DE112013005202T5

DE112013005202T5 - Nickelbasierende chrom- und phosphorhaltige metallische Massivgläser mit hoher Härte

Info

Publication number: DE112013005202T5
Application number: DE112013005202.4T
Authority: DE
Inventors: Jong Hyun Na; Michael Floyd; William L. Johnson; Glenn Garrett; Maximilian Launey; Marios D. Demetriou
Original assignee: Glassimetal Technology Inc
Current assignee: Apple Inc; Glassimetal Technology Inc
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-08-27
Also published as: JP6302477B2; US20140345755A9; KR20150081327A; CN104822852A; JP2016502597A; CN104822852B; US9863024B2; US20140116579A1; KR101997183B1; WO2014070898A1

Abstract

Eine formende Legierung für ein Ni-basierendes metallisches Massivglas wird bereitgestellt. Die Legierung umfasst Ni(100-a-b-c-d)CraNbbPcBd, wobei ein Atomprozent von Chrom (Cr) a im Bereich von 3 bis 13 liegt, ein Atomprozent von Niob (Nb) b durch x – y*a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, ein Atomprozent von Phosphor (P) c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt, ein Atomprozent von Bor (B) d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt und der Rest Nickel (Ni) ist, und wobei die Legierung in der Lage ist, ein metallisches Glasobjekt mit einer seitlichen Abmessung von mindestens 6 mm zu formen, wobei das metallische Glas einen Spannungsintensitätsfaktor bei Rissinitiierung aufweist, wenn an einem Stab mit 3 mm Durchmesser gemessen wird, der eine Kerbe mit einer Länge zwischen 1 und 2 mm und Grundradius zwischen 0,1 und 0,15 mm aufweist, wobei der Spannungsintensitätsfaktor mindestens 70 MPa m1/2 beträgt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 30. Oktober 2012 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/720,015 mit dem Titel „Nickelbasierende chrom- und phosphorhaltige metallische Massivgläser mit hoher Härte”, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Ni-Cr-Nb-P-B-Gläser, die in der Lage sind, metallische Massivglasstäbe mit Durchmessern über 3 mm und mit einer Größe von 11 mm oder mehr zu formen.
Hintergrund
Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen, die in der Lage sind, metallische Massivglasstäbe mit Durchmessern von 3 mm oder größer zu formen, wurden in der US-Patentanmeldung Nr. 13/592,095 mit dem Titel „Nickelbasierende chrom- und phosphorhaltige metallische Massivgläser” offenbart, die am 22. August 2012 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird. In dieser Anmeldung wurde ein Höchstwert an Glasformungsfähigkeit für Chromgehalt (Cr) im Bereich von 8,5 bis 9 Atomprozent, Niobiumgehalt (Nb) von ca. 3 Atomprozent, Borgehalt (B) von 3 bis 3,5 Atomprozent und Phosphorgehalt (P) von ca. 16,5 Atomprozent bezeichnet. Es können metallische Massivglasstäbe mit einem Durchmesser von 11 mm geformt werden. Die Legierung bildet jedoch ein metallisches Glas mit einer relativ geringen Härte für den Höchstwert an Glasformungsfähigkeit der Legierung.
Aufgrund der attraktiven technischen Eigenschaften von Ni-basierten P- und B-haltigen Massivgläsern, wie hohe Festigkeit, Härte, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, besteht weiterhin eine Notwendigkeit, Legierungen mit verschiedenen Kombinationen von Übergangsmetallen zu entwickeln, um die Möglichkeit noch besserer technischer Höchstleistungen zu erforschen, insbesondere höhere Härte, während gleichzeitig eine hohe Glasformungsfähigkeit beibehalten wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Beschreibung wird mit folgenden Figuren und Datengrafiken offensichtlicher, welche als verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung präsentiert werden und nicht als eine vollständige Aufzählung des Umfangs der Offenbarung verstanden werden sollte, wobei:
1 eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent auf die Glasformungsfähigkeit von Ni_77,5xCr_xNb₃P_16,5B₃-Legierungen für 3 ≤ x ≤ 15 ist (diese Figur ist 3, die zuvor in Patentanmeldung 13/592.095 offenbart wurde).
2 eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent auf die Kerbzähigkeit der metallischen Gläser Ni_77,5xCr_xNb₃P_16,5B₃ für 4 ≤ x ≤ 13 ist (diese Figur ist 19, die zuvor in Patentanmeldung 13/592.095 offenbart wurde).
3 eine Datengrafik der Wirkung von Nb Atomprozent auf die Glasformungsfähigkeit von Ni₆₉Cr_11,5xNb_xP_16,5B₃-Legierungen für 1,5 ≤ x ≤ 5 ist (diese Figur ist 2, die zuvor in Patentanmeldung 13/592,095 offenbart wurde).
4 eine Datengrafik der Wirkung von Nb Atomprozent auf die Kerbzähigkeit der metallischen Gläser Ni₆₉Cr_11,5xNb_xP_16,5B₃ 2 ≤ x ≤ 4 ist (diese Figur ist 29, die zuvor in Patentanmeldung 13/592,095 offenbart wurde).
5 eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent auf die Glasformungsfähigkeit von Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃-Legierungen gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist.
6 Kalorimetrie-Scans für Proben von metallischen Gläsern der Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃-Serie mit unterschiedlichen Cr Atomprozenten gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
7 eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent auf die Kerbzähigkeit der metallischen Gläser Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃ gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist.
8 ein Konturdiagramm der Glasformungsfähigkeit und Kerbzähigkeit der Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen und metallischen Gläser gegen die Cr- und Nb-Inhalte aufgetragen werden, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist.
9 ein Röntgen-Diffraktogramm zur Überprüfung der amorphen Struktur eines 10 mm Stabes einer metallischen Glasprobe Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist.
10 ein Druckspannungs-Dehnungs-Diagramm für eine Probe aus metallischer Glasprobe der Zusammensetzung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 ist.
11 ein Zugspannungs-Dehnungs-Diagramm für eine Probe aus metallischer Glasprobe der Zusammensetzung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 ist.
12 ein Bild der Bruchoberfläche einer Hundeknochenprobe aus einer metallischen Glasprobe der Zusammensetzung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03, die nicht standhielt, ist.
13 eine Grafik, die die Korrosionstiefe verglichen mit der Zeit in einer 6M HCl-Lösung eines metallischen Glasstabs der Zusammensetzung Ni 3 mm_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 zeigt, ist
Kurze Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung bietet Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen und metallische Gläser, die kompositorische Bereiche entlang eines Grats mit Glasformungsfähigkeit (GFA) haben, die fähig sind, metallische Glasstäbe mit mindestens 6 mm Durchmesser zu formen.
