JP2020518726A - 鉄含有合金、ならびに関連する系および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国特許法第119条第(e)項の下で、米国仮出願第62/501,240号(2017年5月4日出願、発明の名称「Thermally Stable Nanocrystalline Iron Alloys」)、および米国仮出願第62/646,282号(2018年3月21日出願、発明の名称「Thermally Stable Nanocrystalline Iron Alloys and Associated Systems and Methods」)、および米国仮出願第62/649,178号(2018年3月28日出願、発明の名称「Thermally Stable Nanocrystalline Iron Alloys and Associated Systems and Methods」)に対する優先権を主張する。これらの米国仮出願の各々は、すべての目的のために、これらの全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。
鉄含有合金、ならびに関連する系および方法を、一般に記載する。
ナノ結晶材料は、結晶粒成長を起こしやすくあり得る。ある特定の例では、鉄系合金のための従前の焼結技術は、小さな結晶粒径および高い相対密度の両方を有する、バルクナノ結晶材料を含むナノ結晶材料を製造することを困難にしていた。改善された系および方法、ならびに関連する金属合金が望ましいと考えられる。
鉄含有合金、ならびに関連する系および方法を、一般に記載する。鉄含有合金は、ある特定の実施形態によれば、ナノ結晶である。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、高い相対密度を有する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金は、比較的安定であり得る。鉄含有合金を作製するための本発明の方法も本明細書に記載する。ある特定の実施形態によれば、鉄含有合金を作製するための本発明の方法は、鉄および少なくとも1つの他の元素(例えば、少なくとも1つの他の金属または半金属)を含むナノ結晶微粒子を焼結して、鉄含有ナノ結晶合金を形成することを含み得る。本発明の主題は、一部の場合では、相互に関連する製品、特定の課題に対する代替の解決策、ならびに/あるいは1つまたは複数の系および/または物品の複数の異なる使用を含む。
ナノ結晶金属は、結晶粒界の大きな体積分率に起因して、それらのマイクロ結晶の対応物に対してある特定の利点を有する。一例として、ナノ結晶合金は、一般に、顕著に高い引張強度を有する。しかしながら、バルク材料の処理においてナノスケールの結晶粒を維持することは非常に困難であるので、ナノ結晶金属は、薄膜として主に処理されている。
1.ナノ結晶の結晶粒径の熱力学的安定化;
2.焼結温度を上回って拡大する相分離領域;
3.より低い溶融温度を有する、第2の(例えば、溶質)元素;および/または
4.沈殿した第2の相へのFeの溶解度。
として計算される。
として計算される。
として計算される。
必ずしもすべてではないが、本明細書に記載されるある特定の実施形態は、既存の方法、装置および/または材料に対して、1つまたは複数の利点および/または改善を有し得る。
本実施例は、熱的安定性および高い相対密度を有するナノ結晶の鉄−マグネシウム−クロム(Fe−Mg−Cr)を製造するための、低温での加速された焼結方法の使用を記載する。
本実施例は、各種の量のMgを含有するFe合金についての合金特性に対する、アニーリング環境、アニーリング温度および合金組成の影響を記載する。
ここで、本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「a」および「an」という不定冠詞は、それとは反対のことが明確に示されない限り、「少なくとも1つ」を意味すると理解されるべきである。
Claims (93)
- ナノ結晶金属合金であって、
Fe;および
第2の元素
を含み;
Feが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。 - ナノ結晶金属合金であって、
Fe;および
第2の元素
を含み;
前記第2の元素およびFeが、ミシビリティギャップを示し、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。 - ナノ結晶金属合金であって、
Fe;および
第2の元素
を含み;
前記第2の元素が、Feの融点よりも低い融点を有し、
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%の相対密度を有する、
ナノ結晶金属合金。 - ナノ結晶金属合金であって、
Fe;および
第2の元素
を含み;
Feが、前記ナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、100℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、
ナノ結晶金属合金。 - ナノ結晶金属合金であって、
Fe;および
第2の元素
を含み;
Feが、バルクナノ結晶金属合金において、原子百分率で、最も豊富な元素であり、
前記ナノ結晶金属合金が、300nm未満の平均結晶粒径を有する、
ナノ結晶金属合金。 - 金属合金であって、
Fe;および
Mg
を含み;
前記金属合金が、80%より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、
金属合金。 - 前記第2の元素が、第2の金属である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記第2の元素が、半金属である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金が、ナノ結晶金属合金である、請求項6に記載の金属合金。
- 前記金属合金が、焼結された金属合金である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記第2の元素が、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)からなる群から選択される、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記第2の元素が、マグネシウム(Mg)である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記第2の元素が、前記ナノ結晶金属合金の40at%未満の量で前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金中に存在する、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)の合計量が、前記金属合金の40at%未満である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金中に存在する、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)の合計量が、前記金属合金の40at%未満であり;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%が、Feである、
先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。 - 前記第2の元素が、前記ナノ結晶金属合金の0.5at%〜30at%の量で前記ナノ結晶金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金中に存在する、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)の合計量が、前記金属合金の0.5at%〜40at%である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金中に存在する、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)の合計量が、前記金属合金の0.5at%〜40at%であり;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%が、Feである、
