KR20070015956A - Method for forming a hardened surface on a substrate - Google Patents

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다니엘 제이. 브래나건
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배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
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Abstract

본원 발명은 금속 코팅 형성 방법을 포함한다. 금속 유리 코팅은 금속 기질 위에 형성된다. 코팅의 형성 후, 금속 유리 중 적어도 일부는 나노결정질 입자 크기를 가지는 결정질 물질로 전환될 수 있다. 이러한 공정의 단계들이 도 1에 도식적으로 도시되어 있다. 또한 본원 발명에는 금속 유리를 포함하는 금속 코팅이 포함된다. 이외에도, 본원 발명에는 결정질 금속 물질을 포함하는 금속 코팅이 포함되는데, 상기 결정질 금속 물질의 적어도 일부는 나노결정질 입자 크기를 가진다.The present invention includes a method of forming a metal coating. The metallic glass coating is formed on the metallic substrate. After formation of the coating, at least some of the metallic glass can be converted to a crystalline material having nanocrystalline particle size. The steps of this process are shown schematically in FIG. 1. Also included in the present invention are metal coatings comprising metal glass. In addition, the present invention includes a metal coating comprising a crystalline metal material, wherein at least a portion of the crystalline metal material has a nanocrystalline particle size.

Description

기질 상에 경화된 표면을 형성하는 방법 {METHOD FOR FORMING A HARDENED SURFACE ON A SUBSTRATE}How to form a cured surface on a substrate {METHOD FOR FORMING A HARDENED SURFACE ON A SUBSTRATE}

기술 분야 Technical field

본원 발명은 금속 코팅 및 금속 코팅 형성 방법에 관계한다. The present invention relates to metal coatings and methods of forming metal coatings.

발명의 배경Background of the Invention

스틸은 예외적인 강도 특성을 가질 수 있으므로, 강도를 요하거나 강도가 유익한 구조물에 통상적으로 이용되는 금속 합금이다. 스틸은 예를 들면, 건축 구조물, 공구, 엔진 부품의 골격 지지체, 및 현대 무기의 보호성 차폐물에 이용될 수 있다. Steel is a metal alloy commonly used in structures that require or benefit from strength because it can have exceptional strength properties. Steel can be used, for example, in building structures, tools, skeletal supports of engine parts, and protective shields of modern weapons.

스틸의 조성은 합금의 응용에 따라 달라진다. 이하의 본 출원 및 청구범위를 해석하기 위하여, "스틸"은 (철을 제외한) 어떠한 그밖의 다른 단일 원소도 30 중량% 넘게 존재하지 않으며, 철 함량은 55 중량% 이상에 이르고, 탄소는 최대 2 중량%로 제한되는 철-기초 합금으로 정의된다. 철 이외에도, 스틸 합금은, 예를 들면, 망간, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 및/또는 바나듐을 편입시킬 수 있다. 스틸 합금은 또한 탄소, 실리콘, 인 및/또는 황을 편입시킬 수 있다. 그러나, 인, 탄소, 황 및 실리콘이 몇 퍼센트 이상의 양으로 존재한다면, 이들은 전체적인 스틸 품질에 유해할 수 있다. 따라서, 스틸은 전형적으로 소량의 인, 탄소, 황 및 실리콘을 함유한다. 스틸은 스틸의 내부 구조를 정의하는 3-차원의 격자를 형성하는 주기적인 적층 배열을 하는, 규칙적인 원자 배열을 포함한다. 전통적인 스틸 합금의 내부 구조(때때로 "마이크로구조"로도 불림)는 거의 금속성이며 다결정질(많은 결정질 입자로 구성되는)이다. The composition of the steel depends on the application of the alloy. In order to interpret the present application and claims below, "steel" does not contain more than 30% by weight of any other single element (except iron), the iron content is at least 55% by weight, and the carbon is at most 2 It is defined as an iron-based alloy that is limited to weight percent. In addition to iron, the steel alloy may incorporate manganese, nickel, chromium, molybdenum, and / or vanadium, for example. Steel alloys may also incorporate carbon, silicon, phosphorus and / or sulfur. However, if phosphorus, carbon, sulfur and silicon are present in amounts of several percent or more, they can be detrimental to overall steel quality. Thus, steel typically contains small amounts of phosphorus, carbon, sulfur and silicon. Steel includes a regular atomic arrangement, with periodic lamination arrangements forming a three-dimensional lattice defining the steel's internal structure. The internal structure (sometimes also called "microstructure") of traditional steel alloys is almost metallic and polycrystalline (which consists of many crystalline particles).

스틸은 전형적으로 용융 합금을 냉각시킴으로써 형성된다. 냉각 속도는 합금이 냉각하여 우세하게 결정질 입자를 포함하는 내부 구조, 또는, 드문 경우, 우세하게 비정질인 구조(소위 금속 유리)를 형성하는지 여부를 결정할 것이다. 일반적으로, 냉각이 천천히(즉, 약 104 K/s 미만의 속도로) 진행하는 경우, 입자 크기가 커지게 되며, 냉각이 급속하게(즉, 약 104 K/s 이상의 속도로) 진행할 때, 마이크로결정질의 내부 입자 구조물이 형성되거나, 특수하게 드문 경우에 비정질의 금속 유리가 형성됨이 관찰된다. 특수한 용융 합금의 조성은 일반적으로 합금이 급속하게 냉각될 때 합금이 굳어져서 마이크로결정질 입자 구조를 형성할지 비정질 유리를 형성할지를 결정한다. 또한, 특수한 합금 조성은(철에 기초하지않은) 비교적 낮은 냉각 속도에서(10 K/s 정도의 냉각 속도) 미시적인 입자 형성, 또는, 금속 유리 형성을 초래할 수 있음이 최근에 발견되었음이 주목된다. Steel is typically formed by cooling the molten alloy. The cooling rate will determine whether the alloy cools to form an internal structure that predominantly contains crystalline particles, or, in rare cases, a predominantly amorphous structure (so-called metal glass). In general, if cooling proceeds slowly (ie at a rate of less than about 10 4 K / s), the particle size will increase and when cooling proceeds rapidly (ie at a rate of about 10 4 K / s or more) It is observed that microcrystalline internal particle structures are formed, or in particular rare cases amorphous metal glass. The composition of a special molten alloy generally determines whether the alloy hardens as it forms to form microcrystalline grain structures or amorphous glass as the alloy cools rapidly. It is also noted that it has recently been discovered that special alloy compositions (not based on iron) can lead to microscopic particle formation, or metal glass formation, at relatively low cooling rates (such as 10 K / s). .

마이크로결정질 입자 내부 구조 및 금속 유리 내부 구조 모두는 특히 스틸을 위한 적용에 바람직한 성질들을 가질 수 있다. 몇몇 적용에서, 금속 유리의 비정질 특성은 바람직한 성질들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 유리들은 예외적으로 높은 강도 및 경도를 가질 수 있다. 그밖의 다른 적용에서, 마이크로결정질 입자 구조의 특정 성질들이 선호된다. 종종, 입자 구조의 성질들이 선호되는 경우, 이러한 성질들은 입자 크기를 감소시킴으로써 개선될 것이다. 예를 들면, 마이크로결정질 입자 (즉, 10-6 미터 정도의 크기를 가지는 입자)의 바람직한 성질들은 마이크로결정질 입자 크기를 나노결정질 입자 (즉, 10-9 미터 정도의 크기를 가지는 입자)의 입자 크기로 감소시킴에 의하여 종종 개선될 수 있다. 일반적으로 마이크로결정질 입자 크기의 입자를 형성하는 것보다 나노결정질 입자 크기의 입자를 형성하는 것이 더욱 어렵다. 따라서, 나노결정질 입자 크기의 스틸 물질을 형성하기 위한 개선된 방법을 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 금속 유리 구조를 가지도록 하는 것이 종종 필요하기 때문에, 금속 유리를 형성하는 방법을 개발하는 것이 바람직하다.Both the microcrystalline particle internal structure and the metallic glass internal structure may have properties that are particularly desirable for applications for steel. In some applications, the amorphous nature of the metallic glass can provide desirable properties. For example, some glasses may have exceptionally high strength and hardness. In other applications, certain properties of the microcrystalline particle structure are preferred. Often, if the properties of the particle structure are preferred, these properties will be improved by reducing the particle size. For example, the preferred properties of microcrystalline particles (ie, particles having a size of about 10 -6 meters) are known as microcrystalline particle sizes of nanocrystalline particles (ie, particles having a size of about 10 -9 meters). It can often be improved by reducing it. It is generally more difficult to form particles of nanocrystalline particle size than to form particles of microcrystalline particle size. Therefore, it is desirable to develop improved methods for forming steel materials of nanocrystalline particle size. In addition, since it is often necessary to have a metallic glass structure, it is desirable to develop a method of forming metallic glass.

발명의 요약 Summary of the Invention

한 양태에서, 본원 발명은 금속 코팅을 형성하는 방법을 포함한다. 금속 유리 코팅은 금속 기질 위에 형성된다. 코팅을 형성한 후, 금속 유리의 적어도 일부분은 나노결정질 입자 크기를 가지는 결정질 물질로 전환될 수 있다. In one aspect, the invention includes a method of forming a metal coating. The metallic glass coating is formed on the metallic substrate. After forming the coating, at least a portion of the metallic glass can be converted to a crystalline material having nanocrystalline particle size.

또다른 양태에서, 본원 발명은 금속 유리를 포함하는 금속 코팅을 포함한다. In another aspect, the present invention includes a metal coating comprising a metal glass.

또한 또다른 양태에서, 본원 발명은 결정질 금속 물질을 포함하는 금속 코팅을 포함하는데, 결정질 금속 물질의 적어도 일부는 나노결정질 입자 크기를 가진다.In yet another aspect, the present invention includes a metal coating comprising a crystalline metal material, wherein at least a portion of the crystalline metal material has nanocrystalline particle size.

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

본원 발명의 바람직한 구체예는 다음의 도면을 참고하여 이하에 설명되어 있다. Preferred embodiments of the present invention are described below with reference to the following drawings.

도 1은 본원 발명에 포함되는 방법의 블록-다이아그램 플로우차트 도면이다.1 is a block-diagram flowchart diagram of a method included in the present invention.

도 2는 본원 발명의 방법에 따라 처리된 배럴(barrel)의 도식적 투시도이다.2 is a schematic perspective view of a barrel processed according to the method of the present invention.

도 3은 본원 발명에 포함되는 예비 처리 단계에서의 금속 물질 기질의 단편적인, 도식적 횡단면도이다. 3 is a fragmentary, schematic cross-sectional view of a metal material substrate in a pretreatment step included in the present invention.

도 4는 도 3의 단계에 후속하는 처리 단계에서 도시된 도 3 단편의 도면이다. 4 is a view of the fragment of FIG. 3 shown in a processing step subsequent to the step of FIG.

도 5는 도 4의 단계에 후속하는 처리 단계에서 도시된 도 3 단편의 도면이다. 5 is a view of the fragment of FIG. 3 shown in a processing step subsequent to that of FIG.

도 6은 도 5의 단계에 후속하는 처리 단계에서 도시된 도 3 단편의 도면이다. 6 is a view of the fragment of FIG. 3 shown in a processing step subsequent to the step of FIG.

도 7은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4를 포함하는 조성물로부터 형성된, 본원 발명의 방법에 따라 형성된 금속 유리 리본의 광학적 마이크로그래프이다. 7 is an optical micrograph of a metal glass ribbon formed according to the method of the present invention, formed from a composition comprising Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 .

도 8은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4를 포함하는 조성물로부터 형성된, 본원 발명에 따라 형성된 기체 분무 분말(gas atomized powder) 입자의 횡단면의 주사 전자 현미경의 마이크로그래프이다. 8 is a micrograph of a scanning electron microscope of a cross section of gas atomized powder particles formed according to the present invention, formed from a composition comprising Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 .

도 9는 본원 발명에 따라 제조된 리본의 온도차 분석 스캔의 결과를 나타내는 그래프이다. 리본은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4을 포함하는 조성물로부터 제조되었다. 발열 유리이 결정화로의 전이는 55O℃에서 일어나며, 흡열성 고체의 액체로의 용융 전이는 1,150 ℃에서 일어난다. 9 is a graph showing the results of a temperature difference analysis scan of a ribbon made in accordance with the present invention. The ribbon was made from a composition comprising Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 . The transition of the exothermic glass to crystallization occurs at 55O < 0 > C and the melting transition of the endothermic solid into a liquid occurs at 1,150 < 0 > C.

