(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛錬用銅−ニッケル−錫合金の耐力を改良するためのプロセスであって、
該合金に、冷間加工率（％ＣＷ）が５０％〜７５％になるまで第１の機械的冷間加工段階を行う工程と、
該合金を熱処理する工程とを含み、
該銅−ニッケル−錫合金は、９重量％〜１５．５重量％のニッケルと、６重量％〜９重量％の錫とを含み、残部は、銅であり、
結果として生じる該銅−ニッケル−錫合金が、少なくとも１７５ｋｓｉ（１２１０ＭＰａ）の０．２％オフセット耐力を達成する、プロセス。
【請求項２】
前記熱処理が、７４０°Ｆ（３９３℃）〜８５０°Ｆ（４５４℃）の温度で、３分間〜１４分間行われる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
前記熱処理が、７４０°Ｆ（３９３℃）〜８００°Ｆ（４２７℃）の温度で行われる、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
前記熱処理が、前記合金のストリップ形状を５フィート／分（１．５メートル／分）〜２０フィート／分（６．１メートル／分）の速度で炉内通過させて行われる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５】
結果として生じる前記合金が、１７５〜１９０ｋｓｉ（１２１０〜１３１０ＭＰａ）の０．２％オフセット耐力を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
結果として生じる前記合金が、少なくとも１８０ｋｓｉ（１２４０ＭＰａ）の極限引張強さを有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７】
結果として生じる前記合金が、少なくとも１％の％破断伸びを有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
結果として生じる前記合金が、少なくとも１６００万ｐｓｉ（１１０ＧＰａ）のヤング率を有する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
結果として生じる前記合金が、少なくとも１７５ｋｓｉ（１２１０ＭＰａ）の０．２％オフセット耐力と、少なくとも１８０ｋｓｉ（１２４０Ｐａ）の極限引張強さとを達成する、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記銅−ニッケル−錫合金が、１４．５重量％〜１５．５重量％のニッケルと、７．５重量％〜８．５重量％の錫とを含み、残部は、銅である、請求項１に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、本明細書において参考としてその全体が完全に援用される２０１３年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／７８１，９４２号に対する優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、超高強度鍛錬用銅−ニッケル−錫合金と、銅−ニッケル−錫合金の耐力特性を向上させるプロセスとに関する。特に、銅−ニッケル−錫合金は、既知の合金およびプロセスより実質的に高い強度レベルをもたらすプロセス方法を経るもので、それに関しては後述する。
【背景技術】
【０００３】
銅−ベリリウム合金は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）技術に使用される。ＶＣＭ技術とは、モバイルデバイスに、高分解能、自動焦点、光学的ズーム付カメラ機能を付与するために使用される様々な機械的・電気的な技術を示す。この技術は、限られたスペースに収まり、小さな大きさ、重量、消費電力等の特徴によりモバイルデバイスの携帯性や機能性を増大させる合金を必要とする。銅−ベリリウム合金は、その高い強度、弾性、および疲労強度により、これらの用途に利用される。
【０００４】
