JPS6026825B2 - 高強度、高硬度、高結晶化温度、高脆化抵抗を有する含窒素炭素系非結晶質鉄合金 - Google Patents

高強度、高硬度、高結晶化温度、高脆化抵抗を有する含窒素炭素系非結晶質鉄合金

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JPS6026825B2
JPS6026825B2 JP53010397A JP1039778A JPS6026825B2 JP S6026825 B2 JPS6026825 B2 JP S6026825B2 JP 53010397 A JP53010397 A JP 53010397A JP 1039778 A JP1039778 A JP 1039778A JP S6026825 B2 JPS6026825 B2 JP S6026825B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高強度、高硬度高結晶化温度を有し、かつ腕
化抵抗に優れた含窒素炭素系非晶質鉄合金に関するもの
である。
通常、固体の金属・合金は結晶状態であるが、液体より
超急冷(冷却速度は合金の組成に依存するが、およそ1
ぴ〜1び。
0/秒である)すれば液体に類似した周期的原子配列を
持たない非結晶構造の固体が得られる。
このような金属を非晶賞金属あるいはアモルファス金属
と呼ぶ。一般に、この型の金属は2種以上の元素からな
る合金であ‐り、通常、遷移金属元素と非金属元素の両
者の組成せよりなり、半金属量は約15〜30原子%程
度である。本発明者等は先に高強度、耐疲労、耐全面腐
食、耐孔食、耐隙間腐食、耐応力腐食割れ、耐水素脆性
用アモルファス鉄合金(特開昭51−4017号)を発
明し特許出願した。
この合金は下記の成分組成の合金である。原子%として
、Crl〜40%と、P,CおよびBのうち何れか1種
または2種以上7〜35%を主成分として含み、かつ削
成分として、{1)MiおよびCoの何れか1種または
2種0.01〜40%、■ Mo,Zr,Ti,Si,
Aそ,Pt,MnおよびPdの何れか1種または2種以
上0.01〜20%、{3’V,Nb,Ta,W,Qお
よびBeの何れか1種または2種以上0.01〜10%
、‘41 Au,C仏 Zn,Cd,Sn,As,Sb
,BiおよびSの何れか1種または2種以上0.01〜
5%の群のうちから選ばれた何れか1群または2群以上
を合計量で0.01〜75%を含有し、残部は実質的に
Feの組成からなる高強度、耐疲労、耐全面腐食、耐孔
食、耐隙間腐食、耐応力腐食割れ、耐水素脆性用アモル
ファス鉄合金。
上記特関昭51−4017号の非晶質合金はクロムの添
加により強度および耐熱性を向上させるとともに優れた
耐食性を賦与させた新規な合金であった。
また、特筆すべきは、これらの合金が耐食性の点で新規
な特性を有し、全面腐食に対して強いばかりでなく、現
用ステンレス鋼(304綱、31筋鋼など)では避ける
ことができない孔食、隙間腐食、応力腐食割れに対して
も大きな抵抗を有するという優れた特徴があった。しか
し、これらの合金において、その成分組成が広範に亘つ
ているため、実用的ならびに新規な用途に対して耐熱性
が高く、硬度ならびに強度が高く、かつ腕化温度が高い
という諸特性を保持する範囲で製造が容易であり、かつ
安価である成分組成範囲については従来知られていなか
った。本発明は、高強度、高硬度、高結晶化温度および
高騰化温度の諸特性を有しながら、製造が容易でかつ安
価な含窒素炭素系非晶質合金を提供することを目的とす
るものである。
すなわち本発明は実質的に下記の式で示される成分組成
よりなることを特徴とする含窒素炭素系非晶質釣合金で
ある。FeaCrbMcQd (式中FeaはFeがa原子%、CrbはCrがb原子
%、McはCr、Mo,Wのうちから選ばれる何れか1
種または2種以上がc原子%、QdはCがd原子%含有
されていることを示し、aは28〜80‐99 bは○
‐01〜20、Cは4〜26、dは15〜26の範囲内
にあり、a,b,c及びdの和は実質的に100であり
、かつ、Qを構成するCの一部が4原子%以下のNで置
換されているもの。
但しMがWのみよりなるときは、bは4〜20の範囲内
である。)本発明者等は、非金属元素として炭素を主成
分としその一部を窒素で置換した鉄合金が広い組成範囲
で容易に非晶質化し、しかも強度、硬度、耐熱性の点で
優れた特性を持つことを新規に知見して、本発明を完成
したのである。
次に本発明を詳細に説明する。
