JPS61235537A - 炭素系非磁性非晶質鉄合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ものである。

通常、固体の金属・合金は結晶状態であるが、液体より
超急冷（冷却速度は合金の組成に依存するが、およそ１
０４〜ｂ 液体に類似した周期的原子配列を持たない非結晶構造の
固体が得られる。このような金属を非晶質金属あるいは
アモルファス金属と呼ぶ。一般に、この型の金属は２種
以上の元素からなる合金であり、通常、遷移金属元素と
非金属元素の両者の組合せよりなり、半金属量は約１５
〜３０原子％程度である。

本発明は、実用的ならびに新規な用途に対し、耐熱性、
強度硬度が高く製造が容易でかつ安価な炭素系非磁性非
晶質鉄合金を提供することを目的とするものである。す
なわち本発明は実質的に下記の式で示される成分組成よ
りなることを特徴とする炭素系非磁性非晶質鉄合金であ
る。

１、　　ＦｅａＣｒｂＭｃＱｄ （式中ＦｅａはＦｅがａ原子％、ＣｒｂはＣｒがｂ原子
％、Ｋｏはｃｒ　、　Ｍｃ　、　Ｗのうちから選ばれる
何れか１種または２種以上がＣ原子％、喝はＣがｄ原子
多含有されていることを示し、ａは２８〜７６、ｂは２
０以下（但し零を含まず）、Ｃは１２〜２６、ｄは１２
〜２６の範囲内にあり、ａ，ｂ，ｃおよびｄの和は実質
的に１００である。但しＭがＷのみよりなるときは、ｂ
は４〜２０の範囲内である。） ２、　　　Ｆ　ｅ　ａＯ　ｒｂＭＣ　ＱｄＣ式中Ｆｅａ
はＦｅがａ原子％、ｃｒｂは（Ｈｒがｂ原子％、Ｍｃは
Ｃｒ　ｌ　Ｍｃ　、　Ｗのうちから選ばれる何れか１種
または２種以上がＣ原子％、ＱｄはＣがｄ原子多含有さ
れていることを示し、ａは２８〜７６、ｂは２０以下（
但し零は含まず）、Ｃは１２〜２６、ｄは１２〜２６の
範囲内にあり、ａ，ｂ，ｃ及びｄの和は実質的に１００
であり、かつ、Ｑを構成するＣの一部が４原子％以下の
Ｎで置換されてなるもの。但しＭがＷのみよりなるとき
は、ｂは４〜２０の範囲内である。） ３、　　ＦｅａＭｃＱｄ （式中ＦｅａはＦｅがａ原子％、ＭｏはＭｃ　、　Ｗの
うちから選ばれる°何れが１種または２種がＣ原子％、
ＱｄはＣがｄ原子多含有されていることを示し、ａは２
８〜７６、Ｃは１２〜２６、ｄは１２〜２６の範囲内に
あり、ａ。

Ｃ及びｄの和は実質的に１００である。但しＭがＷのみ
よりなることはない。） ４、　　ＦｅａＭｃＱｄ （式中ＦｅａはＦｅがａ原子％、ＭｃはＭｃ，Ｗのうち
から選ばれる何れか１種または２種がＣ原子％、Ｑｄは
Ｃがｄ原子多含有されていることを示し、ａは２８〜７
６、Ｃは１２〜２６、ｄは１２〜２６の範囲内にあり、
ａ。

Ｃ及びｄの和は実質的に１００であり、かつ、Ｑを構成
するＣの一部が４原子％以下のＮで置換されてなるもの
。但しＭがＷのみよりなることはない。） 本発明者等は、非金属元素として炭素（またはその一部
を窒素で置換）を含む鉄合金が広い組成範囲で容易に非
晶質化し、しかも強度、硬度、耐食性、耐熱性の点で優
れた特性を持ち、しかも非磁性になることを新規に知見
して、本発明を完成したのである。

次に本発明の詳細な説明する。

これまで良く知られている非晶質合金において廉価な合
金は鉄を主体としたものであり、例えばＦｅ８０Ｐ２０
１　Ｆ８ｓｏＢｚｏ　＋　Ｆｅ５ｏ　ＰｘｇＢｓ　−Ｆ
’ｅ７５ｓ１１５Ｂ１０Ｆ’ｅ７５ｓｉ１５ｐｌＯ＋　
ｙｅ８０ｐ１８ｃ７などのように鉄とｐｐ金属元素Ｐ　
、　Ｂ　、　Ｓｉ　、　Ｃとの組合せであった。しかる
に、本発明者らは非晶質化するために必要な添加剤であ
るこれら半金属元素には各々一長一短があることを見出
した。その効果を纏めて第１表に示す。同表中には特性
を◎（優）、○（良）、×（可）でもって評価しである
。

