JP2008537763A - 金属複合材料およびこれを形成する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ナノ構造材料は一般に、ガラス状材料の粉末焼結または熱アニーリング、およびフラクシングにより合成されてきた。粉末焼結においては、ナノメートルサイズの粉末を一緒に圧縮し、アニーリングすることができ、ナノ構造材料を生成する。粉末焼結により作製されるナノ構造材料は一般に円盤形状であり、約1cmの直径と1mm〜2mmの厚さを有する。粉末状焼結材料は一般に脆性で、空洞および非均一な粒子の成長を示す。
フラクシング技術はより最近になって、ナノ構造材料の製造に用いられている。この方法では、液体状態のスピノーダル分解が起こり、脆性の固体のスピノーダルが生じる。典型的なPd−Siナノ構造を図1に示す。図1に示すように、離散したPd析出物(白色で示される)が固体スピノーダル内部に位置している。しかし、離散したPd析出物はわずかな体積分率においてのみ存在するため、固体スピノーダルは脆性のまま残る。
1つの態様において、本発明は、構成成分で合金を形成すること、該合金を精製すること、および少なくとも1つの延性サブネットワーク構造を含む、該合金のネットワーク構造を形成することを含む、方法を対象とする。
他の態様は、延性スピノーダル構造を含有する金属複合材料を対象とする。他の態様は、金属複合材料を含有する金属物品を対象とする。他の態様において、金属物品はナノ構造の複合材料である。
本発明のその他の利点、新規な特徴および目的は、付属の図と合わせて考慮する場合、本発明の非限定的な態様についての以下の詳細な説明から明らかである。本明細書および参照として組み込まれた文献が相反する開示を含む場合、本明細書が効力を持つものとする。
本発明はその用途において、以下の記載または図中に描かれた要素の構成および配置の詳細に限定されない。本発明は他の態様でも可能であり、種々の方法で実用化し実施することができる。また、本明細書で用いる表現および専門用語は説明のためのものであり、限定するものと理解すべきではない。本明細書中における「含む(including)」、「含む(comprising)」または「有する」、「含む(containing)」「関連する(involving)」およびこれらの変形は、その後に挙げた項目およびそれらの均等物、並びに付加的な項目を包含することを意味する。
他の態様において、Fe−C−Si組成は、上下限を含み次の範囲であってよい:Fe81C19Si0;Fe84C16Si0;Fe90C0Si10;Fe88.5C0Si11.5およびこの範囲内の全ての点。さらに他の態様において、他の態様のFe−C−Si組成は、上下限を含み次の範囲であってよい:Fe73C27Si0;Fe76C24Si0;Fe84C0Si16;Fe85.5C0Si14.5およびこの範囲内の全ての点。この範囲およびその間の全ての点でのこれらの組成から形成される混合材料の一部が、空気冷却により延性スピノーダルを含むナノ構造を形成することが見出された。しかし、冷却率を増加させて、これらの組成物の試料全体が所望のナノ構造を形成するようにすることができる。
他の態様において、Bを、Fe−C−Si合金に加えてもよい。例えば、Bを約0原子%以上約5原子%以下の範囲で、スピノーダル構造の形成に重大な影響を与えることなく、加えることができる。
合金は、本明細書でガラス遷移温度(Tg)の液体温度(Tl)に対する比率として定義されるガラス形成能(GFA)の値として0.35以上を有することができ、形成されたナノ構造は十分に大きいため、複合材料に所望の物理特性を与える。1つの態様において、GFAは約0.49以上である。例えば、Fe82.5B17.5は約0.35のGFAを有し;Fe80B20は約0.49のGFAを有し;Fe80C7P13は約0.58のGFAを有し;Fe79Si10B11は約0.58のGFAを有し、そしてCo75Si15B10は約0.56のGFAを有する。
随意的に、形成された合金はより小さい部分に分けて、さらなる加工を行ってもよい。合金は、第1部分とそれより小さい第2部分を有する容器の、第1部分に入れることができる。この容器を真空にする。容器を加熱して合金を溶融し、第1溶融合金を形成する。第1溶融合金を、加圧ガスと共に容器の第2部分に強制的に入れる。容器および第1溶融合金を冷却して、固化合金を形成する。固化合金を容器の第2部分から取り出して、所望の寸法または質量に分割することができる。
さらに分割されない合金、またはより小さな部分にさらに分割される固化合金は、従来方法に従って、さらに加工されて不純物を除去することができる。例えば、固化合金は、フラックスの存在下でその液相線温度(liquidus)(Tl)以上の温度まで加熱することができて、第2溶融合金を形成する。1つの態様において、固化合金およびフラックス材料は、約1,000℃より高い温度まで加熱することができる。
