(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．析出硬化された金属合金基板を提供し、摂氏７００度を超える温度を維持しながらタンタルを前記基板に塗布することによって、タンタルコーティングされた金属合金基板を提供することであって、前記金属合金基板の上に均一タンタルコーティングをもたらすことを特徴とする、提供することと、
ｂ．前記タンタルコーティングされた金属合金基板中の析出相が溶解するように、前記タンタルコーティングされた金属合金基板の焼鈍温度まで加熱し、暫くの間前記焼鈍温度で保持し、次いで毎時２００℃〜毎時３００℃の速度で摂氏５０度未満の温度に冷却することによって、前記タンタルコーティングされた金属合金基板を熱焼鈍することと、
ｃ．前記タンタルコーティングされた金属合金基板を前記金属合金基板の析出硬化温度に加熱することと、
ｄ．前記タンタルコーティングされた金属合金基板を毎時１００℃以上かつ毎時３００℃以下の速度で摂氏５０度未満の温度に冷却することと、を含み、
タンタル不活性ガス雰囲気下でステップ（ｂ）〜（ｄ）を実行すること、ならびにステップ（ｂ）において冷却すること及びステップ（ｄ）において冷却することが、摂氏５０度未満の温度を有するタンタル不活性ガスを前記タンタルコーティングされた金属合金基板の上に流すことによって実行されることをさらに特徴とする、方法。
【請求項２】
前記タンタル不活性ガスが希ガスを含むことをさらに特徴とする、請求項１に記載の前記方法。
【請求項３】
前記タンタル不活性ガスが、合計タンタル不活性ガス組成に基づいて少なくとも９９．９９９モルパーセントのアルゴンを含むことをさらに特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の前記方法。
【請求項４】
タンタルコーティングされる前記金属合金基板がステンレス鋼であることをさらに特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の前記方法。
【請求項５】
前記タンタルコーティングされた金属合金基板を、毎時摂氏１００度以上かつ毎時２００℃以下の速度で、前記析出硬化温度から摂氏５０度未満の温度に冷却させるステップ（ｄ）をさらに特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、タンタルでコーティングされた金属合金を析出硬化するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属合金は、タンタルのコーティングを金属に塗布することによって腐食から保護することができる。Ｔａｎｔａｌｉｎｅ  Ｉｎｃ．は、保護コーティングとして金属合金基板上にタンタルを蒸着するためのサービスを提供する。この方法は、金属合金基板を、摂氏７００〜９００度（℃）の温度にオーブンで加熱することを必要とし、その際、タンタル金属前駆体が蒸発し、基板上に付着する。残念ながら、基板金属合金をかかる高温に加熱することは、基板金属合金を部分的または完全に焼鈍させ、それによって、基板金属合金が、硬度、引張弾性率、及び圧縮弾性率などのその所望の物理的特性のうちのいくつかを失う結果となる場合がある。それは、金属合金基板が、タンタルコーティング方法により、析出硬化に特有の物理的特性の損失がもたらされる析出硬化された（ＰＨ）金属合金である場合である。
【０００３】
耐久性のあるタンタルコーティング及び金属基板の析出硬化特性の両方から恩恵を受けるタンタルコーティングされたＰＨ金属合金を取得する方法を発見することが望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、タンタルコーティングの保護特性を有し、また一方でより大きな硬度、引張弾性率、及び圧縮弾性率などのＰＨ金属合金に特有の向上した物理的特性も有するＰＨ金属合金基板を生成するための方法を提供する。
