(57)【要約】  高強度、高靭性、及び優れた低サイクル疲労寿命を発揮する時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金及び同合金の製造方法が開示されている。この合金は、約０．２〜０．３６の炭素と、最大約０．２０のマンガンと、最大約０．１０のケイ素と、最大約０．０１のリンと、最大約０．００４の硫黄と、約１．３〜４のクロムと、約１０〜１５のニッケルと、約０．７５〜２．７のモリブデンと、約８〜２２のコバルトと、最大約０．０１のアルミニウムと、最大約０．０２のチタンと、最大約０．００１のカルシウムを実質的に含有し且つ残部が鉄及び通常の不純物である重量％組成から成るマトリックスを有している。この合金は、マトリックス中に分散した複数の介在物を有する。その介在物は、主要寸法にして約０．４μｍ〜約７．０μｍで且つ主要寸法にして少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有するカルシウム化合物を含み、希土類元素を実質的に含んでいない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度と高靭性と良好な低サイクル疲労寿命とを兼ね備えた時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金であって、重量パーセントにして、
炭素            約０．２〜０．３６
マンガン        最大約０．２０
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．０１
硫黄            最大約０．００４
クロム          約１．３〜４
ニッケル        約１０〜１５
モリブデン      約０．７５〜２．７
コバルト        約８〜２２
アルミニウム    最大約０．０１
チタン          最大約０．０２
カルシウム      最大約０．００１
を実質的に含有し且つ残部が鉄及び通常の不純物である組成を有するマトリックスと、
前記マトリックス中に分散した複数の介在物を有し、
前記介在物が、主要寸法にして約０．４μｍ〜約７．０μｍで且つ主要寸法にして少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有するカルシウム化合物を含み、希土類元素を実質的に含んでいない時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項２】
前記マトリックス組成が、
炭素            約０．２０〜０．３３
マンガン        最大約０．１５
リン            最大約０．００８
硫黄            最大約０．００２５
クロム          約２〜４
ニッケル        約１０．５〜１５
モリブデン      約０．７５〜１．７５
コバルト        約８〜１７
を実質的に含有している、請求項１に記載の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項３】
前記マトリックス組成が、
炭素            約０．２１〜０．２７
マンガン        最大約０．１０
リン            最大約０．００８
硫黄            最大約０．００２０
クロム          約２．２５〜３．５
ニッケル        約１１．０〜１３．０
モリブデン      約１．０〜１．５
コバルト        約１０〜１５
を実質的に含有している、請求項１に記載の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項４】
前記マトリックス組成が、約０．３３％以下の炭素を含有している、請求項１に記載の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項５】
前記マトリックス組成が、
炭素            約０．２１〜０．３４
リン            最大約０．００８
硫黄            最大約０．００３
クロム          約１．５〜２．８０
ニッケル        約１０〜１３
モリブデン      約０．９〜１．８
コバルト        約１４〜２２
を実質的に含有している、請求項１に記載の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項６】
前記マトリックス組成が、
炭素            約０．３０〜０．３６
マンガン        最大約０．０５
硫黄            最大約０．００１
クロム          約１．３〜３．２
ニッケル        約１０〜１３
モリブデン      約１．０〜２．７
コバルト        約１３．８〜１７．４
アルミニウム    最大約０．００５
を実質的に含有している、請求項１に記載の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金。
