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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer amorphen
Legierung, welche exzellente Eigenschaften in Biegebruchfestigkeit
(Biegefestigkeit) und Schlagfestigkeit aufweist.
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Technischer
Hintergrund
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Es
ist allgemein bekannt, dass amorphe metallische Materialien, die
verschiedenen Formen wie eine dünne
Streifenform, eine Fadenform und Puderteilchenform haben, erhalten
werden durch schnelle Kühlung einer
geschmolzenen Legierung. Da ein dünner Streifen aus amorpher
Legierung einfach hergestellt werden kann durch ein Verfahren, welches
eine hohe Kühlungsrate
aufweisen kann, wie ein einfaches Walzverfahren, ein zweifaches
Walzverfahren, ein Spinverfahren mit drehender Flüssigkeit
oder ähnlichem,
irgendeine Anzahl amorpher Fe – Legierung,
Ni – Legierung,
Co – Legierung,
Pd – Legierung,
Cu – Legierung,
Zr – Legierung
und Ti – Legierung
erfolgreich erhalten werden. Da diese amorphen Legierungen industriell
sehr wichtige Eigenschaften haben, wie hohe Korrosionsbeständigkeit,
hohe Festigkeit und dergleichen, welche durch kristalline Materialien
nicht erhalten werden können,
wurde eine Anwendung dieser amorphen Legierung im Gebiet von neuen
Strukturmaterialien, medizinischen Materialien, chemischen Materialien
oder ähnlichem
erwartet.
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Jedoch
können
entsprechend der vorstehend erwähnten
Herstellungsmethoden amorphe Legierungen nur als dünne Streifen
oder dünne
Drähte
erhalten werden. Somit war es schwierig solche amorphen Legierungen
in endgültige
Produktformen zu formen, was zu eingeschränkter industrieller Verwendbarkeit
führt.
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Verschiedene
Studien, welche eine Verbesserung einer Herstellungseffizienz einer
amorphen Legierung, eine Optimierung einer Zusammensetzung und eines
Herstellungsverfahrens betrachteten, wurden kürzlich durchgeführt und
ein amorpher Legierungsbarren, welcher eine Größe aufweist, welche die Anforderungen von
Strukturmaterialien erfüllt,
wurde hergestellt. Z.B. wurde ein amorpher Legierungsbarren mit
einer Zr – Al – Cu – Ni – Legierung,
welcher einen Durchmesser von 30 mm und eine Länge von 50 mm aufweist, erfolgreich erhalten
(siehe „Materials
Transactions, Japan Institute of Metals" (englische Version) veröffentlicht
in 1995, Vol. 36, Item No. 1184). Als Pd – Ni – Cu – P – Legierung wurde ein amorpher
Legierungsbarren, welcher einen Durchmesser von 72 mm und eine Länge von
75 mm aufweist, erfolgreich erhalten (siehe „Materials Transactions, Japan
Institute of Metals" (englische
Version) veröffentlicht
in 1997, Vol. 38, Item No. 179). Diese amorphen Legierungsbarren
haben eine Zugfestigkeit von 1700 MPa oder mehr und eine Vickershärte von
500 oder mehr und es wird erwartet, dass sie als einzigartige bruchfeste
Strukturmaterialien, welche ein sehr hohes elastisches Limit aufweisen,
verwendet werden.
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US – A 5 711
363 zeigt ein Verfahren zum Spritzgießen einer amorphen Legierung
unter Druck, um ein Massenprodukt zu erhalten. Der Spritzgießer wird
mit einem Strömungsmittel
gekühlt,
um eine ausreichende Kühlungsrate
sicherzustellen, so dass eine amorphe Massenlegierung erhalten wird.
Ein Druck über
dem atmosphärischen
wird verwendet für
den Druck – Spritzguss.
Die Natur der Kühlung
und Verfestigung ist derart, dass Gussdefekte weitgehend verhindert
werden, und eine Zugspannung wird auf der Oberfläche des Gusses, und eine Zugspannungsschicht
im Inneren des Gusses ausgebildet. JP – A – 5 253 656 betrifft die Herstellung
eines amorphen metallischen röhrenförmigen Produktes,
welches eine amorphe Phase oder superfeine Kristallphase im größten Teil
seiner Struktur aufweißt.
Ferner betrifft JP – A – 3 204
160 ein Verfahren zum Guss eines aus amorpher Legierung hergestellten
Gliedes, welches hohe Festigkeit und hohe Dichte aufweist, indem
das geschmolzene Metall unter Druckbedingung gehalten wird. Bei
diesem Verfahren, wenn Bewegung von Atomen in dem geschmolzenen
Metall einge schränkt
und die amorphe Bedingung gehalten ist, wird das aus Legierung hergestellte
Glied, welches eine hohe Festigkeit aufweist, erhalten und ferner
wird die Dichte des Gliedes verbessert. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung einer amorphen Legierung, wie
in Anspruch 1 dargestellt, vorgesehen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben.
