JP7096226B2 - 熱間加工され均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金の製造のためのプロセス - Google Patents
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Description
本願は、本明細書において参考としてその全体が完全に援用される2013年3月15
日に出願された米国仮特許出願第61/793,690号に対する優先権を主張する。
造するためのプロセスに関する。概して、本プロセスは、均一な粒子サイズのスピノーダ
ル合金を、均質化段階を経ることなく、また割れを生じることなく製造するために用いる
ことができる。均質化段階の代わりとして、鋳放し状態の合金金属に特定の熱処理段階を
施し、粒子サイズが均一なスピノーダル合金を製造する。
び/または冷間加工段階と組み合わせた均質化段階を含む。均質化とは、溶質元素の分布
にある微視的な欠陥を修正し、界面に存在する金属間組織を改質するように設計された熱
処理を記述するために概して用いられる総称である。均質化プロセスのもたらすよい結果
の1つは、鋳放し状態の金属の元素分布がより均一になることである。別の結果は、鋳込
み中に形成し、加熱中に破壊および除去され得る大きな金属間粒子の形成を含む。
最終特性を向上させるように、通常、冷間圧延または他の熱間加工処理を行う前に必要と
される。均質化は、微視的な濃度勾配を平衡化させるために行われる。均質化は、鋳物を
高温(遷移温度より上、典型的には融点の近傍)に加熱し、数時間から数日間、この鋳物
に機械的加工を加えることなく保持し、その後、元の環境温度に冷却することによって通
常行われる。
ロ組織欠陥の結果として生じる。そのような欠陥は、不均一な粒子サイズや化学的偏析を
含む。凝固後の割れは、鋳造中に発生する巨視的な応力に起因し、これが、凝固完了前に
粒内的に形成される割れの原因となる。凝固前の割れもまた、鋳造中に発生する巨視的な
応力によって引き起こされる。
それらは均質化段階を概して必要とし、それが、割れを促進する不要な巨視的応力の原因
となる。
ロセスが望ましいであろう。スピノーダル合金中に生じる巨視的な応力および割れの発生
機会を減らすような方法には利点があるであろう。
るための方法に関する。概して、均質化段階は、必要とされない。ごく大まかには、合金
の鋳物は、加熱され、その後、熱間で加工され、その後、室温に空冷される。この加熱-
熱間加工-空冷が、繰り返される。その結果できる工作物は、均一な粒子サイズを有する
。高い溶質含有量を有する合金は、別の熱的な均質化処理を必要とせず、高い温度での機
械的加工に先立ってより低い温度で機械的加工を行うと、均一な粒子構造が結果として得
られることが偶然見出された。
、スピノーダル合金を含む鋳物を、約1100°F~約1400°Fの第1の温度に、約
10時間~約14時間の第1の時間加熱する工程と、鋳物に第1の熱間加工圧延を行う工
程と、鋳物を第1の環境温度に空冷する工程と、鋳物を、少なくとも1600°Fの第2
の温度に第2の時間加熱する工程と、鋳物を、第3の温度に第3の時間さらす工程と、鋳
物に第2の熱間加工圧延を行う工程と、鋳物を最終環境温度に空冷して物品を製造する工
程と、をこの順で含むプロセスである。均質化段階は、必要とされない。
た第3の時間は約2時間~約6時間である。
間は、約2時間~約6時間であり、鋳物は第2の温度から第3の温度に空冷される。
時間~約48時間でよい。
約4時間とすることができる。
ある。
-錫合金は、約8~約20重量%のニッケルと、約5~約11重量%の錫を含み、残部は
、銅であり得る。より特定の実施形態では、鋳放し状態の銅-ニッケル-錫スピノーダル
合金は、約8~約10重量%のニッケルと、約5~約8重量%の錫とを含む。
に、第2第1の熱間加工圧延は、鋳物の面積を少なくとも30%減少させることができる
。
0°F~約1750°Fであり得る。
。他の実施形態では、第2の時間が約24時間で、第2の温度が約1700°Fである。
0)であって、鋳放し状態のスピノーダル合金を、1300°F~1400°Fで約12
時間加熱し、その後、この合金を熱間加工圧延する工程と、スピノーダル合金を空冷する
工程と、スピノーダル合金を約1700°Fに約12時間~約48時間加熱する工程と、
スピノーダル合金を約1750°Fに約4時間加熱する工程と、熱間加工圧延を行う工程
