DE102010062089A1

DE102010062089A1 - Oberflächenstrukturierte metallische Gläser und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102010062089A1
Application number: DE102010062089A
Authority: DE
Inventors: Bujar Jerliu; Jürgen Eckert; Dr. Scudino Sergio; Kumar-Babu Surreddi; Simon Pauly
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-05-31
Also published as: WO2012072428A1; EP2646590B1; EP2646590A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und betrifft oberflächenstrukturierte metallische Gläser, wie sie beispielsweise als Gehäusematerialien für Mobiltelefone, Laptops oder USB-Sticks eingesetzt werden können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von oberflächenstrukturierten metallischen Gläsern, deren Plastizität unter Druck- und Zugbelastung erhöht ist. Gelöst wird die Aufgabe durch oberflächenstrukturierte metallische Gläser mit einer oder mehreren Vertiefungen mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 :> 1 auf mindestens einer seiner Oberflächen. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem ein Körper aus einem metallischen Glas hergestellt wird, nachfolgend wird in mindestens eine der Oberflächen des abgekühlten Körpers mittels eines Werkzeuges mittels uniaxialem Druck mindestens eine Vertiefung eingebracht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften und der Verfahrenstechnik und betrifft oberflächenstrukturierte metallische Gläser, wie sie beispielsweise als Gehäusematerialien für Mobiltelefone, Laptops oder USB-Sticks, als Bauteile der Feinmechanik, wie Schrauben, Federn, Zahnräder oder Gelenke, als Implantatmaterialien, wie beispielsweise in der Zahnmedizin, oder als Komponenten in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden können und ein Verfahren zur Herstellung der Strukturierung.
Metallische Glaser sind metastabile metallische Legierungen, die unter anderem durch Aufschmelzen von metallischen Legierungselementen und nachfolgende Rascherstarrung der Schmelze erhalten werden können. Aufgrund der fehlenden periodischen Ordnung der Atome weisen solche metastabilen metallischen Legierungen oder metallische Gläser eine amorphe Struktur auf und zeigen andere Verformungsmechanismen als konventionelle kristalline Legierungen, wie z. B. Stähle.
Dank dieser besonderen atomaren Struktur besitzen die metallischen Gläser hohe Streckgrenzen und hohe elastische Dehnungen bei gleichzeitig geringem E-Modul. Diese Kombination von Eigenschaften führt dazu, dass metallische Gläser hohe elastische Energien speichern können. Allerdings verändert sich die Struktur metallischer Gläser unter Belastung, und die Bereiche, die sich irreversible (plastisch) verformt haben, sind anfälliger gegenüber weiterer Verformung. Dieses Verhalten resultiert in einer Lokalisierung der Verformung in kleinen Bereichen, den so genannten Scherbändern. Diese Scherbänder sind unter weiterer Belastung Ausgangspunkte für den Bruch. Da sich die Scherbänder in der Größenordnung weniger Nanometer bewegen, ist ihr Beitrag zur makroskopischen plastischen Dehnung der metallischen Gläser sehr gering. Damit versagen die meistens metallischen Gläser katastrophal und ohne messbare plastische Dehnung unter mechanischer Belastung. Da für die Anwendung in Bauteilen eine gewisse Versagenstoleranz in Form von plastischer Dehnung benötigt wird, schränkt die intrinsische Sprödigkeit metallischer Gläser ihren Anwendungsbereich stark ein (M. F. Ashby et al., Scripta Mater. 54, (2006) 321; C. A. Schuh et al., Acta Mater. 55, (2007) 4067).
Das Versagensverhalten metallischer Massivgläser kann durch verschiedene mechanische Vorbehandlungen verbessert werden. Zum einen führt Sandstrahlen (shot-peening) dazu, dass die Oberfläche metallischer Gläser plastisch verformt wird und die eingebrachten Spannungen zu einer Erhöhung der Plastizität unter uniaxialer Druckbelastung führen (Y. Zhang et al., Nature Mater. 5 (2006) 857).
Auch elastostatisches Vorbelasten metallischer Massivgläser über mehrere Stunden unter uniaxialem Druck erhöht ihre plastische Verformbarkeit (S. Lee et al., Scripta Mater. 58 (2008) 591; K. W. Park et al., Acta Mater. 56 (2008) 5440).