いくつかの銅−ニッケル−錫合金は、銅−ベリリウム合金と同様な望ましい特性を有することが明らかとなっており、また低コストで製造することができる。例えば、Ｍａｔｅｒｉｏｎ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＢｒｕｓｈｆｏｒｍ(R)  １５８（ＢＦ１５８）として提供される銅−ニッケル−錫合金は、様々な形状で販売されており、設計者が合金を電気コネクタ、スイッチ、センサ、ばね等に成形できる高性能・熱処理型合金である。これらの合金は、概して、鍛錬用合金製品として販売され、設計者は、鋳造よりむしろ加工によって最終形状にするようにこの合金を扱う。しかしながら、これらの銅−ニッケル−錫合金は、銅−ベリリウム合金に比べ、成形性に限界がある。
【０００５】
したがって、新たな超高強度銅−ニッケル−錫合金と、そのような合金の耐力特性を改良するプロセスとを開発することが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、超高強度銅−ニッケル−錫合金と、銅−ニッケル−錫合金の０．２％オフセット耐力（以下、「耐力」と略記する。）を改善し、処理後の耐力が少なくとも１７５ｋｓｉとなるようにするための方法とに関する。概して、合金は、第１の機械的冷間加工を施され、約５０％〜約７５％の塑性変形％ＣＷ（すなわち、冷間加工の百分率）を受ける。合金は、その後、約７４０°Ｆ〜約８５０°の高温で約３分間〜約１４分間加熱する熱的応力緩和段階を経て、所望の成形性特性を作り出す。
【０００７】
本開示のこれらおよび他の非限定的な特性は、より具体的に以下に開示される。
例えば、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
鍛錬用銅−ニッケル−錫合金の耐力を改良するためのプロセスであって、
該合金に、冷間加工率（％ＣＷ）が約５０％〜約７５％になるまで第１の機械的冷間加工段階を行う工程と、
該合金を熱処理する工程とを含み、
結果として生じる該銅−ニッケル−錫合金が、少なくとも１７５ｋｓｉの０．２％オフセット耐力を達成する、プロセス。
（項目２）
前記熱処理段階が、約７４０°Ｆ〜約８５０°Ｆの温度で、約３分間〜１４分間行われる、項目１に記載のプロセス。
（項目３）
前記熱処理工程が、約７４０°Ｆ〜約８００°Ｆの温度で行われる、項目２に記載のプロセス。
（項目４）
前記熱処理段階が、前記合金のストリップ形状を約５フィート／分〜約２０フィート／分の速度で炉内通過させて行われる、項目１に記載のプロセス。
（項目５）
結果として生じる前記合金が、１７５〜１９０ｋｓｉの０．２％オフセット耐力を有する、項目１に記載のプロセス。
（項目６）
結果として生じる前記合金が、少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さを有する、項目１に記載のプロセス。
（項目７）
結果として生じる前記合金が、少なくとも１％の％破断伸びを有する、項目１に記載のプロセス。
（項目８）
結果として生じる前記合金が、少なくとも１６００万ｐｓｉのヤング率を有する、項目１に記載のプロセス。
（項目９）
結果として生じる前記合金が、少なくとも１７５ｋｓｉの０．２％オフセット降伏強さと、少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さとを達成する、項目１に記載のプロセス。
（項目１０）
前記銅−ニッケル−錫合金が、約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５重量％の錫とを含み、残部は、銅である、項目１に記載のプロセス。
（項目１１）
超高強度鍛錬用銅−ニッケル−錫合金であって、
約１４．５重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、
約７．５重量％〜約８．５％の錫と、
残部銅と、
を含み、該合金が、少なくとも１７５ｋｓｉの０．２％オフセット耐力を有する、合金。
（項目１２）
前記合金が、１７５〜１９０ｋｓｉの０．２％オフセット耐力を有する、項目１１に記載の合金。
（項目１３）
前記合金が、少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さを有する、項目１１に記載の合金。
（項目１４）
前記合金が、少なくとも１％の破断伸びを有する、項目１１に記載の合金。
（項目１５）
前記合金が、少なくとも１６００万ｐｓｉのヤング率を有する、項目１１に記載の合金。
（項目１６）