【請求項７】
高強度・高靭性マルテンサイト系鋼合金の低サイクル疲労寿命を向上させるための方法であって、重量パーセントにして、
炭素            約０．２〜０．３６
マンガン        最大約０．２０
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．０１
硫黄            最大約０．００４
クロム          約１．３〜４
ニッケル        約１０〜１５
モリブデン      約０．７５〜２．７
コバルト        約８〜２２
を含有し且つ残部が鉄及び通常の不純物である組成を有するマルテンサイト系合金を融解する工程と、
カルシウムが有用な元素と化合して前記合金中に分散される介在物を生成するようにカルシウムを溶解させつつ前記合金中にカルシウムを付加する工程と、
前記介在物の少なくとも一部を取り除くべく前記合金を処理してから、前記合金を凝固させる工程を含み、それにより、前記合金が、主要寸法にして約０．４μｍ〜約７．０μｍで且つ主要寸法にして少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有すると共に希土類元素を実質的に含んでいない限定的に分散した前記介在物を含んだマトリックスを備えるようにさせる、マルテンサイト系鋼合金の低サイクル疲労寿命を向上させるための方法。
【請求項８】
前記融解工程が、重量パーセントにして、
炭素            約０．２０〜０．３３
マンガン        最大約０．１５
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．００８
硫黄            最大約０．００２５
クロム          約２〜４
ニッケル        約１０．５〜１５
モリブデン      約０．７５〜１．７５
コバルト        約８〜１７
アルミニウム    最大約０．０１
チタン          最大約０．０２
を含有し且つ残部が実質的に鉄と通常の不純物である組成を有する前記合金を融解することを含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記融解工程が、重量パーセントにして、
炭素            約０．２１〜０．２７
マンガン        最大約０．１
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．００８
硫黄            最大約０．００２
クロム          約２．２５〜３．５
ニッケル        約１１．０〜１３．０
モリブデン      約１．０〜１．５
コバルト        約１０〜１５
アルミニウム    最大約０．０１
チタン          最大約０．０２
を含有し且つ残部が実質的に鉄と通常の不純物である組成を有する前記合金を融解することを含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
回転マシーン用のシャフトを製造する方法であって、重量パーセントにして、
炭素            約０．２〜０．３６
マンガン        最大約０．２０
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．０１
硫黄            最大約０．００４
クロム          約１．３〜４
ニッケル        約１０〜１５
モリブデン      約０．７５〜２．７
コバルト        約８〜２２
アルミニウム    最大約０．０１
チタン          最大約０．０２
を含有し且つ残部が鉄と通常の不純物である組成を有するマルテンサイト鋼合金を融解する工程と、
カルシウムが有用な元素と化合して、主要寸法にして約０．４μｍ〜約７．０μｍで且つ主要寸法にして少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有すると共に希土類元素を実質的に含んでいない介在物を前記合金中に分散生成させるように、カルシウムを溶解させつつ前記合金中に付加する工程と、
前記介在物の少なくとも一部を取り除くべく前記合金を処理する工程と、
前記合金を凝固する工程と、
前記凝固された合金を機械加工して、細長い中間形態の製品を提供する工程と、
前記細長い中間形態の製品を加工してシャフトを提供する工程を含んでいる、回転マシーン用のシャフトを製造する方法。
【請求項１１】
重量パーセントにして、
炭素            約０．２〜０．３６
マンガン        最大約０．２０
ケイ素          最大約０．１０
リン            最大約０．０１
硫黄            最大約０．００４
クロム          約１．３〜４
ニッケル        約１０〜１５
モリブデン      約０．７５〜２．７
コバルト        約８〜２２
アルミニウム    最大約０．０１