Entlang dieses kompositorischen Grats werden die Konzentrationen von Ni, Cr und Nb gleichzeitig variiert, während die Halbmetallzusammensetzung konstant gehalten wird, woraus sich überraschende Kombinationen mechanischer Leistung und Glasformungsfähigkeit ergeben. In Ausführungsformen können die vorliegenden Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen eine ähnliche Glasformungsfähigkeit wie zuvor offenbarte Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen aufweisen, formen jedoch metallische Gläser mit viel höherer Härte als die metallischen Gläser, die von den zuvor offenbarten Legierungen geformt wurden. Der Höchstwert an Glasformungsfähigkeit in den vorliegenden Legierungen hängt mit einer hohen metallischen Glaskerbzähigkeit zusammen, im Gegensatz zu einer relativ niedrigen Kerbzähigkeit, die mit dem Höchstwert an Glasformungsfähigkeit der zuvor offenbarten Legierungen zusammenhängt.
In einer Ausführungsform bietet die Offenbarung eine Legierung oder ein metallisches Glas, das aus der Legierung geformt wurde, die durch die folgende Formel dargestellt wird (tiefgestellte Zeichen bezeichnen Atomprozent): Ni_{(100-a-b-c-d)}Cr_aNb_bP_cB_d Gleichung (1) wobei:
a im Bereich von 3 bis 13 liegt
b durch x – y*a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 und y von 0,11 bis 0,14 liegt
c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt
d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt
und wobei der Durchmesser des metallischen Glasstabs mindestens 6 mm beträgt.
In einigen Ausführungsformen liegt a im Bereich von 3,5 bis 12,5, b wird durch x – y·a bestimmt, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, c im Bereich von 16,25 bis 17 und d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt.
In einer anderen Ausführungsform wird die Legierung durch die folgende Formel dargestellt (tiefgestellte Zeichen bezeichnen Atomprozent): Ni_{77,4375-0,875a}Cr_aNb_{4,0625-0,125a}P_16,5B₃ Gleichung (2) wobei das Atomprozent a von Cr im Bereich von 3 bis 13 liegt.
In einigen Ausführungsformen liegt das Atomprozent a von Cr im Bereich von 4 bis 13.
In noch einer weiteren Ausführungsform liegt das Atomprozent von Cr im Bereich von 4 bis 9, wobei der Durchmesser des metallischen Glasstabs mindestens 9 mm beträgt.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird bis zu 1 Atomprozent von P durch Si ersetzt.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird bis zu 2 Atomprozent von Cr durch Fe, Co, Mn, W, Mo, Ru, Re, Cu, Pd, Pt oder Kombinationen davon ersetzt.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird bis zu 2 Atomprozent von Ni durch Fe, Co, Mn, W, Mo, Ru, Re, Cu, Pd, Pt oder Kombinationen davon ersetzt.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird bis zu 1,5 Atomprozent von Nb durch Ta, V oder Kombinationen davon ersetzt.
In noch einer weiteren Ausführungsform sind die Legierungen der vorliegenden Offenbarung in der Lage, metallische Glasstäbe mit einem Durchmesser von mindestens 11 mm zu formen, wenn sie rasch aus dem geschmolzenen Zustand abgeschreckt werden.
In noch einer weiteren Ausführungsform wird die Schmelze der Legierung mit einem Reduktionsmittel vor dem raschen Abschrecken gefluxt.
In noch einer weiteren Ausführungsform liegt die Temperatur der Schmelze vor dem Abschrecken mindestens 100 Grad über der Liquidustemperatur der Legierung.
In noch einer anderen Ausführungsform beträgt die Temperatur der Schmelze vor dem Abschrecken mindestens 1100°C.
In noch einer weiteren Ausführungsform beträgt die Kerbzähigkeit, die als Spannungsintensitätsfaktor zur Rissinitiierung definiert wird, wenn sie an einem Stab mit 3 mm Durchmesser gemessen wird, der eine Kerbe mit einer Länge von 1 bis 2 mm und Grundradius im Bereich von 0,1 bis 0,15 mm aufweist, mindestens 70 MPa m^1/2.
Die Offenbarung bezieht sich auf eine Legierung oder ein metallisches Glas mit einer Zusammensetzung, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Ni_73,375Cr_3,5Nb_3,625P_16,5B₃, Ni_72,5Cr_4,5Nb_3,5P_16,5B₃, Ni_71,5Cr_5,64Nb_3,36P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,64Nb_3,46P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,17B_3,03Si_0,5, Ni_70,5Cr_6,78Nb_3,22P_16,5B₃, Ni_68,5Cr₉Nb₃P_16,5B₃, Ni_67,25Cr_10,5Nb_2,75P_16,5B₃ und Ni_65,5Cr_12,5Nb_2,5P_16,5B₃.
In einer speziellen Ausführungsform enthält die Legierung die Zusammensetzung Ni_67,25Cr_5,5Nb_3,4P_16,5B₃, und ist in der Lage, ein amorphes Massivobjekt mit einer Querabmessung von mindestens 11 mm zu formen.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Formen eines metallischen Glases bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Schmelzen einer Legierung in einen geschmolzenen Zustand, wobei die Legierung mindestens Ni, Cr, Nb, P und B mit einer Formel Ni_{(100-a-b-c-d)}Cr_aNb_bP_cB_d beinhaltet, wobei ein Atomprozent Chrom (Cr) a im Bereich von 3,5 bis 12,5 liegt, ein Atomprozent von Niob (Nb) b durch x – y*a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, ein Atomprozent von Phosphor (P) c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt, das Atomprozent Bor (B) d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt und der Rest Nickel (Ni) ist. Das Verfahren umfasst auch das Abschrecken der geschmolzenen Legierung bei einer Kühlgeschwindigkeit, die ausreichend rasch ist, um eine Kristallisation der Legierung zu verhindern.
Zusätzliche Ausführungsformen und Merkmale sind zum Teil in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden für den Fachmann aus dem Studium dieser Patentschrift offensichtlich oder können durch die Praxis der Erfindung gelernt werden. Ein weiteres Verständnis der Natur und der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann durch Bezugnahme auf die verbleibenden Abschnitte der Patentschrift und den Zeichnungen realisiert werden, die einen Teil dieser Offenbarung bilden.
Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung kann durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, wie nachstehend beschrieben, verstanden werden. Es sei klargestellt, dass zu Zwecken der Klarheit der Darstellung bestimmte Elemente in verschiedenen Zeichnungen nicht maßstabsgetreu dargestellt sein können.
Beschreibung der Legierungszusammensetzungen und Zusammensetzungen von metallischem Glas
In Übereinstimmung mit der bereitgestellten Offenbarung und den Zeichnungen werden Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen bereitgestellt, die entlang eines klar definierten kompositorischen Grats liegen, die sehr niedrige Abkühlgeschwindigkeiten erfordern, um metallisches Glas zu formen, wodurch eine Massivmetallglasbildung erlaubt wird, damit metallische Glasstäbe mit Durchmessern größer als mindestens 6 mm geformt werden können. In speziellen Ausführungsformen können diese Legierungen durch Steuern der relativen Konzentrationen von Ni, Cr und Nb und dem Beimischen geringfügiger Zusätze von etwa 16,5 Atomprozent P und etwa 3 Atomprozent B metallische Glasstäbe mit einem Durchmesser von mehr als 6 mm formen. Der vorliegende kompositorische Grat stellt Legierungen bereit, die eine Kombination aus guter Glasformungsfähigkeit und einer relativ hohen Härte für metallische Gläser aus den Legierungen besitzen.
In der vorliegenden Offenbarung wird die Glasformungsfähigkeit jeder Legierung durch den „kritischen Stabdurchmesser” quantifiziert, der als maximaler Stabdurchmesser definiert wird, in dem die amorphe Phase geformt werden kann, wenn sie durch ein Verfahren des Wasserabschreckens einer Quarzröhre, die eine geschmolzene Legierung enthält, verarbeitet wird.
Die Kerbzähigkeit, die als Spannungsintensitätsfaktor bei Rissinitiierung K_q definiert wird, ist die Maßeinheit für die Fähigkeit eines Materials, einem Bruch bei vorhandener Kerbe zu widerstehen. Die Kerbzähigkeit ist eine Maßeinheit für den erforderlichen Arbeitsaufwand, um einen Riss, der von einer Kerbe ausgeht, auszubreiten. Ein hohes K_q stellt sicher, dass das Material bei vorhandenen Defekten hart ist.
In einigen Ausführungsformen können Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen, die entlang des kompositorischen Grats der Offenbarung fallen und einen kritischen Stabdurchmesser von mindestens 6 mm aufweisen, durch die folgende Formel dargestellt werden (tiefgestellte Zeichen bezeichnen Atomprozent): Ni_{(100-a-b-c-d)}Cr_aNb_bP_cB_d Gleichung (1) wobei a im Bereich von 3 bis 13 liegt, b durch x – y·a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt und d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt.
In einigen Ausführungsformen können Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen, die entlang des kompositorischen Grats der Offenbarung fallen und einen kritischen Stabdurchmesser von mindestens 6 mm aufweisen, durch die Gleichung (1) dargestellt werden, wobei a im Bereich von 3,5 bis 12,5 liegt, b durch x – y·a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt und d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt.
In einigen Ausführungsformen können Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen, die entlang des kompositorischen Grats der Offenbarung fallen, durch die folgende Gleichung dargestellt werden (tiefgestellte Zeichen bezeichnen Atomprozent): Ni_{77,4375-0,875a}Cr_aNb_{4,0625-0,125a}P_16,5B₃ Gleichung (2) wobei das Atomprozent a von Cr im Bereich von 3 bis 13 liegt.
In einigen Ausführungsformen können Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen, die entlang des kompositorischen Grats der Offenbarung fallen, durch die Gleichung (2) dargestellt werden, wobei das Atomprozent a von Cr im Bereich von 4 bis 13 liegt.
Ausführungsformen der vorliegenden Ni-Cr-Nb-P-B metallischen Gläser gemäß der obigen Gleichungen weisen kritische Stabdurchmesser von 11 mm oder größer auf und eine deutlich höhere Kerbzähigkeit als die Ni-Cr-Nb-P-B metallischen Gläser, die in der vorhergehenden US-Patentanmeldung Nr. 13/592.095 offenbart wurden.
Spezifische Ausführungsformen von metallischen Gläsern aus Legierungen mit Zusammensetzungen, die die offenbarte Zusammensetzungsformel der Gleichung (1) erfüllen, sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Proben-3 und 7–10 erfüllen den engeren Bereich durch Gleichung (2), der etwa in der Mitte des Bereichs von Gleichung (1) liegt.
Die kritischen Stabdurchmesser der Probelegierungen zusammen mit der Kerbzähigkeit der entsprechenden metallischen Gläser sind ebenfalls in Tabelle 1 aufgeführt. Alle Proben 1–10 weisen ein Cr Atomprozent auf, das im Bereich von 3,5 bis 12,5 liegt und einen kritischen Stabdurchmesser von 6 mm oder größer besitzt. Weiterhin die Proben 2–8, die ein Cr Atomprozent im Bereich von 4 bis 9 haben, und kritische Stabdurchmesser von 9 mm bis 11 mm aufweisen. Insbesondere Probe 5 mit einem Cr-Gehalt von etwa 5,5 Atomprozent, einem Nb-Gehalt von etwa 3,4 Atomprozent, einem B-Gehalt von etwa 3 Atomprozent und einem P-Gehalt von etwa 16,5 Atomprozent stellt einen Höchstwert an Glasformungsfähigkeit dar und weist einen kritischen Stabdurchmesser von 11 mm auf. Die Probe 8 mit 8,5 Atomprozent von Cr, 3 Atomprozent von Nb, 16,5 Atomprozent von P und 3 Atomprozent von B ist die Legierung, die dem Höchstwert an Glasformungsfähigkeit am nächsten kommt, wie in der vorherigen US-Patentanmeldung Nr. 13/592.095 offenbart, die einen kritischen Stabdurchmesser von 10 mm aufweist.
Die metallischen Glasproben 1–7 und 9 weisen eine Kerbzähigkeit von mindestens 70 MPa m^1/2 oder höher auf, was etwa doppelt so hoch ist wie der 34 MPa m^1/2-Wert der metallischen Glasprobe 8, die die niedrigste Kerbzähigkeit aller Proben aufweist. Die metallische Glasprobe 10 hat eine geringere Kerbzähigkeit als die Proben 1–7 und 9.
Eine geringfügige kompositorische Anpassung wurde bei Probe 3 wie folgt durchgeführt: Die Niob-Konzentration wird um 0,1 Atomprozent auf Kosten von Nickel erhöht. Das Ergebnis ist Probe 4, die keine Veränderung der Glasformungsfähigkeit, aber eine leichte Verbesserung der Härte zeigt und eine Kerbzähigkeit von etwa 75 MPa m^1/2 aufweist.
