DE2628362C2 - Amorphe Metallegierung - Google Patents

Amorphe Metallegierung

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DE2628362C2 DE19762628362 DE2628362A DE2628362C2 DE 2628362 C2 DE2628362 C2 DE 2628362C2 DE 19762628362 DE19762628362 DE 19762628362 DE 2628362 A DE2628362 A DE 2628362A DE 2628362 C2 DE2628362 C2 DE 2628362C2
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Description

Aus der DE-OS 23 62 895 und der entsprechenden US-PS 38 71 836 sind amorphe Legierungen der Formel μ M5J-90X10-35 bckärtrti, Wüfifi M Ni, Fc, Cö, Cruüu/ödcr V und X P, B, C, Si, Al, Sb, Sn, In, Ge und/oder Be bedeutet. Die US-PS 38 56 513 offenbart amorphe Legierungen der Formel M60-WY10-J0Z0 ,.,5, worin M Fe, Ni, Co, Cr und/oder V, Y P, B oder C und Z Al, Sb, r. Be, Ge, In, Sn und/oder Si bedeutet. Die ältere DE-OS 25 OO 846 beschreibt amorphe Legierungen aus 1 bis 40 Atom-% Chrom, 7 bis 35 Atom-% Kohlenstoff, Bor und/oder Phosphor und Rest Eisen.
Solche amorphen Legierungen haben bessere mecha- jo nische Eigenschaften als die bekannten polykristallinen Legierungen, wie beispielsweise bessere Zerreißfestigkeiten bis zu 2470 N · mm"2, Härtewerte von etwa 600 Dis 750 DPH und Geschmeidigkeit. Dennoch ergab sich aus neuen Anwendungsgebieten die der Erfindung J5 zugrundeliegende Aufgabe, neue Legierungen mit verbesserten magnetischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften und höherer Hitzebeständigkeit zu entwickeln.
Die erfindungsgemäßen, zu wenigstens 50% amorphen Metallegierungen haben die Formel
worin M eines der Elemente Fe, Co oder Ni und M' -ti wenigestens eines der beiden restlichen dieser Elemente bedeutet. Diese amorphen Legierungen haben bessere Zugfestigkeit und Härte und verspröden nicht, wenn sie bei Temperaturen in der Hitze behandelt werden, die in den nachfolgenden Verarbeitungsstufen >o angewendet werden. Sie haben auch erwünschte magnetische Eigenschaften.
Vorzugsweise ist Chrom in einer Menge von 4 bis 16 Atom-% enthalten, um verbesserte mechanische Eigenschaften, verbesserte Hitzebeständigkeit, Korro- >> sionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit zu bekommen. Bor ist bevorzugt in einer Menge von 17 bis 22 Atom-% enthalten.
Die Legierungen sind zu wenigstens 50%, vorzugsweise zu wenigstens 80% und am meisten bevorzugt zu m> etwa 100% amorph, wie sich durch Röntgenstrahlenbeugung bestimmen läßt.
Die amorphen Legierungen nach der Erfindung werden nach einem Verfahren hergestellt, bei dem man eine Schmelz der erwünschten Zusammensetzung mit to einer Geschwindigkeit von etwa 105 bis 106Ks"1 abschreckt, indem man sie auf eine Kühischeibe oder in ein Kühlfließmittel (Gas oder Flüssigkeit) gießt.
