JP2016513184A - 合金を処理するための方法 - Google Patents

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Abstract

金属間化合物の析出を抑制するようにワークピースを処理する方法は、オーステナイト合金を含むワークピースを熱機械的に処理すること、および冷却することのうちの少なくとも１つを含む。ワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つの間、オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲内の温度にある。【選択図】なし

Description

本開示は、合金の方法に関する。本方法は、例えば、制限することなく、化学、採鉱、油、およびガス産業において、用途を見出し得る。
化学処理施設において使用される金属合金部品は、厳しい条件下で腐食性および／または浸食性の強い化合物と接触し得る。これらの条件は、金属合金部品を高いストレスに供し、例えば、腐食および浸食を積極的に促進し得る。化学処理機器の損傷した、損耗した、または腐食した金属部品を交換することが必要である場合、ある期間、施設作業を一時中断することが必要であり得る。したがって、化学処理施設において使用される金属合金部品の有用耐用寿命を延長することは、製品コストを低減することができる。耐用寿命は、例えば、合金の機械的特性および／または腐食抵抗を改善することによって、延長され得る。
同様に、油およびガス掘削作業において、ドリルストリング構成要素は、機械的、化学的、および／または環境的条件により、劣化し得る。ドリルストリング構成要素は、衝撃、摩耗、摩擦、熱、損耗、浸食、腐食、および／または堆積に供され得る。従来の合金は、ドリルストリング構成要素としてのそれらの有用性に影響を及ぼす１つ以上の制限に見舞われ得る。例えば、従来の材料は、十分な機械的特性（例えば、降伏強度、引張強度、および／もしくは疲労強度）を欠き得るか、不十分な腐食抵抗（例えば、孔食抵抗および／もしくは応力腐食割れ）を有し得るか、または必要な非磁性特性を欠き得る。また、従来の合金の特性は、合金から作製されるドリルストリング構成要素の可能なサイズおよび形状を制限し得る。これらの制限は、構成要素の有用寿命を低減し、複雑化し、油およびガス掘削のコストを増加させ得る。
高強度非磁性ステンレス鋼は、合金の腐食抵抗を減少させる金属間析出物をしばしば含有する。金属間析出物とベース合金との間で発生するガルバニック腐食セルは、油およびガス掘削作業において使用される高強度非磁性ステンレス鋼合金の腐食抵抗を著しく減少させ得る。
油およびガス産業における探査および生産掘削用途に対して意図される、１つの高強度非磁性オーステナイトステンレス鋼の広い化学組成は、２０１１年１２月２０日に出願された同時継続の米国特許出願第１３／３３１，１３５号に開示されており、これは、その全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。第‘１３５号出願に説明される鋼のうちのいくらかの鍛造されたワークピースの微細構造が、金属間析出物を含み得るということが発見された。金属間析出物は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ金属間化合物から成るσ相析出物であると考えられる。σ相析出物は、第‘１３５号出願に開示されるステンレス鋼の腐食抵抗を損なう可能性があり、これは、ある積極的な掘削環境での使用に対する鋼の好適性に悪影響を及ぼす可能性がある。
本開示の１つの非限定的な態様によると、金属間化合物の析出を抑制するようにワークピースを処理する方法は、オーステナイト合金を含むワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つを含む。ワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つの間、オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲内の温度にある。計算されたシグマソルバス温度は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１１５５．８−（７６０．４）・（ニッケル／鉄）＋（１４０９）・（クロム／鉄）＋（２３９１．６）・（モリブデン／鉄）−（２８８．９）・（マンガン／鉄）−（６３４．８）・（コバルト／鉄）＋（１０７．８）・（タングステン／鉄）に等しい。冷却温度は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１２９０．７−（６０４．２）・（ニッケル／鉄）＋（８２９．６）・（クロム／鉄）＋（１８９９．６）・（モリブデン／鉄）−（６３５．５）・（コバルト／鉄）＋（１２５１．３）・（タングステン／鉄）に等しい。臨界冷却時間は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつｌｏｇ１０で２．９４８＋（３．６３１）・（ニッケル／鉄）−（４．８４６）・（クロム／鉄）−（１１．１５７）・（モリブデン／鉄）＋（３．４５７）・（コバルト／鉄）−（６．７４）・（タングステン／鉄）に等しい。
該方法のある非限定的な実施形態において、ワークピースを熱機械的に加工することは、ワークピースを鍛造することを含む。かかる鍛造することは、例えば、ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、およびアップセット鍛造のうちの少なくとも１つを含み得る。該方法のある非限定的な実施形態において、臨界冷却時間は、１０分〜３０分の範囲内であるか、１０分を上回るか、または３０分を上回る。
該方法のある非限定的な実施形態において、ワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つの後、ワークピースは、少なくとも計算されたシグマソルバス温度程度に高いアニール温度まで加熱され、ワークピースをアニールするために十分な時間、アニール温度にワークピースを保持する。ワークピースがアニール温度から冷却するにつれて、オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲内の温度にある。
本開示の別の非限定的な態様によると、金属間化合物の析出を抑制するようにオーステナイト合金ワークピースを処理する方法は、ワークピースを鍛造することと、鍛造されたワークピースを冷却することと、任意に、冷却されたワークピースをアニールすることとを含む。ワークピースを鍛造する、および鍛造されたワークピースを冷却する間、オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲を通じて冷却する。計算されたシグマソルバス温度は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１１５５．８−（７６０．４）・（ニッケル／鉄）＋（１４０９）・（クロム／鉄）＋（２３９１．６）・（モリブデン／鉄）−（２８８．９）・（マンガン／鉄）−（６３４．８）・（コバルト／鉄）＋（１０７．８）・（タングステン／鉄）に等しい。冷却温度は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１２９０．７−（６０４．２）・（ニッケル／鉄）＋（８２９．６）・（クロム／鉄）＋（１８９９．６）・（モリブデン／鉄）−（６３５．５）・（コバルト／鉄）＋（１２５１．３）・（タングステン／鉄）に等しい。臨界冷却時間は、重量パーセントにおけるオーステナイト合金の組成の関数であり、かつｌｏｇ１０で２．９４８＋（３．６３１）・（ニッケル／鉄）−（４．８４６）・（クロム／鉄）−（１１．１５７）・（モリブデン／鉄）＋（３．４５７）・（コバルト／鉄）−（６．７４）・（タングステン／鉄）に等しい。ある非限定的な実施形態において、ワークピースを鍛造することは、ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、およびアップセット鍛造のうちの少なくとも１つを含む。
該方法のある非限定的な実施形態において、ワークピースを鍛造することは、計算されたシグマソルバス温度を上回る温度で完全に行われる。該方法のある他の非限定的な実施形態において、ワークピースを鍛造することは、計算されたシグマソルバス温度を通じて行われる。該方法のある非限定的な実施形態において、臨界冷却時間は、１０分〜３０分の範囲内である、１０分を上回る、３０分を上回る。
本明細書において説明される装置および方法の特性および利点は、添付の図面を参照することによって、より良好に理解され得る。
非磁性オーステナイト合金のラジアル鍛造されたワークピースの中間半径における、微細構造中の有害な金属間析出物を示す顕微鏡写真である。 合金中の０．１重量パーセントのσ相金属間析出に対する動態を予測する、等温変態曲線またはＴＴＴ曲線である。 本開示の方法に従う、オーステナイト合金の実験的なワークピースのラジアル鍛造から導出される、計算されたワークピース中心温度、計算された中心温度、計算された表面温度、および実際の温度を示す、プロットである。 本開示の実施形態に従う、関連する形成ならびに冷却温度および時間を伴う、ＴＴＴ曲線である。 油およびガス産業における探査および生産掘削用途に対して有用な高強度非磁性鋼の特定の直径の形態を生成するための、本開示に従った方法の非限定的な実施形態の概略例解図である。 本開示の実施形態に従って計算される際、比較的短い臨界冷却時間を有する合金の実施形態に対するＴＴＴ図である。 本開示に従う、シグマ相の金属間析出を回避するために必要とされる計算された臨界冷却時間を上回る、実際の冷却時間を使用して生成される、鍛造後の９インチ直径のワークピースの中心領域の顕微鏡写真である。 本開示の実施形態に従って計算される際、比較的長い臨界冷却時間を有する合金の実施形態に対するＴＴＴ図である。 本開示に従う、シグマ相の金属間析出を回避するために、計算された臨界冷却時間を下回る、実際の冷却時間を使用する、鍛造後の９インチ直径のワークピースの中間半径の微細構造を示す顕微鏡写真である。 温度対本開示の実施例３において使用される熱処理のための勾配炉の後壁からの距離のプロットである。 本開示の実施例３において使用される、サンプリング温度勾配（水平線）および臨界冷却時間（垂直線）をプロットするＴＴＴ図である。 本開示の実施例３に対するＴＴＴ図上の種々の温度で１２分間保持されるサンプルからの微細構造を重ね合わせる図である。 本開示の実施例３に対するＴＴＴ図上の種々の時間、１０８０°Ｆで保持されるサンプルからの微細構造を重ね合わせる図である。 本開示に従って、アニールされ、計算された臨界冷却時間内で冷却された、かつシグマ相析出物がない、本開示の実施例４の合金の表面領域の微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、アニールされたが、計算された臨界冷却時間内で冷却しなかった、かつシグマ相析出物を呈する、本開示の実施例４の合金の中心領域における微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間内で冷却された、かつシグマ相析出物がない、本開示の実施例５の合金の表面領域の微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間内で冷却された、かつシグマ相析出物がない、本開示の実施例５の合金の中心領域の微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間を超過した時間、冷却された、かつ粒界でシグマ相析出物を呈する、本開示の実施例６の合金の中間半径における微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間内の時間、冷却された、かつ粒界でシグマ相析出物を呈しない、本開示の実施例６の合金の中間半径における微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間内の時間、冷却され、次いで、粒界でシグマ相析出物を呈することなく温間加工された、本開示の実施例７の合金の表面領域の微細構造を示す、顕微鏡写真である。 本開示に従って、鍛造され、計算された臨界冷却時間内の時間、冷却され、次いで、粒界でシグマ相析出物を呈することなく温間加工された、本開示の実施例７の合金の中心領域の微細構造を示す、顕微鏡写真である。
