KR20070045324A

KR20070045324A - Low cost amorphous steel

Info

Publication number: KR20070045324A
Application number: KR1020077006158A
Authority: KR
Inventors: 케니쓰 에스. 베치오; 저스틴 체니
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-05-02
Also published as: US20070253856A1; CN101014728A; WO2006037093A2; WO2006037093A3; CA2577718A1; JP2008514815A; KR20090092346A; EP1794337A4; US20110284135A1; CN101014728B; EP1794337A2; KR100933849B1

Abstract

철계 벌크 금속유리 재료 또는 비정질 강을 위한 조성과 제조 공정과 설계. 기술된 조성에 기초한 벌크 금속유리의 일례는 대략 59 내지 70 원자 퍼센트의 철을 함유할 수 있고, 이는 대략 10 내지 20 원자 퍼센트의 메탈로이드 원소와 대략 10 내지 25 원자 퍼센트의 내화성 금속과 함께 합금된다. 비정질 강은 도 1에 도시된 것과 같은 X-레이 회절 패턴을 나타낼 수 있다. 조성은 액상선 온도의 이론적인 계산을 사용하여 낮추어진 액상선 온도를 여전히 유지하면서 실질 양의 내화성 금속을 가지도록 설계될 수 있다. 합금 원소는 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 붕소, 및 탄소이다. 몇몇 합금은 실온에서 강자성체인 반면에, 다른 것은 비강자성체이다. 이들 비정질 강은 종래 고강도 강에 비하여 증가된 비강도와 내식성을 가진다.Composition, manufacturing process and design for ferrous bulk metallic glass materials or amorphous steels. One example of a bulk metallic glass based on the described composition may contain approximately 59 to 70 atomic percent iron, which is alloyed with approximately 10 to 20 atomic percent metalloid element and approximately 10 to 25 atomic percent refractory metal. . The amorphous steel may exhibit an X-ray diffraction pattern as shown in FIG. 1. The composition can be designed to have a substantial amount of refractory metal while still maintaining the lower liquidus temperature using the theoretical calculation of liquidus temperature. Alloying elements are molybdenum, tungsten, chromium, boron, and carbon. Some alloys are ferromagnetic at room temperature, while others are nonferromagnetic. These amorphous steels have increased specific strength and corrosion resistance compared to conventional high strength steels.

Description

LOW COST AMORPHOUS STEEL}

본 출원은 2004년 9월 27일에 출원된 "저비용 비정질 강"이라는 명칭의 미국 가특허출원 제60/613,780호를 우선권으로 청구한다. This application claims priority to US Provisional Patent Application 60 / 613,780, entitled "Low Cost Amorphous Steel," filed September 27, 2004.

본 출원은 비정질 금속 재료 및 벌크 금속유리(bulk metallic glasses)(BGMs)의 조성에 관한 것이다. The present application relates to the composition of amorphous metallic materials and bulk metallic glasses (BGMs).

복합적인 성분으로 제조된 비정질 금속 재료는 비결정성 구조를 갖는 비정질이고, "금속유리" 재료로도 알려져 있다. 이런 재료는 결정성 구조를 갖는 많은 금속 재료와 구조 및 거동에 있어 매우 상이하다. 특히, 비정질 금속 재료는, 동일하거나 유사한 조성의 결정성 합금보다 통상적으로 더 강하다. 벌크 금속유리는 임의의 결정성 상(phase) 없이 액체 상태로부터 직접 제조되는 금속유리 또는 비정질 재료의 특정 형식이고, 예를 들어 100 K/s 미만의 느린 임계 냉각률(critical cooling rates), 높은 재료 강도, 및 높은 내식성을 나타낸다. 벌크 금속유리는, 예를 들어 복합적인 성분의 원자가 정렬하여 결정성 구조를 형성할 충분한 시간을 가지지 않는 비율로 용융 합금의 급속한 응고와 같은 다양한 처리에 의해 생산될 수 있다. 높은 비정질 성형성(formability)을 갖는 합금은 더 느린 비율로 냉각될 수 있어서 더 큰 체적으로 제조될 수 있다. 합금의 비정질 성형성은 그 열적 특성, 즉 그 유리전이온도(glass transition temperature)와 그 결정화 온도 사이의 관계에 의해서, 그리고 그 액상선 온도(liquidus temperature)와 그 이상용액(ideal solution) 융해온도(melting temperature) 사이의 차이에 의해서 기술될 수 있다. 유리전이온도와 결정화 온도 사이의 차이가 증가할 때와 그 액상선 온도와 이상용액 융해온도 사이의 차이가 증가할 때, 비정질 성형성이 증가한다. Amorphous metallic materials made of composite components are amorphous with an amorphous structure and are also known as "metalglass" materials. These materials are very different in structure and behavior from many metallic materials with crystalline structures. In particular, amorphous metal materials are typically stronger than crystalline alloys of the same or similar composition. Bulk metallic glass is a specific form of metallic glass or amorphous material that is produced directly from the liquid state without any crystalline phase, for example, slow critical cooling rates of less than 100 K / s, high materials Strength and high corrosion resistance. Bulk metallic glass can be produced by a variety of processes, such as rapid solidification of molten alloys, for example, at a rate that does not have sufficient time for the valence of complex components to form a crystalline structure. Alloys with high amorphous formability can be cooled at a slower rate to produce larger volumes. The amorphous formability of the alloy is due to its thermal properties, that is, the relationship between its glass transition temperature and its crystallization temperature, and its liquidus temperature and its ideal solution melting temperature. can be described by the difference between temperature). As the difference between the glass transition temperature and the crystallization temperature increases and as the difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting temperature increases, amorphous formability increases.