チタン          最大約０．０２
カルシウム      最大約０．００１
を含有し且つ残部が鉄と通常の不純物である組成から成るマトリックスと、
主要寸法にして約０．４μｍ〜約７．０μｍで且つ主要寸法にして少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有するカルシウム化合物を含んで、希土類元素を実質的に含んでいない、前記マトリックス中に分散した複数の介在物を有する時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金から作られている回転マシーン用シャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度と高破壊靭性とを発揮する鋼合金に関し、特に、改善された疲労抵抗をも発揮する合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高強度と高破壊靭性とを兼ね備えた良好な特性を有する鋼合金は既に知られている。そのような合金の例は、特許文献１〜４に記載されている。これらの特許文献に記載されている合金は、航空機のランディングギア部品、及びブレース（ｂｒａｃｅ），ビーム（ｂｅａｍ）及びストラット（ｓｔｒｕｔ）の如き航空機の構造部材のような構造航空宇宙産業の用途に当初向けられていた。その公知の合金は、硫化物，酸化物及び酸化硫化物の如き介在物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）の寸法及び形状をコントロールするために希土処理（ｒａｒｅ  ｅａｒｔｈ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を含んだ方法によって作られている。そうしなければ、それら合金が向けられている構造的応用分野における当該合金の強度と靭性とに悪影響を及ぼす。
【０００３】
上述した合金の当初の開発以降、それら合金の新たな適用分野への応用、即ち、ジェットエンジン用の回転シャフトへの応用が考えられてきている。それらの合金から作られる回転シャフトの開発の過程で、希土処理された合金の疲労寿命、特に低サイクル疲労寿命に改善すべき余地があることが分かった。然しながら、これらの合金によって発揮される高強度と高破壊靭性とを兼ね備えた特性は、回転シャフトの分野にとっては依然として非常に望ましいものである。従って、回転シャフトの分野のために改善された疲労寿命と共に、公知の合金によって発揮される高強度と高破壊靭性とを兼ね備えた特性を有する鋼合金を得ることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，０８７，４１５号
【特許文献２】米国特許第５，２６８，０４４号
【特許文献３】米国特許第５，８６６，０６６号
【特許文献４】米国特許出願公開第２００７／０１１３９３１号
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、ジェットエンジン又はガスタービンにおいて使用するのに適したタイプの回転シャフトのような最終部品の疲労寿命を著しく改善するために設計された組成ミクロ構造を有する時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金に関するものである。本発明による素材の広範な，中間の及び好適な化学的組成について、下掲表に要約した。同表中に記載した値は、重量％で示されている。
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この合金の残部は、鉄と、同合金が兼ね備えている望ましい特性を損なうことのない量の付加的元素を含む通常の不純物である。本発明による合金は、合金マトリックスにおいて、主要寸法（ｍａｊｏｒ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）で、約０．４μｍ〜約７μｍの寸法分布を有する介在物の分散によって更に特徴付けられる。好ましくは、中間の介在物寸法（ｍｅｄｉａｎ  ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ  ｓｉｚｅ）は、少なくとも約１．６μｍである。その介在物の組成は、セリウム及びランタンのような希土類元素を実質的に含んでいない。
【０００６】
本発明の別の側面によれば、高強度・高靭性の時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金の低サイクル疲労寿命を改善するための方法が得られる。この方法は、上述の重量％組成を有する時効硬化可能なマルテンサイト系鋼合金を融解する工程を含んでいる。更に、この方法は、融解した合金にカルシウムを付加して、それを合金中の有用な硫黄及び酸素と化合させて、合金から除去可能な介在物を生成させる工程を含んでいる。この方法は、合金から介在物の少なくとも一部を除去するために合金を処理して、次に、その精錬された合金を凝固させ、それにより、その凝固された合金が合金マトリックス中に限定分布したそのような介在物を有するようにさせる工程を更に含んでいる。その残留介在物は、主要寸法で約０．４μｍ〜約７μｍの寸法分布と少なくとも約１．６μｍの中間寸法を有している。この合金を機械的に加工して、回転マシーン用のシャフトの如き有用な製品を形成することができる。
