JP6426003B2 - 高強度及び高延性を備える、新しいクラスの非ステンレス鋼 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年1月5に出願された米国仮出願第61/583261号、2012年2月29日に出願された米国仮出願第61/604837号、及び、2012年7月24日に出願された米国出願第13/556410の優先権を主張する。
高性能の高強度鋼(AHSS)鋼は、700MPaより大きい引張強度を有し得、マルテンサイト系鋼(MS)、二重相(DP)鋼、変態誘起塑性(TRIP)鋼、及び複雑な相(CP)鋼等のタイプを含む。強度レベルが上昇するにつれて、鋼の延性は一般的に減少する。例えば、低強度鋼(LSS)、高強度鋼(HSS)、及びAHSSは、それぞれ25%〜55%、10%〜45%、及び4%〜30%のレベルで引張伸びを示し得る。
冷却表面処理を通して、本出願で記載されるように、0.3mmから150mmの範囲における厚さを備える鋼板が、100mmから5000mmの範囲における幅で製造されることが可能である。これらの厚さ範囲及び幅範囲は、0.1mm刻みでこれらの範囲に調整され得る。好ましくは、0.3mmから5mmの厚さで、且つ100mmから5000mmの幅でシート製造を提供可能な双ロール鋳造を用い得る。また、好ましくは、0.5mmから150mmの厚さで、且つ100mmから5000mmの幅でシート製造を提供可能な薄スラブ鋳造を活用し得る。シートにおける冷却速度は、プロセスに応じることになるであろうが、11×103K/sから4×10−2K/sで変化し得る。また、150mmまでの厚さ、又は1mmから150mmの範囲における厚さを備える、様々な冷却表面方法を介した鋳造部分が、永久金型鋳造、インベストメント鋳造、ダイカスト、遠心鋳造等を含む様々な方法から、本明細書で予定される。また、従来のプレス及び焼結の何れかを介した、又は、HIP/鍛造を介した粉末治金は、本出願において記載される化学的性質、構造体及びメカニズムを活用する、部分的に又は完全に密な部分及びデバイスを作製するための予定路線である(すなわち、本明細書で記載されるクラス2鋼又はクラス3鋼)。
双ロール鋳造の説明
冷却表面処理による鋼製造の実施例の内の一つは、鋼板を製造するための双ロールプロセスであろう。Nucor/Castripプロセスの概略図は、図1に示される。示されるように、プロセスは、3つの段階に分解することができる。段階1−鋳造、段階2−熱間圧延、及び段階3−ストリップ巻き取り。段階1の間、一般的に銅又は銅合金から構成されるローラーの間のロール間隙において凝固金属が一緒にされる際にシートが形成される。この段階での典型的な鋼の厚さは、1.7mmから1.8mmの厚さであるが、ロール分離距離を変更することによって0.8mmから3.0mmまでの厚さで変化可能である。段階2の間、製造されたままのシートは、細孔の形成、分散された収縮、気泡、ピンホール、スラグ含有物等のマクロ欠陥を製造工程から排除するだけでなく、重要な合金元素の溶解、オーステナイト化等を可能にするために、700℃から1200℃で典型的には熱間圧延される。熱間圧延されたシートの厚さは、目標とされた市場に応じて変化し得るが、一般的には0.3mmから2.0mmの厚さ範囲である。段階3の間、シートの温度、及び、典型的には300℃から700℃である温度での時間は、冷却水を加えること、及び巻き取り前にシートを伸ばす長さを変化させることで制御され得る。また、熱間圧延の他に、段階2は、熱間静水圧成形処理、鍛造、焼結等の、代わりの熱機械的処理戦略によって実施され得る。また、段階3は、ストリップ巻き取りプロセスの間での熱的条件を制御することの他に、シートにおける最終的な微細構造を制御するための熱処理という後処理によって実施され得る。
冷却表面処理による鋼製造の他の一つの実施例は、鋼板を製造するための薄スラブ鋳造プロセスであろう。Arvedi ESPプロセスの概略図は、図2に示される。双ロールプロセスと類似の方法で、薄スラブ鋳造プロセスは、3つの段階に分けることができる。段階1では、溶鋼がほとんど同時の方法で、鋳造され、且つ伸ばされることの両方がされる。凝固プロセスは、銅又は銅合金金型を介して液体溶融を押し進めることによって開始され、典型的には50mmから110mmの厚さで初期の厚さを製造するが、これは液体金属の加工可能性及び製造速度に基づいて変化し得る(すなわち、20mmから150mm)。金型を離れた後ほぼすぐに、及び鋼板の内部のコアがまだ液体である間に、シートは、最終的なシートの目的厚さに応じて10mmまで厚さを十分に減少させる多段階の圧延台を用いて減少を受ける。段階2では、鋼板は1つ又は2つの誘導炉を通り抜けることによって加熱され、この段階の間に温度プロファイル及び冶金構造は均質化される。段階3では、シートは、0.5mmから15mmの厚さ範囲であり得る最終ゲージの目的厚さまでさらに伸ばされる。伸ばされた直後に、ストリップは、鋼ロールへと巻き取る前に、シートの最終的な微細構造の発達を制御するために、伸ばすテーブルの上で冷却される。