도 10은 본원 발명의 방법에 따라 제조된 스틸 합금의 TEM 마이크로그래프인데, 이 합금은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4의 조성을 포함하며, 65O℃에서 1시간 동안 열처리 되어 있었다. 나노크기의 나노복합물 마이크로구조는 육안으로 보이는데, 1 내지 75 나노미터의 상 크기를 가진다.10 is a TEM micrograph of a steel alloy prepared according to the method of the present invention, which contains a composition of Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 , and was heat-treated at 65 ° C. for 1 hour. . Nanosized nanocomposite microstructures are visible to the naked eye and have a phase size of 1 to 75 nanometers.

도 11은 상이한 금속 합금에 대한 비커스 경도를 나타낸다. 구체적으로는, 도 11은 DARl (Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4)과 DAR20 (Fe64Ti3Cr5Mo2B16C5Si1Al2La2)를 비교한다. 경도는 열처리 온도의 함수로서 비교된다.11 shows Vickers hardness for different metal alloys. Specifically, FIG. 11 compares DARl (Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 ) and DAR20 (Fe 64 Ti 3 Cr 5 Mo 2 B 16 C 5 Si 1 Al 2 La 2 ). Hardness is compared as a function of heat treatment temperature.

도 12는 다이아몬드 피라미드형 인덴터를 사용하는 비커스 경도 테스트의 예를 보여준다. 구체적으로, 도면의 위쪽 부분은 기체 분무 분말 입자들에 관한 테스트를 보여주며, 아래쪽 부분은 용융 방사 리본에 대하여 이용된 테스트를 보여준다. 테스트 조성물은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4 이었다. 12 shows an example of a Vickers hardness test using a diamond pyramid indenter. Specifically, the upper part of the figure shows the test on the gas spray powder particles, and the lower part shows the test used on the melt spinning ribbon. The test composition was Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 It was.

도 13은 스테인레스 스틸 기질 위에 플라즈마 용사(spray)된 스틸 조성물의 광학 마이크로그래프이다. 플라즈마-용사된 스틸 조성물은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4를 포함한다. 도 9(a)의 위쪽 부분은 용사된 물질의 횡단면도이며, 아래쪽 부분(b)은 코 팅된 물질의 상부 표면을 보여준다. FIG. 13 is an optical micrograph of a steel composition plasma sprayed onto a stainless steel substrate. FIG. The plasma-sprayed steel composition includes Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 . The upper part of Fig. 9 (a) is a cross sectional view of the sprayed material, and the lower part (b) shows the top surface of the coated material.

도 14는 자유 표면을 가지는 플라즈마-용사된 증착물의 x-선 회절 스캔을 나타낸다. 플라즈마-용사된 조성물은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4이었다. 14 shows an x-ray diffraction scan of a plasma-sprayed deposit having a free surface. The plasma-sprayed composition was Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 .

도 15는 도 14의 플라즈마-용사된 조성물의 x-선 회절 스캔을 보여주며, 기질 표면에서의 구조를 나타낸다.FIG. 15 shows an x-ray diffraction scan of the plasma-sprayed composition of FIG. 14 and shows the structure at the substrate surface.

도 16은 용사 코팅의 핀 온 디스크 테스트에 대한 마찰 계수 대 회전수(number of turns)를 보여주는 그래프를 나타낸다. 테스트된 코팅은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4이었다. 초기 마찰이 낮은 동안, Si3N4 증착 및 축적은 마찰력 증가를 야기하였음을 주목하라. (Si3N4의 그 자체에 대한 미끄럼 마찰계수는 0.8이다). FIG. 16 shows a graph showing the coefficient of friction versus number of turns for a pin on disk test of a thermal spray coating. The coating tested was Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 . Note that while initial friction is low, Si 3 N 4 deposition and accumulation resulted in increased frictional forces. (The sliding friction coefficient for Si 3 N 4 itself is 0.8).

도 17은 2,000 주기의 핀 온 디스크 테스트 후 최초-용사된 스틸 기질 위에서의 "마모-홈(wear-groove)"의 프로파일 곡선이다. 보는 바와 같이, 스틸 기질 위에서 홈이 발달하는 대신에, Si3N4가 마모하여 기질 위에 물질을 증착시킨다. 테스트된 조성물은 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4이었다. FIG. 17 is a profile curve of "wear-groove" on first-sprayed steel substrate after 2,000 cycles of pin on disk testing. As can be seen, instead of grooves developing over the steel substrate, Si 3 N 4 wears and deposits material onto the substrate. The composition tested was Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 .

도 18은 (Fe0 .8CR0 .2)81B17W2의 최초-방사된 리본의 광학 마이크로그래프이다. 합금은 높은 연성을 보이며, 파열하지 않고 격하게 구부려질 수 있다.Figure 18 (Fe 0 .8 CR 0 .2) 81 B 17 W 2 of the first-a optical micrograph of the emitted ribbon. The alloy shows high ductility and can be bent vigorously without rupturing.

도 19는 (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4 (상단 그래프)와 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4 (하단 그래프)의 시차 열분석으로부터 얻은 데이타를 나타낸다. 그래프 곡선은 유리의 결정 질로의 전이 및 테스트된 합금에 대한 용융 온도를 보여준다.Figure 19 (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4 data obtained from differential thermal analysis (upper graph) and Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 ( bottom graph) Indicates. The graph curve shows the transition of the glass to crystalline and the melting temperature for the tested alloy.

도 20은 다양한 합금에 대하여 시차 열분석에 의하여 측정된 피크 결정화 온도를 보여준다. 구체적으로, 도 20은 합금 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4을 1로, (FeO .85Cr0 . l5)83B17을 2로, (Fe0 .8Cr0 .2)83B17을 3으로, (Fe0 .75Cr0 .25)83B17을 4로, (Fe0 .8Mo0 .2)83B17을 5로, (Fe0 .6Co0 .2Cr0 .2)83B17을 6으로, (Fe0 .8Cr0 .15Mo0 .05)83B17을 7로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17C4을 8로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4을 9로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Al4을 10으로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Al4C4을 11로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4을 12로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4을 13으로, (Fe0.8Cr0.2)71B17Si4C4Al4을 14로, (Fe0 .7Co0 .1Cr0 .2)83B17을 15로, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17Al7을 16으로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2을 17로, (Fe0 .8Cr0 .2)81B17W2을 18로, (Fe0 .8Cr0 .2)80B20을 19로 보여준다. 20 shows peak crystallization temperatures measured by differential thermal analysis for various alloys. Specifically, Figure 20 is an alloy of Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 to 1, (Fe O .85 Cr 0 . L5) for 17 to 83 B 2, (Fe 0 .8 Cr 0 . 2) 83 to B 17 to 3, (Fe 0 .75 Cr 0 .25) to 83 B 17 to 4, (Fe 0 .8 Mo 0 .2) with the 83 B 17 5, (Fe 0 .6 Co 0 .2 Cr 0 .2) 83 to B 17 to 6, (Fe .8 Cr 0 to 0 .15 Mo 0 .05) 83 B 17 as 7, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 C 4 in the 8, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 Si 4 to the 9, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 Al 4 in a 10, (Fe 0 .8 Cr 0 . 2) 75 B 17 Al 4 C for 4 to 11, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 C 4 in the 12, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4 to 13, (Fe 0.8 Cr 0.2) 71 B 17 Si 4 C 4 to Al 4 to 14, (Fe Co 0 .7 0 .1 Cr .2 0) to 83 B 17 to 15, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 B 17 Al 7 a to 16, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) the 79 B 17 W 2 C 2 to 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 81 B 17 W 2 in the 18, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) shows the 80 B 20 to 19.

도 21은 본원 발명에 포함되는 다양한 합금에 대하여 시차 주사로 측정한 결정화 엔탈피를 나타낸다. 구체적으로, 도 21은 합금 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4을 1로, (Fe0.85Cr0.15)83B17을 2로, (Fe0 .8Cr0 .2)83B17을 3로, (Fe0 .75Cr0 .25)83B17을 4로, (Fe0.8Mo0.2)83B17을 5로, (Fe0 .6Co0 .2Cr0 .2)83B17을 6로, (Fe0 .8Cr0 . l5Mo0 .05)83B17을 7로, (Fe0 . 8Cr0.2)79B17C4을 8로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4을 9로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Al4을 10로, (Fe0.8Cr0.2)75B17Al4C4을 11로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4를 12로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4을 13 으로, (Fe0 .8CrO .2)71B17Si4C4Al4를 14로, (Fe0 .7Co0 .1Cr0 .2)83B17을 15로, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17 Al7을 16로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2을 17로, (Fe0 .8Cr0 .2)81B17W2을 18로, (Fe0 .8Cr0 .2)80B20을 19로 보여준다. 21 shows the crystallization enthalpy measured by differential scanning for various alloys included in the present invention. Specifically, Figure 21 is an alloy Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al of 4 to 1, 2 to the (Fe 0.85 Cr 0.15) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 83 B 17 to 3, the (Fe 0 .75 Cr 0 .25) 83 B 17 to 4, (Fe 0.8 Mo 0.2) 83 to B 17 to 5, (Fe 0 .6 Co 0 .2 Cr 0 .2) 83 the B 17 to 6, (Fe 0 .8 Cr 0 . l5 Mo 0 .05) to a 83 B 17 7, the (Fe 0. 8 Cr 0.2) 79 B 17 C 4 to 8, (Fe 0 .8 Cr 0. 2) 79 to B 17 Si 4 to 9, (Fe .8 Cr 0 0 2) 79 B 17 Al 4 to 10, (as Fe 0.8 Cr 0.2) 75 B 17 Al 4 C 4 to 11, ( Fe .8 Cr 0 to 0 .2) 75 B 17 Si 4 C 4 to 12, (Fe .8 Cr 0 to 0 .2) 75 B 17 Si 4 the Al 4 13, (Fe 0 .8 Cr O .2 ) 71 B 17 Si 4 C 4 to Al 4 to 14, (Fe Co 0 .7 0 .1 Cr .2 0) in a 83 B 17 15, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 B 17 Al 7 in the 16, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 with the W 2 C 2 17, as (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 81 B 17 W 2 to 18, (Fe 0 .8 Cr 0. 2) shows the 80 B 20 to 19.

도 22는 본원 발명에 포함되는 다양한 합금에 대하여 유리의 결정화 변형으로의 변형 속도 그래프를 나타낸다. 구체적으로, 도 22는 합금 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4를 1로서, (Fe0 .85Cr0 .15)83B17를 2로서, (Fe0 .8CrO .2)83B17를 3으로서, (Fe0 .75Cr0 .25)83B17를 4로서, (Fe0 .8Mo0 .2)83B17를 5로서, (Fe0 .6Co0 .2Cr0 .2)83B17를 6으로서, (Fe0 .8Cr0 . 15Mo0.05)83B17를 7로서, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17C4를 8로서, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4를 9로서, (Fe0.8Cr0.2)79B17Al4를 10으로서, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Al4C4를 11로서, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4를 12로서, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4를 13으로서, (Fe0 .8Cr0 .2)71B17Si4C4Al4를 14로서, (Fe0.7Co0.1CrO.2)83B17를 15로서, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17Al7를 16으로서, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2을 17로서, (Fe0 .8Cr0 .2)81B17W2을 18로서, (Fe0 .8Cr0 .2)80B20을 19로서 보여준다. FIG. 22 shows a graph of strain rate into crystallization strain of glass for various alloys included in the present invention. FIG. Specifically, Figure 22 is an alloy Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 a 1, (Fe 0 .85 Cr 0 .15) 83 B 17 as a 2, (Fe 0 .8 Cr O . 2) 83 to B 17 as 3, (Fe 0 .75 Cr 0 .25) as the 83 B 17 4, (Fe 0 .8 Mo 0 .2) as a 83 B 17 5, (Fe 0 .6 Co 0 .2 Cr 0 .2) 83 to B 17 6 a, (Fe 0 .8 Cr 0. 15 Mo 0.05) 83 B 17 a as 7, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) the 79 B 17 C 4 8 a, (Fe 0 .8 Cr 0 .2 ) 79 B 17 Si 4 a as 9, (Fe 0.8 Cr 0.2) 79 B 17 Al 4 a as 10, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Al 4, a C 4 as 11, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 C 4 for a 12, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) a 75 B 17 Si 4 Al 4 to 13, ( Fe 0 .8 Cr 0 .2) 71 B 17 Si 4 C 4 to Al 4 as 14, (Fe 0.7 Co 0.1 Cr O.2) 83 B 17 a as 15, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 7 as the B 17 Al 16, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 W 2 C 2 as the 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 81 B 17 W 2 as the 18, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) shows a B 80 20 19 a.