Verschiedene Methoden sind bekannt, um abgeschreckte Folien und schnell abgekühlte endlose Bänder, Drähte oder Bögen zu fabrizieren. Typischerweise wird eine spezielle Zusammensetzung ausgewählt, Pulver der erforderlichen Elemente oder von Materialien, die sich unter Bildung dieser Elemente zersetzen, wie Ferrobor oder Ferrochrom, werden in den erwünschten Mengenverhältnissen miteinander geschmolzen und homogenisiert, und die geschmolzene Legierung wird entweder auf einer Kühlfläche, wie einem rotierenden gekühlten Zylinder, oder in einem geeigneten fließfähigen Medium, wie einer gekühlten Salzlösung, schnell abgeschreckt Die amorphen Legierungen können in Luft gebildet werden. Bessere mechanische Eigenschaften bekommt man jedoch, indem man diese amorphen Legierungen in einem Teilvakuum mit einem absoluten Druck von weniger als 73 mbar und vorzugsweise etwa 0,1 bis 133 mbar abschreckt. Einen starken Amorphheitsgrad, der sich 100% nähert, erhält man beim Abschrecken in einem Teilvakuum. Die Duktilität bzw. Streckbarkeit wird dabei verbessert, und somit sind solche Legierungen mit hohem Amorphheitsgrad bevorzugt.
Es gibt viele Anwendungsgebiete, die es erfordern, daß eine Legierung unter anderem hohe Zugfestigkeit, hohe Hitzebeständigkeit und leichte Bearbeitbarkeit besitzt. Beispielsweise werden Metallstreiren zur Herstellung von Rasierklingen gewöhnlich auf etwa 370° C während etwa 30 Minuten erhitzt, um einen Überzug von Polytetrafluorethylen auf dem Metall zu binden. Ähnlich werden Metallstränge, die als Reifenkabel verwendet werden, auf etwa 160 bis 1700C während etwa einer Stunde erhitzt, um den Reifengummi mit dem Metall zu verbinden.
Ein Beispiel einer amorphen Legierung nach der Erfindung ist Ni46Fe^Co1JCr9MoJiJi6.
Die amorphen Metallegierungen nach der Erfindung zeigen typischerweise Zugfestigkeit im Bereich von etwa 2.600 bis 3.660 N · mm"2, Härtewerte im Bereich von etwa 925 bis 1190 DPH und Kristallisationstemperaturen im Bereich von etwa 370 bis 6100C.
Optimale Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit bekommt man durch etwa 4 bis 16 Atom-% Chrom in die Legierung. Die Zugabe solcher Chrommengen verbessert allgemein auch die Kristallisationstemperatur, die Zugfestigkeit und die Wärmebeständigkeit dieser amorphen Metallegierungen. Unterhalb 4 Atom-% beobachtet man unzureichendes korrosionsverhinderndes Verhalten, während mehr als 16 Atom-% Chrom dazu neigen, die Beständigkeit gegen Versprödung bei Hitzebehandlungen der amorphen Metallegierungen bei erhöhten Temperaturen zu verschlechtern.
Eine Steigerung der Härte und Kristallisationstemperatur erreicht man durch das Molybdän. Oberhalb 8 Atom-% Molybdän erhält man eine Steigerung der Härte, doch wird die Wärmebeständigkeit vermindert. Für viele Zusammensetzungen erreicht man verbesserte mechanische Eigenschaften und erhöhte Kristallisationstemperaturen, wobei nur etwas Wärmebeständigkeit geopfert wird, indem man etwa 4 bis 8 Atom-% Molybdän in die Legierung einarbeitet. Beispielsweise hat eine amorphe Metallegierung mit der Zusammensetzung Fe67Ni5Co3Cr7Bi8 eine Kristallisationstemperatur von 488° C, eine Härte von 1003 DPH und die Zugfestigkeit von 3.370 N-mm"2, während eine erfindungsgemäße amorphe Metallegierung mit der Zusammensetzung Fe6JNi5Co3Cr7Mo4Bi8 eine Kristallisationstemperatur von 528° C, eine Härte von 1048 DPH
und eine Zugfestigkeit von 4.070 N · mm ' hat Für einige Zusammensetzungen bekommt man verbesserte Wärmebeständigkeit und verbesserte Härte durch Einarbeitung von 0.·* bis 0,8 Atom-% Molybdän in die Legierung. Vergleichsweise hat eine amorphe Metallegierung mit der Zusammensetzung Fe66Ni5Co4Cr8Bi7 eine Härte von 1038 DPH und bleibt nach der Hitzebehandlung während 30 Minuten bei 360° C geschmeidig, doch Co40-50Fe5-20N versprödet sie nach einer Hitzebehandlung während
30 Minuten bei 370° C. Eine erfindungsgemäße '·» Beispiele sind etwa amorphe Metallegierung mit der Zusammensetzung
Härtewerte liegen typischerweise im Bereich von etwa 980 bis 1045 DPH.