第2溶融合金の液体状態スピノーダル分解により形成される固相波長(λ)は、典型的にはミクロンからナノメートルの範囲に渡る。得られる複合材料は微細なミクロ構造を有することができ、1nm以上100,000nm以下の粒径または波長を有する材料として定義される。複合材料はナノ構造を含むことができ、ここで1つの構成成分相の1つの物理的寸法は、約1,000nm以下である。ネットワーク組織全体中の各スピノーダルまたはサブネットワークは、互いに類似しているかまたは異なる、固相波長を有することができる。
固相波長は試料内で変化してもよい。例えば、固相波長は結晶化の間に変化してよい。結晶化の間に、結晶化の最前部は溶融物中を移動し、このため固相λは増加して、より粗いスピノーダル構造を効率的に生成する。従って固相波長は、結晶化が開始される部位において最小であってよく、その開始部位から結晶化が進むにつれて増加する。結晶化が開始される部位における固相スピノーダルの波長は、液体スピノーダルの波長と類似であってよい。1つの態様において、結晶化が開始された部位からある距離におけるスピノーダル形態は、樹脂状または共晶を含む他の構造によって(部分的にまたは全体を)置き換えることもできる。
本発明は、以下の例を参照してさらに理解することができ、これらの例は例示としてのみ用いることを意図しており、本明細書のクレームに規定された本発明を限定することは意図していない。
Fe、Co、Ni、C、Si、B、GeおよびPから選択される原材料の所望の組成物を、RF誘導炉内で、最低温度約1,000℃にて合金化した。合金は空気冷却して固化し、次に溶融石英管の大きい部分に入れた。溶融石英管は、内径が約10mm〜約30mmの大きな部分と、内径が約2mm〜約8mmの長細い小さい部分とを有する。小さい部分は約10mm〜約600mmの長さであった。合金を含んだ石英管から機械ポンプにより気体を排出し、石英管を十分な温度の炉内に、合金を溶融するのに十分な時間入れた。合金が完全に溶解したら、石英管の大きな部分に加圧ガスを導入し、溶融合金を管の小さな部分へと強制的に移動させた。管と合金を冷却し、ロッド形状の合金を形成させた。ロッド形状の合金を管から取り出し、約1mm以上約10mm以下の範囲の厚さを有する、小さな円盤状の複数片に切り分けた。
Fe:80原子%
C:15原子%
Si:5原子%
この合金は、フラックス中の溶融Fe80C15Si5をその液相線温度より高い温度で精製し、続いてその液相線温度より低い温度まで過冷却することにより、調製した。
Fe−C−Si系は精密なボールベアリングに形成し、その特性の幾つかを表1に示した。表にはさらに、従来のクロム鋼球(FAG Bearing, Danbury, CTより入手可能)との比較結果も示す。
特性 Fe−C−Si系 クロム鋼球
(FAG Bearing, Danbury, CTより入手可能)
硬度(HV) 750〜850
疲労強度 >3,600** <2,600***
(最大圧縮圧力(MPA))*
圧縮降伏強度(MPA) 約7,000 約3,600
最大作動温度 550℃ 150℃
*疲労強度は、最小圧縮力が約0MPA、最大周期圧縮力が約3,600MPAで107サイクルの周期的圧縮力を用いて決定した。
**試料は、試験後も無傷で残った。
***試料は試験後まで残らなかった。
Fe:40.5原子%
CO:40.5原子%
C:14原子%
Si:5原子%
結晶化温度は約800℃であった。形成されたFe40.5CO40.5C14Si5インゴット(試料)の微細構造を、図4A〜4Dに示す。図4Aは、最初に結晶化した、試料の自由表面に位置する試料部分の微細構造を示す。図4Aには異なる相の2つの固体スピノーダルがあり、これらは一緒になってランダムネットワークを形成している。図4Bは、試料の反対側の端において最後に結晶化した試料部分の微細構造を示す。図4Bに示すように、この微細構造はスピノーダル形態と共晶構造の混合である。図4Cは、試料の破壊表面を示し、明るい稜線は2つのスピノーダルの1つで延性破壊が起こったことを示す。稜線の分布は、スピノーダル機構の予想と整合する。共晶が主である領域においては、図4Dにおいて破壊表面上に共晶形態が示される。
CO:75原子%
Si:15原子%
B:10原子%
