(57)【要約】  非ステンレス合金鋼は、重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、非ステンレス合金鋼。
【請求項２】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項４】
前記合金は、最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物によって少なくとも部分的に増強される、請求項１に記載の合金。
【請求項５】
前記合金はＭ２Ｃ析出物を含み、前記ＭはＭｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を含む、請求項４に記載の合金。
【請求項６】
前記合金は、主にラスマルテンサイト微細構造を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項７】
前記合金は、少なくとも約１９００ＭＰａの最大抗張力を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項８】
前記合金は、少なくとも約１１０ＭＰａ√ｍのＫＩＣ破壊靱性を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項９】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む合金鋼を提供し、
前記合金に９５０℃〜１１００℃で６０〜９０分間の固溶化熱処理に付し、及び
前記合金に４６５℃〜５５０℃で４〜３２時間の焼き戻し熱処理を付する
ことを含む、方法。
【請求項１０】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の合金。
【請求項１１】
前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の合金。
【請求項１２】
前記固溶化加熱処理の後に前記合金を焼き入れし、及び
前記焼き戻し熱処理後に空冷する、
ことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記固溶化熱処理と前記焼き戻し熱処理との間に、該合金を極低温処理に付する
ことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記合金が、主に結果として得られたラスマルテンサイト微細構造を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記合金が、最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物を含む、結果として得られた微細構造を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｍ２Ｃカーバイド析出物の前記Ｍは、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を１つまたはそれ以上含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約１．０％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、非ステンレス合金鋼であって、
前記合金は、主にラスマルテンサイト微細構造を有し、かつ最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物によって少なくとも部分的に増強され、ここで前記Ｍは、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を１つまたはそれ以上含み、
前記合金は、少なくとも約１９００ＭＰａの最大抗張力、及び少なくとも約１１０ＭＰａ・√ｍのＫＩＣ破壊靱性を有する、非ステンレス合金鋼。
【請求項１８】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【請求項１９】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この国際出願は、２００８年２月２０日に出願した、発明の名称が「Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｔｏｕｇｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｔｈ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ Ｃａｒｂｉｄｅｓ」である米国仮出願第６１／０２９９７０号、及び２００８年９月１８日に出願した、発明の名称が「Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｔｏｕｇｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｔｈ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ Ｃａｒｂｉｄｅｓ」である米国仮出願第６１／０２９９７０号の、優先権及び利益を主張し、それぞれが引用によって本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する。