先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。 - Feが、少なくとも55at%の量で前記ナノ結晶合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、二相金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、前記第2の元素と異なる第3の元素をさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記第3の元素が、金属元素である、請求項21に記載の金属合金。
- 前記第3の元素が、半金属元素である、請求項21に記載の金属合金。
- 前記第3の元素が、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)からなる群から選択される、請求項21に記載の金属合金。
- 前記第3の元素が、金(Au)およびクロム(Cr)からなる群から選択される、請求項21に記載の金属合金。
- 前記第2の元素およびFeが、ミシビリティギャップを示す、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、300nm未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、150nm未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、125nm未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、100nm未満の平均結晶粒径を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも85%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも90%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも95%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも97%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも99%の相対密度を有する、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、バルクナノ結晶金属合金である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、100℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、300℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、500℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、700℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、900℃より高いかまたはそれに等しい温度で実質的に安定である、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記ナノ結晶金属合金が、第1の結晶粒径を有し、前記第2の元素の非存在下でFeを含む焼結された材料が、第2の結晶粒径を有し、前記第1の結晶粒径が、前記第2の結晶粒径よりも小さい、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記金属合金が、Fe、MgおよびCrを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記Feは、前記金属合金中に少なくとも50at%の量で存在し;
前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記Crは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在する、請求項44に記載の金属合金。 - 前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記Crは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%は前記Feである、請求項44に記載の金属合金。 - 前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜1.5at%の量で存在し;
前記Crは、前記金属合金中に25at%〜30at%の量で存在し;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%は前記Feである、請求項44に記載の金属合金。 - 前記金属合金が、Fe、MgおよびAuを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の金属合金。
- 前記Feは、前記金属合金中に少なくとも50at%の量で存在し;
前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記Auは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在する、請求項48に記載の金属合金。 - 前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記Auは、前記金属合金中に0.5at%〜30at%の量で存在し;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%は前記Feである、請求項48に記載の金属合金。 - 前記Mgは、前記金属合金中に0.5at%〜1.5at%の量で存在し;
前記Auは、前記金属合金中に25at%〜30at%の量で存在し;
前記金属合金の残部の少なくとも90at%は前記Feである、請求項48に記載の金属合金。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み、Feが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素である、
方法。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み;
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、500℃より高いかまたはそれに等しく、かつ1100℃未満またはそれに等しい第1の焼結温度に、6時間よりも長いかまたはそれに等しく、かつ24時間未満またはそれに等しい焼結の期間、加熱することを含む、
方法。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み;
前記複数のナノ結晶微粒子を焼結することは、前記ナノ結晶微粒子が24時間よりも長い時間、1100℃より高いかまたはそれに等しい温度にならないように、前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、
方法。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み;
Feが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり;
前記焼結することが、前記第2の元素の非存在下でFeを焼結するために必要な第2の焼結温度よりも低い第1の焼結温度に前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、
方法。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み;
前記第2の元素およびFeが、ミシビリティギャップを示す、
方法。 - ナノ結晶金属合金を形成する方法であって、
複数のナノ結晶微粒子を焼結して、前記ナノ結晶金属合金を形成することを含み;
前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、Feおよび第2の元素を含み;
Feが、前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部において、原子百分率で、最も豊富な元素であり;
