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JP2000160308A - 高比強度Ti系非晶質合金 - Google Patents

高比強度Ti系非晶質合金

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JP2000160308A
JP2000160308A JP3792199A JP3792199A JP2000160308A JP 2000160308 A JP2000160308 A JP 2000160308A JP 3792199 A JP3792199 A JP 3792199A JP 3792199 A JP3792199 A JP 3792199A JP 2000160308 A JP2000160308 A JP 2000160308A
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Akihisa Inoue
明久 井上
To Cho
涛 張
Masaya Kinami
昌也 木南
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラス形成能、比強度に優れたTi系非晶質
合金の提供。 【構成】 式:Ti100-a-b-cM′cTMa b [式中、
M′はZr、NbおよびTaよりなる群から選択される
1種または2種以上の元素、TMは、Fe、Co、Ni
およびCuよりなる群から選択される1種または2種以
上の元素、Mは、B、Ge、およびSiよりなる群から
選択される1種または2種以上の元素であり、a、bお
よびcはそれぞれ原子%を表し、30≦a≦70、5≦
b≦10、0≦c≦20を満足する]で示される組成を
有し、非晶質相を体積百分率で50%以上含むTi系非
晶質合金。この非晶質合金は、0.5mm2 以上の断面
積を有し、3.1×105 N・m/kg以上の比強度を
示す合金棒または合金板として製造できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非晶質形成能と優
れた比強度を有するTi系非晶質合金に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】溶融状態の合金を急冷することにより薄
帯状、フィラメント状、粉粒体状等、種々の形状を有す
る非晶質金属材料が得られることはよく知られている。
非晶質合金薄帯は、大きな冷却速度の得られる片ロール
法、双ロール法、回転液中紡糸法等の方法によって容易
に製造できるので、これまでにも、Fe系、Ni系、C
o系、Pd系、Cu系、Zr系あるいはTi系合金につ
いて数多くの非晶質合金が得られており、高耐食性、高
強度等の非晶質合金特有の性質が明らかにされている。
なかでもTi系非晶質合金は、他の非晶質合金に比べ格
段に優れた耐食性を有し、人体への為害性も少ないため
新しいタイプの非晶質合金として構造材料、医用材料、
化学材料等の分野への応用が期待されている。
【0003】しかし、前記した製造方法によって得られ
る非晶質合金は、薄帯や細線に限られており、それらを
用いて最終製品形状へ加工することも困難なことから、
工業的にみて、その用途がかなり限定されていた。一
方、非晶質合金を加熱すると、特定の合金系では結晶化
する前に過冷却液体状態に遷移し、急激な粘性低下を示
すことが知られている。例えば、Zr−A1−Ni−C
u非晶質合金では毎分40℃の加熱速度で、結晶化まで
に約120℃程度の間、過冷却液体領域として存在でき
ることが報告されている( 「Mater.Trans.,JIM,Vol.3
2(1991)1005項参照)。
【0004】このような過冷却液体状態では、合金の粘
性が低下しているために閉塞鍛造等の方法により任意形
状の非晶質合金成形体を作製することが可能であり、非
晶質合金からなる歯車なども作製されている(「日刊工
業新聞」1992年11月12日参照)。したがって、
広い過冷却液体領域を有する非晶質合金は、優れた加工
性を備えていると言える。
【0005】このような過冷却液体領域を有する非晶質
合金の中でも、Ti−Ni−Cu合金は、50℃以上の
過冷却液体領域の温度幅を有し、耐食性に優れるなど実
用性の高い非晶質合金とされていた(第110回日本金
属学会講演概要(1992)273 項参照)。また、これらの非