【０００２】
連邦支援研究および開発
本発明の主題の開発に関連する活動は、少なくとも一部は連邦政府（Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ）、ピカティニー・アーセナル（Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌ）契約番号第ＤＡＡＥ３０‐０１‐９‐０８００‐００号、及び海軍航空戦センター（Ｎａｖａｌ Ａｉｒ Ｗａｒｆａｒｅ Ｃｅｎｔｅｒ）契約番号第Ｎ６８３３５‐０７‐Ｃ‐０３０２号から資金が供給され、したがって米国内において実施権およびその他の権利に付され得る。
【０００３】
本発明は、合金鋼、特に、許容される製造原価での超高強度及び高靭性を有する合金鋼に関する。
【背景技術】
【０００４】
本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する、米国特許第５０８７４１５号及び第５２６８０４４号に開示されているＡｅｒｍｅｔ（登録商標）１００は、表面焼き入れを必要としない、市販の超高強度非ステンレス鋼である。Ａｅｒｍｅｔ１００の名目上の組成は、重量％で、Ｃｏが１３．４％、Ｎｉが１１．１％、Ｃｒが３．１％、Ｍｏが１．２％、及びＣが０．２３％、並びに残部がＦｅである。ＡｅｒＭｅｔ１００は、航空機の部品用及び軍需品用として、適切な高強度及び破壊靱性の組み合わせを示す。また、ＡｅｒＭｅｔ１００は、１７２９ＭＰａの雰囲気中の０．２％降伏応力（ａｍｂｉｅｎｔ  ０．２％  ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｓｓ）と、５３．０〜５４．０のロックウェルＣスケール硬度と、１２６Ｍｐａ√ｍのＫＩＣを示す。しかしながら、合金化元素のＣｏおよびＮｉは比較的高価であり、鋼材全体のコストを増加させ、及び応用を制限する。したがって、顕著に低いコストで、ＡｅｒＭｅｔ１００と類似の機械的特性を有する鋼材が必要とされている。
【０００５】
引用により本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する、米国特許第３５０２４６２号に開示されているＨＹ１８０は、表面焼き入れを必要としない、市販の超高強度非ステンレス鋼である。ＨＹ１８０の名目上の組成は、重量％で、Ｎｉが１０％、Ｃｏが８％、Ｃｒが２％、Ｍｏが１％、Ｃが０．１３％、Ｍｎが０．１％、及びＳｉが０．０５％、並びに残部がＦｅである。低いＣｏ添加のため、ＨＹ１８０の材料コストはＡｅｒＭＥｔ１００より低いが、ＨＹ１８０の雰囲気中の０．２％降伏応力は、１２４０ＭＰａに制限されている。
【０００６】
引用により本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する、米国特許第５３５８５７７号は、組成式が重量％で、Ｃｏが１２〜２１％、Ｃｒが１１〜１５％、Ｍｏが０．５〜３．０％、Ｎｉが０〜２．０％、Ｓｉが０〜２．０％、Ｍｎが０〜１．０％、Ｃが０．１６〜０．２５％、０．１〜０．５％のＶ及び０〜０．１％のＮｂからなる群より選択される元素、並びに残部がＦｅである、高強度、高靭性ステンレス鋼を開示している。この合金は、１７２０ＭＰａ以上の雰囲気中の最大抗張力（ＵＴＳ）、及び１１９０ＭＰａ以上の雰囲気中の０．２％降伏応力を示す。しかしながら、この合金の雰囲気中の０．２％降伏応力は約１４５０ＭＰａに制限され、さらに、高いＣｏ添加のため、原料コストは高い。
【０００７】
引用により本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する、米国特許第７１６０３９９号及び第７２３５２１２号は、表面焼き入れを必要としない、超高強度耐食性鋼を開示している。前記特許で教示されている、Ｆｅｒｒｉｕｍ Ｓ５３と商標登録されている合金は、名目上の組成が、重量％で、Ｃｏが１４％、Ｃｒが１０％、Ｎｉが５．５％、Ｍｏが２．０％、Ｗが１．０％、０．３％のＶ及び０．２１％のＣ、並びに残部がＦｅである。
Ｆｅｒｒｉｕｍ Ｓ５３（登録商標）は、約１９８０ＭＰａの雰囲気中のＵＴＳと、約１５６０ＭＰａの雰囲気中の０．２％降伏応力とを示す。Ｆｅｒｒｉｕｍ Ｓ５３（登録商標）のＫＩＣは７２Ｍｐａ√ｍに制限され、かつ高いＣｏ添加のため、原料コストは高い。
【０００８】
