 3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Konzentration des/der Gruppe-3-Elementes(e) weniger als 0,5 At.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 At.-% beträgt.
- 4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher Scandium (Sc) zulegiert ist.
- 5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus Zr(52i5.X)Cu17,9Ni1.4i6A1oTi5Scx (x = 0,01 bis 0,08, Zahlenwerte in At.-%)
- 6. Verfahren zur Herstellung einer Legierung für Bauteile oder Gegenstände mit amorpher (glasartiger) Erstarrungsstruktur enthaltend als Basiselement(e) Zirkon und/oder Titan, sowie mehr als ein weiteres der Legierungselemente Kupfer, Nickel, Aluminium mit jeweils geringerer Einzelkonzentration, wobei die Legierung mit einem Anteil an mindestens einem Element aus der Gruppe 3 des periodischen Systems erschmolzen und weiterverarbeitet wird.
- 7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Gehalt von weniger als 2,0 At.-%, vorzugsweise weniger als 0,5 At.-%, insbesondere weniger als 0,1 At.-%, jedoch mehr als 0,01 At.-% an einem oder der Summe der Element(e) der Gruppe 3 des periodischen Systemes der Schmelze zulegiert wird. 4 AT 411 535 B
- 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 mit der Massgabe, dass die Schmelze mit einem von deren Sauerstoffkonzentration abhängigen Gehalt an mindestens einem Element aus der Gruppe 3 des periodischen Systemes legiert wird.
- 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit der Massgabe, dass der Schmelze eine Menge (Xi) der/des Legierungselemente(s) der Gruppe 3 des periodischen Systemes zulegiert wird, die kleiner als die doppelte Menge, vorzugsweise kleiner als die 1,33-fache Menge, jedoch größer als die 0,2fache Menge, vorzugsweise größer als die 0,66-fache Menge des Sauerstoffgehaltes (Xo) der Schmelze ist. 0,2 Xo < Xi < 2 Xo, vorzugsweise 0,66 Xo < Xi < 1,33 Xo
- 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welchem Scandium (Sc) zugesetzt wird. HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN 5
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