Für amorphe Metallegierungen auf Kobaltgnindlage bekommt man hohe Festigkeit, hohe Wärmebeständigkeit und hohe Härte bei Legierungen der Zusammensetzung
Fe66Ni5Co3-2Cr8Mo08B17
hat abereine Härte von 1108 DPH und bleibt nach einer 30minütigen Hitzebehandlung bei 370° C geschmeidig. Für amorphe Metallegierungen auf Eisengrundlage bekommt man hohe Festigkeit und hohe Härte der Legierungen mit Zusammensetzungen im Bereich
Beispiele sind
Fe54Ni6Co5CrI6Mo2B17 und
Fe63Ni5Co3Cr7Mo4Bi8.
Die Zugfestigkeit solcher Zusammensetzungen liegt typischerweise im Bereich von etwa 3.230 bis 3.520 N · mm"2, die 5'ärtewerte liegen im Bereich von etwa 1025 bis 1120 DPH und die Kristallisationstemperaturen im Bereich von etwa 480 bis555° C. Legierungen in diesem Zusamniensetzungsbereich erwiesen sich als besonders geeignet für die Hersi-llung von Reifenkabeln.
Hohe Wärmebeständigkeit erhält man mit Legierungen der Zusammensetzung
Beispiele sind
Fe66Ni5Co3-6Cr8Mo0-4B17 und
Fe66Ni5Co3-2Cr8Mo0-8B17.
Solche Zusammensetzungen bleiben allgemein beim Biegen nach einer Hitzebehandlung während V2 Stunde bei 360 bis 370° C geschmeidig. Legierungen mit diesem Zusammensetzungsbereich erwiesen sich als besonders geeignet für die Herstellung von Rasierklingen.
Für amorphe Metallegierungen auf Nickelgrundiage bekommt man hohe Härte, mäßig hohe Festigkeit, hohe Wärmebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei Legierungen der Zusammensetzung
Ni4o-5oFe4-|5Co5-25Cr8-12Mo0-4-8B|5-22.
Beispiele sind
Ni45Fe5Co20CrI0Mo4Bi6 und
Ni50Fe5COi7Cr9Mo3Bi6.
Die Zugfestigkeiten in solchen Zusammensetzungen sind tvDischerweise etwa 3.090 bis 3.230 N · mm"2. Die Co45Fe17NiI3Cr5Mo3B17,
Co50Fe15Cr15Mo4B16 und
Co46Fe18Ni15Mo4B17.
Die Härte liegt typischerweise bei etwa 1100 DPK.
Die amorphen Metallegierungen nach der Erfindung besitzen bessere Bearbeitbarkeit im Vergleich mit bekannten Zusammensetzungen. Außer ihrer verbesserten Beständigkeit gegen Versprödung durch Hitzebehandlung sind sie auch oxidationsbeständiger und korrosionsbeständiger als die bekannten Legierungen.
2ί Bei Hitzebehandlungsbedingungen, bei denen phosphorhaltige, amorphe Legierungen zur Versprödung neigen beiben sie amorph.