Eine kleine kompositorische Feinabstimmung wurde ebenfalls an Probe 4 wie folgt durchgeführt: Der Gesamthalbmetallgehalt (d. h. die Summe der Phosphor- und Bor-Konzentration) wird um 0,2 Atomprozent erhöht, wobei der Gesamtübergangsmetallgehalt (d. h. die Summe der Chrom- und Niob-Konzentrationen) um 0,2 Atomprozent reduziert wird, während die Nickelkonzentration unverändert bleibt. Das Ergebnis ist Probe 5, die eine leichte Verbesserung der Glasformungsfähigkeit und einen kritischen Stabdurchmesser von 11 mm aufweist, jedoch einen leichten Rückgang der Härte und eine Kerbzähigkeit von etwa 75 MPa m^1/2 aufweist.

Eine weitere Verbesserung wird auf Probe 5 durchgeführt, indem 0,5 Atomprozent P durch Si ersetzt wird. Das Ergebnis ist Probe 6. Probe 6 zeigt einen kritischen Stabdurchmesser von 10 mm und eine Kerbzähigkeit von etwa 82 MPa m^1/2. Tabelle 1: Ni-Cr-Nb-P-B-Probezusammensetzungen (die wahlweise Si enthalten) und zugehörige Glasformungsfähigkeit der Legierungen und Kerbzähigkeit der metallischen Gläser.

Probe	Zusammensetzung	Kritischer Stabdurchmesser [mm]	Kerbzähigkeit (MPa m^1/2)
1	Ni_73,375Cr_3,5Nb_3,625P_16,5B₃	6	82,4 ± 1,4
2	Ni_72,5Cr_4,5Nb_3,5P_16,5B₃	9	85,0 ± 2,1
3	Ni_71,5Cr_5,64Nb_3,36P_16,5B₃	10	80,4 ± 5,3
4	Ni_71,4Cr_5,64Nb_3,46P_16,5B₃	10	85,5 ± 2,9
5	Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03	11	74,6 ± 0,8
6	Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,17B_3,03Si_0,5	10	82,1 ± 2,8
7	Ni_70,5Cr_6,78Nb_3,22P_16,5B₃	9	75,2 ± 0,6
8	Ni₆₉Cr_8,5Nb₃P_16,5B₃	10	33,5 ± 5,2
9	Ni_67,25Cr_10,5Nb_2,75P_16,5B₃	8	71,4 ± 9,0
10	Ni_65,5Cr_12,5Nb_2,5P_16,5B₃	6	54,0 ± 3,1

1 ist eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent x auf die Glasformungsfähigkeit von Ni_77,5-xCr_xNb₃P_16,5B₃-Legierungen, wobei 3 ≤ x ≤ 15 ist (zuvor in Patentanmeldung 13/592.095 offenbart). Wie gezeigt wird, weist die Legierung einen GFA-Höchstwert zwischen 8,5 und 9 Atomprozent Cr auf.
2 ist eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent x auf die Kerbzähigkeit der Ni_77,5xCr_xNb₃P_16,5B₃ metallischen Gläser, wobei 4 ≤ x ≤ 13 ist (zuvor in Patentanmeldung 13/592,095 offenbart). Wie gezeigt wird, weist die Legierung mit dem GFA-Höchstwert mit 9 Atomprozent Cr, wie in 1 gezeigt wird, eine niedrige Kerbzähigkeit von etwa 30 MPa m^1/2 auf.
3 ist eine Datengrafik der Wirkung von Nb Atomprozent x auf die Glasformungsfähigkeit von Ni₆₉Cr_11,5-xNb_xP_16,5B₃-Legierungen, wobei 1,5 ≤ x ≤ 5 ist (zuvor in Patentanmeldung 13/592.095 offenbart). Wie gezeigt wird, weisen die Legierungen einen GFA-Höchstwert von 3 Atomprozent Nb auf.
4 ist eine Datengrafik der Wirkung von Nb Atomprozent x auf die Kerbzähigkeit metallischer Gläser mit der Zusammensetzung Ni₆₉Cr_11,5-xNb_xP_16,5B₃, wobei 2 ≤ x ≤ 4 ist (zuvor in Patentanmeldung 13/592.095 offenbart). Wie gezeigt wird, hat die Legierung mit dem GFA-Höchstwert mit 3 Atomprozent Nb, wie in 1 gezeigt wird, eine niedrige Kerbzähigkeit von etwa 35 MPa m^1/2.
5 ist eine Datengrafik des kritischen Stabdurchmessers der Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃-Legierungen gegenüber dem Atomprozent von Cr (Proben 1–3 und 7–10, die in Tabelle 1 aufgeführt sind) in Übereinstimmung mit den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Proben der Legierungszusammensetzungen erfüllen Gl. 2. Wie in 5 ersichtlich wird, ist, wenn der Cr-Gehalt zwischen 3 bis 13 Atomprozent ist und der Nb-Gehalt durch die Gleichung (2) bestimmt wird, der kritische Stabdurchmesser größer als 6 mm und bis zu 10 mm groß. Es ist auch offensichtlich, dass der Übergang zu hoher Glasformungsfähigkeit genau zwischen 3 und 3,5 Atomprozent auftritt, den Höchstwert bei etwa 5,5% erreicht und sich dann zwischen 12,5 und 13 Atomprozent sehr stark verschlechtert.
Die Wirkung einer variablen x (d. h. gleichzeitiges Variieren des Cr- und Nb-Gehalts auf Kosten von Ni gemäß Gleichung (2)) auf Glasformungsfähigkeit wurde in der früheren Patentanmeldung 13/592,095 nicht berücksichtigt.
6 veranschaulicht Kalorimetrie-Scans für Proben von metallischen Gläsern der Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃-Serie mit unterschiedlichen Cr Atomprozenten gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 6 bezeichnen die Pfeile von links nach rechts die Glasumwandlung, Kristallisation, Solidus- und Liquidustemperaturen.
Die Differentialkalorimetrie-Scans der metallischen Gläser Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃ offenbaren, dass die Solidus- und Liquidustemperaturen ein flaches Minimum durchlaufen, wenn die Atomprozente von Cr im Bereich von 4,5 bis 6 liegen, wobei der Höchstwert der Glasformungsfähigkeit, wie in 5 gezeigt, eingehalten wird.
