(57)【要約】銅−ニッケル−スズ合金は、約１．９ｗｔ％から約２１ｗｔ％までのマンガンを含む。本発明は、銅−ニッケル−スズ−マンガン合金を含む物品であって、該マンガンが約１．９ｗｔ％から約２１ｗｔ％までの量で本開示の合金中に存在する物品に関する。本発明はまた、物品を生成するための方法であって、約０．２ｗｔ％〜約２１ｗｔ％のマンガンを含む銅−ニッケル−スズ−マンガン合金を鋳造して該物品を生成することを含む方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅、ニッケル、スズ、および約１．９ｗｔ％から約２１ｗｔ％までのマンガンを含む合金。
【請求項２】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記ニッケルが、約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項３】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記スズが、約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項４】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記マンガンが、約１．９ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項５】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記マンガンが、約１．９ｗｔ％から約５ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項６】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記マンガンが、約１．９ｗｔ％から約２ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項７】
請求項１に記載の合金であって、ここで、前記マンガンが、約２ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する、合金。
【請求項８】
銅−ニッケル−スズ−マンガン合金を含む物品であって、ここで、該マンガンが、約１．９ｗｔ％から約２１ｗｔ％までの量で該合金中に存在する、物品。
【請求項９】
請求項８に記載の物品であって、ここで、該物品が、ブッシング、器具ハウジング、コネクター、セントラライザー、ファスナー、ドリルカラー、プラスチック成型用の金型、溶接アーム、電極、鋳造構成部品、および認証されたインゴットからなる群から選択される、物品。
【請求項１０】
請求項８に記載の物品であって、ここで、該物品が、ストリップ、ロッド、バー、チューブ、またはプレートである物品。
【請求項１１】
請求項８に記載の物品であって、ここで、前記合金が、約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までのニッケルおよび約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までのスズを含む、物品。
【請求項１２】
請求項８に記載の物品であって、ここで、該物品が、約５インチをこえる少なくとも一つの寸法を有する、物品。
【請求項１３】
物品を生成するための方法であって、約０．２ｗｔ％〜約２１ｗｔ％のマンガンも含む銅−ニッケル−スズ合金を鋳造して該物品を生成することを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記物品を冷間加工することをさらに含む、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、冷間加工を用いるかまたは用いない加熱処理により前記物品を析出硬化することをさらに含む、方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、前記ニッケルが、前記物品の約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までの量で存在し、そしてここで、前記スズが該物品の約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する、方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、前記マンガンが、前記物品の約０．２ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する、方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、前記マンガンが、前記物品の約０．