と、スピノーダル合金を空冷して、均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を製造す
る工程とを含む、プロセスも開示される。
00)であって、鋳放し状態のスピノーダル合金を1300°F~1400°Fで約12
時間加熱し、その後、合金を熱間加工圧延する工程と、スピノーダル合金を空冷する工程
と、スピノーダル合金を、約1700°Fに約12時間~約48時間加熱する工程と、ス
ピノーダル合金を約1600°Fに炉冷し、約4時間加熱する工程と、熱間加工圧延を行
う工程と、スピノーダル合金を空冷して、均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を
製造する工程と、を含む、プロセスも開示される。
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
(項目1)
物品を製造するためのプロセスであって、
鋳物を、約1100°F~約1400°Fの第1の温度で、約10時間~約14時間の第1の時間加熱する工程であって、該鋳物はスピノーダル合金を含む、工程と、
該鋳物に第1の熱間加工圧延を行う工程と、
該鋳物を第1の環境温度に空冷する工程と、
該鋳物を、少なくとも1600°Fの第2の温度に第2の時間加熱する工程と、
該鋳物を、第3の温度に第3の時間さらす工程と、
該鋳物の第2の熱間加工圧延を行う工程と、
該鋳物を最終環境温度に空冷して該物品を製造する工程と、
をこの順で含む、プロセス。
(項目2)
前記第3の温度が、前記第2の温度より最低でも約50°F高く、前記第3の時間が約2時間~約6時間である、項目1に記載のプロセス。
(項目3)
前記第3の温度が、前記第2の温度より最低でも約50°F低く、前記第3の時間が約2時間~約6時間で、前記鋳物が、前記第2の温度から前記第3の温度に炉冷される、項目1に記載のプロセス。
(項目4)
前記第2の温度が、1600°F~約1800°Fである、項目1に記載のプロセス。(項目5)
前記第2の時間が、約12時間~約48時間である、項目1に記載のプロセス。
(項目6)
前記第3の温度が、約1600°F~約1750°Fである、項目1に記載のプロセス。
(項目7)
前記第3の時間が、約4時間である、項目1に記載のプロセス。
(項目8)
前記プロセスが、均質化段階を含まない、項目1に記載のプロセス。
(項目9)
前記第1の環境温度および前記第2の環境温度が、室温である、項目1に記載のプロセス。
(項目10)
前記鋳放し状態のスピノーダル合金が、銅-ニッケル-錫合金である、項目1に記載のプロセス。
(項目11)
前記銅-ニッケル-錫合金が、約8~約20重量%のニッケルと、約5~約11重量%の錫とを含み、残部が銅である、項目10に記載のプロセス。
(項目12)
前記鋳放し状態の銅-ニッケル-錫スピノーダル合金が、約8~約10重量%のニッケルと、約5~約8重量%の錫とを含む、項目11に記載のプロセス。
(項目13)
前記第1の熱間加工圧延が、前記鋳物の面積を少なくとも30%減らす、項目1に記載のプロセス。
(項目14)
前記第2の熱間加工圧延が、前記鋳物の面積を少なくとも30%減らす、項目1に記載のプロセス。
(項目15)
前記第1の温度が、約1200°F~約1350°Fである、項目1に記載のプロセス。
(項目16)
前記第2の温度が、約1650°F~約1750°Fである、項目1に記載のプロセス。
(項目17)
前記第1の時間が、約12時間で、前記第1の温度が約1350°Fである、項目1に記載のプロセス。
(項目18)
前記第2の時間が、約24時間で、前記第2の温度が約1700°Fである、項目1に記載のプロセス。
(項目19)
均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を製造するためのプロセス(S100)であって、
鋳放し状態のスピノーダル合金を、1300°F~1400°Fで約12時間加熱し、その後、該合金を熱間加工圧延する工程と、
該スピノーダル合金を空冷する工程と、
該スピノーダル合金を約1700°Fに約12時間~約48時間加熱する工程と、
該スピノーダル合金を約1750°Fに約4時間加熱する工程と、
熱間加工圧延を行う工程と、
該スピノーダル合金を空冷して、均一な粒子サイズを有する前記スピノーダル合金を製造する工程とを含む、プロセス。
