DE2756921A1

DE2756921A1 - Metallegierung

Info

Publication number: DE2756921A1
Application number: DE19772756921
Authority: DE
Inventors: Alfred Freilich; Sheldon Kavesh
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1976-12-29
Filing date: 1977-12-21
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2756921C2; FR2376217B1; US4152146A; CA1056622A; JPS601944B2; GB1580499A; FR2376217A1; JPS5384803A

Description

Allied Chemical Corporation Morristown, New Jersey 07960 USA

Metallegierung

Die Erfindung betrifft glasartige Eisen-Bor-Metallegierungen mit verbesserter Festigkeit von Fäden, wie sie gegossen sind, auf Grund des Ersatzes von Eisen durch Molybdän.

Glasbildende Metallegierungen werden üblicherweise in Fadenform gebracht, wie durch Gießen und rasches Abschrecken der Schmelze unter Verwendung von Verarbeitungsmethoden, die in der Technik bekannt sind. Der Ausdruck "Faden" wird hier verwendet, um einen schlanken Körper zu kennzeichnen, dessen Querab messungen viel kleiner als seine Länge sind. In dem vorliegenden Kontext können die Fäden Bänder, Bögen, Drähte und dergleichen von regelmäßigem oder unregelmäßigem Querschnitt sein.

Glasartige Metallegierungen in Drahtform wurden in der US-PS 3 556 513 beschrieben. Diese glasartigen Drähte haben eine Zusammensetzung von etwa 70 bis 87 Atomprozent wenigstens eines Übergangsmetalles und etwa 13 bis 30 Atomprozent wenigstens

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eines Elementes aus der Gruppe Phosphor, Bor, Kohlenstoff, Aluminium, Silicium, Zinn, Germanium, Indium, Beryllium und Antimon.

Binäre glasartige Metallegierungen, die im wesentlichen aus etwa 75 bis 85 Atomprozent Eisen oder Kobalt und 15 bis 25 Atomprozent Bor bestehen, wurden in der US-Patentanmeldung Serial No. 636 323 vom 28.Nov.1975 beschrieben. Von den Eisen-Borlegierungen ist gesagt, daß sie Eigenfestigkeiten von etwa 470 bis 610 kpsi besitzen.

Wie bekannt ist, wird die Eigenfestigkeit durch Härte- und/oder Zerreißfestigkeitstests sorgfältig polierter Proben gemessen. Beispielsweise in Band 9, Scripta Metallurgica, Seiten 431 bis 436 (1975) ist gezeigt, daß Härtewerte, die mit einer Vickers-Diamantpyramiden-^Kerb einrichtung bestimmt wurden, in die Streckgrenze umgerechnet werden können, indem man einen dimensionslosen Umrechnungsfaktor von etwa 3,2 verwendet. Tests mit Fäden der binären glasartigen Eisen-Bormetallegierungen im Zustand, wie er gegossen wurde, haben aber unvermeidbar wesentlich niedrigere Zerreißfestigkeit als die Eigenfestigkeit der Legierung, die man bei sorgfältig polierten Proben beobachtet. Es scheint so, daß die Fadengießmethoden die Legierung Verarbeitungsinstabilitäten aussetzen, die zu rauhen Kanten und Oberflächen auf den Fäden, wie sie gegossen wurden, führen.

Wenn hier der Ausdruck "wie sie gegossen wurden" verwendet wird, bedeutet er den Zustand eines Fadens oder ähnlichen

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Körpers, wie er durch die Gießapparatur entsteht. Spezieller schließt dieser Ausdruck ein Polieren des Fadens oder anderen Körpers durch mechanische oder elektrochemische Methoden aus.

Gemäß der Erfindung führt ein Ersatz von Eisen durch kleine Mengen Molybdän in einer binären glasbildenden Eisen-Borlegierung zu einer wesentlichen Verbesserung der Festigkeit der Fäden, wie sie gegossen wurden. Die Zusammensetzung der gebildeten glasartigen Legierungen nach der Erfindung besteht im wesentlichen aus etwa 1 bis 8 Atomprozent Molybän, etwa 9 bis 24 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und eventuell auftretenden Verunreinigungen. Die Zusammensetzungen nach der Erfindung können auch durch die Formel Fe,„_ _ Mo B wiedergegeben werden, worin B Bor bedeutet und χ und y die oben angegebenen Bereiche haben. Außer den oben angegebenen Bereichen muß die Zusammensetzung der glasartigen Legierungen nach der folgenden Gleichung abgeglichen sein:

1,2 χ 10⁴ (Mo) + 9,3 χ 10³ (B) - 1,4 χ ΙΟ⁵ (Mo)² - 2,8 χ 10⁴ (B)² £ 880

worin (Mo) der Atomanteil von Molybdän und (B) der Atomanteil von Bor ist.