引用により本願明細書に組み込まれ、かつその一部を構成する、米国特許第６１７６９４６号は、コアの組成が重量％で、Ｃｏが１５〜２８％、Ｎｉが１．５〜９．５％、Ｃが０．０５〜０．２５％であり、及び、３．５〜９％のＣｒ、２．５％未満のＭｏ、０．２％未満のＶからなる群より選択される添加物、並びに残部がＦｅである、焼き入れ混合物を含む一連の合金鋼を開示している。この特許で教示されている混合物は、表面硬度が６０以上の範囲のロックウェルＣスケール硬度へと焼き入れされる。したがってこの特許で教示されている一連の合金鋼は、焼き入れを必要とし、またより高い表面硬度を対象としている点においてＡｅｒＭｅｔ１００と区別される。また、高いＣｏ添加のため、この特許で教示されている一連の合金鋼の原料コストは高い。
【０００９】
本発明の合金は、特定の元素の低減と、超高強度によって、低コストを達成するなどの利点を提供する。本発明の特徴及び利点の全体の詳解は、添付の図面を参照しながら進行する、以下の発明の詳細な説明に示される。
【００１０】
本発明の態様は、重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、合金鋼に関する。
【００１１】
一態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。別の態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物である残部を含む。
【００１２】
一態様によれば、前記合金は少なくとも部分的にＭ２Ｃカーバイド析出物で強化され、ここでＭは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，及びＶからなる群より選択される１またはそれ以上の元素を含む。
【００１３】
さらなる態様にしたがって、前記合金は主にラスマルテンサイト微細構造を有する。
【００１４】
また、さらなる態様にしたがって、前記合金は少なくとも約１９００ＭＰａの最大抗張力と、少なくとも１１０ＭＰａ√ｍのＫＩＣ破壊靱性を有する。
【００１５】
本発明のさらなる態様は、重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、合金鋼を処理する方法に関する。前記方法は、前記合金を、９５０〜１１００℃で６０〜９０分間の固溶化熱処理に付することと、それに続く４６５〜５５０℃で４〜３２時間の焼き戻し熱処理をすることを含む。
【００１６】
本発明の一態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。別の態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。
【００１７】
別の態様に従って、前記方法は、固溶化熱処理後に合金を焼き入れし、その後焼き戻し熱処理後に合金を空冷することを含む。
【００１８】
さらなる態様に従って、前記方法は、固溶化熱処理と焼き戻し熱処理との間に、前記合金を極低温処理に付することを含む。
【００１９】
さらなる一態様によれば、前記合金は結果として主にラスマルテンサイト微細構造を有し、かつＭ２Ｃカーバイド析出物を含み、ここでＭは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，及びＶからなる群より選択される１またはそれ以上の元素を含む。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の図と併せることにより、以下の記載によって明らかになる。
【００２１】
以下の発明の詳細な説明において、参照は以下の図に含まれる記載となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】計算されたビッカース硬度数及び固溶温度で定義された、複数の組成帯（ｃｏｍｐｓｉｔｉｏｎ  ｗｉｎｄｏｗ）を示す。
【図２】本発明に従った合金の加工の一態様の概念図であり、本発明の方法の態様の加工ステップの時間及び温度を示す。
【図３】ＡｅｒＭｅｔ１００及び本発明に従った２つの態様の合金（Ａ及びＢ）の、最大抗張力及びＫＩＣ破壊靱性を示すグラフである。
【図４】特定の焼き戻し条件下での、ＡｅｒＭｅｔ１００及び本発明に従った１つの態様の合金（Ａ）のロックウェルＣスケール硬度及びＫＩＣ破壊靱性を示すグラフである。
【図５】本発明に従った一態様の合金（Ａ）と、ＡｅｒＭｅｔ１００との応力腐食割れ耐性（ＫＩＳＣＣ）を比較したポテンショグラムであって、それぞれ白丸と黒丸で示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、多くの異なる形態の態様を受け入れることができる一方で、本発明の例示的な態様が、本発明の開示は本発明の原理の例示であり、かつ記載した態様によって本発明の広い態様を制限することを意図しないという理解の下で、図に参照され、かつ明細書中に詳細に記載される。
【００２４】
