安価な非晶質鋼
鉄基バルク金属ガラス材料または非晶質鋼の設計および製造方法ならびに組成物。記載した組成物に基づくバルク金属ガラスの例はおよそ５９〜７０原子％の鉄を含みこれはおよそ１０〜２０原子％の半金属元素およびおよそ１０〜２５原子％の耐火金属と共に合金化される。非晶質鋼は図１に示すようなＸ線回折パターンを示す。組成物は液相線温度の理論計算を用いて設計することができ、降下した液相線温度を維持している一方で十分な量の耐火金属を含む。合金化元素はモリブデン、タングステン、クロム、ホウ素、および炭素である。得られる合金の一部は室温で強磁性であるが、他は非強磁性である。これら非晶質鋼は、従来の高強度鋼と比較して高い比強度および耐腐食性を有している。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本願は「安価な非晶質鋼」の名称で２００４年９月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／６１３，７８０号の優先権を主張する。
【０００２】
背景
本願は非晶質金属元素およびバルク金属ガラス（ＢＭＧ）の組成物に関する。
【０００３】
複数成分でつくられた非晶質金属材料は、非晶質構造を有する非晶質であり、また「金属のガラス」材料としても知られている。これらの材料は、構造および挙動において、結晶構造を有する多くの金属材料と非常に異なっている。特に、非晶質金属材料は通常、同一または類似組成の結晶質合金よりも強度がある。バルク金属ガラスは液体状態から直接、いかなる結晶相も持たずに形成される特殊な種類の非晶質材料または金属ガラスであり、低速な臨界冷却速度（例えば１００Ｋ／ｓ未満）、高い材料強度、および高い耐腐食性を示す。バルク金属ガラスは種々の方法、例えば、複数成分の原子が配列して結晶構造を形成するのに十分な時間がない速度での溶融合金の急速固化により製造することができる。高い非晶質形成性をもつ合金はより低速で冷却することが可能で、それにより大きな体積にすることができる。合金の非晶質形成性は、熱特性、すなわちガラス転移温度と結晶化温度との関係により、および液相線温度と理想溶液融点との差により説明される。非晶質形成性は、ガラス転移温度と結晶化温度との差が増大した場合、および液相線温度と理想溶液融点との差が増大した場合に増加する。
【０００４】
非バルク金属ガラスの製造に適した種々の既知な鉄基の非晶質合金組成物は、比較的限定的な非晶質形成性を有し、様々な用途、例えば変圧器、センサー用途、ならびに磁気記録ヘッドおよびデバイスに用いられる。これらのおよびその他の用途は、生産する必要がある非晶質合金のサイズや体積に関して限定的な需要を有する。対照的に、鉄基バルク金属ガラスは、より低速な冷却速度で製造されるように調合することができ、より厚い部材やより複雑な形状を形成することを可能にする。これらの鉄基ＢＧＭは従来の結晶構造をもつ高強度材料をはるかに超える強度および硬度を有し、したがって、高い強度や硬度または高い形成性が要求される用途において構造材料として用いることができる。
【０００５】
ある鉄基バルク金属ガラスは、５０〜７０原子％の範囲の鉄濃度を用いて作られている。半金属元素、たとえば炭素、ホウ素、リンは、耐火金属と共にバルク非晶質合金を形成するために用いられる。合金はミリメートルからの範囲のサイズのシートまたはシリンダーのボリュームにつくることができる。.６オーダーの換算（ｒｅｄｕｃｅｄ）ガラス転移温度および、およそ20Ｋを超える過冷却液体域は、鉄基合金の高い非晶質形成性を示している。
【０００６】
概要
本願は、非常に高い鉄の含有率と高いガラス形成性を持ち、バルク金属ガラス形成に適した鉄基非晶質鋼合金の組成ならびに設計および製造技術を記述する。例えば、本願記載のバルク金属ガラスに適した組成は、５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の半金属元素と、１０〜２５原子％の耐火金属を含み、鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。１つの典型的な鉄基金属ガラス材料の組成は、
Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
であり、ここで（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０(例えば２〜１０)であり、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。１つの具体例は、Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである。
【０００７】
上記組成に基づくバルク金属ガラス材料は、合金元素の濃度に基づいて液相線温度を計算し、組成を最適化することにより設計される。この方法は、ガラス形成性の高い合金を多成分合金の理論相図計算を用いて決定する。
【０００８】
その他の例として、本願は５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含む複合材料を記載する。鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。
【０００９】
ここに開示された組成に基づくバルク金属ガラスの製法を、一例として記載する。まず、鉄、耐火金素、炭素およびホウ素を含む成分の混合物を溶融してインゴットにする（例えば、アーク溶融法を用いる）。溶融した最終のインゴットを固化し、バルク非晶質金属材料を形成する。固化はチル鋳造法を用いて急速になされる。この製造工程を用いて、鉄基合金を最小寸法０．５ｍｍ厚の非晶質試料にすることができる。この工程は、組成の中でも高い鉄含有率と、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却流体域を有するＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２鋼を製造するために用いることもできる。
【００１０】
これらのおよびその他の組成ならびにそれらの特性や製造は、添付の図面、詳細な説明、および請求項に記載されている。