비벌크 금속유리를 제조하는데 적당한 알려진 다양한 철계 비정질 합금 조성물(iron-based amorphous alloy compositions)은 비교적 제한된 비정질 성형성을 가지고, 변압기, 센서 애플리케이션, 및 마그네틱 리코딩 헤드와 장치 등의 다양한 애플리케이션에 사용되어 진다. 이들 및 다른 애플리케이션은, 생산되어야 할 비정질 합금의 체적과 크기에 대한 제한된 요구를 가지고 있다. 대조적으로, 철계 벌크 금속유리는 더 느린 임계 냉각률로 제조되어 더 두꺼운 부분 또는 더 복잡한 형상이 형성되게 하도록 공식화될 수 있다. 이들 Fe계 BMGs는 결정성 구조를 갖는 종래 고강도 재료를 훨씬 초과하는 경도와 강도를 가질 수 있어서, 높은 강도와 경도 또는 향상된 성형성을 요하는 애플리케이션에 구조적인 재료로서 사용될 수 있다.Various known iron-based amorphous alloy compositions suitable for manufacturing non-bulk metal glass have relatively limited amorphous formability and are used in a variety of applications such as transformers, sensor applications, and magnetic recording heads and devices. . These and other applications have limited demands on the volume and size of the amorphous alloy to be produced. In contrast, iron-based bulk metallic glasses can be formulated to produce slower critical cooling rates to form thicker portions or more complex shapes. These Fe-based BMGs can have hardness and strength far in excess of conventional high strength materials with crystalline structures, and thus can be used as structural materials for applications requiring high strength and hardness or improved formability.

몇몇 철계 벌크 금속유리는 50 내지 70 원자 퍼센트 범위의 철 농도를 사용하여 제조되었다. 탄소, 붕소, 또는 인 등의 메탈로이드 원소(metalloid elements)는 벌크 비정질 합금을 형성하도록 내화성 금속(refractory metals)과 함께 사용되었다. 합금은 밀리미터 크기의 시트 또는 실린더의 범위에 이르는 체적으로 생산될 수 있다. .6의 오더(order)로 감소된 유리전이온도와 대략 20K보다 더 큰 과냉각 액체 영역은 Fe계 합금에서의 높은 비정질 성형성을 나타낸다.Some iron-based bulk metallic glasses have been prepared using iron concentrations ranging from 50 to 70 atomic percent. Metalloid elements such as carbon, boron, or phosphorus have been used with refractory metals to form bulk amorphous alloys. Alloys can be produced in volumes ranging from millimeter sized sheets or cylinders. Reduced glass transition temperatures with an order of .6 and subcooled liquid regions larger than approximately 20K indicate high amorphous formability in Fe-based alloys.

본 출원은, 벌크 금속유리를 형성하기에 적당한 현저하게 높은 철 함유량과 높은 유리 성형성을 구비한 철계 비정질 강 합금을 설계하고 제조하는 기술과 조성을 기술하고 있다. 예를 들어, 본 출원에 기술된 벌크 금속유리에 적당한 조성물은 59 내지 70 원자 퍼센트의 철, 10 내지 20 원자 퍼센트의 메탈로이드 원소, 및 10 내지 25 원자 퍼센트의 내화성 금속을 포함할 수 있고, 여기에서 철, 메탈로이드 원소, 및 내화성 금속은 서로 합금되어 비정질 상 재료를 형성한다. 철계 금속유리 재료를 위한 하나의 예시적인 공식화는The present application describes techniques and compositions for designing and manufacturing iron-based amorphous steel alloys with remarkably high iron content and high glass formability suitable for forming bulk metallic glass. For example, a composition suitable for the bulk metallic glass described herein may comprise 59 to 70 atomic percent iron, 10 to 20 atomic percent metalloid element, and 10 to 25 atomic percent refractory metal, wherein Iron, metalloid element, and refractory metal are alloyed with each other to form an amorphous phase material. One exemplary formulation for ferrous metalglass materials is

Fe₇₈ _-a-b- _cC_dB_eCr_aMo_bW_c Fe ₇₈ _-ab- _c C _d B _e Cr _a Mo _b W _c

이며, 여기에서 (a + b + c) ≤ 17, 'a'는 0 내지 10의 범위이고(예를 들어 2 내지 10), 'b'는 2 내지 8, 'c'는 0 내지 6, 'd'는 10 내지 20, 그리고 'e'는 3 내지 10이다. a, b, c, d, 및 e의 값은 철의 원자 퍼센트가 59 원자%를 초과하도록 선택된다. 하나의 특정 예는 Fe₇₈ _-a-b- _cC₁₂B₁₀Cr_aMo_bW_c이다.Where (a + b + c) ≤ 17, 'a' is in the range of 0 to 10 (e.g. 2 to 10), 'b' is 2 to 8, 'c' is 0 to 6, d 'is 10 to 20, and' e 'is 3 to 10. The values of a, b, c, d, and e are chosen such that the atomic percentage of iron exceeds 59 atomic%. One particular example is Fe ₇₈ _-ab- _c C ₁₂ B ₁₀ Cr _a Mo _b W _c .