7 ist eine Datengrafik der Wirkung von Cr Atomprozent auf die Kerbzähigkeit der metallischen Gläser Ni_{77,4375-0,875x}Cr_xNb_{4,0625-0,125x}P_16,5B₃ gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Kerbzähigkeit von Ausführungsformen metallischer Gläser, die Gleichung (2) erfüllt, wird in 7 dargestellt. Wie in der Grafik zu sehen ist, erreicht die Kerbzähigkeit einen Höchstwertbei x = 4,5 Atomprozent, wobei die Glasformungsfähigkeit auch nahe am Höchstwert liegt, die in der vorliegenden Offenbarung gegeben ist, und durchläuft einen Tiefstwert nahe x = 9 Atomprozent, wobei der niedrigste Wert von 33,5 MPa m^1/2 mit dem Höchstwert der Glasformungsfähigkeit der bisher offenbarten Legierungen, wie sie in US-Patentanmeldung 13/592,095 dargestellt sind, zusammenhängt. Folglich weisen die Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen der vorliegenden Offenbarung eine vergleichbare oder bessere Glasformungsfähigkeit auf, aber die Ni-Cr-Nb-P-B metallischen Gläser, die aus den Legierungen geformt wurden, weisen eine viel höhere Kerbzähigkeit auf als die Ni-Cr-Nb-P-B metallischen Gläser, die zuvor offenbart wurden.
8 ist ein Konturdiagramm der Glasformungsfähigkeit und Kerbzähigkeit der Ni-Cr-Nb-P-B-Legierungen und metallischen Gläser, die aus den Legierungen geformt und gegen die Cr- und Nb-Inhalte aufgetragen werden, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Cr-Gehalt ist auf der horizontalen Achse und der Nb-Gehalt auf der vertikalen Achse. Es gibt drei Konturen: 402, 404 und 406, jeweils für GFA von 8 mm, 5 mm und 3 mm. Ein Zusammensetzungsgrat von Cr und Nb wird durch Gleichung (1) oder (2) definiert. Entlang des Grats ist die Glasformungsfähigkeit mindestens 6 mm oder höher. Der Grat definiert die Legierungen, welche die Gleichung (1) oder (2) erfüllen, während Legierungen, die auf eine der beiden Seiten des Grats fallen, wie beispielsweise über den Grat hinaus, aber innerhalb der Bereiche 404 und 406, geringere Glasformungsfähigkeiten aufweisen. Der Höchstwert der Glasformungsfähigkeit, die in der vorliegenden Offenbarung gegeben ist, wird auch in dem Bereich gezeigt, wo die Kerbzähigkeit hoch ist, im Gegensatz zur niedrigeren Kerbzähigkeit für den Höchstwert der Glasformungsfähigkeit der offenbarten Legierungen in US-Patentanmeldung Nr. 13/592,095, wie sie bereits geschildert wurden.
Im Zusammensetzungsgrat liegt das Atomprozent B bei etwa 3, das Atomprozent P bei etwa 16,5 und das Atomprozent Nb und Cr sind miteinander verbunden, um Gleichung (1) oder Gleichung (2) zu erfüllen, so dass das Atomprozent Nb im Bereich von etwa 3 bis etwa 3,5 liegt und der Gehalt an Cr im Bereich von etwa 3,5 bis etwa 9 Atomprozent liegt. Unter Verwendung dieser kompositorischen Bereiche können metallische Massivglasstäbe mit einem Durchmesser von 9 bis 11 mm oder größer geformt werden. Die Kerbzähigkeit für die metallischen Gläser innerhalb des Zusammensetzungsgrats beträgt mindestens 70 MPa m^1/2.
Die Probelegierung 5 mit der Zusammensetzung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 weist einen kritischen Stabdurchmesser von 11 mm auf, wenn sie in Quarzröhren mit 0,5 mm dicken Wänden verarbeitet wird, wie hierin beschrieben. Diese Legierung wurde ebenfalls in eine Quarzröhre mit 1 mm dicker Wand (statt 0,5 mm dicken Wänden, wie in dem hier beschriebenen Verfahren) verarbeitet, und es wurde festgestellt, dass sie in der Lage ist, vollständig amorphe 10 mm Stäbe zu formen. ist ein Röntgen-Diffraktogramm zur Überprüfung der amorphen Struktur eines 10 mm Stabes einer metallischen Glasprobe Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die metallische Glasprobe Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 weist eine Kerbzähigkeit von 75 MPa m^1/2 auf, etwa doppelt so viel wie die der Glasformungslegierung mit dem größten kritischen Stabdurchmesser, die in der früheren Patentanmeldung Nr. 13/592,095 offenbart wurde.
Beispielsweise offenbart die frühere Patentanmeldung, dass die Kerbzähigkeit der Legierung Ni_68,5Cr₉Nb₃P_16,5B₃ mit kritischem Stabdurchmesser von etwa 10 mm, etwa 30 MPa m^1/2 i beträgt.
Verschiedene thermophysikalische, mechanische und chemische Eigenschaften des metallischen Glases Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 wurden untersucht. Gemessene thermophysikalische Eigenschaften umfassen Glasumwandlung, Kristallisation, Solidus- und Liquidustemperaturen, Dichte, Schubmodul, Kompressionsmodul, Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl. Gemessene mechanische Eigenschaften, neben Kerbzähigkeit, umfassen Druckfestigkeit, Zugfestigkeit und Härte. Gemessene chemische Eigenschaften umfassen Korrosionsbeständigkeit in 6M HCl. Diese Eigenschaften sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Die Streckgrenze, σ_y, die als Kompression sowie Spannung gemessen werden kann, ist eine Maßeinheit für die Fähigkeit eines Materials nicht-elastischem Nachgeben zu widerstehen.
Die Streckgrenze ist die Spannung, bei der das Material plastisch nachgibt. Ein hohes σ_y gewährleistet, dass das Material stark ist. Die Druck- und Zugspannungs-Dehnungs-Diagramme für metallisches Glas Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 sind jeweils in den 10 bzw. 11 dargestellt. Die Druck- und Zugfestigkeiten betragen schätzungsweise 2375 und 2250 MPa und sind in Tabelle 2 aufgeführt. Es ist interessant festzustellen, dass das Material beträchtliche makroskopische plastische Verformung bei Kompression aufweist, wie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt. Während keine makroskopische plastische Verformung durch Spannung belegt ist (was für metallische Gläser nicht erwartet wird), wird das Material durch Scherung entlang einer Scherfuge ausgelöst, wie die Bruchoberfläche in belegt, was ein Merkmal von verformbaren metallischen Gläsern ist.
