JP2019524995A - 高降伏強度鋼 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願は、2016年7月8日に出願された米国仮特許出願番号第62/359,844及び2017年4月7日に出願された米国仮特許出願番号第62/482,954の利益を主張し、参照によって本明細書に完全に組み込まれる。
b.0.5から5.0mmまでの厚さを有する第1のシートフォームに前記合金を加工するステップであって、第1のシートがX1(%)の全伸び、Y1(MPa)の最大抗張力、及びZ1(MPa)の降伏強度を有する、ステップと、
c.以下の引張特性の組み合わせA又はBの内の1つを示す第2のシートフォームに150℃から400℃までの温度範囲において前記合金を永久的に変形させるステップと:を含む、金属合金における降伏強度を増加させるための方法:
A.(1)全伸びX2=X1±7.5%;
(2)最大抗張力Y2=Y1±100MPa;及び
(3)降伏強度Z2≧Z1+100MPa、
B.(1)最大抗張力Y3=Y1±100MPa;及び
(2)降伏強度Z3≧Z1+200MPa。
a.少なくとも70原子%の鉄、及び、Si,Mn,Cr,Ni,Cu又はCから選択される少なくとも4つ以上の元素を含む金属合金を供給するステップと、前記合金を融解させるステップと、10−4K/秒から103K/秒までの速度で冷却するステップと、>5.0mmから500mmまでの厚さへ凝固させるステップと、
b.5.0から0.5mmまでの厚さを有する第1のシートフォームに前記合金を加工するステップと;
c.第2のシートフォームに150℃から400℃までの温度範囲において前記合金を永久的に変形させるステップと;
d.以下の引張特性の組み合わせを示す第2のシートフォームに<150℃の温度において前記合金を永久的に変形させるステップと、を含む金属合金において降伏強度を増加させるための方法に関する:
(1)全伸び=10.0から40.0%;
(2)最大抗張力=1150から2000MPa;
(3)降伏強度=550から1600MPa。
高降伏強度を開発するための新しいプロセスルートへつながるこの用途における構造及びメカニズムは、表1において提供される合金の以下の化学的性質に関連する。
合金は、表1における原子比率に従って既知の化学的性質を有する商用利用可能な鉄系添加剤(ferroadditive)粉末及びベース鋼原料を用いて、3,400グラム装填物に計量された。上記で示唆したように、不純物は、用いられる原料に応じて様々なレベルで存在し得る。不純物元素は一般的に、以下の元素を含むであろう;Al,Co,Mo,N,Nb,P,Ti,V,W,及びS。存在する場合、0から5000ppm(100万分の1)までの範囲であり、好ましくは0から500ppmまでの範囲であろう。
本明細書の合金は、好ましくは、実験用シートに加工された。実験用合金加工は、連続鋳造によって製造されるスラブからホットバンド製造をシミュレートするために開発され、図2及び3におけるステップ2を表すであろう。工業的熱間圧延は、目標温度へトンネル炉においてスラブを加熱し、その後、700℃から合金の融点(Tm)までの好ましい温度範囲において目標ゲージに到達するためにリバース圧延機若しくはマルチスタンド圧延機のいずれか、又は両方の組み合わせにそれを通過させるによって実施される。いずれかの圧延機タイプ上の圧延の間、スラブの温度は、空気への及び作業ロールへの熱損失に起因して徐々に減少しているので、最終的なホットバンドは、非常に低下した温度である。これは、1100℃と1250℃との間へトンネル炉において加熱し、その後熱間圧延することによって実験室においてシミュレートされる。実験用圧延機は、各熱間圧延パスの間の熱の、より大きい損失を引き起こす工業用圧延機よりも遅いので、スラブは、パスの間に4分間再加熱されて、温度における低下を減少させ、実験用圧延機を出るときの目標ゲージでの最終的な温度は一般的に、炉温度及び最終的な厚さに応じて、1000℃から800℃までの範囲である。
比較事例#1 周囲温度での圧延への従来の応答
表1においてリスト化される本明細書の合金からのホットバンドは、比較目的のために、複数の冷間圧延パスを通して1.2mmの最終的な目標ゲージ厚さへ冷間圧延された。引張試料は、ワイヤEDMを用いて各冷間圧延シートから切られた。引張特性は、InstronのBluehill制御及び分析ソフトウェアを利用して、Instron 機械試験フレーム(Model 3369)上で測定された。すべての試験は、変位制御において周囲温度にて行われた。