위의 공식화에 기초한 벌크 금속유리 재료는 합금 원소의 농도에 기초한 액상선 온도를 계산하고 조성을 최적화함으로써 설계될 수 있다. 이 방법은 복합적인 성분 금속의 이론적인 상태도(phase diagram) 계산을 사용함으로써 높은 유리 성형성을 구비한 합금을 결정한다. Bulk metallic glass materials based on the above formulations can be designed by calculating liquidus temperature based on the concentration of alloying elements and optimizing the composition. This method determines alloys with high glass formability by using the theoretical phase diagram calculation of complex component metals.

다른 예로서, 본 출원은 59 내지 70 원자 퍼센트의 철, 10 내지 20 원자 퍼센트의 복수의 메탈로이드 원소, 및 10 내지 25 원자 퍼센트의 복수의 내화성 금속을 포함하는 복합 재료를 기술하고 있다. 철, 메탈로이드 원소, 및 내화성 금속은 서로 합금되어 비정질 상 재료를 형성한다.As another example, the present application describes a composite material comprising 59 to 70 atomic percent iron, a plurality of metalloid elements of 10 to 20 atomic percent, and a plurality of refractory metals of 10 to 25 atomic percent. Iron, metalloid elements, and refractory metals are alloyed with each other to form an amorphous phase material.

여기에 개시된 조성에 기초한 벌크 금속유리를 생산하는 방법이 일례로서 기술되어 있다. 먼저, 철, 내화성 금속, 탄소, 및 붕소를 포함하는 성분의 혼합물이 (예를 들어, 아크 융해 처리를 사용하여) 잉곳으로 융해된다. 최종 용융 잉곳은 응고되어 벌크 비정질 금속유리를 형성한다. 응고는 칠 캐스팅 기술(chill casting technique)을 사용하여 급속하게 수행될 수 있다. 이런 제조 처리는 Fe계 합금을 최소 크기로 0.5mm 두께를 갖는 비정질 샘플로 만드는데 사용될 수 있다. 또한, 이런 처리는, 다른 조성물 중에서, 높은 철 함유량과 대략 50K보다 더 큰 과냉각된 액체 영역을 갖는 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂의 강을 생산하는데 사용될 수 있다.A method of producing bulk metallic glass based on the compositions disclosed herein is described as an example. First, a mixture of components comprising iron, refractory metal, carbon, and boron is melted into an ingot (eg, using an arc fusion treatment). The final molten ingot solidifies to form a bulk amorphous metallic glass. Solidification can be performed rapidly using the chill casting technique. This manufacturing process can be used to make an Fe-based alloy into an amorphous sample having a minimum size of 0.5 mm. This treatment can also be used to produce steel of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ with high iron content and subcooled liquid regions greater than approximately 50K, among other compositions.

이들 및 다른 조성물과 그들의 특성 및 제조는 첨부된 도면, 상세한 설명, 및 특허청구범위에 기술되어 있다.These and other compositions and their properties and preparations are described in the accompanying drawings, detailed description, and claims.

도 1은, a) Fe₆₀C₁₅B₈Mo₁₀Cr₄W₃, b) Fe₆₀C₁₈B₅Mo₁₀Cr₄W₃, c) Fe₅₉C₁₂B₁₀Mo₁₁Cr₅W₃, d) Fe₆₁C₁₂B₁₀Mo₁₀Cr₄W₃, e) Fe₆₁C₁₂B₇Mo₁₁Cr₃W₃, Fe₆₈C₁₂B₃Mo₁₀Cr₅W₂, f) Fe₆₈C₁₀B₁₀C₄Mo₆W₂, 및 g) Fe₆₄C₁₀B₈Mo₁₁Cr₄W₃, Fe₆₈C₁₀B₈Mo₁₁W₃의 비정질 구조를 나타내는 측정된 X-레이 회절 패턴을 도시하며, 수직축은 회절 신호의 측정된 강도이고, 수평축은 회절각의 두배인 측정된 각도이다. 1 is a) Fe ₆₀ C ₁₅ B ₈ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , b) Fe ₆₀ C ₁₈ B ₅ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , c) Fe ₅₉ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₃ , d ) Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , e) Fe ₆₁ C ₁₂ B ₇ Mo ₁₁ Cr ₃ W ₃ , Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Mo ₁₀ Cr ₅ W ₂ , f) Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ C ₄ Mo ₆ W ₂ , and g) Fe ₆₄ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ Cr ₄ W ₃ , shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of Fe ₆₈ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ W ₃ , the vertical axis Is the measured intensity of the diffraction signal and the horizontal axis is the measured angle which is twice the diffraction angle.