読者は、本開示に従うある非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を考慮すれば、前述の詳細ならびに他を理解するであろう。
本明細書において説明される実施形態のある説明が、明確にする目的で、他の要素、特性、および態様を排除する一方で、開示される実施形態の明確な理解に関連するそれらの要素、特性、および態様のみを例解するために簡略化されているということが理解されるものとする。当業者は、開示される実施形態の本説明を考慮すれば、他の要素および／または特性が、開示される実施形態の特定の実装または適用において望ましくあり得るということを認識するであろう。しかしながら、かかる他の要素および／または特性は、開示される実施形態の本説明を考慮すれば、当業者によって容易に解明および実装され得、かつしたがって、開示される実施形態の完全な理解のために必要ではないため、かかる要素および／または特性の説明は、本明細書において提供されない。このように、本明細書において記載される説明は、開示される実施形態の例示的および例解的なものに過ぎず、特許請求の範囲によってのみ定義される本発明の範囲を制限することは意図されないということが理解されるものとする。
また、本明細書において列挙されるいずれの数値範囲も、その中に包含される全ての部分範囲を含むことが意図される。例えば、「１〜１０」という範囲は、１の列挙される最小値と１０の列挙される最大値との間の（およびそれらを含む）全ての部分範囲を含む、即ち、１以上の最小値および１０以下の最大値を有することが意図される。本明細書において列挙されるいずれの最大数値制限も、その中に包含される全てのより低い数値制限を含むことが意図され、本明細書において列挙されるいずれの最小数値制限も、その中に包含される全てのより高い数値制限を含むことが意図される。したがって、出願人は、本明細書において明示的に列挙される範囲内に包含されるいずれの部分範囲も明示的に列挙するように、特許請求の範囲を含む、本開示を補正する権利を保有する。全てのかかる範囲は、いずれのかかる部分範囲も明示的に列挙するように補正することが、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２、第１段落、および３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１３２（ａ）の要件に準拠するであろうように、本質的に本明細書において開示されることが意図される。
本明細書において使用される際、「ｏｎｅ（１つの）」、「ａ（１つの）」、「ａｎ（１つの）」、および「ｔｈｅ（その）」という文法的な冠詞は、別途指示されない限り、「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ（少なくとも１つ）」または「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ（１つ以上の）」を含むことが意図される。このため、冠詞は、冠詞の文法的な目的語のうちの１つまたは２つ以上（即ち、少なくとも１つ）を指すために、本明細書において使用される。例として、「ａ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（１つの構成要素）」は、１つ以上の構成要素を意味し、およびこのため、２つ以上の構成要素が企図される可能性があり、説明される実施形態の実装において採用または使用され得る。
全てのパーセンテージおよび比率は、別途指示されない限り、合金組成の総重量に基づいて計算される。
本明細書において参照することにより、全体としてまたは部分的に、組み込まれると言われる全ての特許、公開、または他の開示資料は、組み込まれる資料が、既存の定義、声明、または本開示において記載される他の開示資料と矛盾しない程度にのみ、本明細書に組み込まれる。このように、かつ必要な程度に、本明細書において記載される本開示は、参照することにより本明細書に組み込まれるいずれの矛盾する資料にも優先する。本明細書において参照することにより本明細書に組み込まれると言われるが、既存の定義、声明、または本開示において記載される他の開示資料と矛盾する、いずれの資料またはその部分も、その組み込まれる資料と既存の開示資料との間に矛盾が生じない程度にのみ組み込まれる。
本開示は、種々の実施形態の説明を含む。本明細書において説明される全ての実施形態は、例示的、例解的、かつ非限定的であることが理解されるものとする。このため、本発明は、種々の例示的、例解的、かつ非限定的な実施形態の説明によって制限されない。むしろ、本発明は、特許請求の範囲によってのみ定義され、これは、本開示において、明示的もしくは本質的に説明される、または本開示によって明示的もしくは本質的に支持される、いずれの特性も列挙するように補正され得る。
本明細書において使用される際、「ｆｏｒｍｉｎｇ（形成）」、「ｆｏｒｇｉｎｇ（鍛造）」、および「ｒａｄｉａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ（ラジアル鍛造）」という用語は、熱機械的処理（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：「ＴＭＰ」）の形態を指し、これはまた、本明細書において、「熱機械的加工（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ）」とも称され得る。熱機械的加工は、靱性の損失を伴うことなく、強度の改善といった相乗効果を得るように、制御された熱および変形処理を組み合わせる、様々な金属形成プロセスを概して網羅することとして、本明細書において定義される。熱機械的加工のこの定義は、例えば、ＡＳＭ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ，Ｊ．Ｒ．Ｄａｖｉｓ，ｅｄ．，ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（１９９２），ｐ．４８０に帰する意味と一致する。
化学処理、採鉱、ならびに／または油およびガス用途において使用される従来の合金は、最適なレベルの腐食抵抗および／または最適なレベルの１つ以上の機械的特性に欠き得る。本明細書において述べられるように処理される合金の種々の実施形態は、改善された腐食抵抗および／または機械的特性を含むが、これらに限定されない、従来の合金に勝るある利点を有し得る。本明細書において説明されるように処理される合金のある実施形態は、例えば、腐食抵抗のいかなる低減も伴わずに、１つ以上の改善された機械的特性を呈し得る。ある実施形態は、ある従来の合金と比較して、改善された衝撃特性、溶接性、腐食疲労への抵抗、磨滅抵抗、および／または水素脆化抵抗を呈し得る。
種々の実施形態において、本明細書において説明されるように処理される合金は、厳しい用途における使用に好適な増強された腐食抵抗および／または有利な機械的特性を呈し得る。いかなる特定の理論にも束縛されることを望むことなく、本明細書において説明されるように処理される合金のうちのいくらかは、高い腐食抵抗も保持しつつ、例えば、変形からの歪み硬化への改善された応答により、より高い引張強度を呈し得ると考えられる。歪み硬化または冷間加工は、一般的に熱処理に対して十分に応答しない材料を硬化するために使用され得る。しかしながら、当業者は、冷間加工された構造の正確な性質は、材料、印加された歪み、歪み速度、および／または変形の温度に依存し得ることを理解するであろう。いかなる特定の理論にも束縛されることを望むことなく、本明細書において説明される組成を有する合金を歪み硬化することは、ある従来の合金よりも、改善された腐食抵抗および／または機械的特性を呈する合金を、より効率的に生成し得ると考えられる。
ある非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、クロム、コバルト、銅、鉄、マンガン、モリブデン、ニッケル、炭素、窒素、タングステン、および付随的不純物を含むか、これらから本質的に成るか、またはこれらから成る。ある非限定的な実施形態において、オーステナイト合金は、必要ではないが、微量元素として、または付随的不純物としてのいずれかで、アルミニウム、ケイ素、チタン、ホウ素、リン、硫黄、ニオブ、タンタル、ルテニウム、バナジウム、およびジルコニウムのうちの１つ以上を含み得る。
また、種々の非限定的な実施形態に従い、本開示の方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．２の炭素、最大２０のマンガン、０．１〜１．０のケイ素、１４．０〜２８．０のクロム、１５．０〜３８．０のニッケル、２．０〜９．０のモリブデン、０．１〜３．０の銅、０．０８〜０．９の窒素、０．１〜５．０のタングステン、０．５〜５．０のコバルト、最大１．０のチタン、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、および付随的不純物を含むか、これらから本質的に成るか、またはこれらから成る。
加えて、種々の非限定的な実施形態に従い、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．０５の炭素、１．０〜９．０のマンガン、０．１〜１．０のケイ素、１８．０〜２６．０のクロム、１９．０〜３７．０のニッケル、３．０〜７．０のモリブデン、０．４〜２．５の銅、０．１〜０．５５の窒素、０．２〜３．０のタングステン、０．８〜３．５のコバルト、最大０．６のチタン、０．３以下のニオブおよびタンタルの合計重量パーセント、最大０．２のバナジウム、最大０．１のアルミニウム、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、および付随的不純物を含むか、これらから本質的に成るか、またはこれらから成る。