Die in den folgenden Beispielen aufgeführten Legierungen wurden folgendermaßen hergestellt: Das schnelle Schmelzen und die Herstellung amorpher Streifen von Bändern gleichmäßiger Breite und Dicke aus hochschmelzenden (etwa 1100 bis 1600° C) reaktiven Legierungen erfolgte unter Vakuum. Dies brachte die Oxidation und Verunreinigung der Legierungen während des Schmelzens oder durch Verspritzen auf ein Minimum und vermied auch eine Oberflächenverschlechterung durch Blasenbildung, die man gewöhnlich bei Streifen beobachtet, die in Luft oder in einem Inertgas bei einer Atmosphäre gewonnen werden. Ein Kupferzylinder wurde vertikal auf der Welle einer Vakuumdrehkopplung befestigt und in einer Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl angeordnet. Die Vakuumkammer war ein Zylinder, der an beiden Enden mit zwei Seitenöffnungen verflanscht und mit einem DifTusionspumpsystem verbunden war. Der Kupferzylinder wurde mit einem Elektromotor variabler Geschwindigkeit über die Drehkupplung gedreht. Ein Schmelztiegel, der von einer Induktionswicklung umgeben war, wurde oberhalb des rotierenden Zylinders in der Kammer angeordnet. Eine Induktionsheizung wurde verwendet, um Legierungen in Schmelztiegeln aus Sinterquarz, Bornitrid, Tonerde, Zirkonoxid oder Berylliumoxid zu schmelzen. Die Schmelze wurde durch Überdruck von Argon durch eine Öffnung im Boden des Schmelztiegels auf die Oberfläche des rotierenden Zylinders (etwa 1500 bis 2000 U/min.) ausgestoßen. Das Schmelzen und Ausstoßen erfolgte in einem Teilvakuum von etwa 0,1 mbar unter Verwendung von Argon.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Vakuumschmelz-Gießapparatur wurde eine Reihe verschiedener glasbildender Legierungen als kontinuierliche Bänder mit im wesentlichen gleichmäßiger Dicke und Breite unter Kühlen gegossen. Typischerweise lag die Dicke im Bereich von 0,025 bis 0,075 mm und die Breite im Bereich von 1,25 bis 3,0 mm. Die Bänder wurden hinsichtlich ihrer Amorphheit durch Röntgenstrahlenbeugung und Differential-Thermoanalyse geprüft. Die Härte (in DPH) wurde nach der Diamantenpyramiden-
methode unter Verwendung einer Kerbapparatur vom Vicker-Typ bestimmt, die aus einem Diamanten in der Form einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche mit einem Winkel von 136° zwischen einander gegenüberliegenden Flächen bestand. Die Zugfestigkeit wurde unter Verwendung einer Instron-Apparatur bestimmt Das mechanische Verhalten amorpher Metallegierungen mit Zusammensetzungen nach der Erfindung wurde als Funktion der Hitzebehandlung gemessen. Alle Legierungen wurden nach dem obigen Verfahren hergestellt. Die amorphen Bänder der Legierungen waren alle in dem abgeschreckten Zustand duktil oder geschmeidig. Sie wurden unter Bildung einer Schleife Ende auf Ende gebogen. Der Durchmesser der Schleife wurde allmählich zwischen dem Gegenzapfen eines Mikrometers vermindert. Die Streifen wurden als geschmeidig oder duktil bezeichnet, wenn sie bis zu einem Krümmungsradius kleiner als etwa 0,125 mm ohne Bruch gebogen werden konnten. Wenn ein Streifen dabei brach, wurde er als brüchig bezeichnet.
Beispiel 1
Legierungen, die für die Anwendung als Reifenkabel geeignet sind, wie für Metallgürtel in radial geschichteten Reifen, müssen in der Lage sein, etwa eine Stunden eine Temperatur von 160 bis 170° C auszuhalten, da diese Temperatur gewöhnlich beim Vulkanisieren eines Gummireifens angewendet wird. Die Legierungen müssen auch Korrosion durch Schwefel widerstehen und hohe mechanische Festigkeit haben. Beispiele von Zusammensetzungen von Legierungen, die für Reifenverstärkungen geeignet sind, und ihre Kristaiiisationstemperatur sind nachfolgend in Tabelle 1 aufgeführt. Diese Legierungen besitzen die Zusammensetzung
15 Die Legierungen wurden unter den oben beschriebenen Bedingungen hergestellt. Alle Legierungen blieben nach einer Hitzebehandlung während einer Stunde bei 200° C geschmeidig und voll amorph. Nach der vorausgehenden Hitzebehandlung behi^ -en sie die Härte und mechaiiiche Festigkeit, die man bei d'~ η abgesehreckten Legierungen ursprünglich beobachtete.