도 23은 본원 발명에 포함되는 다양한 합금에 대한 시차 열분해에 의하여 측정된 피크 용융 온도를 나타낸다. 구체적으로, 도 23은 합금 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4을 1로, (Fe0 .85Cr0 .15)83B17을 2로, (Fe0 .8Cr0 .2)83B17을 3로, (Fe0 .75Cr0 .25)83B17을 4로, (Fe0.8Mo0.2)83B17을 5로, (Fe0 .6Co0 .2Cr0 .2)83B17을 6로, (Fe0 .8Cr0 .15Mo0 .05)83B17을 7로, (Fe0.8Cr0.2)79B17C4을 8로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4을 9로, (Fe0 .8CrO .2)79B17Al4을 10로, (Fe0.8Cr0.2)75B17Al4C4을 11로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4을 12로, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4을 13로, (Fe0 .8Cr0 .2)71B17Si4C4Al4을 14로, (Fe0 .7Co0 .1Cr0 .2)83B17을 15로, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17Al7을 16로, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2을 17로, (Fe0 .8Cr0 .2)81B17W2을 18로, (Fe0 .8Cr0 .2)80B20을 19로 보여준다.FIG. 23 shows peak melting temperatures measured by differential pyrolysis for various alloys included in the present invention. FIG. Specifically, Figure 23 is an alloy Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 to 1, the (Fe 0 .85 Cr 0 .15) 83 B 17 to 2, (Fe 0 .8 Cr 0 . 2) 83 to B 17 to 3, (Fe 0 .75 Cr 0 .25) to 83 B 17 to 4, (Fe 0.8 Mo 0.2) 83 to B 17 to 5, (Fe 0 .6 Co 0 .2 Cr 0 2) 83 to B 17 to 6, (Fe .8 Cr 0 to 0 .15 Mo 0 .05) 83 B 17 as 7, (Fe 0.8 Cr 0.2) 79 B 17 C for 4 to 8, (Fe 0. the 8 Cr 0 .2) 79 B 17 Si 4 to 9, (Fe 0 .8 Cr .2 O) a 79 B 17 Al 4 to 10, the (Fe 0.8 Cr 0.2) 75 B 17 Al 4 C 4 to 11 , (Fe 0 .8 Cr 0 .2 ) 75 B 17 Si 4 C 4 in the 12, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4 in a 13, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 71 B 17 Si 4 C 4 to Al 4 to 14, (Fe Co 0 .7 0 .1 Cr .2 0) to 83 B 17 to 15, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 B 17 the Al 7 to 16, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 with the W 2 C 2 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 81 B 17 W 2 in the 18, (Fe 0. 8 Cr 0 .2) it shows the 80 B 20 to 19.

발명의 상세한 설명 Detailed description of the invention

본원 발명은 나노결정질 크기의 복합물 마이크로구조를 가지는 스틸 물질을 형성하기 위한 방법, 상기 스틸 물질을 이용하는 방법, 및 스틸 물질 조성물 또한 포함한다. 본원 발명에 포함되는 방법은 도 1의 블록 다이아그램을 참고하여 일반적으로 설명된다. 최초 단계(A)에서 용융 합금이 형성된다. 이러한 합금은 스틸 조성물을 포함한다. 대표적인 합금은 50% 이상의 Fe 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, 및 Lu로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소; 및 B, C, N, O, P 및 S로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 본원 발명의 특수한 양태에서, 합금은 다음식에 의하여 나타내어지는 조성을 가지는 초미세 결정 입자를 가지는 자성 합금이 될 것이다: Fe(100-x-y)M(x)B(y) (원자 퍼센트) 여기서 M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mo, Ta, Cr, W 및 Mn 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 나타내며, 이 때 15≥x≥4, 25≥y≥2이고, 35≥(x+y)≥7이다. 또한, 합금 구조물의 적어도 50%는 바람직 하게는 1OOOÅ 또는 그 미만의 평균 크기를 가지는 결정 입자가 차지하며, 결정 입자는 bcc 구조에 기초한다. 합금은 X (Si, Ge, P, Ga, 등) 및/또는 T (Au, Co, Ni, 등)을 더 함유할 수 있다. The invention also includes methods for forming steel materials having composite microstructures of nanocrystalline size, methods of using such steel materials, and steel material compositions. Methods encompassed by the present invention are generally described with reference to the block diagram of FIG. 1. In the first step (A) a molten alloy is formed. Such alloys include steel compositions. Representative alloys include at least 50% Fe and Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Al, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, At least one element selected from the group consisting of Tm, Yb, and Lu; And at least one element selected from the group consisting of B, C, N, O, P and S. In a particular aspect of the invention, the alloy will be a magnetic alloy having ultrafine crystal grains having a composition represented by the following formula: Fe (100-xy) M (x) B (y) (atomic percent) where M is At least one element selected from Ti, Zr, Hf, V, Nb, Mo, Ta, Cr, W and Mn, wherein 15≥x≥4, 25≥y≥2, and 35≥ (x + y) ≥ 7. In addition, at least 50% of the alloy structure is preferably occupied by crystal grains having an average size of 100 kPa or less, the crystal grains being based on the bcc structure. The alloy may further contain X (Si, Ge, P, Ga, etc.) and / or T (Au, Co, Ni, etc.).

본원 발명의 합금은 바람직하게는 11개 보다 적은 원소를 포함하며, 더욱 바람직하게는 7개 미만의 원소들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 합금은 5개 미만의 원소들을 포함할 수 있다. 조성물 안에 더욱 적은 원소들을 가지는 것의 이점은 만약 더욱 적은 성분들이 물질을 형성하는데 사용되는 경우, 물질을 재현하기가 더욱 용이할 수 있다는 것이다. 일반적으로, 본원 발명의 합금은 조성물 중에 4 내지 6개의 원소들을 가진다. 이러한 원소들 중에서 철; 내부식성을 위하여 포함될 수 있는 크롬; 특정 유리 전이 온도를 생성하기 위하여 포함될 수 있는 붕소 및/또는 인; 그리고 경도를 위하여 포함될 수 있는 몰리브덴 및 텅스텐 중 하나 또는 모두이다. 본원 발명의 방법에 사용될 수 있는 예시적인 합금은 다음과 같다: (Fe0.85Cr0.15)83B17, (Fe0 .8Cr0 .2)83B17, (Fe0 .75Cr0 .25)83B17, (Fe0 .8Mo0 .2)83B17, (Fe0.6Co0.2Cr0.2)83B17, (Fe0 .8Cr0 .15Mo0 .05)83B17, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17C4, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4, (Fe0.8Cr0.2)79B17Al4, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Al4C4, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4, (Fe0.8Cr0.2)71B17Si4C4Al4, (Fe0 .7Co0 .1Cr0 .2)83B17, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17Al7, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2, (Fe0.8Cr0.2)81B17W2, 및 (Fe0 .8Cr0 .2)80B20.The alloy of the present invention preferably contains less than 11 elements, more preferably less than 7 elements. In addition, the alloy may include less than five elements. The advantage of having fewer elements in the composition is that if fewer components are used to form the material, it may be easier to reproduce the material. In general, the alloy of the present invention has 4 to 6 elements in the composition. Among these elements iron; Chromium which can be included for corrosion resistance; Boron and / or phosphorus, which may be included to produce a specific glass transition temperature; And one or both of molybdenum and tungsten, which may be included for hardness. Exemplary alloys that can be used in the method of the present invention are as follows: (Fe 0.85 Cr 0.15) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 83 B 17, (Fe 0 .75 Cr 0 .25) 83 B 17, (Fe 0 .8 Mo 0 .2) 83 B 17, (Fe 0.6 Co 0.2 Cr 0.2) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .15 Mo 0 .05) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 C 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 Si 4, (Fe 0.8 Cr 0.2) 79 B 17 Al 4, (Fe 0 .8 Cr 0. 2) 75 B 17 Al 4 C 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 C 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4, (Fe 0.8 Cr 0.2) 71 B 17 Si 4 C 4 Al 4, (Fe 0 .7 Co 0 .1 Cr 0 .2) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 B 17 Al 7, (Fe 0. 8 Cr 0 .2) 79 B 17 W 2 C 2, (Fe 0.8 Cr 0.2) 81 B 17 W 2, and (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 80 B 20.

단계(A)의 합금은 예를 들면, 아르곤 대기하에서 조성물을 용융시킴에 의하 여 형성될 수 있다. The alloy of step (A) can be formed, for example, by melting the composition under an argon atmosphere.

도 1의 단계 (B)에서, 합금은 냉각되어 금속 유리를 형성한다. 이러한 냉각은 전형적으로 약 104 K/s 이상의 속도를 포함하며, 속도는 용융 합금의 특정 조성물에 따라 달라진다. 냉각은 예를 들면, 용융-방사, 기체 분무, 원심 분무, 물 분무 및 융체 담금질을 포함하는 수많은 상이한 처리에 의하여 이루어질 수 있다. ㅂ분말은, 예를 들면, 힙핑, 열간 압축, 열간 압출, 분말 압연, 분말 단조 및 동다짐에 의하여 단단해 질 수 있다. 예시 방법에서, 단계(B)의 냉각은 원심 분무에 의하여 이루어진다. 바람직하게는, 용융 스트림은 원심분리 컵에 남고, 급속한 냉각(105 K/s 이상)을 촉진시키기 위하여 고압 헬륨 기체가 부딪쳐진다. 헬륨 기체는 수집되고, 정제되고 재사용될 수 있다. 회전하는 원심분리 컵의 속도는 바람직하게는 약 40,000 RPM이며, 이러한 속도는 약 25 마이크로미터 평균 크기를 가지는 미세한 분말을 제조하도록 조절될 수 있다. In step (B) of FIG. 1, the alloy is cooled to form a metallic glass. Such cooling typically includes a rate of at least about 10 4 K / s, which rate depends on the particular composition of the molten alloy. Cooling can be accomplished by a number of different treatments including, for example, melt-spinning, gas spraying, centrifugal spraying, water spraying, and melt quenching. The fine powder can be hardened by, for example, hipping, hot compression, hot extrusion, powder rolling, powder forging and compaction. In an exemplary method, the cooling of step (B) is by centrifugal spraying. Preferably, the melt stream remains in the centrifugal cup and is hit by high pressure helium gas to promote rapid cooling (10 5 K / s or more). Helium gas can be collected, purified and reused. The speed of the rotating centrifugal cup is preferably about 40,000 RPM, which can be adjusted to produce a fine powder having an average size of about 25 micrometers.

도 1의 단계(C)를 보면, 단계(B)의 금속 유리는 탈유리화되어서, 나노결정질 입자 크기를 가지는 결정질 스틸 물질을 형성한다. 이러한 탈유리화는 약 600℃에서 합금의 용융 온도 미만까지의 온도로 가열함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 가열은 고체 상태의 상 변화를 가능하게 하는데, 이 때 금속 유리의 비정질 상은 하나 이상의 결정질 고체 상으로 전환된다. 단계(B)로부터 비정질 전구체의 고체 상태 탈유리화는 균일한 핵형성이 금속 유리 전체에 걸쳐 일어나게 하여 유리 내부에 나노결정질 입자를 형성할 수 있게 한다. 탈유리화를 통하여 형성된 금속 매트 릭스 마이크로구조는 밀접하게 결합한 세라믹 침전물의 혼합물(전이 금속 카바이드, 붕소화물, 규소화물 등)을 가지는 스틸 매트릭스 (분해된 간극들을 가지는 철)를 포함할 수 있다. 나노결정질 크기의 금속 매트릭스 복합물 입자 구조는 더 큰 입자 크기 또는 금속 유리와 함께 존재하게 되는 성질들에 비하여 개선된 기계적 성질들의 조합을 가능하게 한다. 이러한 개선된 기계적 성질들에는, 예를 들면, 상당한 연성과 결합된 높은 강도, 및 높은 경도가 있을 수 있다. Referring to step (C) of FIG. 1, the metal glass of step (B) is devitrified to form a crystalline steel material having nanocrystalline particle size. Such devitrification can be accomplished by heating to a temperature from about 600 ° C. to below the melting temperature of the alloy. This heating allows for a phase change in the solid state, where the amorphous phase of the metallic glass is converted into one or more crystalline solid phases. Solid state devitrification of the amorphous precursor from step (B) allows uniform nucleation to occur throughout the metal glass to form nanocrystalline particles inside the glass. The metal matrix microstructures formed through devitrification may comprise a steel matrix (iron with decomposed gaps) having a mixture of closely bonded ceramic precipitates (transition metal carbides, borides, silicides, etc.). The nanocrystalline-sized metal matrix composite particle structure allows for a combination of improved mechanical properties over larger particle sizes or properties that will be present with metallic glass. Such improved mechanical properties can be, for example, high strength combined with significant ductility, and high hardness.