【００１１】
詳細な説明
複数の元素を有し、望ましい材料特性を有するバルク金属ガラス組成物の設計は、様々な元素の相互作用および影響の複雑さのために技術的にいくぶんに難しい。このような複雑な材料において、組成のあらゆる態様における変化、例えば一つの元素の量またはある元素の他の元素による置換は、最終的な金属ガラス材料の特性に重大な影響を及ぼすことがある。このような複雑性により、多くの既知の金属ガラス組成物は、試行錯誤の結果である。本願に記載されている鉄基金属ガラス組成は、系統的なアプローチにより、鉄と組み合わせて用いる半金属と耐火金属元素を選別し、高いガラス形成性をもつ組成を探索することで設計された。高いガラス形成性は、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との大きな差、および液相線温度と理想溶液融点（混合物中の様々な元素の融点の加重平均）の大きな差によって表される。
【００１２】
特定のバルク金属ガラスを設計するこのアプローチでは、液相線温度を、バルク金属ガラスの成分として選ばれた、様々な合金化元素の濃度に基づいて計算する。次にそれぞれの得られた液相線に基づいて組成物を最適化する。鉄基合金に添加される耐火金属元素、例えばモリブデンやクロムの濃度も最適化し、最終的な合金が１）高濃度の添加耐火材料による高いまたは最高の粘性、および２）低いまたは最低の液相線温度を持つようにする。低い液相線温度および高い理想溶液融点を達成するように組成物を選択するので、候補の組成物は液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ。このような候補の組成物は、液相線相を広い温度域に渡って保持し、その温度域内で比較的低速の冷却工程を用いて、バルク材料中に非晶質相を得ることができる。液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ候補の組成物のうち、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との間に大きな差をもつ組成物は、最終的な金属ガラス組成物の候補として更に判定と選別がなされる。この数値的および系統的な設計アプローチは、実在の非晶質合金の組成物を予測するにあたってよく機能し、後述の例の組成物を設計するために用いられた。
【００１３】
上記設計アプローチの応用の一つは、比較的安価で、広く利用可能な金属鉄をベースにした金属ガラス組成物である。このような鉄基金属ガラス材料は、良好なガラス形成性を合理的な低価格で達成するように設計でき、大量生産と幅広い種類での使用を可能にする。ここに記載された鉄リッチ非晶質合金の組成物は、中程度の冷却速度を用いて非晶質相に達し、したがってバルク金属ガラス材料を形成するのに用いることができる。ここに記載したこのようなバルク金属ガラスのいくつかの例は、鉄の含有率がおよそ５９〜７０原子百分率であり、非晶質鋼ともいわれている。これらの例において、鉄はさらに１０〜２０原子％の半金属元素と１０〜２５原子％の耐火金属と共に合金化される。組成物は液相線温度の理論計算を用いて選択される。合金は十分な量の耐火金属を含み、非晶質相を安定化するように設計され、一方で降下した液相線温度を引き続き維持する。いくつかの実施例において、主要な合金化元素はモリブデン、タングステン、クロム、ホウ素、そして炭素であろう。得られる合金の一部は室温において強磁性であるが、他は非強磁性である。これらの非晶質鋼は、従来の高強度鋼と比較して、高い比強度と耐腐食性を有している。これらの合金の非晶質構造は、独特な物理的および機械的特性をこれら合金に与えるが、これらは結晶質合金の形態では得られない。
【００１４】
特に、ここに記載された組成物は、他の鉄基バルク金属ガラス材料よりも高い鉄含有率を有し、材料を低速な冷却速度で非晶質にするために他の鉄基バルク金属ガラス材料においてみられる高価な合金化元素を用いない。本願の非晶質鋼の組成物は、その他の鉄基バルク金属ガラスよりも普通の鋼合金の組成にかなり近く、したがって現存する製鋼技術、工程および装置を含んだ、種々の製鋼技術、工程および装置を用いることによる生産を規模拡大するのに魅力的である。対照的に、種々の市販バルク金属ガラスはＺｒ基材料を用いており、したがって生産するのに高価である。本願の組成物は最も安価で広く利用可能な金属元素の一つである鉄を主要成分として用いるので材料のコストをかなり低減させる。
【００１５】
本願における組成物の１つの組成は、以下のように表現することができる。
【００１６】
Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
ここで、下付き文字パラメータは様々な元素の相対原子％を表す。先述の系統的な設計アプローチに基づいて、元素の相対量は以下の条件で限定される。（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。それに加えて、a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。この組成に基づく１つの非晶質材料は、ｄ＝１２およびｅ＝１０である場合のＦｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである。
【００１７】
上記の組成物に基づく合金は高純度元素の混合物を溶融することにより製造される。例えば、溶融はアーク炉内、アルゴン雰囲気下でなされる。合金インゴットをメインの金属元素としての鉄、クロム、タングステン、およびモリブデンといった耐火元素、ならびに、炭素およびホウ素といった半金属からつくる。特定量のこれらの元素を、上記の規定に基づいて選択する。所定の相対量をもつこれらの元素の混合物を共に溶解し、例えば、アーク溶融および他の溶融を用いてインゴットを形成する。インゴットを数回再溶融してインゴットの均質性を高めた後、チル鋳造鋳型に鋳造して、所望の形状を非晶質構造製造する。溶融は電気炉、誘導溶融炉、または何らかの他の溶融法でなされ、先述の組成物中の元素をともに溶融させる。溶融のための熱は種々の手法、例えば、誘導加熱、炉加熱、または電気溶融により発生する。