これまで良く知られている非晶質合金において廉価な合
金は鉄を主体としたものであり、例えばFe8Jの、F
e8舷2。
、Fe8。P,2&、Fe75Si,5B,。、Fe7
5Si,5P,o、Fe8oP,3C7などのように鉄
と非金属元素のP,B,Si,Cとの組合せであった。
しかるに、本発明者らは非晶質化するために必要な添加
剤であるこれら半金属元素には各々一長一短があること
を見出した。その効果を纏めて第1表に示す。同表中に
は特性◎(優)、0(良)、×(可)でもつて評価して
ある。第1表 非晶質鉄合金の諸性質に対する非金属元
素の効果同表より、戊は総ての点で好ましくなく、Pは
原料費、非晶質形成館、耐食性等の性質は良いが、それ
ら以外の性質は好ましくない。
特に溶解中に有害ガスを発生し、また加熱中に材料の腕
化を促進するので問題の多い元素である。同表中Siお
よびBは耐食性を低下させる作用を有する点で好ましく
なく、またBは原料費が高いという欠点を有する。前記
諸元素に対してCは同表より明らかな如く総ての点にお
いて性質を有する元素であることが判った。かくして本
発明者等は、非晶質化のために必須な前記半金属中Cを
主成分として含む非晶質鉄合金について詳細に研究し、
さらにその一部を4原子%の窒素で置換する効果を研究
して本発明を完成したのである。
一般に、非晶質合金は液体状態から急速に冷却すること
によって得られるが、このために種々の冷却方法が考え
られている。
例えば高速回転する1つの円板の外周面上(第1図a)
または高速にお互に逆回転する2つのロールの間(第1
図b)に液体金属を連続に噴出させて、回転円板または
双ロールの表面上で1び〜1ぴ℃/秒程度の速度で急袷
凝固させる方法が公知である。また最近本発明者等が発
明した熔融金属から直接幅広範薄帯板を製造する方法な
らびにその製造装置(樽関昭球一125228号、同5
3一12522計号)を用いることができる。本発明の
非晶質鉄合金も同様に液体状態から急速に冷却すること
によって得ることができ、上記の諸方法によって線また
は板状の本発明の非晶質合金を製造することができる。
また、高圧ガス(窒素、アルゴンガスなど)により液体
金属を吹き飛ばし、対向する冷却用鋼板上で微粉状に急
冷凝固させる例えばアトマィザーなどにより数一m〜数
loAm程度の非晶質合金粉末を製造するそとができ、
この合金は半金属としてCを含み、かつCの一部を4原
子%以下のNで置換したもので、したがって従来の非晶
質鉄合金に較べて安価であるばかりでなく、非晶質化が
容易であるため本発明の含窒素炭素系非晶質鉄合金より
なる粉末、線、あるいは板を工業的規模で製造すること
ができる点において極めて有利である。なお本発明合金
にあっては通常の工業材料中に存在する程度の不純物、
例えばP,Si,偽,S,Sb,Zn,Cu,Aそなど
が小量含まれても本発明の目的を達成すことができる。
本発明の非晶質鉄合金は成分組成上から下記の諸グルー
プに大別することができる。
(a)Fe−Cr−C−N (b)Fe−Cr−Mo一C一N (c)Fe−Cr−Mo−C一N (d)Fe−Cr−W−C−N (e)Fe−Cr−Mo−W−C−N (f)Fe一Cr−Mo−−W−C−N 次に本発明において、成分組成を限定すぬ理由を説明す
る。
Feが28原子%より少ないか、あるいは80.99原
子%より多いと非晶質合金を容易に得ることが困難であ
るのでFeは28〜80.99原子%の範囲内にする必
要がある。
Qは15原子%より少ないか、あるいは26原子%より
多いと非晶質合金を容易に得ることが困難であるのでQ
は15〜26原子%の範囲内にする必要がある。
CrbMcのbo.01〜20、cは4〜26の範囲外
では非晶質合金を容易に得ることが困難であるので、C
rbMcのb,cはそれぞれ0.01〜2リ4〜26の
範囲内にする必要がある。
またMがWのみによりなるときは、bは4より少ないと
性質が劣化し、一方20より多いと非晶質化すことが困
難であるので、bは4〜20の範囲内にする必要がある
。またQの一部をNで置換する場合Nが4原子%より多
いと急冷凝固時にNが合金組織中に気泡として析出し、
合金の形状が悪化し、機械的強度が低下するのでNは4
原子%以下にする必要がある。次に本発明の含窒素非晶
質鉄合金の成分組成と結晶化温度TX(00)、硬さH
V(DPN)および破壊強度。
f(k9/嫌)とを第2表に示す。なお供議の非晶質化
合金は第1図aに示す片ロール法により厚さ0.05肋
、幅2脚のりボン状としたものである。但し結晶化温度
Txは5℃ノ分で加熱した示差熱量曲線における最初の