本明細書の非ステンレス鋼合金は、識別可能な結晶粒子サイズ形態を備える好ましくは結晶(非ガラス)である、クラス1、クラス2鋼、又はクラス3鋼として本明細書で記載されるものの形成が可能であるようなものである。本明細書のクラス2又はクラス3鋼を形成するための合金の能力は、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、これから以下で提供される、クラス1、クラス2、及びクラス3鋼の一般的な特徴の説明を第一に考察することは有用である。
本明細書でのクラス1鋼(非ステンレス)の形成は図3Aで説明される。非ステンレス鋼は、10.5%未満のクロムを含むものとして本明細書では理解され得る。そこで示されるように、モーダル構造体が最初に形成され、モーダル構造体は、合金の液体溶融から始まり、冷却によって凝固させたことの結果であり、核生成、及び特定の粒子サイズを有する特定の相の成長を提供する。従って、本明細書でのモーダルへの言及は、少なくとも二つの粒子サイズ分布を有する構造体として理解され得る。本明細書での粒子サイズは、走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡等の方法によって好ましくは識別可能な固有の特定の相の単結晶のサイズとして理解され得る。従って、クラス1鋼の構造体1は、示されるような実験室規模の手順、及び/又は双ロール加工若しくは薄スラブ鋳造等の冷却表面処理手順を含む工業的規模の方法のいずれかを介した処理によって好ましくは達成され得る。
本明細書のクラス2鋼(非ステンレス)の形成は、図3B及び図4Bに示される。また、クラス2鋼は、特定される合金から本明細書では形成され得、構造体タイプ#1、モーダル構造体で始まり、それに続く、静的ナノ相微細化、及び動的ナノ相強化として本明細書で特定される二つの新しいメカニズムの後の二つの新しい構造体タイプを含む。クラス2鋼に関する新しい構造体タイプは、ナノモーダル構造体、及び高強度ナノモーダル構造体として本明細書で記載される。したがって、本明細書でのクラス2鋼は、以下のように特徴づけられ得る。構造体#1−モーダル構造体(段階#1)、メカニズム#1−静的ナノ相微細化(段階#2)、構造体#2−ナノモーダル構造体(段階#3)、メカニズム#2−動的ナノ相強化(段階#4)、及び構造体#3−高強度ナノモーダル構造体(段階#5)。
クラス3鋼(非ステンレス)は、これから本明細書で説明されるように、多段階のプロセスを介する高強度ラメラナノモーダル構造体の形成に関連する。
本明細書でのクラス2鋼又はクラス3鋼のいずれかにおけるモーダル構造体(MS)の形成は、製造工程の様々な段階で生じるように実施され得る。例えば、シートのMSは、上記で参照された双ロール又は薄スラブ鋳造シート製造工程のいずれかの段階1、2又は3の間に形成し得る。従って、MSの形成は、製造工程の間にシートがさらされる凝固シーケンス及び熱サイクル(すなわち温度及び回数)に具体的には依存し得る。MSは好ましくは、上記のそれらの融点の範囲における、及び1100℃から2000℃の範囲における温度で本明細書での合金の加熱、且つ合金の融点未満の、好ましくは11×103K/sから4×10−2K/sの範囲における冷却に対応する冷却によって形成され得る。図7は、本明細書の合金に関する特定の化学組成で開始することと、液体へと加熱することと、冷却表面上で凝固することと、モーダル構造体を形成することと、を一般的に示し、その後、本明細書で述べるように、クラス2鋼、又はクラス3鋼のいずれかに変換し得る。
本明細書でのクラス2鋼に関して、静的ナノ相微細化(SNR)であるメカニズム#1は、MSが形成された後、且つさらに高温にさらされる間に生じる。従って、静的ナノ相微細化は、上記で参照された双ロール又は薄スラブ鋳造シート製造工程のいずれかの(MS形成後の)段階1、段階2、又は段階3の間にも生じ得る。静的ナノ相微細化が好ましくは、合金が700℃から1200℃の範囲における温度で加熱を受ける際に生じ得ることが観測されてきた。材料において生じるSNRのパーセントレベルは、固有の化学的性質、及び構造体#2として特定されるナノモーダル構造体(NMS)の体積分率を決定する、含まれる熱サイクルに依存し得る。しかしながら、好ましくは、NMSへと変換されるMSの体積によるパーセントレベルは、20%から90%の範囲である。
