(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金の組成が、Ｆｅ５０．８Ｍｎ１．９Ｃｒ１８．４Ｍｏ５．４Ｗ１．７Ｂ１５．５Ｃ３．９Ｓｉ２．４からなり、主相である金属ガラス相が少なくとも４０体積％の合金であり、
前記合金の引張強度が２４００ＭＰａ以上であり、伸びが２％を超える金属ガラス相を主相とする合金。
【請求項２】
前記合金が６２５℃を超える温度で一つ以上の結晶化転移ピークを示す、請求項１に記載の金属ガラス相を主相とする合金。
【請求項３】
前記合金が６２５℃〜８００℃の範囲の温度で結晶化転移ピークを示す、請求項１に記載の金属ガラス相を主相とする合金。
【請求項４】
前記合金が２％よりも大きく８％以下の範囲の伸びを示す、請求項１に記載の金属ガラス相を主相とする合金。
【請求項５】
前記合金が２４００ＭＰａ以上２８５０ＭＰａ以下の引張強度を示す、請求項１に記載の金属ガラス相を主相とする合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年１１月９日に出願された、その教示が参照によってここに組み込まれる米国特許仮出願番号第６０／９８６，８６３号の出願日の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、相対的に高い引張伸びを示す金属ガラス合金類に関する。
【０００３】
金属ガラスは、不均一なシアバンディング（固体材料中の強いせん断を有する比較的狭い層として理解されてよい）に起因して、有意の引張伸びを示さないだろう。張力下で試験される金属ガラスは、大きな破壊をもたらし得る金属ガラス内の欠陥の存在に起因して、相対的に高い強度、相対的に僅かな塑性（弾性領域における脆性破壊）、及び引張伸びデータにおける高度の分散を示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この開示の上述の及びその他の特徴、及びそれらを実現するための方法は、添付される図面と共にここで記述される以下の実施形態の記述を参照することによってさらに明白になり、かつ理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】ＳＨＳ９５７０合金のガラスから結晶へのピークを示すＤＴＡスキャンである。
【図２】ＳＨＳ９５７０合金の溶融紡糸リボンのサンプルの応力歪曲線である。
【図３】ＳＨＳ７５７０合金のガラスから結晶へのピークを示すＤＴＡスキャンである。
【図４】８％の引張伸びを示すＳＨＳ７５７０合金の応力歪曲線である。
【図５】４％の引張伸びを示すＳＨＳ７５７０合金の応力歪曲線である。
【図６】サブサイズの引張試験片を試験するため設計された特注の小型引張試験器である。
【図７】グリップ内部に配置された溶融紡糸リボンの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明は金属ガラスに基づく合金類に関し、少なくとも４０原子パーセントの鉄、１０原子パーセントを超える少なくとも一つ以上の半金属、及び５０原子パーセント未満の少なくとも二つ以上の遷移金属を含有する合金を含み、前記遷移金属の一つはＭｏであり、前記合金は２４００ＭＰａ以上の引張強度、及び２％を超える伸びを示す。
【０００７】
本発明は鉄系金属ガラス合金に関し、前記合金は相対的に高い引張強度及び伸びを示す。金属ガラス合金類は、金属ガラス合金として理解されてよいが、これはサイズが１００μｍ未満のオーダー（０．１ｎｍから１００μｍ、０．１ｎｍから１μｍ等の範囲の全ての値及び増分を含む）である結晶構造又は比較的秩序を有する原子集合体を含んでよい。さらに、合金は少なくとも４０％の金属ガラスであってよく、結晶構造又は比較的秩序を有する原子集合体は合金の体積に対して０．１から最大６０体積％の範囲内で存在してよい。そのような結晶構造は合金組成物内に様々な沈殿物を含んでよい。
【０００８】