【０００５】
本発明を開発する間に発見されたように、タンタルコーティングの恩恵を損なうことなく、タンタルコーティングされた金属合金基板の析出硬化、または析出硬化を再生することは、単純な方法ではない。析出硬化は、金属合金を特定の温度に加熱し、続いて、材料の迅速な冷却を必要とする。３００℃を超える温度で、空気の存在下でタンタルコーティングされた金属合金を加熱することにより、酸素及び窒素などの空気中のガスとの反応のために、タンタルコーティングの望ましくない酸化及び脆化が生じる。タンタルコーティングを脆化させることを避けるためにタンタル不活性ガス雰囲気下でタンタルコーティングされた金属合金を加熱することが、金属合金コアの十分に迅速な冷却を妨げ、析出硬化に到達することが不可能になった。
【０００６】
本発明は、実際に、タンタルコーティングされた金属合金基板にＰＨ特性をどのように誘導する、または回復させるかという一般的な問題を解決するだけではなく、さらに、タンタルコーティングの脆化及び／または金属合金基板からの剥落を生じることなく、かかる解決策を達成する方法を提供する。
【０００７】
驚くべきことに、本発明は、タンタル不活性ガス下の必要な加熱ステップと、比較的冷たいタンタル不活性ガスの流れの下での冷却ステップとを実行することによって、タンタルコーティングが脆化することなく、タンタルコーティングされた金属合金基板が析出硬化され得ることを発見した結果物である。好適なタンタル不活性ガスは、希ガス及び希ガスの組み合わせを含む。空気はまた、摂氏３００度（℃）未満の温度の好適なタンタル不活性ガスである。タンタル不活性ガスは、タンタルコーティングと反応せず、かつあまりタンタルコーティング内に拡散しないため、コーティングが脆化することを防ぐ。冷たいタンタル不活性ガスをタンタルコーティングされた金属合金基板の上に流すことは、金属合金基板の迅速な冷却を可能にし、それによって、析出硬化が起こることを可能にする。
【０００８】
第１の態様において、本発明は、（ａ）タンタルコーティングされた金属合金基板を提供することと、（ｂ）タンタルコーティングされた金属合金基板の焼鈍温度まで加熱し、暫くの間焼鈍温度で保持し、次いで摂氏５０度未満の温度に急冷することによって、タンタルコーティングされた金属合金基板を熱焼鈍することと、（ｃ）タンタルコーティングされた金属基板を金属合金基板の析出硬化温度まで加熱することと、（ｄ）タンタルコーティングされた金属合金基板を摂氏５０度未満の温度に冷却することと、を含む、方法であり、該方法は、タンタル不活性ガス雰囲気下でステップ（ｂ）〜（ｄ）を実行すること、ならびに摂氏５０度未満の温度を有するタンタル不活性ガスをタンタルコーティングされた金属合金基板の上に流すことによって実行されるステップ（ｂ）及びステップ（ｄ）において急冷することをさらに特徴とする。
【０００９】
本発明は、タンタルコーティングされたＰＨ金属合金基板を調製するために有用である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の方法は、タンタルコーティングされた金属合金基板を提供することを必要とする。金属基板のタンタルコーティングは既知の技術であり、Ｔａｎｔａｌｉｎｅ，Ｉｎｃ．、Ｕｌｔｒａｍｅｔ  ＣＯＴ、及びその他などの会社によって商業的に実行される。タンタルコーティングされた金属合金基板は、析出硬化を受け得る材料である。析出硬化された金属合金基板を提供し、摂氏７００度（℃）を超える温度を維持しながらタンタルを基板に塗布することによって、タンタルコーティングされた金属合金基板を調製する。結果として生じるタンタルコーティングされた金属合金基板は、金属合金基板の上に均一のタンタルコーティングを有する。低温方法は基板の上に非均一金属コーティングを生成し、金属合金基板と共にタンタルの強化金属間層をもたらさないため、かかる高温コーティング方法は、スパッタコーティングなどの低温（７００℃未満）金属コーティング方法より有利である。均一コーティングは、タンタルコーティングによる最適な基板保護に望ましい。