도 2는 (Fe₆₈C₁₀B₁₀Cr₄Mo₆W₂)₉₈Y₂의 비정질 구조를 나타내는 측정된 X-레이 회절 패턴을 도시한다.FIG. 2 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of (Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ ) ₉₈ Y ₂ .

도 3은 (Fe₅₇C₁₀B₁₀Cr₁₃Mo₇W₃)₉₈Y₂의 비정질 구조를 나타내는 측정된 X-레이 회절 패턴을 도시한다.FIG. 3 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of (Fe ₅₇ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₁₃ Mo ₇ W ₃ ) ₉₈ Y ₂ .

도 4는 Fe₆₁C₁₂B₁₀Cr₄Mo₁₀W₃의 비정질 구조를 나타내는 측정된 X-레이 회절 패턴을 도시한다.4 shows the measured X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₁₀ W ₃ .

도 5는 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂의 비정질 구조를 나타내는 X-레이 회절 패턴을 도시한다.FIG. 5 shows an X-ray diffraction pattern showing the amorphous structure of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ .

도 6은 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂에 대한 열기계분석(thermal mechanical analysis)(TMA)을 도시하며, 유리전이온도(Tg)가 화살표로 지시되어 있다. FIG. 6 shows thermal mechanical analysis (TMA) for Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , with the glass transition temperature (Tg) indicated by the arrow.

도 7은 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂에 대한 시차열분석(differential thermal analysis)(DTA)을 도시하며, 유리전이 및 결정화 온도가 화살표로 지시되어 있다. FIG. 7 shows differential thermal analysis (DTA) for Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , with the glass transition and crystallization temperature indicated by arrows.

소정의 재료 특성을 구비한 복합적인 원소를 갖는 벌크 금속유리 조성물을 설계하는 것은 상이한 원소의 효과와 상호작용의 복잡성(complexities)으로 인하여 부분적으로 기술적인 어려움이 있다. 이런 복합 재료에 있어서, 하나의 원소의 양, 또는 한 원소를 다른 원소로 치환하는 것과 같이, 조성의 임의의 측면에서의 변경은 최종적인 금속유리 재료의 특성에 현저하게 영향을 미칠 수 있다. 이런 복잡성 으로 인하여, 알려진 많은 금속유리 조성물은 시행착오의 결과이다. 본 출원에 기술된 Fe계 금속유리 조성물은 메탈로이드 원소 및 내화성 금속 원소(refractory metal elements)를 철(iron)과 함께 선택하는 시스템적인 접근에 기초하여 설계되어, 낮은 유리전이 온도와 높은 결정화 온도 사이의 큰 차이와, 혼합물에서 상이한 원소의 융해 온도의 가중 평균인 이상용액 융해온도와 액상선 온도 사이의 큰 차이에 의해 나타나는 높은 유리 성형성을 구비한 조성을 찾는다.Designing bulk metallic glass compositions having complex elements with certain material properties presents technical difficulties in part due to the effects of different elements and the complexity of the interactions. In such composite materials, changes in any aspect of the composition, such as the amount of one element, or the substitution of one element with another, can significantly affect the properties of the final metallic glass material. Because of this complexity, many known metallic glass compositions are the result of trial and error. The Fe-based metalglass compositions described in this application are designed based on a systematic approach to selecting metalloid elements and refractory metal elements with iron, so that between low glass transition temperatures and high crystallization temperatures Find a composition with a large difference of and a high glass formability exhibited by a large difference between the ideal solution melting temperature and the liquidus temperature, which is a weighted average of the melting temperatures of different elements in the mixture.

특정 벌크 금속유리를 설계하는 이런 접근 하에서, 액상선 온도는 벌크 금속유리의 성분으로 선택되는 상이한 합금 원소의 농도에 기초하여 계산된다. 이 후, 조성이 각각의 결과 액상선 온도에 기초하여 최적화된다. Fe계 합금에 첨가된 몰리브덴과 크롬과 같은 내화성 금속 원소의 농도도 최적화될 수 있어, 최종 합금은 1) 첨가된 내화성 금속의 높은 농도로 인하여 높은, 또는 최대의 점성, 및 2) 낮은, 또는 최소의 액상선 온도를 가진다. 낮은 액상선 온도와 높은 이상용액 융해온도를 달성하도록 조성이 선택되어, 후보 조성(candidate composition)은 액상선 온도와 이상용액 융해온도 사이의 큰 차이를 가진다. 이런 후보 조성은 큰 온도 범위에 걸쳐서 이들의 액상선 상(liquidus phase)을 유지할 수 있으며, 이 큰 온도 범위 내에서, 비교적 느린 냉각 처리가 벌크 재료에서 비정질 상을 얻는데 사용될 수 있다. 액상선 온도와 이상용액 융해온도 사이의 큰 차이를 구비한 후보 조성 중에서, 낮은 유리전이 온도와 높은 결정화 온도 사이의 큰 차이를 구비한 조성이 더 확인되어 최종 금속유리 조성을 위한 후보로 선택된다. 이런 수치적이며 시스템적인 설계 접근은 존재하는 비정질 합금의 조성을 예상할 때 잘 작동하며, 아래에 기술된 예의 조성을 설계하는데 사용되었다. Under this approach of designing a particular bulk metallic glass, the liquidus temperature is calculated based on the concentration of different alloying elements selected as components of the bulk metallic glass. Thereafter, the composition is optimized based on each resulting liquidus temperature. The concentration of refractory metal elements, such as molybdenum and chromium, added to the Fe-based alloy can also be optimized so that the final alloy is 1) high, or maximum viscosity, and 2) low, or minimal, due to the high concentration of refractory metal added. Has a liquidus temperature of. The composition is selected to achieve a low liquidus temperature and a high ideal solution melting temperature, so that the candidate composition has a large difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting temperature. Such candidate compositions can maintain their liquidus phase over a large temperature range, and within this large temperature range, a relatively slow cooling treatment can be used to obtain an amorphous phase in the bulk material. Of the candidate compositions with a large difference between the liquidus temperature and the ideal solution melting temperature, a composition with a large difference between the low glass transition temperature and the high crystallization temperature is further identified and selected as a candidate for the final metal glass composition. This numerical and systematic design approach works well in anticipating the composition of the amorphous alloys present and has been used to design the compositions of the examples described below.