【００１８】
例えば、アーク溶融法を用いて以下のバルク金属ガラス材料の試料を少なくとも０．６３５ｍｍの寸法で良好に製造した。Ｆｅ６８Ｃ10Ｂ10Ｃｒ4Ｍｏ6Ｗ2Ｙ2, Ｆｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ7Ｗ３Ｙ２, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２, Ｆｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ４, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３, Ｆｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３，およびＦｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３。試料を銅スリーブへ吸引鋳造した。０．０２５”と０．０５０”の異なる厚さを有する２種類のスリーブを用いた。鋳造合金の非晶質性を、Ｘ線回折を用いて確かめた。熱特性を示差熱分析器（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）、熱機械分析器（ＴＭＡ）を用いて得た。２部類の鉄リッチ非晶質鋼を製造した。１つの部類はイットリウムを含有し、もう一つはイットリウムがない。イットリウムを用いずに製造された合金は、低い製造コストの点からみて最適な合金を代表する。それに加えて、これら合金は酸化に対して比較的耐性がある元素からなり、さらにそれらの製造可能性を高める。
【００１９】
図１〜図７に、これら試料の種々の測定結果を示す。図１〜図５は試料の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンである。図６はＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の組成を持つ試料について測定されたＴＭＡのデータである。垂直軸はＴＭＡプローブの位置で、プローブが降下する地点を、ガラス転移温度Ｔｇの指標として用いている。図７はＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２についての示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、垂直軸は測定の間に使われた熱流量である。ＤＴＡにおける鋭い転移は、反応が生じるときを示し（吸熱か発熱のいずれか）、結晶化または溶融、およびガラス転移を反映する開始時の非常に小さな転移をも表示する。図７における特定のＤＴＡ分析は、ガラス転移温度（Ｔｇ）と結晶化温度（Ｔｘ１）との間の差が５０Ｋを超えていることを示し、これは良好なガラス形成能の指標である。
【００２０】
ここに記載した非晶質鋼の組成物は、他者によって造られた非晶質鋼よりも高レベルの鉄を安価な耐火金属および半金属元素と組み合わせている。それゆえに、このような高鉄含有率の非晶質鋼の適用は、その他の非晶質鋼よりも従来の高強度構造鋼と置き換えるののに有利である。特に、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の組成物は６８原子％の高い鉄含有率を有し、安価な合金化元素であるＣ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷを用いて、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却液体域を示す。それゆえに、この組成物は工業用途でのバルク生産に適している。
【００２１】
本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、広範な用途に用いることができる。これらの材料の比較的高い非晶質形成性は、これらを広範な用途で望ましい材料にする。これらの用途は限定されるわけではないが以下のものを含む。スポーツ用品、例えばテニスラケットの補強材、野球のバット、ゴルフクラブヘッド、消費者向けおよび他のエレクトロニクス、例えばデバイスケース、アンテナ、およびモバイルデバイス、例えばノートブックコンピューター、携帯電話、ポータブルＰＤＡ、ＭＰ３プレイヤー、ポータブルメモリーデバイス、マルチメディアプレイヤーに用いられる高強度、軽量のコンポーネントおよび部品の熱的解決策、航空電子デバイスのコンポーネントおよび部品、ならびに自動車の部品およびデバイス。本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、種々の航空宇宙、工業、および自動車の用途、例えばスプリングおよびアクチエーター、ならびに種々の耐腐食性の用途において、チタンおよびその他の特殊合金に対する低コスト代替物として用いることもできる。それに加えて、この組成物は地雷の磁気起爆を避けるための、軍事的な用途において非強磁性構造材料を形成するのに用いることもできる。さらに、本発明の組成物は生体医療のインプラント、変圧器の鉄心その他にも用いることができる。多くの他の構造材料用途が確かに可能である。
【００２２】
要約すれば、ほんの数個の実施例しか開示しているにすぎない。しかしながら、変形と強化がなされることが理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。ａ）Ｆｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｂ）Ｆｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｃ）Ｆｅ５９Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ３, ｄ）Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｅ）Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｍｏ１０Ｃｒ５Ｗ２, ｆ）Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃ４Ｍｏ６Ｗ２，およびｇ）Ｆｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３。ここで、垂直軸は回折シグナルの測定強度であり、水平軸は測定角で、これは回折角の二倍である。