本発明の態様に従って、Ｃｏの合金化添加がＡｅｒＭｅｔ１００よりも低く、かつＷ及びＶを含む他の合金化添加を含む、合金鋼が提供される。本発明鋼の低いＣｏ含量は、Ｍ２Ｃ形成の熱力学的駆動力を低減することができる。しかしながら、焼き戻し時のＭ２Ｃ形成は、強度の増大を助ける。ＷやＶなどの元素の添加は、所望の強度を得るためのＭ２Ｃ形成の十分な駆動力を達成するのを助ける。前記合金の複数の態様は、合金が主にラスマルテンサイトマトリックスを含むように加工することができ、かつＭ２Ｃカーバイドの微細分散により強化される。一態様において、前記Ｍ２Ｃカーバイドは最大寸法が約２０ｎｍ未満であり、かつＭｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶの合金化元素を含む。
【００２５】
図１は、計算されたビッカース硬度数及び固溶温度で定義された、合金の一態様に従ったＭｏ及びＷの組成帯を示す。図１に記載の態様において、インゴットの固化における微小偏析を避けるため、Ｍｏの量は約２．５％以下に保持され、かつ望まれない粒子の生成を避けるため、固溶温度は１１００℃以下に保持される。この態様において、Ｗの添加は、Ｍ２Ｃ及びオーステナイトの共析を可能にすることができる高い焼き戻し温度を可能にし、変換誘導性可塑性を促進し、かつ強度を改善する。Ｗの添加は、焼き戻しにおけるわずかな変化を許容し、かつ応力腐食割れに対する耐性が増加する予想外の利益を提供する、強靭（ｒｏｂｕｓｔ）設計も可能にすることができる。この態様において、前記鋼材は、粒度を精錬するために作用することができ、かつ剛性及び強度を増強することができる、Ｔｉ−リッチカーバイドをさらに含む。
【００２６】
１つの例示的な態様において、合金は、重量％で、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４％〜約８％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄（Ｆｅ）、偶発的な元素、及び不純物の残部を含んで提供される。
【００２７】
別の態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。
【００２８】
さらに別の態様において、前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む。
【００２９】
上記で主張したように、前記合金は、Ｍ２Ｃ金属カーバイドによって、少なくとも部分的に強化される。様々な態様において、前記合金は金属カーバイドを含み、ここでＭは、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ及びＶからなる群より選択される１またはそれ以上の元素であり、かつ、列挙の順に減少する、すなわち、Ｍｏを最大濃度で、以下Ｃｒ，Ｗ，及び／またはＶの順で減少する、それぞれの元素（存在する場合）の量を有する。他の態様において、前記金属はこれらの元素を異なる量で含んでも良い。
【００３０】
本明細書で記載されている合金は、多くの異なる様式で加工されることができる。一態様において、図２に示すように、合金はまず固溶化熱処理に付した後、迅速に焼き入れされ、その後焼き戻し熱処理及び空冷に付される。一態様において、固溶化熱処理は、９５０℃〜１１００℃の温度範囲で６０〜９０分間行われ、また焼き戻し熱処理は、４６５〜５５０℃の温度範囲で４〜３２時間行われる。以下の実施例は、異なる固溶化処理及び焼き戻し処理を含む、合金を加工するための方法のさらなる態様を示す。極低温処理は、液体窒素中に１〜２時間含浸後、室温まで暖める等により、固溶化熱処理と焼き戻し熱処理との間に随意に採用される。
【実施例】
【００３１】
本発明に従ったいくつかの合金の例示的な態様が、以下に記載される。表１に、市販の鋼材ＡｅｒＭｅｔ１００の名目上の組成と共に、以下の実施例で述べる各態様の合金の測定された組成を挙げる。
【表１】
2011514445.tif 000003
【００３２】
表１中の各態様の合金は、以下の実施例で詳細に説明される固溶化熱処理及び／または焼き戻し熱処理を含む、図２に記載の加工ステップに付した。さらに、以下の実施例でも詳細に説明される、１またはそれ以上の合金の物理的特性の検査などの、様々な検査が合金について行われた。
【００３３】
実施例Ａ
３００ポンドの合金Ａの真空誘導溶解物が、高純度原料より調製された。溶解物を、３インチの丸角棒（ｒｏｕｎｄ‐ｃｏｒｎｅｒ‐ｓｑｕａｒｅ ｂａｒ）に変形した。合金は、１０２５℃で９０分間の固溶化熱処理に付され、オイルで焼き入れされ、液体窒素中に２時間含浸し、室温に戻した後、サンプルは表２に示すいくつかの異なる焼き戻し熱処理後、空冷した。合金ＡのＮｉとＣｏの量は、マルテンサイト開始温度（Ｍｓ）を約２００℃超に押し上げる役割をし、この合金のＭｓは、膨張率測定で２２２℃と特定された。透過電子顕微鏡法及び原子プローブ断層撮影法で、５２５℃で１２時間または５５０℃で４時間焼き戻しした標本中に、Ｍ２Ｃの存在と共に粒子形成しているカーバイドを確認した。−４０℃におけるシャルピーＶ−ノッチ（ＣＶＮ）衝撃エネルギー、及び室温での抗張力を、各条件につき２つのサンプルを用いて、様々な焼き戻し条件下で測定した。
これらの結果を表２に示す。
【表２】