２ｗｔ％から約５ｗｔ％までの量で存在する、方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、前記マンガンが、前記物品の約０．２ｗｔ％から約２ｗｔ％までの量で存在する、方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法であって、ここで、前記マンガンが、前記物品の約０．２ｗｔ％から約１．９ｗｔ％までの量で存在する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１５年３月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／１３４，７３１号への優先権を主張する。この出願の全体がすべて本明細書において参考として援用される。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
本開示は銅−ニッケル−スズ−マンガン合金に関する。
【０００３】
石油開発において用いられる銅合金は、高い衝撃靭性（例えば、少なくとも２０ｆｔ−ｌｂｓ）を示さなければならない。治金において、用語「靭性」は、エネルギーを吸収し、そして破損することなく塑性的に変形する合金の能力を指す。それゆえ、靭性は、強度および延性の釣り合いを必要とする。また、合金は硫化水素（Ｈ２Ｓ）などの腐食性の物質、および高い軸受摩耗および摩擦などの有害な状況にさらされ得る。硫化水素は、無色の気体であり、腐った卵の臭いのような腐敗臭を示す。硫化水素は、高度に腐食性であることに加え、空気よりも重く、きわめて有毒であり、可燃性であり、そして爆発しやすい。加えて、航空機の着陸システムは、低速度の離陸および着陸の間の高負荷の滑り軸受力（ｓｌｉｄｉｎｇ  ｂｅａｒｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）への大きな耐性を必要とする。
【０００４】
高い衝撃靭性、腐食耐性、および軸受摩耗および摩擦への耐性を有する新たな合金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】
【０００５】
（簡単な説明）
本開示は銅−ニッケル−スズ−マンガン合金に関する。合金は、高い衝撃靭性および腐食、摩耗、および摩擦への良好な耐性を示し、特に作製変形（冷間加工）により強化される。
【０００６】
実施形態において開示されるものは、銅、ニッケル、スズ、および約１．９ｗｔ％から約２０ｗｔ％までのマンガンを含む合金である。
【０００７】
いくつかの実施形態において、ニッケルは、約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までの量で存在し、そして／あるいはスズは、約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する。
【０００８】
マンガンは、約１．９ｗｔ％から約１０ｗｔ％まで（例えば、約１．９ｗｔ％から約５ｗｔ％まで、約１．９ｗｔ％から約２ｗｔ％まで、および約２．０ｗｔ％から約１０ｗｔ％まで）の量で存在し得る。
【０００９】
他の実施形態において、開示されるものは、銅−ニッケル−スズ−マンガン合金を含む物品である。マンガンは、約１．９ｗｔ％から約２０ｗｔ％までの量で合金中に存在する。
【００１０】
物品は、ブッシング、器具ハウジング（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  ｈｏｕｓｉｎｇ）、コネクター、セントラライザー、ファスナー、ドリルカラー、プラスチック成型用の金型、溶接アーム、電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、および認証されたインゴットからなる群から選択され得る。
【００１１】
いくつかの実施形態において、物品はストリップ（ｓｔｒｉｐ）、ロッド（ｒｏｄ）、バー（ｂａｒ）、チューブ（ｔｕｂｅ）、またはプレート（ｐｌａｔｅ）の形状をしている。
【００１２】
合金は、約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までのニッケル、および約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までのスズを含み得る。
【００１３】
必要に応じて、物品は、約５インチをこえる少なくとも一つの寸法を有する。
【００１４】
物品は、航空機の着陸システムまたはその構成部分であり得る。
【００１５】
さらなる実施形態において開示されるものは、物品を生成するための方法である。その方法は、銅−ニッケル−スズ合金を提供すること、および物品の総重量に基づいて０．２〜２０ｗｔ％のマンガンを銅−ニッケル−スズ合金に添加することを含む。