晶質合金の加工性と機械的性質の改善が行われ、50℃
以上の過冷却液体領域と1000MPaを超える強度を
兼ね備えたTi−Ni−Cu−(Fe,Co,Zr,H
f)系非晶質合金が開発され、公知となっている(特開
平6−264199号公報および特開平6−26420
0号公報)。しかし、上述のTi系非晶質合金において
基本となる添加元素のNi、Cu、等の遷移金属は比重
が大きいため、合金自体の比重が大きくなり、機械的特
性が高い非晶質合金が容易に得られるものの、Ti合金
特有の高比強度特性を損なってしまう。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前述したTi−Ni−
Cu系、Ti−Ni−Cu−(Fe,Co,Zr,H
f)系非晶質合金は、30℃以上の過冷却液体領域およ
び大きな非晶質形成能と1000MPaを超える比較的
良好な高強度特性を兼ね備えてはいるものの、多くの遷
移金属元素を合金中に含有するために比重の上昇は避け
ることができず、Ti合金本来の高比強度が得られてい
るとは言いがたい。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、上
述の課題を解決するために、過冷却液体領域の温度幅を
損なわずに高比強度が得られ、工業材料への応用が可能
になる寸法が実現できる非晶質形成能を兼ね備えたTi
系非晶質合金材料を提供することを目的として鋭意研究
した結果、特定の組成を有するTi−TM系[TM:F
e,Co,NiおよびCuよりなる群から選択される1
種または2種以上の元素]に特定量のB、Ge、および
Siよりなる群から選択される1種または2種以上の元
素を添加した合金、あるいはさらに特定量のZr、Nb
およびTaよりなる群から選択される1種または2種以
上の元素を添加した合金を溶融し、液体状態から急冷固
化させることにより、高比強度特性と大きな非晶質形成
能を兼ね備えたTi系非晶質合金が得られることを見い
出し、本発明を完成するに至った。
【0008】すなわち、本発明は、式:Ti100-a-b-c
M′cTMa b [式中、M′はZr、NbおよびTa
よりなる群から選択される1種または2種以上の元素、
TMは、Fe、Co、NiおよびCuよりなる群から選
択される1種または2種以上の元素、Mは、B、Ge、
およびSiよりなる群から選択される1種または2種以
上の元素であり、a、bおよびcはそれぞれ原子%を表
し、30≦a≦70、5≦b≦10、0≦c≦20を満
足する]で示される組成を有し、非晶質相を体積百分率
で50%以上含むTi系非晶質合金を提供するものであ
る。
【0009】なお、本明細書中の「過冷却液体領域」と
は、毎分40℃の加熱速度で示差走査熱量分析を行うこ
とにより得られるガラス遷移温度と結晶化温度の差で定
義されるもので、「換算ガラス化温度」は、上述の熱量
分析で得られたガラス遷移温度を合金の融点で除した数
値で定義されるものである。「過冷却液体領域」は、加
工性を示す数値、「換算ガラス化温度」は、非晶質化し
易さを表す数値である。本発明の合金は、30℃以上の
過冷却液体領域と0.55以上の換算ガラス化温度を有
する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施態様
を説明する。本発明の式:式:Ti100-a-b-cM′cTM
a b で示されるTi系非晶質合金において、TMは、
Fe、Co、NiおよびCuよりなる群から選択される
1種または2種以上の元素群で、この元素群の含有量は
30原子%以上70原子%以下である。この元素群の含
有量が30原子%未満および70原子%超では、過冷却
液体領域を示さないため、非晶質形成能が小さく冷却速
度の大きな片ロール法によっても非晶質相は形成しな
い。M′はZr、NbおよびTaよりなる群から選択さ
れる1種または2種以上の元素で、必ずしも必須の元素
ではないが、M′を添加することにより非晶質形成能を
向上させることができる。
【0011】Mは、B、Ge、およびSiより選択され
る1種または2種以上の元素群であり、この元素群の含
有量が5原子%未満では、冷却速度の大きな片ロール法
によって非晶質相は形成するものの、非晶質合金棒なら
びに非晶質合金板が得られるほどの非晶質形成能は示さ
ず、また、合金自体の比重も大きいため高比強度特性は
得られない。また、この元素群の含有量が10原子%超