2011514445.tif 000004
【００３４】
最大抗張力（ＵＴＳ）、ＫＩＣ破壊靱性、及びロックウェルＣ硬度も、合金Ａについて測定した。図３は、測定したサンプルのＵＴＳ及びＫＩＣ破壊靱性の比較を示し、並びに図４は測定したサンプルのロックウェルＣ硬度及びＫＩＣ破壊靱性の比較を示す。図３に示すように、合金Ａは、好ましい焼き戻し温度である４８２℃、特に５２５℃で焼き戻した合金Ａのサンプルは、ＡｅｒＭｅｔ１００と比較して、同程度及び／または良好な、強度及び靭性の組み合わせを示すことが見出された。さらに、合金Ａは、焼き戻し時間におけるわずかな変化に対する耐性を備える強靭な構成であることが見出された。 この実験における最適な焼き戻し熱処理は、５２５℃で６時間であると見出されたが、他の熱処理でも良好な結果が得られることが見出された。５２５℃で６時間焼き戻しした合金Ａの特性と、ＡｅｒＭｅｔ１００の特性との測定の比較は、下記の表３に示してある。 
【表３】
2011514445.tif 000005
【００３５】
また、合金Ａのサンプルは、増分荷重技術による水素脆化を測定するＡＳＴＭ Ｆ１６２４／Ｆ１９４０標準試験法を用いて、様々な適用電位における応力腐食割れ耐性（ＫＩＳＣＣ）について試験した。合金Ａの１２種の標本は、ＡｅｒＭｅｔ１００の１２種の標本と比較し、これらの試験の結果を図５に示す。測定した合金ＡのＫＩＳＣＣまたは応力腐食割れにおける破壊靱性は、開回路電位（ＯＣＰ）（これらの鋼材に対して約−０．６Ｖ）において、ＡｅｒＭｅｔ１００のそれをはるかに超えていることが見出された。図５に示すように、ＡｅｒＭｅｔ１００が雰囲気中からＯＣＰに移行する間に約２０％の破壊靱性を維持しているのみである一方で、合金ＡはＯＣＰにおいて約９０％の破壊靱性を維持していた。比較のため、Ｆｅｒｒｉｕｍ Ｓ５３（登録商標）は、ＯＣＰにおいて約７７％の破壊靱性を維持していた。合金Ａの応力腐食割れ耐性の改善は、予想外であった。
【００３６】
実施例Ｂ
３００ポンドの合金Ｂの真空誘導溶解物が、高純度原料より調製された。溶解物を、３インチの丸角棒に変形した。合金は、１０２５℃で９０分間の固溶化熱処理に付され、オイルで焼き入れされ、液体窒素中で２時間含浸し、室温に戻した後、サンプルは表４に示すいくつかの異なる焼き戻し熱処理後、空冷した。合金ＢのＮｉとＣｏの量は、Ｍｓを約２００℃超に押し上げる役割をし、この合金のＭｓは、膨張率測定で２８６℃と特定された。−４０℃におけるＣＶＮ衝撃エネルギー、及び室温での抗張力を、各条件につき２つのサンプルを用いて、様々な焼き戻し条件下で測定した。これらの結果を表４に示す。
【表４】
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【００３７】
図３と同様に、最大抗張力（ＵＴＳ）、ＫＩＣ破壊靱性、及びロックウェルＣ硬度も、合金Ｂについて測定された。
合金Ｂは、ＡｅｒＭｅｔ１００と比較して、同程度及び／または良好な、物理的特性を示すことが見出され、かつこの実験における最適な焼き戻し熱処理は、５２５℃で８時間であると見出されたが、他の熱処理でも良好な結果が得られることが見出された。
【００３８】
実施例Ｃ
３００ポンドの合金Ｃの真空誘導溶解物が、高純度原料より調製された。溶解物を、３インチの丸角棒に変形した。合金は、１０２５℃で９０分間の固溶化熱処理に付され、オイルで焼き入れされ、液体窒素中に２時間含浸し、室温に戻した後、サンプルは表５に示すいくつかの異なる焼き戻し熱処理後、空冷した。合金ＣのＮｉとＣの量は、Ｍｓを約２００℃超に押し上げる役割をし、この合金のＭｓは、膨張率測定で２４７℃と特定された。−４０℃におけるＣＶＮ衝撃エネルギー、及び室温での抗張力を、各条件につき２つのサンプルを用いて、様々な焼き戻し条件下で測定した。これらの結果を表５に示す。
【表５】
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【００３９】
合金Ｃは、ＡｅｒＭｅｔ１００と比較して、同程度及び／または良好な、物理的特性を示すことが見出され、かつこの実験における最適な焼き戻し熱処理は、５１０℃で１６時間であると見出されたが、他の熱処理でも良好な結果が得られることが見出された。
【００４０】
実施例Ｄ
３００ポンドの合金Ｄの真空誘導溶解物が、高純度原料より調製された。溶解物を、３インチの丸角棒に変形した。合金は、９５０℃で６０分間の固溶化熱処理に付され、オイルで焼き入れされ、液体窒素中で１時間含浸し、室温に戻した後、４６８℃で３２時間、または４８２℃で１６時間の焼き戻し熱処理後、空冷した。−４０℃におけるＣＶＮ衝撃エネルギー、室温での破壊靱性ＫＩＣ及び室温での抗張力を、様々な焼き戻し条件下で測定した。これらの結果を表６に示す。
【表６】
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【００４１】
合金Ｄは、ＡｅｒＭｅｔ１００と比較して、同程度及び／または良好な、物理的特性を示すことが見出され、かつこの実験においていずれの焼き戻し熱処理も適切であるとは見出せず、両方の熱処理でも良好な結果が得られることが見出された。