(項目20)
均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を製造するためのプロセス(S200)であって、
鋳放し状態のスピノーダル合金を1300°F~1400°Fで約12時間加熱し、その後、該合金を熱間加工圧延する工程と、
該スピノーダル合金を空冷する工程と、
該スピノーダル合金を、約1700°Fに約12時間~約48時間加熱する工程と、
該スピノーダル合金を約1600°Fに炉冷し、約4時間加熱する工程と、
熱間加工圧延を行う工程と、
該スピノーダル合金を空冷して、均一な粒子サイズを有する前記スピノーダル合金を製造する工程とを含む、プロセス。
図示するためのもので、開示を限定するためのものではない。
でより完全に理解することができる。これらの図は、本開示の明示を簡便かつ容易にする
ことに重きを置いた模式的な略図にすぎず、したがって、装置またはその構成要素の相対
的寸法や大きさを示すものではなく、および/または、例示的実施形態の範囲を画定もし
くは限定するものでもない。
の説明のために選定された実施形態に特有の構成のみを示すことを意図しており、本開示
の範囲を画定または限定することを意図しない。付随の図面および以下の記述において、
各数字表示は同様の機能を有する構成要素を示すものと理解されるべきである。
実施形態「consisting of(から成る)」および「consisting
essentially of(から実質的になる)」を含んでもよい。用語「comp
rise(s)(備える)」、「include(s)(含む)」、「having(有
する)」、「has(有する)」、「can(できる)」、「含有する(contain
(s))」およびこれらの異形は、本明細書で使用されるように、指名された構成要素/
段階の存在を要求するもので、かつ、他の構成要素/段階の存在を許容するオープンエン
ドな移行部、用語、または単語を意図する。しかしながら、列挙された構成要素/工程「
から成る(consisting of)」および「実質的に成る(consistin
g essentially of)」等と記された組成物またはプロセスの記述は、指
名された構成要素/工程と、その結果生じ得る不純物の存在のみを許容し、他の構成要素
/工程を排除するものと解釈されるべきである。
る数値、ならびに、示された数値との差異が、本願に示されたものと同種の従来の計測手
法における実験誤差より小さな数値を含むものと理解されるべきである。
わせ可能である(例えば、「2グラム~10グラム」の範囲は、端点2グラムおよび10
グラムと、さらにそれらの間の値の全てと含む)。
れるとは限られない。概略を表わす言語は、数値を測定する機器の精度に対応する場合も
ある。修飾語の「about(約)」はまた、2つの端点の絶対値で画定される範囲を開
示するものと考えられるべきである。例えば、「約2~約4」という表現はまた、「2~
4」の範囲を開示する。
できるような化学組成を有する合金を示す。「スピノーダル合金」という用語は合金の化
学成分を示すもので、物理的状態を示すものではない。したがって、「スピノーダル合金
」は、すでにスピノーダル分解したものであってもよく、またはそうでなくてもよく、ス
ピノーダル分解過程にあってもよく、またはそうでなくてもよい。
定の領域またはミクロ組織に分離できる機構である。特に、状態図の中央域にあるバルク
組成を有する結晶は、離溶(exsolution)を起こす。
む。これらのプロセスは、高温で始まり、材料が処理されるにつれてより低い温度に降下
していく。不均一なミクロ組織は、概してこれらのプロセスの結果として生じる。均一な
ミクロ組織が概して望まれるが、それはこれが合金を全体で均一な性質を示すためである
。均一なミクロ組織を得ることは、多くの相が存在し得るスピノーダル合金では難しい場
合がある。本開示は、鋳放し状態のスピノーダル合金を、均一な粒子サイズの鍛錬用製品
に変質させるためのプロセスに関する。
の実施形態に従う例示的プロセス(S100)がS101で始まる。S102では、鋳放
し状態のスピノーダル合金が提供される。S104では、鋳放し状態のスピノーダル合金
が1300°F~1400°Fの第1の温度に約12時間加熱され、その後熱間加工され
る。S106では、スピノーダル合金が空冷される。S108では、スピノーダル合金は
、1700°Fの第2の温度に第2の時間、2度目の加熱を受ける。S110では、スピ