【図２】図２は、(Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ６Ｗ2)９８Ｙ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図３】図３は、(Ｆｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ７Ｗ３)９８Ｙ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図４】図４は、Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図５】図５は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図６】図６は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の熱機械分析（ＴＭＡ）結果を示し、ガラス転移温度Ｔｇを矢印で表示している。
【図７】図７は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、ガラス転移温度と結晶化温度を矢印で表示している。
【発明の開示】
【０００１】
本願は「安価な非晶質鋼」の名称で２００４年９月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／６１３，７８０号の優先権を主張する。
【０００２】
背景
本願は非晶質金属元素およびバルク金属ガラス（ＢＭＧ）の組成物に関する。
【０００３】
複数成分でつくられた非晶質金属材料は、非晶質構造を有する非晶質であり、また「金属のガラス」材料としても知られている。これらの材料は、構造および挙動において、結晶構造を有する多くの金属材料と非常に異なっている。特に、非晶質金属材料は通常、同一または類似組成の結晶質合金よりも強度がある。バルク金属ガラスは液体状態から直接、いかなる結晶相も持たずに形成される特殊な種類の非晶質材料または金属ガラスであり、低速な臨界冷却速度（例えば１００Ｋ／ｓ未満）、高い材料強度、および高い耐腐食性を示す。バルク金属ガラスは種々の方法、例えば、複数成分の原子が配列して結晶構造を形成するのに十分な時間がない速度での溶融合金の急速固化により製造することができる。高い非晶質形成性をもつ合金はより低速で冷却することが可能で、それにより大きな体積にすることができる。合金の非晶質形成性は、熱特性、すなわちガラス転移温度と結晶化温度との関係により、および液相線温度と理想溶液融点との差により説明される。非晶質形成性は、ガラス転移温度と結晶化温度との差が増大した場合、および液相線温度と理想溶液融点との差が増大した場合に増加する。
【０００４】
非バルク金属ガラスの製造に適した種々の既知な鉄基の非晶質合金組成物は、比較的限定的な非晶質形成性を有し、様々な用途、例えば変圧器、センサー用途、ならびに磁気記録ヘッドおよびデバイスに用いられる。これらのおよびその他の用途は、生産する必要がある非晶質合金のサイズや体積に関して限定的な需要を有する。対照的に、鉄基バルク金属ガラスは、より低速な冷却速度で製造されるように調合することができ、より厚い部材やより複雑な形状を形成することを可能にする。これらの鉄基ＢＧＭは従来の結晶構造をもつ高強度材料をはるかに超える強度および硬度を有し、したがって、高い強度や硬度または高い形成性が要求される用途において構造材料として用いることができる。
【０００５】
ある鉄基バルク金属ガラスは、５０〜７０原子％の範囲の鉄濃度を用いて作られている。半金属元素、たとえば炭素、ホウ素、リンは、耐火金属と共にバルク非晶質合金を形成するために用いられる。合金はミリメートルからの範囲のサイズのシートまたはシリンダーのボリュームにつくることができる。.６オーダーの換算（ｒｅｄｕｃｅｄ）ガラス転移温度および、およそ20Ｋを超える過冷却液体域は、鉄基合金の高い非晶質形成性を示している。
【０００６】
概要
本願は、非常に高い鉄の含有率と高いガラス形成性を持ち、バルク金属ガラス形成に適した鉄基非晶質鋼合金の組成ならびに設計および製造技術を記述する。例えば、本願記載のバルク金属ガラスに適した組成は、５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の半金属元素と、１０〜２５原子％の耐火金属を含み、鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。１つの典型的な鉄基金属ガラス材料の組成は、
Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
であり、ここで（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０(例えば２〜１０)であり、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。１つの具体例は、Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである。
【０００７】
上記組成に基づくバルク金属ガラス材料は、合金元素の濃度に基づいて液相線温度を計算し、組成を最適化することにより設計される。この方法は、ガラス形成性の高い合金を多成分合金の理論相図計算を用いて決定する。
【０００８】
その他の例として、本願は５９〜７０原子％の鉄と、１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含む複合材料を記載する。鉄と、半金属元素と耐火金属は互いに合金化されて非晶質相材料を形成する。
【０００９】