【００４２】
本明細書で記載されている合金の様々な態様、本明細書で記載されている加工様式は、ＡｅｒＭｅｔ１００などの既存の合金と比較して同等かそれ以上の物理的特性を有することが見出された。特に、前記合金は、高張力及び高破壊靱性の所望の組み合わせ、焼き戻し条件における微妙な変化を許容するロバスト設計、及び増強された応力腐食割れ耐性の予想外の利益を提供することができることが見出された。また、比較的少ないＣｏ及びＮｉの合金添加は、ＡｅｒＭｅｔ１００などの既存の合金と比較して、コストを削減する。さらなる利益と利点が、当業者に容易に認識されると理解される。
【００４３】
いくつかの別の態様および実施例が、本明細書中に記載および示されている。当業者は、個々の態様の特徴、及び組成物の可能な組み合わせ及び変化を理解するであろう。当業者は、いずれの態様も、本明細書中に記載の他の態様との任意の組み合わせで提供することができることをさらに理解するだろう。本発明は他の特異的な形態において、本発明の精神または中心的な特徴から逸脱することなく、具現化されてもよいと理解される。したがって、本明細書の実施例と態様は、あらゆる点で例示的であり、かつ制限的ではないと考慮され、かつ本発明は、本明細書中の詳細によって限定されない。したがって、特定の態様が例示または記載されていても、本発明の精神から逸脱することなく幾多の修正が思いつき、かつ保護の範囲は、同封の請求項によってのみ制限される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月21日(2010.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、非ステンレス合金鋼。
【請求項２】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項４】
前記合金は、最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物によって少なくとも部分的に増強される、請求項１に記載の合金。
【請求項５】
前記合金はＭ２Ｃ析出物を含み、前記ＭはＭｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を含む、請求項４に記載の合金。
【請求項６】
前記合金は、主にラスマルテンサイト微細構造を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項７】
前記合金は、少なくとも約１９００ＭＰａの最大抗張力を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項８】
前記合金は、少なくとも約１１０ＭＰａ√ｍのＫＩＣ破壊靱性を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項９】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約０．８％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む合金鋼を提供し、
前記合金に９５０℃〜１１００℃で６０〜９０分間の固溶化熱処理に付し、及び
前記合金に４６５℃〜５５０℃で４〜３２時間の焼き戻し熱処理を付する
ことを含む、方法。
【請求項１０】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の合金。
【請求項１１】
前記合金は、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の合金。
【請求項１２】
前記固溶化加熱処理の後に前記合金を焼き入れし、及び
前記焼き戻し熱処理後に空冷する、
ことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記固溶化熱処理と前記焼き戻し熱処理との間に、該合金を極低温処理に付する
ことをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記合金が、主に結果として得られたラスマルテンサイト微細構造を有する、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記合金が、最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物を含む、結果として得られた微細構造を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記Ｍ２Ｃカーバイド析出物の前記Ｍは、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を１つまたはそれ以上含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