금속 유리를 탈유리화시키는데 사용되는 특정 온도는 유리에 사용되는 특정 합금 및 특정 적용 시간에 따라 달라질 수 있다. 단계(C)로부터 탈유리화된 금속 물질의 사후 처리에는 물질의 표면만을 금속 유리로 변형시키기 위하여 사용되는 표면 처리가 있을 수 있다. 대표적인 표면 처리 기술은 고저 압력 플라즈마 용사, 고속 화염 용사, 및 용사 성형이 있다. 플라즈마 용사는 플라즈마 용사 시스템을 사용하여 이루어질 수 있다. 사후 처리는 예를 들면, 내부식성 및 스틸 물질의 마찰 계수를 낮추는 등의 면에서 개선을 제공할 수 있다. 따라서, 적어도 결정질 스틸 물질의 표면을 처리하여, 이러한 표면을 금속 유리로 전환시키는 것은 유리할 수 있다. 금속 유리 코팅은 또한 금속 유리 코팅이 비교적 더 싸고, 표면과 기저 금속 사이에 보다 우수한 야금학적 결합을 제공할 수 있다는 점에서, 예를 들면, 크롬, 니켈 및 주석 플레이팅과 같은 현존하는 코팅 위에 이점을 제공할 수 있음을 주목하라. The specific temperature used to de-vitrify the metallic glass may depend on the particular alloy used for the glass and the specific application time. Post-treatment of the metallized material which has been liberated from step (C) may include a surface treatment used to transform only the surface of the material into metallic glass. Representative surface treatment techniques include high and low pressure plasma spraying, high speed flame spraying, and thermal spraying. Plasma spraying can be accomplished using a plasma spray system. Post-treatment can provide improvements in terms of, for example, corrosion resistance and lowering the coefficient of friction of steel materials. Thus, it may be advantageous to treat at least the surface of the crystalline steel material to convert such surface to metallic glass. Metal glass coatings are also advantageous over existing coatings such as chromium, nickel and tin plating in that metal glass coatings are relatively cheaper and can provide better metallurgical bonds between the surface and the base metal. Note that it can provide.

도 2를 보면, 본원 발명의 특수한 구체적 적용이 나타나있다. 구체적으로, 도 2는 용융 금속 물질(52)로 용사된 금속 배럴(50)을 도시한다. 용융 금속 물질 (52)은 용사 장치(54)로부터 용사되며, 예를 들면, 상기 설명한 대표적인 본원 발명의 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 용융 금속은 아르곤 대기하에서 합금 조성물을 용융시키고, 후속하여 원심적으로 합금 조성물을 용사함으로써 형성될 수 있다. 용융 스트림이 원심분리 컵에 남을 때, 용융 스트림은 고압 헬륨 기체에 의하여 부딪쳐져서, 고형화된 금속 합금 물질의 미세 분말을 형성하는데, 이러한 미세 분말은 약 25 마이크로미터 평균 크기를 가진다. 미세 분말은 플라즈마 (고압 또는 저압) 시스템으로 공급될 수 있는데, 여기서 미세 분말은 금속 드럼(50)의 내부와 외부 상에 용사되는 액체 용사로 전환된다. 특정 적용에서, 드럼(50)은 예를 들면, 55 갤론의 스틸 드럼과 같은 스틸 드럼을 포함한다. 상기 분말은 플라즈마에 노출될 때 완전히 용융될 수도 그렇지 않을 수도 있으며, 연속 코팅으로서 배럴(50)의 표면 내부 및 표면 상에 증착될 것임을 주목하라. 어떠한 경우에서든, 드럼(50) 내부에 그리고 상부에 용사된 금속 물질(52)은 급속히 냉각하여, 금속 유리를 형성한다. 드럼(50)은 후속적으로 600℃ 이상의 온도에서 열처리되어 금속 유리를 탈유리화되게 할 수 있다. 2, a particular specific application of the present invention is shown. Specifically, FIG. 2 shows a metal barrel 50 sprayed with molten metal material 52. The molten metal material 52 is sprayed from the spray device 54 and may comprise, for example, one or more of the representative alloys of the present invention described above. Molten metal can be formed by melting the alloy composition under an argon atmosphere and subsequently spraying the alloy composition centrifugally. When the melt stream remains in the centrifugal cup, the melt stream is struck by high pressure helium gas to form a fine powder of solidified metal alloy material, which has a mean size of about 25 micrometers. The fine powder can be supplied to a plasma (high or low pressure) system, where the fine powder is converted to a liquid spray that is sprayed on the inside and outside of the metal drum 50. In certain applications, the drum 50 includes a steel drum, such as, for example, a 55 gallon steel drum. Note that the powder may or may not melt completely when exposed to the plasma, and will be deposited on and on the surface of the barrel 50 as a continuous coating. In any case, the thermally sprayed metallic material 52 inside and on the drum 50 cools rapidly to form metallic glass. The drum 50 may subsequently be heat treated at a temperature of at least 600 ° C. to cause the glass to be devitrified.

물질(52)로부터 배럴(50) 상부 및 내부에 형성된 금속 구조물은 스테인레스 스틸보다 큰 내부식성을 가질 수 있다. 드럼(50)은 예를 들면, 폐 핵 연료와 같이 강한 부식성의 물질이거나 위험한 물질을 위해 사용된다. 만약 물질(52)의 표면이 금속 유리로 코팅된다면, 금속 유리와 연관된 항-부식성 성질 및 낮은 마찰 계수 성질이 수득될 수 있다. Metal structures formed on and within barrel 50 from material 52 may have greater corrosion resistance than stainless steel. The drum 50 is used for strong corrosive materials or hazardous materials such as, for example, waste nuclear fuel. If the surface of the material 52 is coated with metallic glass, anti-corrosive properties and low coefficient of friction properties associated with the metallic glass can be obtained.

도 3-6은 본원 발명의 또다른 구체적 적용을 설명한다. 도 3을 보면, 금속 기질(100)이 제공된다. 이러한 기질은 예를 들면, 본원 발명의 상기-설명한 예시적인 합금을 하나 이상 포함할 수 있다. 3-6 illustrate another specific application of the present invention. 3, a metal substrate 100 is provided. Such substrates may include, for example, one or more of the above-described exemplary alloys of the present invention.

도 4를 보면, 금속 용융물(102)는 용사기(104)를 사용하여 기질(100) 위에 용사된다. 용융물(102)은 예를 들면, (Fe0 .85Cr0 .15)83B17, (Fe0 .8Cr0 .2)83B17, (Fe0.75Cr0.25)83B17, (Fe0 .8Mo0 .2)83B17, (Fe0 .6Co0 .2Cr0 .2)83B17, (Fe0 .8Cr0 .15Mo0 . O5)83B17, (Fe0.8Cr0.2)79B17C4, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17Si4, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17A14, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Al4C4, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4C4, (Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4, (Fe0.8Cr0.2)71B17Si4C4Al4, (Fe0 .7CoO .1Cr0 .2)83B17, (Fe0 .8Cr0 .2)76B17Al7, (Fe0 .8Cr0 .2)79B17W2C2, (Fe0.8Cr0.2)81B17W2, 및 (FeO.8CrO.2)80B2O 중의 하나 이상을 포함하는 용융 합금을 포함할 수 있다. 용융된 형태로 되는 대신에, 물질(102)은 금속층(100)과 결합하기에 충분한 온도까지 가열된 분말 물질을 대안적으로 포함할 수 있다. 4, the metal melt 102 is sprayed onto the substrate 100 using a sprayer 104. Melt 102 is, for example, (Fe 0 .85 Cr 0 .15 ) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 83 B 17, (Fe 0.75 Cr 0.25) 83 B 17, (Fe 0 .8 Mo 0 .2) 83 B 17 , (Fe 0 .6 Co 0 .2 Cr 0 .2) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .15 Mo 0. O5) 83 B 17, (Fe 0.8 Cr 0.2) 79 B 17 C 4 , (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 Si 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 A1 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2 ) 75 B 17 Al 4 C 4 , (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 C 4, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4, (Fe 0.8 Cr 0.2 ) 71 B 17 Si 4 C 4 Al 4, (Fe 0 .7 Co O .1 Cr 0 .2) 83 B 17, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 76 B 17 Al 7, (Fe 0 .8 Cr 0 .2) 79 B 17 W 2 C 2, (Fe 0.8 Cr 0.2) 81 B 17 W 2, and (comprise a molten alloy comprising at least one of Fe Cr O.8 O.2) 80 B 2O Can be. Instead of being in molten form, material 102 may alternatively comprise a powder material heated to a temperature sufficient to bond with metal layer 100.

물질(102)은 기질(100)위에 증착하여, 층(106)을 형성한다. 또한 물질(102)은 물질(100)의 노출된 표면을 가열하여, 물질(100)의 열처리된 부분(108)을 형성한다. 만약 물질(100)이 금속 유리를 포함한다면, 열처리된 부분(108)은 탈유리화된 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 만약 층(106)이 600℃보다 큰 온도까지 층(100)의 표면을 가열하는 온도에서 형성된다면, 이러한 가열은 상기 온도에 노출된 물질(100)의 일부분을 탈유리화 되게 할 수 있다. 특정 적용에서, 600℃ 보다 큰 온도는 기질을 통해 전부 투과하여, 물질(100)의 전체 두께를 열처리할 수 있 다. 용사 노즐(104)은 물질(102)의 온도와 조성에 내성을 띤다. Material 102 is deposited over substrate 100 to form layer 106. Material 102 also heats the exposed surface of material 100 to form a heat treated portion 108 of material 100. If the material 100 comprises a metallic glass, the heat treated portion 108 may comprise a deglassed material. Specifically, if layer 106 is formed at a temperature that heats the surface of layer 100 to a temperature greater than 600 ° C., this heating may cause a portion of the material 100 exposed to that temperature to be devitrified. . In certain applications, temperatures greater than 600 ° C. may be entirely transmitted through the substrate to heat treat the entire thickness of material 100. The thermal spray nozzle 104 is resistant to the temperature and composition of the material 102.

도 5를 보면, 층(106)이 기질(100)의 전체 표면에 걸쳐 형성된 이후의 기질(100)이 도시된다. 열처리된 부분(108)은 또한 기질(100)의 전체 표면에 걸쳐 연장한다. 특정 구체예에서, 층(106)은 금속 유리로서 형성될 수 있다. 5, the substrate 100 is shown after the layer 106 is formed over the entire surface of the substrate 100. The heat treated portion 108 also extends over the entire surface of the substrate 100. In certain embodiments, layer 106 may be formed as a metallic glass.

도 6을 보면, 복수의 열처리된 층(120)과 노출된 외부 표면층(124)을 형성하기 위하여 도 4에 도시된 유형의 후속처리가 사용될 수 있다. 하부의 열처리된 층(120) 중 하나는 이전의 층(106)임을 유의하라. 층(106) 위에 또다른 금속 유리층의 후속적 형성은 층(106) 전체를 열처리하였다. 층(106)이 금속 유리를 포함하는 특정 구체예에서, 이러한 열처리는 층(106)을 탈유리화 할 수 있다. 따라서, 열처리된 층(120)은 탈유리화된 금속층을 포함할 수 있다. 본원 발명의 대안적 방법에서, 층(106) 및 (120) 각각은 금속 유리로서 증착될 수 있으며, 남아있는 층(120)을 증착하는 동안 금속 유리 형태로 유지될 수 있다. 이 때, 만약 필요하다면, 층(106) 및 (120)으로 정의된 코팅을 적어도 부분적으로 탈유리화 되게 하기 위하여 증착된 층들 중 일부 또는 모두를 열처리 할 수 있다. Referring to FIG. 6, subsequent processing of the type shown in FIG. 4 may be used to form a plurality of heat treated layers 120 and exposed outer surface layers 124. Note that one of the bottom heat treated layers 120 is the previous layer 106. Subsequent formation of another metal glass layer over layer 106 heat treated the entirety of layer 106. In certain embodiments in which layer 106 comprises a metallic glass, this heat treatment can de-vitrify layer 106. Thus, the heat treated layer 120 may include a deglassed metal layer. In an alternative method of the present invention, each of layers 106 and 120 may be deposited as a metal glass, and may remain in metal glass form while depositing the remaining layer 120. At this time, if necessary, some or all of the deposited layers may be heat treated to at least partially de-vitrify the coating defined by layers 106 and 120.