同表より、Ｇｅは総ての点で好ましくなく、Ｐ！２原料
費、非晶質形成能、耐食性等の性質は良し）が、それら
以外の性質は好ましくない。特に溶解中に有害ガスを発
生し、また加熱中に材料の脆イヒを促進するので問題の
多い元素であ′る。同表中ＳｉおよびＢは耐食性を低下
させる作用を有する点で好ましくなく、またＢは原料費
が高いとし１う欠点を有する。前記諸元素に対してＣは
同表より明ら力）な如く総ての点において好ましい性質
を有する元素であることが判った。

かくして本発明者等は、非晶質化に寄与する前記半金属
中Ｃだけを含む非晶質鉄合金につし１て詳細に研究して
本発明を完成したのである。

一般に、非晶質合金は液体状態から急速に冷却すること
によって得られるが、このために種々の冷却方法が考え
られている。例えば高速回転する１つの円板の外周面上
（第１図（ａ））また番ま高速にお互に逆回転する２つ
のロールの間（第１図（ｂ））に液体金属を連続に噴出
させて、回転円板または双ロールの表面上で１０５〜】
０６°Ｃ／秒程度の速度で急冷凝固させる方法が公知で
ある。

また最近本発明者等が発明した溶融金属から直接幅広薄
情板を製造する方法ならびにその製造装置（特開昭５３
−１２５２２８号、同５３−１２５２２９号）を用いる
ことができる。

本発明の非晶質鉄合金も同様に液体状態から急速に冷却
することによって得ることができ、上記の諸方法によっ
て線または板状の本発明の非晶質合金を製造することが
できる。また、高圧ガス（窒素、アルゴンガスなど）に
より液体金属を吹き飛ばし、対向する冷却用鋼板上で微
粉状に急冷凝固させる例えばアトマイザ−などにより数
μｍ〜数１０μｍ程度の非晶質合金粉末を製造すること
ができ、この合金は半金属としてＣを、あるいはＣの一
部の代替として４原子％以下のＮで置換することもでき
、したがって従来の非晶質合金に較べて安価であるばか
りでなく、製造が容易であるため本発明の炭素系非晶質
鉄合金よりなる粉末、線、あるいは板を工業的規模で製
造することができる点において極めて有利である。なお
本発明合金にあっては通常の工業材料中に存在する程度
の不純物、例えばＰ　、　Ｓｉ　＋　Ａｓ　、　Ｓ　、
　Ｓｂ　＋　Ｚｎ　＋Ｃｕ　、　Ａｊなどが小量台まれ
ても本発明の目的を達成することができる。またＭの一
部を１０原子％以下のＶ　、　Ｔａ　、　Ｉｎ　、また
は５原子％以下のＷｂ　。

Ｔｉ　、　Ｚｒを含ませても本発明の目的を達成するこ
とができる。

本発明の非晶質鉄合金は成分組成上から下記の諸グルー
プに大別することができる。

（ａ）　　Ｆｅ　−０ｒ−Ｃ（Ｎ） （ｂ）　　Ｆｅ　−Ｍｃ−０（Ｎ） （ｃ）　　Ｆｅ　−Ｃｒ　−Ｎｏ　−Ｃ（Ｎ）（ｄ）　
　Ｆｅ　−Ｃｒ　−Ｗ　−Ｃ（Ｎ）（ｅ）　　Ｆｅ　−
Ｎｏ　−Ｗ　−Ｃ（Ｎ）（ｆ）　　Ｆｅ　−Ｃｒ　−Ｍ
ｃ−Ｗ　−Ｃ（Ｎ）次は本発明において、成分組成を限
定する理由を説明する。

Ｆｅが２８原子％より少ないと非晶質合金を得ることが
困難であり、また７６原子％より多いと非磁性でなくな
るので１１は２８〜７６原子％の範囲内にする必要があ
る。

Ｑは】２原子％より少ないか、あるいは２６原子％より
多いと非晶質合金を得ることが困ばであるのでＱは１２
〜２６原子％の範囲内にする必要がある。

ＣｒｂＭｃのｂが０〜２０、Ｃが１２〜２６の範囲外で
は非磁性が失われ、強磁性となるので、ＣｒｂＭｃのす
、ｃはそれぞれ０〜２０．１２〜２６の範囲内にする必
要がある。またＫがＷのみよりなるときは、ｂが４より
少ないと性質が劣化し、一方２０より多いと非晶質化す
ることが困難であるので、ｂは４〜２０の範囲内にする
必要がある。