ノーダル合金は、より高い1750°Fの第3の温度に約4時間加熱される。S112で
は、第2の熱間加工圧延が行われる。S114では、スピノーダル合金が空冷される。均
一な粒子サイズを有するスピノーダル合金は、割れを生じることなく、均質化を行わずに
形成される。
の実施形態に従う例示的プロセス(S200)がS201で始まる。S202では、鋳放
し状態のスピノーダル合金が提供される。S204では、鋳放し状態のスピノーダル合金
が1300°F~1400°Fの温度に約12時間加熱され、その後、熱間加工される。
S206では、スピノーダル合金は、空冷される。S108で、スピノーダル合金は、1
700°Fの第2の温度に第2の時間、2度目の加熱を受ける。S210では、スピノー
ダル合金が1600°Fの第3の温度に約4時間冷却される。S212では、第2の熱間
加工圧延が行われる。S214では、スピノーダル合金が空冷される。均一な粒子サイズ
を有するスピノーダル合金は、割れを生じることなく、均質化を行わずに形成される。
または合金の製造に関する。鋳物は、スピノーダル合金から作られる(S102、S20
2)。鋳物は、約1100°F~約1400°Fの第1の温度に、約10時間~約14時
間の第1の時間加熱される(S104、S204)。鋳物の第1の熱間加工圧延が、行わ
れる(S104、S204)。鋳物は、次いで、第1の環境温度に空冷される(S106
、S206)。鋳物は、その後、少なくとも1600°Fの第2の温度に第2の時間加熱
される(S108、S208)。鋳物は、その後、第3の温度に第3の時間さらされる(
S110、S210)。この第3の温度は、第2の温度を上回る、またはそれ未満であっ
てもよい。鋳物の第2の熱間加工圧延が行われ(S112、S212)、鋳物は、最終環
境温度に空冷され、物品を製造する(S114,S214)。
、第3の時間は、約2時間~約6時間である。
3の時間は、約2時間~約6時間で、鋳物は、第2の温度から第3の温度に空冷される。
であり、合金そのものがこの温度に達しているとは限らないことに留意されたい。
際、合金/鋳物の冷却は、3種類の方法、すなわち、水焼入れ、炉冷、および空冷によっ
て行うことができる。水焼入れでは、鋳物が水中に浸される。この種の焼入れは、鋳物の
温度を素早く変化させ、概して単相が結果として生じる。炉冷では、炉内に鋳物を入れた
状態で炉がオフにされる。その結果、鋳物は、炉内の空気と同じ速度で冷える。空冷では
、鋳物が炉から出され、環境温度にさらされる。所望の場合、空冷を能動的にする、すな
わち、周辺空気を鋳物に向けて吹き付けることもできる。炉冷に比べ、空冷下にある鋳物
はより速い速度で冷える。
圧下の度合いは、熱間加工の前後で合金の断面積の変化を測定し、下記の式に従って決定
することができる。
%HW=100×[A0-Af]/A0
式中、A0は、熱間加工前の初期または元の断面積であり、Afは熱間加工後の最終断面
積である。断面積の変化は、通常、合金の厚さのみに支配されるため、%HWは、初期お
よび最終の厚さを用いて計算することもできることに留意されたい。
の状態図中に溶解度ギャップと呼ばれる異様を示す。溶解度ギャップの比較的狭い温度範
囲内では、既存の結晶格子構造内で原子の配列化が起こる。その結果生じる2相組織は、
ギャップよりかなり下の温度において安定である。
気的、熱的伝導性を有する。従来の銅合金は、高い硬度を必要とする厳しい用途にはほと
んど用いられない。しかしながら、銅-ニッケル-錫スピノーダル合金は、硬質鋳物およ
び鍛錬状態の両方で、高い硬さと伝導性とを兼ね備える。
増大させる一方、熱をより均一に放散させることによって歪の低減を促す。加えて、スピ
ノーダル銅合金は、同様の硬さにおいてより優れた機械加工性を示す。
いて、銅合金は、約13~約17重量%のニッケルと、約7~約9重量%の錫とを含む、
約8~約20重量%のニッケルと、約5~約11重量%の錫とを含有し、残部は、銅であ
る。具体的な実施形態では、合金は、約15重量%のニッケルと、約8重量%の錫とを含
む。他の実施形態では、合金は、約9重量%のニッケルと、約6重量%の錫とを含有する
。
ライボロジー特性、および海水や酸性環境中での高い耐食性の組み合わせを示す。ベース
金属の耐力増大は、銅-ニッケル-錫合金中のスピノーダル分解によって生じ得る。
つかの実施形態では、銅合金は、約1重量%~約5重量%のベリリウムと、合計で約0.