최외각 층(124)은 열처리되거나 되지 않을 수 있으며, 금속 유리를 포함할 수 있다. 따라서, 본원 발명의 방법은 외부 코팅이 층(100) 위에 형성되도록 할 수 있는데, 상기 외부 코팅은 탈유리화된 금속층(120)과 금속 유리(124)의 최외각 층을 포함한다. 도 3-6을 참고하여 설명되는 방법은 군사적 용도를 포함하여, 수많은 용도로 적용될 수 있다. 구체적으로, 갑옷은 물질(100)으로 형성될 수 있다. 만약 갑옷이 구멍나거나 파열되는 경우, 갑옷을 수리하고 갑옷의 약해진 부위 위에 금속 외피를 효과적으로 만들기 위하여 도 3-6의 방법이 사용될 수 있다. 용사 장치(104)는 전쟁 상황에서 유용할 수 있도록 개조될 수 있다. The outermost layer 124 may or may not be heat treated and may comprise metallic glass. Thus, the method of the present invention may allow an outer coating to be formed over layer 100, which includes an outermost layer of deglassed metal layer 120 and metal glass 124. The method described with reference to FIGS. 3-6 can be applied to numerous uses, including military use. In detail, the armor may be formed of the material 100. If the armor is punctured or ruptured, the method of FIGS. 3-6 may be used to repair the armor and effectively make the metal shell over the weakened portion of the armor. The thermal spray device 104 may be modified to be useful in war situations.

본원 발명의 물질에 관한 상기 설명된 이용 이외에도, 물질은 표면 마감(즉, 기계적 블라스팅) 및 예를 들면, 샷 피닝(shot peening)과 같은 표면 처리를 위하여 분말로서 사용될 수 있다. In addition to the use described above with regard to the materials of the present invention, the materials can be used as powders for surface finishes (ie mechanical blasting) and surface treatments such as, for example, shot peening.

본원 발명은 탈유리화된 나노 복합물(DNC) 스틸이라 불리는 새로운 스틸군을 형성하기 위한 방법으로 간주될 수 있는데, DNC 스틸은 고체-고체 변형 (구체적으로, 유리 탈유리화)을 통하여 스틸을 처리함으로써 발현된 나노 크기의(100 나노미터 미만) 마이크로구조 입자 크기를 주로 가지는 것으로 정의된다. 금속 유리 형성을 위하여 낮은 냉각 속도(106 K/s 미만)를 가지는 합금이 개발되며, 따라서 합금이 냉경 표면(예를 들면, 용융-방사, 융체 담금질, 등과 같은) 또는 분무(기체, 물, 원심분리 등) 방법에 의하여 급속하게 굳어질 때, 합금 조성물은 금속 유리를르 형성한다. 유리는 전구체 단계로서 사용되며, 합금은 합금의 결정화 온도 이상으로 가열할 때 후속적으로 유리 탈유리화 변형을 통해 처리된다. 고 핵형성 진동수와 결합된, 유리에서 균일한 핵형성으로 인하여, 입자 성장이 진행할 시간이 거의 없으며, 나노크기의 나노복합물 마이크로구조 (즉, 입자)가 생성된다. 나노복합물 마이크로구조는 전통적인 스틸 합금에 비하여 경도와 강도가 상당히 증가된 물질을 결과할 수 있다. The present invention can be regarded as a method for forming a new group of steels called de-vitrified nanocomposite (DNC) steels, which DNC steels are expressed by treating the steel through solid-solid deformation (specifically, glass de-vitrification). Nanoscale (less than 100 nanometers) microstructured particle size. Alloys with low cooling rates (less than 10 6 K / s) have been developed for the formation of metallic glass, so that the alloy can be cooled or cooled (eg, melt-spinning, melt quenching, etc.) or sprayed (gas, water, When rapidly hardened by a method such as centrifugation, the alloy composition forms metal glass. Glass is used as the precursor stage and the alloy is subsequently processed through glass de-vitrification strain when heated above the crystallization temperature of the alloy. Due to the uniform nucleation in the glass, coupled with the high nucleation frequency, there is little time for particle growth to proceed, resulting in nanoscale nanocomposite microstructures (ie particles). Nanocomposite microstructures can result in materials with significantly increased hardness and strength compared to traditional steel alloys.

본원에 설명되어 있는 초기의 연구들은 본원 발명의 방법에 따라 형성된 DNC 스틸이 예외적인 경도 및 내마모성을 가지며, 슬라이딩, 압연 또는 회전(rotation)을 포함하는 적용을 위하여 잠재적으로 사용될 수 있음을 보여주었다. 또한, 초기 연구들은 윤활되지 않은 DNC 스틸 표면은, 내마모성, 마찰 에너지 손실, 및 움직이는 표면 사이의 열을 감소시키는데 유익한 성질이 될 수 있는 예외적으로 낮은 마찰 계수(윤활된 스틸 범위에서)를 가짐을 보여주었다. 이는 윤활되지 않는 적용에서 DNC 스틸을 사용할 수 있게 하며, 또한 윤활성이 예상외로 손실되는 가솔린 또는 디젤 엔진과 같은 몇가지 적용에서 파열 이전에 추가적인 시간을 가능하게 하는 파열-방지 메카니즘으로서 유용할 수 있다. 낮은 마찰과 결합된, DNC 스틸의 높은 내마모성은, 전통적인 스틸 합금으로부터 형성된 부품에 비하여 DNC 스틸로부터 형성된 부품의 수명 연장을 가능하게 할 수 있다. 이는 작동 에너지 및 부품 대체, 수선, 유지 및 휴지-시간과 관계되는 비용에 있어서 큰 절감을 가능하게 할 수 있다. 본원 발명의 DNC 스틸을 사용하는 대표적인 적용에는 베어링, 포신 표면, ㅂ베어링 저널, 유압식 실린더 연결 로드, 크랭크샤프트, 피스톤, 실린더 라이너, 기어, 캠샤프트, 유니버설 조인트, 밸브, 건 브리치 박스, 미사일 발사대 튜브, 및 탱크 기어 박스가 있다. Early studies described herein showed that DNC steels formed in accordance with the methods of the present invention have exceptional hardness and wear resistance and could potentially be used for applications involving sliding, rolling or rotation. In addition, initial studies have shown that unlubricated DNC steel surfaces have an exceptionally low coefficient of friction (in the lubricated steel range), which can be beneficial properties to reduce wear resistance, frictional energy loss, and heat between moving surfaces. gave. This makes it possible to use DNC steel in non-lubricated applications and may also be useful as an anti-rupture mechanism that allows additional time before bursting in some applications, such as gasoline or diesel engines, where the lubricity is unexpectedly lost. The high wear resistance of DNC steel, combined with low friction, may allow for extended life of parts formed from DNC steel as compared to parts formed from traditional steel alloys. This may allow for significant savings in operating energy and costs associated with component replacement, repair, maintenance and downtime. Typical applications using the DNC steel of the present invention include bearings, barrel surfaces, shock bearing journals, hydraulic cylinder connecting rods, crankshafts, pistons, cylinder liners, gears, camshafts, universal joints, valves, gun breach boxes, missile launch tubes. , And tank gearbox.

고체 상태의 아공융 변형(γsol = αsol + Fe3C)의 조작에 의존하는 전통적인 스틸 합금과 다르게, DNC 스틸은 상이한 접근을 사용하며, 구체적으로 고체/고체 상태의 유리 탈유리화 변형을 통한 처리를 사용한다. 금속 유리 형성을 위하여 예외적으로 낮은 냉각 속도 (103 K/s 내지 105 K/s)를 가지는 DNC 스틸 합금이 개발되 었다. 이는 냉경 표면 또는 분무 방법을 통한 급속한 고형화 동안 금속 유리 구조의 생성을 가능하게 한다. Unlike traditional steel alloys, which rely on the manipulation of solid eutectic strains (γ sol = α sol + Fe 3 C), DNC steels use a different approach, specifically through the glass de-vitrification strain in solid / solid state. Use processing. DNC steel alloys with exceptionally low cooling rates (10 3 K / s to 10 5 K / s) have been developed for metal glass formation. This enables the creation of metallic glass structures during rapid solidification via cold surfaces or spray methods.

DNC 스틸 용융 방사 리본 및 기체 분무 분말의 예가 도 7과 8에 각각 도시되어있다. 금속 유리 구조는 이러한 급속 고형화 처리법 모두에 의하여 제조된다. 유리 전구체는 결정화 온도 이상에서 가열함으로써 나노크기 복합물의 마이크로구조로 탈유리화될 수 있다. Examples of DNC steel melt spinning ribbons and gas atomized powders are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. Metallic glass structures are produced by all of these rapid solidification treatments. The glass precursor may be devitrized into the microstructure of the nanoscale composite by heating above the crystallization temperature.

최초-방사된 DNC 스틸에 관한 시차 열분해 스캔이 도 9에 있다. 본원 발명에 포함되는 합금에 대한 유리 결정화 온도는 전형적으로 750K 내지 900K에서 변화하며, 변형 엔탈피는 -75 J/g 내지 -200 J/g이고, 용융 온도는 1,375K 내지 l,500K이다(도20-23의 차트에 설명된 바와 같이). 본원 발명의 합금이 결정화하는 동안에 균일한 핵형성 및 극도로 높은 핵형성 진동수가 존재하기 때문에, 이웃하는 입자간에 충돌하기 이전에 입자가 성장할 시간이 거의 없을 수 있으며, 따라서, 나노크기의 나노복합물 마이크로구조가 형성된다. 개개의 상 크기는 1 내지 75 나노미터까지 변화할 수 있는데, 이것은 전통적인 주조에 의하여 제조되는 전통적인 스틸 또는 심지어 급속히 고형화 될 때 제조되는 스틸보다 미세하다. 마이크로구조가 나노크기 수준으로 감소될 때, 물질 중 원자의 높은 퍼센트(약 30%)는 입자 경계들과 관계될 수 있으며, 2-차원 결함 경계면(입자 경계에 있는 상과 같은)의 극히 높은 밀도는 마이크로구조에 존재한다. 나노크기의 나노복합물 마이크로구조를 보여주는 탈유리화된 리본의 마이크로구조가 도 10에 나타나있다. 나노구조는 극한 강도와 경도의 발달을 가져오며, 이것은 전통적인 스틸 또는 그밖의 다른 금속 기초 합금 에서 발견되는 것보다 상당히 높다. A differential pyrolysis scan for the first-spun DNC steel is in FIG. 9. The glass crystallization temperature for the alloys included in the present invention typically varies from 750K to 900K, the modified enthalpy is from -75 J / g to -200 J / g, and the melting temperature is from 1,375K to l, 500K (Figure 20). As described in the chart of -23). Because of the uniform nucleation and extremely high nucleation frequencies present during the crystallization of the alloy of the present invention, there may be little time for the particles to grow before they collide between neighboring particles and, therefore, nanoscale nanocomposite micros The structure is formed. Individual phase sizes can vary from 1 to 75 nanometers, which is finer than traditional steel produced by traditional casting or even steel produced when rapidly solidified. When the microstructure is reduced to nanoscale levels, a high percentage of atoms in the material (about 30%) can be related to particle boundaries, and extremely high density of two-dimensional defect boundaries (such as phases at particle boundaries). Is in the microstructure. The microstructure of the devitrified ribbon showing the nanoscale nanocomposite microstructures is shown in FIG. 10. Nanostructures lead to the development of ultimate strength and hardness, which is significantly higher than those found in traditional steel or other metal based alloys.

유리 및 탈유리화된 DNC 스틸의 경도는 나노인덴터 및 비커스 마이크로경도 테스트 모두를 사용하여 측정되었으며, 두 방법 사이에 우수한 일치가 발견된다. 최초-방사되고 열처리되어 체쳐진(10-20 마이크로미터 및 75-100 마이크로미터), Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4 합금으로부터 기체 분무된 입자들에 대하여 Berkovich 인덴터를 사용하여 특수화된 나노인덴터 테스트가 입자 내부로의 깊이 함수로서 수행되었다. 탄성 계수는 300 GPa 만큼 높은 것으로 관찰되었는데, 이것은 전통적인 스틸보다 약 50% 더 높은 것이다(전통적인 스틸은 통상적으로 200 GPa 내지 220 GPa의 탄성 계수를 보인다). 이것은 결합 강도가 증가하는 유익한 결과가 될 수 있는데, 왜냐하면, 높은 탄성 부하가 적용되는 동안 공차가 거의 없게 유지되게 하며, 내마모성과 관계하여 부가적인 이점들을 가질 수 있기 때문이다. 또한 경도는 15 GPa 보다 더 큰, 극히 높은 것으로 관찰되었는데, 이것은 전통적인 금속 물질보다 더 단단하다. 단단한 물질을 형성하기 위하여 본원 발명의 방법에서 사용될 수 있는 다양한 조성물의 예가 표 1에 나타나있다. 표를 보면, 본원에 있는 조성물에 대한 언급을 간단히 하기 위하여 다양한 조성물에 참고 명칭이 제공되어 있다 (구체적으로, 이들 조성물은 합금 DARX로 언급된다). 표 2는 합금 DAR1을 가지는 다양한 물질의 경도를 대조한다. The hardness of the glass and de-vitrified DNC steels was measured using both nanoindenter and Vickers microhardness tests, and a good match is found between the two methods. Berkovich indenter is used for gas sprayed particles from first-spun and heat-treated sieved (10-20 micrometers and 75-100 micrometers), Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 alloy Specialized nanoindenter tests were performed as a function of depth into the particles. The modulus of elasticity was observed to be as high as 300 GPa, which is about 50% higher than traditional steel (traditional steel typically exhibits modulus of elasticity of 200 GPa to 220 GPa). This can be a beneficial result of increasing bond strength, because it allows for little tolerance to be maintained while high elastic loads are applied and may have additional advantages with regard to wear resistance. Hardness was also observed to be extremely high, greater than 15 GPa, which is harder than traditional metallic materials. Examples of various compositions that can be used in the methods of the present invention to form rigid materials are shown in Table 1. In the table, reference is given to various compositions to simplify the reference to the compositions herein (specifically, these compositions are referred to as alloy DARX). Table 2 contrasts the hardness of various materials with alloy DAR1.