発熱ピーク開始温度であり、Hvは5雌荷重の微4・ビ
ッカース硬度計の測定値である。表中一は未測定である
。第2表 窒素を含む本発明合金の性質 一般に非晶質合金は加熱することにより結晶化し、非晶
質合金の特徴である延性および鞠性を矢なうと共にその
他の優れた特性も劣化するので、Txが高い合金である
ことは実用上有利である。
本発明の非晶質合金のTxは第2表に見る如く大部分大
凡447〜69がoの範囲内であり、Cr,Mo,Wの
含有量の増加と共にTxが上昇する傾向にあることが判
り、したがって本発明合金は高いTxを有し、熱に対し
て安定な合金であることがわかる。また硬さ(HV)お
よび破壊強度(〇f)はそれぞれ790〜138皿PN
および295〜440k9/めであり、Cr,Mo,W
の含有量の増加と共に何れも上昇する。これらの値は従
来知られている最高値(Fe7誼25系合金の場合HV
=110皿PN,of=330kg/地)と同等または
それ以上であり、優れた硬さと強さを有することが判る
。また一般に非結晶質合金は結晶化温度より低温城でも
脆化してしまう欠点のあることが知られている。
本発明者等の研究によれば、前記非晶質鉄合金の縦化現
像はその合金中に含有される半金属元素の含有量と種類
に大きく依存することを知見した。種々の半金属元素を
含む非晶質鉄合金と本発明のCを含む非晶質鉄合金との
縦化温度を比較した結果を第3表に示す。第3表 本発
明合金の加熱にょる脆化 同様に示す縦化温度は各温度で30分間加熱した際に1
80o曲げが可能な温度を示し、この温度が高い程腕化
傾向が4・さし、ことを意味する。
同表に見るように本発明合金の大部分は、Fe8oP2
。合金よりもより高に腕化温度を持つ、腕化し難く、従
釆腕化し難い合金として知られているFe斑B2o合金
にほぼ匹敵する腕化温度を有する。このような性質は本
発明の合金を刃物や鋸などの工具材、タイヤコードやワ
イヤーロープなどの硬線材、ビニールやゴムなどの合金
樹脂との複合材、アルミニウムなどの低融点金属との複
合材などに用いる場合に不可避な熱処理や製造中の昇温
によっても腕化しないので有利である。以上述べたよう
に、本発明者等は非晶質合金の非晶質化能ならびに合金
特性の点でN(窒素)はCとほぼ同じ作用効果を有し、
本発明の合金組成中Cの1部をNで置換することのでき
ることを知見した。
すなわち本発明合金のQを構成するCの一部を4原子%
以下のNで置換するものとする。しかしNはガス元素で
あるための溶融状態の合金の平衝吸収量以上添加すると
、急袷凝固時に合金組織中に気泡として析出し、合金の
形状を悪化させ、機械的強度を低下させるので、Nは4
原子%より多く添加することは不利である。本発明の合
金は上述したように、驚異的硬さと強度を持つ高強度材
料であり、従釆知られている高強度鋼の代表的なピアノ
線の硬度700〜80皿PN、破壊強度250〜300
k9ノ桝よりも、さらに優れている。
また、一般に高強度鋼を線や板にすることは困難で、複
雑な製造工程(溶解→鋳造→均熱→鍛造、圧延→熱処理
)を必要とするが、本発明の合金は溶解後直接に最終製
品の線や板を製造することが可能であるという大きな利
点がある。したがって、本発明の非晶質合金は刃物や鋸
歯などの工具材、タイヤコードやワイヤーロープなどの
硬線材、有機無機材との複合材料(ビニール、プラスチ
ック、ゴム、アルミニウム、コンクリートなどの強化材
料)、混紡材(安全作業衣、保護テント、極超短波保護
衣、マイクロウェーフ吸収板、シールドシーツ、導電テ
ープ、手術衣、制電靴下、カーペット、ベルトなど)、
公害防止用フィルター、スクリーンなどの多くの用途が
ある。次に本発明の非晶質合金の用途例における物性試
験を行なった例を示す。例1 従来刃物、例えばカミソリ、ペーパーカッター等には炭
素鋼、硬質ステンレス鋼、低合金鋼製刃物材が広く使用
されており、刃物材に適する特性としては硬質が高く、
耐食性があり、弾性が高く、耐摩耗性の良いことを要求
されている。
本発明合金は前記特性を十分に具え極めて優秀であるこ
とが判った。第4表に硬さと、ェメリーベーパー(#4
00)上で193g荷重を加えてIQ分間摩耗させた時
の重量減少すなわち摩耗量を市販品と比較して示す。表
中摩耗量は同一試料につき2回測定した結果を示す。第
4表 市販安全力ミソリ刃と本発明合金刃の摩耗試験結
果例2本発明合金の補強材としての性質並びに使用した
結果を現用補強材であるピアノ鋼線、ガラスファイバー
、ナイロン線と比較して第5表に示す。
第5表 本発明合金と各種補強材の性質の比較同表より