Ein weiteres Verfahren, die plastische Dehnung metallischer Gläser zu verbessern, besteht darin, Proben plastisch durch Walzen zu verformen (J. Park et al., J. Non-Cryst. Solids 351 (2005) 2142; S. Scudino et al., Phys. Status. Solidi A 207 (2010) 1118; M. H. Lee et al., Mater. Lett. 58 (2004) 3312).
Der Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass zur Realisierung dieser Verfahren entweder sehr viel Zeit benötigt wird, wie im Falle des elastostatischen Vorbelastens, oder dass eine unerwünschte Aufrauung der Oberfläche erfolgt, wie im Falle des Sandstrahlens.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe von oberflächenstrukturierten metallischen Gläsern, deren Plastizität unter Druck- und Zugbelastung erhöht ist, und in der Angabe eines einfachen, zeiteffizienten und kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung der Oberflächenstrukturierung.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäßen oberflächenstrukturierten metallischen Gläser bestehen aus einem Körper aus einer metastabilen metallischen Legierung mit einer oder mehreren Vertiefungen mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 :> 1 auf mindestens einer seiner Oberflächen, wobei im Bereich direkt um die Vertiefungen das Legierungsmaterial eine geringere Härte aufweist und weiterhin neben oder um die Bereiche mit der geringeren Härte Bereiche mit erhöhter Härte vorliegen, wobei sich geringere Härte und erhöhte Härte auf die Härte des Legierungsmaterials vor der Einbringung der Vertiefung(en) bezieht.
Vorteilhafterweise besteht der Körper aus Zr₅₇Ti₅Cu₂₀Ni₈Al₁₀, Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀, Cu_47.5Zr_47.5Al₅, Cu₄₅Zr₄₅Al₁₀, Cu₄₈Zr₃₆Al₈Ag₈, Cu₅₀Zr₅₀, Mg₅₄Cu_26.5Ag_8.5Gd₁₁, Ti₅₀Ni₂₄Cu₂₀B₁Si₂Sn₃, Fe₄₈Cr₁₅Mo₁₄Er₂C₁₅B₆ oder Cu₄₆Zr₄₂Al₇Y₅.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind eine Vielzahl von Vertiefungen vorhanden, noch vorteilhafterweise 2 bis 100 Vertiefungen.
Weiterhin vorteilhafterweise weisen die Vertiefungen einen runden, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, mehreckigen Querschnitt oder einen diesen Querschnittsformen ähnlichen Querschnitt auf.
Und auch vorteilhafterweise sind Vertiefungen vorhanden, die hinsichtlich ihrer Anzahl und Abmessungen so bemessen sind, dass noch unverformte und/oder unbeanspruchte Materialbereiche im Körper vorhanden sind.
Vorteilhaft ist es auch, wenn in eine, mehrere oder alle Oberflächen des Körpers aus der metastabilen metallischen Legierung Oberflächenstrukturierungen vorhanden sind.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn eine oder mehrere Vertiefungen mit einem Winkel zwischen > 0° < 180° und > 180° < 360° in Bezug auf die Belastungsachse vorhanden sind.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn sich die Bereich mit höherer und niedrigerer Härte um mindestens 5% von der Härte unterscheiden, die vor der Einbringung. der Vertiefungen vorgelegen hat.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Aspektverhältnis von Tiefe der Vertiefung zur Länge der Vertiefung 1 :>> 1, vorteilhafterweise 1 :≥ 10 oder 1 :≥ 100 beträgt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten metallischen Gläsern wird ein Körper aus einem metallischen Glas hergestellt, nachfolgend wird in mindestens eine der Oberflächen des abgekühlten Körpers mittels eines Werkzeuges mindestens eine Vertiefung eingebracht, wobei das Werkzeug die Negativform der Vertiefung aufweist und das Werkzeug auf mindestens eine Oberfläche aufgebracht und mittels uniaxialem Druck eine oder mehrere Vertiefungen in die Oberfläche gleichzeitig oder nacheinander eingebracht werden.
Vorteilhafterweise wird ein Werkzeug eingesetzt, welches aus einem Material mit einer größeren Härte als das metallische Glas besteht und sich unter dem eingesetzten Druck nicht verformt.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden mehrere Vertiefungen in sich gegenüberliegende Oberflächen des Körpers aus einem metallischen Glas eingebracht.
Weiterhin vorteilhafterweise werden eine oder mehrere Vertiefungen auf den Umfang eines runden Körpers aus einem metallischen Glas eingebracht.