またＭの一部をＶ　、　Ｔａ　、　Ｉｎで置換する場合
、Ｖ　、　Ｔａ　、　Ｋｎの何れか１１１１または２種
以上が１０原子％より多いときは、あるいはＭの一部を
Ｎｂ　。

Ｔｉ　、　Ｚｒで置換する場合Ｎｂ　、　Ｔｉ　、　Ｚ
ｒの何れか１種または２種以上が５原子％より多いとき
は非晶質合金を得ることが困難であるのでＶ　、　Ｔａ
　。

Ｍｎ０群は１０原子％以下、Ｎｂ　＃　Ｔｉ　＊　ｚｒ
　ノ群は５原子％以下にそれぞれすることが好適である
。

またＱの一部をＨで置換する場合Ｎが４原子％よ′り多
いと急冷凝固時にＮが合金組織中に気泡として析出し、
合金の形状が悪化し、機械的強度が低下するのでＮは橿
原子％以下にすることが有利である。

次に本発明の非晶質鉄合金の成分組成と結晶化温度Ｔｘ
（”Ｃ）　、硬さＨｖ（ＤＰＮ）および破壊強度（Ｉｆ
　（Ｊ１９／謡２）とを第２表に示す。なお供試の非晶
質合金は第１図（ａ）に示す片ロール法により厚さ０．
０５露、幅２謡のリボン状としたものである。但し結晶
化温度Ｔｘは５°Ｃ／分で加熱した示差熱量曲線におけ
る最初の発熱ピーク開始温度であり、Ｈｖは５０ｇ荷重
の微小ビッカース硬度計の測定値である。表中−は未測
定である。

第２表 一般に非晶質合金は加熱することにより結晶化し、非晶
質合金の特徴である延性および靭性を失なうと共にその
他の優れた特性も劣化するので、結晶化温度（ＴＸ）が
高い合金であることが実用上有利である。本発明の非晶
質台°金のＴＸは第２表に見る如く大部分大凡４５０〜
６５０°Ｃの範囲内であり、Ｃｒ　、　Ｎｏ　、　Ｗ　
、　Ｖ　、　Ｔａ　、　Ｍｎの含有量の増加と共にＴｘ
が上昇する傾向にあることが判り、したがって本発明合
金は高いＴｘを有し、熱に対して安定な合金であること
がわかる。また硬さくＨＶ）および破壊強度（ａｆ）は
それぞれ９００〜１１００ＤＰＮおよびａｏｏ〜４００
Ａ９／鵡２であり、Ｃｒ　、　Ｍｏ　＋　Ｗ　＋　Ｖ　
＊　Ｔａ　、　Ｍｎの含有量の増加と共に何れも上昇す
る。これらの値は従来知られている最高値（Ｆｅ−Ｂ系
合金の場合ＨＶ−１１００ＤＰＮ　、　ａｆ−３ａ　Ｏ
ｋｉ／Ｍｍ”　）と同等またはそれ以上であり、優れた
硬さと強さを有することが判る。すなわち第２表中（ｃ
　）　Ｆｅ　−Ｍｏ　−０系において硬さが１００００
ＰＮ以上で、かつ結晶化温度が６００°Ｃを越え、さら
に破壊強度が４ｏｏｋｇ／ｌ１ｌ１２に達するものがあ
る。

また上記合金組成中Ｍの一部が１０原子％以下のＴａ　
、　Ｉｎ　、　Ｖからなる群のうちから選ばれる何れか
１種または２種以上の元素、または５原子％以下のＮｂ
　、　Ｔｉ　、　Ｚｒからなる群のうちから選ばれる何
れか１種または２種以上の元素、あるいはまた上記２つ
の群のうちのそれぞれの少なくとも１種の元素との組合
せを含む合金も高強度、高硬度、高結晶化温度を有する
ことを知見した。

また一般に非結晶質鉄合金は結晶化温度より低温域でも
脆化してしまう欠点のあることが知られている。本発明
者等の研究によれば、前記非晶質鉄合金の脆化現象はそ
の合金中に含有される半金属元素の含有量、と種類に大
きく依存することを知見した。種々の半金属元素を含む
非晶質鉄合金と本発明のＣを含む非晶質鉄合金との脆化
温度を比較した結果を第３表に示す。