本明細書のクラス3鋼に関して、ラス相生成であるメカニズム#1が、初期のモーダル構造体#1の高温への暴露の間に生じ、双ロール製造、又は薄スラブ鋳物製造の(MS形成後の)段階1、段階2、又は段階3の間に生じ得る。いくつかの合金では、ラス組織生成は、双ロール、又は薄スラブ鋳物製造の段階1での凝固で生じ得る。メカニズム#1は、構造体#2として特定されるモーダルラス相構造体の形成をもたらす。構造体#2の形成は、相変態によるラメラナノ相生成として特定されるメカニズム#2を介した、さらなるラメラナノモーダル構造体(構造体#3)形成の観点において重要な段階である。シート合金におけるメカニズム#2は、双ロール製造、又は薄スラブ鋳物製造の段階1、2若しくは3の間に、又は、シートの加工後の間に、生じ得る。いくつかの合金では、構造体#3は、双ロール製造、又は薄スラブ鋳造の段階2又は段階3等の鋳物製造のより早い段階で、同様に、製造されたシートの加工後の処理でも形成し得る。ラメラナノモーダル構造体は、現在の用途の合金の高強度の原因となり、且つ、動的ナノ相強化として特定されるメカニズム#3を介する室温の変形の間の強化に関する能力を有する。生じる動的ナノ相強化のレベルは、合金の化学的性質に、及びシートへと誘起される応力のレベルに依存するであろう。また、強化は、シートの熱間又は冷間成形を含む、最終部品への双ロール製造、又は薄スラブ鋳造によって製造された、続いてのシートの加工後の間に生じ得る。そのため、構造体#4として特定される、結果として得られる高強度ラメラナノモーダル構造体は、合金の化学的性質、変形パラメーター、及び変形後の熱的サイクルに応じた、異なるレベルの強化への機械的変形を含む方法によって製造されたシートの加工後で生じ得る。
好ましい合金の化学的性質、及びサンプル作製
調査される合金の化学組成は、利用される好ましい原子比率を提供する表3において示される。これらの化学的性質は、圧力真空キャスター(PVC)におけるプレート鋳造を介する材料加工のために用いられてきた。高純度元素(>99wt%)を用いて、目標とされた合金の35gの合金原料は、表3で提供された原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーに配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出され、双ロール鋳造プロセスの段階1でのロール間で同様の厚さを備えるシートへの合金の凝固を真似る。
熱分析は、NETZSCH DSC 404F3 PEGASUS V5システム上で、凝固されたままの鋳造プレートサンプル上で実施された。示差熱分析(DTA)及び示差走査熱量分析(DSC)は、超高純度アルゴンの流れを用いることを介して酸化を防止されたサンプルによって、10℃/分の加熱速度で実施された。表4では、高温DTAの結果が示され、表3に示される合金に関する融解挙動を示している。表4の集計結果から分かるように、融解は、合金の化学的性質に応じて〜1108℃から観測される初期の融解を伴って1、2、3又は4の段階において生じる。最終的な融解温度は、〜1400℃までである。また、融解挙動における変動は、それらの化学的性質に応じた合金の冷却表面処理での複雑な相形成を反映し得る。
各合金からの各プレートは、モリブデン炉を備え、且つ直径4インチ、高さ5インチのサイズの炉チャンバーを備えたAmerican Isostatic Press Model 645マシンを用いて、熱間静水圧成形(HIP)を受けた。プレートは、目標温度に到達するまで10℃/分で加熱され、これらの調査のために1時間保持された特定の時間に関してガス圧にさらされた。HIPサイクルパラメーターは表7に記載される。HIPサイクルの重要な側面は、双ロール鋳造プロセスの段階2での、又は、薄スラブ鋳造プロセスの段階1若しくは段階2での熱間圧延を真似ることで、細孔及び小さな含有物等のマクロ欠陥を除去することであった。HIPサイクル前後のプレートの実施例は、図8に示される。それから分かるように、熱機械的変形プロセスであるHIPサイクルは、内部及び外部マクロ欠陥のある一部を除去することが可能であり、一方で、プレートの表面を滑らかにする。
事例#1:既存の鋼種との引張特性比較
選択された合金の引張特性は、既存の鋼種の引張特性と比較された。選択された合金、及び対応する処理パラメーターは、表11に記載される。引張応力−歪み曲線は、既存の二重相(DP)鋼(図9)、複雑な相(CP)鋼(図10)、変態誘起塑性(TRIP)鋼(図11)、及びマルテンサイト(MS)鋼(図12)のそれと比較される。二重相の鋼は、アイランド形状の固いマルテンサイトの第二の相を含むフェライトマトリックスから成る鋼種として理解され得、複雑な相の鋼は、少量のマルテンサイト、残留オーステナイト、及びパーライトを含む、ベイナイトとフェライトとから成るマトリックスから成る鋼種として理解され得、変態誘起塑性鋼は、固いベイナイト及びマルテンサイトの第二の相をさらに含むフェライトマトリックスに埋め込まれたオーステナイトから成る鋼種として理解され得、マルテンサイト系鋼は、少量のフェライト及び/又はベイナイトを含み得るマルテンサイトマトリックスから成る鋼種として理解され得る。それから分かるように、本開示で主張される合金は、既存の高性能の高強度(AHSS)鋼種と比較して優れた特性を有する。