7重量%~約6重量%の範囲のコバルトおよびニッケルとを含有する。具体的な実施形態
では、合金が、約2重量%のベリリウムと、約0.3重量%のコバルトおよびニッケルと
を含む。他の銅合金の実施形態は、約5重量%~約7重量%のベリリウムを含有し得る。
、ニオブ、タンタル、バナジウム、ジルコニウム、シリコン、クロム、および、これら2
つまたはそれを上回る元素の任意の混合物)を随意に含有する。添加元素は、1重量%ま
で、0.5重量%までを含む、5重量%の量まで存在してよい。
マグネシウムは、酸素含有量を低下させるために添加してもよい。マグネシウムは、酸素
と反応し、合金塊から除去され得るマグネシウム酸化物を形成する場合がある。
これらの実施例は単に説明用であり、そこに記された材料、条件、またはプロセスパラメ
ータに本開示を限定することを意図しない。
ートである。使用されたCu-Ni-Snスピノーダル合金は全て、約8~10重量%ニ
ッケル、5~8重量%錫、残部銅であった。冷却方法がここでは調べられた。
室温に空冷、1350°Fで一晩再加熱、圧縮、1750°Fで一晩再加熱され、圧縮さ
れた。左下に示したように、いくつかの円柱は、1700°Fで3日間均質化され、その
後、1350°Fに炉内冷却、1350°Fで一晩再加熱、圧縮、1750°Fで一晩再
加熱され、圧縮された。
がら、左上に示すように、両タイプの冷却とも、40マイクロメートル(μm)~60μ
mの均一な粒子サイズを作り出した。
第1の再加熱およびその後の熱間加工工程と、3)1750°Fで1日間の第2の再加熱
とその後の第2の熱間加工工程と、を行う伝統的プロセスを示すデータグラフである。各
段階(1-3)の後で、水焼入れ(WQ)が行われた。グラフは、各種段階後のミクロ組
織を図示する写真を含む。図3の結果を図4と比較すると、均質化後に空冷を用いた鋳物
のミクロ組織は、鋳放し状態のミクロ組織と同様であることが留意された。
用いた場合を示すデータグラフである。第1の均質化段階(1700°F/3日間)の後
のミクロ組織データは、図4で得られたものと大きく異なる一方、最終のミクロ組織は同
様である。
ーダル合金を形成するための第1の例示的プロセスを図示するデータグラフである。鋳放
し状態の材料は、1350°Fに約12時間加熱され(この時点でミクロ組織が示される
)、熱間加工され、その後空冷された。2つのミクロ組織が、空冷された中間製品につい
て示されている(最初の曲線の「空冷」キャプションの後に示される)スピノーダル合金
材料は、その後、1700°Fに一定の時間、例えば、少なくとも16時間で2度目の加
熱を施され(ミクロ組織が示される)、その後、1750°Fに4時間の加熱(ミクロ組
織が示される)、第2の熱間加工圧延および空冷(ミクロ組織が示される)を経る。本プ
ロセスは、図3に表示された40-60μm粒子サイズと同様な均一な粒子サイズを、割
れを生じることなく、均質化段階なしで作り出した。
ロセスを図示するデータグラフである。鋳放し状態の材料は、1350°Fに約12時間
加熱され(この時点でミクロ組織が示される)、熱間加工された後、空冷された。2つの
ミクロ組織が、空冷された中間製品について示される(最初の曲線の「空冷」キャプショ
ンの後に示される)スピノーダル合金材料は、次いで、1700°Fの第2の温度に24
時間、2度目の加熱を受ける。時間(ミクロ組織が示される)は、例えば、少なくとも1
6時間、その後、1750°Fで4時間(ミクロ組織が示される)、続いて、第2の熱間
加工圧延および空冷(ミクロ組織が示される)。本プロセスは、図3に表示された40-
60μm粒子サイズと同様な均一な粒子サイズを、割れを生じることなく、均質化段階な
しで作り出した。