Härte ist eine Maßeinheit für die Fähigkeit eines Materials, Kunststoff-Einkerbung zu widerstehen. Eine hohe Härte stellt sicher, dass das Material gegen Einkerbung und Verkratzen widerstandsfähig ist. Die Vickershärte von metallischem Glas Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 wird als 720,7 ± 9,1 kgf/mm² gemessen. Die Härte aller metallischen Glaszusammensetzungen, gemäß der aktuellen Offenbarung, beträgt voraussichtlich mehr als 700 kgf/mm².
Ein plastischer Zonenradius, r_p, der als K_q ²/πσ_y ² definiert wird, wobei σ_y die Zugfestigkeit ist, ist eine Maßeinheit der kritischen Fehlergrößen, wo ein katastrophaler Bruch unterstützt wird. Der plastische Zonenradius bestimmt die Empfindlichkeit des Materials auf Fehler; eine hohes r_p bezeichnet eine geringe Empfindlichkeit des Materials auf Fehler. Der plastische Zonenradius von metallischem Glas Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 wird als 0,35 mm geschätzt.
Schließlich zeigen die vorliegenden Ni-Cr-Nb-P-B metallischen Gläser auch eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit. Die Korrosionsbeständigkeit vom metallischen Glas Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03-Beispiel wurde mittels Eintauchprüfung in 6M HCl bewertet. Die Dichte des metallischen Glasstabs wurde mit der Archimedes-Methode als 7,89 g/cm³ gemessen. Eine Grafik der Korrosionstiefe verglichen mit der Zeit wird in dargestellt.

Die Korrosionstiefe bei ca. 934 Stunden wird als etwa 8,2 Mikrometer gemessen. Die Korrosionsgeschwindigkeit beträgt voraussichtlich 0,073 mm/Jahr. Die Korrosionsgeschwindigkeit von metallischem Glas, gemäß der aktuellen Offenbarung, beträgt voraussichtlich weniger als 1 mm/Jahr.

Tabelle 2. Thermophysikalische, mechanische und chemische Eigenschaften des metallischen Glases Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03.
Zusammensetzung	Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03
Kritischer Stabdurchmesser	11 mm
Glasumwandlungstemperatur	393,0°C
Kristallisationstemperatur	435,4°C
Solidustemperatur	844,9°C
Liquidustemperatur	889,6°C
Dichte	7,89 g/cm³
Druckfestigkeit (Druck)	2375 MPa
Zugfestigkeit (Zug)	2250 MPa
Härte	720,7 ± 9,1 kgf/mm²
Kerbzähigkeit	74,6 MPa m^1/2
Plastischer Zonenradius	0,35 mm
Schubmodul	48,9 GPa
Kompressionsmodul	178,1 GPa
Elastizitätsmodul	134,4 GPa
Poisson-Zahl	0,3744
Korrosionsgeschwindigkeit (6M HCl)	73,3 μm/Jahr

Beschreibung der Verfahren zur Verarbeitung der Probelegierungen
Ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen beinhaltet ein induktives Schmelzen der entsprechenden Mengen elementarer Bestandteile in eine Quarzröhre unter inerter Atmosphäre. Die Reinheitsgrade der Bestandteile waren wie folgt: Ni 99,995%, Cr 99,996%, Nb 99,95%, P 99,9999%, Si 99,9999% und B 99,5%. Der Schmelztiegel kann alternativ aus Keramik, wie Tonerde oder Zirkonia, Graphit, gesintertem kristallinem Siliziumdioxid oder einem wassergekühlten Ofen aus Kupfer oder Silber sein.
Ein bestimmtes Verfahren zur Herstellung von metallischen Glasstäben aus den Legierungsingots beinhaltet das Wiedereinschmelzen der Legierungsingots zu Quarzröhren mit 0,5 mm dicken Wänden in einem Ofen bei 1100°C oder höher, und bei einigen Ausführungsformen im Bereich von 1150°C bis 1400°C, unter hochreinem Argon und raschem Abschrecken in einem Wasserbad bei Raumtemperatur. Alternativ könnte das Bad aus Eis-Wasser oder Öl bestehen. Metallische Glasartikel können alternativ durch Spritzen oder Gießen der geschmolzenen Legierung in eine Metallform geformt werden. Der Form kann neben anderen Materialien aus Kupfer, Messing oder Stahl hergestellt werden.
Quarzglas ist im Allgemeinen ein schlechter thermischer Leiter. Eine Erhöhung der Rohrwanddicke verlangsamt die Wärmeabfuhr während des Schmelz-Abschreck-Prozesses, wodurch der Stabdurchmesser beschränkt wird, der mit einer amorphen Phase durch eine bestimmte Zusammensetzung geformt werden kann. Zum Beispiel ist die Legierung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 in der Lage, einen Stab von 11 mm Durchmesser (Beispiel 5 in Tabelle 1) bei der Verarbeitung durch Wasserabschrecken bei hoher Schmelztemperatur in eine Quarzglasröhre mit einer Wandstärke von 0,5 mm zu formen. Wenn sie in der gleichen Weise in eine Quarzglasröhre mit einer Wandstärke von 1,0 mm verarbeitet wird, ist die Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03-Legierung in der Lage, metallische Glasstäbe von 10 mm Durchmesser zu formen.
Vor der Produktion eines amorphen Artikels können die Ingots aus Legierungen mit einem Reduktionsmittel optional durch Wiederverschmelzen der Ingots in eine Quarzröhre unter inerter Atmosphäre gefluxt werden, was die Legierungsschmelze mit dem geschmolzenen Reduktionsmittel in Kontakt bringt und es so den zwei Schmelzen ermöglicht, für etwa 1000 s bei einer Temperatur von etwa 1200°C oder höher unter inerter Atmosphäre und anschließendem Wasserabschrecken zu interagieren.
Prüfmethode zur Beurteilung der Glasformungsfähigkeit
Die Glasformungsfähigkeit jeder Legierung wurde ermittelt, indem der maximale Stabdurchmesser, in den die amorphe Phase der Legierung (d. h. metallische Glasphase) geformt werden konnte, bestimmt wurde, wenn sie nach dem oben beschriebenen Verfahren verarbeitet wurde. Eine Röntgen-Diffraktometrie mit Cu-Kα Strahlung wurde durchgeführt, um die amorphe Struktur der Legierungen zu überprüfen.
Prüfmethode für Differentialscanningkalorimetrie
Eine Differentialscanningkalorimetrie wurde an den Proben aus metallischen Gläsern durchgeführt bei einer Abtastrate von 20 K/min, um die Glasumwandlung, Kristallisation, Solidus- und Liquidustemperatur der Proben aus metallischen Gläsern zu bestimmen.