[표 1]TABLE 1

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[표 2]TABLE 2

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DAR1에 대하여 측정된 경도로부터, DNC 스틸에 대하여 수득된 강도는 725 ksi로 추정될 수 있는데, 이것은 전통적인 스틸(150 ksi) 또는 초 고강도 (220 ksi) 스틸보다 훨씬 높다. 만약 가소성이 완전히 발현된다면, 수득되는 강도는 경도의 1/3이 될 것으로 추정될 수 있다. 이것은 DNC 스틸에 0.65 x 106M의 특정한 강도를 제공하는데, 이 강도는 이러한 물질이 경량의 적용에서 Al에 대한 대체물이 되게 한다. 크고 작은 가열된 분말 사이에 경도 차이가 거의 없음이 발견되었는데, 이것은 분말 크기에 관계없이 유사한 마이크로구조가 수득되었음을 의미한다. 본원에 설명된 경도 테스트는 본원 발명의 바람직한 물질이 아닌 물질 DAR1 (Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4)에 관한 것이었음을 유의하라. 그보다, 본원 발명의 바람직한 물질은 더욱 적은 원소들을 가지는데, 이들은 DAR2 내지 DAR 19로 표 1에 나열되어 있다. From the hardness measured for DAR1, the strength obtained for DNC steel can be estimated to be 725 ksi, which is much higher than traditional steel (150 ksi) or ultra high strength (220 ksi) steel. If plasticity is fully expressed, the strength obtained can be estimated to be one third of the hardness. This gives the DNC steel a specific strength of 0.65 x 10 6 M, which makes this material a substitute for Al in lightweight applications. Little difference in hardness was found between large and small heated powders, meaning that similar microstructures were obtained regardless of powder size. Note that the hardness test described herein relates to the material DAR1 (Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 ) which is not a preferred material of the present invention. Rather, preferred materials of the present invention have fewer elements, which are listed in Table 1 as DAR2 to DAR 19.

도 11에서 본원 발명의 바람직한 물질(구체적으로 DAR20)이 DAR1과 비교된다. 구체적으로, 최초-분무된 합금에 관한 100 그램의 부하를 사용하는 비커스 마이크로경도 측정이 75 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 분말 크기 분류에 대하여 수행되었으며, 또한 열처리 온도의 함수로서 수행되었다. 테스트된 합금들은 10.1 GPa 내지 16.0 GPa 비커스 경도의 극단적인 경도를 보였다. 용융 방사 리본 및 기체-분무 분말 입자들에 대한 다이아몬드 피라미드형 인덴테이션의 예가 도 12에 나타나있다. Rockwell C는 스틸에 대한 가장 통상적인 경도 측정이지만, 본원의 경우에서는, 본원 발명 합금의 극단적인 경도(Rockwell C 기준을 벗어남)로 인하여 사용될 수 없다. 9.2 GPa의 비커스 경도 수치는 68의 Rockwell C에 해당함을 유의하라. 다시 도 11을 보면, 본원 발명의 최초-분무된 상태의 합금에서는 후속적 열처리 이후 경도의 변화가 거의 일어나지 않음을 유의하라. 이는 중요할 수 있는데, 왜냐하면, 이것은 고형화하는 동안 바로 최적의 마이크로구조가 수득되며, 최적의 구조는 고온(적어도 85O℃ 까지, 도 11에서 보는 바와 같이)에 대하여 안정함을 의미하기 때문이다. In FIG. 11 a preferred substance of the invention (specifically DAR20) is compared with DAR1. Specifically, Vickers microhardness measurements using a 100 gram load on the first-sprayed alloy were performed for powder size classifications from 75 micrometers to 100 micrometers and also as a function of heat treatment temperature. The alloys tested showed extreme hardness from 10.1 GPa to 16.0 GPa Vickers hardness. An example of diamond pyramidal indentation for melt spinning ribbon and gas-spray powder particles is shown in FIG. 12. Rockwell C is the most common hardness measure for steel, but in this case it cannot be used due to the extreme hardness of the inventive alloys (out of Rockwell C criteria). Note that the Vickers hardness values of 9.2 GPa correspond to Rockwell C of 68. Referring again to FIG. 11, note that in the first-sprayed alloy of the present invention little change in hardness occurs after subsequent heat treatment. This may be important, because this means that the optimum microstructure is obtained immediately during solidification, which means that the optimum structure is stable against high temperatures (at least up to 85 ° C., as shown in FIG. 11).

DNC 스틸은 복수의 원소들의 조합을 함유하는데, 이것은 비교적 낮은 용융점(전형적으로 1,15O℃ 근방) 및 낮은 용융 점성도를 가져온다. 이는 열증착법에 의하여 코팅을 형성하기 위해 액체 상태, 및 이상적인 공급스톡 물질로부터 DNC 스틸을 처리하기 쉽게 만들 수 있다. 최초의 낮은 플라즈마 용사 테스트는 분무된 20 내지 50 마이크로미터의 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4 스틸 분말을 공급 스톡으로서 사용하여 수행되었다. 0.1 인치 두께의 몇가지 균일한 DNC 스틸 코팅을 4"x4" 301 스테인레스 스틸판 위에 증착시켰다 (도 13). 전형적인 열 증착 코팅은 단지 25 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 두께이지만, 극단적인 경우를 설명하기 위하여 훨씬 더 두꺼운 코팅 (최대 2,500 마이크로미터)이 용사되었다 (즉, 용사하기에 더 얇은 코팅이 용이하지만, 본원 발명의 방법의 작업가능성을 설명하기 위하여 더 두꺼운 코팅이 용사되었다). DNC steel contains a combination of a plurality of elements, which results in a relatively low melting point (typically around 1,150 ° C.) and low melt viscosity. This can make it easy to process the DNC steel from the liquid state and from the ideal feedstock material to form a coating by thermal evaporation. The first low plasma spray test was performed using a sprayed 20 to 50 micron Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 steel powder as feed stock. Several uniform DNC steel coatings of 0.1 inch thickness were deposited on 4 "x4" 301 stainless steel plates (Figure 13). Typical thermal evaporation coatings are only 25 micrometers to 100 micrometers thick, but much thicker coatings (up to 2,500 micrometers) have been sprayed (i.e. thinner coatings for spraying are easier to describe in extreme cases, Thicker coatings were sprayed to illustrate the workability of the method of the invention).

코팅의 금속분석 시험(Metallographic examinations)은 최초 코팅의 퍼센트 다공도가 적어도 3% 였음을 나타낸다.코팅의 기질 측면과 코팅의 자유 표면 측면 모두에 대하여 X-선 회절 스캔이 수행되었으며, 코팅의 횡단면 전체에 걸쳐 비정질 구조가 수득되었음을 보여준다 (구체적으로, 도 14는 코팅의 자유 표면 측면의 x-선 구조를 보여주며, 도 15는 코팅의 기질 측면의 x-선 구조를 보여준다). 시차 주사 열계량법은 코팅에서 높은 결정화 엔탈피 (-110 J/g)를 보이는 유리 구조의 형성을 증명하였다. 이러한 결과는 놀라운데, 왜냐하면, 증착된 분말의 연속층의 연속적인 축적으로부터 생성되는 코팅의 최대 두께와 기질이 냉각되지 않았다는 사실 때문이다. 그러므로, DNC 스틸 코팅은 벌크 유리라 불리는 물질군을 대표한다. 벌크 유리는 일반적으로 제조하기가 매우 어렵지만, DNC 합금에서 열처리법에 의해 용이하게 형성된다. Metallographic examinations of the coatings indicated that the percent porosity of the original coating was at least 3%. An X-ray diffraction scan was performed on both the substrate side of the coating and the free surface side of the coating, covering the entire cross section of the coating. Shows that an amorphous structure has been obtained (specifically, FIG. 14 shows the x-ray structure of the free surface side of the coating and FIG. 15 shows the x-ray structure of the substrate side of the coating). Differential scanning calorimetry demonstrated the formation of glass structures showing high crystallization enthalpy (-110 J / g) in the coating. This result is surprising because of the fact that the substrate and the maximum thickness of the coating resulting from the continuous accumulation of a continuous layer of deposited powder have not cooled. Therefore, DNC steel coatings represent a group of materials called bulk glass. Bulk glass is generally very difficult to manufacture, but is easily formed by heat treatment in DNC alloys.

최초-용사된 DNC 금속 유리 코팅은 결정화 온도 이상에서 가열함으로써 나노크기의 구조로 탈유리화 될 수 있다. 그러나, 금속 유리의 특유한 성질들로 인하여, 유리 상태 그 자체가 코팅으로서 유용할 수 있다. 금속 유리는 본질적으로 과-냉각된 액체이며, 매우 균질한 구조를 가진다. 전형적으로 결점이 거의 없으며, 입자 및 상 경계가 완전히 없을 수 있다. 최초-용사된 (비정질) 그리고 열처리된(800℃에서 1시간 동안) 나노결정질 코팅 모두에 대하여 경도 테스트가 수행되었다. 이러한 코팅들의 비커스 경도는 최초-용사된 그리고 열처리된 코팅 각각에 대하여 10.9 GPa 및 13.8 GPa인 것으로 관찰되었다. 비정질의 샘플은 결정질 샘플만큼 단단하지는 않지만, 가장 단단한 공구 스틸(약 9.3 GPa), 또는 텅스텐 탄소 (WC) 시멘트된 카바이드 절삭 공구 (약 10.0 GPa)보다 여전히 더 단단함을 유의하여야 한다. First-sprayed DNC metal glass coatings can be deglassized into nanoscale structures by heating above the crystallization temperature. However, due to the unique properties of metallic glass, the glass state itself can be useful as a coating. Metallic glass is essentially a super-cooled liquid and has a very homogeneous structure. Typically there are few defects and there may be no particle and phase boundaries completely. Hardness tests were performed on both first-sprayed (amorphous) and heat-treated (for 1 hour at 800 ° C.) nanocrystalline coatings. Vickers hardness of these coatings was observed to be 10.9 GPa and 13.8 GPa for the first-sprayed and heat treated coatings, respectively. It should be noted that the amorphous sample is not as hard as the crystalline sample, but is still harder than the hardest tool steel (about 9.3 GPa), or tungsten carbon (WC) cemented carbide cutting tool (about 10.0 GPa).