また、種々の非限定的な実施形態に従い、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．０５の炭素、２．０〜８．０のマンガン、０．１〜０．５のケイ素、１９．０〜２５．０のクロム、２０．０〜３５．０のニッケル、３．０〜６．５のモリブデン、０．５〜２．０の銅、０．２〜０．５の窒素、０．３〜２．５のタングステン、１．０〜３．５のコバルト、最大０．６のチタン、０．３以下のニオブおよびタンタルの合計重量パーセント、最大０．２のバナジウム、最大０．１のアルミニウム、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、および付随的不純物を含み得るか、これらから本質的に成り得るか、またはこれらから成り得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大２．０；最大０．８；最大０．２；最大０．０８；最大０．０５；最大０．０３；０．００５〜２．０；０．０１〜２．０；０．０１〜１．０；０．０１〜０．８；０．０１〜０．０８；０．０１〜０．０５；および０．００５〜０．０１のうちのいずれかにおける炭素を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大２０．０；最大１０．０；１．０〜２０．０；１．０〜１０；１．０〜９．０；２．０〜８．０；２．０〜７．０；２．０〜６．０；３．５〜６．５；および４．０〜６．０のうちのいずれかにおけるマンガンを含み得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；０．１〜１．０；０．５〜１．０；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおけるケイ素を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：１４．０〜２８．０；１６．０〜２５．０；１８．０〜２６；１９．０〜２５．０；２０．０〜２４．０；２０．０〜２２．０；２１．０〜２３．０；および１７．０〜２１．０のうちのいずれかにおけるクロムを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：１５．０〜３８．０；１９．０〜３７．０；２０．０〜３５．０；および２１．０〜３２．０のうちのいずれかにおけるニッケルを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：２．０〜９．０；３．０〜７．０；３．０〜６．５；５．５〜６．５；および６．０〜６．５のうちのいずれかにおけるモリブデンを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：０．１〜３．０；０．４〜２．５；０．５〜２．０；および１．０〜１．５のうちのいずれかにおける銅を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：０．０８〜０．９；０．０８〜０．３；０．１〜０．５５；０．２〜０．５；および０．２〜０．３のうちのいずれかにおける窒素を含む。ある実施形態において、オーステナイト合金中の窒素は、合金におけるその限られた溶解性に対処するように、０．３５重量パーセントまたは０．３重量パーセントに制限され得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：０．１〜５．０；０．１〜１．０；０．２〜３．０；０．２〜０．８；および０．３〜２．５のうちのいずれかにおけるタングステンを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大５．０；０．５〜５．０；０．５〜１．０；０．８〜３．５；１．０〜４．０；１．０〜３．５；および１．０〜３．０のうちのいずれかにおけるコバルトを含む。ある実施形態において、コバルトは、合金の機械的特性を予想外に改善した。例えば、合金のある実施形態において、コバルトの添加は、靱性の最大２０％の増加、伸長の最大２０％の増加、および／または改善された腐食抵抗を提供し得る。いかなる特定の理論にも束縛されることを望むことなく、鉄をコバルトで置き換えることは、熱間加工後に、粒界においてより高いレベルのシグマ相を呈する、非コバルト担持変形例と比較して、熱間加工後に、合金における有害なシグマ相析出への抵抗を増加させ得ると考えられる。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、２：１〜５：１または２：１〜４：１のコバルト／タングステン重量パーセント比を含む。ある実施形態において、例えば、コバルト／タングステン重量パーセント比は、約４：１であり得る。コバルトおよびタングステンの使用は、合金に改善された固溶体強化を付与し得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；最大０．６；最大０．１；最大０．０１；０．００５〜１．０；および０．１〜０．６のうちのいずれかにおけるチタンを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；最大０．６；最大０．１；最大０．０１；０．００５〜１．０；および０．１〜０．６のうちのいずれかにおけるジルコニウムを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；最大０．５；最大０．３；０．０１〜１．０；０．０１〜０．５；０．０１〜０．１；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおけるニオブおよび／またはタンタルを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の範囲：最大１．０；最大０．５；最大０．３；０．０１〜１．０；０．０１〜０．５；０．０１〜０．１；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおけるニオブおよびタンタルの合計重量パーセントを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；最大０．５；最大０．２；０．０１〜１．０；０．０１〜０．５；０．０５〜０．２；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおけるバナジウムを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１．０；最大０．５；最大０．１；最大０．０１；０．０１〜１．０；０．１〜０．５；および０．０５〜０．１のうちのいずれかにおけるアルミニウムを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大０．０５；最大０．０１；最大０．００８；最大０．００１；最大０．０００５のうちのいずれかにおけるホウ素を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大０．０５；最大０．０２５；最大０．０１；および最大０．００５のうちのいずれかにおけるリンを含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大０．０５；最大０．０２５；最大０．０１；および最大０．００５のうちのいずれかにおける硫黄を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従うオーステナイト合金の組成の残りは、鉄および付随的不純物を含み得るか、これらから本質的に成り得るか、またはこれらから成り得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大６０；最大５０；２０〜６０；２０〜５０；２０〜４５；３５〜４５；３０〜５０；４０〜６０；４０〜５０；４０〜４５；および５０〜６０のうちのいずれかにおける鉄を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、１つ以上の微量元素を含む。本明細書において使用される際、「微量元素」は、採用される生材料の組成および／または溶融方法の結果として、合金中に存在し得る、ならびに合金の重要な特性が概して本明細書において説明される際、それらの特性に著しく悪影響を及ぼさない濃度で存在する、元素を指す。微量元素は、例えば、本明細書において説明される濃度のうちのいずれかにおけるチタン、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、アルミニウム、およびホウ素のうちの１つ以上を含み得る。ある非限定的な実施形態において、微量元素は、本開示に従う合金に存在しなくてもよい。当該技術分野において既知のとおり、合金を生成する上で、微量元素は、典型的に、特定の出発材料の選択および／または特定の処理技術の使用によって、大部分が、または完全に排除され得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従うオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大５．０；最大１．０；最大０．５；最大０．１；０．１〜５．０；０．１〜１．０；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおける微量元素の総濃度を含み得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大５．０；最大１．０；最大０．５；最大０．１；０．１〜５．０；０．１〜１．０；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおける付随的不純物の総濃度を含む。概して本明細書において使用される際、「付随的不純物」という用語は、軽微な濃度において合金に存在する元素を指す。かかる元素は、ビスマス、カルシウム、セリウム、ランタン、鉛、酸素、リン、ルテニウム、銀、セレン、硫黄、テルル、スズ、およびジルコニウムのうちの１つ以上を含み得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従って処理されるオーステナイト合金の組成における個々の付随的不純物は、以下の最大重量パーセント：０．０００５のビスマス；０．１のカルシウム；０．１のセリウム；０．１のランタン；０．００１の鉛；０．０１のスズ、０．０１の酸素；０．５のルテニウム；０．０００５の銀；０．０００５のセレン；および０．０００５のテルルを超過しない。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成、合金中に存在するセリウム、ランタン、およびカルシウム（いずれかが存在する場合）の合計重量パーセントは、最大０．１であり得る。種々の非限定的な実施形態において、オーステナイト合金の組成中に存在するセリウムおよび／またはランタンの合計重量パーセントは、最大０．１であり得る。本明細書において説明されるように処理されるオーステナイト合金の組成中の付随的不純物として存在し得る他の元素は、当業者には明らかであろう。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金の組成は、以下の重量パーセント範囲：最大１０．０；最大５．０；最大１．０；最大０．５；最大０．１；０．１〜１０．０；０．１〜５．０；０．１〜１．０；および０．１〜０．５のうちのいずれかにおける微量元素および付随的不純物の総濃度を含む。
種々の非限定的な実施形態において、本開示の方法に従って処理されるオーステナイト合金は、非磁性であり得る。この特徴は、非磁性特性が重要である用途における合金の使用を容易にし得る。かかる用途としては、例えば、ある油およびガスドリルストリング構成要素の用途が挙げられる。本明細書において説明されるように処理されるオーステナイト合金のある非限定的な実施形態は、特定の範囲内の透磁率値（μｒ）によって特徴付けられ得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従って処理される合金の透磁率値は、１．０１未満、１．００５未満、および／または１．００１未満であり得る。種々の実施形態において、合金は、フェライトを実質的に含まなくてもよい。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金は、特定の範囲内の孔食抵抗等価数（ＰＲＥＮ）によって特徴付けられ得る。理解されるように、ＰＲＥＮは、塩化物含有環境における孔食腐食への合金の予測される抵抗に対する相対値に帰する。概して、より高いＰＲＥＮを有する合金は、より低いＰＲＥＮを有する合金よりも良好な腐食抵抗を有することが予測される。１つの特定のＰＲＥＮ計算は、以下の式（式中、パーセンテージは、総合金重量に基づく重量パーセントである）を使用して、ＰＲＥＮ１６値を提供する：
