JP2008523250A - 高強度高靭性合金を熱化学処理する方法および工程 - Google Patents

Abstract

高靭性高強度の合金に、バルク合金熱処理と表面処理とが同時になされることにより、熱化学処理が行われる。この同時処理工程は、浸炭と共に行われる高温溶体化処理および窒化と共に行われる焼戻しを含むことが可能である。

Description

本発明は、概して、合金のバルク熱処理と組合せて行うことを含む合金の表面処理に関する。詳しくは、寸法の変化を最小限に留め、かつ、製造時間およびコストを削減する化学処理方法および熱化学処理工程に関する。さらに、工程処理後の合金が、出力伝送部品のように優れた特性を要求する用途において特に効果的な所望の表面特性および所望のコア特性を有することができるように、表面処理を施すことができる特性および微細構造を有する合金の特定に関する。

出力伝送部品などの鉄ベース金属合金部品は、部品性能を上げるために部品のコアの周囲に表面硬化層をつくることが望ましい場合が多い。コアは靭性および耐衝撃性を付与し、表面硬化層は耐磨耗性および耐食性を付与する。高強度高靭性を有する合金類は、特に熱化学処理を施すのに適している。

合金の有する元来の硬度、強度、および靭性特性を保持しつつ、鋼合金から作られた出力伝送部品に表面硬化層をつくる従来法は多く存在する。従来法には、雰囲気（ガス）、液体、固体、プラズマ、または真空法による浸炭が含まれる。同様に、ガス、塩浴、またはプラズマによる窒化の従来法も表面硬化に利用することができる。また、その後の寸法調整工程を実質的に省略するために、高密度電流イオン打ち込みをしてもよい。

様々な表面処理および様々なバルク合金熱処理工程は、多くの場合に個々に順序立てて行われるので、処理時間、コスト、および輸送量の増加につながる。

従来の表面処理および従来のバルク合金熱処理の欠点および特徴として、構造制御に関する問題、例えば高温時の結晶成長、従来の合金焼戻し温度が比較的低いために処理中に生じる焼割れおよび軟化が含まれる。

従って、処理時間、コスト、および輸送量を削減し、同時に、表面硬化合金製品の性能を向上させる必要がある。

そのために、高強度高靭性の合金類およびこれらから製造される製品に熱処理を施す際、所望される性能向上を維持しながら、製造サイクル時間、コスト、および輸送量を最小限にする同時的熱化学処理工程の確立が求められる。合金類の製品には様々な形態が存在し得る。

本発明において、高靭性高強度の合金から製造される製品が、選択された表面処理とバルク合金熱処理工程とを相乗効果的に組合せるように熱化学処理され、これにより所望の性能向上を維持しながら、処理時間、コスト、および輸送量を大幅に節減する。

加工熱処理の実施形態では、高温溶体化処理と表面処理（例えば浸炭）とを組み合わせた工程、焼入れ工程、冷却工程、および合金を焼戻すための再加熱工程、が含まれてよい。

加工熱処理の他の実施形態では、上記処理に続いて、焼戻し温度より低い温度で行う独立した表面処理工程（例えば窒化）が含まれてよい。

加工熱処理の他の実施形態では、高温溶体化処理と表面処理工程（例えば浸炭）とを組み合わせた工程、焼入れ工程、冷却工程、焼戻しのための再加熱工程と表面処理工程（例えば窒化）とを組合せた工程、が含まれてよい。

本発明の実施形態は、鉄、ニッケル、コバルト、および金属カーバイド組成元素を含む高靭性高強度の合金鋼類に利用することができる。

合金類はその高い性能を維持する限り種々の製品に加工され得る。製品は、以下のものを含む。
（ａ）液相または液−固混合相から急速凝固で製造されるリボン、フレーク、微粒子またはその類似形。
（ｂ）粉末または粒子から圧縮成形または高密度成形により製造される製品、例えば、焼結品および高温静水圧成形品(hot-isostatically-pressed；ＨＩＰ’ｅｄ)があるが、これらに限らない。
（ｃ）種々の鋳造工程で、または種々の鋳型で製造される製品。
（ｄ）工程温度（冷たい、温かい，または熱い）に関係なく鍛造または別の鍛錬法により製造される製品。
（ｅ）打ち抜き加工(stamping)または圧印加工(coining)により製造される製品。
（ｆ）ナノメートルサイズまたはほぼナノメートルサイズの粒子を圧縮成形して製造される製品。