Tabelle I Harte Kristallisationstemp. Zugfestigkeit
Legierungszusammensetzung (DPH) (0C) (N · mm"2)
(Atom-%) 1048 528 3.510
Fe6JNi5Co3Cr7Mo4B18 1120 553, 624 2.900
Fe59Ni5COjCr7MOsBi8 1097 519 3.360
FeJ4Ni6Co5Cr16Mo2Bn 1033 508 3.120
Fe53Ni6Co5Cr16Mo3B17 Beispiel 2
Legierungen für Rasierklingen müssen in der Lage sein, etwa 30 Minuten einer Temperatur von etwa 370° C zu widerstehen, da bei dieser Temperatur ein Überzug von Polytetrafluoräthylen auf der Schneidkante aufgebracht wird. Solche Legierungen sollten in der Lage sein, nach vorausgehender Hitlebehandlung geschmeidig und voll amorph zu bleiben und hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit zu behalten. Tabelle H zeigt einige typische Zusammensetzungen, die für die Verwendung als Rasierklingen geeignet sind. Diese Legierungen haben die Zusammensetzung
Fe60_67Ni3-7Co3_7Cr7_10Mo0,4_0.8B17.
Alle Legierungen blieben geschmeidig und voll amorph nach einer Hitzebehandlung von 370° C wäh-
40 rend 30 Minuten. Nach der vorausgehenden Hitzebehandlung behielten diese Legierungen die IJärte und Korrosionsbeständigkeit, die man bei den abgeschreckten Legierungen ursprünglich beobachtete.
Tabelle H Härte
(DPH)
Kristallisations
temperatur
(0C)
Zusammensetzung
(Atom-%)
1108
1101
1105
487
494
498
Fe66Ni5Co36Mo04B17
Fe66Ni,Co3,4Cr8Mo0>6B, 7
Fe66Ni5Co3 2Cr8Mo0.gB17
Beispiel 3
Andere Legierungen mit hoher Härte und hoher Kri- Tabelle III stallisationstemperatur sind in der Tabelle III zusammengestellt. Diese Legierungen werden durch die allgemeine Formel
65
beschrieben. Solche Legierungen sind beispielsweise für Bauzwecke brauchbar.
Legierungszusainmensetzung Härte Kristallisations
temperatur
(Atom-%) (DPH) (0C)
Fe63Co10Cf7Mo2B18 1130 512
Fe62Ni5COjCr7Mo5B18 1115 530
Fe50Co15CrI5Mo4Bi6 1128 529
588
Co45Fe||Nii3Cr5Mo3B17 1108 540
628
Beispiel 4
Tabelle IV zeigt die Zusammensetzung, Härte und Festigkeit. Die Legierungen lassen sich durch folgende Kristallisationstemperatur einiger borhaltiger amor- Formel beschreiben:
pher Legierungen auf Nickelgrundlage nach der Erfin- ϊ
dung. Diese Legierungen besitzen hohe mechanische Ni41, ,,,Fe4^15Co5-J5Cr8 -l2Mo0<4 J1B15 2J.