前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%の相対密度を有する、
方法。 - 金属合金を形成する方法であって、
FeおよびMgを含む粉末を焼結して、前記金属合金を製造することを含み、
前記金属合金が、80%より高いかまたはそれに等しい相対密度を有する、
方法。 - 前記第2の元素が、第2の金属である、請求項52〜58のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の元素が、半金属元素である、請求項52〜58のいずれか一項に記載の方法。
- 前記Feおよび前記第2の元素が、非平衡相に存在する、請求項52〜60のいずれか一項に記載の方法。
- 前記非平衡相が、前記焼結することの間に分解を受ける、請求項52〜61のいずれか一項に記載の方法。
- 前記非平衡相が、前記焼結することの間に分解を受け、前記非平衡相の前記分解が、前記ナノ結晶微粒子の焼結の速度を加速させる、請求項52〜62のいずれか一項に記載の方法。
- 前記非平衡相が、Feに溶解した前記第2の元素を含む過飽和相を含む、請求項52〜63のいずれか一項に記載の方法。
- 第2の元素が、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)からなる群から選択される、請求項52〜64のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の元素が、Mgである、請求項52〜65のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数のナノ結晶微粒子を、前記焼結することの前の少なくとも一部の時間の間に冷間プレスすることをさらに含む、請求項52〜66のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷間プレスすることが、300MPaより大きいかまたはそれに等しい力での前記複数のナノ結晶微粒子の冷間圧縮を含む、請求項52〜67のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷間プレスすることが、300MPaより大きいかまたはそれに等しく、かつ1400MPa未満またはそれに等しい力での前記複数のナノ結晶微粒子の冷間圧縮を含む、請求項52〜68のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結することが、前記第2の元素の非存在下でFeを焼結するために必要な第2の焼結温度よりも低い第1の焼結温度に前記ナノ結晶微粒子を加熱することを含む、請求項52〜69のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結することが、前記ナノ結晶微粒子を、600℃より高いかまたはそれに等しく、かつ1100℃未満またはそれに等しい温度に、6時間よりも長いかまたはそれに等しく、かつ24時間未満またはそれに等しい期間、加熱することを含む、請求項52〜70のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の焼結温度が、600℃よりも低いかまたはそれに等しい、請求項52〜71のいずれか一項に記載の方法。
- 前記非平衡相が、固溶体を含む、請求項52〜72のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を、Feおよび前記第2の元素を含む粉末を機械的に加工することによって形成することをさらに含む、請求項52〜73のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部を、Feおよび前記第2の元素を含む粉末をボールミリングすることによって形成することをさらに含む、請求項52〜74のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、50nmより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項52〜75のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、5nmより大きいかまたはそれに等しく、かつ25nmより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項52〜76のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶微粒子の少なくとも一部が、10nmより大きいかまたはそれに等しく、かつ20nmより小さいかまたはそれに等しい結晶粒径を有する、請求項52〜77のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の元素が、前記ナノ結晶微粒子の30at%未満またはそれに等しい量で前記ナノ結晶微粒子中に存在する、請求項52〜78のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶金属合金が、第3の元素の材料をさらに含む、請求項52〜79のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第3の元素が、金属元素である、請求項80に記載の方法。
- 前記第3の元素が、半金属元素である、請求項80に記載の方法。
- 前記第3の元素が、ホウ素(B)、ジルコニウム(Zr)、金(Au)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、バナジウム(V)、白金(Pt)、鉛(Pb)、銅(Cu)、コバルト(Co)およびスズ(Sn)からなる群から選択される、請求項80に記載の方法。
- 前記第3の元素が、金(Au)およびクロム(Cr)からなる群から選択される、請求項80に記載の方法。
- 前記ナノ結晶金属合金が、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも97%、または少なくとも99%の相対密度を有する、請求項52〜84のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結することが、前記焼結することの間に、前記ナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも1つにおいて第2の相を形成することをさらに含む、請求項52〜85のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結することが、前記焼結することの間に、前記ナノ結晶微粒子の表面および結晶粒界のうちの少なくとも1つにおいて第2の相を形成することをさらに含み;前記第2の相が、前記第2の元素に富む、請求項52〜86のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶金属合金が、第1の結晶粒径を有し、前記第2の元素の非存在下でFeを含む焼結された材料が、第2の結晶粒径を有し、前記第1の結晶粒径が、前記第2の結晶粒径よりも小さい、請求項52〜87のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ナノ結晶金属合金が、100℃より高いかもしくはそれに等しい温度、200℃より高いかもしくはそれに等しい温度、300℃より高いかもしくはそれに等しい温度、500℃より高いかもしくはそれに等しい温度、600℃より高いかもしくはそれに等しい温度、および/または700℃より高いかもしくはそれに等しい温度で実質的に安定である、請求項52〜88のいずれか一項に記載の方法。
- 前記焼結することが、加えられる外部応力が本質的になしで行われる、請求項52〜89のいずれか一項に記載の方法。
- 製造される前記ナノ結晶合金が、請求項1〜51のいずれか一項に記載のナノ結晶合金である、請求項52〜90のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項52〜91のいずれか一項に記載の方法によって製造される、ナノ結晶金属合金。
- 前記第3の元素が、10at%〜30at%の間の量で前記金属合金中に存在する、先行する請求項のいずれか一項に記載の合金および/または方法。
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