特許 6611700 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6611700

(24)【登録日】2019年11月8日

(45)【発行日】2019年11月27日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   C22F 1/08 20060101AFI20191118BHJP

   C22C 9/06 20060101ALI20191118BHJP

   C22C 9/02 20060101ALI20191118BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20191118BHJP

【ＦＩ】

   C22F1/08 G

   C22C9/06

   C22C9/02

   !C22F1/00 630C

   !C22F1/00 650F

   !C22F1/00 682

   !C22F1/00 683

   !C22F1/00 691B

   !C22F1/00 691C

   !C22F1/00 692A

   !C22F1/00 694A

   !C22F1/00 694B

   !C22F1/00 602

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 630E

   !C22F1/00 630K

【請求項の数】13

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-501539(P2016-501539)

(86)(22)【出願日】2014年3月12日

(65)【公表番号】特表2016-516898(P2016-516898A)

(43)【公表日】2016年6月9日

(86)【国際出願番号】US2014024448

(87)【国際公開番号】WO2014150880

(87)【国際公開日】20140925

【審査請求日】2016年12月15日

(31)【優先権主張番号】61/793,690

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】508348680

【氏名又は名称】マテリオン コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(72)【発明者】

【氏名】ロンゲンバーガー， エドワード

【審査官】 河野 一夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５３−０６６８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４０７３６６７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１３０４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１３０４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７７１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０２６１０３５８（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開昭６３−２５０４４４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｆ １／００ − ３／０２

Ｃ２２Ｃ ９／００ − ９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、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い、該鋳物の断面積を少なくとも３０％減少させる工程と、
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８７１℃（１６００°Ｆ）の第２の温度で１２時間〜４８時間の第２の時間加熱する工程と、
該鋳物を、８７１℃（１６００°Ｆ)〜９５４℃（１７５０°Ｆ）の第３の温度に２時
間〜６時間の第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い、該鋳物の断面積を少なくとも３０％減少させる工程と、
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、
をこの順で含み、
該プロセスが、均質化段階を含まず、
該スピノーダル合金が、
８〜２０重量％のニッケルおよび５〜１１重量％の錫と、
５重量％までの合計量の随意の添加元素であって、該添加元素が、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、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からなる群から選択される、添加元素と、
残部の銅と
からなる、
プロセス。

【請求項2】

前記第３の温度が、前記第２の温度より最低でも２８℃（５０°Ｆ）高く、前記第３の時間が２時間〜６時間である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項3】

前記第３の温度が、前記第２の温度より最低でも２８℃（５０°Ｆ）低く、前記第３の時間が２時間〜６時間で、前記鋳物が、該第２の温度から該第３の温度に炉冷される、請求項１に記載のプロセス。

【請求項4】

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。

【請求項5】

前記第３の時間が、４時間である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項6】

前記第１の環境温度および前記最終環境温度が、室温である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項7】

前記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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

前記第２の温度が、８９９℃（１６５０°Ｆ）〜９５４℃（１７５０°Ｆ）である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項10】

前記第１の時間が、１２時間で、前記第１の温度が７３２℃（１３５０°Ｆ）である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項11】

前記第２の時間が、２４時間で、前記第２の温度が９２６℃（１７００°Ｆ）である、請求項１に記載のプロセス。

【請求項12】

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、７０４℃（１３００°Ｆ）〜７６０℃（１４００°Ｆ）で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９２６℃（１７００°Ｆ）で１２時間〜４８時間加熱する工程と、
該スピノーダル合金を９５４℃（１７５０°Ｆ）で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該スピノーダル合金を製造する工程と
を含み、該プロセスが、均質化段階を含まず、
該スピノーダル合金が、
８〜２０重量％のニッケルおよび５〜１１重量％の錫と、
５重量％までの合計量の随意の添加元素であって、該添加元素が、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、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からなる群から選択される、添加元素と、
残部の銅と
からなる、
プロセス。