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Beschreibung
der Erfindung
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(Ziele welche durch die
Erfindung gelöst
werden sollen)
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Da
jedoch die vorstehend genannten amorphen Legierungsbarren aufgrund
ihrer irregulären
atomaren Struktur (glasähnliche
Struktur) eine schlechte plastische Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur
haben, tendiert die dynamische Festigkeit davon gegenüber einer
Zuglast, einer Drucklast bzw. Schlaglast und ähnlichem dazu, unzureichend
zu sein, was zu einer schlechten Zuverlässigkeit als praktische Strukturmaterialien
führt.
Unter solchen Bedingungen war es erwünscht, dass eine amorphe Legierung,
welche verbesserte dynamische Festigkeit gegen eine Zuglast und
Schlaglast aufweist, ohne eine Verschlechterung der Eigenschaften
an der hochfesten und hochelastischen Grenze aufgrund der amorphen
Struktur wie auch des Herstellungsverfahrens zu verursachen, entwickelt
wird.
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(Mittel, um die Probleme
zu lösen)
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Um
die vorstehend genannten Probleme zu lösen, haben die vorliegenden
Erfinder eifrig geforscht zum Zweck des Vorsehens einer praktisch
erträglichen
amorphen Legierung, welche eine verbesserte Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit
aufweist, zusammen mit hochfesten Eigenschaften aufgrund der amorphen
Struktur. Als Ergebnis haben die Erfinder die Tatsache gefunden,
dass Zugfestigkeit und Stoßfestigkeit
bzw. Schlagfestigkeit verbessert werden können, durch Herstellung der
Legierung entsprechend der Ansprüche
und Ausschließung
von Gussfehlern durch Druckverfestigung von geschmolzener Legierung
unter einem Druck, welcher einen Atmosphärendruck übersteigt, und Verfestigung
durch Anwendung einer Kühlungsratendifferenz mit
einem Kühlungsmedium,
welches eine angemessene Wärmekapazität besitzt,
zwischen der Oberfläche und
dem Inneren der geschmolzenen Legierung, so dass eine Druckspannungsschicht
auf der Oberfläche
des amorphen Legierungsbarrens und eine Zugspannungsschicht im Inneren
davon bleibt. Durch Optimierung der Herstellungsbedingungen, welche
effizient den Verfestigungsmechanismus realisieren können, wurde
die vorliegende Erfindung vervollständigt und sie wird in den Ansprüchen dargelegt.
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Die
vorliegende Erfindung ist zum Vorsehen einer amorphen Legierung,
welche hervorragend in Biegefestigkeit und Schlagfestigkeit ist,
durch Verhinderung einer Spannungskonzentration nahe Gussfehlern,
um eine innere Spannung in der Legierung zu halten.
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(Die beste Methode, um
die Erfindung auszuführen)
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nun wie folgt beschrieben.
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Im
Allgemeinen variiert eine Kühlungsrate,
welche erforderlich ist um eine amorphe Legierung zu formen, abhängig von
einer Legierung welche hergestellt werden soll, weil eine Fähigkeit
zur Bildung einer amorphen Legierung abhängig von einer Legierung, welche
hergestellt werden soll, variiert. Deshalb nimmt die vorliegende
Erfindung ein Herstellungsverfahren an, welches die folgenden Schritte
umfasst:
Verfestigung einer geschmolzenen Legierung bei einer
Kühlungsrate,
welche ungefähr
50% größer ist
als eine Kühlungsrate
bei welcher die gesamte geschmolzene Legierung eine amorphe Legierung
formt (kritische Kühlungsrate)
um die Oberfläche
der Legierung schnell zu kühlen;
und dann Kühlung
der Legierung in einer Metallform, welche durch eine Wärmeübertragung
geheizt ist, und Verfestigung des Inneren der Legierung bei etwa
der kritischen Kühlungsrate,
um die amorphe Legierung zu formen, wobei eine Druckspannungsschicht an
der Oberfläche
der amorphen Legierung bleibt, und eine Zugspannungsschicht verbleibt
im Inneren davon.