一例において、合金は少なくとも４０原子パーセントの鉄、１０原子パーセントを超える少なくとも一つ以上の半金属、及び５０原子パーセント未満の少なくとも二つ以上の遷移金属を含有してよく、遷移金属の一つはＭｏである。この合金により示される引張強度は２４００ＭＰａ以上であってよく、合金の伸びパーセントは２％より大きく最大８％であってよい。
【０００９】
他の例において、合金は二つ以上の遷移金属を含んでよく、遷移金属の一方はＭｏであり、他の遷移金属はＣｒ、Ｗ、Ｍｎ、又はそれらの組合せからなる群から選択されてよい。さらに、合金は、Ｂ、Ｓｉ、Ｃ、又はそれらの組合せからなる群から選択される半金属を含んでよい。さらに、合金は、２５原子％未満で存在するＣｒ、１５原子％未満で存在するＭｏ、５原子％未満で存在するＷ、５原子％未満で存在するＭｎ、２５原子％未満で存在するＢ、５原子％未満で存在するＳｉ、及び／又は５原子％未満で存在するＣを含有してよく、またはそれらから構成されてよく、及び残りの部分はＦｅであってよい。
【００１０】
他の例において、合金は、４８から５２原子％の範囲で存在するＦｅ、０．１から３．０原子％の範囲で存在するＭｎ、１７から２０原子％の範囲で存在するＣｒ、５から７原子％の範囲で存在するＭｏ、１から３原子％の範囲で存在するＷ、１４から１７原子％の範囲で存在するＢ、３から５原子％の範囲で存在するＣ、及び／又は１から４原子％の範囲で存在するＳｉを含有してよく、またはそれらから構成されてよく、上述の範囲内の全ての値及び増分を含む。さらに、合金の処方が非化学量論的であること、すなわち処方が０．００１から０．１の範囲の増分を含み得ることは理解されるべきである。例えば、合金は以下の化学量論を有する合金（Ｆｅ５０．８Ｍｎ１．９Ｃｒ１８．４Ｍｏ５．４Ｗ１．７Ｂ１５．５Ｃ３．９Ｓｉ２．４）を含んでよい。
【００１１】
合金は、６２５℃を超える（６２５℃から８００℃の範囲における全ての値及び増分を含む）１０℃／分の速度におけるＤＴＡによって測定されるような結晶化転移を示してよい。さらに、合金は６２５℃を超える（６２５℃から８００℃の範囲における全ての値及び増分を含む）温度において、複数のピークの結晶化転移を示してよい。結晶化転移のピークは、ＤＴＡ分析において示される温度における、発熱結晶化現象又は結晶化発熱における最大点として理解され得る。そのような範囲の温度全体にわたって、三つのピーク、四つのピーク、五つのピーク等、二つ以上の発熱結晶化ピークが示されてよい。さらに、合金は、１×１０−３ｓ−１の速度で測定されるとき、２％を超える伸び（全ての値及び増分をその中に含む）、例えば２％超８％の範囲等、を示してよい。伸びは張力下における破断の前の長さの増加の百分率として理解され得る。合金は、１×１０−３ｓ−１の速度で測定されるとき、２４００ＭＰａを超える引張強度（全ての値及び増分をその中に含む）、例えば２４００ＭＰａから２８５０ＭＰａの範囲等、を示してもよい。引張強度は、材料の破断又は永久変形が起こるときの応力として理解されてよい。
【００１２】
特別の理論に制限されることなく、ガラスマトリックス中に結晶性沈殿が存在し得ることは可能である。二つの異なるタイプの分子集合体がガラス中で形成され、これらの異なる集合体の間の相互作用が何らかの形で均一変形又は他の未知の機構を通じて金属滑りを可能にすると考えられる。
【００１３】
実施例１
ここで意図される合金の例は、ＮａｎｏＳｔｅｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、プロビデンス、ロードアイランド州から入手可能である、ＳＨＳ７５７０を含んでよい。合金は、以下の原子化学量論を有していた。
Ｆｅ５０．８Ｍｎ１．９Ｃｒ１８．４Ｍｏ５．４Ｗ１．７Ｂ１５．５Ｃ３．９Ｓｉ２．４
【００１４】
試験されたリボンのＤＴＡスキャンは、図１に示されるように、それが主として金属ガラス状態で存在することを示す。ガラスから結晶への転移のピークは、１０℃／分で測定されたとき、ピーク温度６３１℃、６５９℃、及び７７８℃で示される。これらのピーク温度は示された温度の±５℃の範囲内で起こってよいことは理解されるだろう。例えば、最初のピークは６２６℃から６３６℃の温度で観察され得る。