ここに開示された組成に基づくバルク金属ガラスの製法を、一例として記載する。まず、鉄、耐火金素、炭素およびホウ素を含む成分の混合物を溶融してインゴットにする（例えば、アーク溶融法を用いる）。溶融した最終のインゴットを固化し、バルク非晶質金属材料を形成する。固化はチル鋳造法を用いて急速になされる。この製造工程を用いて、鉄基合金を最小寸法０．５ｍｍ厚の非晶質試料にすることができる。この工程は、組成の中でも高い鉄含有率と、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却流体域を有するＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２鋼を製造するために用いることもできる。
【００１０】
これらのおよびその他の組成ならびにそれらの特性や製造は、添付の図面、詳細な説明、および請求項に記載されている。
【００１１】
詳細な説明
複数の元素を有し、望ましい材料特性を有するバルク金属ガラス組成物の設計は、様々な元素の相互作用および影響の複雑さのために技術的にいくぶんに難しい。このような複雑な材料において、組成のあらゆる態様における変化、例えば一つの元素の量またはある元素の他の元素による置換は、最終的な金属ガラス材料の特性に重大な影響を及ぼすことがある。このような複雑性により、多くの既知の金属ガラス組成物は、試行錯誤の結果である。本願に記載されている鉄基金属ガラス組成は、系統的なアプローチにより、鉄と組み合わせて用いる半金属と耐火金属元素を選別し、高いガラス形成性をもつ組成を探索することで設計された。高いガラス形成性は、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との大きな差、および液相線温度と理想溶液融点（混合物中の様々な元素の融点の加重平均）の大きな差によって表される。
【００１２】
特定のバルク金属ガラスを設計するこのアプローチでは、液相線温度を、バルク金属ガラスの成分として選ばれた、様々な合金化元素の濃度に基づいて計算する。次にそれぞれの得られた液相線に基づいて組成物を最適化する。鉄基合金に添加される耐火金属元素、例えばモリブデンやクロムの濃度も最適化し、最終的な合金が１）高濃度の添加耐火材料による高いまたは最高の粘性、および２）低いまたは最低の液相線温度を持つようにする。低い液相線温度および高い理想溶液融点を達成するように組成物を選択するので、候補の組成物は液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ。このような候補の組成物は、液相線相を広い温度域に渡って保持し、その温度域内で比較的低速の冷却工程を用いて、バルク材料中に非晶質相を得ることができる。液相線温度と理想溶液融点との間に大きな差を持つ候補の組成物のうち、低いガラス転移温度と高い結晶化温度との間に大きな差をもつ組成物は、最終的な金属ガラス組成物の候補として更に判定と選別がなされる。この数値的および系統的な設計アプローチは、実在の非晶質合金の組成物を予測するにあたってよく機能し、後述の例の組成物を設計するために用いられた。
【００１３】
上記設計アプローチの応用の一つは、比較的安価で、広く利用可能な金属鉄をベースにした金属ガラス組成物である。このような鉄基金属ガラス材料は、良好なガラス形成性を合理的な低価格で達成するように設計でき、大量生産と幅広い種類での使用を可能にする。ここに記載された鉄リッチ非晶質合金の組成物は、中程度の冷却速度を用いて非晶質相に達し、したがってバルク金属ガラス材料を形成するのに用いることができる。ここに記載したこのようなバルク金属ガラスのいくつかの例は、鉄の含有率がおよそ５９〜７０原子百分率であり、非晶質鋼ともいわれている。これらの例において、鉄はさらに１０〜２０原子％の半金属元素と１０〜２５原子％の耐火金属と共に合金化される。組成物は液相線温度の理論計算を用いて選択される。合金は十分な量の耐火金属を含み、非晶質相を安定化するように設計され、一方で降下した液相線温度を引き続き維持する。いくつかの実施例において、主要な合金化元素はモリブデン、タングステン、クロム、ホウ素、そして炭素であろう。得られる合金の一部は室温において強磁性であるが、他は非強磁性である。これらの非晶質鋼は、従来の高強度鋼と比較して、高い比強度と耐腐食性を有している。これらの合金の非晶質構造は、独特な物理的および機械的特性をこれら合金に与えるが、これらは結晶質合金の形態では得られない。
【００１４】
特に、ここに記載された組成物は、他の鉄基バルク金属ガラス材料よりも高い鉄含有率を有し、材料を低速な冷却速度で非晶質にするために他の鉄基バルク金属ガラス材料においてみられる高価な合金化元素を用いない。本願の非晶質鋼の組成物は、その他の鉄基バルク金属ガラスよりも普通の鋼合金の組成にかなり近く、したがって現存する製鋼技術、工程および装置を含んだ、種々の製鋼技術、工程および装置を用いることによる生産を規模拡大するのに魅力的である。対照的に、種々の市販バルク金属ガラスはＺｒ基材料を用いており、したがって生産するのに高価である。本願の組成物は最も安価で広く利用可能な金属元素の一つである鉄を主要成分として用いるので材料のコストをかなり低減させる。
【００１５】
本願における組成物の１つの組成は、以下のように表現することができる。
【００１６】
Ｆｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
ここで、下付き文字パラメータは様々な元素の相対原子％を表す。先述の系統的な設計アプローチに基づいて、元素の相対量は以下の条件で限定される。（ａ+ｂ+ｃ）≦１７であって、「ａ」の範囲が０〜１０、「ｂ」が２〜８であり、「ｃ」が０〜６であり、「ｄ」が１０〜２０であり、「ｅ」が３〜１０である。それに加えて、a、b、c、d、およびeの値は、鉄の原子百分率が５９原子％を超えるように選択される。この組成に基づく１つの非晶質材料は、ｄ＝１２およびｅ＝１０である場合のＦｅ７８―ａ―ｂ―ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである。
【００１７】