【請求項13】

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７０４℃（１３００°Ｆ）〜７６０℃（１４００°Ｆ）で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、９２６℃（１７００°Ｆ）で１２時間〜４８時間加熱する工程と、
該スピノーダル合金を８７１℃（１６００°Ｆ）で炉冷し、４時間加熱する工程と、
熱間加工圧延を行う工程と、
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該スピノーダル合金を製造する工程と
を含み、該プロセスが、均質化段階を含まず、
該スピノーダル合金が、
８〜２０重量％のニッケルおよび５〜１１重量％の錫と、
５重量％までの合計量の随意の添加元素であって、該添加元素が、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、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からなる群から選択される、添加元素と、
残部の銅と
からなる、
プロセス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願に対する相互参照
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。

【0002】

本開示は、粒子サイズが均一な熱間加工されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎスピノーダル合金を製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。

【背景技術】

【0003】

均一な粒子サイズの合金金属を製造するためのプロセスは、伝統的に、他の熱処理および／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。

【0004】

均質化処理は、金属をより使用可能な形状に変質するため、および／または圧延製品の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。

【0005】

均質化段階の必要性は、凝固の初期段階または最終段階で鋳造製品内に認められるミク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。

【0006】

均一な粒子サイズを作り出すための伝統的プロセスは、知られた限界を有する。まず、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。

【0007】

均一な粒子サイズのスピノーダル合金を、均質化段階を行うことなく生成するためのプ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。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0008】

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。

【0009】

本明細書の様々な実施形態で開示されるのは、物品を製造するためのプロセスであって、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。

【0010】

いくつかの実施形態では、第３の温度は、第２の温度より最低でも約５０°Ｆ高く、また第３の時間は約２時間〜約６時間である。

【0011】

他の実施形態では、第３の温度は、第２の温度より最低でも約５０°Ｆ低く、第３の時間は、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。

【0012】

第２の温度は、１６００°Ｆ〜約１８００°Ｆであってもよい。第２の時間は、約１２時間〜約４８時間でよい。

【0013】

第３の温度は、約１６００°Ｆ〜約１７５０°Ｆとすることができる。第３の時間は、約４時間とすることができる。

【0014】

第１の環境温度および第２の環境温度は、概して、室温、すなわち、２３℃−２５℃である。

【0015】

鋳放し状態のスピノーダル合金は、通常、銅−ニッケル−錫合金である。銅−ニッケル−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。

【0016】

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。同様に、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。

【0017】

第１の温度は、約１２００°Ｆ〜約１３５０°Ｆであり得る。第２の温度は、約１６５０°Ｆ〜約１７５０°Ｆであり得る。

【0018】

特定の実施形態では、第１の時間が約１２時間で、第１の温度が約１３５０°Ｆである。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。

【0019】

また、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、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。

【0020】

さらに、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、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。

【0021】

本開示のこれらおよび他の非限定的な特性は、より具体的に以下に開示される。
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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

以下は、図面の簡単な説明であるが、これは、本明細書に開示される例示的実施形態を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。

【0023】

【図1】図１は、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を製造する第１の例示的プロセスを示すフローチャートである。

【0024】

【図2】図２は、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を製造する第２の例示的プロセスを示すフローチャートである。

【0025】

【図3】図３は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎスピノーダル合金の円柱を均質化した後、圧縮下で空冷または１７５０Ｆで炉冷したとき、その半数以上が割れることを示す実験データのフローチャートである。

【0026】

【図4】図４は、（１）１７００°Ｆで３日間の均質化工程と、（２）１２００°Ｆで１日間の再加熱工程とその後の熱間加工工程と、３）１７５０°Ｆで１日間の第２の再加熱工程と第２の熱間加工工程とを行い、３段階全ての後で水焼入れを行う伝統的プロセスを示すデータグラフである。

【0027】

【図5】図５は、図４に用いられるのと同じ工程（１−３）を含むが、各工程の後で水冷の代わりに空冷を用いる修正された処理を示すデータグラフである。

【0028】

【図6】図６は、均一な粒子サイズのスピノーダル合金を形成するための例示的プロセスを示すデータグラフである。この例示的プロセスには均質化段階が存在しない。

【0029】

【図7】図７は、第２の熱間加工で、より低い温度を用いる、均一な粒子サイズのスピノーダル合金を形成するための第２の例示的プロセスを示すデータグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0030】

本明細書に開示される構成要素、プロセス、および装置は、付随の図面を参照すること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。

【0031】

以下の記述には明確性のため特定の用語が用いられているが、これらの用語は、図中で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。

