JPS597773B2 - チタン−ベリリウム基非晶質合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は非品質合金、特にベリリウムーチタンージル
コニウム系の高強度低密度組成物に関する。

或る種の金属合金組成物から固体の非品質材料が得られ
ることは研究が示している。

非晶質材料は実質的に如何なる長さ範囲の秩序も欠きそ
してＸ線回折像の強度が回折角と共に緩かに変化するこ
とによって特徴づけられる。

この様なＸ線図は定性的には液体または普通の窓ガラス
の回折像に類似する。

これは回折像の強度が回折角と共に急速に変化するＸ線
図を与える結晶性材料と対照的である。

これらの非品質金属は準安定状態にある。

充分高い温度に加熱するとそれは晶化熱を発生しつつ結
晶化しそのＸ線回折図は非晶質特性をもつものから結晶
性特性をもつものへ変化する。

新規の非品質合金が１９７４年１２月２４日公布の米国
特許第３８５６５１３号でＨ．Ｓ．チェン及びＤ．Ｅ．
ポークにより開示され権利請求されている。

これらの非晶質合金は式ＭａＹｂＺｃをもち、ここにＭ
は鉄、ニッケル、コバルト、クロム及びバナジンの群か
ら選ばれた少くとも一つの金属であり、Ｙは燐、ほう素
および炭素からなる群から選ばれた少くとも一つの元素
であり、Ｚはアルミニウム、アンチモン、ベリリウム、
ケルマ？ウム、インジウム、すず及びけい素からなる群
から選ばれた少くとも一つの元素であり、ａは約６０〜
９０原子係の範囲にあり、ｂは約１０〜３０原子係の範
囲にあり、Ｃは約０．１〜１５原子係の範囲にある。

これらの非晶質合金はリボン状物、層状物、針金、粉体
等を含む広い種類の用途に適することが見出されている
。

また式Ｔ ｉ Ｘ ｊをもつ非晶質合金も開示され特許
請求されており、ここにＴは少くも１種の遷移金属、Ｘ
はアルミニウム、アンチモン、ベリリウム、ほう素、ゲ
ルマニウム、炭素、インジウム、燐、けい素及びすすよ
りなる群から選ばれた少くとも１種の元素であり、ｉは
約７０〜８７原子係、ｊは約１３〜３０原子係の範囲に
ある。

これらの金属は針金の用途に適することが見出されてい
る。

これらの合金が発見された当時はその項知られてい仁多
結晶性合金よりも勝れた機械的性質を現わしていた。

この様な勝れた機械的性質には３５万ｐｓｉまでの極限
抗張強力、約６５０〜７５０ｋ９／ｍｙＭの硬度値（Ｄ
ＰＨ）及び良好な延性がある。

それにも拘らず向上した磁気的、物理的および機械的性
質およびより高い熱安定性を要求する新しい応用が別の
組成物を開発する努力を必要としている。

もつと特定的にいえば、構造用途に適する高強度低密度
材料に対する要請が残っている。

本発明によれば高強度低密度非品質合金が式ＢｅａＴｉ
ｂｚｒｏＸｄの組成から形成される、ここにＸは周期表
の第ＩＢ〜■Ｂ族及び市族の第４，５，６列に表示され
た遷移金属並びに燐、ほう素、炭素、アルミニウム、け
い素、すす、ゲルマニウム、インジウム及びアンチモン
なる半金属元素よりなる群から選ばれた少くも１種の追
加的合金元素であり、ａは３０〜５２原子係に変り、ｂ
は０〜６８原子係、Ｃは０〜７０原子係、ｄは０〜１０
原子係に変る。

この式に包含される２種の合金は（Ｉ）チタン約４８〜
６８原子係、ベリリウム約３２〜５２原子係、及びべＩ
Ｊ ＩＪウムの最高約１０原子係までが、周期表の第Ｉ
Ｂ〜■Ｂ族及び■族の第４，５，６列に表示された遷移
金属並びに燐、ほう素、炭素、アルミニウム、けい素、
すす、ゲルマニウム、インジウム及びアンチモンなる半
金属元素よりなる群から選ばれた少くも１種の追加的合
金元素により取換えられた組成から形成されるものであ
る。