バルク合金熱処理工程および熱化学処理に用いる典型的な操作条件は、同一温度範囲内にあるか、または同一温度範囲となるように調整することができる。例えば、高強度高靭性(High- Strength High-Toughness；ＨＳＨＴ)合金鉄は、一般に約１５００°Ｆ〜２１００°Ｆ（約８１６℃〜１１４９℃）の溶体化（オーステナイト化）温度を有し、この温度は、浸炭に一般に用いられる温度範囲、例えば約１６００°Ｆ〜１９５０°Ｆ（約８７１℃〜１０６６℃）、または浸炭窒化に一般に用いられる温度範囲、例えば約１５００°Ｆ〜１７００°Ｆ（約８１６℃〜９２７℃）、またはボロナイジング(boronizing)に一般に用いられる温度範囲、例えば約１４００°Ｆ〜２０００°Ｆ（約７６０℃〜１０９３℃）にほぼ等しい。これらの高温溶体化と表面硬化処理とを組み合わせることで、製造コストおよび処理時間を、適切な方法で低減することができる。

同様に、この種の典型的なＨＳＨＴ合金の焼戻し、または焼戻しと時効(age)処理は、約８００°Ｆ〜９５０°Ｆ（約４２７℃〜５１０℃）の範囲の温度となる。表面硬化のための窒化処理は約６００°Ｆ〜１０００°Ｆ（約３１６℃〜約５３８℃）の範囲で実施できるので、これら２つの工程は１つに組合せることが可能であり、１つに組み合わせることで、処理に要するコストおよび時間を節約することができる。

図１は、浸炭または窒化処理による一般的な表面処理後の硬度の概略図である。

図２は、熱化学処理の温度−時間を図式化したものであり、比較的高温では、合金の溶体化処理を浸炭のような表面処理工程と組み合わせることができることを示している。同様に、ＨＳＨＴ合金の焼戻しで一般的に用いられる比較的低温または中温では、窒化などの表面処理を同時に実施できる。高温での組合せと、低温または中温での組合せとを別に行い、製造サイクル時間を相応に短くすることができる。高温での組合せと、低温または中温での組合せとを連続して行い、製造サイクル時間を相応に最短化することが好ましい。

製品に浸炭および窒化の両方の表面処理を施すことは、浸炭により曲げ応力要求を満たすのに充分な硬化層深さを付与し、表面硬度および耐食性を向上させ、特に窒化処理後の寸法調整工程を実質的に省略できるという便益がある。

ＨＳＨＴ合金は、一般的に窒素を含まずに、関連した組成を有し、焼戻し温度を含む熱処理で硬化する鉄ベース合金である。焼戻し温度は、ＨＳＨＴ合金が熱処理されて、硬度、強度、および靭性のようなＨＳＨＴ合金の特徴が変化する温度であり、ＨＳＨＴ合金の組成によって異なる。

ＨＳＨＴ合金の組成は、本質的に、高強度および高靭性を備えるＮｉ−Ｃｏ二次硬化マルテンサイト系鋼(martensitic steel)である。すなわち、ＨＳＨＴ合金の最大引張り強さは約１７０ｋｓｉを超え、耐力は約１４０ｋｓｉを超え、実施例によっては、最大引張り強さが約２８５ｋｓｉで耐力が約２５０ｋｓｉである。高強度および高靭性であることは、出力伝送部品としての用途などに望ましい性能を提供する。従来の真空溶解および再溶解を使うことができる。これらの方法が、ＨＳＨＴ合金から不純物元素を除いて高強度および高靭性を得るために、希土類元素、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｍｎ、およびこれらの組合せを含むゲッタリング(gettering)元素を用いることを含んでもよい。微量で存在するＳ、Ｐ、Ｏ、およびＮのような不純物元素は、強度および靭性を損なう可能性がある。