同表に示す脆化温度は各温度で３０分間加熱した際に１
８０°曲げが可能な温度を示し、この温度が高い程脆化
傾向が小さいことを意味する。同表に見るように本発明
合金の大部分は、Ｆｅ８０Ｐ２０合金よりもより高い脆
化温度を持ち、脆化し難く、従来脆化し難い合金として
知られているＦｅ８０Ｂ２０合金にほぼ匹敵する脆化温
度を有する。このような性質は熱処理や製造中の昇温に
よっても脆化し難いので有利である。

本発明者等は非晶質合金の非晶質化能ならびに合金特性
の点でＮ（窒素）はＣとほぼ同じ作用効果を有し、本発
明の合金組成中Ｃの１部をＮで置換することのできるこ
とを知見した。すなわち本発明合金のＱを構成するＣの
一部を４原子％以下のＮで置換することができる。しか
しＮはガス元素であるため溶融状態の合金の平衡吸収量
以上添加すると、急冷凝固に合金組織中に気泡として析
出し、合金の形状を悪化させ、機械的強度を低下させる
ので、Ｎは福原子％より多く添加することは不利である
。第４表に窒素を含む非晶質合金について、その成分組
成ならびに緒特性を例示するｄまた、本発明の非晶質合
金は特に耐食性が優れていることを新規に知見した。第
５表は第１図（ｂ）の双ロール法によって作った厚さＱ
、Ｑ５１１１１１、幅２１１２４７）　！Ｊ　ホン状合
金をＩＮＨ２Ｓｏ、　、　ＩＮＨＣ／　。

ｌＮＮａＯ７の３０°Ｃ水溶液中で１週間浸漬腐食試験
な０背なった結果である。

第５表　腐食試験結果 比較のために市販の１３％Ｃｒ鋼、１８−８ステンレス
鋼（Ａｌ５Ｉ　ｓ　Ｏ４！ｌ）、１７−１４−２．５Ｍ
ｃステンレスｗ１（Ａ工ｓ工３１６Ｌｗｌ）についても
同様の試験を行なった。

同表に見るように、総ての溶液に対して本発明の非晶質
鉄合金は市販材より優れた耐食性を示している。

以上の結果から判るように本発明の非晶質合金は市販の
高級ステンレス鋼と比較して耐食性が１０３〜ｌＯ５倍
も優れた画期的な高耐食材料であり、厳しい腐食性雰囲
気中で使用する線や板材部品に利用することが可能であ
る。

一方前記合金成分組成範囲と同一成分組成範囲を有する
従来の結晶質合金は強磁性を有する。このように同一成
分組成でありながら非晶質合金は非磁性であり、一方路
晶質合金は強磁性であることの原因は非晶質合金にあっ
てはキューリ一温度が常温以下となるためであることを
本発明者等は新規に知見した。したがってこの合金は磁
場の影響を好まない部品材料、例えば時計、精密測定機
器等用の部品材料として好適である。

次に本発明の非晶質合金の用途例における物性試験した
例を示す。

例　　１ 市販金属材料において非磁性でしかも高強度左延性を持
つ合金は今のところほとんど無い。例えば強磁性の鉄鋼
材料を非磁性にするためには多量のクロムを合金化する
か、またはニッケルやマンガンを合金化してオーステナ
イト相にすることによって達せられる。現在、有用な非
磁性合金は約３０％ニッケル以上を含むＦｅ　−Ｎｉ合
金であるが、この合金の強度はせいぜい８０　ｋｇ／　
ｍｍ”程度である。これに対して、本発明の合金は約３
０ｏ〜４００に９７ｍ”の破壊強度と靭性を兼ねそなえ
た非磁性材料であり、この性能に適した物品の材料とし
て使用することができる。例えば、カメラ用の絞りやシ
ャッター材は非磁性でしかも耐摩耗性を有しなければな
らないが、現在、アルミニウム合金などが使われている
。この用途に対し、本発明のＦｅ７２Ｃｒ１ｇＣＩ６合
金分双ロール法によりｅｆＪ　ｓ　”　ｓ厚み０．０５
ｓａａの板材とし、パンチングにより絞り翼を打抜き、
応用した結果、外界の磁場によるトラブルもなく、シか
も耐摩耗性は従来のＡｌ系合金翼の約１０００倍以上も
あり、絞り翼の寿命を格段に増加させることができた。