表3における合金化学量論によると、合金51は、高純度の元素の原料を用いて検量された。合金51は、高強度で高い引張延性を備えたクラス2の挙動を示すことが留意されるべきである。結果として得られる分量は、いくつかの(通常は4)35グラムのインゴットへとアーク溶解され、回転され、複数回再溶解され、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは再溶解され、同一の処理条件下で、65mm、75mm、厚さ1.8mmの公称寸法を備える3つのプレートへと鋳造された。その後、二つのプレートは、1100℃で1時間、HIPが行われた。その後、HIPが行われたプレートの内の一つは、続いて、700℃で1時間の間熱処理され、室温まで空気冷却された。その後、鋳放しされた、HIPが行われた、及び、HIPが行われ/熱処理された状態におけるプレートは、ワイヤーEDMを用いて切られ、引張試験、SEM顕微鏡、TEM顕微鏡、及びX線回折を含む様々な研究のためのサンプルを製造した。
表3における合金化学量論によると、合金6は、クラス3合金が高純度の元素の原料から検量されたことを示す。合金6は、非常に高い強度特徴を備えたクラス3の挙動を示したことが留意されるべきである。結果としての分量は、4つの35gのインゴットにアーク溶解され、回転され、数回再溶解され、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、再溶解され、同一の処理条件下で、65mm、75mm、厚さ1.8mmの公称寸法を備えた3つのプレートへと鋳造された。その後、プレートの内の二つは、1100℃で1時間の間、HIPが行われた。その後、HIPが行われたプレートの内の一つは、続いて、700℃で1時間の間熱処理され、室温へとゆっくり冷却された(総時間670分)。鋳放しされた、HIPが行われた、及び、HIPが行われた/熱処理された状態におけるプレートは、その後、ワイヤーEDMを用いて切られ、引張試験、SEM顕微鏡、TEM顕微鏡、及びX線回折を含む様々な検査のためのサンプルを製造した。
この用途において製造された鋼板の引張特性は、特定の構造、及び、プレートが経験する特定の処理条件に敏感であろう。図28では、クラス2鋼を表している合金51のプレートの引張特性が、鋳放しされた、HIPが行われた(1100℃で1時間)、及び、HIPが行われた(1100℃で1時間)/熱処理された(700℃で1時間、空気冷却)条件において示される。分かるように、鋳放しされたプレートは、脆弱な挙動を示す一方で、HIPが行われた、及びHIPが行われた/熱処理されたサンプルは、高い延性での高い強度を示した。この特性の改善は、事例#2において以前に説明されたような、HIPが行われた、又はHIPが行われた/熱処理されたプレートのモーダル構造体において生じている微細構造変化、及び、HIPが行われたプレートにおけるマクロ欠陥の減少の両方に起因し得る。加えて、引張試験の間の応力の印加の間、構造変化が生じて高強度ナノモーダル構造体の形成につながることが示されるであろう。
この用途において製造された鋼板の引張特性は、特定の構造、及び、プレートが経験する特定の処理条件に敏感であろう。図34では、クラス3鋼を表す合金6のプレートの引張特性が、鋳放しされた、HIPが行われた(1100℃で1時間)、及び、HIPが行われた(1100℃で1時間)/熱処理された(700℃まで加熱され、室温までゆっくり冷却され、総時間が670分)条件において示される。分かるように、鋳放しされたプレートは、最も低い強度、及び延性を示す(曲線a、図34)。HIPサイクル(曲線b、図34)、及び追加の熱処理後の合金において達成された高い強度は、延性の著しい増加につながる(曲線c、図34)。これらの特性変化は、HIPが行われたプレートにおけるマクロ欠陥の減少、並びに、所望のラメラナノモーダル構造体#3の形成に向かう、HIPサイクル及び追加の熱処理の間に凝固でのこの合金において生成されるモーダルラス相構造体#2において生じる微細な構造変化、の両方に寄与され得る。加えて、引張試験の間での応力の印加の間、追加の構造変化が、以下に示されることになるように生じる。