【００１６】
必要に応じて、その方法は、さらに物品の冷間加工を含む。
【００１７】
いくつかの実施形態において、ニッケルは、物品の約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％までの量で存在し、そして／あるいはスズは、物品の約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％までの量で存在する。
【００１８】
マンガンは、約０．２ｗｔ％から約１０ｗｔ％まで（例えば、約０．２ｗｔ％から約５ｗｔ％まで、約０．２ｗｔ％から約２ｗｔ％まで、および約０．２ｗｔ％から約１．９ｗｔ％まで）の量で存在し得る。
【００１９】
本開示のこれらおよび他の限定されない特徴は、下記により詳細に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
（図面の簡単な説明）
下記は図面の簡単な説明であり、図面は、本明細書に開示される例示的な実施形態を例示する目的で提示され、それを限定する目的で提示されない。
【００２１】
【図１】図１は、本開示の例示的な方法を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（詳細な説明）
本明細書に開示される構成部分、プロセス、および装置についてのより完全な理解は、添付の図面を参照することにより得られ得る。これらの図は利便性および本開示を実証することの容易さに基づく模式的な表示でしかなく、そしてそれ故これらの図は、それらについてのデバイスまたは構成部分の相対的なサイズおよび寸法を示すこと、および／または例示的な実施形態の範囲を定義または制限することが意図されない。
【００２３】
明確さのために特定の用語が下記の記載で用いられるが、これらの用語は図面中の説明のために選択された実施形態の特定の構造を指すことのみが意図され、本開示の範囲を定義または制限することは意図されない。図面および以下の記載において、同様の数字の指定は同様の機能の構成部分を指すことが理解されるべきである。
【００２４】
単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に規定しない限り、複数の被言及物を含む。
【００２５】
本出願の明細書および特許請求の範囲における数値は、同じ有効桁数にした場合に同一になる数値、および値を決定するための本出願に記載されるタイプの従来の測定技術の実験誤差未満だけ、記述された値と異なる数値を含むことが理解されるべきである。
【００２６】
本明細書で開示されるすべての範囲は、記載される端点を含み、そして独立して組み合わせることができる（例えば、「２グラムから１０グラムまで」の範囲は端点である２グラムおよび１０グラムならびにすべてのその中間の値を含む）。本明細書に開示される範囲の端点および任意の値は、精確な範囲または値に限定されない。それらは十分に不精確であり、これらの範囲および／または値を近似する値を含む。
【００２７】
「約」および「実質的に」などの一つのまたは複数の用語で修飾された値は、特定された精確な値に限定されなくてもよい。近似の言語は値を測定するための計器の精度に対応し得る。また、修飾語句「約」は２つの端点の絶対値によって定義される範囲を開示するものとして考慮されるべきである。例えば、「約２から約４まで」という表現は「２から４まで」の範囲も開示する。
【００２８】
本明細書で用いられる場合、用語「スピノーダル合金」は、その化学的組成により、それがスピノーダル分解を受けることができる合金を指す。用語「スピノーダル合金」は、合金の物理的な状態を指すのではなく、合金化学を指す。したがって、「スピノーダル合金」は、スピノーダル分解を受けたものであってもよく受けていないものであってもよいし、スピノーダル分解の進行中であってもよくそうでなくてもよい。
【００２９】
図１は、物品を生成することにおいて例示的な方法（１００）を例示する。方法（１００）は、銅−ニッケル−スズ合金を融解すること（１１０）；物品の総重量に基づいて０．２〜２０ｗｔ％のマンガンをその銅−ニッケル−スズ合金に添加すること（１２０）；合金を鋳造すること（１２５）；必要に応じて溶体化アニーリングすること（１３０）；必要に応じて物品を冷間加工すること（１４０）；および必要に応じて物品を加熱処理すること（１５０）を含む。
【００３０】
銅−ニッケル−スズ合金は、スピノーダル合金であり得る。
【００３１】
適切に釣り合わされた（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｅｄ）銅、ニッケル、およびスズのバッチの調製の後、合わせたものを融解する（１１０）。融解すること（１１０）は、所望される固体化生成物の形状に適合したサイズのガス焚き炉、電気誘導炉、またはアーク炉で行われ得る。一般的に、融解温度は少なくとも約２０５７°Ｆであり、鋳造プロセスに依存して１５０〜４００°Ｆの範囲での過熱を伴う。
