JP2007514057A - 高強度マルテンサイト系ステンレス鋼合金、それらを形成する方法、および、それらから形成された物品 - Google Patents
高強度マルテンサイト系ステンレス鋼合金、それらを形成する方法、および、それらから形成された物品 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、高強度マルテンサイト系ステンレス鋼合金、それらを形成する方法、および、それらから形成された物品に関する。
高性能の物品に使用するための優れた特性を示すある種のステンレス鋼合金、例えばマルテンサイト系析出硬化系ステンレス鋼合金を配合するための相当な努力がなされてきた。これらの合金から形成された物品の優秀な比強度、靱性、耐食性、および応力腐食割れ(SCC)耐性に関する能力により、特に、航空宇宙の構造部材(例えば、フラップトラック、アクチュエーター、エンジンマウント、および着陸装置のハードウェア)としての使用にそれらをよく適合させる。これらの特性は、様々な製造上の考慮に加えて、合金の組成、構造、熱処理、および、合金系におけるプロセス制御のレベルに強く影響される。高性能鋼の用途に必要な特性を得るためには、合金化する成分、および、それぞれの量と比率の慎重かつ厳密な制御が一般的に必要である。合金化する成分またはそれらの量のわずな調節ですら、これらのステンレス鋼合金の特性および性能に著しく影響を与える可能性がある。
本発明は、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼、それらから形成された物品、および、それらを形成する方法を提供する。一態様において、本マルテンサイト系ステンレス鋼合金は、重量パーセントで、11.0〜12.5パーセントのクロム、1.0〜2.5パーセントのモリブデン、0.15〜0.5パーセントのチタン、0.7〜1.5パーセントのアルミニウム、0.5〜2.5パーセントの銅、9.0〜11.0パーセントのニッケル、0.02パーセント以下の炭素、2.0パーセント以下のタングステン、および、0.001%以下のホウ素を含む。
図1は、50ポンドのヒート内に生成した所定の鋼の、H950条件での降伏強度の関数としての破壊靱性を図説し;
図2は、50ポンドのヒート内に生成した所定の鋼の、H1000条件での降伏強度の関数としての破壊靱性を図説し;
図3は、300ポンドのヒート内に生成した所定の鋼の、H950条件での降伏強度の関数としての破壊靱性を図説し;
図4は、300ポンドのヒート内に生成した所定の鋼の、H1000条件での降伏強度の関数としての破壊靱性を図説し;および、
図5は、300ポンドのヒート内に生成した所定の鋼の、H1025条件での降伏強度の関数としての破壊靱性を図説する。
当然ながら、本発明の説明によっては、本発明の明確な理解に関連するような要素および限定だけを説明するために簡易化されてあり、明確にするために、その他の元素を限定していない。当業者は、本発明の説明を考察する際に、本発明を実施するためには、その他の要素および/または限定が望ましい場合があることを認識するべきである。しかしながら、このようなその他の要素および/または限定は、当業者であれば本発明の説明を考察する際に容易に確認でき、本発明の完全な理解には必要ではないため、このような要素および限定の考察は本明細書には示さない。例えば、本明細書で考察されたように、本発明のステンレス鋼合金のある態様は、例えば、高性能の構造部材、例えば航空宇宙での用途、例えばフラップトラック、アクチュエーター、エンジンマウント、および、着陸装置のハードウェアで用いてもよい。高性能の構造部材の製造方法は、一般的に、当業者に理解されているため、本明細書では詳細に説明しない。
アルミニウム、チタンおよび銅は、析出硬化元素として個々に、および、それらを組み合わせた場合のいずれでも、その他の主要な母材の合金化元素と本明細書に記載の量で併用した場合、高強度マルテンサイト系ステンレス鋼の特性にプラスに作用することが見出された。結果として、合金の設計原理が、析出硬化元素と、それらの有利な母材の化学成分との有利な組み合わせを決定する所定の試験用鋼に基づき開発された。
数種の時効条件での試験により、補強物質としてのアルミニウム、チタンおよび銅の量は、ステンレス鋼合金の強度に対して異なる作用を有することが明らかになった。
H950条件の場合:
単一の元素の添加により、鋼のシャルピー衝撃靱性および破壊靱性はいずれも、同等の強度レベルで析出硬化剤の含量が増加するにつれて減少することが明らかになる。特に、アルミニウムおよびチタンの存在および量は、靱性的性質に作用するようである。同等の強度レベルで、アルミニウムは、より高いシャルピー衝撃靱性を示すが、チタンは、特により高いチタン含量で、より高い破壊靱性を示す。靱性を降伏強度の関数としてプロットする場合、アルミニウムは、より低い強度(YS<200ksi)で、より高いシャルピー衝撃エネルギーとより高い破壊靱性との両方を示すことが見出された。強度が高い場合(YS>200ksi)、チタンは、特に有効であり得る。加えて、銅は、銅を含む試験用鋼が、強度の増加は示すが破壊靱性の減少は示さないという破壊靱性に対する特有の作用を提供することが見出された。
合金の加工に関連して高いコストとなる可能性があるため、鋼の熱処理に対する応答は、マルテンサイト系ステンレス鋼合金から完成部品を形成する際の重要な考察事項である。また、マルテンサイト開始(Ms)温度に対する合金化元素の作用も、マルテンサイト系鋼において基本的な重要性を有する。
靱性、耐食性/耐SCC性、および、熱処理に対するマルテンサイト系ステンレス鋼合金の挙動に対してアルミニウム、チタンおよび銅が有することが見出された有意な作用に加えて、残りの合金化物質(すなわち、炭素、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステンおよびホウ素)も、アルミニウム、チタンおよび銅と併用した場合に、本明細書に記載の量で併用された場合、本発明の合金鋼の特性に作用する。
実施例1
多数の本発明の合金鋼を、50Lb(ポンド)のVIM/VARヒートとして作製した。4インチの丸型VARインゴットを、1900°F(1038℃)で1インチ×3インチのプレートに鍛造し、機械的試験および微細構造の研究のために試料ブランクを鍛造プレートから切断した。機械的試験用のこのブランクを、1700°F(927℃)で1時間溶体化処理し、次に、室温に空冷した。冷却後、ブランクを時効温度に再加熱し、室温に空冷し、指示された温度(H950、および、H1000)で4時間時効させた。表1に、本発明の試験合金鋼の化学成分を列挙し、ヒート1〜3と識別した。