최초-용사된 그리고 열처리된(100℃에서 1시간 동안) 플라즈마 용사된 코팅에 대하여, ASTM G99 핀-온-디스크 테스트를 사용하여 마찰공학 테스트 실험을 수행하였다. "핀"은 1/2 인치 직경의 Si3N4 볼이었는데, 이것은 10.4 mm의 테스트 반경으로 전혀 윤활처리 되지 않고 97 RPM의 테스트 속도로 회전하였다. 테스트하는 동안, 마찰 계수가 측정되었다(도 16). 최초-용사된 그리고 열처리된 조건 모두에서 스틸 기질에 대한 정지 마찰 계수는 0.22 였는데, 이는 낮은 값을 나타낸다. 예를 들면, 노멀라이즈된 스틸(0.13% C, 3.42% Ni) 위를 미끄러지는 화학종에 대하여 다음의 미끄럼 마찰 계수가 수득되었다: 알루미늄(0.6), 약협 황동(0.5), 구리(0.8), 주조 철(0.4), 및 노멀라이즈된 스틸 (그 자체로 0.8). 전통적인 스틸에 대하여, 윤활되지 않은 표면에 대한 정지 마찰 계수는 일반적으로 0.8 내지 1.0에서 변화하지만, 윤활된 스틸은 훨씬 더 낮은 값들을 가진다 (전형적으로 0.1 내지 0.25). 그러므로, 윤활되지 않은 DNC 스틸은 윤활된 스틸 표면 범위 내의 정지 마찰 계수를 가진다. 따라서, 전통적인 스틸을 대신한 DNC 스틸 코팅의 사용은 몇몇 적용에서 윤활을 제거할 수 있다. 스틸 기질의 미끄럼 마찰 계수는 핀으로부터 Si3N4 증착으로 인하여 측정되로 수 없음을 유의하라. Tribological test experiments were performed using the ASTM G99 pin-on-disk test for the first-sprayed and heat-treated (1 hour at 100 ° C.) plasma sprayed coatings. The "pin" was a 1/2 inch diameter Si 3 N 4 ball, which was rotated at a test speed of 97 RPM without lubrication at all with a test radius of 10.4 mm. During the test, the coefficient of friction was measured (Figure 16). The static friction coefficient for the steel substrate was both 0.22 at both the first-sprayed and heat treated conditions, indicating a low value. For example, the following sliding coefficients of friction were obtained for species sliding over normalized steel (0.13% C, 3.42% Ni): aluminum (0.6), weak brass (0.5), copper (0.8), Cast iron (0.4), and normalized steel (0.8 by itself). For traditional steels, the coefficient of static friction for unlubricated surfaces generally varies from 0.8 to 1.0, while lubricated steels have much lower values (typically 0.1 to 0.25). Therefore, unlubricated DNC steels have a static friction coefficient within the lubricated steel surface range. Thus, the use of DNC steel coatings in place of traditional steels can eliminate lubrication in some applications. Note that the sliding friction coefficient of the steel substrate cannot be measured due to the Si 3 N 4 deposition from the fins.

스틸의 마모 표면의 프로파일은 스틸이 테스트 동안 전혀 마모되지 않았음을 보여주었다(도 17). 예상되었던 마모 홈 대신에, 증착된 Si3N4의 올라온 언덕이 스틸 표면에서 발견되었다. 실리콘 질화물 볼의 시험은 마모의 결과로서 큰 볼 마모흔을 겪었음을 보여주었다. 이는 볼 물질의 경도(15.4 GPa)로 인하여 놀라웠는데, 이 볼 물질은 지나친 경도 및 내마모성으로 인하여 이러한 유형의 테스트를 위하여 특수하게 사용되었기 때문이다. Si3N4는 이러한 ASTM 테스트를 수행하기 위하여 사용할 수 있는 현재 가장 단단한 핀 물질임을 유의하라. The profile of the wear surface of the steel showed that the steel did not wear at all during the test (FIG. 17). Instead of the expected wear grooves, raised hills of deposited Si 3 N 4 were found on the steel surface. Testing of silicon nitride balls showed that they suffered large ball wear traces as a result of wear. This was surprising because of the hardness of the ball material (15.4 GPa), because it was specially used for this type of test due to its excessive hardness and wear resistance. Note that Si 3 N 4 is the hardest fin material currently available to perform this ASTM test.

상기 설명된 데이타들을 생성하는데 사용된 Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4 스틸은 대표적인 DNC 스틸이다. 그러나, 이 스틸은 스틸 내부에 수많은 원소를 포함시켜야 하는 단점을 가지며, 이러한 단점은 물질들의 균일한 배취를 제조하기 어렵게 할 수 있다. 따라서, 개선된 DNC 합금이 개발되었다. 이러한 개선된 합금은 표 1에 DAR2 내지 DAR19으로서 나열되어 있다. 합금은 낮은 냉각 속도에서 금속 유리를 형성하도록 고안되었으며, 또한 합금에 사용되는 원소들의 수를 감소시키도록 고안되었다. The Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4 steel used to generate the data described above is a representative DNC steel. However, this steel has the disadvantage of including numerous elements inside the steel, which can make it difficult to produce a uniform batch of materials. Thus, improved DNC alloys have been developed. These improved alloys are listed in Table 1 as DAR2 to DAR19. The alloy is designed to form metallic glass at low cooling rates and is also designed to reduce the number of elements used in the alloy.

표 1에 나열된 19개 합금의 주괴는 다음의 용융-방사 변수로 15 m/s에서 용융 방사되었다: 1/3 대기 헬륨의 챔버, 150 Torr의 방출 압력, 1,400℃의 방출 온도, 최대 6 mm 휠 거리의 도가니, 및 0.81 mm 내지 0.84 mm 오리피스 직경의 도가니. The ingots of the 19 alloys listed in Table 1 were melt spun at 15 m / s with the following melt-spinning parameters: chamber of 1/3 atmospheric helium, discharge pressure of 150 Torr, emission temperature of 1,400 ° C, wheels up to 6 mm Crucibles at distance, and crucibles at 0.81 mm to 0.84 mm orifice diameter.

테스트된 합금 모두는 거의 문제 없이 용융 방사되었다. 흥미롭게도, 많은 바람직한 합금들은(즉, DAR2 내지 DAR19) 최대 10 미터 길이의 균일한 연속 리본을 형성하였다. 이는 증가된 유리 형성 능력 및 덜 바람직한 합금 DAR1에 관계하여 제조된 유리의 증가된 연성으로 인한 것일 수 있다. 리본을 파열될 때까지 앞뒤로 구부려서 리본의 품질을 검사한 결과, 합금 DAR2 내지 DAR19 모두가 DAR1 합금보다 높은 연성을 가짐을 나타내었다. 실제로, 리본 형태의 합금 DAR2 내지 DAR19 중 몇몇은 굽힘에 의하여 부러지지 않았으며, 절단하여야 했다. 높은 연성을 보이는 용융 방사 리본의 예가 도 18에 나타나 있으며, 이것은 물질 DAR18 (Fe0.8Cr0.2)81B17W2로부터 형성되었다. All of the tested alloys were melt spun with almost no problem. Interestingly, many preferred alloys (ie, DAR2 to DAR19) formed uniform continuous ribbons up to 10 meters long. This may be due to increased glass forming capacity and increased ductility of the glass produced in relation to the less desirable alloy DAR1. The quality of the ribbon was checked by bending the ribbon back and forth until it broke, indicating that alloys DAR2 to DAR19 all had higher ductility than the DAR1 alloy. Indeed, some of the alloys DAR2 to DAR19 in the form of ribbons were not broken by bending and had to be cut. An example of a molten spinning ribbon showing high ductility is shown in FIG. 18, which was formed from the material DAR18 (Fe 0.8 Cr 0.2 ) 81 B 17 W 2 .

각각의 용융 방사 리본 샘플에 대하여 시차 열분석(DTA) 및 시차 열량(DSC) 연구가 3O℃ 내지 1,375℃의 고순도 아르곤에서 10℃/분의 가열속도로 이루어졌다. DAR14 ((Fe0 .8Cr0 .2)75B17Si4Al4)와 DAR1 (Fe63Cr8Mo2B17C5Si1Al4)의 비교를 보여주는 전형적인 DTA 스캔이 도 19에 도시된다. 상기 DTA/DSC 연구로부터, 유리의 결정질로의 변형 온도, 변형 엔탈피, 변형 속도, 및 용융 온도가 측정되었다. 상기 연구의 결과가 도 20-23에 나타나 있다. 보는 바와 같이, 하나(구체적으로, DAR5((Fe0.8Mo0.2)83B17)를 제외한 모든 합금은, 감소된 냉각 속도에서 용융-방사시에 금속 유리 구조를 형성하였다. 그러므로, 합금들은, 분무될 때, 금속 유리 분말을 형성하는 것으로 예상된다. Differential thermal analysis (DTA) and differential calorimetry (DSC) studies were performed for each melt spun ribbon sample at a heating rate of 10 ° C./min at high purity argon between 30 ° C. and 1,375 ° C. DAR14 ((Fe 0 .8 Cr 0 .2) 75 B 17 Si 4 Al 4) and DAR1 (Fe 63 Cr 8 Mo 2 B 17 C 5 Si 1 Al 4) a typical DTA scan showing the comparison shown in Fig. 19 in do. From this DTA / DSC study, the strain temperature, strain enthalpy, strain rate, and melting temperature of the glass into crystalline were measured. The results of this study are shown in FIGS. 20-23. As can be seen, all alloys except one (specifically, DAR5 ((Fe 0.8 Mo 0.2 ) 83 B 17 ), formed metal glass structures upon melt-spinning at reduced cooling rates. Therefore, the alloys were sprayed When formed, it is expected to form a metallic glass powder.

최초-방사된 그리고 열처리된 (700℃에서 1시간 및 800℃에서 1시간) 조건에서 각각의 합금의 용융 방사 리본 횡단면에 대하여, 100 그램의 부하를 사용하는 비커스 경도 테스트가 수행되었다. 기록가능한 평균값을 얻기 위하여, 각각의 샘플에 대하여 (총 60개의 샘플), 5개의 리본에 대해 10번의 비커스 경도 테스트가 수행되었다. 일반적으로, 동일한 샘플이 테스트 되었을 때, 단지 작은 경도 변화만이 발견되었다. 완료된 비커스 경도 측정치의 요약이 표 4에 나타나있다.Vickers hardness test using a 100 gram load was performed on the melt spun ribbon cross section of each alloy in the first-spun and heat treated (1 hour at 700 ° C. and 1 hour at 800 ° C.) conditions. To get a recordable average value, 10 Vickers hardness tests were performed on each of the five ribbons for each sample (60 samples in total). In general, only small hardness changes were found when the same sample was tested. A summary of the completed Vickers hardness measurements is shown in Table 4.

[표 4]TABLE 4

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본원에 제공된 표와 도면에 의하여 나타내어지는 바와 같이, 11개 미만의 원소, 더욱 바람직하게는 7개 미만의 원소를 가지는 본원 발명의 물질은 유리 조성물을 형성할 수 있다. 이러한 제한된 수의 원소들을 가지는 물질을 형성하는 것은 쉬운 일이 아니며, 이들은 또한 금속 유리를 형성할 수 있다. 그러나, 이는 본원 발명에서 달성되었다. 본원 발명은 또한 개선된 연성 및 인성의 DNC 스틸 합금을 개발하였는데, 이는 경도를 유지시키거나 심지어 개선시킨다. DNC 합금은 군사적 적용을 포함한 수많은 부문에 유용할 것으로 생각되는데, 이는 이들의 강도와 내마모성 때문이다. 또한 합금은 전기화학적 공격 (즉, 부식)에 내성을 띨 수 있다. 일반적으로, 마이크로구조의 크기가 감소할 때, 특수한 물질의 전기화학적 내성은 증가하는 것으로 예상된다. 그러므로, 나노결정질 크기의 DNC 마이크로구조는 우수한 내부식성을 가질 것으로 예상된다. 또한, 금속 유리 DNC 구조는 높은 균일성(2 나노미터 길이 규모 정도의 짧은 범위) 및 2-차원 결함(입자 또는 상 경계와 같은)의 부재로 인하여 개선된 내부식성을 가질 수 있다. 구체적으로, 동일한 단일-상 구조는 해당 부위가 음이온성 공격 및 전자 이동을 위하여 초기화되기 어렵게 할 수 있는데, 왜냐하면 뚜렷한 음극 및 양극 부위가 없을 것이기 때문이다. 특정 조성의 금속 유리 또는 나노구조가 벌크 형태의 동일한 물질에 비해 전기화학적 공격에 대하여 더 높은 상대적 내성을 가질 수 있지만, 물질의 노빌리티(nobility)는 구조 및 조성 모두에 따라 달라질 것이다. 예를 들면, 높은 수준의 크롬은 전기화학적 공격에 대한 내성을 개선시킬 수 있다. As represented by the tables and figures provided herein, the materials of the present invention having less than 11 elements, more preferably less than 7 elements, may form glass compositions. It is not easy to form a material having such a limited number of elements, and they can also form metallic glass. However, this has been achieved in the present invention. The present invention has also developed an improved ductile and tough DNC steel alloy, which maintains or even improves hardness. DNC alloys are thought to be useful in a number of sectors, including military applications, because of their strength and wear resistance. The alloy can also be resistant to electrochemical attack (ie, corrosion). In general, as the size of microstructures decreases, the electrochemical resistance of particular materials is expected to increase. Therefore, nanocrystalline sized DNC microstructures are expected to have good corrosion resistance. In addition, metal glass DNC structures can have improved corrosion resistance due to the high uniformity (short ranges on the order of 2 nanometers length scale) and the absence of two-dimensional defects (such as particle or phase boundaries). Specifically, the same single-phase structure can make the site difficult to initialize for anionic attack and electron transfer because there will be no distinct cathode and anode sites. Although metal glass or nanostructures of certain compositions may have higher relative resistance to electrochemical attack than the same material in bulk form, the material's nobility will depend on both structure and composition. For example, high levels of chromium can improve resistance to electrochemical attack.