【０００７】
上記表は、本発明に係る合金の組成を便宜的に要約したものであって、互いに組み合わせてのみ用いられる各元素範囲の下限値及び上限値を制限するもの、或いは互いに組み合わせてのみ用いられる元素の広範な範囲，中間範囲又は好適な範囲を制限するものではない。従って、或る元素については、広範な範囲，中間範囲及び好適な範囲の一つ又はそれ以上を採用しながら、残りの元素については他の範囲の一つ又はそれ以上を採用することができる。加えて、或る元素については、広範な範囲，中間範囲又は好適な範囲の下限値又は上限値を採用しながら、残りの範囲の一つからその元素の上限値又は下限値を採用することができる。本明細書を通じて、特に指摘していない限り、パーセント（％）は、重量パーセントを意味する。
【０００８】
添付図面を参照することにより、上述した本発明の概要及び後述の詳細な説明の内容をより明確に理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、公知の希土処理された合金（ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ  ｔｒｅａｔｅｄ  ａｌｌｏｙ）に関する横方向軸−軸疲労寿命（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ａｘｉａｌ−ａｘｉａｌ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｌｉｆｅ）と本発明によるカルシウム処理された合金（ｃａｌｃｉｕｍ  ｔｒｅａｔｅｄ  ａｌｌｏｙ）の横方向軸−軸疲労寿命とのグラフを示した図である。
【図２】図２は、公知の希土処理された合金と本発明によるカルシウム処理された合金とに存在する介在物の寸法の度数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）のヒストグラムを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
炭素は、クロム及びモリブデンのような他の元素と化合して熱処理中に炭化物を生成することにより、主として、合金の良好な硬度性（ｈａｒｄｎｅｓｓ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）と高い引張強さとに寄与するので、本発明による合金は、少なくとも約０．２％、好ましくは、少なくとも約０．２０％、より好ましくは、少なくとも約０．２１％の炭素を含んでいる。炭素が多すぎると、この合金の破壊靭性に悪影響を及ぼす。従って、炭素は、約０．３６％以下、好ましくは、約０．３３％以下、より好ましくは、約０．２７％以下に制限される。
【００１１】
コバルトは、この合金の硬度と靭性に寄与し、降伏強さと引張強さの比率（Ｙ．Ｓ．／Ｕ．Ｔ．Ｓ．）に有益である。従って、少なくとも約８％、好ましくは、少なくとも約１０％、より好ましくは、少なくとも約１１％のコバルトがこの合金中に存在する。コバルトが約２２％を超えると、合金の破壊靭性及び延性−脆性遷移温度に悪影響を及ぼす。好ましくは、約１７％以下、より好ましくは、約１４％以下のコバルトがこの合金中に存在する。
【００１２】
コバルトと炭素は、この合金の特徴である、高強度と高破壊靭性とを兼ね備えた特有な特性が発揮されるように合金中で臨界的にバランスされる。そのため、良好な破壊靭性を確実にするべく、炭素とコバルトは、好ましくは、下記の関係式に従ってバランスされる。
ａ）％Ｃｏ≦３５−８１．８（％Ｃ）
【００１３】
この合金が望ましい高強度と硬度とを発揮することを確実にするべく、炭素とコバルトは、好ましくは、下記のようにバランスされ、
ｂ）％Ｃｏ≧２５．５−７０（％Ｃ）、
最良の結果を得るために、下記のようにバランスされる。
ｃ）％Ｃｏ≧２６．９−７０（％Ｃ）
【００１４】
クロムは、この合金の良好な焼入性及び硬度性に寄与し、合金の適切な低い延性−脆性遷移温度に利する。従って、少なくとも約１．３％、好ましくは、少なくとも約２％、より好ましくは、少なくとも約２．９％のクロムがこの合金中に存在する。クロムが約４％を超えると、この合金は、高い引張強さと高い破壊靭性とを兼ね備えた特有な特性が好ましい時効硬化熱処理で達成されないように急速な過時効を受け易い。好ましくは、クロムは約３．５％以下、より好ましくは、約３．３％以下に制限される。この合金が約３％を超えるクロムを含有する場合には、この合金が望ましい高い引張強さを発揮することを確実にさせるべく、合金中の炭素の量を多くするよう調整する。
【００１５】