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法を使用して処理される合金は、以下の範囲：最大６０；最大５８；３０超；４０超；４５超；４８超；３０〜６０；３０〜５８；３０〜５０；４０〜６０；４０〜５８；４０〜５０；および４８〜５１のうちのいずれかにおけるＰＲＥＮ１６値を有し得る。いかなる特定の理論にも束縛されることを望むことなく、より高いＰＲＥＮ１６値は、例えば、油およびガス掘削用途において、ドリルストリングが供される、化学処理機器およびダウンホール環境に存在し得る、例えば、高度な腐食環境といった環境において、合金が十分な腐食抵抗を呈する可能性がより高いことを示し得ることが考えられる。積極的な腐食環境は、合金を、極端な温度と共に、例えば、アルカリ化合物、酸性化された塩化物溶液、酸性化された硫化物溶液、過酸化物、および／またはＣＯ２に供し得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金は、特定の範囲内の析出値（ＣＰ）を回避するために、感度係数によって特徴付けられ得る。ＣＰ値の概念は、例えば、「Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌ Ｈａｖｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」と題する米国特許第５，４９４，６３６号に説明されている。一般的に、ＣＰ値は、合金における金属間相の析出の動態の相対的指標である。ＣＰ値は、以下の式（式中、パーセンテージは、総合金重量に基づく重量パーセントである）を使用して、計算され得る：
いかなる特定の理論にも束縛されることを望むことなく、７１０未満のＣＰ値を有する合金は、溶接中の金属間相からのＨＡＺ（熱影響域）感受性化を最小化するのに役立つ、有利なオーステナイト安定性を呈するであろうと考えられる。種々の非限定的な実施形態において、本明細書において説明されるように処理される合金は、以下の範囲：最大８００；最大７５０；７５０未満；最大７１０；７１０未満；最大６８０；および６６０〜７５０のうちのいずれかにおけるＣＰを有し得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従うオーステナイト合金は、特定の範囲内の臨界孔食温度（ＣＰＴ）および／または臨界隙間腐食温度（ＣＣＣＴ）によって特徴付けられ得る。ある用途において、ＣＰＴおよびＣＣＣＴ値は、合金のＰＲＥＮ値よりも、合金の腐食抵抗をより正確に示し得る。ＣＰＴおよびＣＣＣＴは、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｐｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｒｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｌｌｏｙｓ ｂｙ Ｕｓｅ ｏｆ Ｆｅｒｒｉｃ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ」と題するＡＳＴＭ Ｇ４８−１１に従って測定され得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従って処理される合金のＣＰＴは、少なくとも４５℃、またはより好ましくは、少なくとも５０℃であり得、ＣＣＣＴは、少なくとも２５℃、またはより好ましくは少なくとも３０℃であり得る。
種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う方法によって処理されるオーステナイト合金は、特定の範囲内の塩化物応力腐食割れ抵抗（ＳＣＣ）値によって特徴付けられ得る。ＳＣＣ値の概念は、例えば、Ａ．Ｊ．Ｓｅｄｒｉｃｋｓ，Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ｓｔｅｅｌｓ（Ｊ．Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓ １９７９）に説明されている。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従う合金のＳＣＣ値は、以下のうちの１つ以上：「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｓｉｎｇ Ｕ−Ｂｅｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ」と題するＡＳＴＭ Ｇ３０−９７（２００９）；「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ−Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ａ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ」と題するＡＳＴＭ Ｇ３６−９４（２００６）；ＡＳＴＭ Ｇ３９−９９（２０１１）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅ ｏｆ Ｂｅｎｔ−Ｂｅａｍ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ」；ＡＳＴＭ Ｇ４９−８５（２０１１）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｕｓｅ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｅｎｓｉｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｔｅｓｔ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ」；およびＡＳＴＭ Ｇ１２３−００（２０１１）、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ Ａｌｌｏｙｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｎｉｃｋｅｌ Ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ Ｂｏｉｌｉｎｇ Ａｃｉｄｉｆｉｅｄ Ｓｏｄｉｕｍ Ｃｈｌｏｒｉｄｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ」に従って、特定の用途に対して判定され得る。種々の非限定的な実施形態において、本開示に従って処理される合金のＳＣＣ値は、ＡＳＴＭ Ｇ１２３−００（２０１１）の下の評価に準じて、合金が、許容不可能な応力腐食割れを経験することなく、１０００時間の酸性化された塩化ナトリウム溶液の煮沸に好適に耐えることができることを示すのに十分に高い。
上で説明される合金組成の鍛造されたワークピースの微細構造が、有害な金属間析出物を含有し得ることが発見された。金属間析出物は、シグマ相析出物、即ち、（Ｆｅ，Ｎｉ）３（Ｃｒ，Ｍｏ）２化合物である可能性が高いと考えられる。金属間析出物は、合金の腐食抵抗を損なう可能性があり、かつ油およびガス掘削ならびに他の積極的環境におけるサービスのためのそれらの好適性に悪影響を及ぼす可能性がある。図１は、ラジアル鍛造されたワークピースの中間半径における、微細構造１０中の有害な金属間析出物１２の実施例を示す。図１に示される合金の化学組成は、本明細書において列記され、かつ総合金重量に基づいて、重量パーセントで、２６．０３９７の鉄；３３．９４のニッケル；２２．８８のクロム；６．３５のモリブデン；４．５のマンガン；３．３５のコバルト；１．０６のタングステン；１．１５の銅；０．０１のニオブ；０．２６のケイ素；０．０４のバナジウム；０．０１９の炭素；０．０３８６の窒素；０．０１５のリン；０．０００４の硫黄；および付随的不純物から成る、合金組成内にある。
金属間析出物が合金表面に限定される場合、表面研削は、製品収率の随伴的な低減および製品コストの増加を伴う、金属間析出物を含有する有害な層を除去するために使用することができる。しかしながら、一部の合金組成において、有害な金属間析出物は、ラジアル鍛造されたワークピースの断面の中へ、またはその全体に著しく延伸し得、この場合、ワークピースは、合金を、例えば、高度な腐食条件に供する用途に対して、ラジアル鍛造後の条件において完全に不適であり得る。微細構造から有害な金属間析出物を除去するためのオプションは、冷却温度のラジアル鍛造作業の前に、ラジアル鍛造されたワークピースを溶液処理することである。しかしながら、これは、追加の処理ステップを追加し、コストおよびサイクル時間を増加させる。さらに、アニール温度からワークピースを冷却させるために要する時間は、ワークピースの直径に依存し、それは、有害な金属間析出物の形成を防止するのに十分に迅速であるべきである。
いかなる特定の理論にも束縛されることを意図することなく、金属間析出物は、主に、析出動態が、ワークピースを鍛造するために要する時間中に、析出が生じることを可能にするのに十分に迅速であるために、形成されると考えられる。図２は、図１に対して上で説明される組成を有する合金における、０．１重量パーセントのσ相（シグマ相）金属間析出に対する動態を予測する、「ＴＴＴ図」または「ＴＴＴ曲線」としても知られる等温変態曲線２０である。金属間析出が、等温変態曲線２０を含む「Ｃ」曲線の頂点２２または「鼻部」において、最も迅速に、即ち、短時間に生じることが、図２から分かるであろう。
図３は、表１に列記される化学組成を有するオーステナイト合金の実験的なワークピースのラジアル鍛造からの計算されたワークピース中心温度３２、計算された中間半径温度３４、計算された表面温度３６、および実際の温度の組み合わせ３０を示すグラフである。これらの組成は、本詳細な説明において、上で説明される合金組成の範囲内である。ワークピースは、約１０インチの直径を有し、実際の温度は、光高温計を使用して測定された。ＴＴＴ図の鼻部の温度は、線３８として表される。表１はまた、列記される合金組成に対するＰＲＥＮ１６値を示す。
ラジアル鍛造中のワークピースの実際の表面温度が、金属間析出の動態が最も迅速であり、それにより、有害な金属間化合物の析出を強力に促進する温度に近いことが、図３から観察され得る。
Ｓｅｎｔｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｌｔｄ．，Ｓｕｒｒｅｙ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍから入手可能な熱力学的モデリングソフトウェアＪＭａｔＰｒｏを使用して、本明細書において説明されるある合金中の特定の元素の含有量と、（１）等温変態曲線の頂点までの時間、および（２）等温変態曲線の頂点領域内の温度との間の関係を判定した。合金中の種々の元素のレベルを調節することが、等温変態曲線の頂点までの時間を変化させ、それにより、有害な金属間析出物の形成を伴わずに、熱機械的処理を行うことを可能にすることができると判断された。適用され得る熱機械的処理の例としては、ラジアル鍛造およびプレス鍛造が挙げられるが、これらに限定されない。
したがって、本開示の非限定的な態様は、高強度非磁性オーステナイト鋼の化学組成と、合金内の有害な金属間析出物の形成を回避するように、それが特定の温度範囲間で冷却する際の合金を処理するための最大許容時間との間で発見される量的関係を対象とする。図４は、計算されたシグマソルバス温度４２、冷却温度４４、および臨界冷却時間５０を示すＴＴＴ曲線４８であり、かつ有害な金属間化合物の析出を回避するように、それが特定の温度範囲内で冷却する際の合金を処理するために許容可能な最大時間または臨界冷却時間５０を定義する、本開示に従う関係４０を例解する。