위의 설계 접근의 한 적용은 금속 철에 기초한 금속유리 조성물이며, 이는 비교적 저렴하며 폭넓게 유용하다. 이런 철계 금속유리 재료는, 합리적으로 낮은 가격으로 훌륭한 유리 성형성을 얻어 대량 생산과 다양한 적용으로의 사용을 허용하도록 설계될 수 있다. 여기에 기술된 철이 풍부한 비정질 합금의 조성은 적당한 냉각률 하에서 비정질 상태에 도달하여 벌크 금속유리 재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 여기에 기술된 이런 벌크 금속유리의 몇몇 예는 대략 59 내지 70 원자 퍼센트의 철 함유량을 가지며, 비정질 강으로도 지칭된다. 이들 예에서, 철은 10 내지 20 원자 퍼센트 메탈로이드 원소와 10 내지 25 퍼센트 내화성 금속과 함께 더 합금되어 진다. 조성은 액상선 온도의 이론적인 계산을 사용하여 선택된다. 합금은, 낮추어진 액상선 온도를 여전히 유지하면서 비정질 구조를 안정화하기 위해서 충분한 양의 내화성 금속을 가지도록 설계된다. 몇몇의 구현에 있어, 주요 합금원소는 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 붕소, 및 탄소일 수 있다. 몇몇의 결과 합금은 실온에서 강자성체인 반면, 나머지는 비강자성체이다. 이들 비정질 강은 종래의 고강도 강에 비하여 증가된 비강도(specific strengths)와 내식성을 가진다. 이들 합금의 비정질 구조는 이들 합금에 독특한 물리적이며 기계적인 특성을 부여하고, 이는 이들의 결정성 합금 형태에서는 얻어지지 않는다. One application of the above design approach is metalglass compositions based on metal iron, which is relatively inexpensive and widely useful. Such iron-based metallic glass materials can be designed to obtain good glass formability at a reasonably low price to allow for mass production and use in a variety of applications. The composition of the iron-rich amorphous alloys described herein can be used to reach the amorphous state under moderate cooling rates to form bulk metallic glass materials. Some examples of such bulk metallic glasses described herein have an iron content of approximately 59 to 70 atomic percent and are also referred to as amorphous steels. In these examples, iron is further alloyed with 10-20 atomic percent metalloid elements and 10-25 percent refractory metal. The composition is selected using the theoretical calculation of liquidus temperature. The alloy is designed to have a sufficient amount of refractory metal to stabilize the amorphous structure while still maintaining the lower liquidus temperature. In some embodiments, the main alloying elements may be molybdenum, tungsten, chromium, boron, and carbon. Some of the resulting alloys are ferromagnetic at room temperature, while others are non-ferromagnetic. These amorphous steels have increased specific strengths and corrosion resistance compared to conventional high strength steels. The amorphous structure of these alloys imparts unique physical and mechanical properties to these alloys, which are not obtained in their crystalline alloy form.

특히, 여기에 기술된 조성물은 다른 Fe계 벌크 금속유리 재료보다 더 높은 Fe 함유량을 가지고, 느린 냉각 조건 하에서 재료를 비정질로 만들기 위해서 다른 Fe계 벌크 금속유리 재료에서 발견되는 고가의 합금 원소를 사용하지 않는다. 본 비정질 강의 조성물은 다른 Fe계 벌크 금속유리보다 표준 강 합금 조성물에 현저하게 더 가까워서, 존재하는 기술, 처리, 및 장비를 포함하는 다양한 강 생산 기술, 처리, 및 장비를 사용함으로써 생산을 확대하기에 훨씬 더 매력적이다. 이에 비하여, 다양한 상업적인 벌크 금속유리는 Zr계 재료를 사용하여, 생산하기에 고가이다. 본 조성물은 가장 저렴하고 폭넓게 유용한 금속 원소 중 하나인 철을 주요 구성요소로 사용하여, 재료의 비용을 현저하게 감소시킨다. In particular, the compositions described herein have a higher Fe content than other Fe-based bulk metallic glass materials and do not use the expensive alloying elements found in other Fe-based bulk metallic glass materials to make the material amorphous under slow cooling conditions. Do not. The compositions of this amorphous steel are significantly closer to standard steel alloy compositions than other Fe-based bulk metalglasses to expand production by using various steel production techniques, treatments, and equipment, including existing technologies, treatments, and equipment. Much more attractive. In contrast, various commercial bulk metallic glasses are expensive to produce using Zr based materials. The composition uses iron as one of the cheapest and widely available metal elements as its main component, which significantly reduces the cost of the material.