モリブデンは合金の適切な低い延性−脆性遷移温度に利するので、少なくとも約０．７５％、好ましくは、少なくとも約１．０％のモリブデンがこの合金中に存在する。モリブデンが約２．７％を超えると、合金の破壊靭性に悪影響を及ぼす。好ましくは、モリブデンは、約１．７５％以下、より好ましくは、約１．５％以下に制限される。約１．５％を超えるモリブデンがこの合金中に存在する場合には、この合金が所望の高い破壊靭性を発揮することを確実にするべく、％炭素及び又は％コバルトを少なくするよう調整しなければならない。従って、この合金が約１．５％を超えるモリブデンを含有している場合には、％炭素は、上述した関係式ａ）及びｂ）又はａ）及びｃ）によって定められる一定の％コバルトに対する中間％炭素以下に制限される。
【００１６】
ニッケルは、合金が急速な焼入れ技術で又は急速な焼入れ技術なしで硬化されるようにこの合金の焼入性に寄与する。ニッケルはこの合金によって発揮される破壊靭性及び応力腐食割れ耐性に有益で、適切な低い延性−脆性遷移温度に貢献する。従って、少なくとも約１０％、好ましくは、少なくとも約１０．５％、より好ましくは、少なくとも約１１．０％のニッケルがこの合金中に存在する。ニッケルが約１５％を超えると、合金中の炭素の溶解度が減少して、その結果、鍛造加工に続いて空冷する場合のように合金をゆっくりとした速度で冷却した場合に、粒界に炭化物析出が生じる可能性があるため、この合金の破壊靭性及び衝撃靭性に悪影響を及ぼす。好ましくは、ニッケルは、約１３．０％以下、より好ましくは、約１２．０％以下に制限される。
【００１７】
この合金の望ましい特性を阻害しない量で他の元素をこの合金中に存在させることができる。マンガンはこの合金の破壊靭性に悪影響を及ぼすので、約０．２０％以下のマンガンを存在させることができる。好ましくは、マンガンは、最大約０．１５％、より好ましくは、最大約０．１０％に制限される。最良の結果を得るためには、この合金は約０．０５％以下のマンガンを含有する。約０．１％までのケイ素，約０．０１％までのアルミニウム及び約０．０２％までのチタンが、この合金を脱酸させるための少量の添加物からの残留物としてこの合金中に存在することができる。
【００１８】
この合金の破壊靭性と低サイクル疲労寿命とに資する、硫化物・酸化物介在物の形状制御のために、少量であるが、有効量のカルシウムがこの合金中に存在する。カルシウムは、処理中に合金マトリックス中に生じる介在物の寸法及び分布に有益な影響を及ぼすので、この合金中にカルシウムを用いることは低サイクル疲労（ＬＣＦ）に利する。米国特許第５，０８７，４１５号（特許文献１），米国特許第５，２６８，０４４号（特許文献２），米国特許第５，８６６，０６６号（特許文献３）及び米国特許出願公開第２００７／０１１３９３１号（特許文献４）に開示の合金とは異なり、本発明においては、希土処理を用いることを回避している。従って、本発明に従って作られた合金又は製品は、セリウム，ランタン及びその他の希土類元素のような元素をほんの痕跡量だけ含有するかも知れない。
【００１９】
本発明による合金の残部は、同様な用途の市販等級の合金中に見られる通常の不純物以外は、実質的に鉄である。そのような元素のレベルは、この合金の望ましい特性に悪影響を及ぼさないように制御されねばならない。例えば、リンは約０．０１％以下、好ましくは、約０．００８％以下に制限される。硫黄は、この合金によって発揮される破壊靭性に悪影響を及ぼす。従って、硫黄は、最大約０．００４０％、好ましくは、最大約０．００２５％、より好ましくは、最大約０．００２０％に制限される。この合金が約０．００１％以下の硫黄を含有する場合に、最良の結果が得られる。鉛，スズ，ヒ素及びアンチモンのようなトランプ元素の各々は、最大約０．００３％、好ましくは、最大約０．００２％、更に好ましくは、最大約０．００１％に制限される。酸素は約２０パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ）以下に制限され、窒素は約４０ｐｐｍ以下に制限される。
【００２０】
本発明の合金は、一般的な真空溶解技術又は不活性ガス溶解技術を用いて容易に溶融される。最良の結果を得るためには、追加の精錬が望まれる場合のように、多段溶解処理（ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｍｅｌｔｉｎｇ  ｐｒａｃｔｉｃｅ）を行うのが好ましい。この好ましい処理は、真空誘導溶解炉（ＶＩＭ）内でヒートを溶解させ、そのヒートを電極の形態に鋳造することである。上述した硫化物形状制御のためのカルシウムの合金化添加は、溶融したＶＩＭヒートを鋳造する前に行うのが好ましい。好ましくは、次に、電極を、真空アーク炉（ＶＡＲ）内で再溶解させて、一つ以上のインゴットに再鋳造させる。ＶＡＲ処理後は、合金は約０．００１％以下のカルシウムを含むであろうことが予測される。ＶＡＲ処理に先立って、好ましくは、電極インゴットに、４〜１６時間、約１２５０°Ｆの温度で応力除去処理を施し、空冷させる。ＶＡＲ処理後、好ましくは、インゴットを約２１５０°Ｆ〜２２５０°Ｆの温度で６〜２４時間均質化させる。この合金は、粉末冶金技術、例えば、ＶＩＭ処理後に不活性ガスの噴霧する技術を用いて製造することもできる。
【００２１】