好まし《は非晶質チタンーベリリウム基礎の合金はチタ
ン約５０〜６１原子係、ベリリウム約３７〜４１原子係
並びに、アルミニウム、ほう素、タンタル及びジルコニ
ウムよりなる群から選ばれた少くも１種の元素約２−１
０原子係をもつ組成物から形成される。

またチタン約５８−６８原子係及びべＩＪ ＩＪウム約
３２−４２原子係をもつ組成から形成される非晶質チタ
ンーベリリウムニ成分合金も好適である。

本発明による組成物の第２種（社）は座標としてＢｅの
原子係、Ｔｉの原子係およびＺｒの原子係をもつ三元ダ
イアグラム上の一領域内に限定される組成であって、そ
の領域は （ａ）３０％Ｂｅ ， Ｏ％Ｔｉ ，７０％Ｚｒ（ｂ
）５０％Ｂｅ ， ０％Ｔｉ ，５０％Ｚｒ（ｃ）５
０％Ｂｅ ，４０％Ｔｉ ，１０％Ｚｒ（ｄ）４２％Ｂ
ｅ，５６％Ｔｉ， ２％Ｚｒ（ｅ）３６％Ｂｅ，６２
％Ｔｉ， ２％Ｚｒによって確定される５点を角隅に
もつ多角形によって定義される。

本発明の合金は約２８〜６０×１０５ｃ７７Ｚの比強度
を示す。

また本発明の合金はＸ線廻折で測定して少くとも５０係
非晶質でありそして好ましくは実質的に非晶質即ち少《
とも８０係非晶質であり、最も好ましくは約１００係非
晶質である。

非品質合金は所望の組成の溶融物を形成しそして溶融合
金を不活性雰囲気または部分的真空中の急冷車輪上に流
込むことによって約１０５〜１０６℃／秒の速さで急冷
することによって造られる。

本発明によれば高強度低密度の非晶質合金が式ＢｅａＴ
ｉｂＺｒｏＸｄなる組成物から造られる。

ここにＸは周期表の第ＩＢ〜■Ｂ族および第■Ｂ族の第
４．５，６列に表示された遷移金属並びに燐、ほう素、
炭素、アルミニウム、けい素、すす、ゲルマニウム、イ
ンジウム及びアンチモンなる半金属元素よりなる群から
選ばれた少《も１種の追加的合金元素であり、ａは３０
−５２原子係に変り、ｂはＯ〜６８原子係、ＣはＯ−７
０原子係、ｄはＯ−１０原子係に変る。

本発明の非品質合金はＢｅ約３０−５２原子係、チタン
〇一約６８原子係、Ｚｒ Ｏ〜約７０原子係、及び遷移
金属元素および半金属よりなる群より選ばれた最大約１
０原子係までの１種の追加的合金元素を含む。

遷移元素は周期表の第ＩＢ−■Ｂ族及び第８族の第４，
５，６列に表示されたものである。

半金属元素には燐、ほう素、炭素、アルミニウム、けい
素、すす、ゲルマニウム、インジウム及びアンチモンを
含む。

好ましい追加的合金元素の例にはほう素、アルミニウム
、タンタル及びジルコニウムがある。

好ましい種類としては非晶質合金は本質的にチタン約５
０〜６１原子係、ベリリウム３７〜４１原子係、並びに
アルミニウム、ほうそ、タンタル及びジルコニウムより
なる群から選ばれた少《も一元素約２〜１０原子係より
なる組成を有する。

すべての元素の純度は通常の業界実務で見出される程度
である。

第１図は三成分組成相図であるがこの種類に合致するガ
ラス形成領域を表わす。

多角形ａ−ｂ −ｃ − ｄ−ａで指定したこの領域は
高強度、良展性および低密度をもつガラス形成組成を包
囲する。

特定的にいえば第１種の無定形合金は本質的にチタン約
５８−６８原子係とべリリウム約３２＝４２原子係とよ
りなる二成分組成を有する。

この様な好ましい合金は高強度と低密度を示し従って高
い強度対重量比を生じる。

第１，２図において好ましい範囲は線ａ − ｅで表わ
される。

二成分系について実現される高い強度対重量比の結果と
して、加えられる如何なる追加の合金元素もこの好まし
い強度対重量比を保持するために比較的低密度であるこ
とが好ましい。