【００３２】
マンガンの添加（１２０）は、少なくとも約２１００°Ｆ、そして好ましくは約２２００°Ｆから約２３５０°Ｆまでの範囲の温度で、マンガンを上記の融解物中に溶解することで行われ得る。
【００３３】
次に、合金は鋳造される（１２５）。連続鋳造ビレットまたは形状へと、適切な過熱を用いる融解温度安定化の後に、合金の鋳造が行われ得る。加えて、鋳造はまた、インゴット、半完成の部品、ニアネットの部品、ショット、事前に合金化した（ｐｒｅ−ａｌｌｏｙｅｄ）粉末、またはその他の個別の形状を生成するために行われ得る。
【００３４】
いくつかの実施形態において、合金の酸素含有量を低減させるために、融解すること（１１０）、添加すること（１２０）、および／または溶体化アニーリングすること（１３０）の間に、いくらかのマグネシウムが添加される。酸化マグネシウムが形成され、それが合金の塊から除去され得る。
【００３５】
また、強度は加工硬化すること（例えば、冷間加工すること（１４０））および／またはスピノーダル熟成処理を介して改善され得る。これらの特徴は、全体的な強度と延性の組み合わせを改善しながら、強度と衝撃靭性の組み合わせ、腐食耐性、および軸受品質などの他の特性の改善を達成する。
【００３６】
冷間加工は、塑性変形による金属の強化である。これは、典型的に、金属をその再結晶温度よりも低い温度で圧搾し、曲げ、引抜き、またはせん断することにより達成される。例えば、合金は、鎚打ちされ、延伸され、そしてその他の方法で形成され得る。この冷間加工は、合金から形成される物品の硬度、降伏強度、および／または引張強度を増加させ得る。
【００３７】
スピノーダル熟成／スピノーダル分解は、複数の構成部分を、異なる化学的組成および物性を有する別個の部位または微細構造へと分離させ得るメカニズムである。特に、相図の中央領域にバルク組成を有する結晶が離溶する。本開示の合金の表面でのスピノーダル分解は、表面硬化をもたらす。
【００３８】
加熱処理されたスピノーダル構造は、最初と同一の形状を維持し、そして原子の同様の大きさの結果として、加熱処理中に物品が歪まない。
【００３９】
銅−ニッケル−スズ合金はスピノーダル合金であり得る。スピノーダル合金は、ほとんどの場合において、相図において溶解度ギャップ（ｍｉｓｃｉｂｉｌｉｔｙ  ｇａｐ）と呼ばれる異様（ａｎｏｍａｌｙ）を示す。溶解度ギャップの比較的狭い温度範囲の中で、原子の配列（ａｔｏｍｉｃ  ｏｒｄｅｒｉｎｇ）が既存の結晶格子構造の中で起こる。結果として生じる２相構造は、その差よりも顕著に低い温度で安定である。
【００４０】
銅−ニッケル−スズスピノーダル合金は、高い強度、優れたトライボロジー特性、および海水および酸性環境における高い腐食耐性などの有益な特性の組み合わせを示す。卑金属（ｂａｓｅ  ｍｅｔａｌ）の降伏強度の増加は、銅−ニッケル−スズ合金中のスピノーダル分解の結果であり得る。
【００４１】
従来の高性能の鉄（ｆｅｒｒｏｕｓ）、ニッケル、およびチタン合金と比較して、銅合金は、非常に高い電気伝導性および熱伝導性を有する。従来の銅合金は、高度の硬度を必要とする厳しい用途にほとんど用いられない。しかし、銅−ニッケル−スズスピノーダル合金は、硬化した鋳造及び鍛造の両方の条件下で高い硬度および伝導性を兼ね備える。
【００４２】
不活性雰囲気（例えば、アルゴンおよび／または二酸化炭素／一酸化炭素を含む）および／または保護カバー（例えば、バーミキュライト、アルミナおよび／またはグラファイト）の使用は、酸化可能な元素を保護するために中性条件または還元条件を維持するために用いられ得る。
【００４３】
マグネシウム、カルシウム、ベリリウム、および／またはタングステンなどの反応性金属は、溶存酸素の低濃度を確実にするために最初のメルトダウンの後で添加され得る。
【００４４】
連続鋳造ビレット、部品またはショットへの鋳造は、適切な過熱を用いる融解温度の安定化の後に行われ得る。
【００４５】
必要に応じて、約１時間から約１２時間までの間、約１３５０°Ｆから約１６２５°Ｆまでの温度で、溶体化アニーリング（１３０）が行われる。
【００４６】
冷間加工（１４０）は、再結晶温度よりも低い温度で金属を機械的に変形させることを指す。変形が増加するにつれて、金属は、変形することがより困難になる。言い換えると、物質は、加工硬化または歪み硬化される。この工程は任意である。
【００４７】
必要に応じて、金属は、加熱処理（１５０）によりさらに強化され得る。いくつかの実施形態において、加熱処理は、硬化をもたらすために約１時間から約８時間までの間、約６００°Ｆから約９５０°Ｆまでの温度範囲で再加熱することを含む。
【００４８】