上記の組成物に基づく合金は高純度元素の混合物を溶融することにより製造される。例えば、溶融はアーク炉内、アルゴン雰囲気下でなされる。合金インゴットをメインの金属元素としての鉄、クロム、タングステン、およびモリブデンといった耐火元素、ならびに、炭素およびホウ素といった半金属からつくる。特定量のこれらの元素を、上記の規定に基づいて選択する。所定の相対量をもつこれらの元素の混合物を共に溶解し、例えば、アーク溶融および他の溶融を用いてインゴットを形成する。インゴットを数回再溶融してインゴットの均質性を高めた後、チル鋳造鋳型に鋳造して、所望の形状を非晶質構造製造する。溶融は電気炉、誘導溶融炉、または何らかの他の溶融法でなされ、先述の組成物中の元素をともに溶融させる。溶融のための熱は種々の手法、例えば、誘導加熱、炉加熱、または電気溶融により発生する。
【００１８】
例えば、アーク溶融法を用いて以下のバルク金属ガラス材料の試料を少なくとも０．６３５ｍｍの寸法で良好に製造した。Ｆｅ６８Ｃ10Ｂ10Ｃｒ4Ｍｏ6Ｗ2Ｙ2, Ｆｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ7Ｗ３Ｙ２, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２, Ｆｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ４, Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３, Ｆｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３，およびＦｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３。試料を銅スリーブへ吸引鋳造した。０．０２５”と０．０５０”の異なる厚さを有する２種類のスリーブを用いた。鋳造合金の非晶質性を、Ｘ線回折を用いて確かめた。熱特性を示差熱分析器（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）、熱機械分析器（ＴＭＡ）を用いて得た。２部類の鉄リッチ非晶質鋼を製造した。１つの部類はイットリウムを含有し、もう一つはイットリウムがない。イットリウムを用いずに製造された合金は、低い製造コストの点からみて最適な合金を代表する。それに加えて、これら合金は酸化に対して比較的耐性がある元素からなり、さらにそれらの製造可能性を高める。
【００１９】
図１〜図７に、これら試料の種々の測定結果を示す。図１〜図５は試料の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンである。図６はＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の組成を持つ試料について測定されたＴＭＡのデータである。垂直軸はＴＭＡプローブの位置で、プローブが降下する地点を、ガラス転移温度Ｔｇの指標として用いている。図７はＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２についての示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、垂直軸は測定の間に使われた熱流量である。ＤＴＡにおける鋭い転移は、反応が生じるときを示し（吸熱か発熱のいずれか）、結晶化または溶融、およびガラス転移を反映する開始時の非常に小さな転移をも表示する。図７における特定のＤＴＡ分析は、ガラス転移温度（Ｔｇ）と結晶化温度（Ｔｘ１）との間の差が５０Ｋを超えていることを示し、これは良好なガラス形成能の指標である。
【００２０】
ここに記載した非晶質鋼の組成物は、他者によって造られた非晶質鋼よりも高レベルの鉄を安価な耐火金属および半金属元素と組み合わせている。それゆえに、このような高鉄含有率の非晶質鋼の適用は、その他の非晶質鋼よりも従来の高強度構造鋼と置き換えるののに有利である。特に、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の組成物は６８原子％の高い鉄含有率を有し、安価な合金化元素であるＣ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、およびＷを用いて、およそ５０Ｋよりも大きな、広い過冷却液体域を示す。それゆえに、この組成物は工業用途でのバルク生産に適している。
【００２１】
本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、広範な用途に用いることができる。これらの材料の比較的高い非晶質形成性は、これらを広範な用途で望ましい材料にする。これらの用途は限定されるわけではないが以下のものを含む。スポーツ用品、例えばテニスラケットの補強材、野球のバット、ゴルフクラブヘッド、消費者向けおよび他のエレクトロニクス、例えばデバイスケース、アンテナ、およびモバイルデバイス、例えばノートブックコンピューター、携帯電話、ポータブルＰＤＡ、ＭＰ３プレイヤー、ポータブルメモリーデバイス、マルチメディアプレイヤーに用いられる高強度、軽量のコンポーネントおよび部品の熱的解決策、航空電子デバイスのコンポーネントおよび部品、ならびに自動車の部品およびデバイス。本発明の組成物に基づく鉄リッチ材料は、種々の航空宇宙、工業、および自動車の用途、例えばスプリングおよびアクチエーター、ならびに種々の耐腐食性の用途において、チタンおよびその他の特殊合金に対する低コスト代替物として用いることもできる。それに加えて、この組成物は地雷の磁気起爆を避けるための、軍事的な用途において非強磁性構造材料を形成するのに用いることもできる。さらに、本発明の組成物は生体医療のインプラント、変圧器の鉄心その他にも用いることができる。多くの他の構造材料用途が確かに可能である。
【００２２】
