熱加工亞穩合金的均勻晶粒尺寸的制作方法
【專利說明】熱加工亞穩合金的均勻晶粒尺寸
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2013年3月15日的序列號為61/793，690的美國臨時專利申請的優先權，其內容通過引用完全并入本文。
【背景技術】
[0003]本公開涉及一種制備晶粒尺寸均勾的熱加工Cu-N1-Sn亞穩合金(spinodalalloys)的方法。通常，所述方法可用于產生沒有開裂的晶粒尺寸均勻的亞穩合金而無需進行勻質化步驟。代替勻質化步驟的是，鑄態(as-cast)金屬合金經特定的熱處理步驟而產生晶粒尺寸均勻的亞穩合金。
[0004]傳統上，用于產生晶粒尺寸均勻的金屬合金的方法包括與其他熱處理和/或冷加工步驟組合的勻質化步驟。勻質化是通用術語，通常用來描述旨在糾正存在于界面處的溶質元素分布和金屬間結構改變方面的微觀缺陷的熱處理。勻質化處理的一個可以接受的結果是，鑄態金屬的元素分布變得更加均勻。另一個結果包括形成大的金屬間顆粒，其在鑄造過程中形成并可在加熱過程中被破碎和除去。
[0005]在進行冷乳或其他熱加工工序之前，通常需要進行勻質化工序以將金屬轉化成更可用的形式和/或改善乳制產品的最終性能。進行勻質化以使微觀濃度梯度均衡。通常通過如下方式進行勻質化:加熱鑄件至高溫(高于轉變溫度，通常接近其熔點)達幾小時至幾天，不對鑄件進行機械加工，然后冷卻回到環境溫度。
[0006]由于在鑄造產品中發現了由凝固的早期階段或最終階段而導致的微觀組織缺陷，因此需要均質化步驟。這類缺陷包括晶粒大小不均勻和化學偏析。凝固后的開裂由鑄造過程中產生的宏觀應力引起，其導致在凝固完成前開裂以穿晶方式形成。凝固前的開裂也是由鑄造過程中產生的宏觀應力所導致的。
[0007]生產均勻晶粒尺寸的傳統方法具有公認的局限性。主要地，它們通常需要勻質化步驟，這會引起促進開裂的不需要的宏觀應力。
[0008]希望提供在不進行勻質化步驟的情況下制備晶粒尺寸均勻的亞穩合金的方法。這種方法將是有利的，因為它們減少了在亞穩合金中出現宏觀應力和開裂的機會。
【發明內容】
[0009]本公開涉及將鑄態亞穩合金轉變為晶粒尺寸均勻的鍛造產品的方法。通常，不需要勻質化步驟。概括而言，加熱所述合金的鑄件，然后熱加工，接著空氣冷卻至室溫。所述加熱一熱加工一空氣冷卻是重復進行的。所得工件具有均勻的晶粒尺寸。意想不到的是，發現具有高溶質含量的合金不需要單獨的熱勻質化處理，并且還發現在較高的溫度下進行機械加工之前，在較低的溫度下進行機械加工產生了均勻的晶粒結構。
[0010]本文的多種實施方案公開了用于制備制品的方法，依次包括:加熱鑄件至約1100° F至約1400° F的第一溫度持續約10小時至約14小時的第一時間，所述鑄件包括亞穩合金；進行所述鑄件的第一熱加工壓縮(hot work reduct1n);空氣冷卻所述鑄件至第一環境溫度；加熱所述鑄件到至少1600° F的第二溫度持續第二時間；使所述鑄件暴露于第三溫度下持續第三時間；進行所述鑄件的第二熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述鑄件至最終環境溫度以產生制品。無需勻質化步驟。
[0011]在某些實施方案中，所述第三溫度比所述第二溫度高至少約50° F，且所述第三時間為約2小時至約6小時。
[0012]在其他實施方案中，所述第三溫度比所述第二溫度低至少約50° F，且所述第三時間為約2小時至約6小時，并且將所述鑄件從所述第二溫度空氣冷卻降至所述第三溫度。
[0013]所述第二溫度可為1600° F至約1800° F。所述第二時間可為約12小時至約48小時。
[0014]所述第三溫度可為約1600° F至約1750° F。所述第三時間可為約4小時。
[0015]所述第一環境溫度和所述第二環境溫度通常是室溫，即23 °C -25 °C。