ＨＳＨＴ合金の合金内容および焼戻し温度は、合金カーバイドＭ₂Ｃ（ここで、Ｍは金属カーバイド組成元素である）がＦｅ₃Ｃ（比較的粗いカーバイド前駆体）よりも安定となる熱力学条件、すなわちＦｅ₃Ｃは溶解しＭ₂Ｃ合金カーバイドが凝結するような熱力学条件を満たすことが好ましい。Ｍ₂Ｃ合金カーバイド組成元素は、Ｍ₂Ｃ凝結物の微細分散を形成することにより、ＨＳＨＴ合金の高硬度および高靭性に寄与し、このＭ₂Ｃの微細分散は、表面処理の前になされる従来の凝結熱処理の間に二次硬化を生じさせる。好ましい合金カーバイド組成元素にはＭｏおよびＣｒが含まれ、これらが金属合金中の炭素と結合してＭ₂Ｃを組成する。ＨＳＨＴ合金は、１.５重量％〜１５重量％のＮｉ、５重量％〜３０重量％のＣｏ、および５重量％までのＭｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｖ、またはこれらの組合せなどのカーバイド組成元素を含み、約０.５重量％までのＣと反応してＭ₂Ｃ形の金属カーバイド凝結物を組成することが好ましい。金属合金は１つまたは複数の好ましい合金カーバイド組成元素を含み得るということを、理解されたい。

カーバイド組成元素は、Ｍ₂Ｃの微細分散を形成するので、強度および靭性の利点を付与する。Ａｌ、Ｖ、Ｗ、Ｓｉ、Ｃｒなどの見込みのある合金元素も窒化化合物などの別の化合物を組成する。これらの合金元素およびカーバイド組成元素は、ＨＳＨＴ合金の強度、靭性、および表面硬化性に影響する。

組成元素の範囲に含まれる合金は、以下の形態の合金類を含む。
（ａ）液相または液−固混合相から急速凝固で製造されるリボン、フレーク、微粒子またはその類似形。
（ｂ）粉末または粒子から圧縮成形または高密度成形により製造される製品、例えば、焼結品および高温静水圧成形品(hot-isostatically-pressed；ＨＩＰ’ｅｄ)があるが、これらに限らない。
（ｃ）種々の鋳造工程で、または種々の鋳型で製造される製品。
（ｄ）工程温度（冷たい、温かい，または熱い）に関係なく鍛造または別の鍛錬法により製造される製品。
（ｅ）打ち抜き加工(stamping)または圧印加工(coining)により製造される製品。
（ｆ）ナノメートルサイズまたはほぼナノメートルサイズの粒子を圧縮成形して製造される製品。

本発明は、高強度で高靭性の合金類およびこれらから製造される製品に適用する際、所望される性能向上を維持しながら、製造サイクル時間、コスト、および輸送量を最小限にする熱化学処理工程を教示する。合金類の製品には様々な形態があり得る。

本発明の例示的実施形態を、特定の実施形態およびその応用形態を参照して図示し記載しているが、当業者は、ここに記載したような本発明の若干の変更、修飾または改変が本発明の趣旨または範囲を逸脱せずに可能であると認識するであろう。