Von Vorteil ist es auch, wenn ein uniaxialer Druck von 10 MPa bis 5000 MPa aufgebracht wird.
Und auch von Vorteil ist es, wenn das Einbringen der Vertiefungen bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur der metallischen Gläser, vorteilhafterweise im Bereich der Raumtemperatur, durchgeführt wird.
Mit der vorliegenden Lösung wird es erstmals möglich, oberflächenstrukturierte metallische Gläser anzugeben und herzustellen, deren Plastizität unter Druck- und Zugbelastung erhöht ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da metallische Gläser generell intrinsisch spröde sind. Ebenso kann diese Oberflächenstrukturierung der metallischen Gläser erstmals durch ein einfaches, zeiteffizientes und kostengünstiges Verfahren realisiert werden.
Erreicht wird dies, indem mittels eines Werkzeuges auf eine oder mehrere Oberflächen eines Körpers aus einem metallischen Glas eine oder mehrere Vertiefungen eingebracht werden. Dazu wird über das Werkzeug ein uniaxialer Druck auf die Oberfläche des metallischen Glases ausgeübt. Die eingebrachten Vertiefungen stellen die Oberflächenstrukturierung dar.
Die Form der Vertiefungen sowohl hinsichtlich Querschnitt, Länge und Breite kann sehr vielfältig sein und sie ist erfindungsgemäß nicht begrenzt. Es können vorteilhafterweise geometrische Formen sein, die jedoch auch herstellungsbedingt nicht genau sein müssen, sondern auch geometrischen Formen ähneln können. Dies können beispielsweise parallele Linien bis hin zu wellenförmigen Mustern oder Gitterstrukturen sein. Es können auf eine oder mehrere Oberflächen des Körpers aus dem metallischen Glas gleiche oder unterschiedliche Vertiefungen sowohl hinsichtlich der Form als auch der Anzahl und der Richtung bezogen auf die Belastungsachse eingebracht sein. Vorteilhafterweise sind die Vertiefungen in einem Winkel zur Belastungsachse eingebracht, der unterschiedlich von 0° bzw. 360° und 180° in Bezug auf die Belastungsachse ist. Noch vorteilhafterweise sollte diese Winkel zwischen 10 und 30° zur Belastungsachse betragen. In jedem Fall soll aber im Körper aus dem metallischen Glas mindestens noch ein Materialbereich vorhanden sein, der durch das Einbringen der Vertiefung(en) unverformt und/oder unbeansprucht ist.
Aufgrund des jeweils angewandten uniaxialen Drucks können die Vertiefungen zwischen Nanometern bis zu mehreren Millimeter Tiefe eingebracht werden. Unter dem Aspektverhältnis der Vertiefung soll im Rahmen dieser Erfindung das Verhältnis von Tiefe der Vertiefung zu ihrer Länge verstanden werden. Die Länge der Vertiefung soll dabei immer größer sein als deren Tiefe. Vorteilhafterweise beträgt die Länge in Abhängigkeit von der absoluten Größe des Körpers aus dem metallischen Glas zwischen Mikrometern bis zu mehreren Zentimetern.
Der uniaxiale Druck kann dabei auf eine Oberfläche des Körpers oder auch auf mehrere oder alle Oberflächen des Körpers gleichzeitig oder nacheinander aufgebracht werden. Dabei können sowohl unterschiedliche Vertiefungen als auch mit unterschiedlichem Druck die Vertiefungen eingebracht werden. Es kann ein Druck zwischen 10 MPa und 5000 MPa eingesetzt werden. Ebenso kann der Druck zwischen 1 Sekunde und 1 Stunde aufgebracht werden.
Als Material für das Werkzeug wird ein solches eingesetzt, dass eine größere Härte als das metallische Glas aufweist und sich unter dem eingesetzten Druck nicht verformt. Dies kann beispielsweise ein gehärteter Stahl oder ein anderes metallisches Glas oder sonstige Hartmetalle oder Werkstoffe mit hohen Härten, wie z. B. Keramiken sein.
Das Werkzeug kann zusätzlich auch geheizt oder gekühlt werden, so dass die Temperatur, bei der die Strukturierung stattfindet, verändert werden kann. Dabei ist jedoch der Temperaturbereich dadurch begrenzt, dass die Erwärmung nur bis unterhalb der Glasübergangstemperatur des jeweils eingesetzten metallischen Glases erfolgen darf.