重量による組み合わせで、約０．２０％〜約０．３３％の炭素、約４．０％〜約８．０％のコバルト、約７．０％〜約１１．０％のニッケル、約１．０％〜約３．０％のクロム、約０．５％〜約２．５％のモリブデン、約０．５％〜約５．９％のタングステン、約０．０５％〜約０．２０％のバナジウム、及び最大約０．０２％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、非ステンレス合金鋼であって、
前記合金は、主にラスマルテンサイト微細構造を有し、かつ最長寸法が約２０ｎｍ未満であるＭ２Ｃカーバイド析出物によって少なくとも部分的に増強され、ここで前記Ｍは、Ｍｏ，Ｃｒ，Ｗ、及びＶからなる群より選択される元素を１つまたはそれ以上含み、
前記合金は、少なくとも約１９００ＭＰａの最大抗張力、及び少なくとも約１１０ＭＰａ・√ｍのＫＩＣ破壊靱性を有する、非ステンレス合金鋼。
【請求項１８】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約８．０％のコバルト、約９．３％〜約１０．５％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約２．０％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【請求項１９】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．８％〜約１０．２％のニッケル、約０．８％〜約２．６％のクロム、約０．９％〜約２．１％のモリブデン、約０．７％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．１２％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【請求項２０】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３３％の炭素、約６．０％〜約８．０％のコバルト、約９．０％〜約１０．５％のニッケル、約０．５％〜約1．５％のクロム、約1．７％〜約２．３％のモリブデン、約０．８％〜約１．８％のタングステン、約０．０５％〜約０．１５％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項２１】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．９％〜約１０．３％のニッケル、約０．８％〜約1．２％のクロム、約1．９％〜約２．１％のモリブデン、約１．２％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．０８％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項２２】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３３％の炭素、約６．０％〜約８．０％のコバルト、約９．０％〜約１０．５％のニッケル、約０．５％〜約1．５％のクロム、約1．７％〜約２．３％のモリブデン、約０．８％〜約１．８％のタングステン、約０．０５％〜約０．１５％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項２３】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．９％〜約１０．３％のニッケル、約０．８％〜約1．２％のクロム、約1．９％〜約２．１％のモリブデン、約１．２％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．０８％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項２４】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２５％〜約０．３３％の炭素、約６．０％〜約８．０％のコバルト、約９．０％〜約１０．５％のニッケル、約０．５％〜約1．５％のクロム、約1．７％〜約２．３％のモリブデン、約０．８％〜約１．８％のタングステン、約０．０５％〜約０．１５％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【請求項２５】
前記合金が、重量による組み合わせで、約０．２９％〜約０．３１％の炭素、約６．８％〜約７．２％のコバルト、約９．９％〜約１０．３％のニッケル、約０．８％〜約1．２％のクロム、約1．９％〜約２．１％のモリブデン、約１．２％〜約１．４％のタングステン、約０．０５％〜約０．０８％のバナジウム、及び最大約０．０１５％のチタン、並びに実質的に鉄、偶発的な元素、及び不純物の残部を含む、請求項１７に記載の合金。
【国際調査報告】
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