前記式で考えられる合金の第２種（ロ）は座標としてＢ
ｅ原子係、Ｔｉ原子係およびＺｒ原子係をもつ三成分図
上の一領域内に限定されその領域は （ａ）３０％Ｂｅ ， ０％Ｔｉ ，７０％Ｚｒ（ｂ
）５０％Ｂｅ ， ０％Ｔｉ ，５０％Ｚｒ（ｃ）５
０％Ｂｅ ，４０％Ｔｉ ，１ ０％Ｚｒ（ｄ）４２％
Ｂｅ ，５６％Ｔｉ ， ２％Ｚｒ（ｅ）３６％Ｂｅ
，６２％Ｔｉ， ２％Ｚｒで定義される５点を角隅に
もつ多角形により限定されている。

第３図は三成分組成相図であるが、本発明の第２種（社
）のガラス形成領域を表わす。

多角形ａ−ｂ一ｃ − ｄ − ｅ−ａで指定されるこ
の領域は高強度、低密度および良展性をもつガラス形成
組成を包囲する。

強度対重量比における実質的向上を示す非品質合金は式
Ｂｅ４ｏＴｉ６ｏ−ＸＺｒｘで表わされここにＸは約２
〜６０原子係である。

これらの合金は図中線ｆ−ｇで表わされ好適なものであ
る。

Ｘの低い値、即ち約２〜約１０原子係に対しては約６３
０〜７ ２ ０ ｋｆ／一の硬度値および約３．８〜４
、１？ｌｃｒｄの密度が実現される。

この硬度値は先行技術の非品質合金の範囲内であるが密
度は相当低下し低下率約２である。

硬度は強さに関連するから、Ｘの低い値に対しては強度
対重量比における実質的向上が実現される。

従ってこの様な組成は特に好ましい。

Ｘのもつと高い値に対しては、硬度は実質的に変らぬま
又であるが密度は約５．４？／ｃＪに増加ししかも尚従
来技術の無定形合金のそれよりも充分下である。

従って高い強度対重量比はこの組成の全範囲について保
たれる。

非品質合金の比強度は硬度値（朽／一での）をデイメン
ジョンの無い因子約３．２及び密度（ク／ｃＡ）で割っ
て計算される。

このデイメンジョンの無い因子についての基礎はスクリ
プタ・メタラジカ、第９巻、４３１−４３６ページ（１
９７５年）に与えられている。

そこで本発明による合金の高い強度対重量の性質が他の
従来技術の非品質合金のそれと比較される。

例えばＰｄ３０Ｓｉ２０は比強度（ １ ０ ｃｍ単位
で）１５．１をもちＴｉ５０Ｃｕ５，）は比強度２９．
６をもつ。

之と対照的に、本発明の代表的に好適な合金の一つであ
るＢｅ４０Ｔｉ５０Ｚｒ１０は比強度５４．８をもち従
来技術の非晶質合金の゛そ．れよりも相当高い。

一般的にいって、本発明の非品質合金は比強度約２８〜
６０Ｘ１０５ｃ７７Ｚを示す。

高い比強度を示す本発明の合金の例示は上記の式 Ｂｅ Ｔｉ Ｚｒ によって表わされるもの
で４０ ６０ −−Ｘ Ｘ ある。

もつと低い密度で同一またはより高い硬度値を示す本発
明の範囲内の合金は対応するもつと高い比強度を有する
。

良い強度対重量比と例外的なガラス形成挙動の容易さを
示す本発明の典型的な非品質合金は式Ｂ ｅ ｙ Ｚ
ｒ １ （）ｏｙで表されここにｙは約３０−５０原子
係の範囲にある。