１ また、特殊な用途としてリレーライン材があるｄＦｅ７
ｚＣｒ工、Ｃ０６合金線を用いて超音波減衰を測定した
結果ｄＢ　／　ｃｍが約Ｏ，ＯＳであり、従来最も良い
性能を有するとして知られている石英ガラスの０．０６
と同等であり、しかもガラスのように脆くないという特
徴を有する。一方、従来のリレーライン用金属材料とし
てＦｅ　−Ｎｉ糸エリンバ−合金が多く使われているが
、ｄＢ／ｃｍが約１０と高い。

したがって、本発明の合金はリレーライン用材料として
有利に使用することができる。

以上本発明合金は、硬さおよび強さが大きく、疲労限も
優れ、耐食性に優れ、非磁性とすることもでき、その上
従来の非晶質合金に比し、安価でかつ製造が容易である
等の数々の特徴を有し、多方面での使用が期待される。

本発明の合金は用途により粉末、線あるいは板に製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ溶融合金を急冷するこ
とによる非晶質合金の製造装置の原理図である。 】・・・溶融金属 ２・・・急冷Ｕ固した非晶質合金の義あるいは板３・・
・冷却用円板 ４・・・ロール 特許出願人　東北大学金属材料研究所長第１ （ａ） 因 ζｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下記の式で示される成分組成よりなる炭素系非磁性
   非晶質鉄合金。 Ｆｅ＿ａＣｒ＿ｂＭ＿ｃＱ＿ｄ （式中Ｆｅ＿ａはＦｅがａ原子％、Ｃｒ＿ｂはＣｒがｂ
   原子％、Ｍ＿ｃはＣｒ、Ｍｏ、Ｗのうちから選ばれる何
   れか１種または２種以上がｃ原子％、Ｑ＿ｄはＣがｄ原
   子％含有されていることを示し、ａは２８〜７６、ｂは
   ２０以下（但し零は含まず）、ｃは１２〜２６、ｄは１
   ２〜２６の範囲内にあり、ａ、ｂ、ｃ及びｄの和は実質
   的に１００である。但しＭがＷのみよりなるときは、ｂ
   は４〜２０の範囲内である。 ２、下記の式で示される成分組成よりなる炭素系非磁性
   非晶質鉄合金。 Ｆｅ＿ａＣｒ＿ｂＭ＿ｃＱ＿ｄ （式中Ｆｅ＿ａはＦｅがａ原子％、Ｃｒ＿ｂはＣｒがｂ
   原子％、Ｍ＿ｃはＣｒ、Ｍｏ、Ｗのうちから選ばれる何
   れか１種または２種以上がｃ原子％、Ｑ＿ｄはＣがｄ原
   子％含有されていることを示し、ａは２８〜７６、ｂは
   ２０以下（但し零は含まず）、ｃは１２〜２６、ｄは１
   ２〜２６の範囲内にあり、ａ、ｂ、ｃ及びｄの和は実質
   的に１００であり、かつ、Ｑを構成するＣの一部が４原
   子％以下のＮで置換されてなるもの。但しＭがＷのみよ
   りなるときは、ｂは４〜２０の範囲内である。） ３、下記の式で示される成分組成よりなる炭素系非磁性
   非晶質鉄合金。 Ｆｅ＿ａＭ＿ｃＱ＿ｄ （式中ＦｅａはＦｅがａ原子％、Ｍ＿ｃはＭｏ、Ｗのう
   ちから選ばれる何れか１種または２種がｃ原子％、Ｑ＿
   ｄはＣがｄ原子％含有されていることを示し、ａは２８
   〜７６、ｃは１２〜２６、ｄは１２〜２６の範囲内にあ
   り、ａ、ｃ及びｄの和は実質的に１００である。但しＫ
   がＷのみよりなることはない。） ４、下記の式で示される成分組成よりなる炭素系非磁性
   非晶質鉄合金。 Ｆｅ＿ａＭ＿ｃＱ＿ｄ （式中Ｆｅ＿ａはＦｅがａ原子％、Ｍ＿ｃはＭｏ、Ｗの
   うちから選ばれる何れか１種または２種がｃ原子％、Ｑ
   ＿ｄはＣがｄ原子％含有されていることを示し、ａは２
   ８〜７６、ｃは１２〜２６、ｄは１２〜２６の範囲内に
   あり、ａ、ｃ及びｄの和は実質的に１００であり、かつ
   、Ｑを構成するＣの一部が４原子％以下のＮで置換され
   てなるもの。但しＭがＷのみよりなることはない。）