DE2756921A1 - Metallegierung - Google Patents
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-
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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
80982f/ 0775
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
80982^/0775
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
80982$/077S
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:
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) 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
8 0 9 8 2fr/ 0 7 7 5
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.
80982^/0775
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.
80982#/0775
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.
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-xMoxBv
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
80982^/0775
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.
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
1.5
1.7
1.7
1.8
2.0
2.0
2.1
2.1
2.2
2.4
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
19
20
19
18
20
19.1
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.
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 (5)
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.
80982^/0775
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/756,039 US4152146A (en) | 1976-12-29 | 1976-12-29 | Glass-forming alloys with improved filament strength |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ALLIED CORP., MORRIS TOWNSHIP, N.J., US |
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