본 조성의 하나의 공식화는,One formulation of this composition is

로 표현될 수 있으며, 여기에서 아래 첨자 파라미터는 상이한 원소의 상대 원자%를 나타낸다. 위에 기술된 시스템적인 설계 접근에 기초하여, 원소의 상대적인 양은 다음 조건으로 제한된다: (a + b + c) ≤ 17; 'a'는 0 내지 10의 범위; 'b'는 2 내지 8의 범위; 'c'는 0 내지 6의 범위; 'd'는 10 내지 20의 범위; 그리고 'e'는 3 내지 10의 범위이다. 또한, a, b, c, d, 및 e의 값은 철의 원자 퍼센트가 59 원자%를 초과하도록 선택되어 진다. 본 조성에 기초한 하나의 비정질 재료는 d = 12 및 e = 10에 대한 Fe₇₈ _-a-b- _cC₁₂B₁₀Cr_aMo_bW_c이다. Where the subscript parameter represents the relative atomic% of the different elements. Based on the systematic design approach described above, the relative amounts of elements are limited to the following conditions: (a + b + c) <17;'a' ranges from 0 to 10; 'b' ranges from 2 to 8; 'c' ranges from 0 to 6; 'd' ranges from 10 to 20; And 'e' ranges from 3 to 10. In addition, the values of a, b, c, d, and e are chosen such that the atomic percentage of iron exceeds 59 atomic%. One amorphous material based on this composition is Fe ₇₈ _-ab- _c C ₁₂ B ₁₀ Cr _a Mo _b W _c for d = 12 and e = 10.

위의 조성에 기초한 합금은 고순도 원소의 혼합물을 융해시킴으로써 생산될 수 있다. 예를 들어, 융해는 아르곤 대기 하의 아크 로(arc furnace)에서 수행될 수 있다. 합금 잉곳은 주요 금속 원소로서 철과, Cr, W, 및 Mo 등의 내화성 원소와, 탄소 및 붕소 등의 메탈로이드 원소로 제조되어 진다. 이들 원소의 특정량이 위의 지시에 기초하여 선택되어 진다. 소정의 상대량을 갖는 이들 원소의 혼합물은, 예를 들어 아크 융해와 다른 융해 방법을 사용함으로써 잉곳을 형성하도록 서로 융해될 수 있다. 잉곳은 몇 번 재융해되어 잉곳의 균질성을 확보한 후, 냉각 캐스팅 몰드를 주조하여 비정질 구조의 소정 형상을 생산한다. 융해는, 전기 로, 유도-융해 로, 또는 위에 기술된 조성물의 원소가 서로 융해되도록 하는 임의의 다른 융해 기술로 수행될 수 있다. 융해를 위한 열은 유도 가열, 로 가열, 또는 아크 융해 등의 다양한 처리로부터 생성할 수 있다. Alloys based on the above compositions can be produced by melting a mixture of high purity elements. For example, the melting can be carried out in an arc furnace under argon atmosphere. Alloy ingots are made of iron, refractory elements such as Cr, W, and Mo, and metalloid elements such as carbon and boron as main metal elements. Specific amounts of these elements are selected based on the above indications. Mixtures of these elements having a predetermined relative amount can be melted with each other to form an ingot, for example, by using arc melting and other melting methods. The ingot is remelted several times to ensure homogeneity of the ingot, and then the cold casting mold is cast to produce a predetermined shape of amorphous structure. Melting may be performed in an electric furnace, induction-melting furnace, or any other melting technique that causes the elements of the composition described above to fuse with each other. Heat for melting may be generated from various treatments, such as induction heating, furnace heating, or arc melting.