これらの組成物は第３図で線ａ − ｂで表わされこれ
また好適である。

この非品質合金は所望の組成の溶融物を約１０５〜１０
６℃／秒の速さで冷却することによって形成される。

すべての組成物の純度は通常の業界実務で見出されるも
のである。

スプラット急冷した箔及び超急冷した連続リボン状体、
針金、層状物、粉体等を造るためには今日当業界で周知
である様な種々の技術が利用できる。

代表的にいえば、一つの具体的な組成が選定され所望量
の所要の元素の粉体または粒状体が溶融され均一化され
、そして溶融した合金が急速に回転車輪の様な冷い表面
上で急冷される。

これらの組成物の高い反応性のために、合金が不活性雰
囲気または部分的真空中で造られることが好ましい。

非品質合金は以前は少くとも５０係が非晶質であるもの
として定義されたが非晶質性のより高いものがより高い
展性を生じる。

従って実質的に非晶質である即ち少くとも８０係が非晶
質である非晶質合金が好ましい。

もつともつと好ましいのは全体的に非品質な合金である
。

これらの合金の強さの故に、硬度のデータ及び低密度に
よって、これらの合金は宇宙飛行用途における構造材料
および複合材料における繊維の様な高い強度対重量比を
要求する用途に有用である更に本発明の非晶質合金は４
００℃を越える結晶化温度を現わす。

従ってこれは約４００℃までの相当高温度を含む用途に
適する。

実施例 １ 高温反応性合金を溶融し液体で急冷するための１個の電
弧一スプラット装置を使った。

この装置は不活性雰囲気下で合金の「ハンマと金敷」の
スプラット急冷を与えるように改造された普通の電弧溶
融ボタン式炉であるがポンプ系と連結した真空室を備え
ていた。

急冷はこの室の床上に平滑表面の水冷式の銅製火床と溶
融合金の上に位置する圧力駆動の銅製プロツクハンマと
を設けることによって完遂された。

従来通り電弧溶融は室の頂部を貫いて挿入された消耗し
ないタングステン製先端を備えた銅製軸棒を負にバイア
スしかつ室の底を正にバイアスすることによって完遂さ
れた。

すべての合金は成分元素の繰返し電弧溶融によって直接
造られる。

単一の合金ボタン（約２００ｍｇ）？再溶融されそれか
ら溶融プールの直上に位置するハンマによって厚さ約０
．００４インチの箔に衝撃急冷された。

この方法で得られる冷却速度は約１０５〜１０６℃／秒
であった。

ハンマのすぐ下の衝撃急冷された箔は固化後塑性変形を
受けているだろう。

然しハンマからはみ出した溶融物から形成された箔の部
分は変形されて居らず従って硬度その他の関連試験を行
うに適している。

硬度は対向面の間の狭角１３６°をもつ正方形基底の角
錐形のダイヤモンドよりなるビツカース型王子を使うダ
イヤモンド角錐法で測った。

上記の電弧平板化装置を使って種々の組成物を造った。

非反応性雰囲気アルゴンを使った。非品質性はＸ線回折
で測った。

Ｔｉ４ｏＢｅａｏ及びＴ’ｉ５０Ｂｅ５０の様なベリリ
ウムの多い組成物は非常に極端な急冷速度（約１０６じ
ｔ冫より遥かに大きい）においてだげ非晶質合金を形成
した。

共融組成物Ｔｉ６３Ｂｅ３７及び超共融組成物Ｔ ｉ６
０ Ｂｅ４０は焼入速度範囲約１０５〜１０６℃／秒で
容易に全体が非晶質の合金を形成する。

Ｔｉ６３Ｂｅ３組成物は示差熱解析（ＤＴＡ、走査速度
２０℃／分）で測定して２個の結晶化ピーク約４６０℃
及び５４５℃、ダイヤモンド角錐法で測定して硬度約４
５０〜５５０ＤＰＨ、及び密度３．８３グ／ｃｔｄを示
した。