本発明に関する上記記載は特定の実施形態およびその応用形態を参照して図示し記載されるが、これは図示および説明を目的とするものであって、本発明を余すところなく説明しているものでもなく、本発明を記載される特定の実施形態および応用形態に限定するものでもない。当業者には、本発明の趣旨または範囲を逸脱せずに、ここに記載したような本発明の若干の変更、修飾または改変が可能であることが明らかであろう。特定の実施形態および応用形態は、本発明およびこの実質的な用途における原理を最も好ましく説明できるように選択および記載され、これにより当業者は、様々な実施形態で、意図する特殊用途に応じた様々な修飾を加えて本発明を実施できる。当業者が公平、合法、かつ、公正に与えられた権利の幅に即すものと解釈される場合には、このような全ての変更、修飾、バリエーションおよび改変は、添付の請求項で規定される本発明の範囲内であると見なされるべきである。

本発明の好ましい形態を図を参照して記載したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態や細部に変更を加え得ることを認識するであろう。

表面処理（浸炭、窒化など）と硬度の概略図。 バルク合金熱処理と表面処理との可能な組合せを示す熱化学処理の温度と時間の関係図。

Claims (20)

1. 金属合金部品の表面に高温溶体化処理と第１次表面処理工程とを同時に行うステップと、
   上記部品に焼入れをするステップと、
   上記部品を冷却するステップと、
   上記部品の焼戻しをするステップと、
   を含むことを特徴とする金属合金の処理法。
2. 上記金属合金の処理法が、焼戻しと同時に第２次表面処理工程を行うことを含む請求項１に記載の処理法。
3. 上記第２次表面処理工程が、上記部品の表面を窒化させることを含む請求項２に記載の処理法。
4. 上記焼戻しが、約８００°Ｆ〜約９５０°Ｆ（約４２７℃〜約５１０℃）の範囲で行われることを特徴とする請求項２に記載の処理法。
5. 上記第１次表面処理工程が、上記部品の表面を浸炭させることを含む請求項１に記載の処理法。
6. 上記金属合金が、ニッケルコバルト鋼であることを特徴とする請求項１に記載の処理法。
7. 上記金属合金が、少なくとも１.５重量％のニッケル、少なくとも５重量％のコバルト、１.０重量％までの炭素、および１５重量％までのモリブデン、クロム、タングステン、バナジウム、またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項６に記載の処理法。
8. 上記高温溶体化処理と上記第１次表面処理工程とを、約１５００°Ｆ〜約２１００°Ｆ（約８１６℃〜約１１４９℃）の範囲で行うことを特徴とする請求項１に記載の処理法。
9. （ａ）金属合金を熱処理するステップと、
   （ｂ）熱処理の間に金属合金の表面領域を硬化された表面領域へ変換するステップと、
   を含むことを特徴とする金属合金の処理法。
10. ステップ（ａ）が、高温溶体化処理を含むことを特徴とする請求項９に記載の処理法。
11. ステップ（ｂ）が、浸炭を含むことを特徴とする請求項１０に記載の処理法。
12. ステップ（ａ）が、焼戻しを含むことを特徴とする請求項９に記載の処理法。
13. ステップ（ｂ）が、窒化を含むことを特徴とする請求項１２に記載の処理法。
14. 上記金属合金が、少なくとも１.５重量％のニッケルおよび少なくとも５重量％のコバルトを含有するニッケルコバルト鋼を含むことを特徴とする請求項９に記載の処理法。
15. 上記金属合金が、１.０重量％までの炭素を含むことを特徴とする請求項１４に記載の処理法。
16. 上記金属合金が、１５重量％までの、モリブデン、クロム、タングステン、バナジウム、またはこれらの混合物を含むことを特徴とする請求項１５に記載の処理法。
17. バルク合金熱処理および表面処理工程を同時に行うことを特徴とする、金属合金の処理法。
18. 上記バルク合金熱処理が高温溶体化処理を含み、上記表面処理工程が浸炭を含むことを特徴とする請求項１７に記載の処理法。
19. 上記バルク合金熱処理が焼戻しを含み、上記表面処理工程が窒化を含むことを特徴とする請求項１７に記載の処理法。
20. 上記金属合金が、ニッケルコバルト鋼を含むことを特徴とする請求項１７に記載の処理法。

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