예를 들어, 아크 융해 방법이, 적어도 0.635mm의 크기를 갖는 다음의 벌크 금속유리 재료 샘플을 성공적으로 생산하는데 사용되었다: Fe₆₈C₁₀B₁₀Cr₄Mo₆W₂Y₂, Fe₅₇C₁₀B₁₀Cr₁₃Mo₇W₃Y₂, Fe₆₁C₁₂B₁₀Cr₄Mo₁₀W₃, Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂, Fe₆₀C₁₅B₈Mo₁₀Cr₄W₃, Fe₆₀C₁₈B₅Mo₁₀Cr₄W₃, Fe₆₁C₁₂B₇Mo₁₁Cr₅W₄, Fe₆₁C₁₂B₁₀Mo₁₁Cr₃W₃, Fe₆₄C₁₀B₈Mo₁₁Cr₄W₃, 및 Fe₆₈C₁₀B₈Mo₁₁W₃. 샘플은 구리 슬리브로 흡입 주조(suction cast)되었다. 0.025"와 0.050"의 상이한 두께의 두 개의 슬리브가 사용되었다. 캐스트 합금의 비정질의 성질이 X-레이 회절을 사용하여 증명되었다. 열 특성은 시차열분석기(DTA), 시차주사열량계(differential scanning calorimeter)(DSC), 및 열기계분석기(TMA)를 사용하여 얻어졌다. 두 종류의 철이 풍부한 비정질 강이 생산되었다; 한 종류는 이트륨을 함유하고, 다른 종류는 이트륨이 없다. 이트륨의 사용 없이 생산된 합금은 저비용 제조가능성(manufacturability)이라는 점에서 최적 합금을 나타낸다. 또한, 이들 합금은 비교적 내산화성인 원소로 구성되어서, 이들의 제조 가능성을 더 증가시킨 다.For example, the arc fusion method was used to successfully produce the following bulk metalglass material samples having a size of at least 0.635 mm: Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ Y ₂ , Fe ₅₇ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₁₃ Mo ₇ W ₃ Y ₂ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₁₀ W ₃ , Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , Fe ₆₀ C ₁₅ B ₈ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , Fe ₆₀ C ₁₈ B ₅ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₇ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₄ , Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₃ W ₃ , Fe ₆₄ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ Cr ₄ W ₃ , and Fe ₆₈ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ W ₃ . The sample was suction cast into a copper sleeve. Two sleeves of different thicknesses of 0.025 "and 0.050" were used. The amorphous nature of the cast alloy was demonstrated using X-ray diffraction. Thermal properties were obtained using a differential thermal analyzer (DTA), differential scanning calorimeter (DSC), and thermomechanical analyzer (TMA). Two types of iron-rich amorphous steels were produced; One kind contains yttrium and the other is no yttrium. Alloys produced without the use of yttrium represent the best alloy in terms of low cost manufacturability. In addition, these alloys are composed of elements that are relatively oxidation resistant, further increasing their manufacturability.

도 1 내지 도 7은 이들 샘플의 다양한 측정 결과를 도시한다. 도 1 내지 도 5는 샘플의 비정질 구조를 나타내는 측정된 X-레이 회절 패턴이다. 도 6은 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂의 조성을 가지는 샘플에 대한 측정된 TMA 데이터이며, 여기에서 수직축은 TMA 프로브 위치이고, 프로브가 떨어지는 위치는 유리전이온도(Tg)의 측정으로 사용된다. 도 7은 Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂에 대한 시차열분석(DTA) 결과를 도시하며, 여기에서 수직축은 측정 동안 사용되는 열유동이다. DTA에서 급격한 전이는, 반응이 일어날 때, 결정화 또는 융해를 나타내는 흡열 또는 발열 중 어느 하나를 지시하고, 시작에서의 아주 작은 전이는 유리전이를 반영하고 있다. 도 7의 특정 DTA 측정은 유리전이온도(Tg)와 결정화 온도(Tx1) 사이이 차이가 50K를 초과함을 나타내며, 이는 훌륭한 유리 성형성의 지표이다.1 to 7 show various measurement results of these samples. 1-5 are measured X-ray diffraction patterns showing the amorphous structure of the sample. FIG. 6 is measured TMA data for a sample having a composition of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , where the vertical axis is the TMA probe position, and the position where the probe falls is measured by the glass transition temperature (Tg) Used. FIG. 7 shows the differential thermal analysis (DTA) results for Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ , where the vertical axis is the thermal flow used during the measurement. Rapid transitions in DTA indicate either endotherm or exotherm, which indicates crystallization or melting when the reaction occurs, and the very small transition at the start reflects the glass transition. The specific DTA measurement of FIG. 7 indicates that the difference between the glass transition temperature (Tg) and the crystallization temperature (Tx1) exceeds 50K, which is an indicator of good glass formability.

여기에 기술된 비정질 강의 조성은 다른 것으로 제조된 다양한 비정질 강보다 더 높은 수준의 철을 저비용 내화성 금속과 메탈로이드 원소와 함께 가진다. 따라서, 이런 높은 철 함유 비절질 강의 적용은 다른 비정질 강보다 종래 고강도 구조 강을 대체하는데 더 유리하다. 특히, Fe₆₈C₁₂B₃Cr₅Mo₁₀W₂의 조성은 68 원자%의 높은 철 함유량을 가지며, C, B, Cr, Mo, 및 W의 저비용 합금 원소를 사용하여 대략 50K보다 더 큰 과냉각 액체 영역을 나타낸다. 따라서, 이 조성물은 산업적인 적용을 위한 벌크 생산에 적당하다. The composition of the amorphous steels described herein has higher levels of iron with lower cost refractory metals and metalloid elements than the various amorphous steels made from others. Thus, the application of such high iron containing amorphous steels is more advantageous to replace conventional high strength structural steels than other amorphous steels. In particular, the composition of Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ has a high iron content of 68 atomic percent and is supercooled larger than approximately 50K using low cost alloying elements of C, B, Cr, Mo, and W Represents a liquid region. Therefore, this composition is suitable for bulk production for industrial applications.