Tabelle IV Harte Zugfestigkeit Kristallisations
temperatur
Legierungszusammensetzung (DPM) (N ■ mm 2) ("C)
(Atom-%) 977 432
Ni5nFe5COi7Cr^MOjB16 982 400
473
575
Ni47Fe4CoJjCr1)Mo1B,,, 981 420
500
Ni4(!Fe4Co2jCr„Mo2B1(1 995 439
542
Ni46Fe|jCO|jCr„MojB|6 1033 2.780 463
560
Ni45Fe5Co2UCr10Mo4Bi6 1024 422
608
Ni44Fe20Co5Cr10Mo4Bi7 1033 2.780 478
641
Ni40Fe,,Coj0Cr|2Mo;B|6
Beispiel 5
Eine Reihe von amorphen Metallegierungen auf der oder Oxidation beurteilt. Die Ergebnisse sind in
Grundlage von Eiscügfuppenmeiäit und Bor wurde in Tabelle V zusamrnersgesteüi. Die amorphen Legierun-
eine Lösung von IO Gewichts-% NaCI in Wasser bei gen zeigten ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korro-
Raumtemperatur während 450 Stunden eingetaucht sion und Oxidation,
und anschließend visuell hinsichtlich ihrer Korrosion 40
Tabelle V
Fe66Ni5Co36Cr8MOc4B17
Fe63Ni5Co3Cr7Mo4B18
Fe54Ni6Co5CrI5Mo2B18
Ni44Fe20Co5Cr10Mo4B17
Ni45Fe5Co20Cr10Mo4B16
(Vergleich)
Co50Fe18NiI5B17
(Vergleich)
Keine Korrosion, Oxidation
oder Verfärbung
desgl.
desgl.
desgl.
korrodierte und wurde matt
desgl.
Beispiel 7
Eine Reihe von amorphen Metallegierungen nach der Erfindung wurde thermisch in einem Temperaturbereich von 250 bis 375° C in Luft während einer halben bis einer Stunde gealtert und hinsichtlich der Versprö-
Streifen brach. Der mittlere Bruchdurchmesser des amorphen Legierungsstreifens, den man bei der Mikrometerablesung erhält, ist ein Zeichen für die Duktilität oder Geschmeidigkeit dieses Streifens. Eine niedrige
dung bcnrteüi. Die in der Wärme behandelten Streifen 65 Zahl zeigt gute Duktilitäi. Beispielsweise bedeutet die wurden unter Bildung einer Schleife gebogen. Der Zahl 0, daß der amorphe Streifen völlig duktil war. Die Durchmesser der Schleife wurde allmählich zwischen Ergebnisse sind in den Tabellen VI und VII aufgeführt den Zapfen eines Mikrometers vermindert, bis der
IO
Tabelle VI
Legierungszusammensetzung Dicke Mittlerer Bruchdurchmesser (mm) 1 h 3000C 3I5°C 345° C 360° C 375° C Kristalli- 375° C
250° C 275° C lh lh V2 h V2 h 1Ah sütionstem- 1Ah
I h 0 pcratur
(Atom-%) (mm) 0 0 0 0 0 0 CC)
Fe66Hi5Coj,2Cr8Mo0,iiB|7 0,51 0 0 0 0 0 0 0 498
Fe611Ni5Co36Cr8Mo04B17 0,34 0 0 0 10,14 12,70 487
Fe61Ni5Co1Cr7Mo4Bi,, 0,58 0 8,89 7,62 528
Fe54Ni6CcCr16MOjB17 0,51 0 519
Fe51Ni6Co5Cr16Mo1Bi7 0,43 0 Mittlerer 508
Tabelle VII 325° C Bruchdurchmesser (mm)
I.ecieruncK/u.tarnmensct/une Dicke '/2h 340° C 355° C 360° C
(Atom-%) (mm) V2 h V2 h 1Sh
Ni50Fe5Co, ,Cn1Mo3B16
Ni46Fe4ConCr1)MOjB |„
Ni46Fe13Co1JCr9Mo3B16
Ni40Fe6Co20CrI2Mo6B16
0,38 0,30 0,36 0,36 0,36
0 0 0 0 0
2,54
3,81
5,08 6,35

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Zu wenigstens 50% amorphe Metallegierung der Forme!
worin M eines der Elemente Fe, Co oder Ni und M' wenigstens eines der beiden restlichen dieser EIe- ·< > mente bedeutet
2. Metallegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 17 bis 22 Atom-% B enthält.
3. Metallegierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 4 bis 16 Atom-% Cr enthält, ι ■>
DE19762628362 1975-06-26 1976-06-24 Amorphe Metallegierung Expired DE2628362C2 (de)

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