この合金は、約２２５０°Ｆから約１５００°Ｆまで熱間加工することができる。好ましい熱間加工は、約２１５０〜２２５０°Ｆの温度からインゴットを鍛造して、断面積が少なくとも３０％減少したものを確保することである。次に、そのインゴットを、約１８００°Ｆまで再加熱し、更に鍛造して、断面積が少なくとも更に３０％減少したものを確保する。この合金は、幾つかの製品形態のための単一縮小工程（ｓｉｎｇｌｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｔｅｐ）を用いて熱間加工することもできる。
【００２２】
本発明による合金は、次のように、オーステナイト化され、時効硬化される。この合金のオーステナイト化は、合金を約１５５０〜１８００°Ｆの温度で約１時間＋厚さの１インチ毎に約５分加熱し、次に油で焼入れすることにより実施される。この合金の焼入性は、空冷又は不活性ガス焼入れでの真空熱処理を許容するのに十分良好であり、これら処理の双方とも、油での焼入れよりも遅い冷却速度を有している。どのような焼入れ技術が用いられようとも、焼入れ速度は、好ましくは、合金を約２時間以下でオーステナイト化温度から約１５０°Ｆまで冷却させるのに十分な速さである。然しながら、この合金を油で焼入れする場合には、合金を約１５５０〜１６００°Ｆでオーステナイト化させるのが好ましいのに対し、この合金に真空処理又は空気硬化処理を施す場合には、合金を約１５７５°Ｆ〜１６５０°Ｆでオーステナイト化させるのが好ましい。オーステナイト化させた後に、好ましくは、この合金を、約−１００〜−３２０°Ｆで１／２〜１時間、深冷（ｄｅｅｐ  ｃｈｉｌｌｉｎｇ）によるように冷却処理して、空気中で温める。この合金の時効硬化は、好ましくは、約５時間、約８５０〜９５０°Ｆで合金を加熱して、次に空冷することにより実施される。
【実施例】
【００２３】
公知の合金に比較して、本発明による合金によって発揮される疲労寿命が向上していることを実証するために、比較試験を実施した。試験用サンプルを、公知の希土処理された（ＲＥ処理された）材料のヒートと、本発明による合金のカルシウム処理された（Ｃａ処理された）ヒートから得た。二つのヒートの重量パーセント化学的組成を、下掲表１に示した。
［表１］
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各組成の残部は、鉄及び通常の不純物である。
【００２４】
そのサンプル材料の縦方向断面部と横方向断面部（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ａｎｄ  ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｓｅｃｔｉｏｎｓ）とを確保した。これら断面部の各々から標準的な引張・破壊靭性試料を用意した。それら引張・破壊靭性試料を１時間、１６２５°Ｆで加熱することにより熱処理を施してから、空気中で冷却した。次に、これらテスト試料を１時間、−１００°Ｆで深冷して、続いて空気中で温めた。次に、これら試料を、５時間、９００°Ｆで加熱することにより時効硬化させてから、空冷させた。引張・破壊靭性試験の結果を、下掲表２に示した。この表には、ｋｓｉで示した０．２％オフセット降伏強さ及び極限降伏強さ，伸び率，面積の減少率及びｋｓｉ√ｉｎ．で示したＫＩＣ破壊靭性が記載されている。
［表２］
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表２に示されたデータは、本発明によるＣａ処理された合金が、少なくとも、公知の希土処理された合金と同様に優れた引張特性と破壊靭性を発揮するものであることを示している。カルシウム処理の結果、引張・破壊靭性特性に悪影響はなかった。
【００２５】
３／４インチスクエア（ｉｎ．ｓｑｕａｒｅ）×４−１／２インチ長さの横方向ブランク（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｂｌａｎｋｓ）を各ヒートから切除した。これらブランクを、上述した引張・破壊靭性試料について用いたのと同じ熱処理法を用いて熱処理した。この熱処理したブランクを低応力で研磨して、軸−軸疲労試験試料（ａｘｉａｌ−ａｘｉａｌ  ｆａｔｉｇｕｅ  ｔｅｓｔ  ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ）を作成した。
【００２６】
室温での軸−軸疲労試験用の平滑な疲労試験試料（Ｋｔ＝１．０）を、ＡＳＴＭ  Ｅ４６６−９６に従って用意した。２０Ｈｚ正弦波でサーボ油圧試験装置（Ｓｅｒｖｏ−Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｔｅｓｔ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）を用いて、それら試料をゼロ応力から三つの最大引張応力レベル１４００ＭＰａ，１２００ＭＰａ，１１００ＭＰａ（夫々、２０３ｋｓｉ，１７４ｋｓｉ，１６０ｋｓｉ）の各々までサイクルさせた（ｃｙｃｌｅ）。各ヒートの六つのサンプルを、各応力レベルでテストした。従って、この軸−軸疲労試験は、Ｒ＝０及びＫｔ＝１という条件下で行われた。経済的な理由から、試料が１，７２８，０００サイクル（２４時間）までに破損しなかった場合に、その試料の試験はその時点で中断した。