In der Zeichnung bedeutet

Fig.l ein ternäres Diagramm in Atomprozenten des Systems Fe-Mo-B, welches die glasbildenden Zusammensetzungsbereiche nach der Erfindung zeigt, und

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Fig.2 auf Koordinaten mit der Zerreißfestigkeit in kpsi und mit der Menge des Ersatzes von Eisen durch Molybdän in Atomprozenten in einer glasartigen Eisen-Borlegierung eine Kurve der Eigenfestigkeit (intrinsic strength) und der Festigkeit des Fadens, wie er gegossen wurde, als Funktion des Molybdänersatzes.

Die Zusammensetzung der nach der Erfindung gebildeten glasartigen Metallegierungen besteht im wesentlichen aus etwa 1 bis 8 Atomprozent Molybdän, etwa 9 bis 24 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und eventuell auftretenden Verunreinigungen. Außer den obigen Bereichen muß die Zusammensetzung der glasartigen Legierungen derart sein, daß sie der folgenden Ungleichung gehorcht:

worin (Mo) und (B) die Atomanteile von Molybdän und Bor bedeuten. Solche Legierungen besitzen Fadenfestigkeiten in dem Zustand, wie sie gegossen wurden, von wenigstens etwa 300 kpsi. Beispiele von Legierungen innerhalb des Erfindungsgedankens sind Fe₇gMo₂B₂₀, Fe₇₆Mo₄B₂₀ und Fe₇₉Mo₄B₁₇.

Fadenfestigkeiten im Zustand, wie die Fäden gegossen wurden, von 400 kpsi oder mehr erhält man bei Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus etwa 2,5 bis 6 Atomprozent Molybdän, etwa 13 bis 21 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen bestehen. Außer

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den obigen Bereichen muß die Zusammensetzung der glasartigen Legierungen derart sein, daß sie der folgenden Ungleichung gehorcht:

1,2 χ 10⁴ (Mo) + 9,3 χ 10³ (B) - 1,4 χ ΙΟ⁵ (Mo)² - 2,8 χ 10⁴ (B)² £ 980.

Solche Zusammensetzungen sind bevorzugt.

Maximale Fadenfestigkeiten in dem Zustand, wie die Fäden gegossen wurden, bekommt man bei einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus etwa 3,5 bis 4,5 Atomprozent Molybdän, etwa 16 bis 18 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht. Solche Zusammensetzungen sind am meisten bevorzugt. Ein Ausdruck für die Abhängigkeit der beobachteten Fadenfestigkeit der Fäden, wie sie gegossen wurden, T,von der Legierungszusammensetzung ist folgender:

T = -580 + 1,2 χ 10⁴ (Mo) + 9,3 χ ΙΟ³ (B)

- 1,4 χ 10⁵ (Mo)² - 2,8 χ 10⁴ (B)² (1)

Der Umriß des durch Gleichung 1 wiedergegebenen Bereiches der Zusammensetzungen ist in Fig.l wiedergegeben. Die Umrisse zeigen, daß die Festigkeit im Zustand, wie der Faden gegossen wurde, ein steil ansteigender Berg in einem kleinen Bereich der Zusammensetzungsebene in dem Fe-Mo-B-System ist. Die ausgezogenen Linien bedeuten die beobachteten Festigkeitswerte. Die gestrichelten Linien bedeuten die aus Gleichung 1 errechneten Festigkeitswerte.

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Die Eigenfestigkeit (intrinsic strength) der Legierung und die Fadenfestigkeit des Fadens im Zustand, wie er gegossen wurde, werden bei im wesentlichen konstantem Borgehalt in Fig.2 verglichen. Es ist ersichtlich, daß der Ersatz von 4 Atomprozent Eisen durch 4 Atomprozent Molybdän in glasartigen Eisen-Borlegierungen die Fadenfestigkeit (wie gegossen) mehr als 100 % erhöht, während die Eigenfestigkeit der Legierung weniger als 10 % steigt. Diese Divergenz beruht wohl auf der Wirkung der Anwesenheit von Molybdän auf die Bearbeitungsstabilität. Obwohl die Fadenfestigkeit (wie gegossen) nicht gleich der Eigenfestigkeit ist, wird die Fadenfestigkeit (wie gegossen) ersichtlich wesentlich verbessert von einem Unterschied größer als 300 kpsi unter der Eigenfestigkeit für eine glasartige Eisen-Borlegierung ohne Molybdänersatz zu einem Unterschied von weniger als etwa 150 kpsi unter der Eigenfestigkeit für eine glasartige Eisen-Borlegierung, worin Eisen durch etwa 4 Atomprozent Molybdän ersetzt wurde.