Prüfmethode zur Messung der Kerbzähigkeit
Die Kerbzähigkeit von Proben aus metallischen Gläsern erfolgte auf 3 mm Stabdurchmesser.
Die Stäbe wurden mithilfe einer Drahtsäge mit einem Grundradius im Bereich von 0,10 bis 0,13 mm bis zu einer Tiefe von ungefähr der Hälfte des Stabdurchmessers eingekerbt. Die gekerbten Proben wurden auf einer 3-Punkt-Strahlenkonfiguration mit einer Spannweite von 12,7 mm, und mit der Kerbseite sorgfältig ausgerichtet und der gegenüberliegenden Seite des Zentrumsbelastungspunkts zugewandt, getestet. Die kritische Bruchbelastung wurde durch die Anwendung einer monoton steigenden Belastung bei konstanter Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,001 mm/s mit einem spindelgetriebenen Prüfrahmen gemessen. Mindestens drei Tests wurden durchgeführt, und die Abweichung zwischen den Prüfungen ist in den Kerbzähigkeitsgrafiken enthalten. Der Spannungsintensitätsfaktor für die geometrische Konfiguration, der hier zum Einsatz kam, wurde anhand der Analyse von Murakami bewertet (Y. Murakami, Spannungsintensitätsfaktor Handbuch, Bd. 2, Oxford: Pergamon Press, S. 666 (1987)).
Prüfmethode zur Messung der Druckfestigkeit
Kompressionstests von metallischen Glasproben wurden an zylindrischen Proben mit 3 mm Durchmesser und 6 mm Länge durchgeführt. Es wurde eine monoton steigende Belastung bei konstanter Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,001 mm/s mit einem spindelgetriebenen Prüfrahmen angewandt. Die Belastung wurde mit einem linearen variablen Differenzialtransformator gemessen. Die Druckfestigkeit wurde mit dem Kriterium von 0,2% Dehngrenze geschätzt.
Prüfmethode zur Messung der Zugfestigkeit
Eine einachsige Zugfestigkeitsprüfung wurde nach ASTM E8 durchgeführt (Standard-Testmethoden für die Zugfestigkeitsprüfung von metallischen Materialien). Es wurde eine Zugfestigkeitsprobe eines Hundeknochen mit einer reduzierten 14 mm langen Messlänge und einem kreisförmigen Messquerschnitt von 2 mm Durchmesser vorbereitet. Die Probe wurde mit einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 1 μm/s auf einem spindelgetriebenen Prüfrahmen gezogen. Die Belastung wurde mit einem Längenänderungsaufnehmer, der sich innerhalb des reduzierten Messabschnittes befand, gemessen.
Prüfmethode zur Messung der Härte
Die Vickershärte (HV0.5) von metallischen Glasproben wurde mit einem Vickers Mikrohärteprüfer gemessen. Sieben Tests wurden durchgeführt, wo Mikrodellen auf einem flach und polierten Querschnitt eines 3 mm metallischen Glasstabs mit einer Belastung von 500 g und einer Einwirkdauer von 10 s eingefügt wurden.
Prüfmethode zur Messung von Dichte und Moduli
Die Geschwindigkeiten von Scher- und Longitudinalwellen wurden mit Ultraschall an einer zylindrischen metallischen Glasprobe von 3 mm Durchmesser und ungefähr 3 mm in der Länge unter Verwendung einer Puls-Echo-Überlagerungseinrichtung mit 25 MHz piezoelektrischen Wandlern gemessen. Die Dichte wurde mit der Archimedes-Methode gemessen, wie in American Society of Testing and Materials Standard C693-93 angegeben. Unter Verwendung der Dichte und elastischen konstanten Werte wurde das Schubmodul, Kompressionsmodul, Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl geschätzt.
Prüfmethode zur Messung der Korrosionsbeständigkeit
Die Korrosionsbeständigkeit der metallischen Glasproben wurde durch Tauchversuche in Salzsäure (HCl) ausgewertet. Ein Stab einer metallischen Glasprobe mit einem Ausgangsdurchmesser von 2,90 mm und einer Länge von 19,41 mm wurde in ein Bad mit 6M HCl bei Raumtemperatur eingetaucht. Die Dichte des metallischen Glasstabs wurde mit der Archimedes-Methode gemessen. Die Korrosionstiefe in verschiedenen Stadien während des Eintauchens wurde durch Messung der Massenänderung mit einer Genauigkeit von ±0,01 mg geschätzt. Die Korrosionsgeschwindigkeit wurde unter Annahme linearer Kinetik geschätzt.
Die offenbarten Ni-Cr-Nb-P-B- oder Ni-Cr-Nb-P-B-Si-Legierungen mit kontrollierten Bereichen entlang des Zusammensetzungsgrats zeigen gute Glasformungsfähigkeit. Die offenbarten Legierungen sind in der Lage, metallische Glasstäbe mit einem Durchmesser von mindestens 6 mm und bis zu etwa 11 mm oder mehr zu formen, wenn sie durch das hierin beschriebene Verfahren verarbeitet werden. Bestimmte Legierungen mit sehr guter Glasformungsfähigkeit weisen auch relativ hohe Härte von mehr als 70 MPa m^1/2 auf- Die Kombination aus hoher Glasformungsfähigkeit mit hervorragendem mechanischen und Korrosionsverhalten macht die vorliegenden Ni-basierenden metallischen Gläser zu ausgezeichneten Kandidaten für verschiedene technische Anwendungen. Neben vielen anderen Anwendungen können die offenbarten Legierungen in der Unterhaltungselektronik, zahnmedizinischen und medizinischen Implantaten und Instrumenten, bei Luxusartikeln und Sportartikelanwendungen verwendet werden.
Da nun mehrere Ausführungsformen beschrieben wurden, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente möglich sind, ohne vom Gedanken und Gebiet der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich wurde eine Anzahl von bekannten Verfahren und Elementen nicht beschrieben, um ein Verschleiern der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Dementsprechend sollte die obige Beschreibung nicht als Begrenzung des Umfangs der Erfindung betrachtet werden.
Fachleute werden erkennen, dass die hier offenbarten Ausführungsformen durch Beispiel, jedoch ohne Einschränkung, lehren. Daher sollte der in der obigen Beschreibung enthaltene oder in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Gegenstand als illustrativ und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden. Die folgenden Ansprüche sollen alle hier beschriebenen allgemeinen und spezifischen Merkmale, sowie alle Aussagen des Umfangs der vorliegenden Verfahren und Systeme, die aus sprachlichen Gründen dazwischen fallen könnten, abdecken.