図４に例解される関係４０は、３つの方程式を使用して説明され得る。方程式１は、線４２によって図４に表される、計算されたシグマソルバス温度を定義する。
方程式１
本開示に従うオーステナイト鋼が、方程式１に従う計算されたシグマソルバス温度以上である時、有害な金属間析出物は、合金において形成されなかった。
非限定的な実施形態において、ワークピースは、熱機械的処理温度範囲内の温度で熱機械的に処理される。温度範囲は、オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度４２よりもわずかに下の温度から、オーステナイト合金の冷却温度４４までである。方程式２は、オーステナイト鋼合金の化学組成の関数として、カ氏温度での冷却温度４４を計算するために使用される。図４を参照すると、方程式２に従って計算される冷却温度４４は、合金の等温変態曲線４８の頂点４６の温度を予測することが意図される。
方程式２
方程式３は、特定の合金に対する等温変態曲線４８の頂点４６が生じる、ｌｏｇ１０分の時間を予測する方程式である。
方程式３
図４を参照すると、等温変態曲線４８の頂点４６が生じる時間は、矢印５０によって表される。方程式３によって計算され、図４において矢印５０によって表される時間は、本明細書において、「臨界冷却時間」と称される。合金が、計算されたシグマソルバス温度４２よりもわずかに下の温度から冷却温度４４にまでまたがる温度範囲内で冷却する間の時間が、臨界冷却時間５０よりも長い場合、有害な金属間析出物が形成され得る。金属間析出物は、金属間析出物とベース合金との間に確立されるガルバニック腐食セルにより、合金または製品を、その意図される使用に対して不適にし得る。より一般的には、有害な金属間析出物の形成を防止するために、計算されたシグマソルバス温度４２をわずかに下回る温度から冷却温度４４にまでまたがる温度範囲内で合金を熱機械的に処理する時間は、臨界冷却時間５０以下であるべきである。
非限定的な実施形態において、ワークピースは、臨界冷却時間５０以下の時間内で、計算されたシグマソルバス温度４２よりもわずかに下の温度から、冷却温度４４にまで冷却される。ワークピースは、ワークピースの熱機械的処理の間に冷却させることができることが認識されるであろう。例えば、かつ限定せずに、ワークピースは、熱機械的処理温度範囲内の温度まで加熱され、その後、鍛造プロセスを使用して熱機械的に処理され得る。ワークピースが熱機械的に処理されるにつれて、ワークピースは、ある温度まで冷却し得る。非限定的な実施形態において、ワークピースを冷却させることは、熱機械的処理中に生じ得る自然冷却を含む。本開示の態様に従い、ワークピースが、計算されたシグマソルバス温度４２よりもわずかに下の温度から冷却温度４４にまでまたがる冷却温度範囲内で費やす時間が、臨界冷却時間５０以下であることのみが必要とされる。
ある非限定的な実施形態に従い、本開示に従うオーステナイト合金ワークピースの鍛造、ラジアル鍛造、または他の熱機械的処理のために実用的である臨界冷却時間は、１０分〜３０分の範囲内である。ある他の非限定的な実施形態は、１０分超、または３０分超の臨界冷却時間を含む。本開示の方法に従い、合金の化学組成に基づき、方程式３に従って計算される臨界冷却時間は、熱機械的に処理するため、および／または計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度（上の方程式１によって計算される）から冷却温度（上の方程式２によって計算される）にまでまたがる温度範囲内で冷却するための最大許容時間であることが認識されるであろう。
方程式１によって計算される計算されたシグマソルバス温度、および方程式２によって計算される冷却温度は、冷却時間要件、または本明細書において称されるような、臨界冷却時間が重要である、温度範囲のエンドポイントを定義する。合金が、方程式１に従って計算される計算されたシグマソルバス温度以上で熱間加工される間の時間は、合金が計算されたシグマソルバス温度以上である時、本明細書において対処される有害な金属間析出物を形成する元素が、溶液中に残存するため、本方法には重要ではない。代りに、ワークピースが、計算されたシグマソルバス温度（方程式１を使用して計算される）をわずかに下回る温度から冷却温度（方程式２を使用して計算される）にまでまたがる温度の範囲（本明細書において冷却温度範囲と称される）内にある間の時間のみが、有害な金属間σ相析出を防止するために重要である。有害なσ相金属間粒子の形成を防止するために、ワークピースが計算された冷却温度範囲内で費やす実際の時間は、方程式３において計算されるような臨界冷却時間以下でなければならない。
また、冷却温度よりも下では、有害な金属間析出物を含む元素の拡散の速度は、析出物の実質的な形成を抑制するのに十分に低いため、ワークピースが、方程式２に従って計算される冷却温度を下回る温度である間の時間は、本方法には重要ではない。方程式１に従う計算されたシグマソルバス温度を下回る温度で合金を加工し、次いで、合金を方程式２に従う冷却温度まで冷却するために要する合計時間、即ち、合金が、（ｉ）計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度、および（ｉｉ）冷却温度によって境界される温度範囲内にある間の時間は、方程式３に従う臨界冷却時間以下でなければならない。
表２は、表１の組成を有する３つの合金に対する、方程式１を使用して計算される計算されたシグマソルバス温度、方程式２から計算される冷却温度、および方程式３から計算される臨界冷却時間を示す。
本開示の非限定的な態様に従い、本開示の方法に従ってワークピースを熱機械的に加工することは、ワークピースを鍛造することを含む。鍛造の熱機械的プロセスに対して、本開示に従う熱機械的加工温度および熱機械的加工温度範囲は、それぞれ、鍛造温度および鍛造温度範囲と称され得る。
本開示の別のある態様に従い、本開示の方法に従ってワークピースを熱機械的に加工することは、ワークピースをラジアル鍛造することを含み得る。ラジアル鍛造の熱機械的プロセスに対して、本開示に従う熱機械的処理温度範囲は、ラジアル鍛造温度範囲と称され得る。
本開示に従う方法の非限定的な実施形態において、ワークピースを熱機械的に加工または処理するステップは、合金を鍛造することを含む、またはそれから成る。鍛造としては、以下のタイプの鍛造のうちのいずれか：ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、クローズドダイ鍛造、等温鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、およびアップセット鍛造が挙げられ得るが、これらに限定されない。具体的な実施形態において、形成は、ラジアル鍛造を含む、またはそれから成る。
本開示の非限定的な態様に従い、ワークピースは、本開示に従う熱機械的加工および冷却のステップの後に、アニールされ得る。アニールすることは、ワークピースを、方程式１に従う計算されたシグマソルバス温度に等しい、またはそれを上回る温度まで加熱すること、およびある期間、ワークピースをその温度で保持することを含む。次いで、アニールされたワークピースは、冷却される。計算されたシグマソルバス温度（方程式１に従って計算される）よりもわずかに下の温度、および方程式２に従って計算される冷却温度にまたがる温度範囲内に、アニールされたワークピースを冷却することは、有害な金属間相の析出を防止するために、方程式３に従って計算される臨界冷却時間内で完了されなければならない。非限定的な実施形態において、合金は、１９００°Ｆ〜２３００°Ｆの範囲内の温度でアニールされ、合金は、１０分〜１５００分間、アニール温度で保持される。
本開示に従う、金属間化合物の析出を抑制するように、オーステナイト合金ワークピースを処理する方法は、本開示において説明される化学組成を有する合金のうちのいずれか、または全てに適用されることが認識されるであろう。
図５は、本開示に従う方法の非限定的な実施形態である、プロセス６０の概略図である。プロセス６０は、油およびガス産業における探査および生産掘削用途に有用な直径を有する、高強度非磁性鋼製品形態を製造するために使用され得る。材料は、アルゴン酸素脱炭およびエレクトロスラグ再溶融（ＡＯＤ／ＥＳＲ）の組み合わせを使用して、２０インチ直径のインゴット（６２）に溶融される。ＡＯＤおよびＥＳＲは、当業者に既知の技術であり、したがって、本明細書においてさらには説明されない。２０インチ直径のインゴットは、１４インチ直径（６４）にラジアル鍛造され、再加熱され、約９インチ直径（６６）にラジアル鍛造される。次いで、９インチ直径のインゴットを、冷却させる（図５には図示せず）。プロセス６０の最終ステップは、直径を約７．２５インチ直径（６８）まで低減する、低温ラジアル鍛造作業である。７．２５インチ直径のロッドは、研磨、試験、および／またはその後の処理のために複数に切断（７０）されてもよい。
図５に示されるスキームにおいて、本開示の方法に関連するステップは、ワークピースを約１４インチ直径（６４）から約９インチ直径（６６）にラジアル鍛造するステップ、およびラジアル鍛造されたワークピースを冷却する間のその後のまたは同時のステップ（図５には図示せず）である。図４を参照すると、ラジアル鍛造された約９インチ直径のワークピースの全ての領域（即ち、ワークピースの断面全体）は、計算された臨界冷却時間５０以下の時間内に、計算されたシグマソルバス温度４２よりもわずかに下の温度から、冷却温度４４まで冷却しなければならない。本開示に従うある非限定的な実施形態において、冷却温度４４への全てまたは一部の量の冷却は、ワークピースが同時に熱機械的に加工または鍛造されている間に生じ得、ワークピースの冷却は、熱機械的加工または鍛造ステップから別個のステップとして完全に生じる必要はないことが認識されるであろう。
直接ラジアル鍛造作業の間、最も迅速な冷却は、ワークピースの表面で生じ、表面領域は、先で説明されるように、冷却温度４４以下で処理されることになり得る。有害な金属間析出物の析出を防止するために、表面領域の冷却時間は、方程式３を使用して合金組成から計算される臨界冷却時間５０の制約に合致するべきである。
非限定的な実施形態において、鍛造後のワークピースから金属間析出物を排除することを目的とする、追加のプロセスステップを追加することによって、利用可能な冷却ウィンドウを短縮することが可能である。追加のプロセスステップは、計算されたシグマソルバス温度４２を上回る温度で、鍛造後のワークピース中の金属間析出物を溶解するように適合される熱処理であり得る。しかしながら、熱処理後に、ワークピースの表面、中間半径、および中心が冷却するために要する時間は、方程式３に従って計算される臨界冷却時間内でなければならない。追加の熱処理プロセスステップ後の冷却速度は、ワークピースの直径に部分的に依存し、ワークピースの中心は、最も遅い速度で冷却する。ワークピースの直径が大きいほど、ワークピースの中心の冷却速度は遅い。いずれの場合においても、計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下の温度と計算された冷却温度との間の冷却は、方程式３の臨界冷却時間以下であるべきである。
本発明の開発中の予想外の観察は、窒素が有害な金属間化合物の析出を抑制し、それにより、有害な金属間化合物の形成を伴わずに、より長い臨界冷却時間を可能にしたという点で、窒素が、処理のための利用可能な時間に有意な影響を及ぼしたことであった。しかしながら、非限定的な実施形態において、窒素は、本明細書において説明されるオーステナイト合金に対する化学組成の範囲にわたって、比較的一定であろう元素の溶解限度で、本方法に従って処理されるオーステナイト合金に添加されるため、窒素は、本開示の方程式１〜３に含まれない。