合金2は、4.4mmの厚さを有するホットバンドへ加工された。ホットバンドはその後、複数の冷間圧延(つまり、周囲温度で)パスを通して異なる圧下によって冷間圧延された。冷間圧延後、サンプルは、10分間850℃で中間アニーリングによって熱処理された。これは、前の冷間加工を除去するための完全にアニールされた条件を表す各サンプルに関する開始条件を表した。この開始条件から、表5において提供されるような異なるパーセンテージ(つまり、0%、4.4%、9.0%、15.1%、20.1%、25.1%及び29.7%)での後続の冷間圧延は、引張試験に関する最終的なゲージが1.2mmの目標一定厚さであろうように適用された。アニーリング後の最終的なステップとしての冷間圧下を増加することによって、材料降伏強度の対応する増加は、図8における引張応力−歪み曲線によって実証される。試験からの引張特性は、表5においてリスト化される。合金2の降伏強度は、アニール状態における初期値と比較して圧下のレベルに応じて666から1140MPaまで増加する(表5)。また、Feritscopeによって測定される磁気相体積パーセントは、アニール状態における1.0Fe%の初期値と比較して表5に示されるように12.9Fe%まで増加する。降伏強度増加は、冷間圧延後の減少した引張伸びによって合金延性を犠牲にして達成されることに留意すべきである。
4mmの厚さを有する合金2からのホットバンドは、10分間850℃での中間アニーリングによって複数の冷間圧延パスを通して1.2mmの最終的な厚さへ冷間圧延された。ホットバンド及び冷間圧延シートの微細構造は、走査電子顕微鏡法(SEM)及び透過電子顕微鏡法(TEM)によって調査された。
開始材料は、商用ホットバンド製造での加工を真似る50mm厚さ実験用鋳造スラブの熱間圧延によって用意されるおよそ2.5mm厚さを有する合金2からのホットバンドであった。開始材料は、1166MPaの平均最大抗張力、53.0%の平均引張伸び、及び304MPaの平均降伏強度を有した。開始材料はまた、0.9Fe%の磁気相体積パーセントを有した。
開始材料は、商用加工を真似る50mm厚さ実験用鋳造の熱間圧延によって用意されるおよそ2.5mmの初期厚さを有する合金7、合金18、合金34及び合金37の各々からのホットバンドであった。合金7、18、34及び37は、1100℃と1250℃との間の温度での熱間圧延によっておよそ2.5mmの厚さを有するホットバンドに加工され、その後、酸化物を除去するためにメディアブラストされた。ホットバンド材料の引張特性は、表2において以前にリスト化された。ホットバンドは、酸化物を除去するためにメディアブラストされ、且つ、プレートが所望の温度に到達することを許可するために圧延の前に少なくとも30分間Yamato DKN810機械対流式オーブン内に装填された。結果として得られる清潔なホットバンドは、徐々に減少するロールギャップを有するFenn Model 061圧延機上で圧延され、且つ、一定の温度を確保するためにパス間で少なくとも10分間炉内に装填された。ホットバンドは、目標とされる20%圧下へ圧延され、サンプルは、ASTM E8標準形状においてEDMカットされた。引張特性は、InstronのBluehill制御及び分析ソフトウェアを利用して、Instron機械試験フレーム(Model 5984)上で測定された。すべての引張試験は、固定された底部治具及び動く上部治具を有する変位制御において周囲温度で実行された;ロードセルは、上部治具に取り付けられる。
合金2は、実験用鋳造からのおよそ2.5mmの厚さを有するホットバンドへ加工された。熱間圧延に続いて、合金2は、およそ10%から40%までの範囲である変化する圧下率へ200℃で圧延された。圧延パス間で、合金2シート材料は、温度を維持するために10分間200℃で対流炉において配された。所望の圧下率が達成されたとき、ASTM E8引張サンプルは、ワイヤEDMを介して切られ、試験された。
合金2は、商用のホットバンド製造での加工を真似る実験用鋳造からの9mmの厚さを有するホットバンドへ加工された。ホットバンドは、50%圧下によって冷間圧延され、且つ、商用のシート製造での冷間圧延加工を真似る空気冷却によって10分間850℃でアニールされた。メディアブラスティングは、アニーリングの間に形成される酸化物を除去するために用いられた。その後、合金は、破損又は圧延機に制限された圧下まで再び冷間圧延された。サンプルは、それらが均一な温度であることを確保するために冷間圧延前に少なくとも30分間対流オーブンにおいて200℃へ加熱され、且つ、一定の温度を確保するためにパス間で10分間再加熱された。合金2シートは、最初に30%の圧下によって、その後、70%の最大圧下へ冷間圧延された。初期構造の及び圧延後の微細構造は、走査電子顕微鏡法(SEM)によって調査された。SEMサンプルを用意するために、片は、EDMによって切られ、エポキシにおいて取り付けられ、9μm、6μm及び1μmダイヤモンド懸濁溶液によって及び最終的に0.02μmシリカによって次第に研磨された。