結晶化は約800℃で起こった。形成されたCO75Si15B10インゴット(試料)の微細構造を図5A〜5Dに示す。図5Aは、最初に結晶化した、インゴットの自由表面に位置する試料部分の微細構造を示す。図5Aには異なる相の2つの固体スピノーダルがあり、ネットワークを形成している。ネットワーク形態は、試料中でその位置が結晶化が開始された部位から遠くなるにつれて変化する。試料の中心に近づくと、図5Bに示すように、1つの固体スピノーダルがはっきりと長細い粒状に分解している。長細い粒子は約20ミクロンを超えることができる。複数相の層が長細い粒子を分離している。図5Cは、最初の結晶化の部位から遠い位置における微細構造を示す。図5Cに示すように、最後に結晶化した試料部分の長細い粒子を囲む層は、実質的に均一に見える。図5Dは試料の破壊表面であり、長細い粒子を囲む層が延性であることを示す。いかなる特定の理論にも縛られず、延性層は、衝撃破壊エネルギーおよび強度を有する試料を提供すると考えられる。
Fe:82原子%
C:18原子%
結晶化温度は約650℃であった。調製されたFe82C18のインゴットの微細構造を図6Aに示す。図6Aには多くのドメインがあり、それらの各々は整列したネットワーク様構造により占領されている。ドメインの間の境界は比較的平らであり、境界近くのネットワークの配列は鮮明である。明らかに、ネットワーク分枝の再配列の形状が、境界を形成する結晶化の間に生じていた。図6Bは、図6Aの試料の破壊表面の微細構造を示す。図6Aに示すように、顕微鏡写真の中心近くに2本の垂直な線が見出され、上記の境界を表わしている。これらの境界に付着しているのは、樹枝状結晶のものに似た整列した特徴である。境界からさらに遠ざかると、鱗状または雲状の構造が微細構造を再び支配している。図6Bの明るい部分は、延性破壊した稜線を示す。
本発明の少なくとも1つの態様の幾つかの側面をこのように記載したので、当業者は容易に、種々の改変、修飾および改善を思い付くであろうことが理解される。かかる改変、修飾および改善は本開示の一部とすることを意図し、本発明の精神および範囲内であることを意図する。従って、前記の説明および図面は、例示目的のみを意図する。
Claims (69)
- 合金を形成すること;
該合金を精製すること;および
少なくとも1つの延性サブネットワーク構造を含む、該合金のネットワーク構造を形成すること
を含む、方法。 - 形成された合金が、約0.35以上のTg対Tl比を含む、請求項1に記載の方法。
- 形成された合金が、約0.49以上のTg対Tl比を含む、請求項2に記載の方法。
- 形成された合金が、金属および半金属を含む、請求項2に記載の方法。
- 合金を精製することが、
合金を加熱して、溶融合金を形成すること;および
該溶融合金をフラックス材料と接触させること
を含む、請求項4に記載の方法。 - ネットワーク構造を形成することが、溶融合金を冷却することを含む、請求項2に記載の方法。
- 溶融合金を冷却することが、溶融合金を過冷却することを含む、請求項6に記載の方法。
- 溶融合金を、約100K〜約500KのΔTに冷却する、請求項7に記載の方法。
- 形成された合金が、Fe、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Mn、Al、Ti、Zr、Cr、Wおよびこれらの組合せからなる群から選択される金属を含む、請求項4に記載の方法。
- 形成された合金が、Fe、Co、Niおよびこれらの組合せからなる群から選択される金属を含む、請求項9に記載の方法。
- 形成された合金がNiを含む、請求項10に記載の方法。
- 形成された合金がCoを含む、請求項10に記載の方法。
- 形成された合金がFeを含む、請求項10に記載の方法。
- 形成された合金が、B、Si、Cおよびこれらの組合せからなる群から選択される半金属を含む、請求項4に記載の方法。
- 形成された合金が、Ge、P、Sおよびこれらの組合せからなる群から選択される非金属をさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 半金属がCである、請求項14に記載の方法。
- 形成された合金が、C、Siおよびこれらの組合せからなる群から選択される元素を含む、請求項10に記載の方法。
- 形成された合金がさらにGeを含む、請求項15に記載の方法。
- 合金を、B2O3、ガラス、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化リチウムおよびこれらの組合せからなる群から選択されるフラックス材料と接触させる、請求項5に記載の方法。
- 合金を、B2O3、ガラスおよびこれらの組合せからなる群から選択されるフラックス材料と接触させる、請求項19に記載の方法。
- 合金をB2O3と接触させる、請求項20に記載の方法。
- 合金をガラスと接触させる、請求項20に記載の方法。
- 合金およびフラックス材料を約1,000℃より高い温度に加熱することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 合金を容器の第1の部分中に入れること;
容器の第1の部分を真空下で加熱し、合金を溶融して容器の第2の部分中に流入させること;および
容器の第2の部分を冷却すること