要約すれば、ほんの数個の実施例しか開示しているにすぎない。しかしながら、変形と強化がなされることが理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。ａ）Ｆｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｂ）Ｆｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｃ）Ｆｅ５９Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ３, ｄ）Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３, ｅ）Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｍｏ１０Ｃｒ５Ｗ２, ｆ）Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃ４Ｍｏ６Ｗ２，およびｇ）Ｆｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３, Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３。ここで、垂直軸は回折シグナルの測定強度であり、水平軸は測定角で、これは回折角の二倍である。
【図２】図２は、(Ｆｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ６Ｗ2)９８Ｙ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図３】図３は、(Ｆｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ７Ｗ３)９８Ｙ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図４】図４は、Ｆｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図５】図５は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の非晶質構造を示す測定されたＸ線回折パターンを示す。
【図６】図６は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の熱機械分析（ＴＭＡ）結果を示し、ガラス転移温度Ｔｇを矢印で表示している。
【図７】図７は、Ｆｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２の示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示し、ガラス転移温度と結晶化温度を矢印で表示している。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｆｅ７８-ａ−ｂ−ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
で定義される複数の成分を含み、
(ａ＋ｂ＋ｃ)≦１７であって、ａの範囲が０〜１０であり、ｂが２〜８であり、ｃが０〜６であり、ｄが１０〜２０であり、ｅが３〜１０であって、鉄の原子百分率が５９原子％を超過するように、a、b、ｃ、dおよびｅの値を選択した、複合材料。
【請求項２】
さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ６Ｗ２Ｙ２である、請求項１記載の材料。
【請求項３】
さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ７Ｗ３Ｙ２である、請求項１記載の材料。
【請求項４】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項５】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２である、請求項１記載の材料。
【請求項６】
成分の組成がＦｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項７】
成分の組成がＦｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項８】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ４である、請求項１記載の材料。
【請求項９】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１０】
成分の組成がＦｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１１】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１２】
成分の組成がＦｅ５９Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１３】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１４】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃ４Ｍｏ６Ｗ２である、請求項１記載の材料。
【請求項１５】
成分の組成がＦｅ７８−ａ−ｂ−ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである、請求項１記載の材料。
【請求項１６】
成分の混合物を溶融してインゴットにし、
インゴットを再溶融して均質な溶融合金を製造し、
溶融インゴットを固化してバルクの非晶質材料を形成する
ことを含む請求項１記載の材料の製造方法。
【請求項１７】
アーク溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
誘導溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
５９〜７０原子％の鉄と、
１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、
１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含み、
鉄、半金属元素および耐火金属を互いに合金化して非晶質材料を形成している、複合材料。
【請求項２０】
さらにイットリウムを含み、これを鉄、半金属元素および耐火金属と共に合金化している、請求項１９記載の材料。
【請求項２１】
半金属元素がＣおよびＢを含む、請求項１９記載の材料。