ニッケルは、約５ｗｔ％から約２５ｗｔ％まで（例えば、約１０ｗｔ％から約２０ｗｔ％まで、および約１５ｗｔ％）の量で存在し得る。より具体的な実施形態において、ニッケルは、約８ｗｔ％から約１６ｗｔ％まで、約１４ｗｔ％から約１６ｗｔ％まで、約８ｗｔ％から約１０ｗｔ％まで、または約１０ｗｔ％から約１２ｗｔ％までの量で存在する。
【００４９】
スズは、約５ｗｔ％から約１０ｗｔ％まで（例えば、約６ｗｔ％から約９ｗｔ％まで、および約７ｗｔ％から約８ｗｔ％まで）の量で存在し得る。より具体的な実施形態において、スズは、約５ｗｔ％から約９ｗｔ％まで、または約７ｗｔ％から約９ｗｔ％まで、または約５ｗｔ％から約７ｗｔ％までの量で存在する。
【００５０】
マンガンは、少なくとも約０．２ｗｔ％（例えば、少なくとも約０．５ｗｔ％、少なくとも約１ｗｔ％、および少なくとも約１．５ｗｔ％）の量で添加され得る。より具体的な実施形態において、マンガンは、少なくとも４ｗｔ％、少なくとも５ｗｔ％、約４ｗｔ％〜約１２ｗｔ％、約５ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、約１６ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、または約１９ｗｔ％〜約２１ｗｔ％の量で存在する。いくつかの実施形態において、マンガンの最大量は、多くても１０ｗｔ％まで（例えば、多くても５ｗｔ％まで、多くても３ｗｔ％まで、多くても２ｗｔ％まで、多くても１．９ｗｔ％まで、多くても１．８ｗｔ％まで、多くても１．７ｗｔ％まで、多くても１．６ｗｔ％まで、および多くても１．５ｗｔ％まで）である。
【００５１】
いくつかの具体的な実施形態において、銅−ニッケル−スズ−マンガン合金は、約７ｗｔ％から約９ｗｔ％までのニッケル、および約５ｗｔ％〜約７ｗｔ％のスズを含む。また、これらの実施形態は、約０．２ｗｔ％〜約２１ｗｔ％のマンガン、および残りの割合の銅を含む。具体的には、これらの実施形態が、約５ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、約１６ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、または約１９ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、および残りの割合の銅を含み得ると考えられる。
【００５２】
他の具体的な実施形態において、銅−ニッケル−スズ−マンガン合金は、約１４ｗｔ％から約１６ｗｔ％までのニッケル、および約７ｗｔ％〜約９ｗｔ％のスズを含む。また、これらの実施形態は、約０．２１ｗｔ％〜約２１ｗｔ％までのマンガン、および残りの割合の銅を含む。具体的には、これらの実施形態が、約５ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、約１６ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、または約１９ｗｔ％〜約２１ｗｔ％、および残りの割合の銅を含み得ると考えられる。
【００５３】
さらに、合金は、１種類またはそれよりも多くの種類の他の金属（例えば、ベリリウム、クロム、ケイ素、モリブデン、鉄、および亜鉛）を含む。
【００５４】
いくつかの実施形態において、銅合金は、約１ｗｔ％から約５ｗｔ％までのベリリウムを含む。
【００５５】
銅合金は、約０．７ｗｔ％から約６ｗｔ％までのコバルトを含み得る。
【００５６】
具体的な実施形態において、合金は、約２ｗｔ％のベリリウムおよび約０．３ｗｔ％のコバルトを含む。
【００５７】
他の実施形態において、合金は、約５ｗｔ％から約７ｗｔ％までの量のベリリウムを含み得る。
【００５８】
クロムは、合金の約５ｗｔ％未満（例えば、約０．５ｗｔ％から約２．０ｗｔ％まで、および約０．６ｗｔ％から約１．２ｗｔ％までを含む）の量で存在し得る。
【００５９】
物品は、ストリップ、ロッド、バー、チューブ、またはプレートの形状であり得る。
【００６０】
いくつかの実施形態において、物品は、ブッシング、器具ハウジング、コネクター、セントラライザー、ファスナー、ドリルカラー、プラスチック成型用の金型、溶接アーム、電極、鋳造構成部品、または認証されたインゴットである。物品は、航空機の着陸システムまたはその構成部分であり得る。
【００６１】
上記で開示されたおよび他の特徴および機能の変形、またはそれらの代わりになるものが、他の多くの異なるシステムまたは用途に組み合わされ得ることが理解される。現在予見されないかまたは予測されない様々な代替物、改変、変形、または改善は、後に当業者によって行われ得るものであり、以下の特許請求の範囲に包含されることが意図され得る。
【図１】
2018513266.tif 000003
【国際調査報告】
2018513266.tif 000004
2018513266.tif 000005