본 조성에 기초한 Fe가 풍부한 재료는 광범위한 적용에서 사용될 수 있다. 이들 금속의 비교적 높은 비정질 성형성은 이들을, 테니스 라켓 보강재, 스키, 야구 배트, 골프 클럽 헤드 등의 스포츠 용품과, 장치 케이스, 안테나 등의 가전제품 및 다른 전자제품과, 고강도, 경량을 위한 써멀 솔루션(thermal solutions)과, 노트북 컴퓨터, 핸드폰, 휴대용 PDA, MP3 플레이어, 휴대용 메모리 장치, 멀티미디어 플레이어 등의 모바일 장치에 사용되는 구성요소 및 부품과, 항공 전자공학 장치에 사용되는 구성요소 및 부품과, 자동차 부품 및 장치를 포함하나 이에 제한되지 않는 광범위한 적용을 위한 바람직한 재료가 되게 한다. 본 조성에 기초한 Fe가 풍부한 재료는, 스프링과 액추에이터 등의 항공우주, 산업, 및 자동차 애플리케이션 및 다양한 내식성 애플리케이션에서 티타늄과 다른 특수 합금에 저비용 대안으로 사용될 수 있다. 또한, 이 조성물은 지뢰의 마그네틱 트리거링(magnetic triggering)을 방지하는 군용 애플리케이션에서 비강자성 구조의 재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 조성물은 바이오 메디컬 임플란트, 변압기 코어 등을 위해 사용될 수 있다. 많은 다른 구조의 재료 애플리케이션이 확실히 가능하다. Fe-rich materials based on this composition can be used in a wide range of applications. The relatively high amorphous formability of these metals makes them suitable for sporting goods such as tennis racket reinforcements, skis, baseball bats, golf club heads, home appliances and other electronics such as device cases, antennas, and thermal solutions for high strength and light weight. thermal solutions), components and parts used in mobile devices such as notebook computers, cellular phones, portable PDAs, MP3 players, portable memory devices, multimedia players, components and parts used in avionics devices, automotive parts And devices, making them the preferred materials for a wide range of applications, including but not limited to. Fe-rich materials based on this composition can be used as low cost alternatives to titanium and other specialty alloys in aerospace, industrial and automotive applications such as springs and actuators, and various corrosion resistance applications. The composition can also be used to form materials of non-ferromagnetic structure in military applications that prevent magnetic triggering of land mines. In addition, the compositions can be used for biomedical implants, transformer cores, and the like. Many other structural material applications are certainly possible.

요약하면, 약간의 구현만이 개시되어 있다. 그러나, 변화 및 개량이 될 수 있음이 이해되어야 한다. In summary, only a few implementations are disclosed. However, it should be understood that changes and improvements can be made.

Claims

Fe ₇₈ _-ab- _c C _d B _e Cr _a Mo _b W _c

As a composite material having a plurality of components defined by

(a + b + c) ≤ 17, a is in the range of 0 to 10, b is 2 to 8, c is 0 to 6, d is 10 to 20, and e is 3 to 10,

The values of a, b, c, d, and e are selected such that the atomic percentage of iron is greater than 59 atomic percent.

The method according to claim 1,

Further equipped with Y,

The composition of said component is Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₆ W ₂ Y ₂ .

The method according to claim 1,

Further equipped with Y,

The composition of said component is Fe ₅₇ C ₁₀ B ₁₀ Cr ₁₃ Mo ₇ W ₃ Y ₂ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Cr ₄ Mo ₁₀ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₈ C ₁₂ B ₃ Cr ₅ Mo ₁₀ W ₂ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₀ C ₁₅ B ₈ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₀ C ₁₈ B ₅ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₁ C ₁₂ B ₇ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₄ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₃ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₄ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ Cr ₄ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₈ C ₁₀ B ₈ Mo ₁₁ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₅₉ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₁ Cr ₅ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₁ C ₁₂ B ₁₀ Mo ₁₀ Cr ₄ W ₃ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₆₈ C ₁₀ B ₁₀ C ₄ Mo ₆ W ₂ .

The method according to claim 1,

The composition of said component is Fe ₇₈ _-ab- _c C ₁₂ B ₁₀ Cr _a Mo _b W _c .

A method of producing the material of claim 1,

Melting the mixture of ingredients into an ingot;

Remelting the ingot to produce a homogeneous molten alloy; And

Solidifying the molten ingot to form a bulk amorphous material.

The method according to claim 16,

An arc melting process is used to perform the melting step.

The method according to claim 16,

An induction melting process is used to perform the melting step.

59 to 70 atomic percent iron;

A plurality of metalloid elements of 10 to 20 atomic percent; And

A composite material having a plurality of refractory metals of 10 to 25 atomic percent,

Wherein the iron, metalloid element, and refractory metal are alloyed with each other to form an amorphous phase material.

The method according to claim 19,

A material further comprising yttrium alloyed with the iron, metalloid element, and refractory metal.

The method according to claim 19,

The metalloid element comprises C and B.

The method according to claim 19,

And the refractory element comprises Cr, W, and Mo.