【請求項２２】
耐火金属がＣｒ、ＷおよびＭｏを含む、請求項１９記載の材料。
【請求項１】
Ｆｅ７８-ａ−ｂ−ｃＣｄＢｅＣｒａＭｏｂＷｃ
で定義される複数の成分を含み、
(ａ＋ｂ＋ｃ)≦１７であって、ａの範囲が０〜１０であり、ｂが２〜８であり、ｃが０〜６であり、ｄが１０〜２０であり、ｅが３〜１０であって、鉄の原子百分率が５９原子％を超過するように、a、b、ｃ、dおよびｅの値を選択した、複合材料。
【請求項２】
さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ６Ｗ２Ｙ２である、請求項１記載の材料。
【請求項３】
さらにＹを含み、成分の組成がＦｅ５７Ｃ１０Ｂ１０Ｃｒ１３Ｍｏ７Ｗ３Ｙ２である、請求項１記載の材料。
【請求項４】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｃｒ４Ｍｏ１０Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項５】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１２Ｂ３Ｃｒ５Ｍｏ１０Ｗ２である、請求項１記載の材料。
【請求項６】
成分の組成がＦｅ６０Ｃ１５Ｂ８Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項７】
成分の組成がＦｅ６０Ｃ１８Ｂ５Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項８】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ７Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ４である、請求項１記載の材料。
【請求項９】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ３Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１０】
成分の組成がＦｅ６４Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１１】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ８Ｍｏ１１Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１２】
成分の組成がＦｅ５９Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃｒ５Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１３】
成分の組成がＦｅ６１Ｃ１２Ｂ１０Ｍｏ１０Ｃｒ４Ｗ３である、請求項１記載の材料。
【請求項１４】
成分の組成がＦｅ６８Ｃ１０Ｂ１０Ｍｏ１１Ｃ４Ｍｏ６Ｗ２である、請求項１記載の材料。
【請求項１５】
成分の組成がＦｅ７８−ａ−ｂ−ｃＣ12Ｂ10ＣｒａＭｏｂＷｃである、請求項１記載の材料。
【請求項１６】
成分の混合物を溶融してインゴットにし、
インゴットを再溶融して均質な溶融合金を製造し、
溶融インゴットを固化してバルクの非晶質材料を形成する
ことを含む請求項１記載の材料の製造方法。
【請求項１７】
アーク溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
誘導溶融法を用いて溶融を行う、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
５９〜７０原子％の鉄と、
１０〜２０原子％の複数の半金属元素と、
１０〜２５原子％の複数の耐火金属を含み、
鉄、半金属元素および耐火金属を互いに合金化して非晶質材料を形成している、複合材料。
【請求項２０】
さらにイットリウムを含み、これを鉄、半金属元素および耐火金属と共に合金化している、請求項１９記載の材料。
【請求項２１】
半金属元素がＣおよびＢを含む、請求項１９記載の材料。
【請求項２２】
耐火金属がＣｒ、ＷおよびＭｏを含む、請求項１９記載の材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２００８−５１４８１５（Ｐ２００８−５１４８１５Ａ）
【公表日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３３７７９（Ｐ２００７−５３３７７９）
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３４９８３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０３７０９３
【国際公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（５９２０３４５４８）ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・カリフォルニア (8)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ
【公表日】平成２０年５月８日（２００８．５．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２７日（２００５．９．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３４９８３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０３７０９３
【国際公開日】平成１８年４月６日（２００６．４．６）
【出願人】（５９２０３４５４８）ザ・リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・カリフォルニア (8)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ
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