Aufgrund dieser Vertiefung(en) verändert sich die Härte des Materials um die Vertiefung. Direkt um die Vertiefung entstehen Bereiche geringerer Härte, als die Härte, die das Material vor dem Einbringen der Vertiefung aufwies. Wiederum neben und/oder um diese Bereiche geringerer Härte entstehen Bereiche mit erhöhter Härte, wobei sich erhöhte Härte ebenfalls auf die Härte des Materials vor dem Einbringen der Vertiefung bezieht. Durch diese unterschiedlichen Härtebereiche im Material wird das Entstehen und Ausbreiten von Scherbandern bei Aufbringen von Zug- oder Druckbelastungen auf das erfindungsgemäße oberflächenstrukturierte metallische Glas erschwert. Die Scherbänder wechselwirken mit den Regionen höherer und geringerer Härte im metallischen Glas, und es wird verhindert, dass sich Scherbänder ungehindert durch das Material bewegen. Stattdessen vervielfältigen sie sich in den Bereichen hoher Härten, was wiederum die plastische Verformbarkeit erhöht. Da in jedem Fall im Körper aus dem metallischen Glas mindestens noch ein Materialbereich vorhanden ist, der durch das Einbringen der Vertiefung(en) unverformt und/oder unbeansprucht ist, heißt dies, dass in diesem Materialbereich die Härte des Materials vorliegt, die vor dem Einbringen der Vertiefung(en) vorgelegen hat.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
1a schematisch die Härteverteilung eines Körpers aus einem metallischen Glas ohne Strukturierung
1b schematisch die Härteverteilung eines erfindungsgemäßen Körpers aus einem oberflächenstrukturierten metallischen Glas
2 a) den unstrukturierten Körper aus einem metallischen Glas
b) den Körper mit Werkzeug während der Druckaufbringung
c) den strukturierten Körper
jeweils im Querschnitt
3 oberflächenstrukturierte, amorphe Zr_52.5Ti5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀-Legierung.
4 Zugversuchsdaten für eine Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀-Legierung im Ausgangszustand und nach der Oberflächenstrukturierung. Eine signifikante Zunahme der plastischen Dehnung ist feststellen.
Beispiel
Eine Legierung der Zusammensetzung Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀ wurde aufgeschmolzen und ein Körper mit den Abmessungen 40 × 30 × 1.5 mm³ mittels Rascherstarrung hergestellt. Dieser Körper besteht damit aus einer metastabilen metallischen Legierung, einem metallischen Glas. Der endgültige Testkörper (3) wurde über das Drahterosionsverfahren erzeugt, wobei sich die Struktur des Materials nicht ändert. Auf zwei gegenüberliegende Oberflächen des Körpers wurde ein Werkzeug positioniert, welches die aufzubringende Oberflächenstrukturierung in Negativform aufwies. Das Werkzeug wurde dann bei einer Kraft von 45 kN für eine Minute von oben und unten auf den Körper aus dem metallischen Glas belastet (2). Nach Ende der Belastung und Abnehmen des Werkzeuges wiesen die beiden. gegenüberliegenden Oberflächen eine Strukturierung aus 4 Vertiefungen der Abmessungen 35 × 0,2 × 0,08 mm³ auf. Die Vertiefungen hatten damit ein Aspektverhältnis von 0,08:35 = 1:437.5 (= 2,2 × 10^–3). (3).
Diese oberflächenstrukturierte amorphe Probe wurde anschließend unter Zugbelastung mit einer Verformungsgeschwindigkeit von 0.015 mm/s getestet, und die Ergebnisse sind in 4 dargestellt.