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Ferner
kann die vorliegende Erfindung bevorzugt ausgeführt werden durch Optimierung
der Herstellungsbedingungen, welche den Verfestigungsmechanismus
realisieren, sozusagen durch Überführung des
Inneren der geschmolzenen Legierung in eine amorphe Legierung bei
etwa der kritischen Kühlungsrate
durch Heizung mit der übertragenen
Wärme,
während
die Oberfläche
der gewünschten
geschmolzenen Legierung mit einem Kühlungsmedium schnell gekühlt wird,
welches eine optimale Wärmekapazität aufweist,
und durch effiziente Erzeugung der Kühlungsratendifferenz zwischen
der Oberfläche
und dem Inneren der geschmolzenen Legierung aufgrund der Dicke der
amorphen Legierung. Deshalb ist es bevorzugt, ein Herstellungsgerät zu verwenden,
welches die Kühlungsrate
auf ein gewünschtes
Niveau entsprechend der amorphen Formungsfähigkeit der amorphen Legierung,
welche hergestellt werden soll, kontrollieren kann. Das Einstellen
der Kühlungsrate
kann bevorzugter Weise durch beispielsweise Einstellung der Wärmekapazität der Form,
Einstellung der Menge an Formkühlungswasser,
Optimierung der minimalen Dicke der Legierung oder durch Steuern
der Temperatur der geschmolzenen Legierung, wenn die geschmolzene
Legierung gegossen wird, erfolgen.
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Um
ferner effizient Gussdefekte zu eliminieren, welche einen Ausgangspunkt
von Bruch einer amorphen Legierung entsprechend der vorliegenden
Erfindung verursachen können,
ist es bevorzugt, dass ein Druck, welcher zur Zeit des Gusses angewandt
wird, steuerbar ist. In einer Druckgussvorrichtung ist ein effizient
angewandter Druck ein Druck, welcher einen Atmosphärendruck übersteigt.
Noch mehr bevorzugterweise ist der angewandte Druck ein Druck, welcher
zwei Atmosphärendrücke übersteigt.
Wenn der angewandte Druck nicht größer ist als ein Atmosphärendruck,
ist es unmöglich,
die Gussdefekte, welche zur Zeit des Gusses erzeugt wurden, zu eliminieren.
Der angewandte Druck kann bevorzugterweise erhalten werden durch
ein Stempelkompressi onsverfahren, welches einen Öldruck, einen Luftdruck, einen
elektrischen Antrieb oder Ähnliches
verwendet, und ein Injektionsgussverfahren wie ein Druckguss oder
ein Walkguss.
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In
einem amorphen Legierungsblatt der vorliegenden Erfindung ist die
minimale Dicke auf 1 mm oder mehrere eingestellt. Die minimale Dicke
fällt zusammen
mit einer Richtung vertikal zu einer Wärmeflussrate, welche durch
eine Kühlung
verursacht ist und bedeutet im Allgemeinen die Blattdicke. Die obige
Vorgabe ist eine notwendige und wichtige Bedingung zur Herstellung
einer amorphen Legierung, welche eine verbleibende innere Spannung
aufweist, welche die Basis der vorliegenden Erfindung darstellt.
Dies bedeutet dass, wenn die minimale Dicke weniger ist als 1 mm
beträgt,
obwohl eine Legierung, welche eine amorphe Struktur aufweist leicht
erhalten werden kann, in Wirklichkeit eine Kühlungsdifferenz nicht effizient
zwischen der Oberfläche
der geschmolzenen Legierung und deren Inneren erzeugt werden kann,
wodurch die Verbesserung der Zugfestigkeit und Schlagfestigkeit
nicht erreicht wird. Wenn auf der anderen Seite die minimale Dicke
10 mm oder mehr ist, in derzeit verfügbareren amorphen Formlegierungen,
kann keine vollständig
amorphe Struktur erhalten werden, und einige von ihnen können große metallische
Verbindungen ausfällen.
Diese großen
Verbindungen behindern nicht nur eine Verbesserung der dynamischen
Festigkeit der Legierung, da sie als ein Ausgangspunkt von Bruch
wirken, sondern führen
auch zu einer Verschlechterung der hohen Festigkeit sowie der Eigenschaft
der hohen elastischen Grenze, welche einer amorphen Legierung inne
wohnt.
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Deshalb
ist es bevorzugt, dass die Dicke eines amorphen Legierungsblattes,
welches hergestellt werden soll, entsprechend des Herstellungsverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung 1 mm oder mehr ist. Von einem Gesichtspunkt von mechanischer
Festigkeit ist es bevorzugt, dass die Dicke 10 mm oder weniger ist.
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Das
Folgende ist eine Erklärung
der Gründe,
warum die Biegefestigkeit und die Schlagfestigkeit der amorphen
Legierung verbessert werden durch die E xistenz der verbleibenden
Druckspannung an der Oberfläche
und der verbleibenden inneren Zugspannung.