高純度元素を用いて、合金17及び合金27の35gの合金原料が、表3に提供された原子比率に従って検量された。これら二つの合金の間の唯一の違いは合金17においてNiの2分の1が、合金27においてMnによって置換されることである。その後、原材料はアーク溶解システムの銅炉床の中に配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは複数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られたインゴットはPVCチャンバーに配され、RF誘導を用いて融解され、厚さ1.8mmで3×4インチのプレートを鋳造するために設計された銅金型の上へと押し出された。合金17及び合金27から結果として得られるプレートは、直径4インチ、高さ5インチのサイズの炉チャンバーを備え、モリブデン炉を備えたAmerican Isostatic Press Model 645マシンを用いて、(1100℃で1時間の)HIPサイクルCを受けた。プレートは、1100℃の目標温度に達するまで10℃/分で加熱され、30ksiの静水圧に対して1時間の間晒された。HIPサイクルの後、プレートは、700℃で1時間熱処理され、空気冷却された。引張試験片は、処理されたプレートから切られた。
拡張されたグリップ領域を備える修正された引張試験片を用いて、弾性率は、異なる条件において、表17に記載された選択された合金に関して測定された。表17における弾性率は、5つの個別の測定の平均値として報告される。分かるように、係数値は、合金の化学的性質、及び熱機械的処理に応じて、192GPaから201GPaまでの範囲で変動する。
高純度元素を用いて、クラス2鋼を示す合金51の35gの合金原料は、表3に提供された原子比率に従って検量された。その後、原材料はアーク溶解システムの銅炉床の中に配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは数回回転され、再溶解されて均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーに配され、RF誘導を用いて融解され、その後、1.8mmの厚さの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。結果として得られるプレートは、直径4インチ、高さ5インチのサイズの炉チャンバーを備え、モリブデン炉を備えたAmerican Isostatic Press Model 645マシンを用いて、1100℃で1時間のHIPサイクルを受けた。プレートは、目標温度に達するまで、10℃/分で加熱され、特定の時間の間、ガス圧力に晒された。
高純度元素を用いて、クラス3鋼を示す合金6の35gの合金原料は、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床の中に配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは数回回転され、再溶解されて均一性を確保した。その後、結果として得られたインゴットは、PVCチャンバーに配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチのプレートを鋳造するために設計された銅金型の上へと押し出された。結果として得られたプレートは、直径4インチ、高さ5インチのサイズの炉チャンバーを備え、モリブデン炉を備えたAmerican Isostatic Press Model 645マシンを用いて、1100℃で1時間のHIPサイクルを受けた。プレートは、目標温度に達するまで、10℃/分で加熱され、特定の時間の間ガス圧力に晒された。700℃で1時間アニールして、ゆっくり冷却することは、HIPサイクルの後でプレートに適用された。ゆっくりとした冷却の場合、試験片は、目標温度まで加熱され、その後、1℃/分の冷却速度で炉と共に冷却された。
高純度元素を用いて、クラス2鋼を示す合金51の35gの合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス3鋼を示す合金6の35gの合金原料は、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス2鋼を示す合金51の35gの合金原料は、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス3鋼を示す合金6の35gの合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス2鋼を示す35gの合金51の合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス3鋼を示す35gの合金6の合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス2鋼を表す35gの合金51の合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