【0032】

明細書と請求範囲で用いられるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」は、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「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（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（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ 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。

【0033】

本願の明細書および請求範囲の数値は、同数の有効数字に四捨五入した際に同じ値となる数値、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。

【0034】

本明細書で開示される全ての範囲は、示された端点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である（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）。

【0035】

「約」、「実質的に」等の用語で修飾される数値は、規定される正確な値のみに限定さ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。

【0036】

本明細書で使用されるように、「スピノーダル合金」という用語は、スピノーダル分解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。

【0037】

スピノーダル時効／分解とは、多種の成分が、異なった化学組成および物性を有する特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。

【0038】

スピノーダル合金の従来プロセス段階は、均質化工程と、高温での熱間加工工程とを含む。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。

【0039】

図１を参照して、熱間加工により均一な粒子サイズのスピノーダル合金を製造する第１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。

【0040】

図２を参照して、熱間加工により均一な粒子サイズのスピノーダル合金を製造する第２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、１７００°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。

【0041】

大略すると、図１および図２に示された本プロセスは、均一な粒子サイズを有する物品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、Ｓ２０２）。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）。

【0042】

図１と同様の実施形態では、第３の温度が第２の温度より最低でも約５０°Ｆ高く、第３の時間は、約２時間〜約６時間である。

【0043】

図２と同様の実施形態では、第３の温度が第２の温度より最低でも約５０°Ｆ低く、第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。

【0044】

なお、本明細書で述べられる温度は、合金がさらされる雰囲気温度または炉の設定温度であり、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。

【0045】

上記のように、本明細書に記載されるプロセスの冷却段階に、空冷が用いられる。その際、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。

【0046】

鋳物に行われる熱間加工圧延は、概して、鋳物の面積を少なくとも３０％減少させる。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×［Ａ_０−Ａ_ｆ］／Ａ_０
式中、Ａ_０は、熱間加工前の初期または元の断面積であり、Ａ_ｆ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。

【0047】

銅合金はスピノーダル合金であってもよい。スピノーダル合金は、ほとんどの場合、そ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。

【0048】

銅合金は、従来の高性能鉄系、ニッケル系、およびチタン系合金に比べ、非常に高い電気的、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。

【0049】

さらに、熱伝導率は、従来型鉄系合金（工具鋼）より３〜５倍高く、これが除熱速度を増大させる一方、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。

【0050】

物品の銅合金は、ニッケルおよび／または錫を含んでもよい。いくつかの実施形態において、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。

【0051】

三元系銅−ニッケル−錫スピノーダル合金は、有益な性質、例えば、高強度、優れたトライボロジー特性、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。

【0052】

随意に、合金はさらに、ベリリウム、ニッケル、および／またはコバルトを含む。いく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。

【0053】

本開示の合金は、少量の添加元素（例えば、鉄、マグネシウム、マンガン、モリブデン、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。

【0054】

いくつかの実施形態では、最初の鋳造合金物品の調材は、マグネシウムの添加を含む。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。

【0055】

以下の実施例は、本開示の合金、物品、およびプロセスを説明するためのものである。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。

【実施例】

【0056】

図３は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎスピノーダル合金の円柱について行ったある実験を示すチャートである。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。

【0057】

右上に示したように、いくつかの円柱は、１７００°Ｆで３日間均質化され、その後、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。

【0058】

両方の場合とも、１７５０°Ｆで圧縮したとき、半数を超える円柱が割れた。しかしながら、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）〜６０μｍの均一な粒子サイズを作り出した。

【0059】

図４は、（１）１７００°Ｆで３日間の均質化工程と、（２）１２００°Ｆで１日間の第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。

【0060】

図５は、図４と同様の処理を修正したもので、各段階の後で水焼入れの代わりに空冷を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。

【0061】

その結果、本開示のプロセスは発見された。図６は、均一な粒子サイズを有するスピノ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。

【0062】

図７は、均一な粒子サイズを有するスピノーダル合金を形成するための第２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１６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。

【0063】

図７を参照して、データグラフは、より低い温度での第２の熱間段階を用いて均一な粒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１２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

【0064】

例示的実施形態を参照して本開示が記述された。これまでの詳細な記述を読んで理解すれば、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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】