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In
einem normalen Metallkristal gibt es eine leicht zu deformierende
Achse, welche leicht teilweise deformiert wird aufgrund ihrer regulären atomaren
Anordnung. Die Festigkeit eines kristallinen metallischen Materials
ist definiert durch die vorstehend definierte, leicht zu deformierende
Achse. Jedoch hat eine amorphe Legierung strukturelle Eigenschaften
derart, dass die atomare Anordnung isotrop und ungeordnet ist. Aufgrund der
strukturellen Eigenschaften hat die amorphe Legierung keine Anisotropie,
welche leicht teilweise plastisch deformiert wird. Deshalb zeigt
eine amorphe Legierung hohe Festigkeit und die Eigenschaft hoher
elastischer Grenze, da die Legierung keine Achse aufweist, welche
von teilweise geringer Festigkeit ist. Jedoch führt das Fehlen einer leicht
plastisch zu biegenden Achse zu einer Verschlechterung der Biegefestigkeit
und der Schlagfestigkeit.
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Durch
Anwendung eines Drucks, welcher durch das Herstellungsverfahren
gemäß der vorliegenden Erfindung
definiert wird, können
Gussfehler, welche in einem amorphen Legierungsblatt vorkommen,
effizient eliminiert werden. Wenn eine externe Spannung angewendet
wird, werden verschiedene Spannungskonzentrationen auftreten rund
um Gussfehler abhängig
von ihrer Konfiguration, was zu einer Verschlechterung der statischen
Festigkeit und dynamischen Festigkeit der amorphen Legierung führt. Deshalb
ist eine Elimination von Gussfehlern sehr effektiv, um eine Festigkeit
einer amorphen Legierung zu verbessern. Ferner ergibt das Halten
von Druckspannungen an der Oberfläche der amorphen Legierung
und Zugspannungen im Inneren davon, wie durch die vorliegende Erfindung
offenbart wird, einen Effekt, welcher ähnlich einem Verwindungsverfestigungseffekt
ist, welcher normalerweise in oxidischem Glas angewandt wird.
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Die
verbleibende Druckspannung auf einer Oberfläche eines amorphen Legierungsblattes,
welches hergestellt werden soll durch das Herstellungsverfahren
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wurde geschätzt. Die
Druckspannung (σ), welche
auf die Oberfläche
wirkt, kann berechnet werden durch die folgende Gleichung (1) durch
Verwendung der maximalen Wärmedifferenz
(ΔTmax)
zwischen der Oberflächentemperatur
des geschmolzenen Legierungsblattes und der internen Temperatur
davon bei einer Zeit der Kühlung,
dem Young'schen
Modul (E) von Glas und dem Wärmekoeffizienten
(α). σ = [αE/(1 – μ)]2ΔTmax/3 (1)
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Die
Druckspannung, welche auf der Oberfläche bei einer Temperaturdifferenz
von 800 K erzeugt wird, wird zu ungefähr 1740 MPa von den folgenden
Daten geschätzt,
das heißt α= 21 × 10–6 und
E = 90 GPa, was tatsächlich
gemessene Daten, welche während
Experimenten erhalten wurden, sind, μ=0,42, veröffentlicht in der Referenz
(H.S. Chen, J. Appl. Phys, veröffentlicht
in 1978. Vol. 49, S. 462) und ΔTmax
= 800 K. Der geschätzte
Wert entspricht im Allgemeinen einer erhöhten Menge an Biegefestigkeit
der amorphen Legierung aufgrund von verbleibender Spannung. Deshalb
umfasst eine amorphe Legierung, welche durch das Herstellungsverfahren
gemäß der vorliegende
Erfindung hergestellt ist, eine große Menge an verbleibender innerer Spannung,
und es wird vermutet, dass die verbleibende innere Spannung die
Festigkeit gegen Biegebeanspruchungen und Schlagbeanspruchungen
verbessert.
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Ein
amorphes Legierungsblatt, welches hervorragend in Zugfestigkeit,
Biegefestigkeit und Schlagfestigkeit ist, gemäß der vorliegenden Erfindung,
kann leicht erhalten werden durch Anwendung des vorstehend erwähnten bevorzugten
Herstellungsverfahrens auf eine geschmolzene Legierung, welche beispielsweise durch
ein Bogenentladungsverfahren oder eine Hochfrequenz – Induktionsheizmethode
geheizt wird.