本明細書における方法、および方程式１〜３の制約に従って、オーステナイト合金を熱機械的に加工し、冷却した後、処理された合金は、種々の製造物品に作製される、または含まれてよい。製造物品としては、化学、石油化学、採鉱、油、ガス、紙製品、食品加工、製薬、および／または給水産業における使用のための部品および構成要素が挙げられ得るが、これらに限定されない。本開示に従う方法によって処理される合金を含み得る、具体的な製造物品の非限定的な例としては、パイプ；シート；プレート；バー；ロッド；鍛造物；漕；パイプライン構成要素；化学物質、ガス、原油、海水、水道水、および／もしくは腐食性流体（例えば、アルカリ化合物、酸性化された塩化物溶液、酸性化された硫化物溶液、および／もしくは過酸化物）との使用を意図されるパイピング、コンデンサ、および熱交換器；パルプ漂白工場内のフィルタワッシャ、バット、および圧搾ロール；原子力発電所および発電所の煙道ガススクラバ環境のための水道配管システム；海底油およびガスプラットフォームのためのプロセスシステムのための構成要素；管、弁、ハンガ、ランディングニップル、ツールジョイント、およびパッカを含む、ガス井構成要素；タービンエンジン構成要素；脱塩構成要素およびポンプ；トールオイル脱塩カラムおよびパッキン；例えば、変圧器ケースといった、海洋環境のための物品；弁；軸材；フランジ；リアクタ；コレクタ；分離器；交換器；ポンプ；圧縮器；ファスナ；可撓性コネクタ；ふいご；煙突ライナ；煙道ライナ；ならびに、例えば、スタビライザ、回転可動掘削構成要素、ドリルカラー、一体羽根スタビライザ、スタビライザマンドレル、掘削および測定チューブ、掘削同時計測ハウジング、掘削同時検層ハウジング、非磁性ドリルカラー、非磁性ドリルパイプ、一体ブレード非磁性スタビライザ、非磁性フレックスカラー、および圧縮サービスドリルパイプといった、あるドリルストリング構成要素が挙げられる。
本開示に従う方法に関連して、本開示において説明される組成を有するオーステナイト合金は、合金を生成するための技術分野において既知の任意の好適な従来の技術によって提供され得る。かかる技術としては、例えば、溶融法および粉末冶金法が挙げられる。従来の溶融法の非限定的な例としては、限定することなく、消耗溶融技術（例えば、真空アーク再溶融（ＶＡＲ）およびＥＳＲ、非消耗溶融技術（例えば、プラズマコールドハース溶融および電子ビームコールドハース溶融）、ならびにこれらの技術のうちの２つ以上の組み合わせを利用する手法が挙げられる。当該技術分野において既知のとおり、合金を調製するためのある粉末冶金法は、概して、以下のステップによって合金粉末を生成することを含む：所望の組成を有する溶融物を提供するように、成分をＡＯＤ、真空酸素脱炭（ＶＯＤ）、または真空誘導溶融（ＶＩＭ）すること；合金粉末を提供するように、従来の噴霧技術を使用して溶融物を噴霧すること；ならびに合金粉末の全てまたは一部分を加圧および焼結すること。１つの従来の噴霧技術において、溶融物の流れは、流れを小さい液滴に分割する、アトマイザの回転ブレードと接触させられる。液滴は、真空または不活性ガス雰囲気中で迅速に固化され得、小さい固体合金粒子を提供する。
本開示の方程式１〜３の制約に従って、ワークピースを熱機械的に加工および冷却した後、本明細書において説明されるオーステナイト合金は、従来の合金と比較して、改善された腐食抵抗および／または機械的特性を有し得る。本開示の方程式１〜３の制約に従って、ワークピースを熱機械的に加工および冷却した後、本明細書において説明される合金の非限定的な実施形態は、Ａｌｌｅｇｈｅｎｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ ＵＳＡから入手可能である、ＤＡＴＡＬＬＯＹ ２（登録商標）合金（ＵＮＳ未指定）および／またはＡＬ−６ＸＮ（登録商標）合金（ＵＮＳ Ｎ０８３６７）を上回るか、それらに匹敵するか、またはそれらよりも良好な極限引張強度、降伏強度、伸長率、および／または硬度を有し得る。また、本開示の方程式１〜３の制約に従って、ワークピースを熱機械的に処理および冷却させた後、本明細書において説明される合金は、ＤＡＴＡＬＬＯＹ ２（登録商標）合金および／またはＡＬ−６ＸＮ（登録商標）合金に匹敵するか、またはそれらよりも良好なＰＲＥＮ、ＣＰ、ＣＰＴ、ＣＣＣＴ、および／またはＳＣＣ値を有し得る。加えて、本開示の方程式１〜３の制約に従って、ワークピースを熱機械的に処理および冷却させた後、本明細書において説明される合金は、ＤＡＴＡＬＬＯＹ ２（登録商標）合金および／またはＡＬ−６ＸＮ（登録商標）合金と比較して、改善された疲労強度、微細構造安定性、靱性、熱分解抵抗、孔食腐食、ガルバニック腐食、ＳＣＣ、被削性、および／または磨滅抵抗を有し得る。ＤＡＴＡＬＬＯＹ ２（登録商標）合金は、重量パーセントで以下の公称組成：０．０３の炭素；０．３０のケイ素；１５．１のマンガン；１５．３のクロム；２．１のモリブデン；２．３のニッケル；０．４の窒素；残りの鉄および不純物を有する、Ｃｒ−Ｍｎ−Ｎステンレス鋼である。ＡＬ−６ＸＮ（登録商標）合金は、重量パーセントで以下の典型的組成：０．０２の炭素；０．４０のマンガン；０．０２０のリン；０．００１の硫黄；２０．５のクロム；２４．０のニッケル；６．２のモリブデン；０．２２の窒素；０．２の銅；残りの鉄および不純物を有する、スーパーオーステナイトステンレス鋼である。
ある非限定的な実施形態において、本開示の方程式１〜３の制約に従って、ワークピースを熱機械的に加工および冷却した後、本明細書において説明される合金は、室温で、少なくとも１１０ｋｓｉの極限引張強度、少なくとも５０ｋｓｉの降伏強度、および／または少なくとも１５％の伸長率を呈し得る。種々の他の非限定的な実施形態において、本開示に従って形成、鍛造、またはラジアル鍛造、および冷却した後、本明細書において説明される合金は、アニールされた状態において、室温で、９０ｋｓｉ〜１５０ｋｓｉの範囲内の極限引張強度、５０ｋｓｉ〜１２０ｋｓｉの範囲内の降伏強度、および／または２０％〜６５％の範囲内の伸長率を呈し得る。
以下の実施例は、本開示の範囲を制限することなく、ある非限定的な実施形態をさらに説明することが意図される。当業者は、以下の実施例の改変が、特許請求の範囲によってのみ定義される、本発明の範囲内で可能であることを理解するであろう。
実施例１
図６は、本開示の方程式３を使用して計算されるような比較的短い許容臨界冷却時間を有する合金に対するＴＴＴ図８０の実施例を示す。図６の対象である合金の化学組成は、重量パーセントで、２６．０４の鉄；３３．９４のニッケル；２２．８８のクロム；６．３５のモリブデン；４．５のマンガン；３．３５のコバルト；１．０６のタングステン；１．１５の銅；０．０１のニオブ；０．２６のケイ素；０．０４のバナジウム；０．０１９の炭素；０．３８６の窒素；０．０１５のリン；および０．０００４の硫黄を含む。この合金組成に対して、本開示の方程式１に従って計算される、計算されたシグマソルバス温度８２は、約１８５９°Ｆであり、本開示の方程式２に従って計算される、冷却温度８４は、約１６６５°Ｆであり、本開示の方程式３に従って計算される、臨界冷却時間８６は、約７．５分である。本開示に従い、有害な金属間相の析出を防止するために、ワークピースは、熱機械的に処理され、１８５９°Ｆ（即ち、方程式１によって計算される、計算されたシグマソルバス温度）をわずかに下回る〜１６６５°Ｆ（即ち、方程式２に従って計算される冷却温度）の温度範囲内にある時、７．５分間以下（即ち、方程式３に従って計算される臨界冷却時間）、冷却させなければならない。
図７は、表１に開示されるようなヒート４８ＦＪの組成を有する、鍛造後の９インチ直径のワークピースの中心の微細構造を示す。９インチワークピースは、以下の通りに作製した。２０インチ直径エレクトロスラグ再溶融（ＥＳＲ）インゴットを、２２２５°Ｆで均質化し、２１５０°Ｆに再加熱し、約１４インチワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、空気冷却した。１４インチワークピースを２２００°Ｆに再加熱し、約９インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。関連する実際の冷却時間、即ち、鍛造し、次いで、１８５９°Ｆの方程式１によって計算される計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下〜１６６５°Ｆの方程式２によって計算される冷却温度の温度範囲内で冷却する時間は、シグマ相の金属間析出を回避するように許容可能な７．５分の方程式３によって計算される臨界冷却時間を上回った。方程式１〜３から予想されるように、図７の顕微鏡写真は、鍛造後の９インチ直径のワークピースの微細構造が、粒界で、有害な金属間析出物、シグマを含有した可能性が高いことを示す。
実施例２
図８は、図６の合金よりも、方程式３を使用して計算されるより長い臨界冷却時間を有する合金に対するＴＴＴ図９０の実施例を示す。図８の合金の化学組成は、重量パーセントで、３９．７８の鉄；２５．４３のニッケル；２０．９１のクロム；４．７８のモリブデン；４．４７のマンガン；２．０６のコバルト；０．６４のタングステン；１．２７の銅；０．０１のニオブ；０．２４のケイ素；０．０４のバナジウム；０．００７０の炭素；０．３７の窒素；０．０１５のリン；および０．０００４の硫黄を含む。方程式１に従って計算される、合金に対する計算されたシグマソルバス温度９２は、約１６３４°Ｆであり、方程式２に従って計算される、冷却温度９４は、約１５５６°Ｆであり、方程式３の開示に従って計算される臨界冷却時間９６は、約２８．３分である。本開示の方法に従い、合金内の有害な金属間相の析出を防止するために、合金は、形成し、計算されたシグマソルバス温度（１６３４°Ｆ）よりもわずかに下の温度から、計算された冷却温度（１５５６°Ｆ）にまでまたがる温度範囲内にある時、計算された臨界冷却時間（２８．３分）以下の時間、冷却されなければならない。
図９は、合金の鍛造後の９インチ直径のワークピースの中間半径の微細構造を示す。ワークピースは、以下の通りに作製した。合金の約２０インチ直径ＥＳＲインゴットを２２２５°Ｆで均質化し、約１４インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、空気冷却した。冷却されたワークピースを２２００°Ｆに再加熱し、約１０インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。関連する実際の冷却時間、即ち、鍛造し、方程式１に従って計算される計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下の温度（１６３４°Ｆ）から、方程式２に従って計算される冷却温度（１５５６°Ｆ）にまでまたがる温度範囲内にある間に冷却する時間は、シグマ相の金属間析出を回避させる、方程式３に従って計算される臨界冷却時間（２８．３分）を下回った。方程式１〜３から予想されるように、図９の顕微鏡写真は、鍛造後の９インチ直径のワークピースの微細構造は、粒界で有害な金属間シグマ相析出物を含有しなかったことを示す。粒界の暗い領域は、金属組織エッチングアーチファクトに起因するものであり、粒界析出物を表すものではない。
実施例３