温度での圧延が合金2の降伏強度における大幅な増加をもたらし、一方で高い引張伸びが維持された。TEM調査が200℃で圧延された合金2上で実施されて、圧延歪みの関数として200℃での圧延の間の構造変化を分析した。この事例では、50mm厚さの実験用鋳造スラブは、最初に熱間圧延され、結果として得られるホットバンドはその後、異なる歪みへ200℃で圧延された。構造進化を示すために、圧延シートの微細構造は、透過電子顕微鏡法(TEM)によって調査された。TEM試料を用意するために、サンプルは、ワイヤEDMを用いてシートから切られ、その後、毎回、減少したグリットサイズのパッドによって研削することによって薄くされた。60から70μm厚さサンプルまでさらに薄くすることは、それぞれ9μm、3μm及び1μmダイヤモンド懸濁溶液によって研磨することによって行われた。直径3mmのディスクは、箔から打ち抜かれ、最終的な研磨は、ツインジェット研磨装置を用いて電気研磨によって実行された。用いられる化学溶液は、メタノール塩基において混合された30%硝酸であった。TEM観察に関する不十分な薄い領域に備えて、TEM試料は、Gatan Precision Ion Polishing System(PIPS)を用いてイオンミリングされた。イオンミリングは通常4.5keVで行われ、傾斜角度は4°から2°へ減少されて、薄い領域を広くする。TEM調査は、200kVで動作するJEOL 2100高分解能顕微鏡を用いて行われた。
合金2、合金7、合金18及び合金34は、〜2.7mmの厚さを有するホットバンドに加工され、これは、酸化物を除去するためにメディアブラストされ、且つ20%圧下へ200℃で圧延された。材料は、分割され、その後、周囲温度での圧下の範囲で圧延された。ASTM E8引張サンプルは、ワイヤEDMによって切られ、且つ、InstronのBluehillソフトウェアを用いてInstron 5984フレームにおいて試験された。
合金2からのホットバンドは、図2及び図3において提供されるステップに従う、特性の組み合わせ及びより高い降伏強度へ向かう本明細書の異なる方法によってシートに加工された。合金2は、最初に鋳造され、その後、2.5から2.7mm厚さであった熱間圧延を介してシートに加工された。引張比較に関して、参照ホットバンドバンド材料は、試験前にゲージを減少させるために、〜1.8mmへ熱間圧延された。図2の例に関して(つまり、200℃で20%圧延された)、ホットバンドは、200℃での20%減少によって圧延された。圧延前に、それは、200℃で20%圧延される前に30分間200℃まで加熱され、温度を維持するために圧延パス間で10分再加熱された。図3の例に関して(つまり、200℃で20%圧延され、その後周囲温度で10%冷間圧延)、200℃での20%圧下を含んだプロセスステップは繰り返され、10%の周囲温度圧下率の追加のステップが適用された。引張試料は、ワイヤEDMを用いる各方法によって加工されたシートから切られた。引張特性は、InstronのBluehill制御及び分析ソフトウェアを利用して、Instron機械試験フレーム(Model 5984)上で測定された。すべての試験は、変位制御において周囲温度にて行われた。
合金2は、後続のアニーリングにより目標厚さへ熱間圧延及び冷間圧延することによってスラブから1.4mm厚さを有するシート形状において製造された。引張試料は、ワイヤEDMを用いて合金2シートから切られた。引張特性は、−40℃から200℃までの範囲における異なる温度で測定された。
合金2は、4.4mmの厚さを有するホットバンドへ加工された。ホットバンドの2つのセクションはその後、周囲温度で1回、及び200℃で1回、圧延された。200℃でプレートは、圧延前に30分間機械対流式オーブンにおいて加熱され、一定の温度を確保するためにパス間で10分間再加熱された。
ホットバンドは、およそ9mm厚さを有する合金2から用意された。それは、60分間200から250℃へ加熱され、且つ、一貫した温度を確保するために圧延パス間での10分再加熱によっておよそ4.5mmへ圧延された。4.5mmで一回、それは、分割され、10分間850℃でアニールされ、空気冷却を可能にされた。材料は、酸化物を除去するためにメディアブラストされ、圧延前に少なくとも30分間所望の温度へ再加熱され、一貫した温度を確保するためにパス間で10分間再加熱された。材料は、シートの端から少なくとも2インチにおいて伝搬するこのような目に見える割れによって特徴付けられる破損(目に見える割れ)まで圧延された。約70%圧下で、圧延機は、材料を圧下するために必要不可欠な負荷を達成することに困難性を有し、圧延は停止され、これは、装置限界であり、材料限界ではない。室温圧延に関するコントロール材料は、破損まで室温で圧延された4.4mm厚さでのホットバンドであった。圧延温度の関数としての最大圧下率の結果は、表27及び図39において提供される。
Claims (19)
- a.少なくとも70原子%の鉄、及び、Si,Mn,Cr,Ni,Cu又はCから選択される少なくとも4つ以上の元素を含む金属合金を供給するステップと、前記合金を融解させるステップと、10−4K/秒から103K/秒までの速度で冷却するステップと、>5.0mmから500mmまでの厚さへ凝固させるステップと、
b.0.5から5.0mmまでの厚さを有する第1のシートフォームに前記合金を加工するステップであって、前記第1のシートがX1(%)の全伸び、Y1(MPa)の最大抗張力、及びZ1(MPa)の降伏強度を有する、ステップと、