本発明の合金鋼の300ポンドのヒートの数種類を形成し、試験し、市販および/または既知の合金鋼の代表的なサンプルと比較した。表4に、形成され試験された300ポンドのヒートの化学成分を示す。WK48と識別されたヒートの1つは、上記で考察されたC465の代表的なサンプルである。WK50と識別された第二のヒートは、Stigenbergの米国特許第5,512,237号で開示された広い範囲内に含まれる成分および濃度を有する。この特許は、3種全ての補強元素Ti、AlおよびCuの使用を示唆しており、ここでは、Tiは比較的高い量、Alは低い量であるが、それに対して、本発明の態様に記載のように、Alは比較的高い量であり、Tiは低い量である。この特許から開発された市販の合金1RK91は、本発明における鋼とは異なっており、主として工具としての用途に用いられる。それぞれのヒートWK48、および、WK50(1RK91派生物)を形成し、試験し、本発明の合金鋼の態様と比較した(表4〜8でヒート4−13と識別された)。これまでに考察された市販の極めて高強度ステンレス鋼のその他の代表的なサンプルのためのヒートは作製しなかったが、これは、これらの代表的なサンプルによって示された特性が本発明の鋼に比べて著しく劣っており、上記で考察された50ポンドのヒートから得られた結果と異なるとは予想されなかったためである。
Claims (74)
- 重量パーセントで:
11.0%〜12.5%のクロム;
1.0%〜2.5%のモリブデン;
0.15%〜0.5%のチタン;
0.7%〜1.5%のアルミニウム;
0.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜11.0%のニッケル;
0.02%以下の炭素;
2.0%以下のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 実質的に総含量の残部は鉄である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記クロムの量は、11.0重量%〜12.0重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記モリブデンの量は、1.0重量%〜2.0重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記チタンの量は、0.15重量%〜0.3重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記チタンの量は、0.3重量%〜0.5重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記アルミニウムの量は、1.0重量%〜1.3重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記アルミニウムの量は、0.9重量%〜1.2重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記銅の量は、1.5重量%〜2.5重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記銅の量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記ニッケルの量は、9.0重量%〜10.0重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記ニッケルの量は、9.5重量%〜10.5重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.006重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.008重量%〜0.012重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.01重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 前記タングステンの量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項1に記載のステンレス鋼。
- 実質的に、重量パーセントで:
11.0%〜12.5%のクロム;
1%〜2.5%のモリブデン;
0.15%〜0.5%のチタン;
0.7%〜1.5%のアルミニウム;
0.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜11.0%のニッケル;
0.02%以下の炭素;
2.0%以下のタングステン;
0.001%以下のホウ素;
鉄;および
偶発的な不純物、
からなる、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 前記クロムの量は、11.0重量%〜12.0重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記モリブデンの量は、1.0重量%〜2.0重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記チタンの量は、0.15重量%〜0.3重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記チタンの量は、0.3重量%〜0.5重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記アルミニウムの量は、1.0重量%〜1.3重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記アルミニウムの量は、0.9重量%〜1.2重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記銅の量は、1.5重量%〜2.5重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記銅の量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記ニッケルの量は、9.0重量%〜10.0重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記ニッケルの量は、9.5重量%〜10.5重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.006重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.008重量%〜0.012重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記炭素の量は、0.01重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 前記タングステンの量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項20に記載のステンレス鋼。
- 重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.15%〜0.3%のチタン;
1.0%〜1.3%のアルミニウム;
1.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜10.0%のニッケル;
0.008%〜0.012%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項38に記載のステンレス鋼。
- 実質的に、重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.15%〜0.3%のチタン;
1.0%〜1.3%のアルミニウム;