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Beispiel
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Beispiele
der vorliegenden Erfindung werden wie folgt erklärt. Ausgehend von den Materialien,
deren Legierungszusammensetzungen in Tabelle 1 gezeigt sind (Beispiele
Nr. 1 bis 5), wurden amorphe Legierungsblätter, welche je weils eine Dicke
von 3 mm aufweisen, hergestellt durch eine Druckgussmaschine, welche
zu einer Formkompression fähig
ist durch Luftdruck zu den Bedingungen zu 3 atmosphärischen
Drücken
und durchschnittlicher Kühlungsrate
von 300 °C
pro Sekunde. Die Zugfestigkeit (σf)
und Härte
der Blätter
wurde gemessen durch Anwendung einer Instron – Zugtestmaschine und eines
Vickershärte – Messers.
Die Schlagfestigkeit und die Biegefestigkeit davon wurden in Verbindung
mit einem Charpy – Schlagtest
und einem Dreipunktbiegetest ermittelt. Als vergleichende Beispiele
wurden amorphe Legierungsblätter
(Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2) hergestellt durch eine konventionelle
drucklose Formgussmaschine, und amorphe Legierungsblätter (Vergleichsbeispiele
Nr. 4–6),
welche verschiedene Mindestdicken aufweisen, wurden durch eine Druckgussmaschine
hergestellt.
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Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich hat jeder der amorphen Legierungen von
Ausführungsbeispielen
Nr. 1 bis 5 die Schlagfestigkeit größer als 100 KJ/m2,
die Biegefestigkeit größer als
3000 MPa, und die Zugfestigkeit von 1600 MPa oder mehr. Somit, durch
angemessene Kühlung
unter Druck, um Spannung in dem amorphen Legierungsblatt zu erhalten,
wurden diese amorphen Legierungen in Festigkeit gegen eine Zuglast
und einen Schlaglast verbessert, ohne Verschlechterung der Zugfestigkeit,
welche einer amorphen Legierung inne wohnt.
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Jedoch,
wie für
die Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2, welche ohne Druck formgegossen
wurden, obwohl die Zusammensetzungen von diesen Verbindungen die
selben waren, wie jeweils diejenigen von Beispielen Nr. 1 und 3,
und diese Legierungen waren vollständig amorphe Legierungen, war
die Schlagfestigkeit und die Zugfestigkeit davon etwa 70 KJ/m2 und ungefähr 1700 MPa, welche nicht so
verbessert sind.
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Wie
für die
Vergleichsbeispiele Nr. 3 bis 6 war die Druckbedingung zur Zeit
des Gusses und die Legierungszusammensetzung die gleiche wie diejenige
der Beispiele 1–2,
doch diese Vergleichslegierungsblätter wurden absichtlich gesteuert,
um nicht innerhalb den minimalen Dickenbereich von 1 mm bis 5 mm,
welcher durch die vorliegende Erfindung definiert ist, zu fallen.
Im Vergleichsbeispiel Nr. 3 war die Legierung eine komplett amorphe
Legierung, denn sie wurde aufgrund der kleinen minimalen Dicke genug
gekühlt.
Jedoch waren der Schlagfestigkeitswert und die Biegefestigkeit etwa
die gleichen wie diejenigen von nicht dem Druck ausgesetzter amorpher
Legierung (Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2). Aus dem Obigen wird
es verstanden, dass keine verbleibende Spannung einen schlechten
Einfluss auf eine Verbesserung des Schlagwertes und der Biegefestigkeit
ausübt.
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In
den Vergleichsbeispielen Nr. 4–6,
da ihre minimalen Dicken groß waren,
wurden teilweise Verbindungskristalle abgelagert aufgrund der nicht
ausreichenden Kühlungsrate.
Da diese Verbindungskristalle als Ausgangspunkt von Zerstörung dienen,
können
nicht nur der Druckwert, die Biegefestigkeit nicht verbessert werden,
sondern auch die Zugfestigkeit, welche einer amorphen Legierung
inne wohnt, verschlechtert sich.
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Wie
aus dem Obigen klar wird können
durch Anwendung einer Kühlungsratendifferenz
auf die Oberfläche
und das Innere der Materialien unter einer angepassten Druckbedingung,
zur Herstellung eines amorphen Legierungsblattes, welches verbleibende
innere Spannungen aufweist, die Festigkeit gegen die Schlagbeanspruchung
und die Biegebeanspruchung dadurch gegeben werden, ohne Verschlechterung
ihrer Zugfestigkeit, welche einer amorphen Legierung inne wohnen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Wie
oben erklärt
kann die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein amorphes
Legierungsblatt vorsehen, welches hervorragend in Biegefestigkeit
und Schlagfestigkeit ist und zuverlässig als praktisches Strukturmaterial.