では、Mで示される元素群とTiがTiB2 等の高融点
化合物を生成し、この高融点化合物が結晶成長の核とし
て働くため非晶質形成能がかえって低下してしまう。
【0012】本発明のTi系非晶質合金は、溶融状態か
ら片ロール法、双ロール法、回転液中紡糸法、アトマイ
ズ法等の種々の方法で冷却固化させ、薄帯状、フィラメ
ント状、粉粒体状の非晶質固体を容易に得ることができ
る。また、本発明の合金は、従来のTi系非晶質合金と
比べて格段の非晶質形成能の改善がなされているため、
好ましくは、溶融合金を金型に充填鋳造することにより
任意の形状の非晶質合金棒ならびに板を得ることもでき
る。
【0013】例えば、代表的な金型鋳造法においては、
合金を石英管中でAr雰囲気中で溶融した後、溶融合金
を噴出圧0.5〜2.0kg/cm2 で銅製の金型内に
充填凝固させることにより非晶質合金塊を得ることがで
きる。さらに、本発明のTi系非晶質合金は、従来のT
i系非晶質合金と比べて軽量化が図られており、高比強
度特性が得られる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。表
1に示す合金組成からなる材料(実施例1〜9、比較例
1〜4)について、金型鋳造法により直径2mm、長さ
50mmの丸棒状試料を作製した。丸棒状試料のガラス
遷移温度(Tg)、結晶化開始温度(Tx)、融点(T
m)を示差走査熱分析により測定した。この丸棒状試料
中に含まれる非晶質相の体積分率(Vf)のガラス化度
は、示差走査熱量分析を用いて、結晶化の際の発熱量を
完全非晶質化した片ロール箔帯との比較により評価し
た。
【0015】これらの値より過冷却液体領域(Tx−T
g)および換算ガラス化温度(Tg/Tm)を算出し
た。また、丸棒状試料について引張試験を行い、引張破
断強度(σf)を評価した。さらに、アルキメデス法に
よる試料の比重をρとして比強度(σf/ρ)を算出し
た。
【0016】
【表1】
【0017】
【表2】
【0018】表1、表2より明らかなように、実施例1
〜9および実施例10〜14の非晶質合金は、30℃以
上の過冷却液体領域と0.55以上の換算ガラス化温度
を示すとともに、比強度も3.1×105 N・m/kg
以上と高比強度を示す。しかしながら、比較例1、比較
例5の合金は、TM群の元素を20%以下しか含有しな
いため、また比較例2の合金は、TM群の元素を80%
も含有するために、ともにガラス化度が0%であり、脆
弱なため引張試験が行えなかった。さらに比較例3、比
較例4、比較例6の合金では、M群の元素の含有量が本
発明の請求項1に記載する範囲を外れるため、また比較
例7の合金ではM群の元素を含有しないため実用に耐え
うる機械的性質を有していない。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明のTi系非晶
質合金は、30℃以上の過冷却液体領域と0.55以上
の換算ガラス化温度を示すとともに、3.1×105
・m/kg以上と高比強度特性を示す。これらのことか
ら、ガラス形成能、比強度に優れた実用上有用なTi系
非晶質合金を提供することができる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 式:Ti100-a-b-cM′cTMa b [式
    中、M′はZr、NbおよびTaよりなる群から選択さ
    れる1種または2種以上の元素、TMは、Fe、Co、
    NiおよびCuよりなる群から選択される1種または2
    種以上の元素、Mは、B、Ge、およびSiよりなる群
    から選択される1種または2種以上の元素であり、a、
    bおよびcはそれぞれ原子%を表し、30≦a≦70、
    5≦b≦10、0≦c≦20を満足する]で示される組
    成を有し、非晶質相を体積百分率で50%以上含むTi
    系非晶質合金。
  2. 【請求項2】 30℃以上の過冷却液体領域と0.55
    以上の換算ガラス化温度を示す非晶質形成能に優れた請
    求項1記載のTi系非晶質合金。
  3. 【請求項3】 0.5mm2 以上の断面積を有し、3.
    1×105 N・m/kg以上の比強度を示す請求項1ま
    たは2記載のTi系非晶質合金。
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