Die Zusammensetzungen nach der Erfindung werden durch Kühlen einer Schmelze der erwünschten Zusammensetzung mit einer Ge-

5 o_ man

schwindigkeit von wenigstens etwa 10 T/sec hergestellt, indem Metallabschreckmethoden anwendet, die dem Fachmann auf dem Gebiet der glasartigen Metallegierungen bekannt sind, siehe US-PS 3 856 513, die bereits oben diskutiert wurde. Es zeigte sich, daß die Reinheit aller Zusammensetzungen in dem normalen handelsüblichen Bereich liegt.

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Verschiedene Methoden sind verfügbar zur Herstellung endloser Fäden einschließlich endloser Bänder, Drähte und dergleichen. Typischerweise wird eine spezielle Zusammensetzung ausgewählt, Pulver oder Granalien der erforderlichen Elemente oder von Zusammensetzungen, die die erforderlichen Elemente einschließen, wie Ferrobor, werden geschmolzen und homogenisiert. Die geschmolzene Legierung wird auf einer Kühloberfläche schnell abgeschreckt, wie auf einem sich schnell drehenden Metallzylinder. Die erzeugte Legierung ist im wesentlichen glasartig, d.h. zu wenigstens etwa 95 % glasartig.

Beispiele

Fäden von Eisen-Borlegierungen,die im wesentlichen glasartig waren, worin Eisen durch Molybdän teilweise ersetzt war, und die Abmessungen von etwa 0,030 bis 0,050 inch Breite und etwa 0,0015 bis 0,0025 inch Dicke hatten, wurden gewonnen, indem eine Schmelze der betreffenden Zusammensetzung durch überdruck von Argon auf eine sich rasch drehende Kupferkühlwalze (Oberflächengeschwindigkeit etwa 3000 bis 6000 Fuß/Min) gegossen wurde. Die Temperatur der Schmelze lag etwa 50°C oberhalb des Schmelzpunktes der Zusammensetzung. Experimentelle Werte für das Legierungssystem ^Feino-v-x^Mox^Bv in der nachfolgenden Tabelle I wiedergegeben. Die Werte bestehen aus χ (Atomprozent Molybdän), y (Atomprozent Bor), der Eigenfestigkeit der Legierung (intrinsic strength berechnet aus Härtemessungen) in kpsi und der Fadenfestigkeit T (wie gegossen) in kpsi, gemessen als Spannung und berechnet

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AO

durch Gleichung 1. Der Unterschied Δ ist in Prozenten angegeben. Die Eigenfestigkeit wurde aus Härtemessungen unter Verwendung einer Vickers-Diamantpyramiden-Kerbeinrichtung errechnet. In den meisten Fällen wurden die Härtemessungen auf der seitlichen oder flachen Oberfläche des Fadens gemacht. In einigen Fällen wurden die Härtemessungen auf der Kante des Fadens ausgeführt. Solche derart gemessenen Zusammensetzungen sind mit einem *) markiert. Im allgemeinen sind die Härtewerte an der Kante etv/a 15 % niedriger als die Härtewerte auf der Oberfläche. Es wurde davon ausgegangen, daß die Dichte bei allen Zusammensetzungen konstant blieb. Ein dimensionsloser Umrechnungsfaktor von 3,2 wurde verwendet, um die Eigenfestigkeit zu berechnen. Der Molybdängehalt lag im Bereich von 0 bis 7 Atomprozent, der Borgehalt im Bereich von 14 bis 25 Atomprozent.