【００１１】
熱老化としても既知の析出硬化は、可鍛性金属合金の圧縮強度を増加させるための技法である。析出硬化を受け得る好適な金属合金の例としては、アルミ合金、マグネシウム合金、ニッケル合金、及びステンレス鋼が挙げられる。タンタルコーティングされた金属合金基板は、タンタルコーティングされたマグネシウム合金、ニッケル合金、及びステンレス鋼から選択されることが望ましい。本発明の方法は、タンタルコーティングされたステンレス鋼合金に特に望ましい。好適なステンレス鋼合金の特定の例としては、以下の等級のステンレス鋼：１７−ＰＨ、１７−７ＰＨ、１３−８ＰＨ、１５−５ＰＨのうちの任意の１つまたは２つ以上の任意の組み合わせが挙げられる。
【００１２】
本発明の方法は、タンタルコーティングされた金属合金基板を熱焼鈍することを必要とする。熱焼鈍は、タンタルコーティングされた金属合金基板を、金属合金中の析出相の溶解を可能にするのに十分に長い時間、十分高温（焼鈍温度）に加熱し、次いで、タンタルコーティングされた金属合金基板を冷却（急冷）することを必要とした。望ましくは、タンタルコーティングされた金属合金基板をタンタルコーティングされた金属合金基板の金属合金の臨界温度を超える温度に加熱し、暫くの間保持することによって熱焼鈍する。金属合金の臨界温度は、典型的には、冶金手引書で容易に入手できる。焼鈍はまた、亜臨界温度に加熱することによって行われ得るが、それは本発明にはあまり望ましくない。ステンレス鋼合金では、タンタルコーティングされた金属合金基板を２５０℃以上、好ましくは６５０℃以上、さらにより好ましくは１０００℃以上の範囲の温度に加熱することが望ましい。同時に、１５００℃以下の温度に加熱することが一般的である。
【００１３】
タンタルコーティングされた金属合金基板を、合金溶質相が好ましくは完全に溶解するのに十分長い時間、焼鈍温度で保持する。望ましくは、タンタルコーティングされた金属合金基板を、３０分以上、好ましくは４５分以上、より望ましくは１時間以上、焼鈍温度で保持する。焼鈍温度で材料をどれほど長く保持するかについて知られている技術的上限はないが、４８時間以下、好ましくは２４時間以下、さらにより好ましくは１２時間以下焼鈍温度で保持することが現実的な目的では典型的である。
【００１４】
５０℃未満の温度、好ましくは３５℃未満の温度に急速に冷却することによって、タンタルコーティングされた金属合金基板を急冷する。焼鈍ステップにおける迅速な急冷は、析出硬化の成功に必要な非常に小さなナノ粒子様析出ドメインを保存することが重要である。しかしながら、タンタルコーティングされた金属合金基板があまりにも迅速に冷却された場合、タンタルコーティング及び金属合金基板は、金属合金基板からのタンタルコーティングの剥離（タンタルコーティングの剥落）をもたらすのに十分異なる速度で寸法を変化させ得る。したがって、タンタルコーティングの剥離を避けながらできるだけ迅速に冷却することが望ましい。典型的には、タンタルコーティングされた金属合金基板を、毎時２００℃〜毎時３００℃、好ましくは毎時およそ２５０℃の範囲の速度で冷却することが望ましい。
【００１５】
焼鈍ステップは、析出硬化のための金属合金を適切に調製するために重要である。焼鈍は、溶質相を好ましくは完全に溶解する。金属合金中の不溶解溶質は、析出硬化中に物理的特性強化を妨げるのに十分大きなドメインを形成し得る。
【００１６】
熱焼鈍ステップにおいて急冷した後、タンタルコーティングされた金属合金基板を析出硬化した。析出硬化は、析出硬化温度まで加熱し、暫くの間析出硬化温度以上で保持し、次いで冷却することを含む。
【００１７】