c.以下の引張特性の組み合わせA又はBの内の1つを示す第2のシートフォームに150℃から400℃までの温度範囲において前記合金を永久的に変形させるステップと:を含む、金属合金における降伏強度を増加させるための方法:
A.(1)全伸びX2=X1±7.5%;
(2)最大抗張力Y2=Y1±100MPa;及び
(3)降伏強度Z2≧Z1+100MPa、
B.(1)最大抗張力Y3=Y1±100MPa;及び
(2)降伏強度Z3≧Z1+200MPa。 - 前記合金が、少なくとも70原子%の鉄、及び、Si,Mn,Cr,Ni,Cu又はCから選択される5つ以上の元素を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、少なくとも70原子%の鉄、並びに、Si,Mn,Cr,Ni,Cu及びCを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(b)において形成された前記合金が、10.0から70.0%のX1値、900MPaから2050MPaのY1値、及び200MPaから750MPaのZ1値を示す、請求項1に記載の方法。
- 前記引張特性の組み合わせAが、以下の通りである、請求項1に記載の方法:X2=2.5%から77.5%、Y2=800MPaから2150MPa、及びZ2≧300MPa。
- 前記引張特性の組み合わせBが、以下の通りである、請求項1に記載の方法:Y3=800MPaから2150MPa、及びZ3≧300MPa。
- ステップ(c)において形成される前記第1のシートが、前記第1の合金シートの厚さを減少させることによって前記第2の合金シートに永久的に変形される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(b)が、700℃の温度から前記合金の融点(Tm)以下の温度で実施される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(b)の後で、合金が、650℃の温度から前記合金の融点(Tm)以下の温度で熱処理される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)において、合金が、破損前に20%超の厚さにおける圧下によって永久的に変形される、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)において形成される前記第1のシートが、ロール成形、金属スタンピング、金属延伸又はハイドロフォーミングのプロセスによって前記第2の合金シートに永久的に変形される、請求項1に記載の方法。
- >5.0mmから500mmの厚さで形成された前記合金が、10体積パーセント超のオーステナイトを含む、請求項1に記載の方法。
- 第2のシートへステップ(c)における150℃から400℃の温度範囲において前記合金を永久的に変形させた後で、前記第2のシートが、≦150℃の温度範囲で永久的に変形される、請求項1に記載の方法。
- a.少なくとも70原子%の鉄、及び、Si,Mn,Cr,Ni,Cu又はCから選択される少なくとも4つ以上の元素を含む金属合金を供給するステップと、前記合金を融解させるステップと、10−4K/秒から103K/秒までの速度で冷却するステップと、>5.0mmから500mmまでの厚さへ凝固させるステップと、
b.5.0から0.5mmまでの厚さを有する第1のシートフォームに前記合金を加工するステップと;
c.第2のシートフォームに150℃から400℃までの温度範囲において前記合金を永久的に変形させるステップと;
d.以下の引張特性の組み合わせを示す第2のシートフォームに<150℃の温度において前記合金を永久的に変形させるステップと、を含む金属合金において降伏強度を増加させるための方法:
(1)全伸び=10.0から40.0%;
(2)最大抗張力=1150から2000MPa;
(3)降伏強度=550から1600MPa。 - ステップ(b)が、700℃の温度から前記合金の融点(Tm)以下の温度で実施される、請求項14に記載の方法。
- ステップ(b)の後で、合金が、650℃の温度から前記合金の融点(Tm)以下の温度で熱処理される、請求項14に記載の方法。
- 永久的に変形させる前記ステップが、ロール成形、金属スタンピング、金属延伸又はハイドロフォーミングのプロセスを含む、請求項14に記載の方法。
- ステップ(d)において形成される前記永久的に変形した部品が、車両フレーム、車両シャーシ又は車両パネルにおいて配置される、請求項14に記載の方法。
- ステップ(d)における前記永久的に変形した部品が、ドリルカラー、ドリルパイプ、パイプケーシング、用具接合部、ウェルヘッド、加圧ガス貯蔵タンク、鉄道タンク車/タンクワゴン、又は液化天然ガスキャニスタの内の1つにおいて配置される、請求項14に記載の方法。
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