Tabelle I

Ersatz von Mo in glasartigen Fe-B-Legierungen

x, y, Eigenfestigkeit, T, Fadenfestigkeit, kpsi % Mo % B kpsi beobachtet Glei -

chung. 1 £ , %

Zusammensetzungen außerhalb des Erfindungsgedankens:

190

210 190 10

180 190 -5

170 190 -12

230 180 22

190 170 10

160

120 160 -33 110

40

60982f/0775

17	470
17.1	400*
17.9
18.1
18.6	480
19.2
20	525
20.2	.
22	590
23	585
24	605
25	610

il

Tabelle I (Fortsetzg)

Ersatz von Mo in glasartigen Fe-B-Legierungen

χ, y, Eigenfestigkeit, I, Fadenfestigkeit, kpsi % Mo % B kpsi beobachtet Gleichung 1 Δ Zusammensetzungen außerhalb des Erfindungsgedankens:

0.5	16.8
0.6	19.7
0.9	20.3
1.4	23.0

414*

270	250	7
270	230	15
220	250	-14
250	220	12

Zusammensetzungen innerhalb des Erfindungsgedankens:

1.5

1.7

1.8

2.0

2.1

2.2

2.4

2.8

2.9

3.1

3.4

3.7

3.8

4.3

5.9

7.0

19.0

17.5

17.2

19.6

18.8

19.3

17.6

14.0

19.0

17.6

15.9

19.4

17.4

18.

20.

,5 2

19.7 20
19
20
19

18
20
19.1

.7 ,1

,5 7

430 423*

540 439*

534

560

599 480

350	330
340	340
370	360
380 '	330
390	350
——_	340
310	360
430	380
350	360
390	370
360	390
430	400
440	380
360	410
380	410
390	390
360	410
400	400
440	430
	420
400	430
440	400
	380
300	330

13 10

-16

12

-3

-8 7

14

-14

-8

-14 0 2

-8 * 9

-10

80982^/0775

Zu Vergleichszwecken ist die Wirkung eines Molybdänersatzes in den Fäden glasartiger Eisen-Nickel-Borlegierungen in der Tabelle II gezeigt. Die Werte umfassen die Zusammensetzung in Atomprozenten und die beobachteten Fadenfestigkeiten (wie gegossen). Das Fe/Ni-Verhältnis variierte von etwa 1:2 bis 2:1. Es wurde keine systematische Verbesserung der Fadenfestigkeit (wie gegossen) mit einem Molybdänersatz in den glasartigen Eisen-Nickel-Borlegierungen beobachtet.

Tabelle II

Ersatz von Mo in	Ni	glasartigen	Mo	Fe-Ni-B-Legierungen
Zusammensetzung,	55 53	Atomprozent	O 3 I	Fadenfestigkeit, (wie gegossen), kpsi
Fe	41 39.5	B	I o 3
27 26	27 26	18 18	O 3	260 280
41 39.5	18 18	350 280
55 53	18 18	320 320

ν ο

Leerseite

Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath t Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert PATENTANWÄLTE D —62 WIESBADEN 19.12.1977 Postfadi 6145 W/ep Gustav-Freytag-Stra6e Z5 SP (06TfII 37(7to TeieerammadrrsK: WILLPATENT Telex: 4-1842Ί7 File 7000-1266 Allied Chemical Corporation Morristown, New Jersey 07960 USA Metallegierung Priorität; 29.Dezember 1976 in USA Serial No.: 756 039 Patentansprüche

1. In wesentlichen glasartige Metallegierung, bestehend im wesentlichen aus etwa 1 bis 8 /itomprozent Molybdän, etwa 9 bis 24 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen, mit einer Zerreißfestigkeit von Fäden, wie sie gegossen wurden, von wenigstens etwa 300 kpsi, wobei die Zusammensetzung der Bedingung

1,2 χ 10⁴ (Mo) + 9,3 χ 10³ (B) - 1,4 χ 10⁵ (Mo)² - 2,8 χ 10⁴ <B)²>,88O

gehorcht, worin (Mo) der Atomanteil von Molybdän und (B) der Atomanteil von Bor ist,

O775

TOütodredi:

. Kom»-Nr. T7MC7

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus etwa 2,5 bis 6 Atomprozent Mo, etwa 13 bis 21 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen aus Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht, daß sie eine Fadenfestigkeit von Fäden, wie sie gegossen wurden, von wenigstens etwa 400 kpsi besitzt und der Bedingung

1,2 χ 10⁴ (Mo) + 9,3 χ 10³ (B) - 1,4 χ ΙΟ⁵ (Mo)² - 2,8 χ 10⁴ (B)² > 980

gehorcht.

3. Legierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Zusammensetzung im wesentlichen aus 3,5 bis 4,5 Atomprozent Molybdän, 16 bis 18 Atomprozent Bor und dem Rest im wesentlichen Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht.

4. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung im wesentlichen aus etwa 4 Atomprozent Molybdän, etwa 17 Atomprozent Bor und dem Rest Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht.

5. Legierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Zusammensetzung im wesentlichen aus etwa 4 Atomprozent Molybdän, etwa 20 Atomprozent Bor und dem Rest Eisen und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht.

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