DE2756921A1 - Metallegierung - Google Patents

Metallegierung

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DE2756921A1 DE19772756921 DE2756921A DE2756921A1 DE 2756921 A1 DE2756921 A1 DE 2756921A1 DE 19772756921 DE19772756921 DE 19772756921 DE 2756921 A DE2756921 A DE 2756921A DE 2756921 A1 DE2756921 A1 DE 2756921A1
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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
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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
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.
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-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.
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
1.5
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
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 (5)

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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DE2756921A 1976-12-29 1977-12-21 Verwendung einer glasartigen Legierung für die Herstellung von Fäden Expired DE2756921C2 (de)

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