補強材として要求される拡張力はピアノ線より50〜1
00k9/柵も高く、高温抗張力、曲げ疲労限も優れて
いる。さらにもう1つの重要な性質として要求される接
着性はゴム、プラスチックの補強材として使用した場合
良好であった。従来補強材としてゴム構造物には鋼線、
合成繊維、ガラス繊維が用いられているがト現在鋼線で
得られている疲労強度をさらに上昇させることは困難で
あり、また合成繊維およびガラス繊維も鋼線以上の疲労
強度を具備させることは不可能に近いことは周知の如く
である。また合成樹脂を補強するには従釆主としてガラ
ス繊維を加工したマット状補強材が使用されており、こ
の補強材は耐食性は良好であるが、脆いため曲げ強度は
十分でない。コンクリート構造物には鋼線あるいは鋼素
を補強材として用いたPCコンクリート、鋼線を短く切
断したものをランダムに混合したコンクリートなどがあ
るが、何れも耐食性の点で欠点がある。
ところが、本発明合金を補強材とすれば、上記ゴム、合
成樹脂、コンクリート等の補強材として極めて有利に使
用することができる。以下その数例について説明する。
(A) Fe筋Cr既C,sN2およびFe62Cr,
2M08C,4N4非晶質合金を第1図aの装置を用い
て幅0.06凧、厚さ0.04肌の線とし、これを網状
にあんでタイヤ用ゴム素材中に埋込んで試験片とした。
なお、網目の間隔は1脚で、試片は3×20×10仇舷
板であった。ゴムを加硫する際に試片を約150〜18
0℃に1時間程度昇温した。この試片を用いて引張り型
疲労試験機により長時間疲労試験(振幅伸び1物)を行
なった。その結果、16サイクルでも破断せず、しかも
ゴムと線との剥離が認められなかった。この結果は、本
発明合金は破壊強度(約330k9/後)、結晶化温度
(約56yo)、疲労強度(約82kg/柵)の点で優
れていることによる。また、ゴム用合金は硫黄による腐
食に耐えねばならない。そこで、上記合金線を過度に加
硫したゴム中に埋込み、約1年間3ぴ○で放置後、合金
線の表面と強度を調べたがほとんど変化が無かった。(
B) Fe62Cr財Mo8C,4N4の3種の非晶質
合金を第1図aの装置を用いて約0.05風◇の線を作
製し、これを一定の長さに切断して一定量だけレジンコ
ンクリート中に混合した。
試験片形状は15×15×52仇角柱であり、謎片支持
距離は45弧、荷重負荷点は各支点より15伽の2個所
であった。下表は曲げ試験の結果を示す。第6表 本発
明合金ファイバー(Fe62Cr12M08CI」N」
合金)で補強したコンクリート材の曲げ試験結果表に見
るように、ファイバー補強材は無強イり材の約3〜4倍
の最大荷重と約2倍のたわみを持つことが判る。
すなわち、ファイバー補強コンクリートの強度およびた
わみは一般の鉄筋補強コンクリートより1.5〜2.0
倍の強度を持つと予想される。以上本発明合金は、硬さ
および強さが大きく、疲労限も優れ、耐食性に優れ、非
磁性とすることもでき、その上従来の非結晶質合金に比
し、安価でかつ製造が容易である等の数々の特徴を有し
、多方面での使用が期待される。
【図面の簡単な説明】
第1図a,bはそれぞれ溶融合金を急冷することによる
非晶質合金の製造装置の原理図である。 1・・・・・・溶融金属、2・・・・・・急冷凝固した
非晶質合金の線あるいは板、3・・・・・・冷却用円板
、4・・・・・・ロ−−′レ。 第1図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 下記の式で示される成分組成よりなる高強度、高硬
    度、高結晶化温度、高脆化抵抗を有する含窒素炭素系非
    晶質鉄合金。 Fe_aCr_bM_cQ_d (式中Fe_aはFeがa原子%、Cr_bはCrが
    b原子%、M_cはCr,Mo,Wのうちから選ばれる
    何れか1種または2種以上がc原子%、Q_dはCがd
    原子%含有されていることを示し、aは28〜80.9
    9、bは0.01〜20、cは4〜26、dは15〜2
    6の範囲内にあり、a,b,c及びdの和は実質的に1
    00であり、かつ、Qを構成するCの一部が4原子%以
    下のNで置換されてなるもの。 但しMがWのみよりなるときは、bは4〜20の範囲内
    である。)
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JPS54103730A (en) 1979-08-15

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