高純度元素を用いて、クラス3鋼を表す35gの合金6の合金原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーへと配され、RF誘導を用いて融解され、その後、厚さ1.8mmの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。
調査は、昇温時での、本明細書において記載された合金の成形性を評価するために実施された。双ロール鋳造、又は薄スラブ鋳造によるプレート製造の場合、利用された合金は、製造プロセスでの段階としての熱間圧延によって処理されるのに優れた成形性を有するべきであった。さらに、熱間成形能は、高温圧縮、熱間鍛造等の方法によって異なる形態を備える部品製造のためのそれらの使用の観点から、高強度合金の重要な特徴である。
クラス3鋼を表し、事例#19において説明されたように高温で張力の試験がされた、合金20及び合金22からの選択された試験片のゲージの微細構造は、SEM及びTEMの両方で調査された。試験された試験片のゲージから切られたサンプルは、0.02μmの粗さまで段階的に金属的に研磨され、走査型電子顕微鏡(SEM)分析のための滑らかなサンプルを確保した。SEMは、Carl Zeiss SMT Incによって製造された、30kVの最大動作電圧を備えたZeiss EVO−MA10モデルを用いて行われた。試験された試験片のゲージからとられた実施例のSEM後方散乱電子顕微鏡写真は、図63から図66に示される。
表20に記載される化学的性質は、圧力真空キャスター(PVC)におけるプレート鋳造を介する材料加工のために用いられた。鉄添加物(ferroadditives)及び他の容易に入手可能な市販の成分を用いて、35gの商用純度(CP)原料が、表20に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、アーク溶解システムの銅炉床へと配された。原料は、シールドガスとしての高純度アルゴンを用いてインゴットへとアーク溶解された。インゴットは、数回回転され、再溶解されて、均一性を確保した。その後、結果として得られるインゴットは、PVCチャンバーに配され、RF誘導を用いて融解され、その後、1.8mmの厚さの3×4インチプレートを鋳造するために設計された銅金型内に押し出され、双ロール鋳造プロセスの段階1でのロールの間で、同様の厚さのプレートへの合金凝固を真似る。
高純度元素を用いて、合金6の異なる質量を備える原料が、表3に提供される原子比率に従って検量された。その後、原材料は、カスタムメイドの真空鋳造システムのるつぼ内に配された。原料は、RF誘導を用いて融解され、その後、1インチの厚さの4×5インチプレートを鋳造するために設計された銅金型上へと押し出された。鋳造されたプレートは、以前の1.8mmよりもさらに厚く、表3の化学的性質に関して、薄スラブ鋳造プロセスによって加工される可能性を示したこと留意すべきである。
クラス2又はクラス3鋼としての形態のいずれかにおける本明細書の合金は、多数の用途を有する。これらは、車両における構造部品を含むがそれに限定されるものではなく、車両のフレーム、フロントエンド構造体、フロアパネル、本体側面のインテリア、本体側面の外面、リア構造、並びにルーフ及びサイドレールにおける部品及び構成要素を含むがそれに限定されるものではない。全て網羅されていないが、固有の部品及び構成要素は、Bピラーの主要な強化、Bピラーベルトの強化、フロントレール、リアレール、フロントルーフヘッダ、リアルーフヘッダ、Aピラー、ルーフレール、Cピラー、ルーフパネルのインナー、及びルーフボウ(bow)を含むであろう。従って、クラス2鋼及びクラス3鋼は、車体デザインにおける衝突安全管理の最適化において特に有用であり、開示された鋼の強度及び延性が特に優位であろうエンジン区画、乗客、及び/又はトランク領域を含む主要エネルギー管理ゾーンの最適化を可能にするであろう。
Claims (28)
- 65.5原子百分率から80.9原子百分率までのレベルのFeと、1.7原子百分率から15.1原子百分率までのNiと、3.5原子百分率から5.9原子百分率までのBと、4.4原子百分率から8.6原子百分率までのSiと、0原子百分率から8.8原子百分率までのCrと、0原子百分率から2.0原子百分率までのCuと、0原子百分率から18.8原子百分率までのMnと、不可避の不純物と、から成る金属合金を提供する段階と;
前記合金を融解し、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、及び、25nmから500nmのホウ化物粒子サイズを提供するために凝固する段階と;
前記合金に応力をかける段階、又は、加熱する段階とにより、以下の粒子サイズ分布、及び機械的特性プロファイルを形成する方法であって、前記ホウ化物粒子は、前記マトリックス粒子の粗大化に抵抗するピニング相を提供する方法:
(a)前記合金に降伏応力を超える応力をかけることで、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、25nmから500nmのホウ化物粒子サイズ、1nmから200nmの析出粒子サイズであり、前記合金は、300MPaから840MPaの降伏強度、630MPaから1100MPaの引張強度、及び10%から40%の伸びを示す、
(b)前記合金を加熱することで、100nmから2000nmの微細化されたマトリックス粒子サイズ、1nmから200nmの析出粒子サイズ、200nmから2500nmのホウ化物粒子サイズであり、合金は、300MPaから600MPaの降伏強度を示す。 - 前記融解が、1136℃から2000℃の範囲の温度で達成され、凝固が、11×103K/sから4×10−2K/sの範囲における冷却によって達成される、請求項1に記載の方法。
- 前記粒子サイズ分布(b)を有する前記合金に、300MPaから600MPaの前記降伏強度を超える応力をかけることで、前記微細化されたマトリックス粒子サイズが、100nmから2000nmのままであり、前記ホウ化物粒子サイズが、200nmから2500nmのままであり、前記析出粒子サイズが、1nmから200nmのままであり、前記合金が、300MPaから1400MPaの降伏強度、875MPaから1590MPaの引張強度、及び5%から30%の伸びを示す、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、0.2から1.0の歪み硬化係数を示す、請求項3に記載の方法。
- (a)又は(b)で形成された前記合金が、シートの形状である、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、シートの形状である、請求項3に記載の方法。
- (a)で形成された前記合金が、車両に配される、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、車両に配される、請求項3に記載の方法。
- (a)で形成された前記合金が、ドリルカラー、ドリルパイプ、ケーシングパイプ、ジョイントツール、ウェルヘッド、圧縮ガス貯蔵タンク、又は液体天然ガスキャニスターの内の一つに配される、請求項1に記載の方法。
- 前記合金が、ドリルカラー、ドリルパイプ、ケーシングパイプ、ジョイントツール、ウェルヘッド、圧縮ガス貯蔵タンク、又は液体天然ガスキャニスターの内の一つに配される、請求項3に記載の方法。
- (a)65.5原子百分率から80.9原子百分率までのレベルのFeと、1.7原子百分率から15.1原子百分率までのNiと、3.5原子百分率から5.9原子百分率までのBと、4.4原子百分率から8.6原子百分率までのSiと、0原子百分率から8.8原子百分率までのCrと、0原子百分率から2.0原子百分率までのCuと、0原子百分率から18.8原子百分率までのMnと、不可避の不純物と、から成る金属合金を提供する段階と;
(b)前記合金を融解し、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、及び100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズを提供するために凝固する段階と;
(c)前記合金を加熱し、100nmから10000nmのマトリックス粒子サイズ、及び100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズを含むラス組織を形成する段階を含む方法であって、前記合金が、300MPaから1400MPaの降伏強度、350MPaから1600MPaの引張強度、及び0%〜12%(ただし、0%を除く)の伸びを示す方法。 - 前記融解が、1136℃から2000℃の範囲の温度で達成され、凝固が、11×103K/sから4×10−2K/sの範囲における冷却によって達成される、請求項11に記載の方法。
- 段階(c)の後に合金を加熱することで、100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズ、及び1nmから100nmの析出粒子サイズと共に、厚さ100nmから10000nm、長さ0.1μmから5.0μm、幅100nmから1000nmのラメラ粒子を形成する段階とを含み、前記合金が、350MPaから1400MPaの降伏強度を示す、請求項11に記載の方法。
- 合金に降伏応力を超える応力をかけることで、100nmから5000nmのマトリックス粒子サイズ、100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズ、1nmから100nmの析出粒子サイズを有する合金を形成し、前記合金が、350MPaから1400MPaの降伏強度、1000MPaから1750MPaの引張強度、及び0.5%から15.0%の伸びを示す、請求項13に記載の方法。