Aus den ermittelten Daten ist zu erkennen, dass sich die plastische Dehnung des metallischen Glases unter Zugbelastung aufgrund der eingebrachten Oberflächenstrukturierung erhöht. Im Ausgangszustand bricht das Material spröde mit einer plastischen Dehnung von 0%; nach der Oberflächenstrukturierung zeigt das Material eine plastische Dehnung von 3%, wobei die die hohe Bruchfestigkeit von 1750 MPa nicht beeinträchtigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. F. Ashby et al., Scripta Mater. 54, (2006) 321 [0003]
C. A. Schuh et al., Acta Mater. 55, (2007) 4067 [0003]
Y. Zhang et al., Nature Mater. 5 (2006) 857 [0004]
S. Lee et al., Scripta Mater. 58 (2008) 591 [0005]
K. W. Park et al., Acta Mater. 56 (2008) 5440 [0005]
J. Park et al., J. Non-Cryst. Solids 351 (2005) 2142 [0006]
S. Scudino et al., Phys. Status. Solidi A 207 (2010) 1118 [0006]
M. H. Lee et al., Mater. Lett. 58 (2004) 3312 [0006]

Claims

Oberflächenstrukturierte metallische Gläser bestehend aus einem Körper aus einer metastabilen metallischen Legierung mit einer oder mehreren Vertiefungen mit einem Aspektverhältnis von mindestens 1 :> 1 auf mindestens einer seiner Oberflächen, wobei im Bereich direkt um die Vertiefungen das Legierungsmaterial eine geringere Härte aufweist und weiterhin neben oder um die Bereiche mit der geringeren Härte Bereiche mit erhöhter Härte vorliegen, wobei sich geringere Härte und erhöhte Härte auf die Härte des Legierungsmaterials vor der Einbringung der Vertiefung(en) bezieht.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen der Körper aus Zr₅₇Ti₅Cu₂₀Ni₈Al₁₀, Zr_52.5Ti₅Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀, Cu_47.5Zr_47.5Al₅, Cu₄₅Zr₄₅Al₁₀, Cu₄₈Zr₃₆Al₈Ag₈, Cu₅₀Zr₅₀, Mg₅₄Cu_26.5Ag_8.5Gd₁₁, Ti₅₀Ni₂₄Cu₂₀B₁Si₂Sn₃, Fe₄₈Cr₁₅Mo₁₄Er₂C₁₅B₆ oder Cu₄₆Zr₄₂Al₇Y₅ besteht.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen eine Vielzahl von Vertiefungen vorhanden sind, vorteilhafterweise 2 bis 100 Vertiefungen.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen die Vertiefungen einen runden, quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, mehreckigen Querschnitt oder einen diesen Querschnittsformen ähnlichen Querschnitt aufweisen.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen Vertiefungen vorhanden sind, die hinsichtlich ihrer Anzahl und Abmessungen so bemessen sind, dass noch unverformte und/oder unbeanspruchte Materialbereiche im Körper vorhanden sind.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen in eine, mehrere oder alle Oberflächen des Körpers aus einer metastabilen metallischen Legierung Oberflächenstrukturierungen vorhanden sind.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen eine oder mehrere Vertiefungen mit einem Winkel zwischen > 0° < 180° und > 180° < 360° in Bezug auf die Belastungsachse vorhanden sind.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen sich die Bereich mit höherer und niedrigerer Härte um mindestens 5% von der Härte unterscheiden, die vor der Einbringung der Vertiefungen vorgelegen hat.
Oberflächenstrukturierte metallische Gläser nach Anspruch 1, bei denen das Aspektverhältnis von Tiefe der Vertiefung zur Länge der Vertiefung 1 :>> 1, vorteilhafterweise 1 :≥ 10 oder 1 :≥ 100 beträgt.
Verfahren zur Herstellung von oberflächenstrukturierten metallischen Gläsern, bei dem ein Körper aus einem metallischen Glas hergestellt wird, nachfolgend in mindestens eine der Oberflächen des abgekühlten Körpers mittels eines Werkzeuges mindestens eine Vertiefung eingebracht wird, wobei das Werkzeug die Negativform der Vertiefung aufweist und das Werkzeug auf mindestens eine Oberfläche aufgebracht und mittels uniaxialem Druck eine oder mehrere Vertiefungen in die Oberfläche gleichzeitig oder nacheinander eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Werkzeug eingesetzt wird, welches aus einem Material mit einer größeren Härte als das metallische Glas besteht und sich unter dem eingesetzten Druck nicht verformt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem mehrere Vertiefungen in sich gegenüberliegende Oberflächen des Körpers aus einem metallischen Glas eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine oder mehrere Vertiefungen auf den Umfang eines runden Körpers aus einem metallischen Glas eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein uniaxialer Druck von 10 MPa bis 5000 MPa aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Einbringen der Vertiefungen bei Temperaturen unterhalb der Glasübergangstemperatur der metallischen Gläser, vorteilhafterweise im Bereich der Raumtemperatur, durchgeführt wird.