タンタルコーティングされた金属合金基板を金属合金基板の析出硬化温度に加熱する。金属合金の析出硬化温度は、材料が、析出硬化が起こるのに必要な不純物（溶質）相の微粒子を生成するであろう温度である。材料の析出硬化温度は、ＡＳＴＭ  Ａ６９３−１３（析出硬化ステンレス及び耐熱性鋼プレート、シート、及びストリップ）の手順などの容易に利用可能な試料において見出され得る。例として、析出硬化温度は４７５℃（華氏８９０度（°Ｆ））以上、典型的には４８２℃（９００°Ｆ）以上、多くの場合、４９６℃（９２５°Ｆ）以上、５１０℃（９５０°Ｆ）以上であり、５３５℃（９９５°Ｆ）、５６５℃（１０５０°Ｆ）以上であり得る。同時に、析出硬化温度は、概して１１００℃（２０１２°Ｆ）以下、典型的には１０００℃（１８００°Ｆ）以下であり、９２５℃（１７００°Ｆ）以下、９００℃（１１７３°Ｆ）以下、８００℃（１０７３°Ｆ）以下、７００℃（１２９２°Ｆ）以下、６００℃（１１１２℃）以下、さらに５５０℃（１０２２°Ｆ）以下であり得る。
【００１８】
析出硬化は、ＡＳＴＭ  Ａ６９３−１３に記載される通り、基板の加熱及び冷却の複数のステップを含み得る。
【００１９】
タンタルコーティングされた合金基板を、暫くの間、典型的には３０分以上、好ましく４５分以上、より好ましくは１時間以上、さらにより好ましくは２時間以上、さらにより好ましくは３時間以上、場合により４時間以上、その析出硬化温度以上で、保持する。概して、タンタルコーティングされた金属合金基板は、２０時間未満、好ましくは１０時間未満、析出硬化温度で保持され、５時間未満であり得る。
【００２０】
タンタルコーティングされた金属合金基板が析出硬化温度で保持される析出硬化温度及び時間は、金属合金基板の最終特性を決定する。したがって、温度及び金属合金基板がどれほど長くその温度で保持されるかの変動は、所望される最終特性に応じて変化し得る。
【００２１】
タンタルコーティングされた金属合金基板を５０℃未満の温度に冷却する。望ましくは、タンタルコーティングされた金属基板を、５０℃未満の温度を有するタンタル不活性ガスの流れの下で、毎時１００℃以上の平均冷却速度、好ましくは毎時１２５℃以上の速度、より好ましくは毎時１５０℃以上の速度で、５０℃未満に冷却する金属合金基板の引張強度特性（例えば、最大引張強度または弾性率）の望ましい増加を達成するために毎時１００℃以上で冷却することが重要である。同時に、タンタルコーティングの剥落を避けるために、３００℃以下、好ましくは２５０℃以下、より好ましくは２００℃以下の速度で冷却することが望ましい。１つの望ましい冷却速度は、毎時およそ１５０℃である。
【００２２】
析出硬化は、ＡＳＴＭ  Ａ６９３−１３に記載される通り、加熱及び冷却の複数のステップを含み得るが、少なくとも析出硬化温度への加熱ステップ、次いで上に記載される通りの冷却を必要とする。
【００２３】
本発明の方法において、熱焼鈍及び析出硬化（析出硬化温度への加熱、その温度での保持、次いで冷却を含む）が、タンタルコーティングの脆化及び／または剥落を防ぐためにタンタル不活性ガス雰囲気で行われることが重要である。望ましくは、タンタル不活性ガス雰囲気は、タンタル不活性ガス雰囲気中のガスの合計モルに基づいて、９９．９９モルパーセント（ｍｏｌ％）以上、好ましくは９９．９９５ｍｏｌ％以上、さらにより好ましくは９９．９９９ｍｏｌ％以上、さらにより好ましくは９９．９９９５ｍｏｌ％以上、さらにより好ましくは９９．９９９９ｍｏｌ％以上のタンタル不活性ガスを含有する。
【００２４】
タンタル不活性ガスは、２００〜２０００℃の範囲の温度で、タンタルと反応せず、好ましくはタンタル中に拡散しないであろうガスである。疑義の生じるのを避けるために、タンタル不活性ガスは、使用の温度範囲のガスである。タンタル不活性ガスの例としては、２つ以上の希ガスの任意の組み合わせを含む希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノン）から選択されるガスが挙げられる。空気、空気の任意の成分はまた、最大３００℃の温度で好適なタンタル不活性ガスである。
【００２５】