[0016]所述鑄態亞穩合金通常是銅-鎳-錫合金。所述銅-鎳-錫合金可包含約8至約20重量%的鎳和約5至約11重量％的錫，余量為銅。在更具體的實施方案中，所述銅-鎳-錫鑄態亞穩合金包含約8至約10重量％的鎳和約5至約8重量％的錫。
[0017]所述第一熱加工壓縮可將鑄件面積減小至少30%。相似的，所述第二熱加工壓縮可將鑄件面積減小至少30%。
[0018]所述第一溫度可為約1200° F至約1350° F。所述第二溫度可為約1650° F至約 1750° F0
[0019]在特定實施方案中，所述第一時間為約12小時；所述第一溫度為約1350° F。在其他實施方案中，所述第二時間為約24小時；所述第二溫度為約1700° F0
[0020]還公開了一種制備具有均勻晶粒尺寸的亞穩合金的方法(S100)，包括:在1300° F和1400° F之間加熱鑄態亞穩合金持續約12小時，然后熱加工壓縮所述合金；空氣冷卻所述亞穩合金；加熱所述亞穩合金至約1700° F持續約12小時至約48小時；加熱所述亞穩合金至約1750° F持續約4小時；進行熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述亞穩合金以產生具有均勻晶粒尺寸的亞穩合金。
[0021]還公開了一種制備具有均勻晶粒尺寸的亞穩合金的方法(S200)，包括:在1300° F和1400° F之間加熱鑄態亞穩合金持續約12小時，然后熱加工壓縮所述合金；空氣冷卻所述亞穩合金；加熱所述亞穩合金至約1700° F持續約12小時至約48小時；爐內冷卻所述亞穩合金至約1600° F并加熱持續約4小時；進行熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述亞穩合金以產生具有均勻晶粒尺寸的亞穩合金。
[0022]下面將更充分地討論本公開的這些和其他非限制性特征。
【附圖說明】
[0023]下面是附圖的簡述，其為舉例說明而非限制本文所公開的示例性實施方案的目的。
[0024]圖1是制備具有均勻晶粒尺寸的熱加工亞穩合金的第一示例性方法的流程圖。
[0025]圖2是制備具有均勻晶粒尺寸的熱加工亞穩合金的第二示例性方法的流程圖。
[0026]圖3是實驗數據的流程圖，所述實驗數據表明在對Cu-N1-Sn亞穩合金圓柱體進行勻質化之后，當在壓縮條件下在1750° F下進行空氣冷卻或爐內冷卻時，超過一半的所述圓柱體開裂。
[0027]圖4是示出下面的一種傳統方法的數據圖，該傳統方法包括:(1)在1700° F下進行勻質化步驟持續3天，(2)在1200° F下再加熱I天，然后熱加工，和(3)在1750° F下進行第二再加熱持續I天，并且進行第二熱加工，其中所有三個步驟之后均進行水淬。
[0028]圖5是示出改進方法的數據圖，所述改進方法包括圖4中所使用的相同步驟(1-3)，但是在各步驟之后使用空氣冷卻代替水冷卻。
[0029]圖6是示出用于形成晶粒尺寸均勻的亞穩合金的示例性方法的數據圖。在這種示例性方法中無勾質化步驟。
[0030]圖7是示出用于形成晶粒尺寸均勻的亞穩合金的第二示例性方法的數據圖，所述第二示例性方法在第二熱加工中使用較低的溫度。
【具體實施方式】
[0031]參照附圖可更完整地理解本文所公開的組件、方法和裝置。為了便于和易于說明本發明，這些附圖僅是示意性表示，因此并非旨在表示所述設備或其部件的相對大小和尺寸，和/或限定或限制示例性實施方案的范圍。
[0032]盡管為了清楚起見，在以下的描述中使用了特定術語，這些術語旨在僅指代被選擇在附圖中示出的實施方案的具體結構，并非旨在限定或限制本公開的范圍。在附圖和下面的描述中應理解，相似的數字標號指代的是具有相似功能的組件。
[0033]如在說明書和權利要求書中使用的，術語“包括”可包括“由……組成”和“基本上由……組成”的實施方案。如本文中使用的術語“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能夠”、“含有”及其變化形式旨在表示開放式的連接短語、術語或詞語，其要求具有所提到的成分/步驟，并且允許具有其他成分/