結果として生じる前記合金が、少なくとも１７５ｋｓｉの０．２％オフセット耐力と、
少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さとを有する、項目１１に記載の合金。
（項目１７）
前記合金が、
冷間加工率（％ＣＷ）が約５０％〜約７５％になるまで第１の機械的冷間加工段階を前記合金に行う工程と、
前記合金を熱処理する工程と、
により作られる、項目１１に記載の合金。
（項目１８）
前記熱処理段階が、約７４０°Ｆ〜約８５０°Ｆの温度で約３分間〜１４分間行われる、項目１７に記載の合金。
（項目１９）
前記熱処理段階が、約７４０°Ｆ〜約８００°Ｆの温度で行われる、項目１８に記載の合金。
（項目２０）
前記熱処理段階が、ストリップ形状の前記合金を約５フィート／分〜約２０フィート／分の速度で炉内を通過させて行われる、項目１７に記載の合金。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
以下は、図面の簡単な説明であるが、これは、本明細書に開示される例示的実施形態を図示するためのもので、開示を限定するためのものではない。
【０００９】
【図１】図１は、本開示の例示的方法を図示するフローチャートである。
【００１０】
【図２】図２は、異なる温度における０．２％オフセット耐力対送り速度（ｌｉｎｅ  ｓｐｅｅｄ）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本明細書に開示される構成要素、プロセス、および装置は、付随の図面を参照することでより完全に理解することができる。これらの図は、本開示の明示を簡便かつ容易にすることに重きを置いた模式的な略図にすぎず、したがって、装置またはその構成要素の相対的寸法や大きさを示すものではなく、および／または、例示的実施形態の範囲を画定もしくは限定するものでもない。
【００１２】
以下の記述には明確性のため特定の用語が用いられているが、これらの用語は、図中での説明のために選定された実施形態に特有の構成のみを示すことを意図しており、本開示の範囲を画定または限定することを意図しない。付随の図面および以下の記述において、各数字表示は同様の機能を有する構成要素を示すものと理解されるべきである。
【００１３】
「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」の単数形は、文脈によって明確に別様に示されない限り、複数参照も含む。
【００１４】
明細書および請求項で使用されるように、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（ｓ）（備える）」、「ｉｎｃｌｕｄｅ（ｓ）（含む）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」、「ｈａｓ（有する）」、「ｃａｎ（できる）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎ（ｓ））」およびこれらの異形は、本明細書で使用されるように、指名された構成要素／工程の存在を要求するもので、かつ、他の構成要素／工程の存在を許容するオープンエンドな移行部、用語、または単語を意図する。しかしながら、列挙された構成要素／工程「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「実質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」等と記された組成物またはプロセスの記述は、指名された構成要素／工程と、その結果生じ得る不可避不純物の存在のみを許容し、他の構成要素／工程を排除するものと解釈されるべきである。
【００１５】
本願の明細書および請求範囲の数値は、同数の有効数字に四捨五入した際に同じ値となる数値、ならびに、示された数値との差異が、本願に示されたものと同種の従来の計測手法における実験誤差より小さな数値を含むものと理解されるべきである。
【００１６】
本明細書で開示される全ての範囲は、示された端点を含むものであり、独立して組み合わせ可能である（例えば、「２グラム〜１０グラム」の範囲は、端点２グラムおよび１０グラムと、さらにそれらの間の値の全てと含む）。
【００１７】