子サイズのスピノーダル合金を形成する第2の修正された例示的プロセスを示す。本プロ
セスの投入材は、鋳放し状態のスピノーダル合金材料である。合金は、1350°Fに1
2時間加熱され(この時点で示されるミクロ組織)、熱間加工され、空冷された(ミクロ
組織が示される)。材料は、その後、1700°Fに24時間再び加熱され(不均一なミ
クロ組織が示される)、次に1600°Fに炉冷され、4時間保持され(ミクロ組織が示
される)、熱間加工され(ミクロ組織が示される)、その後、空冷される。(ミクロ組織
が示される)。これもまた、均一ミクロ組織を割れを生じることなく、均質化段階なしで
作り出した。最終のミクロ組織は、さらに微細な粒子サイズを示す
れば、他者が改良や変更を思いつくのは当然のことである。そのような改良や変更の全て
は、添付の請求項およびその均等物の範囲に入る限り、本開示に含まれると解釈されるこ
とが意図される。
Claims (7)
- 物品を製造するためのプロセスであって、
鋳物を、593℃(1100°F)~760℃(1400°F)の第1の温度で、10時間~14時間の第1の時間加熱する工程であって、前記鋳物はスピノーダル合金から形成され、鋳放し状態のスピノーダル合金が、8~20重量%のニッケルと、5~11重量%の錫とを含み、残部が銅である銅-ニッケル-錫合金である、前記工程と、
前記鋳物に、前記鋳物の面積を少なくとも30%減らす第1の熱間加工圧延を行う工程と、
前記鋳物を室温の第1の環境温度に空冷する工程と、
前記鋳物を、少なくとも871℃(1600°F)の第2の温度に12時間~48時間の第2の時間加熱する工程と、
前記鋳物を、第3の温度に2時間~6時間の第3の時間さらす工程であって、
前記第3の温度が、前記第2の温度より最低でも10℃(50°F)高い、又は
前記第3の温度が、前記第2の温度より最低でも10℃(50°F)低く、前記鋳物が、前記第2の温度から前記第3の温度に炉冷される、前記工程と、
前記鋳物に、前記鋳物の面積を少なくとも30%減らす第2の熱間加工圧延を行う工程(S112、S212)と、
前記鋳物を室温の最終環境温度に空冷して前記物品を製造する工程(S114、S214)と、
をこの順で含む、前記プロセス。 - 前記第2の温度が、871℃(1600°F)~982℃(1800°F)である、請求項1に記載のプロセス。
- 前記第3の温度が、871℃(1600°F)~954℃(1750°F)である、請求項1に記載のプロセス。
- 鋳放し状態の銅-ニッケル-錫スピノーダル合金が、8~10重量%のニッケルと、5~8重量%の錫とを含む、請求項1に記載のプロセス。
- 前記第1の温度が、649℃(1200°F)~732℃(1350°F)である、請求項1に記載のプロセス。
- 前記プロセスが、均質化段階を含まない、請求項1に記載のプロセス。
- 均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を製造するための請求項1に記載のプロセスであって、
鋳放し状態のスピノーダル合金を、704℃(1300°F)~760℃(1400°F)で12時間加熱し、その後、前記合金を熱間加工圧延する工程と、
前記スピノーダル合金を空冷する工程と、
前記スピノーダル合金を927℃(1700°F)に12時間~48時間加熱する工程と、
前記スピノーダル合金を954℃(1750°F)に4時間加熱する工程、又は前記スピノーダル合金を871℃(1600°F)に炉冷し、4時間加熱する工程と、
熱間加工圧延を行う工程と、
前記スピノーダル合金を空冷して、均一な粒子サイズを有する前記スピノーダル合金を製造する工程と
を含む、前記プロセス。
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