ヒート番号４９ＦＪ（表１を参照されたい）の非磁性オーステナイト合金の試料が提供された。合金は、１６９４°Ｆの方程式１に従って計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される合金の冷却温度は、１６００°Ｆであった。方程式３に従って計算される、Ｃ曲線ＴＴＴ図の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、１５．６分であった。合金試料を、１９５０°Ｆで０．５時間アニールした。アニールされた試料を、約１６００°Ｆの炉の後壁、約１０００°Ｆの炉の前壁、ならびに前および後壁間の炉内の中間温度の勾配を伴う、勾配炉に配置した。炉内の温度勾配は、図１０に描写されるプロットに反映される。試料を、１０８０°Ｆ、１２００°Ｆ、１３００°Ｆ、１４００°Ｆ、１５００°Ｆ、または１５５０°Ｆの温度に供するように、炉内の場所に配置し、１２分、５０分、１０時間、または２０時間加熱した。各試料の微細構造を、試料に印加される特定の加熱温度で評価した。
図１１は、これらの実験において使用された、加熱温度勾配（水平線）および実際の冷却時間（垂直線）を伴う、ＴＴＴ図である。図１２は、ＴＴＴ図上に種々の温度で１２分間保持される試料からの微細構造を重ね合わせる。図１３は、ＴＴＴ図上に種々の時間、１０８０°Ｆで保持される試料からの微細構造を重ね合わせる。一般的に、結果は、本明細書において対処される金属間相の析出が、ほぼ、ＴＴＴ図によって定義される温度および時間で生じたという点で、ＴＴＴ図の精度を確認する。
実施例４
ヒート４８ＦＪの化学的性質を有する２０インチ直径ＥＳＲインゴットが提供された。合金は、１８５１°Ｆの方程式１を使用して計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される冷却温度は、１６５９°Ｆであった。方程式３に従って計算される、Ｃ曲線ＴＴＴ図の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、８．０分であった。ＥＳＲインゴットを２２２５°Ｆで均質化し、２２２５°Ｆに再加熱し、約１４インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、次いで、空気冷却した。冷却された１４インチ直径のワークピースを２２２５°Ｆに再加熱し、約１０インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。ラジアル鍛造作業中の最適な温度測定値は、表面での温度が約１７７８°Ｆであり、ラジアル鍛造されたワークピースが水焼入れ漕に進入している際、表面温度は約１７７８°Ｆであったことを示した。ラジアル鍛造および水焼入れされたワークピースを、２１５０°Ｆでアニールし、次いで、水焼入れした。
図１４Ａは、アニールされたラジアル鍛造されたワークピースの表面における微細構造を示す。図１４Ｂは、アニールされたラジアル鍛造されたワークピースの中心における微細構造を示す。２１５０°Ｆのアニールステップは、ラジアル鍛造作業中に形成されたシグマ相を溶体化する。しかしながら、８．０分の計算された臨界冷却時間は、インゴットが、水焼入れ作業中に、１８５１°Ｆの計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下の温度から１６５９°Ｆの計算された冷却温度に冷却する際、インゴットの中心におけるシグマ相形成を防止するのに不十分である。図１４Ａの顕微鏡写真は、表面が、シグマ相析出を回避するように十分に迅速に冷却したことを示すが、図１４Ｂの顕微鏡写真は、インゴットの中心における冷却が、シグマ相の析出を可能にするのに十分にゆっくりと生じたことを示す。インゴットの中心は、方程式３によって計算される臨界冷却時間を上回る期間で、方程式１によって計算される、計算されたシグマソルバス温度から、方程式２によって計算される冷却温度に冷却した。
実施例５
ヒート４５ＦＪの化学的性質を有する２０インチ直径ＥＳＲインゴットが提供された。合金は、１６２４°Ｆの方程式１使用して計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される冷却温度は、１５６１°Ｆであった。Ｃ曲線ＴＴＴ図の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、３０．４分であった。ＥＳＲインゴットを２２２５°Ｆで均質化され、２２２５°Ｆに再加熱し、約１４インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、次いで、空気冷却した。ワークピースを２２２５°Ｆに再加熱し、約１０インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。ラジアル鍛造作業中の最適な温度値は、ワークピース表面温度が約１８８６°Ｆであり、ラジアル鍛造されたワークピースが水焼入れ漕に進入している際、表面温度は約１７９０°Ｆであったことを示した。
図１５Ａは、ラジアル鍛造され、かつ水焼入れされたワークピースの表面における微細構造を示す。図１５Ｂは、ラジアル鍛造され、かつ水焼入れされたワークピースの中心における微細構造を示す。図１５Ａおよび図１５Ｂの両方に示される微細構造は、シグマ析出がない。これは、１６２４°Ｆの計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下の温度から、１５６１°Ｆの計算された冷却温度に冷却する実際の時間が、ラジアル鍛造され、かつ水焼入れされたワークピースの表面および中心の両方におけるシグマ相の析出を回避するのに、十分に速かった（即ち、３０．４分未満であった）ことを確認する。
実施例６
ヒート４８ＦＪの化学的性質を有する２０インチ直径ＥＳＲインゴットが提供された。ヒート４８ＦＪ合金は、１８５１°Ｆの方程式１を使用して計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される冷却温度は、１６５９°Ｆであった。方程式３に従って計算される、ＴＴＴ図のＣ曲線の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、８．０分であった。ヒート４９ＦＪの化学的性質を有する第２の２０インチ直径ＥＳＲインゴットが提供された。ヒート４９ＦＪ合金は、１６９４°Ｆの方程式１使用して計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される冷却温度は、１６００°Ｆであった。方程式３に従って計算される、ＴＴＴ図のＣ曲線の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、１５．６分であった。
両方のインゴットを、２２２５°Ｆで均質化した。均質化されたインゴットを２２２５°Ｆに再加熱し、約１４インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、空気冷却した。両方の冷却されたワークピースを２２２５°Ｆに再加熱し、約１０インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。
ヒート４８ＦＪインゴットのラジアル鍛造作業中の最適な温度測定値は、表面における温度が、約１８７７°Ｆであり、水焼入れ漕に進入している際、表面温度は約１７７８°Ｆであったことを示した。図１６Ａは、粒界でシグマ相析出物を含んだ、合金の中心微細構造を示す。
ヒート４９ＦＪインゴットのラジアル鍛造作業中の最適な温度測定値は、表面における温度が、約１８４８°Ｆであり、水焼入れ漕に進入している際、表面温度は約１７５７°Ｆであったことを示した。図１６Ｂは、シグマ相析出物がない、合金の中心微細構造を示す。図１６Ｂの顕微鏡写真内の粒界における暗い領域は、金属組織エッチングアーチファクトに起因する。
これらの結果は、本質的に同一の条件下で処理される時でさえも、方程式３によって計算される、より短い臨界冷却時間を有するワークピース（ヒート４８ＦＪ）が、その中心においてシグマ相を発生したが、一方で、方程式３によって計算される、より長い臨界冷却時間を有するワークピース（ヒート４９ＦＪ）が、その中心においてシグマ相析出物を発生しなかったことを実証する。
実施例７
ヒート４９ＦＪの化学的性質を有する２０インチ直径ＥＳＲインゴットが提供された。ヒート４９ＦＪ合金は、１６９４°Ｆの方程式１使用して計算される、計算されたシグマソルバス温度を有した。方程式２に従って計算される冷却温度は、１６００°Ｆであった。方程式３に従って計算される、ＴＴＴ図のＣ曲線の鼻部までの時間（即ち、臨界冷却時間）は、１５．６分であった。インゴットを２２２５°Ｆで均質化し、２２２５°Ｆに再加熱し、約１４インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、次いで、空気冷却した。空気冷却されたワークピースを２１５０°Ｆに再加熱し、約９インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で熱間加工し、続いて、水焼入れした。ラジアル鍛造作業中の最適な温度測定値は、表面での温度が約１８００°Ｆであり、ラジアル鍛造されたワークピースが水焼入れ漕に進入している際、表面温度は約１７００°Ｆであったことを示した。次いで、鍛造および水焼入れされたワークピースを１０２５°Ｆに再加熱し、約７．２５インチ直径のワークピースにラジアル鍛造上で温間加工し、続いて、空気冷却した。
７．２５インチ直径のワークピースの表面の微細構造が図１７Ａに示され、７．２５インチ直径のワークピースの中心の微細構造が図１７Ｂに示される。顕微鏡写真は、ワークピースの表面または中心のいずれにおいてもシグマ相がなかったことを示す。本実施例において、ヒート４９ＦＪの化学的性質を有するワークピースは、関連する温度範囲、即ち、計算されたシグマソルバス温度よりもわずかに下までの温度〜計算された冷却温度によって境界される温度範囲を通じて、計算された臨界冷却時間未満で、処理され、それにより、シグマ相の析出を回避した。
本説明は、本発明の明確な理解に関連する本発明のそれらの態様を例解することが理解されるであろう。当業者には明らかであろう、かつしたがって、本発明のより良好な理解を容易にしないであろう、ある態様は、本説明を簡略化するために提示されていない。本発明の限られた数の実施形態のみが、必然的に本明細書において説明されるが、当業者は、前述の説明を考慮すれば、本発明の多くの修正および改変が採用され得ることを認識するであろう。本発明の全てのかかる改変および修正は、前述の説明および以下の特許請求の範囲によって網羅されることが意図される。

Claims (46)

  1. 金属間化合物の析出を抑制するようにワークピースを処理する方法であって、
    オーステナイト合金を含むワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つを含み、前記ワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの前記少なくとも１つの間、前記オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、前記オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲内の温度にあり、
    前記オーステナイト合金は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．２の炭素、最大２０のマンガン、０．１〜１．０のケイ素、１４．０〜２８．０のクロム、１５．０〜３８．０のニッケル、２．０〜９．０のモリブデン、０．１〜３．０の銅、０．０８〜０．９の窒素、０．１〜５．０のタングステン、０．５〜５．０のコバルト、最大１．０のチタン、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、および付随的不純物を含み、
    前記計算されたシグマソルバス温度は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１１５５．８−（７６０．４）・（ニッケル／鉄）＋（１４０９）・（クロム／鉄）＋（２３９１．６）・（モリブデン／鉄）−（２８８．９）・（マンガン／鉄）−（６３４．８）・（コバルト／鉄）＋（１０７．８）・（タングステン／鉄）に等しく、