【００１５】
引張試験は、ＬａｂＶｉｅｗで制御された、変位分解能が５ミクロン及び荷重分解能が０．０１Ｎである、図２に説明される特注の小型引張試験器を用いて実行された。合金の紡糸した状態のリボンは長さ４５ｍｍで切断され、図３に説明されるフラットグリップ内部に配置された。ゲージ長さは４．８ｍｍで一定に保たれた。全ての試験は室温及び一定の歪み速度１×１０−３ｓ−１で実行された。試験５から６は、全ての実験点に対して実行された。
【００１６】
ＳＨＳ７５７０リボンの引張試験結果は比較的大きな伸びにおいて示され、図４及び５において説明される。表１に示されるように、五つのうち二つの試験において、合金は４から８％の伸びを示した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
比較例１
幅広い範囲の鉄を主剤とする金属ガラス合金のアモルファス溶融紡糸リボンが観察された。ＮａｎｏＳｔｅｅｌ  Ｃｏ．から入手可能である、ＳＨＳ９５７０の溶融紡糸リボンのＤＴＡ曲線が示され、図６において説明される。ガラスから結晶への転移ピークは、６３７℃、７２３℃、及び８２５℃におけるピーク温度で示される。典型的な応力歪曲線が、ＳＨＳ９５７０合金（Ｆｅ５０．８Ｍｎ１．９Ｃｒ１８．４Ｎｂ５．４Ｗ１．７Ｂ１５．５Ｃ３．９Ｓｉ２．４）に関して図７に示される。試験の方法論的手順は実施例１で述べたものと同じであった。
【００１９】
比較例２
以前〜６ＧＰａの最大強度が、Ｎａｎｏｓｔｅｅｌ  Ｃｏ．から入手可能である、２０ａｔ％未満で存在するＣｒ、５原子％未満で存在するＢ、１０原子％未満で存在するＷ、２原子％未満で存在するＣ、５原子％未満で存在するＭｏ、２原子％未満で存在するＳｉ、５原子％未満で存在するＭｎ、及び残りの部分が鉄である合金組成を有する、ＳＨＳ７１７０において観察された。約３０のサンプルが試験され、唯一つのものが〜６ＧＰａの最大強度を示した。
【００２０】
同様に、特別な理論に制限されることなく、引張データにおける分散は金属ガラスの欠陥（冶金学的性質、幾何学的性質、表面性質等）に対する感度に起因するであろうことは理解される。文献の結果によれば、常温において一軸張力（平面応力）を与えられたサンプルにおいて、クラック開始及び伝播は、第１のシアバンド形成のほぼ直後に起こり、結果的に、張力下で試験された金属ガラスは破壊よりも前に実質的にゼロの塑性歪みを示す。拘束された形状下で荷重を与えられる試験片（平面歪み）は弾性において、完全に塑性的な方法で、複数のシアバンドの生成によって破壊し得る。複数のシアバンドは、機械的な拘束を介して、例えば一軸圧縮、曲げ、回転において、及び局所的な圧入下で、非常に不安定な状態が回避されるとき、同様に観察され得る。例えば、最大２％のミクロレベルの歪みが、圧縮試験の間様々なアモルファス金属において見出されている。しかし、この場合においてさえ、塑性は典型的には０．５−１％のオーダーである。
【００２１】
金属ガラスの失透は、理論的にはナノ結晶化材料が強いという事実（すなわち、幾つかのナノ材料に関して圧縮試験によって示されてきた）にもかかわらず、低い応力における脆性破壊をもたらし得る。一般的に、様々な方法で製造されたナノ材料は、転移の移動度がないことに起因して、室温においてどのような塑性も示さない。一般的には、材料の強度は、極限強度が〜１９００−２０００ＭＰａ及び破断時の塑性が〜２％程度である高強度鋼のような従来の材料に関してさえ、延性の欠如によって補償され得る。
【００２２】
前述の幾つかの方法及び実施形態の記載は説明の目的で与えられている。それは網羅的であることを意図しておらず、かつ開示された正確な段階及び／又は形態にクレームを制限することを意図しておらず、上記教示の観点から明らかに多くの修正及び変更が可能である。本発明の範囲はここに添付されるクレームによって規定されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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