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 約50ミクロン以下の固相λを有するネットワーク構造が形成される、請求項1に記載の方法。
- 約10ミクロン以下の固相λを有するネットワーク構造が形成される、請求項25に記載の方法。
- 約300nm以下の固相λを有するネットワーク構造が形成される、請求項26に記載の方法。
- 約100nm以下の固相λを有するネットワーク構造が形成される、請求項27に記載の方法。
- 液体状態において正の混合熱を含む合金が、偏晶合金、共晶合金および包晶合金の1種である、請求項1に記載の方法。
- 実質的に等しい液相λおよび固相λを有するスピノーダル構造が形成される、請求項25に記載の方法。
- 実質的に等しい液相λおよび固相λが、結晶化が開始される位置にある、請求項30に記載の方法。
- 合金が、液体状態における正の混合熱を含む少なくとも2種の構成成分から形成される、請求項1に記載の方法。
- 液体状態が準安定である、請求項32に記載の方法。
- 液体状態が安定である、請求項32に記載の方法。
- 延性スピノーダル構造を含む、金属複合材料。
- スピノーダル構造がコヒーレントな粒界を含む、請求項35に記載の金属複合材料。
- 複合材料がバルク材料である、請求項35に記載の金属複合材料。
- スピノーダル構造が約50ミクロン以下の液相λを有する、請求項37に記載の金属複合材料。
- スピノーダル構造が約50ミクロン以下の固相λを有する、請求項37に記載の金属複合材料。
- スピノーダル構造が、実質的に等しい液相λおよび固相λを有する、請求項38に記載の金属複合材料。
- 金属および半金属をさらに含む、請求項35に記載の金属複合材料。
- 金属が、Fe、Co、Cu、Ni、Pd、Pt、Mn、Al、Ti、Zr、Cr、W、これらの組合せからなる群から選択される、請求項41に記載の金属複合材料。
- 金属が、Fe、Co、Niおよびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項42に記載の金属複合材料。
- 金属がNiである、請求項43に記載の金属複合材料。
- 金属がCoである、請求項43に記載の金属複合材料。
- 金属がFeである、請求項43に記載の金属複合材料。
- 半金属が、B、Si、Cおよびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項41に記載の金属複合材料。
- Ge、P、Sおよびこれらの組合せをさらに含む、請求項41に記載の金属複合材料。
- 半金属が、C、Siおよびこれらの組合せからなる群から選択される、請求項47に記載の金属複合材料。
- Siをさらに含む、請求項42に記載の金属複合材料。
- Cをさらに含む、請求項42に記載の金属複合材料。
- 約0.35以上のTg対Tl比をさらに含む、請求項42に記載の金属複合材料。
- 約0.49以上のTg対Tl比をさらに含む、請求項52に記載の金属複合材料。
- 請求項34に記載の金属複合材料を含む、金属物品。
- 物品が球形の形状を有する、請求項54に記載の金属物品。
- 球形の形状が約1インチ以下の直径を有する、請求項55に記載の金属物品。
- 球形の形状が約2cm以下の直径を有する、請求項56に記載の金属物品。
- 球形の形状が約1cm以下の直径を有する、請求項57に記載の金属物品。
- 球形の形状が約5mm以下の直径を有する、請求項58に記載の金属物品。
- 球形の形状が約0.1mmの直径を有する、請求項59に記載の金属物品。
- 物品がさらに共晶組織を含む、請求項54に記載の金属物品。
- 金属物品がナノ構造の複合材料である、請求項54に記載の金属物品。
- 金属複合材料を形成する方法であって、
合金を形成すること;
該合金を精製すること;
1または2以上のスピノーダルを形成すること;および
前記1または2以上のスピノーダルを加熱して、1または2以上の脆性スピノーダルの少なくとも1つを1または2以上の延性相に変換すること、
を含む、前記方法。 - 1または2以上のスピノーダルを形成することが、1または2以上の脆性スピノーダルを形成することを含む、請求項63に記載の方法。
- 1または2以上の延性相が相互連結されている、請求項63に記載の方法。
- 1または2以上の延性相が部分的に相互連結されている、請求項65に記載の方法。
- 1または2以上の延性相が実質的に完全に相互連結されている、請求項65に記載の方法。
- 1または2以上の延性相が脆性相と相互連結されている、請求項65に記載の方法。
- 1または2以上の延性相が分離したクラスターである、請求項63に記載の方法。
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