- 前記合金は、0.1から0.9の歪み硬化係数を示す、請求項14に記載の方法。
- (b)又は(c)で形成された前記合金が、シートの形状である、請求項11に記載の方法。
- 形成された前記合金が、シートの形状である、請求項13に記載の方法。
- 形成された前記合金が、シートの形状である、請求項14に記載の方法。
- (b)又は(c)で形成された前記合金が、車両に配される、請求項11に記載の方法。
- 形成された前記合金が、車両に配される、請求項13に記載の方法。
- 形成された前記合金が、車両に配される、請求項14に記載の方法。
- (b)又は(c)で形成された前記合金が、ドリルカラー、ドリルパイプ、ジョイントツール、ウェルヘッド、圧縮ガス貯蔵タンク、又は液体天然ガスキャニスターの内の一つに配される、請求項11に記載の方法。
- 前記合金が、ドリルカラー、ドリルパイプ、ケーシングパイプ、ジョイントツール、ウェルヘッド、圧縮ガス貯蔵タンク、又は液体天然ガスキャニスターの内の一つに配される、請求項13に記載の方法。
- 前記合金が、ドリルカラー、ドリルパイプ、ケーシングパイプ、ジョイントツール、ウェルヘッド、圧縮ガス貯蔵タンク、又は液体天然ガスキャニスターの内の一つに配される、請求項14に記載の方法。
- 65.5原子百分率から80.9原子百分率までのレベルのFeと、
1.7原子百分率から15.1原子百分率までのNiと、
3.5原子百分率から5.9原子百分率までのBと、
4.4原子百分率から8.6原子百分率までのSiと、
0原子百分率から8.8原子百分率までのCrと、
0原子百分率から2.0原子百分率までのCuと、
0原子百分率から18.8原子百分率までのMnと、
不可避の不純物と、から成る金属合金であって、
前記合金が、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、及び25nmから500nmのホウ化物粒子サイズを示し、前記合金が、以下の内の一つを示す、金属合金:
(a)前記合金の降伏応力を超える応力をかけると、前記合金が、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、25nmから500nmのホウ化物粒子サイズ、1nmから200nmの析出粒子サイズ、並びに、300MPaから840MPaの降伏強度、630MPaから1100MPaの引張強度、及び10%から40%の伸びを示す、
(b)前記合金を加熱し、さらに降伏応力を超える応力をかけると、前記合金が、100nmから2000nmの微細化されたマトリックス粒子サイズ、200nmから2500nmのホウ化物粒子サイズ、1nmから200nmの析出粒子サイズを示し、前記合金が、300MPaから1400MPaの降伏強度、875MPaから1590MPaの引張強度、及び5%から30%の伸びを示す。 - 前記合金が、シート材料の形状である、請求項25に記載の合金。
- 65.5原子百分率から80.9原子百分率までのレベルのFeと、
1.7原子百分率から15.1原子百分率までのNiと、
3.5原子百分率から5.9原子百分率までのBと、
4.4原子百分率から8.6原子百分率までのSiと、
0原子百分率から8.8原子百分率までのCrと、
0原子百分率から2.0原子百分率までのCuと、
0原子百分率から18.8原子百分率までのMnと、
不可避の不純物と、
から成る金属合金であって、
前記合金が、500nmから20000nmのマトリックス粒子サイズ、及び100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズを示し、前記合金が、以下の内の一つを示す、金属合金:
(a)熱への第一の暴露をすると、100nmから10000nmのマトリックス粒子サイズ、及び100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズを含むラス組織を形成し、前記合金が、300MPaから1400MPaの降伏強度、350MPaから1600MPaの引張強度、及び0%〜12%の伸びを示す、
(b)熱への第一の暴露をし、熱への第二の暴露をし、次いで降伏応力を超える応力をかけると、前記合金が、100nmから5000nmのマトリックス粒子サイズ、100nmから2500nmのホウ化物粒子サイズ、1nmから100nmの析出粒子サイズを有し、前記合金が、350MPaから1400MPaの降伏強度、1000MPaから1750MPaの引張強度、及び0.5%から15.0%の伸びを示す。 - 前記合金が、シートの形状である、請求項27に記載の合金。
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