본원에 설명된 합금의 이점은, 이러한 합금들이 비교적 간단한 조성을(즉, 4 내지 6개 원소) 가질 수 있다는 점이다. 또한, 합금은 물질의 개선된 산업적 성질을 초래할 수 있는, 비교적 높은 퍼센트의 전이 금속(90% 내지 97%)을 함유할 수 있다. An advantage of the alloys described herein is that these alloys can have a relatively simple composition (ie, 4 to 6 elements). In addition, the alloy may contain a relatively high percentage of transition metals (90% to 97%), which may result in improved industrial properties of the material.

전통적인 단단한 물질에 비하여 본원 발명의 물질의 구별되는 점은 본원 발명의 물질은 탄소를 전혀 포함하지 않는다는 것이다. 전통적인 스틸에서, 경도는 전형적으로 마르텐사이트 중에 있는 탄소 함량에 직접적으로 관련된다. 대조적으로, DNC 스틸의 극단적인 경도는 마르텐사이트 변형으로부터라기 보다는 나노크기의 나노복합물 마이크로구조의 발달로부터 야기한다. 탄소-없는 조성의 이점은 극단적으로 단단한 합금은 여전히 적당한 연성을 띠도록 개발될 수 있다는 것인데, 이는 전형적으로 전통적인 스틸 합금에서는 불가능하다 (즉, 미뜨임 마르텐사이트및 전이 금속 카바이드는 전형적으로 단단하고, 또한 취성이다). The distinction of the materials of the present invention over traditional hard materials is that the materials of the present invention do not contain carbon at all. In traditional steels, hardness is typically directly related to the carbon content in martensite. In contrast, the extreme hardness of DNC steels results from the development of nanoscale nanocomposite microstructures rather than from martensite deformation. The advantage of the carbon-free composition is that extremely hard alloys can still be developed to be of moderate ductility, which is typically not possible with traditional steel alloys (ie, mitten martensite and transition metal carbides are typically hard, Is also brittle).

특히 VI족 전이 금속(Cr, Mo, 및 W)이 DNC 스틸에 첨가 될 수 있다. 전통적인 스틸 합금에 대한 데이타와 일관되게, 크롬은 또한 탁월한 내부식성을 제공하는 것으로 예상된다. 예외적으로 DNC 스틸의 경도를 증진시키기 위하여 몰리브덴과 텅스텐 또한 첨가될 수 있다. 또한 텅스텐은 경도를 증가시키는 반면 연성을 보유 또 는 증가시킬 수도 있다. In particular, Group VI transition metals (Cr, Mo, and W) may be added to the DNC steel. Consistent with data for traditional steel alloys, chromium is also expected to provide excellent corrosion resistance. Exceptionally, molybdenum and tungsten may also be added to enhance the hardness of the DNC steel. Tungsten can also increase or increase ductility while increasing hardness.

DNC 스틸의 경도 및 높은 강도 (725 ksi보다 큼)로 인하여, DNC 스틸은 분말로부터 출발하는 그리고 전통적인 분말 야금적 고화 처리를 사용하여 벌크 부분으로 가공하기에 어려울 수 있다. 그러나, DNC 스틸은 액체 상태로부터는 가공하기 쉬울 수 있다. 대안적으로, DNC 스틸의 분말이 전통적인 플라즈마 건을 통하여 공급될 수 있으며, 우수하게 접착되고 균열이 없이 금속 기질 위에 코팅으로서 용사될 수 있다. DNC 스틸의 코팅을 형성하는 그밖의 다른 방법에는 축방향 공급 플라즈마 용사, 전통적인 플라즈마 용사, 고속화염 용사, 및 폭발 용사가 있다. Due to the hardness and high strength (greater than 725 ksi) of DNC steel, DNC steel can be difficult to process into bulk parts starting from powder and using traditional powder metallurgical solidification treatment. However, DNC steel can be easy to process from the liquid state. Alternatively, the powder of DNC steel can be supplied through a traditional plasma gun and can be sprayed as a coating on a metal substrate with good adhesion and no cracking. Other methods of forming a coating of DNC steel include axial feed plasma spray, traditional plasma spray, high speed flame spray, and explosion spray.

DNC 스틸이 금속 기질 위에 용사될 때, 금속 유리 구조를 용이하게 형성할 수 있다. 만약 연속 층들이 벌크 기질 위에 연속적으로 용사된다면 (0.1 인치보다 큰 두께), 금속 유리가 형성될 수 있다. 이것은 아마도 금속 유리 코팅 또는 심지어 벌크 유리 단일체 부품을 형성하는 가장 값싸고 용이한 방법일 것이다. When DNC steel is thermally sprayed onto a metal substrate, the metal glass structure can be easily formed. If continuous layers are continuously sprayed on the bulk substrate (thickness greater than 0.1 inch), metal glass can be formed. This is probably the cheapest and easiest way to form metallic glass coatings or even bulk glass monolithic parts.

DNC 스틸은 비정질의 유리 전구체로 급속하게 고형화될 수 있으며, 그 후 급속히 고형화된 분말은 유용한 형태로 고화될 수 있다. 따라서, 본원 발명의 기술 비용은 다음의 세 가지 항목에 관계할 수 있다: 합금 비용, 분말 제조 비용, 및 고화 비용. 세 가지 항목 모두 추정될 수 있다. 급속하게 고형화된 분말을 제조하기 위하여, 비교적 낮은 생산율에도 불구하고 원심 분무가 가장 우수한 방법일 수 있다. 만약 물 분무에 의하여 DNC 스틸 분말을 제조하는 것이 편리하다면, 분말을 제조하는데 드는 가공 비용은 파운드 당 몇 페니 정도로 떨어질 수 있다. 분말 고화비용은 특정 적용 및 코팅의 두께에 따라 달라질 것이다. 5 마이크로미터 내지 2,500 마이크로미터 두께의 코팅은 플라즈마 용사 또는 고속 화염 용사와 같은 전통적인 상업적으로 이용가능한 열 증착법을 사용하여 용이하게 증착될 수 있다. DNC 스틸의 비용은 예를 들면, 다이아몬드 및 입방정 BN와 같은 그밖의 다른 단단한 물질에 대해 유리하게 비교될 수 있다. 또한 DNC 스틸 코팅은 텅스텐 카바이드 시멘트된 카바이드 코팅을 대신하기 위한 직접적인 경쟁력 있는 기술이 될 수 있는데, 왜냐하면, DNC 스틸이 더 높은 경도 및 더 큰 인장 연성을 보이기 때문이다.DNC steels can rapidly solidify into amorphous glass precursors, and then the rapidly solidified powders can solidify into useful forms. Therefore, the technical cost of the present invention can be related to three items: alloy cost, powder production cost, and solidification cost. All three items can be estimated. In order to produce rapidly solidified powders, centrifugal spraying may be the best method despite relatively low production rates. If it is convenient to prepare the DNC steel powder by water spraying, the processing cost of preparing the powder can drop by a few pennies per pound. Powder solidification costs will depend on the particular application and the thickness of the coating. Coatings between 5 micrometers and 2,500 micrometers thick can be readily deposited using traditional commercially available thermal evaporation methods such as plasma spraying or high speed flame spraying. The cost of DNC steel can be advantageously compared for other hard materials such as, for example, diamond and cubic BN. DNC steel coatings can also be a direct competitive technique to replace tungsten carbide cemented carbide coatings, because DNC steels exhibit higher hardness and greater tensile ductility.

본원 발명은 금속 기질 상에서의 본원 발명의 코팅 스틸 합금 조성물에 관하여 설명되고 있지만, 본원 발명의 합금은 또한 비-금속 기질 위에 단단하고 및/또는 매끄러운 표면을 제공하기 위하여, 예를 들면, 세라믹과 같은 비-금속 기질 위에 코팅될 수도 있음을 이해하여야 한다. Although the present invention has been described with respect to the coated steel alloy compositions of the present invention on metal substrates, the alloys of the present invention may also provide a hard and / or smooth surface over a non-metal substrate, for example, such as ceramics. It should be understood that the coating may be on a non-metal substrate.

Claims (13)

기질을 제공하는 단계; 및Providing a substrate; And 용융 합금을 형성하고, 합금을 냉각시켜 기질 위에 금속 유리 코팅을 형성하는 단계를 포함하는, 기질 상에 경화된 표면의 형성 방법에 있어서, A method of forming a cured surface on a substrate comprising forming a molten alloy and cooling the alloy to form a metallic glass coating over the substrate, the method comprising: 상기 용융 합금 형성 단계는 연속적인 금속 유리 층의 연속적 축적을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속 유리 코팅은 적어도 약 9.2 GPa의 경도를 가지며, 철 및 크롬을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소, 붕소 및 인을 함유하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소, 몰리브덴 및 텅스텐 중 하나 또는 둘 모두를 함유하는 합금을 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.Said molten alloy forming step comprises forming a continuous accumulation of a continuous metal glass layer, said metal glass coating having a hardness of at least about 9.2 GPa, at least one element selected from the group comprising iron and chromium, A method of forming a cured surface comprising an alloy containing one or both of at least one element selected from the group containing boron and phosphorus, molybdenum and tungsten. 기질을 제공하는 단계;Providing a substrate; 용융 합금을 형성하고, 상기 합금을 냉각시켜 기질 위에 적어도 9.2 GPa의 제 1 경도를 가지며, 철 및 크롬을 포함하는 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소, 붕소 및 인을 함유하는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 원소를 포함하는 금속 유리 코팅을 형성하는 단계; 및At least one element selected from the group containing boron and phosphorus, having a first hardness of at least 9.2 GPa on the substrate and cooling the alloy to form a molten alloy; Forming a metallic glass coating comprising; And 금속 유리 코팅의 적어도 일부분을 나노결정질 입자 크기 및 적어도 9.2 GPa의 제 2 경도를 가지는 결정질 물질로 전환시키는 단계를 포함하는,Converting at least a portion of the metallic glass coating into a crystalline material having a nanocrystalline particle size and a second hardness of at least 9.2 GPa, 기질 상에 경화된 표면의 형성 방법.Method of Forming a Cured Surface on a Substrate. 제 1항에 있어서, 상기 기질은 금속 물질임을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.The method of claim 1, wherein the substrate is a metal material. 제 1항에 있어서, 상기 기질은 세라믹 물질임을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.The method of claim 1, wherein the substrate is a ceramic material. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 경도는 10.0 GPa 이상임을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.3. The method of claim 2, wherein said first hardness is at least 10.0 GPa. 제 1항에 있어서, 상기 금속 유리 코팅은 플라즈마 용사로서 기질에 적용됨을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.The method of claim 1, wherein the metallic glass coating is applied to the substrate as a plasma spray. 제 1항에 있어서, 상기 금속 유리 코팅을 형성하는 단계는 기질 위에 금속 유리 물질의 분무 분말(atomized powder)의 적용을 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법. The method of claim 1, wherein forming the metallic glass coating comprises applying an atomized powder of metallic glass material over the substrate. 제 2항에 있어서, 상기 금속 유리 코팅을 형성하는 단계는 연속 층들의 연속적인 축적을 형성하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법. 3. The method of claim 2, wherein forming the metallic glass coating comprises forming a continuous accumulation of continuous layers. 제 2항에 있어서, 상기 전환 단계는 금속 유리의 결정화 온도 이상까지 금속 유리를 가열하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법. 3. The method of claim 2, wherein said converting step comprises heating the metal glass to at least the crystallization temperature of the metal glass. 제 10항에 있어서, 상기 가열 단계는 600℃ 이상의 온도 및 금속 유리의 용융 온도 미만까지 가열하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법. The method of claim 10, wherein the heating step comprises heating to a temperature of at least 600 ° C. and below the melting temperature of the metal glass. 제 2항에 있어서, 상기 제 2 경도는 10.0 GPa 이상임을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.3. The method of claim 2, wherein said second hardness is at least 10.0 GPa. 제 1항에 있어서, 상기 금속 유리 코팅은 플라즈마 용사 시스템에 의하여 기질에 적용됨을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법.The method of claim 1, wherein the metallic glass coating is applied to the substrate by a plasma spray system. 제 1항에 있어서, 상기 금속 유리 코팅을 형성하는 단계는 기질 위에 금속 유리 물질의 분무 분말의 적용을 포함함을 특징으로 하는 경화된 표면의 형성 방법. 2. The method of claim 1, wherein forming the metallic glass coating comprises applying a spray powder of metallic glass material over the substrate.
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