タンタル不活性ガス雰囲気下で実行されるステップは、タンタルと反応する相当量のガスを含有するガス雰囲気下では満足の行くように実行され得ない。焼鈍及び析出硬化ステップが、タンタルと反応するガス下で実行された場合、タンタルコーティングは、化学反応を受け、望ましくなく脆化する。例えば、酸素、窒素、及び水素は全て、３００℃を超える温度でタンタルと反応し、それを脆化させる。二酸化炭素、アンモニア、及び炭化水素は、３００〜２０００℃範囲の温度でタンタルと反応することでも知られている。望ましくは、タンタル不活性ガス雰囲気は、タンタル不活性ガス雰囲気中のガス分子の合計モルに基づいて、０．０１モルパーセント（ｍｏｌ％）未満、好ましくは０．００５ｍｏｌ％以下、より好ましくは０．００１ｍｏｌ％以下、さらにより好ましくは０．０００５ｍｏｌ％以下、さらにより好ましくは０．０００１ｍｏｌ％以下の酸素、窒素、及び水素の組み合わせ（より好ましくは酸素、窒素、水素、二酸化炭素、炭化水素、及びアンモニアの任意の組み合わせ）を含有する。
【００２６】
さらに、析出硬化温度に加熱した後の冷却（急冷）ステップ（及び焼鈍中の急冷ステップ）は、５０℃未満の温度を有するタンタル不活性ガスをタンタルコーティングされた金属基板の上に流すことによって行われなければならない。十分な速度でタンタルコーティングされた基板を冷却するために冷却中にタンタル不活性ガスをタンタルコーティングされた基板の上に流すことが重要である。比較的冷たい（５０℃未満）タンタル不活性ガスをタンタルコーティングされた基板の上に流すことは、タンタルコーティングされた基板から効率的に熱を除去し、それによって、満足の行く速度で基板を冷却する。比較的冷たいガスは、タンタルコーティングの脆化及び／または剥落などの損傷を防ぐためにタンタル不活性ガスでなければならない。
【００２７】
実施形態
ステンレス鋼引張バーを使用して試料を調製する。ステンレス鋼は、以下に示される通りのＳＳ１７−４ＰＨまたは１５−５ＰＨ状態９００（Ｈ９００）ステンレス鋼である。引張バーは、矩形断面を有するＡＳＴＭ  Ｅ８標準サブサイズ引張バーである。
【００２８】
引張特性及び耐腐食性を測定することによって試料を評価する。ＡＳＴＭ  Ｅ８−０９に従って、引張特性を特性評価する。４８時間７５℃で水中の２０〜３５重量％の塩化水素酸中に試料を沈め、孔食のいかなる兆候に対しても試料を評価することによって耐腐食性を判定する。
【００２９】
比較実施例Ａ．比較実施例Ａでは、任意のさらなる処理なしで（つまり、タンタルコーティングまたは任意の熱調節なし）、１７−４ＰＨステンレス鋼引張バーを評価する。比較実施例Ａは、１４４８メガパスカル（ＭＰａ）の最大引張強度（ＵＴＳ）を有する。比較実施例Ａは、腐食試験においてほぼ溶解し、回収することができなかった。
【００３０】
比較実施例Ｂ．比較実施例Ｂは、引張バーが、Ｔａｎｔａｌｉｎｅ  Ｉｎｃ．によって、彼らの商業的コーティング技術に従って、タンタルコーティングでコーティングされることを除いて、比較実施例Ａと同じである。タンタルでコーティングした後、比較実施例Ｂを特性評価する。比較実施例Ｂは、１０６５ＭＰａの平均ＵＴＳ（２つの測定値の平均：１０２７ＭＰａ及び１１０３ＭＰａ）を有する。腐食試験において孔食の兆候は観察されなかった。
【００３１】
実施例１．実施例１は、タンタルでコーティングした後、かつ耐腐食性及び引張特性を特性評価する以前に、焼鈍及び析出硬化熱再調節プロファイルをさらに受けることを除いて、比較実施例Ｂと同じである。析出硬化が焼鈍後に直接行われる表１に示される通り、熱再調節プロファイルを使用する。試料の上にアルゴン（少なくとも９９．９９９モルパーセントアルゴン）を流すことによって、アルゴン雰囲気下で、試料に熱再調節プロファイルを受けさせる。アルゴンは、周囲温度（およそ２３℃）である。
【００３２】
【表１】
0006325683.tif 000002
【００３３】