Claims

Eine Legierung, die Legierung umfasst: Ni_(100a-b-c-d)Cr_aNb_bP_cB_d wobei ein Atomprozent Chrom (Cr) a im Bereich von 3 bis 13 liegt, ein Atomprozentsatz von Niob (Nb) b durch x – y*a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, ein Atomprozent von Phosphor (P) c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt, das Atomprozent Bor (B) d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt, und der Rest Nickel (Ni) ist, und wobei die Legierung in der Lage ist, einen metallischen Glasgegenstand mit einer seitlichen Abmessung von mindestens 6 mm zu formen, wobei das metallische Glas einen Spannungsintensitätsfaktor bei Rissinitiierung aufweist, wenn an einem Stab mit 3 mm Durchmesser gemessen, der eine Kerbe mit einer Länge zwischen 1 und 2 mm und Grundradius zwischen 0,1 und 0,15 mm hat, wobei der Spannungsintensitätsfaktor mindestens 70 MPa m^1/2 ist.
Legierung nach Anspruch 1, wobei das Atomprozent von Chrom (Cr) a im Bereich von 3,5 bis 12,5 liegt.
Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung Ni_{77,4375-0,875a}Cr_aNb_{4,0625-0,125a}P_16,5B₃ umfasst und das Atomprozent von Cr a zwischen 3 und 13 liegt.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 und 3, wobei die Legierung Ni_{77,4375-0,875a}Cr_aNb_{4,0625-0,125a}P_16,5B₃ umfasst und das Atomprozent von Cr a zwischen 4 und 13 liegt.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Atomprozent von Cr im Bereich von 4 bis 9 liegt und die Legierung in der Lage ist, einen metallischen Glasgegenstand mit einer Seitenabmessung von mindestens 9 mm zu formen.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bis zu 1 Atomprozent P durch Silizium (Si) ersetzt wird.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bis zu 2 Atomprozent von Cr durch Fe, Co, Mn, W, Mo, Ru, Re, Cu, Pd, Pt oder Kombinationen davon ersetzt wird.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bis zu 2 Atomprozent von Ni durch Fe, Co, Mn, W, Mo, Ru, Re, Cu, Pd, Pt oder Kombinationen davon ersetzt wird.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bis zu 1,5 Atomprozent von Nb durch Ta, V oder Kombinationen davon ersetzt wird.
Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Legierung eine Zusammensetzung von Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 umfasst, die in der Lage ist, ein Massivobjekt aus metallischem Glas mit einer Seitenabmessung von mindestens 10 mm zu formen.
Ein metallisches Glas, das die Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Legierung, die Zusammensetzungen, die ausgewählt sind aus einer Gruppe bestehend aus Ni_73,375Cr_3,5Nb_3,625P_16,5B₃, Ni_72,5Cr_4,5Nb_3,5P_16,5B₃, Ni_71,5Cr_5,64Nb_3,36P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,64Nb_3,46P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,17B_3,03Si_0,5, Ni_70,5Cr_6,78Nb_3,22P_16,5B₃, Ni_68,5Cr₉Nb₃P_16,5B₃, Ni_67,25Cr_10,5Nb_2,75P_16,5B₃ und Ni_65,5Cr_12,5Nb_2,5P_16,5B₃, umfasst.
Verfahren zur Verarbeitung einer Legierung, um ein metallisches Glas zu formen, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Das Schmelzen einer Legierung, die mindestens Ni, Cr, Nb, P und B mit einer Formel von Ni_(100a-b-c-d)Cr_aNb_bP_cB_d umfasst, wobei ein Atomprozent Chrom (Cr) a im Bereich von 3 bis 13 liegt, ein Atomprozent von Niob (Nb) b durch x – y*a bestimmt wird, wobei x im Bereich von 3,8 bis 4,2 liegt und y im Bereich von 0,11 bis 0,14 liegt, ein Atomprozent von Phosphor (P) c im Bereich von 16,25 bis 17 liegt, das Atomprozent Bor (B) d im Bereich von 2,75 bis 3,5 liegt, und der Rest Nickel (Ni) ist; und wobei das Abschrecken der geschmolzenen Legierung mit einer Kühlgeschwindigkeit ausreichend schnell ist, um die Kristallisation der Legierung zu verhindern, um das metallische Glas zu formen, wobei das metallische Glas einen Spannungsintensitätsfaktor bei Rissinitiierung aufweist, wenn an einem Stab mit einem Durchmesser von 3 mm gemessen wird, der eine Kerbe mit einer Länge im Bereich von 1 bis 2 mm und Grundradius im Bereich von 0,1 bis 0,15 mm aufweist, wobei der Spannungsintensitätsfaktor mindestens 70 MPa m^1/2 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassen ein Fluxen der geschmolzenen Legierung vor dem Abschrecken mithilfe eines Reduktionsmittels.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 14, wobei der Schritt des Schmelzens der Legierung das Schmelzen bei einer Temperatur von mindestens 100°C oberhalb der Liquidustemperatur der Legierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 15, wobei der Schritt des Schmelzens der Legierung das Schmelzen bei einer Temperatur von mindestens 1100°C umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 16, wobei die Legierung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus den Zusammensetzungen Ni_73,375Cr_3,5Nb_3,625P_16,5B₃, Ni_72,5Cr_4,5Nb_3,5P_16,5B₃, Ni_71,5Cr_5,64Nb_3,36P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,64Nb_3,46P_16,5B₃, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03, Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,17B_3,03Si_0,5, Ni_70,5Cr_6,78Nb_3,22P_16,5B₃, Ni_68,5Cr₉Nb₃P_16,5B₃, Ni_67,25Cr_10,5Nb_2,75P_16,5B₃, und Ni_65,5Cr_12,5Nb_2,5P_16,5B₃.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 17, wobei die Legierung in der Lage ist, einen metallischen Glasgegenstand mit einer Seitenabmessung von mindestens 6 mm zu formen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13 bis 18, wobei die Legierung Ni_{77,4375-0,875a}Cr_aNb_{4,0625-0,125a}P_16,5B₃ umfasst und das Atomprozent von Cr im Bereich von 3 bis 13 liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 13–19, wobei die Legierung Ni_71,4Cr_5,52Nb_3,38P_16,67B_3,03 umfasst und in der Lage ist, einen metallischen Glasgegenstand mit einer Seitenabmessung von mindestens 10 mm zu formen.