「約」、「実質的に」等の用語で修飾される数値は、規定される正確な値のみに限定されるとは限られない。概略を表わす言語は、数値を測定する機器の精度に対応する場合もある。修飾語の「ａｂｏｕｔ（約）」はまた、２つの端点の絶対値で画定される範囲を開示するものと考えられるべきである。例えば、「約２〜約４」という表現はまた、「２〜４」の範囲を開示する。
【００１８】
元素の百分率は、別様に示されない限り、述べられた合金の重量百分率であると見なされるべきである。
【００１９】
本明細書で使用されるように、「スピノーダル合金」という用語は、スピノーダル分解できるような化学組成を有する合金を示す。「スピノーダル合金」という用語は合金の化学成分を示すもので、物理的状態を示すものではない。したがって、「スピノーダル合金」は、すでにスピノーダル分解したものであってもよく、またはそうでなくてもよく、スピノーダル分解過程にあってもよく、またはそうでなくてもよい。
【００２０】
スピノーダル時効／分解とは、多種の成分が、異なった化学組成および物性を有する特定の領域またはミクロ組織に分離できる機構である。特に、状態図の中央域にあるバルク組成を有する結晶は、離溶（ｅｘｓｏｌｕｔｉｏｎ）を起こす。本開示の合金の表面で起こるスピノーダル分解は、表面が硬化する結果となる。
【００２１】
スピノーダル合金の組織は、初期相が特定の温度で分離し、高温に達した溶解度ギャップと呼ばれる組成が形成されたときに作られる均一な２相混合物でできた組織である。合金相は、結晶構造は同じでありながら、組織内の原子が同程度の大きさを保ちつつ変化した別の相に自然分解する。スピノーダル硬化は、ベース金属の耐力を増大し、組成およびミクロ組織の高い均一性を含む。
【００２２】
本明細書で利用される銅−ニッケル−錫合金は、概して、約９．０重量％〜約１５．５重量％のニッケルと、約６．０重量％〜約９．０重量％の錫とを含み、残部は、銅である。この合金は、硬化可能で、さらに、様々な産業的・商業的用途で使用できる高耐力製品に容易に成形することができる。この高性能合金は、銅−ベリリウム合金と同様の特性を提供するように設計されている。
【００２３】
より具体的には、本開示の銅−ニッケル−錫合金は、約９重量％〜約１５重量％のニッケルと、約６重量％〜約９重量％の錫とを含み、残部は、銅である。より具体的な実施形態では、銅−ニッケル−錫合金は、約１４．５重量％〜約１５．５％のニッケルと、約７．５重量％〜約８．５重量％の錫とを含み、残部は、銅である。これらの合金は、各種の特性の組み合わせを有することができ、合金は、様々な種類がある。本開示は、ＴＭ１２と指名される合金に向けられたものである。より具体的には、「ＴＭ１２」とは、概して、１７５ｋｓｉの０．２％オフセット耐力と、少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さと、１％の最小％破断伸びとを有する銅−ニッケル−錫合金を示す。ＴＭ１２合金と考えられるためには、合金の耐力が最小１７５ｋｓｉでなければならない。
【００２４】
図１は、ＴＭ１２合金を得るための本開示の金属加工プロセスの工程を図示するフロー図である。金属加工プロセスは、合金に第１の冷間加工を加える工程１００から始まる。合金は、その後、熱処理２００を経る。
【００２５】
冷間加工は、塑性変形によって金属の形状または大きさを機械的に変更するプロセスである。これは、金属または合金の圧延、引抜き、プレス、へら絞り、押出し、または圧造によって行うことができる。金属を塑性変形させると、材料内で原子の転位が生じる。特に、転位は、結晶粒の全域または内部で生じる。転位は相互に絡み合い、材料中の転位密度が増大する。絡み合った転位が増大すると、さらなる転位の移動はより困難になる。これが、結果として生じる合金の硬さおよび引張強さを増大させる一方で、概して、合金の延性および衝撃特性を低下させる。冷間加工はまた、合金の表面仕上げを改善する。機械的冷間加工は、概して、合金の再結晶点より低い温度で行われ、通常は、室温で行われる。冷間加工率（％ＣＷ）、または変形度は、冷間加工の前後における合金の断面積の変化を測定し、下記の式に従って決定することができる。
％ＣＷ＝１００×［Ａ０−Ａｆ］／Ａ０
式中、ＡＯは、冷間加工前における初期または元の断面積であり、Ａｆは、冷間加工後の最終的な断面積である。断面積の変化は、通常、合金の厚さのみに支配されるため、％ＣＷは、初期および最終の厚さを用いて計算することもできることに留意されたい。