1.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜10.0%のニッケル;
0.008%〜0.012%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;
0.001%以下のホウ素;
鉄;および
偶発的な不純物、
からなる、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項42に記載のステンレス鋼。
- 重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.3%〜0.5%のチタン;
0.9%〜1.2%のアルミニウム;
0.5%〜1.5%の銅;
9.5%〜10.5%のニッケル;
0.01%〜0.016%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項46に記載のステンレス鋼。
- 実質的に、重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.3%〜0.5%のチタン;
0.9%〜1.2%のアルミニウム;
0.5%〜1.5%の銅;
9.5%〜10.5%のニッケル;
0.01%〜0.016%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;
0.001%以下のホウ素;
鉄;および
偶発的な不純物、
からなる、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼。 - 少なくとも230ksi、少なくとも70ksi.in1/2のK1c、および、少なくとも50ksi.in1/2のK1sccの降伏強度を有する、請求項50に記載のステンレス鋼。
- 重量パーセントで:
11.0%〜12.5%のクロム;
1.0%〜2.5%のモリブデン;
0.15%〜0.5%のチタン;
0.7%〜1.5%のアルミニウム;
0.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜11.0%のニッケル;
0.02%以下の炭素;
2.0%以下のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を含む、製造物品。 - フラップトラック、アクチュエーター、エンジンマウント、着陸装置のハードウェア、拳銃の銃身、および、車両の部品からなる群より選択される、請求項54に記載の製造物品。
- 実質的に、重量パーセントで:
11.0%〜12.5%のクロム;
1.0%〜2.5%のモリブデン;
0.15%〜0.5%のチタン;
0.7%〜1.5%のアルミニウム;
0.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜11.0%のニッケル;
0.02%以下の炭素;
2.0%以下のタングステン;
0.001%以下のホウ素;
鉄;および
偶発的な不純物、
からなる、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を含む製造物品。 - 重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.15%〜0.3%のチタン;
1.0%〜1.3%のアルミニウム;
1.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜10.0%のニッケル;
0.008%〜0.012%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を含む、製造物品。 - 重量パーセントで:
11.0%〜12.0%のクロム;
1.0%〜2.0%のモリブデン;
0.3%〜0.5%のチタン;
0.9%〜1.2%のアルミニウム;
0.5%〜1.5%の銅;
9.5%〜10.5%のニッケル;
0.01%〜0.016%の炭素;
0.5%〜1.5%のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含む析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を含む、製造物品。 - 重量パーセントで:
11.0%〜12.5%のクロム;
1.0%〜2.5%のモリブデン;
0.15%〜0.5%のチタン;
0.7%〜1.5%のアルミニウム;
0.5%〜2.5%の銅;
9.0%〜11.0%のニッケル;
0.02%以下の炭素;
2.0%以下のタングステン;および、
0.001%以下のホウ素、
を含むヒートを製造すること;および、
該ヒートを加工して、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を形成すること、
を含む、析出硬化型マルテンサイト系ステンレス鋼を形成する方法。 - 実質的に総含量の残部として鉄が含まれる、請求項59に記載の方法。
- 前記クロムの量は、11.0重量%〜12.0重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記モリブデンの量は、1.0重量%〜2.0重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記チタンの量は、0.15重量%〜0.3重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記チタンの量は、0.3重量%〜0.5重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記アルミニウムの量は、1.0重量%〜1.3重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記アルミニウムの量は、0.9重量%〜1.2重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記銅の量は、1.5重量%〜2.5重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記銅の量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記ニッケルの量は、9.0重量%〜10.0重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記ニッケルの量は、9.5重量%〜10.5重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記炭素の量は、0.006重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記炭素の量は、0.008重量%〜0.012重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記炭素の量は、0.01重量%〜0.016重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
- 前記タングステンの量は、0.5重量%〜1.5重量%の範囲である、請求項59に記載の方法。
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