実施例１は、１２８０ＭＰａの平均ＵＴＳ（３つの測定値の平均：１２８９ＭＰａ、１２８２ＭＰａ、及び１２６９ＭＰａ）を有する。腐食試験において孔食は観察されなかった。
【００３４】
比較実施例Ａ及びＢならびに実施例１の引張特性及び腐食特性は、本発明の方法が、タンタルコーティングの耐腐食性及びタンタルコーティングされた試料に通常存在しないかなりの引張強度から恩恵を受ける金属合金基板を提供することを示す。比較実施例Ａ及びＢの引張強度の比較は、タンタルコーティング方法がどのように金属合金基板の引張強度を低減させるかを明らかにする。実施例１は、本発明の方法が、タンタルコーティングの耐腐食性を保持しながら金属合金基板の引張強度の少なくとも一部を回復することを示す。
【００３５】
実施例２．Ｔａｎｔａｌｉｎｅ  Ｉｎｃ．によるタンタルコーティングでコーティングされた１５−５ＰＨステンレス鋼引張バーを使用することを除いて実施例１と同様の方式で実施例２を調製する。タンタルコーティングされた後、かつ耐腐食性及び引張特性を特性評価する以前に、タンタルコーティングされたバーに焼鈍及び析出硬化熱再調節プロファイルをさらに受けさせる。析出硬化が焼鈍後に直接行われる表１に示される通り、熱再調節プロファイルを使用する。試料の上に、およそ２３℃でアルゴン（９９．９９９モルパーセントアルゴン）を流すことによって、アルゴン雰囲気下で、結果として生じる試料に熱再調節プロファイルを受けさせる。実施例２は、１３４４ＭＰａの平均ＵＴＳを有する。腐食試験において孔食は観察されなかった。
【００３６】
実施例２は、実施例１とは異なるステンレス鋼基板を使用して、本発明の方法の利点をさらに示す。
【００３７】
実施例１及び実施例２のタンタルコーティングされた金属合金基板の焼鈍及び析出硬化が空気雰囲気下で行われた場合、タンタルコーティングは酸化及び失敗し、それによって、結果として生じる試料の耐腐食性が低減される。焼鈍及び析出硬化が、任意の他の非タンタル不活性ガス雰囲気下で行われる場合、同様の結果が予測される。
本開示は以下も包含する。
［１］
ａ．析出硬化された金属合金基板を提供し、摂氏７００度を超える温度を維持しながらタンタルを前記基板に塗布することによって、タンタルコーティングされた金属合金基板を提供することであって、前記金属合金基板の上に均一タンタルコーティングをもたらすことを特徴とする、提供することと、
ｂ．前記タンタルコーティングされた金属合金基板の焼鈍温度まで加熱し、暫くの間前記焼鈍温度で保持し、次いで摂氏５０度未満の温度に急冷することによって、前記タンタルコーティングされた金属合金基板を熱焼鈍することと、
ｃ．前記タンタルコーティングされた金属基板を前記金属合金基板の析出硬化温度に加熱することと、
ｄ．前記タンタルコーティングされた金属合金基板を摂氏５０度未満の温度に冷却することと、を含み、
タンタル不活性ガス雰囲気下でステップ（ｂ）〜（ｄ）を実行すること、ならびにステップ（ｂ）において急冷すること及びステップ（ｄ）において冷却することが、摂氏５０度未満の温度を有するタンタル不活性ガスを前記タンタルコーティングされた金属合金基板の上に流すことによって実行されることをさらに特徴とする、方法。
［２］
前記タンタル不活性ガスが希ガスを含むことをさらに特徴とする、上記態様１に記載の前記方法。
［３］
前記タンタル不活性ガスが、合計タンタル不活性ガス組成に基づいて少なくとも９９．９９９モルパーセントのアルゴンを含むことをさらに特徴とする、上記態様１または２のいずれかに記載の前記方法。
［４］
タンタルコーティングされる前記金属合金基板がステンレス鋼であることをさらに特徴とする、上記態様１〜３のいずれかに記載の前記方法。
［５］
前記タンタルコーティングされた金属合金基板を、毎時摂氏１００度以上かつ毎時２００℃以下の速度で、前記析出硬化温度から摂氏５０度未満の温度に冷却させるステップ（ｄ）をさらに特徴とする、上記態様１〜４のいずれかに記載の前記方法。