【００２６】
初期冷間加工段階１００は、加工後の合金が冷間加工率で５０％−７５％の範囲となる塑性変形を有するように行われる。より具体的には、第１の段階で達成される冷間加工率％を約６５％とすることができる。
【００２７】
合金は、その後、熱処理段階２００を経る。金属または合金の熱処理は、金属を加熱および冷却し、製品の形状を変えることなく、その物理的および機械的性質を変更するように制御されたプロセスである。熱処理は、材料の強度の増大に関連付けられるが、機械加工性の改善、成形性の改善、冷間加工後の延性の回復等、製造の容易性を変えるために使用されることもできる。熱処理段階２００は、冷間加工段階１００後の合金に行われる。合金は、従来の炉または同様な組立体内に置かれ、次いで、約７４０°Ｆ〜約８５０°Ｆの範囲の高温に約３分間〜約１４分間さらされる。これらの温度は、合金がさらされる雰囲気温度または炉の設定温度であり、合金そのものがこの温度に達しているとは限らないことに留意されたい。この熱処理は、例えば、ストリップ形状の合金をコンベア炉装置に置き、この合金圧延材を約５フィート／分の速度でコンベア炉内を通過させることによって行うことができる。より具体的な実施形態では、温度は、約７４０°Ｆ〜約８００°Ｆである。
【００２８】
本プロセスは、超高強度銅−ニッケル−錫合金で少なくとも１７５ｋｓｉの耐力レベルを達成することができる。本プロセスは、約１７５ｋｓｉ〜１９０ｋｓｉの範囲の耐力を有する合金を作り出すことが一貫して明らかとされてきた。より具体的には、本プロセスは、処理後の耐力（０．２％オフセット）が約１７８ｋｓｉ〜１８５ｋｓｉとなるように合金を処理することができる。
【００２９】
冷間加工と熱処理との間で、バランスがとられている。冷間加工によって得られる強度には最適なバランスがあり、過剰な冷間加工は、本合金の成形性特性に悪影響を及ぼし得る。同様に、過剰な強度増加が熱処理で起こると、成形性特性が悪影響を受け得る。結果として生じるＴＭ１２合金の特性は、少なくとも１７５ｋｓｉの耐力を含む。この強度特性は、他の既知で同様な銅−ニッケル−錫合金の強度特性を凌ぐものである。
【００３０】
以下の実施例は、本開示の合金、物品、およびプロセスを説明するためのものである。これらの実施例は単に説明用であり、そこに記された材料、条件、またはプロセスパラメータに本開示を限定することを意図しない。
【実施例】
【００３１】
１５重量％のニッケルと、８重量％の錫とを含み、残部が銅である銅−ニッケル−錫合金は、圧延材に加工された。その後、この圧延材を圧延機で冷間加工した。圧延材は冷間加工され、％ＣＷが６５％と測定された。次に、圧延材は、コンベア炉装置を用いた熱処理段階を経た。コンベア炉は、７４０°Ｆ、７６０°Ｆ、７８０°Ｆ、８００°Ｆ、８２５°Ｆ、または８５０°Ｆの温度に設定された。圧延材は、５、１０、１５、または２０フィート／分の送り速度でコンベア炉内を通過した。温度および速度の各組み合わせについて２枚の圧延材が使用された。
【００３２】
その後、各種特性が測定された。これらの特性は、極限引張強さ（Ｔ）、単位ｋｓｉ；０．２％オフセット耐力（Ｙ）、単位ｋｓｉ；％破断伸び（Ｅ）；ヤング率（Ｍ）単位、百万ｐｓｉ（１０＾６ｐｓｉ）を含む。表１および表２は測定結果を示す。ＴおよびＹの平均値も示されている。
【表１】
0006340408.tif 000002
【表２】
0006340408.tif 000003
【００３３】
まとめとして、少なくとも１７５ｋｓｉの最小０．２％オフセット耐力と、少なくとも１８０ｋｓｉの極限引張強さと、少なくとも１％の％破断伸びと、少なくとも１６００万ｐｓｉのヤング率とを有する合金が得られることが分かった。図２は、各温度における０．２％オフセット耐力、対、送り速度を示すグラフである。少なくとも１７５ｋｓｉの最小耐力が、広範な温度域で達成されている。
【００３４】
当然のことながら、上記開示の変形、他の特徴や機能、または、これらの代替を組み合させて他の多くのシステムや用途とすることができる。今のところ予測または予期できない様々な代替、変更、変形、または改良が当業者によって今後行われる可能性があるが、これらもまた添付の請求範囲に含まれることが意図される。
【図１】
0006340408.tif 000004
【図２】
0006340408.tif 000005