Ｔｉ６０Ｂｅ４０組成物はＤＴＡで測定して結晶化ピー
ク４２３℃、硬度６３０ＤＰＨ，及び密度３．７６グ／
ｃｒｔｉを示した。

アルミニウム、ほう素、タンタル及びジルコニウムの一
又はそれ以上の追加的元素をもつチタン及びべＩＪ Ｉ
Ｊウムの他の非晶質合金を上記の方法で造った。

そ″の組成、観察された結晶化温度（Ｔｃ）、硬度値（
ＤＰＨ）及び密度（ｊ’／ｃｒ！）を第１表に示す。

この硬度データに基ずくこれら合金の強度およびその低
密度の故にこれらの合金は宇宙工学における構造用途お
よび複合材料における繊維の様な高い強度対重量比を要
求する用途において有用である。

実施例 ２ 高温度反応性合金を溶融しかつ液体急冷するための電弧
一平板装置を使った。

この装置は不活性雰囲気下で合金の「ハンマと金敷」の
スプラット急冷を与えるように改造された普通の電弧溶
融ボタン式炉であるがポンプ系と連結した真空室を備え
ていた。

急冷はこの室の床上に平滑表面の水冷式の銅製火床と溶
融合金の上に位置する圧力駆動の銅製プロツクハンマと
を設けることによって完遂された。

従来通り電弧溶融は室の頂部を貫いて挿入された消耗し
ないタングステン製先端を備えた銅製軸棒を負にバイア
スしかつ室の底を正にバイアスすることによって完遂さ
れた。

すべての合金は成分元素の繰返し電弧溶融によって直接
造らＥれる。

単一の合金ボタン（約２ ０ ０７ｙ）は再溶融されそ
れから溶融プールの直上に位置するハンマによって厚さ
約０．００４インチの箔に「衝撃急令された。

この方法で得られた冷却速度は約１０５〜１０６℃／秒
であった。

硬度（ＤＰＨ）は対向面の間の挟角１３６°をもつ正方
形基底の角錐形のダイヤモンドよりなるビツカース型王
子を使うダイヤモンド角錐法で測った、負荷５０グを適
用した。

結晶化温度は走査速度約２０℃／分で示差熱解析（ＤＴ
Ａ）で測定した。

代表的には非晶質合金は約４１２°〜４５５℃の範囲の
結晶化温度を示した。

上記の電弧一平板化装置を使って種々の合金を造った。

非活性雰囲気アルゴンを使用した。非品質性はＸ線回折
で測定した。

組成、測定硬度値および密度、並びに計算比強度を第２
表に示す。

この他種々の組成のリボン状体を石英るつぼを使い溶融
材料を過圧のアルゴンによって急冷車輪上に押出して真
空中で造った。

約２００μｍＨ？の部分真空を使った。

Ｂｅ４（，Ｔｉ，Ｚｒ６ ，Ｂｅ４ｏＴｉ５２Ｚｒ８
，Ｂｅ４（，Ｔｉ５０Ｚｒ１０の連続リボン状体をこ
の方法で造った。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１種（Ｉ）のＴｉ−Ｂｅ−Ｘ系の原子係にお
ける三成分組成相図で、ここにＸは少くも１種の追加的
合金元素を表わし、ガラス形成領域を示している。 第２図は第１種（Ｉ）内のＴｉ−Ｂｅ系の原子係におけ
る二成分組成相図で、ガラス形成領域を示している。 第３図は第２種０内のＢｅ−Ｔｉ−Ｚｒ系の原子係にお
ける三成分組成相図で、ガラス形成領域を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本質的には４８〜６８原子係のチタンと３２〜５２
   原子係のべリリウムとからなることを特徴とする、実質
   的に非品質で高強度低密度の合金。 ２ 式ＢｅａＴｉｂＸｄ〔ただし、式中Ｘはアルミニウ
   ム、ほう素およびタンタルからなる群より選ばれる少な
   くとも１種の追加的合金元素であり、ａは３２〜５２原
   子係であり、ｂぱ４８〜６８原子係であり、ｄは１０原
   子係以下である。 〕で表わされる組成からなることを特徴とする実質的に
   非晶質で高強度低密度の合金。 ３ 式Ｂ ｅ ａ Ｔ ｉｂＺ ｒ ｃ 〔ただし、式
   中ａは３０〜５０原子係であり、ｂは５〜５８原子係で
   あり、Ｃは２〜５５原子係である。 〕で表わされる組成からなることを特徴とする、実質的
   に非品質で高強度低密度の合金。