【００２７】
希土処理された試料に関する疲労試験の結果については下掲表ＩＩＩＡに示し、カルシウム処理された試料に関する疲労試験の結果については下掲表ＩＩＩＢに示した。
［表ＩＩＩＡ］
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［表ＩＩＩＢ］
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【００２８】
表ＩＩＩＡ及び表ＩＩＩＢに示したデータについては、データポイントを表示し且つ上記三つの応力レベルで測定された疲労寿命の中央値を結ぶラインを示した図１において図示されている。表ＩＩＩＡ及び表ＩＩＩＢに記載され且つ図１に示されたデータは、審査した三つの応力レベルの各々において、本発明によるカルシウム処理された合金が希土処理された材料よりもかなり長い疲労寿命を有するものであることを示している。
【００２９】
疲労試験中に壊れたサンプルの材料を、各合金中に形成された介在物を寸法と組成によってその特徴を明らかにするために、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で分析した。そのＳＥＭで、カルシウム処理されたヒートからのサンプル中に存在した１９１個の介在物と、希土処理された材料中に存在した１５６個の介在物を審査した。下掲表ＩＶは、希土処理された合金において観察された介在物の寸法と組成とを示している。また、下掲表Ｖは、カルシウム処理された材料において観察された介在物の寸法と組成とを示している。
【００３０】
［表ＩＶ］
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2010531933.tif 000009
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注釈：マトリックス値（ｍａｔｒｉｘ  ｖａｌｕｅ）と比較して富んでいる元素については、太字で強調して示した。
【００３１】
［表Ｖ］
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注釈：マトリックス値と比較して富んでいる元素については、太字で強調して示した。
【００３２】
表ＩＶ及び表Ｖに示したデータは、脱硫処理のようなタイプの処理が介在物の組成に大きく影響を与えるものであることを示している。希土処理された合金中の介在物のほとんどが、希土類元素Ｃｅ，Ｌａを含有している。対照的に、カルシウム処理された合金中の介在物のほとんどは、Ｃａを含有しているものの、Ｃｅ，Ｌａのような希土類元素を実質的に含有していない。希土処理及びカルシウム処理の双方とも、Ｐ，Ｓ及びＡｓのようなトランプ元素をゲッタリング（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）するのに効果的であった。
【００３３】
表ＩＶ及びＶに示された介在物の寸法データは、図２に示したようにワイブル分布に一致している。カルシウム処理された材料と希土処理された材料との間の介在物寸法の中央値は、９５％の信頼レベルで統計的に異なっていることが確認された。従って、カルシウム処理された材料と希土処理された材料との間の中間の介在物寸法には、統計的に相当な相違がある。カルシウム処理された合金に関する中間の介在物寸法が約１．６ミクロンであることが確認されたのに対して、希土処理された材料に関する中間の介在物寸法は約１．１ミクロンであった。本発明によるカルシウム脱硫（ｃａｌｃｉｕｍ  ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒａｃｔｉｃｅ）の結果として生成される介在物の異なる組成と組み合わさって、カルシウム処理された合金の概して大きな介在物寸法が、本発明による合金及び方法によって発揮される疲労寿命にかなり利するものであると考えられる。本発明による合金と方法とによって実現される向上した疲労寿命は、本発明によりカルシウム処理された合金が希土処理された公知の合金と比較して介在物寸法及び組成の点において相違しているという観点から、容易に想到し得るものではなかった。
【００３４】
本明細書中で用いた用語及び表現は、本発明を説明するために便宜上使用したに過ぎないものであって、本発明を何ら限定するものではない。そのような用語及び表現を用いたからと言って、そのことに、上述した本発明の形態と均等なもの又はその一部を排除する意図はない。従って、特許請求の範囲に記載された範囲内において様々な変更を加えることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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