    前記冷却温度は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の前記組成の関数であり、かつ１２９０．７−（６０４．２）・（ニッケル／鉄）＋（８２９．６）・（クロム／鉄）＋（１８９９．６）・（モリブデン／鉄）−（６３５．５）・（コバルト／鉄）＋（１２５１．３）・（タングステン／鉄）に等しく、
    前記臨界冷却時間は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の前記組成の関数であり、かつｌｏｇ１０で２．９４８＋（３．６３１）・（ニッケル／鉄）−（４．８４６）・（クロム／鉄）−（１１．１５７）・（モリブデン／鉄）＋（３．４５７）・（コバルト／鉄）−（６．７４）・（タングステン／鉄）に等しい、方法。
  2. 前記ワークピースを熱機械的に加工することは、前記ワークピースを鍛造することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記ワークピースを鍛造することは、ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、およびアップセット鍛造のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記ワークピースを熱機械的に加工することは、前記ワークピースをラジアル鍛造することを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記臨界冷却時間は、１０分〜３０分の範囲内である、請求項１に記載の方法。
  6. 前記臨界冷却時間は、１０分を上回る、請求項１に記載の方法。
  7. 前記臨界冷却時間は、３０分を上回る、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ワークピースを熱機械的に加工すること、および冷却することのうちの少なくとも１つの後に、
    前記ワークピースを、少なくとも前記計算されたシグマソルバス温度程度に高いアニール温度まで加熱すること、および前記ワークピースをアニールするために十分な時間、前記ワークピースを前記アニール温度で保持することをさらに含み、
    前記ワークピースが前記アニール温度から冷却するにつれて、前記オーステナイト合金は、前記臨界冷却時間以下の時間、前記計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から前記冷却温度にまでまたがる温度範囲内の温度にある、請求項１に記載の方法。
  9. オーステナイト合金は、０．３以下のニオブおよびタンタルの合計重量パーセントを含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記オーステナイト合金は、最大０．２重量パーセントのバナジウムを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記オーステナイト合金は、最大０．１重量パーセントのアルミニウムを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記オーステナイト合金は、０．１以下のセリウムおよびランタンの合計重量パーセントを含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記オーステナイト合金は、最大０．５重量パーセントのルテニウムを含む、請求項１に記載の方法。
  14. 前記オーステナイト合金は、最大０．６重量パーセントのジルコニウムを含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記オーステナイト合金は、最大６０重量パーセントの鉄を含む、請求項１に記載の方法。
  16. 前記オーステナイト合金は、２：１〜４：１のコバルト／タングステン重量パーセント比を含む、請求項１に記載の方法。
  17. 前記オーステナイト合金は、４０を上回るＰＲＥＮ１６値を有する、請求項１に記載の方法。
  18. 前記オーステナイト合金は、４０〜６０の範囲内のＰＲＥＮ１６値を有する、請求項１に記載の方法。
  19. 前記オーステナイト合金は、非磁性である、請求項１に記載の方法。
  20. 前記オーステナイト合金は、１．０１を下回る透磁率値を有する、請求項１に記載の方法。
  21. 前記オーステナイト合金は、少なくとも１１０ｋｓｉの極限引張強度、少なくとも５０ｋｓｉの降伏強度、および少なくとも１５％の伸長率を有する、請求項１に記載の方法。
  22. 前記オーステナイト合金は、９０ｋｓｉ〜１５０ｋｓｉの範囲内の極限引張強度、５０ｋｓｉ〜１２０ｋｓｉの範囲内の降伏強度、および２０％〜６５％の範囲内の伸長率を有する、請求項１に記載の方法。
  23. 前記オーステナイト合金は、１００ｋｓｉ〜２４０ｋｓｉの範囲内の極限引張強度、１１０ｋｓｉ〜２２０ｋｓｉの範囲内の降伏強度、および１５％〜３０％の範囲内の伸長率を有する、請求項１に記載の方法。
  24. 前記オーステナイト合金は、少なくとも４５℃の臨界孔食温度を有する、請求項１に記載の方法。
  25. 前記オーステナイト合金は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．０５の炭素、１．０〜９．０のマンガン、０．１〜１．０のケイ素、１８．０〜２６．０のクロム、１９．０〜３７．０のニッケル、３．０〜７．０のモリブデン、０．４〜２．５の銅、０．１〜０．５５の窒素、０．２〜３．０のタングステン、０．８〜３．５のコバルト、最大０．６のチタン、０．３以下のニオブおよびタンタルの合計重量パーセント、最大０．２のバナジウム、最大０．１のアルミニウム、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、ならびに付随的不純物を含む、請求項１に記載の方法。
  26. 前記オーステナイト合金は、２．０〜８．０重量パーセントのマンガンを含む、請求項２７に記載の方法。
  27. 前記オーステナイト合金は、１９．０〜２５．０重量パーセントのクロムを含む、請求項２７に記載の方法。
  28. 前記オーステナイト合金は、２０．０〜３５．０重量パーセントのニッケルを含む、請求項２７に記載の方法。
  29. 前記オーステナイト合金は、３．０〜６．５重量パーセントのモリブデンを含む、請求項２７に記載の方法。
  30. 前記オーステナイト合金は、０．５〜２．０重量パーセントの銅を含む、請求項２７に記載の方法。
  31. 前記オーステナイト合金は、０．３〜２．５重量パーセントのタングステンを含む、請求項２７に記載の方法。
  32. 前記オーステナイト合金は、１．０〜３．５重量パーセントのコバルトを含む、請求項２７に記載の方法。
  33. 前記オーステナイト合金は、０．２〜０．５重量パーセントの窒素を含む、請求項２７に記載の方法。
  34. 前記オーステナイト合金は、２０〜５０重量パーセントの鉄を含む、請求項２７に記載の方法。
  35. 前記オーステナイト合金は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．０５の炭素、２．０〜８．０のマンガン、０．１〜０．５のケイ素、１９．０〜２５．０のクロム、２０．０〜３５．０のニッケル、３．０〜６．５のモリブデン、０．５〜２．０の銅、０．２〜０．５の窒素、０．３〜２．５のタングステン、１．０〜３．５のコバルト、最大０．６のチタン、０．３以下のニオブおよびタンタルの合計重量パーセント、最大０．２のバナジウム、最大０．１のアルミニウム、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、微量元素、ならびに付随的不純物を含む、請求項１に記載の方法。
  36. 前記オーステナイト合金は、２．０〜６．０重量パーセントのマンガンを含む、請求項３７に記載の方法。
  37. 前記オーステナイト合金は、２０．０〜２２．０重量パーセントのクロムを含む、請求項３７に記載の方法。
  38. 前記オーステナイト合金は、６．０〜６．５重量パーセントのモリブデンを含む、請求項３７に記載の方法。
  39. 前記オーステナイト合金は、４０〜４５重量パーセントの鉄を含む、請求項３７に記載の方法。
  40. 金属間化合物の析出を抑制するようにオーステナイト合金ワークピースを処理する方法であって、
    前記ワークピースを鍛造することと、
    前記鍛造されたワークピースを冷却することと、
    任意に、前記冷却されたワークピースをアニールすることと、を含み、
    前記オーステナイト合金は、総合金重量に基づいて、重量パーセントで、最大０．２の炭素、最大２０のマンガン、０．１〜１．０のケイ素、１４．０〜２８．０のクロム、１５．０〜３８．０のニッケル、２．０〜９．０のモリブデン、０．１〜３．０の銅、０．０８〜０．９の窒素、０．１〜５．０のタングステン、０．５〜５．０のコバルト、最大１．０のチタン、最大０．０５のホウ素、最大０．０５のリン、最大０．０５の硫黄、鉄、および付随的不純物を含み、
    前記ワークピースを鍛造する、および前記鍛造されたワークピースを冷却する間、前記オーステナイト合金は、臨界冷却時間以下の時間、前記オーステナイト合金の計算されたシグマソルバス温度をわずかに下回る温度から冷却温度にまでまたがる温度範囲を通じて冷却し、
    前記計算されたシグマソルバス温度は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の組成の関数であり、かつ１１５５．８−（７６０．４）・（ニッケル／鉄）＋（１４０９）・（クロム／鉄）＋（２３９１．６）・（モリブデン／鉄）−（２８８．９）・（マンガン／鉄）−（６３４．８）・（コバルト／鉄）＋（１０７．８）・（タングステン／鉄）に等しく、
    前記冷却温度は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の前記組成の関数であり、かつ１２９０．７−（６０４．２）・（ニッケル／鉄）＋（８２９．６）・（クロム／鉄）＋（１８９９．６）・（モリブデン／鉄）−（６３５．５）・（コバルト／鉄）＋（１２５１．３）・（タングステン／鉄）に等しく、
    前記臨界冷却時間は、重量パーセントにおける前記オーステナイト合金の前記組成の関数であり、かつｌｏｇ１０で２．９４８＋（３．６３１）・（ニッケル／鉄）−（４．８４６）・（クロム／鉄）−（１１．１５７）・（モリブデン／鉄）＋（３．４５７）・（コバルト／鉄）−（６．７４）・（タングステン／鉄）に等しい、方法。
  41. 前記ワークピースを鍛造することは、前記計算されたシグマソルバス温度を上回る温度で完全に行われる、請求項４０に記載の方法。
  42. 前記ワークピースを鍛造することは、前記計算されたシグマソルバス温度を通じて行われる、請求項４０に記載の方法。
  43. 前記ワークピースを鍛造することは、ロール鍛造、スウェージング、コギング、オープンダイ鍛造、インプレッションダイ鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、およびアップセット鍛造のうちの少なくとも１つを含む、請求項４０に記載の方法。
  44. 前記臨界冷却時間は、１０分〜３０分の範囲内である、請求項１に記載の方法。
  45. 前記臨界冷却時間は、１０分を上回る、請求項１に記載の方法。
  46. 前記臨界冷却時間は、３０分を上回る、請求項１に記載の方法。
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